高性能组合机床和高生产率加工中心

卫美红，张 曙

(1 南通纳侬精密机械有限公司，江苏 南通 226321)(2. 同济大学 现代制造技术研究所，上海 200092)

高性能组合机床和高生产率加工中心

卫美红1，张 曙2

(1 南通纳侬精密机械有限公司，江苏 南通 226321)(2. 同济大学 现代制造技术研究所，上海 200092)

以汽车关键零部件制造为例，分析了机械制造业中高效率与高柔性之间的矛盾和统一。介绍了国际上高性能组合机床及高生产率加工中心的应用和技术发展趋势，并指出将数控技术引入专用机床是化解这对矛盾的正确方向。

组合机床；加工中心；汽车零部件制造

1 高效率与高柔性的矛盾[1]

二次世界大战期间，由于军事工业的需要，基于模块化原理快速设计专用机床的方法获得了应用，并逐渐演变成具有独自结构特点的镗铣类专用机床——组合机床。“组合机床”一词是从俄文翻译来的，英文和德文中仍然使用“专用机床”一词。

组合机床是以通用部件为基础,配以按工件尺寸形状和加工工艺设计的专用部件和夹具,组成的半自动或自动化的专用机床。 组合机床采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工方式，生产效率比通用机床高几倍甚至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能显著缩短专用机床的设计和制造周期，并可方便地组成自动生产线，从而兼有低成本和高效率的优点，因此在大批生产中得到了广泛应用。

随着产品更新换代加快，用于加工特定零件的、缺乏生产柔性的组合机床和自动生产线遇到严峻的挑战。增加生产柔性的需求日益高涨，生产效率和柔性似乎成为制造系统一对不可调和的矛盾。20世纪80年代，出现了由数控加工中心组成的柔性制造系统，柔性化才开始有了转机，但柔性制造系统在生产效率上较之组合机床自动线仍然略输一筹。近年来，随着高速加工的进展，组合机床的数控化和柔性化才有了根本性突破，如图1所示。

图1 镗铣类机床的市场份额变化

从图中可见，在1965年以前，组合机床及自动线和传统镗铣机床各占市场份额40%和60%，到1985年，数控加工中心已经占有市场份额25%左右，高速加工中心也开始出现。2005年加工中心的市场占有率已经超过60%。

再仔细分析一下加工中心的发展趋势：

近20年来，高速加工(High Speed Machining，HSM)在航空、模具行业等单件小批生产中获得日益广泛的应用。同时应该看到，在汽车工业等大量生产中获得应用的另一类高速加工发展更加迅速。后者的主要目标是机床部件从A点移动到B点的时间最短，最大限度地缩短辅助时间，因此称为高速定位(High Speed Positioning,HSP)更加确切，这种趋势使加工中心与传统组合机床嫁接，导致适合大批量生产的高生产率加工中心的出现。

2 高性能组合机床

近年来，随着汽车新车型不断发布，以及新结构、新材料和新工艺的出现，对制造系统的柔性、效率和加工精度的要求越来越高。其中对汽车零部件制造系统性能要求的变化如图2所示。

图2 对制造系统性能要求的变化

从图中可见，发展趋势主要表现在加工节拍缩短、品种增加和成本降低。为了适应这种变化，组成新一代自动化制造系统的高性能组合机床或高生产率加工中心应该具有以下特征：

a.模块化。按照模块化原理进行设计和制造的、面向大批量生产的专用机床是组合机床最基本和最重要的特征。

b.柔性化。刚性是组合机床及其自动线的局限性，柔性化就是在尽可能保持其高生产率特征的同时能够适应有限多品种生产的需要。

c.数控化。数控化是实现组合机床柔性化的主要手段，借助模块化数控单元构建组合机床和自动线，就有可能把组合机床的高生产率和加工中心的高柔性两种优势加以整合。

d.高速化。对组合机床来说，高速化指的不仅是切削速度，更重要的是定位速度，因为当加工节拍以秒计时时，缩短辅助时间就显得非常重要。

e.可重构。传统组合机床仅仅是设计阶段可组合，克服它的刚性局限的措施之一就是可重构，即使用阶段的可组合。当加工对象改变时，可以迅速添加或拆除某台机床组成新的制造系统。

f.智能化。此类机床具有自优化、自监控、自诊断和预维护等各种功能，其加工过程是在一系列传感器的监视下进行的。在偏离设定值时，会自动调整工作参数，超出极限值时，能够报警或停止工作。

笔者认为，具有上述特征的新一代组合机床可统称为“高性能组合机床”，在许多情况下，也可以理解为适合大量生产的高生产率加工中心(High Productive Center，HPC)。

3 数控加工单元

数控加工单元符合组合机床模块化和面向大量生产的基本定义，是组成柔性自动线的基础模块。因此可认为它是高性能组合机床的形态之一，主要由主轴单元和滑座单元两部分组成。

对一些不法生产商，将劣质水表投入到市场中，不论是强度还是性能，均不满足国家规范要求。其中，机芯没有安装调节板，就会导致计量偏差。以某企业为例，针对63个水表的检定结果见表1。分析可知，在相同的使用环境中，不同口径水表的合格率却不同，一次检定合格率为54.0%，调修合格率为30.1%，不合格率为15.9%。

