作为汽车工业的基础，汽车零部件产业近年得到快速发展。同时， 随着对汽车节能、环保、安全要求越来越高，以及日新月异的技术进步，汽车零部件新品推出速度越来越快。如发动机开发周期从30个月缩短到13个月。在此背景下，近几年来，汽车零部件生产方式发生了革命性变革。新兴的多品种大批量生产方式对制造技术提出了严峻挑战，目标是集高柔性与高效率于一身。目前，高效柔性自动线（FTL）是主要应对方案，也是现代发动机制造的主体生产线。但是其价格昂贵（通常需人民币亿元以上）、占地面积大、对物流系统和专用夹具要求高，使得绝大多数汽车零部件多品种大批量生产，望而却步。因而，国际上近年开发了几种适合小型复杂零件多品种大批量生产的柔性制造单元/自动线。
柔性自动线/制造单元技术
■ 中国汽车工程学会汽车装备部部长 陈长年
1、由加工心组成的柔性制造系统
主要关键技术：
（1） 高速、高精加工中心
德国Chiron公司由高速加工中心组成的柔性制造系统，日本Mazak公司由车铣复合中心组成的柔性制造系统，是适合小型复杂零件多品种大批量生产的柔性制造系统。
表1 VISION加工中心的主要技术特性
技术性能 参 数
工作空间（X/ Y/ Z） 450/ 270/ 310 mm
最大移动速度（X/ Y/ Z） 120/ 120/ 100 m/min
最大加速度（X/ Y/ Z） 30/ 30/ 30 m/s2
主轴转速 15000/30000/40000r/min
刀库容量 24把刀具
换刀时间 1.2s
德国Chiron公司的VISION型高速加工中心，其主要技术特性如下：
VISION型高速加工中心的特点是采用Λ形并联机构、直线电机以及框形“箱中箱”结构，从而实现了高动态性能，最大进给速度达120m/min，移动加速度可以达到30m/s2。
日本Mazak的车铣复合中心也属于高速型。主轴转速： 4000min-1(rpm)；动力主轴转速:12000 min-1(rpm)；快进速度X1 Y1 Z 150000 mm/min；刀具更换时间 (刀对刀)：1.3sec。
同时，为保持加工中的精度，除传统精度补偿技术外，还具有独特的在线补偿技术。
主动振动控制（ACTIVE VIBRATION CONTROL）——将振动减至最小。各坐标轴运动时的加、减速度产生的振动，影响加工精度、表面粗糙度、刀尖磨损和加工时间。具有此项智能的机床可使振动减至最小。例如,在进给量为3000mm/min，加速度为0.43g时，最大振幅由4μm减至1μm。
智能热屏障（INTELLIGENT THERMAL SHIELD）—在线温度补偿。对这个由于温度而产生的直接热变形，可在线自动补偿，使其值为最小。
（2） 机器视觉机器视觉技术
机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。通过图像摄取装置将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。
日本Mazak公司机器视觉技术主要应用如下:
工件的自动测量：将加工好的零件的各个尺寸进行红外线测量，根据测量的结果判断零件是否合格，并对机床的各个参数进行必要的补偿，保证批量零件的合格率。
刀具检测：当刀具从刀库自动换到主轴上时，通过红外扫描可以对刀具的破损进行检测，如刀具破损则自动调用备用刀具，保证加工产品的稳定性。
热位移补偿：通过安装在机床上的热敏元件对机床各个部分的温度进行检测并根据测量结果进行补偿，不论外界环境温度与机床本身温度的变化，都能使机床保持良好的精度。
（3） 柔性夹具（flexible fixture）技术
柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后,夹具的应变能力。随着制造业的发展，多品种生产越来越多，使得制造系统必须能够快速响应产品变化的能力，为了缩短产品设计制造周期，增加制造系统的柔性，降低成本，提高产品质量，不仅仅是机床具有柔性功能，还需要所对应的产品夹具也要有此功能。
日本Mazak公司车铣复合加工中心的柔性夹具，目的在于能够适应多品种无人化生产。如果加工的产品变换，可以通过机械手到软爪库找取对应的软爪（SOFT-JAW），并进行快速更换，从而提高加工效率，实现无人化操作。
柔性夹具的最新发展是，应对“寻位-加工”的挑战。从概念上说，“寻位-加工”是利用图像和传感技术、人工智能的大范围工件寻位算法以及计算机手段，求解出工件的实际姿态和位置，再用无须预设严格程序的以工件寻位后反馈信息作为基础，实时生成刀具运动路径和轨迹实现工件的加工。寻位-加工只是不需定位，而夹紧仍是必须的，无法将其省略。
（4） 智能化技术
由于以下五方面的因素，使得机床利用率通常只有25％。
①编程、程序编辑和试切。
②测量、输入和管理刀具数据。
③由于生产计划改变，机床的重新调整。
④对机床生产的数量和运转情况向上级报告和监控。
⑤对工件安装方法作出决策和寻找夹具。
针对以上五个因素，Mazak 提出了智能化生产中心（CYBER PRODUCTION CENTER）：在工厂内实行网络化，通过将机器、加工程序、夹具以及生产日程安排等所有的数据都进行共享，从而实现对工厂的实时管理，帮助用户工厂实现智能化。主要有4个模块：
马扎克编程软件（MAZAK CAMWARE）:可以从各种CAD数据输入到加工程序的编制都可以迅速地进行。
智能化调度（CYBER SCHEDULER）:根据机器的运行状况，可以容易地对加工日程进行追加和变更，使每一台机器工作量的平均化，从而提高机器的运作效率。
智能化刀具管理（CYBER TOOL MANAGEMENT）:对刀具数据实行全面的智能化管理，从而大幅度提高刀具准备的作业效率。
智能化监控（CYBER MONITOR）:不仅可以检查机器的运行状况和工作进展情况，还可以通过网络或者电话连线从办公室或外地掌握工厂每台设备的运行状况。
由于应用CPC，宁夏小巨人的机床利用率达到约75％；而日本MAZAK由车铣复合中心组成的柔性制造系统机床利用率达到95％以上。保障了汽车小型复杂零件多品种生产的节拍要求。
2、工件送进式机床
也称为工作台倒置式机床。原理是：主轴装于机床上部并携带工件倒置。各个运动轴（3-5轴）全部或大部集中于主轴。刀具装于机床下部，加工时主轴按数控软件指令将工件运送到刀尖。
这类机床最早出现于十几年前的“倒立车”。本文介绍的工件送进式机床又有了革命性新发展：从立车式发展到加工中心式；具有一组排列式刀具、或动力刀具轴（见图4、6）。这些刀具皆为模块化的，根据加工要求设置，加工对象变更时更换刀具很方便。如放置卧式数控车床的转塔刀架（转塔转位就实现了换刀，转塔刀架中还可以包含动力刀架，如铣刀轴，占头轴，丝椎轴等），还可放置独立的大功率铣刀轴，外园磨头，内园磨头，珩磨头，激光头，直到齿轮，蜗论滚刀轴等。这样，就成为一台多功能或复合加工机床（制造单元），可实现除装夹基面以外的全部加工（Done in One）。不再只限于加工回转体类零件，还可加工非回转体类零件，即菱柱体类零件，如板，壳，箱体，缸盖等及其它异形零件 。
工件送进式机床有下列优点:
① 可实现自动上下料：工作台倒置。不需丝毫额外的投入，就可实现自动上下料的功能，从而由单机升级为制造单元—进入自动线、实现自动化无人生产的通行证。同时排屑方便，适合于大批量自动化生产。
