數控前沿

多品種、單件、小批量生產和少品種、大批量生產解決方案的新發展

發布日期:2010-08-19    【字號:  

機械工業在進入20世紀以后,存在著兩種生產類型:即多品種、單件、小批量生產和少品種、大批量生產。前者約占到機械工業總產值的70-85%左右,是機械工業的主體。

小批量,一般指一次投料小于100件的批量,進行輪番生產。代表性的行業有航空、航天工業、船舶工業、建筑機械工業、機床工業等。大批量生產的典型代表為汽車工業,而汽車工業的新車型和發動機等試制以及主要為大批量生產服務的模具工業仍屬于單個小批量生產。

這兩種類型金切加工的解決方案迥然不同。本文從歷史進程的角度,結合IMTS 2006展出的新技術作以下的概述。

多品種、單件、小批量生產

1.傳統的解決方案是手工操作的普通機床加上針對具體產品的專用工藝裝備(以下簡稱工裝)——專用刀具、量具、夾具、鉆模、鏜模等。對效率或精度的要求越高,專用工裝的數量越多;設計、制造這些專用工裝的投入越大,一種產品的生產準備周期越長。盡管普通機床可適應產品品種的變更而具備“柔性”,但專用工裝設計制造的負擔限制了這種解決方案的柔性。

2.1946年發明了計算機。1952年將計算機技術和當時新創的伺服驅動技術應用于普通機床,誕生了現代的數控機床。在這之后,經歷了近30年的發展,克服了電子設備不可靠、編程異常困難和價格極為昂貴等缺點,直到上世紀70年代末、80年代初,數控技術才成熟到可以大規模應用于生產的程度,真正成為多品種、單件、小批量生產的解決方案。

由于

(1)換一個程序就可以加工另一種零件,從而具備適應品種頻繁更換的柔性。

(2)機床自動按事先編制的程序運轉,免除人工的介入而實現了自動化。自動化不僅提高了效率,而且提高了精度和精度保持性,從而可大幅減少為提高效率和精度的專用工裝,節省設計制造專用工裝的投入和縮短了生產準備周期,從而更進一步提高了它適應品種更換的柔性。與此同時還具有高效、高精的優勢,成為一個較為理想的解決方案。這是金切加工歷史上一個重大的突破;解決了近200年來多品種、小批量生產不能自動化的難題。

3.機械零件金切加工,一般要經過在多臺不同類型機床上進行不同工種工序加工后,才能完工入庫。據統計,零件在不同類型機床上實際的加工時間,僅僅只占到整個過程時間(in-process time,從原材料開始加工到最后完工的時間)的5%左右,而有高達95%左右時間耗在工序間運輸,存放和等待加工上。普通機床只能在“5%”上“做文章”,而數控機床還可在縮短“95%”上有所作為。那就是實現“工序集中(成)”(Operation Integration),即將多種類型機床的功能集中(成)到一臺機床上,也即走向“復合化”,來大幅度地縮短過程時間.具有這種功能的機床,中國和日本稱之為復合化機床,歐美稱為多任務機床(Multi-tasking Machine)或多功能機床(Multifunction Machine).復合化雖不是新概念,但目前世界風行,原因是新出現的新型車銑中心的神通廣大,可加工從小巧精密的醫療器械的零件到原材料為整體的鋼棒,鋁塊的大型復雜零件.

1959年美國Keaney & Trecker公司在數控立式銑床上,增加刀庫和可自動換刀的機械手,發明了“加工中心”(Machining Center)。更換一種不同類型的刀具即可實現不同類型工序的加工。加工中心將銑、鉆、鏜、锪、攻螺紋等工序集中在一臺機床上,從而實現復合化。它不僅省去工序間的運輸,存放和等待時間,而且是在一次定位裝夾的條件下完成多種工序,省去多次定位和裝夾時間,還免去了由于多次定位裝夾而帶來的誤差,大大提高了零件的加工精度。這是機床復合化歷史上第一次飛躍。

加工中心的出現,對金切加工業影響極為重大和深遠。早在上世紀八十年代末期,在日本機床年產值中,立、臥式加工中心占到25%以上,已成為今日機床年產值中和一個國家數控機床擁有量中第一大品種。一家Job Shop(西方零活分承包商)有一臺加工中心和一臺數控車床,就可承接絕大多數的零件金切加工合同。

普通車床用四方刀架手工轉位來實現換刀。數控車床采用可轉8、10、12、16等不同刀位數的轉塔刀架來實現換刀。上世紀70年代末出現可在轉塔刀架的一個或幾個刀位上,安裝能驅動刀具作回轉運動的刀架,稱之為動力刀架(Driving Tool, Rotary Tool, Live Tool,……)(圖1),可夾持銑刀、鉆頭、鉸刀、絲錐等刀具。這樣可以在車床上實現銑削,以及非中心孔的鉆削、鉸削、攻螺紋等多個工序,稱之為車削中心(Turning Center)。這是復合化歷史上的第二次飛躍。典型機床如1981年得獎的Mazak公司的Quick Turn系列.車削中心和以后出現的車銑中心均新增了Y軸,實現方法之一和其作用見圖2。

到上世紀80年代中期,歐洲市場上出現了具有雙主軸(兩主軸對置)的車削中心(圖3)。工件在第一主軸加工完畢后,第二主軸向左移動,夾住工件后退回原位對工件第一主軸的夾持端進行加工(由于兩主軸嚴格同步回轉,工件“移交”時勿須停車),從而實現了工件的全部加工(Complete Machining),也即工件無需運至另一臺機床進行加工,這是復合化的最高形式,具有突破的意義.“全部加工”與日本Mazak公司最近提出的“一臺清”(Done in One)是同一個含義,不過前者僅限于小尺寸的回轉體零件。這是復合化歷史上第三次飛躍。Mazak公司1987年開發的Multiplex就是這類機床的典型代表。