3.1主轴单元

主轴单元的功能是提供切削所需的功率和速度。与传统组合机床的动力头不同，高性能组合机床的主轴单元的特点是采用变频或伺服电动机直接驱动的单主轴，结构非常紧凑，安装方便。在主轴端可以安装单把刀具、复合刀具或六角转塔头。典型的电主轴单元如图3所示。

图3 典型的电主轴单元

3.2滑座单元

滑座单元的功能是提供加工工件时所需要的进给运动和快速移动。滑座通常由伺服电动机驱动，按照坐标数可以分为单坐标、2坐标和3坐标；按照配置形式可分为立式和卧式，按照功能可分为滑座和加工单元，如图4所示。

4 从加工单元到自动线

柔性自动线(Flexible Transfer Line，FTL)是由数控加工单元加上工件输送和装卸装置等模块组成的自动生产线。在许多情况下，柔性自动线除数控加工单元外，往往也包含各种形式的传统组合机床，以发挥各自的优势。组成柔性自动线的典型模块如图5所示。

图4 滑座单元和数控加工单元

图5 柔性自动线的组成模块

Cross-Hüller公司推出的混合配置柔性自动线如图6所示。它含有2套数控加工单元和若干台组合机床，以及工件装卸和输送装置，用于加工发动机的汽缸体。

Cross-Hüller公司最近推出的组合机床反映了这种趋势，明显提高了机床的单元化程度，每台机床配有独立的地基和控制系统，具有快速连接的机械、电气和压缩空气的接口，可以方便地加入或退出自动线，如图7所示。

图6 混合配置的柔性自动线

图7 单元化的组合机床

5 高生产率加工中心[2]

高生产率加工中心是适用于大量生产的、模块化结构的数控机床。与一般的加工中心相比，它更多地关注生产效率，而不是生产柔性。从某种意义上来说，它是通用数控机床的专用化、组合机床的数控化。现对2种典型的高生产率加工中心略加阐述。

5.1STAR 500加工中心

Cross-Hüller公司推出的适应“敏捷制造系统”的STAR 500加工中心，是组成STARline自动线和敏捷制造单元的基本模块，但其结构与一般的加工中心又有很大的区别，如图8所示。

从图中可见，工件安装在立式随行夹具上，主轴的正前方是装卸和输送工件的空间，而机床操作和调试则是在机床的侧面。

图8 STAR 500加工中心

STAR 500加工中心主要技术规格见表1。

表1 STAR 500加工中心的主要技术规格

由2台STAR 500加工中心组成的敏捷制造单元如图9所示。

5.2FLEX-V200

WEMA-Vogtland公司推出的FLEX-V200高生产率加工中心是典型的采用模块化结构和面向大批量生产的高性能组合机床。它具有单电主轴和双电主轴2种配置，加上单坐标或2坐标回转工作台，可以构成3坐标、4坐标或5坐标加工单元。其外观如图10所示。

图9 敏捷制造单元

图10 FLEX-V200 高生产率加工中心

FLEX-V200高生产率加工中心具有良好的动态性能，快速移动速度可达80m/min，加速度达1.5g。为缩短换刀时间，刀具的交换直接在机床上部的刀库里完成。该加工中心既可用于组成顺序串联的自动线，也可与多工位回转工作台集成，组成并联的回转自动线。由3台FLEX-V200加工中心和4工位回转工作台组成的回转式制造单元如图11所示。

图11 回转式柔性制造单元

与传统的串联配置的自动线相比，并联配置的回转式制造单元具有较大的柔性、易维护性和可重构性。加工同一汽车零件的两种不同配置的指标比较见表2。

6 结束语

适用于大批量生产的制造设备正面临着革命性的变化。传统的组合机床和自动线已经不能完全满足需要，组合机床的柔性化和数控化，以及高速化、可重组和可重构是大势所趋。高生产率加工中心的模块化和专用化在大批量生产领域中有着广泛的前景。高性能组合机床和高生产率加工中心的汇合将开创一个崭新的自动化生产的新纪元。

表2两种不同配置的指标比较

[1] 张曙,卫美红,张炳生. 坚持自主创新发展专用数控机床——机床产业转型升级途径之八[J]．制造技术与机床，2010(7)：4-7.

[2] Lopez de Lacalle L N，Lamikiz A. Machine Tools for High Performance Machining[M]．London: Springer-Verlag，2009.

TheHighPerformanceCombinationMachineToolsandHighProductivityMachiningCenter

WEI Meihong1, ZHANG Shu2

(1.Nantong Nanong Precision Machinery Co., LTD., Jiangsu Nantong, 226321, China)(2. Tongji University, Shanghai, 200092, China)

Taking the car' parts and components manufacturing as examples, it analyzes the contradiction and unity between high efficient and flexible in machinery manufacture, introduces the application and development trend of international high performance combination machine tools and high productivity machining center, suggests basic strategy to introduce the numerical control technology into specialized machine tools.

Combination Machine Tool; Machining Center; Car Key Parts and Components Manufacturing

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.006

2014-07-03

卫美红(1968—)，女，江苏南通人，南通纳侬精密机械有限公司高级工程师，长期从事数控专用机床的设计研究工作。

TH122

B：

2095-509X(2014)08-0022-05