② 加工对象变更时可快速调整：工件--刀具相对位置及其精度靠智能数控软件保证，既节省了定位和对刀时间，又在加工对象变更时很容易调整，适合新产品研发和量产。此外，在加工对象变更时还要变更模块化刀具。
③ 夹具相对简单，原则上不需设计制造复杂的专用夹具。因而加工新品的周期大大缩短，费用大大降低。
④ 换刀时间短（既主轴送进），省略了传统加工中心换刀的大部分动作，因而节省了换刀时间。
⑤ 由于工件--刀具运动链大为缩短，简化了机床结构，降低了机床各部件间相对位置精度要求，因而降低了机床制造难度。
⑥ 初期投资小。一般，一台工件送进式机床可以满足生产节拍一分钟左右的要求。这时一台工件送进式机床就大部或全部代替了一条生产线。显然投资小的多，也不存在产能过剩问题。如果生产节拍要求更短，可以再加一台工件送进式机床，以此类推。即，投资是柔性的，与传统生产线比，总投资小。
⑦ 无工件传输系统。与传统生产线相比，省略了工件自动传输系统，占用车间面积小，安装费用低。
综上所述，工件送进式机床机床利用率可高达约75%（图１）。每一台工件送进式机床可以全部或大部分代替一条生产线。是对统治汽车零件生产100多年历史的生产线制造技术的挑战。
图１ 传统机床（左）与工件送进式机床（右）有效切削时间对比
红色——切削时间
绿色——工件定位和装备卸时间
兰色——主轴调整和定位时间
紫色——换刀时间
下面介绍近年国际开发的两种工件送进式机床。
（1）兼有组合机床和加工中心特性的组合中心
德国Ex-Cell-O公司开发出兼有组合机床和加工中心特性的XG系列中心（意为Flex Center），如图２所示。其创新特点如下：
① 主轴带有Z轴、C轴，并由滑台做X轴移动，实现了结构紧凑的三轴模块。
② 主轴携带工件倒置，动力虎钳抓取及夹紧工件。刀具轴采用排列式布局，带有Y轴、B轴。工件主轴的X、Z、C轴，配合刀具轴的Y、B轴，按照数控编程指令，将工件送至置于机床下部的各个刀具轴（图３），进行不同工序的3-5轴加工。刀具轴包括铣轴、多主轴头、车刀等。
③ 可安置2根上部倒置并列式主轴，可同时加工两个相同的零件，也可加工各种不同的零件，每根主轴皆独立直接驱动，显著提高加工效率。
④ 几乎可从机床每一边上下料，快速的工件上下料缩短了节拍。
⑤ 比组合机床轴少，因而结构简单可靠；比加工中心效率高，因为省去了换刀时间。
该机床特别适合复杂汽车零件的一次装夹全部加工。据称，浙江万象集团已经购买十几台用于加工汽车万象节。
(2)、TransFlex
TransFlex为瑞典MODIG公司的概念机（图４）。TransFlex是组合、柔性的复合词，指这种机床具有组合机床的高效率和加工中心的高柔性。主要特点如下：
① 采用工作台倒置的方式。并由动力虎钳抓取及夹紧工件，携带工件完成全部3-5轴运动，按照数控编程指令，将工件送至置于机床下部的各个刀具轴，进行不同工序加工。无需定位、对刀、找正（自动寻位，可以节省大量辅助时间）。同时，对于加工各种不同工件，无需设计制造复杂的专用夹具。
② 高刚性、高速度。采用闭式框架、框中框结构，双X、双Y轴。这是典型的高刚性高速机床结构。X、Y、Z三轴皆采用直线电机，快速移动速度为120 M/min，加速度为1-2G。从一个刀具主轴到下一个刀具主轴（即换刀）时间小于1秒。
③ 各刀具轴皆采用模块式标准动力头。置于机床下部的刀具轴可多达10个，立式和卧式分布。可进行钻孔、攻丝、高速铣、镗、磨等工序（图５）。
2、紧凑型柔性生产线
(1)紧凑型可重构生产线及其构成模块
这是日本多家公司推出的用于解决汽车等大批量生产行业加工小型复杂件的新的解决方案。
