如何正确理解与选定组合机床的柔性

柔性，即灵活性。时至今日，广义的讲是指生产系统或者生产企业乃至全球制造系统对变化的市场和变化的需求的应变能力，是衡量其在激烈市场竞争中的生命力 的重要指标。但是最初所谈的柔性，仅仅是指机床的柔性，即指某一机床进行变更以适应加工不同工件的能力。柔性技术的发展和柔性概念的不断变化都是由于社会对产品需求的多样 性与产品的多变性所致。对一台机床设备或一个生产系统而言，究竟如何理解与选定它的柔性，应由获得柔性的经济性所决定，也就是必须考虑使机床所作出“适应”和“改变”的得与失，不可不考虑代价而盲目追求为一切可能发生的变化作好准备。本文仅以组合机床的柔性化进展谈谈如何正确理解和选定组合机床的柔性。

1、组合机床柔性化的回顾

对组合机床及其自动线来讲，柔性化的重要目标和贡献就是通过NC和CNC由刚性自动化过渡到柔性自动化。具体就是用数控和编程代替凸轮和挡铁，主要通过软件的改变使多品种中 小批量生产得以实现自动化以及大量生产走向柔性化。

1.1、各种形式的柔性组合机床

众所周知，传统的组合机床属刚性的专用机床，它主要由一些具有独立功能的通用部件及少许专用部件构成的，是典型的模块化机床。通过给通用部件(或模块)赋以柔性，使其成为柔性通用部件，用这些柔性通用部件就可构成多种形式的柔性组合机床。

(1)数控转塔组合机床

数控转塔组合机床是由数控转塔动力头、数控滑台及其它通用组成的。由于转塔动力头有单轴和多轴的，有立式、卧式、倾斜式的，故可构成多种形 式的数控转塔组合机床。通过转塔头的转位即可对同一工件进行多工序的加工，也可在不同 的工位加工不同的工件。因为工序要求的行程、进给速度及切削速度等用数控和数控编程来实现，所以具有较高的灵活性，适用于小批量多品种或中小批量少品种乃至单品种的加工， 有较好的应用推广价值。它的缺点是，由于受转塔头结构限制，转塔头的工位数不能太多， 当加工工序较多时，就需配置多台数控转塔机床。

(2)数控自动更换多轴箱组合机床

多轴加工是组合机床获得高生产率的主要手段。但多轴箱上主轴种类、数量及布置是按特 定被加工零件设计的，因而具有专用性，故人们提到的传统组合机床均属高效专用机床。如 何使其具有柔性又不失其高效率，除开发了前述的数控转塔组合机床外，又开发了数控更换 多轴箱组合机床。由于这种机床的多轴箱只有在机床处于加工中它才与动力箱连接构成切削头。所以，从理论上讲，可更换的多轴箱数量是不受限制的，从而具有更大的灵活性。

这种机床的布局与常规的组合机床一样，可以是立式的，也可以是卧式的，多轴箱库可以采用环状挂在动力箱上随滑台运动(从外形上看与数控转塔组合机床相同)，也可以独立设置水平布置的多轴箱库。通过自动换箱装置实现库中多轴箱与切削头上的多轴箱的自动更换。更换顺序以加工需要而定，挂在动力箱上的环状多轴箱库如嫌动力箱数量不够用，亦可以再附设一个水平布置的多轴箱库，并与环状多轴箱库实现多轴箱的自动交换。这种柔性组合机床很适合中小批量多品种或中大批量轮番生产箱体类零件采用。

(3)数控换刀和换箱复合式组合机床

此类柔性组合机床实际是将加工中心和组合机床巧妙地结合在一起组成的，即保持了组合机床的高效又兼备了加工中心的高柔性。换刀主要是为较大直径单轴孔的半精镗和精镗。对于批量较小、品种较多、又要做到按定单生产的企业用来加工同族中大型箱体类零件是很适用的。既可减少设备投资又可提高设备利用率，具有较好的灵活性和经济性。

(4)三坐标加工模块和三坐标加工单元

对柔性生产线来讲，柔性包括两个含义：一是加工族系零件的灵活性，即实现同类同族系零件的多品种加工；二是加工过程的灵活性，即某工位出现故障时，用另外工位执行需要工序的能力，也就是常谈的“互替”功能。这一方面可通过重新设计组合机床使它具备柔性来实现，另一方面可设计一种多轴加工模块，来填补加工中心和组合机床之间的空缺，三坐标加工模块就是在这种设想中研制出来的。

