高速加工中心组成的敏捷柔性生产线的研制和应用

引言

敏捷柔性生产线的研制是直接源于市场的需求，汽车发动机行业已经从当年流行了半个世纪的美国福特公司所倡导的单一品种、大批量生产的生产模式转到日本丰田公司的多品种、小批量的生产模式，随着产品更新换型速度的加快，要求生产设备不但要有良好的柔性，而且还要有很高的生产效率。随着刀具技术和其他机械技术的发展，1985年美国INGERSOLL公司开发了世界上第一台高速加工中心，到了九十年代中期，高速加工技术在世界机床行业得到了快速发展，尤其是随着数控技术的进步，由高速加工中心组成的敏捷柔性生产线，在汽车发动机行业得到了广泛的应用和认可。像上海通用、上海大众、沈阳航天三菱、一汽大众、长安汽车等大型汽车企业都已经从国外采购多条敏捷柔性生产线。为了快速适应市场需要，大连机床集团于2000年研制出第一台高速加工中心，随着技术的不断成熟，从2003年至今，大连机床集团已经为国内的汽车发动机厂提供了多条敏捷柔性生产系统，真正替代了进EI，填补了国内高速、柔性技术的空白，实现了机床行业由刚性生产线到柔性生产线的跨越；DF150生产线就是大连机床集团为东风汽车厂开发研制的敏捷柔性生产线。

1.敏捷柔性生产线总体方案的制定

根据客户的要求，由高速加工中心和桁架机械手组成生产线，型号是DF150，完成发动机缸体两侧面、及两侧面上孔隙加工；生产线总体方案的制定是根据被加工零件在本生产线上所要加工的内容及其精度要求，年产钢领（节拍），来确定生产线的工艺流程，以及每道工序的切削参数，机床台数，和整个过程的输送方式。其被加工零件情况如图1所示。

（1）被加工零件名称：刚体

（2）节拍：4.2分钟

（3）加工的内容：两侧面、及两侧面上孔隙

（4）根据被加工零件的情况及节拍，制定加工工艺方法，设计出加工示意图，每道工序都要选取合理的切削参数，再计算出所需要的时间，计算过程在这里不做详尽介绍。

2.敏捷柔性生产线的布局

在加工方法、切削参数都确定的情况下，经过详细计算，在保证生产节拍4.2分的前提条件下，最终确定本条柔性线由4台高速加工中心和一条智能物流系统组成，将刚体的左右面、及其面上的孔全部加工完；但实际还设有4个预留工位，以备将来扩大生产规模时使用，如图2所示。

C1与C2、C3与C4、C5与C6机床都是并联关系，加工相同内容；现在C1、C3、C5机床相窜连使用，达到目前生产节拍的要求，但又根据用户未来要提高生产纲领的要求，预留出C2、C4、C6工位，按资金和市场情况再投人，这就是柔性线的好处。

3.柔性线的特点

从以上的布局就能看出柔性线的优势，在项目初期，可以按资金和市场情况分批投入，滚动发展，具有很强的柔性，产品改型非常方便，设备的故障不会造成全线停产。机床品种单一，维修和备件都方便。设备台数少，占地面积小；在产品批量不是特别大时，采用敏捷柔性线可以节省投资。

由于采用了桁架机械手进行工件输送，可以大大简化作为柔性线的基本单元--高速加工中心的结构，这样每台高速加工中心单元的制造成本会下降，而且可以形成批量生产，节省了机床的制造周期，使敏捷柔性线的供货周期要比刚性自动线更短，由于专机的价格较高，组成自动线的机床台数也较多，所以刚性自动线的价格往往高于敏捷柔性线的价格，而且柔性线还能快速适应各种生产的变化，反应敏捷。

4.智能物流系统

DFI50生产线所采用的智能物流系统包括：支柱、空中桁架、在桁架上做水平坐标移动的2个滑架、做垂直z坐标移动的滑枕、安装在滑枕前端可以抓取工件的机械手。空中桁架用钢质型材，垂直滑枕用专用铝质型材构成（见图2）。

每个坐标都应用了直线导轨，采用齿轮齿条由伺服电机通过减速器驱动，移动速度达到100米/分。由于采用数控及伺服电机驱动，机械手移动速度快，定位准确；定位精度可以达到0.2毫米以内，机械手抓取工件采用液压油缸驱动，具有很强劲的抓取力量，抓取时定位准确，每条桁架机械手都设有液压站和电气柜。通过预先设置好的程序，机械手能随时准确到达抓取工件的位置，通过计算，整条生产线有两个桁手就足以满足输送的要求，几乎不占用生产节拍。#p#副标题#e#

5.敏捷柔性生产线的基本单元.高速加工中心的特别优势

组成敏捷柔性生产线的高速加工中心具有高转速、高移动速度、高加速度、高精度的特点，再配上智能物流系统实现缸体的输送，才能达到敏捷柔性生产线的生产目的。敏捷柔性生产线是充分利用了当今技术领域里的最新成就，特别是利用驱动技术和控制技术的最新成果，才能保证高速、高效、高精度。

5.1 主轴转速高

核心部件——选用德国GMN电主轴，陶瓷轴承，转速达12000r/min。刚性好、精度高、振动小、热稳定性好、在主轴上还装有用来测量温度、位移和振动的传感器，以便对电机、轴承和主轴的温升、轴向位移和振动进行监控和自动修正补偿。

因为工序繁多，需要频繁启动主轴，本条线的主轴启动时间非常少，加减速时间短，对提高生产效率起很大作用。如表1所示。

5.2 加工中心三坐标轴的高速移动和高的加速度

高速加工中心大多采用伺服电机和滚珠丝杠来驱动直线坐标轴，但部分加工中心已采用直线电机，由于直线驱动免去了将回转运动转换为直线运动的传动元件，从而可显著提高轴的动态性能、移动速度和加工精度。本线机床应客户要求还是采用传统的驱动形式，各轴移动速度都在75米/分以上，加速度都在1g以上。加工时间要比采用传统加工中心减少50%。

DF150生产线在验收时，应客户要求对其中的一台高速加工中心的z轴进行了以四种不同速度和加速度移动相同距离所用时间的实验，结果见表2。

由表2可以看出，采用高速移动和高的加速度可以使机床坐标轴移动时间节省2/3，本条生产线在实际生产过程中大多采用60m/min快移速度，1g加速度。

6.控制系统

本条生产线采用西门子840D数控系统，并设置一个中央操作台；全线智能化控制，实行无人加工；通过循环扫描自动判断各工位及加工中心的状态，并可在中央操作台上显示；同时两个桁架机械手做出相应的敏捷反应。机床在高速进给速度时有很短程序处理和样条插补功能，并能以微米的分辨率进行工作，以便在高速加工的情况下获得很高的加工精度和表面加工质量。

7.结束语

DF150敏捷柔性生产线的研制成功，掀开了机床技术革命的崭新篇章，真正实现了国内机床行业从刚性线到柔性线的跨越，大连机床集团已经生产10多条敏捷柔性生产线，目前正服务于国内几家汽车生产线上，给客户创造了巨大的生产效益。同时我们通过生产实践，也积累了很多高速、敏捷、柔性、高效生产线的设计经验，为今后的技术发展，尤其是技术集成方面奠定了扎实的技术基础。