它是用多台三种模块来组成生产线。这三种模块实质是紧凑型立式加工中心，卧式加工中心和立式车削中心，如图６所示。以森精机的产品为例（下同），机床宽度只有680mm(含刀库为800mm)，所以说它是 “紧凑型”，目的是为了节省生产线的面积。而且这三种模块的宽度是严格一致的，长度基本一致为2130mm左右,即所需占地面积是一样的，也即位置上可以互换，置换时不会改变生产线的长度。这样，生产线易于重构，故称为“可重构”。三种模块工作台（车削中心为卡盘主轴中心线）均是固定的（即三轴运动均在主轴侧，如同在这以前出现的三轴单元{3-axis unit}）,且离地面的高度严格一致，顶面、前面、侧面的空间开放，这些都是为了便于安排工件的自动传送。
这种生产线的加工对象是如图７所示的汽车行业等大批量生产的小型复杂件。当前这些零件一般是用专用机床加工，据称，创新这种生产线的目的是用工序分散的生产线替代那些工序高度集中的专用机床。新的理念是：
A. 在生产率和占地面积上，这种生产线不及专用机床。但需求多样化的时代，零件的设计更改频繁。一旦设计更改，专用机床需停产调整，甚至需要推倒重来。而这种生产线柔性很大且可重构，可以快速适应工件设计的频繁更改。
B. 专用机床设计制造难度大，周期长，因而造价高，价格昂贵。而这种生产线三种模块间通用化程度大，设计制造难度小，周期短，价格低廉。
此外，这三种模块还有一个特点，就是刀库容量很小，一般为8-10把刀。意味着它只用于工序分散的流水生产线。
(2) 紧凑型柔性自动流水线
最近，美国MAG集团的Witzig & Frank公司开发了占地面积很小的紧凑型柔性自动流水线TRIFLEX。如图８左上部棕色所示，由围绕在中央集中式物流装置四周的4台模块化加工中心组成。适合小型精密汽车零部件多品种大批量流水线生产，如图8下部所示。上料机器人将毛坯送到中央集中式物流装置，然后至第一台加工中心。在完成这道工序后，中央集中式物流装置只需旋转90度（如配置6台加工中心则旋转60度），即可将置于其上的工作台（托盘）送到第二台加工中心，依此类推，完成全部加工。每台加工中心都按节拍流水加工，即，每一生产节拍（以分秒计算）都会生产出来一个零件。图中的两种汽车零件生产节拍各为30秒和55秒。
TRIFLEX是对传统柔性自动流水线的一个奇妙而简约的创新。与传统的柔性自动流水线相比，其物流系统（原材料处理、存储、上下料装置、机床间工件传输装置）十分简约，工作台（托盘）、八角头回转刀库（图９）也十分简约。不仅占地面积小，价格也因此低廉（根据不同配置，TRIFLEX售价100-150万欧元）。因而推出后很受市场欢迎，近年我国已经进口了十多套。
以Total Cycle Time为基本理念的交期、质量考核体系，对传统的产量为核心的生产考核进行了升华。企业生产管理各个环节的相关人员，在重视增加产量的时候，大大提高了交期的控制水平和质量控制水平。各个环节生产管理人员都要对本工序的一次通过率、准时交货率指标负责，公司鼓励大家群策群力提高一次通过率、准时交货率水平。通过信息化系统的应用，管理人员可以及时知道影响本部门质量指标和交期指标的主要问题，并且有的放矢的进行整改。通过信息化系统的使用和质量交期意识的提高，田歌纺织整体的产品A级率从2004年的92%提高到现在的97%，花型准时交货率从2004年的85%大幅提高到现在的95%。
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事实证明，在企业面对困境的时候，通过信息化工作可以帮助企业“修炼内功”，理顺内部流程，降低生产成本，缩短交期，提高质量。只有企业的“内力”积累到一定的程度，才能在日益恶劣的市场环境下求得生存和发展。
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田歌人相信，拥有信息化工作的助力，田歌必将在市场竞争中脱颖而出，重现“上青天”的辉煌。