带换刀装置的三坐标加工模块，其加工主轴可实现X、Y、Z三个坐标轴的运动，刀具亦可自动更换，对加工族系零件有较大的灵活性。它一出现就受到用户的极大欢迎。这种加工模块配以固定工作台可组成三坐标加工单元，配以回转工作台或回转夹具亦可组成四轴、五轴加工单元。既可独立使用又可纳入组合机床自动线，成为柔性自动线(FTL)，是一种非常有前途的柔性加工设备。

1.2、组合机床柔性化的新发展--大量生产的柔性化

在努力实现中小批量多品种生产柔性化的同时，国外一些大组合机床制造厂家正在奋力追 求大量生产的柔性化。值得指出的是，大量生产走向柔性化并不意味着传统的组合机床自动 线就要淘汰，相反很有可能在逐渐形成全球制造系统的过程中，由于它在大量生产中拥有可获得低成本这一独特的优点而更具生命力。当然，作为机械制造厂都希望得到既有高效率又有高柔性的机床，从而获得更高的价值和寿命，这也就给大量生产用的柔性组合机床及其自动线开辟了市场。机床制造厂为了满足用户的这一要求，也致力于研究开发使大量生产实现 柔性化的高效高柔性机床。

(1)高效加工中心

大量生产中，传统的做法是广泛采用多轴镗削组合机床加工诸如多种发动机气缸体缸孔等精密孔，从而获得短节拍，达到高生产率。但由于它的“刚性”结构，难于适用多品种加工和产品的变化，于是有的机床制造厂研制生产出高速单轴加工中心，虽顺序地对多孔一个一个进行镗削，但其总的加工时间不超过多轴镗削组合机床的节拍，这样既满足了大量生产的生产率要求，也实现了彻底的柔性化。但必须注意到同多轴镗削组合机床相比，高速加工中心采用了大量的高新技术，如高速主轴、直线电机高速进给部件以及相关的冷却润滑、温升控制、隔磁防磁等难度较大的新技术，同时控制系统比较复杂，机床成本较高。追求所谓的全面或彻底柔性，必须要冒较大的技术风险。

(2)柔性自动线(FTL)

在大量生产用的组合机床自动线上，并排设置带有专用工位的三坐标(或四坐标)加工模块，使自动线获得了柔性，在大量生产中越来越受到欢迎。由于三坐标加工模块和其它柔性组合机床纳入自动线，不仅有可能实现同时加工几种族系零件，如V6、V8和V10发动机缸体等， 而且当被加工零件较小改变时，稍加调整即可适应加工新零件的要求，当自动线某工位发生故障时，其它工位可代替故障工位完成所需的工序加工。传统的专用自动线是不可能的，传统刚性自动线的某工位发生故障就导致全线停机，尤其是为适应一个新产品加工所需的改装，既费时又费钱(据文献记载要耗时一年，耗资为原始投资的80%以上)。

这种柔性自动线是在组合机床自动线基础上发展起来，由于三坐标加工模块在技术上已经成熟，和组合机床一样采用了模块化结构，所以纳入组合机床自动线后并不增加复杂性，实际上柔性自动线是以传统的组合机床自动线与三坐标加工模块结合起来，从而以合理的费用得到最好的柔性，并把选择更换刀具的昂贵费用减到最少。当加工品种改变时，可增减工位，这种顺序加工的灵活制造系统适用于年生产纲领在25万～100万件之间的大批量生产方式 。

(3)CNC回转式组合机床(或称CNC回转式加工单元)

过去，传统的回转工作台式组合机床多用来加工非箱体类杂件，实际上它也适用于加工各种复杂、有一定精度和产量的箱体类零件，但一般只加工一个品种的零件，更换加工品种非常麻烦，效率高但缺少柔性。最近几年，出现了既具高效率又具有柔性的CNC回转式组合机床新品种，其结构形式基本上有两种，一种是回转工作台周围的切削部件全部是CNC三坐标加工模块，一种是回转工作台周围的切削部件全都是带有多刀转塔刀架的CNC三坐标加工模块。与传统回转工作台不同的是增加了工作台上夹具的柔性，不需重新装夹即可对箱体实现五面加工。

第一种回转式加工单元中的CNC三坐标加工模块，视加工刀具数量的不同，可以带有4～8刀位的冠式转塔刀架，也可以带一个几十把刀的刀库，这样既保留了回转工作台式 组合机床可同时加工多个工件的特点，又大大增加了柔性。

第二种回转式加工单元中所采用的切削部件是四轴CNC加工模块，主轴除了可完成X、Y 、Z三个坐标运动外，主轴上装有转塔刀架，根据需要更换转塔刀架。工作台上可以安装 可回转 360°的转位夹具，可对箱体零件实现五面加工。这种CNC回转式组合机床把CNC的柔性和专 用机床的生产率较好地结合了起来。