金属加工自动化的发展

自从自动化机床诞生以来，就向着高速度、高精度、自动化、复合化和智能化网络化方向不断地发展，其中自动化是提高生产效率、节约人力、减少人为因素影响、满足批量生产需要的重要手段之一。

图1 带有托盘交换装置的FMC

机床的自动化主要向着两个方面发展，一个方面是在机械结构方面的发展，另一个方面是在控制系统方面的发展。两者之间的相互作用，不断地推进了机床自动化水平，而且由于智能化网络化技术在机床方面的应用，使得机床不但具有金属加工的功能，还具备了管理方面的能力。

在机械结构方面，早期的自动机床主要是简单的两轴控制的数控车床和三轴控制的数控铣床。但是这样的自动机床只能实现简单的加工，稍微复杂的工件就加工不了或者需要将机床停下来，进行手动的换刀，自动化的效果大打折扣，因此，在后来的数控车床上增加了能够自动换刀的刀塔，在数控铣床上增加了自动换刀的刀库，为了进一步提高效率缩短辅助时间，在刀库的基础上又增加了机械手，使得换刀的时间大大缩短。现在，刀塔和刀库机械手已经成为数控车床和加工中心的标准配置，数控车床的刀塔功能也发生了变化，不但可以装夹车刀，还可以配置动力刀头实现钻孔和铣削的功能。加工中心的刀库正向着刀库的容量更大，换刀速度更快的方向发展。

有了自动换刀装置的数控机床，就可以对复杂一些的零件进行连续的自动加工，因此，这是机床向着自动化方向发展的重要一步，但是，这还远远不够，对于更加复杂的零件加工往往还需要进行多次的装夹才能够完成加工。比如有的零件除了车削以外还有铣削工序，工件的一头车削完成以后还要卸下来重新安装一次加工工件的另外一头，因此在车床的基础上又增加了铣轴、第二主轴、Ｙ轴，成为车削中心机床，使得车床能够加工的范围不断扩大。还有些复杂工件的加工部位分布在工件的多个平面上，为了减少装夹次数，就在三轴加工中心的基础上增加四轴、五轴进行更加复杂零件的加工，或者增加立卧转换头实现五面加工。

图2 带有多层托盘库和中央刀具库的FMS系统

在数控车床向着车削中心发展和加工中心向着多轴方向发展的基础上，这两大系列的机床又逐步融合，产生了一种新的车铣复合机床。车铣复合机床又可以分为两大系列，一种是在车床的基础上发展起来的车铣复合机床，这是在原来刀塔的位置上安装可以进行强力铣削的铣削主轴，该主轴不但可以安装加工中心刀具还可以安装车床刀具，并配有刀库机械手进行自动换刀，因此具有同样强大的车削和铣削能力。还有的配置第二主轴，在其下面配置第二刀塔，使得机床的可控制轴数达到九个，实现更加复杂零件的完整加工。还有一种复合机床是在加工中心上发展起来的，有的加工中心带有数控转台，传统的数控转台只是实现工件的分度或者做为一个旋转轴来使用，随着技术的发展，现在的数控转台转速越来越高，它不但是一个可以旋转的坐标轴，更可以把它做为机床的主轴来使用，在数控转台带着工件高速旋转时，如果机床的铣削主轴上换上车削刀具对工件进行加工，就变成了数控立车，因此在加工中心上发展起来的同时具有加工中心功能和立车功能的复合加工中心可以进行更大工件的车铣复合加工，如飞机发动机零件的加工等。这样的机床又有在五轴的立式加工中心上发展起来的复合加工机床和在卧式加工中心上发展起来的复合加工机床两大系列。
车铣复合机床的出现，不但使机床的自动化水平大大提高，而且由于一次装夹实现复杂零件的全部加工工序，还使得零件的加工精度大大提高，节约了加工时间，减少了操作人员，缩短了物流和中间周转的环节，减少了库存，方便实现单元化的生产方式。复合机床并不是机床发展的尽头，以上仅仅是机加工工序的复合，将来的机床自动化还要向更广的方向发展，如在机床上增加淬火和磨削的功能，真正实现从毛坯直接到成品的加工。

机床也在向无人化方向发展，为了缩短加工的准备时间，提高机床的利用率，机床增加了托盘自动交换装置，为了进一步提高机床的自动化水平和无人化的工作时间，托盘的数量也在增加，可从2个一直到14个托盘，这就是FMC（柔性制造单元）。但是单个单元的托盘增加是有一定限度的，而且加工的零件种类也会受到限制。于是又出现了FMS（柔性制造系统）。这是在FMC的基础上增加了运送托盘的物料小车，存储托盘的托盘存储站，装卸工件的装卸站，还可以增加清洗机等辅助设施，组成一个完整的加工系统，而且这个系统可以很方便地实现扩充，如通过增加机床的数量来扩充加工能力，增加托盘站的数量来增加无人化的时间，如果受场地面积的限制还可以把托盘库做成两层甚至是三层、四层的立体托盘库。无人化时间的长短除了与托盘站的数量多少有关系以外，还与刀具的多少和刀具寿命管理的功能有关，如果要实现多品种的混合生产，必须有足够的刀具数量，如果要实现长时间的无人化加工还要有刀具的寿命管理，刀具的寿命要能够自动累计，寿命到了以后要能够自动更换备用刀具进行加工，这些都需要大容量的刀库。但是刀库的容量扩充是有一定限度的，因此，为了实现更长时间的无人化加工，有些FMS还配备了中央刀具库，有专门的刀具搬运小车负责进行机床刀库和中央刀具库之间的刀具交换。

随着机器人技术的发展，带视觉系统机器人的出现，机床的无人化水平更是发展到了一个新的高度，如山崎马扎克公司配置了机器人的柔性生产系统可以实现720h的无人化加工。

在控制系统方面，需要新的、更加开放的智能化网络化的系统。数控程序也向着人机对话式的方向发展。

传统的Ｇ代码程序的编程不但需要编程人员具有丰富的工艺知识，而且编程复杂需要很长的编制和调试时间。对于人机对话式的编程方式来说就非常简单了。下面就以MAZAK公司的MAZATROL 640系统为例来说明智能化网络化系统的功能和特点。

图3 可实现720h无人化运转的生产系统

对于内置专家系统采用人机对话式编程方式编程的MAZATROL 系统来说，只要告诉系统要加工的材质和使用的刀具材质，系统就会根据内置的专家库自动给出主轴转速，进给速度等切削参数，当然也可以对切削参数进行修改，并且可以将用户的经验纳入专家库。加工向导预测功能可以根据切削条件计算出主轴的功率负荷，并且给出总的加工时间和每一把刀具的加工时间，以及每把刀具的加工时间在总加工时间中的比率，编程操作人员可以根据主轴的负荷和加工时间对程序进行进一步的优化。

当输入要加工零件的形状、要求等信息后，系统可以自动展开所需刀具和自动生成刀具的加工路径，系统还有三维实体模拟加工和防止干涉碰撞的功能，程序编制完成后，马上可以进行三维实体的模拟试切演示来检验程序的正确性，由于程序中包含了刀具的相关信息，因此，通过三维的实体模拟得到是真实的加工形状，MAZATROL 系统内置了机床的边界条件，如果再加上夹具的模型数据，还可以实现防止干涉碰撞的功能，当手动操作机床的情况下，机床会根据已经建立的机床、刀具、夹具和工件形成的空间的位置和边界条件，时刻监控机床的运行过程，当发现将要发生碰撞危险时，机床会在设定的安全距离内停止运动并发出报警，从而避免干涉碰撞对机床、刀具和工件造成的破坏。

另外，MAZATROL 系统的刀具管理功能，可以大大缩短机床加工的准备时间，机床的监控功能可以随时了解机床的运行状况，图示化的诊断画面可以帮助维修人员尽快排除机床的故障。