車削中心轉塔刀架上的動力刀架,受空間限制,不可能具有較大的功率和較高的轉速,因而不能滿足銑削負荷較大的加工要求。于是在上世紀90年代,出現了取消轉塔刀架,代以具有大功率、高轉速的銑軸(Milling Spindle)(圖4),以及配套的刀庫和換刀的機械手。實質上等于將一臺立式加工中心與一臺臥式數控車床”合并”(圖5),稱之為車銑中心(Turning/Milling Center)。此時實現車削工序有兩種做法:一是刀庫中裝有帶錐柄的車刀,銑軸作B軸分度后鎖定進行車削;二是在主軸下方設置一個轉塔刀架。1997年Mazak公司首次在EMO(。歐洲機床展覽會)展出的INTEGREX-H系列機床就是這類機床(車銑中心)的典型代表.

車銑中心的另一種實現方法是,將一臺立式車床和一臺立式加工中心“合并”(圖6),Mazak公司的INTEGREX-V系列就是這類機床的典型代表。

車銑中心的出現是復合化歷史上的第四次飛躍。盡管實質上它只是車削中心銑削功能的增強,但它能解決大型零件全部工序或幾乎全部工序的復合加工,而這些零件往往多是關鍵性零件。所以對金切加工領域的影響仍舊十分巨大。如Mazak的臥式車銑中心系列(該公司名稱為INTEGREX Multi-tasking Machine, INTEGREX多任務機床)可加工直徑范圍為Ф600~Ф920 mm,長度為1.5~6 m;奧地利Weingartner公司的臥式車銑中心系列(圖7)(該公司名稱為Multi Purpose or Multi Product Machining Center,多用途或多產品加工中心,簡稱為MPMC)可加工最大直徑為Ф600~Ф1 500 mm,最大長度1~12 m。據稱加工對象為大型船用柴油機曲軸,大型空氣壓縮機、汽輪機、發電機軸、泥漿泵、螺桿泵、大型擠壓機、注塑機的螺桿等。Mazak立式車銑中心系列(INTEGREX V series)可加工最大直徑范圍為Ф730~Ф2 350 mm,最大工件高度1~1.8 m。可加工火箭發動機殼體,船用螺旋漿等。

這類機床還可提供一些選件,如第二主軸,實現全部加工;鏜桿庫安裝不同長度的內孔鏜刀;安裝齒輪或蝸輪滾刀,滾切帶軸的齒輪或蝸輪;激光表面淬硬裝置和磨削軸,實現淬硬和后續的磨削等等。

這類車銑中心的最大優勢是用于新產品試制。Mazak公司曾在國際展上表演過,在臥式機床上用一根大直徑整體棒料,車銑加工成發動機的一根曲軸的成品(圖8);在立式機床上,用一個大尺寸鋁塊、銑鏜鉆等成一個發動機的缸體(圖9)。盡管材料利用率極低,但加工均只耗費了幾個小時,替代了傳統的從設計鍛模或鑄造用木模開始的10幾個星期的周期,為試制贏得了極為珍貴的時間。

近年來,車銑中心還向加工以棒料為原料的小尺寸形狀極為復雜的零件(多為醫療器械)方向發展。實質是將車床主軸箱放在立式加工中心的工作臺上,如圖10所示。配置有相應部件,可以不需第二主軸就實現對工件夾持端的加工。做到“全部加工”,即Done in one。

 

為縮短過程時間(“95%”時間)和提高精度的復合化,經過上述加工中心,車削中心,雙主軸車削中心和車銑中心的四次飛躍,業已達到接近頂級的水平,今后的方向是不斷提高與IT融合及智能化水平和不斷在細節上進行改進和優化。

重型機床和超重型機床的工件重達幾噸”倒”機床甚為困難,復合化更是必然的選擇.所以,重型立車帶銑軸,磨軸,水平銑軸,高速鉆孔電主軸以及落地鏜床,龍門銑床配轉臺,磨軸作車削,磨削用等等,也實現了”一臺清”(Done in One).由于這些早已是常規,人們并不把它們當作復合化機床.

4.單件,小批量生產的機加工車間,一般不開第三班,第二班也開得不充分,若以全年時間為100%,則由此損失了約40%的時間;由于每周的雙休日和其它節假日關門又損失了約28%的時間。此兩項共損失了68%的時間,結果是單件,小批量生產的機加工車間,在全年中僅有32%的時間是開動的。向68%的時間(人休息時間)要生產力和贏得極為寶貴的時間,來縮短交貨期或新產品進入市場期(Time-to- Market)是現代金切加工解決方案的一個重要內容,這就是開發“長時間無人看管加工”(untended or unattended machining)又稱“無人或熄燈生產”(unmanned or lights-out production)。

數控機床本來就是自動“操作”的。人的任務只是“看”和“管”。“管”是準備好程序、原材料(或待加工件)、刀夾具;進行上下料、處理產生的切屑和管理好完工品等。“看”是“監控”,就是及時發現問題和處理問題。只要準備足夠一定”長”時間的程序,待加工工件和刀具(包括準備好替代正常磨損后的刀具及不正常破損的刀具的備用刀具。一般數控系統中均有刀具壽命管理功能,啟動此項功能,到設定刀具壽命時間強迫換刀而不需去測量刀具的磨損度;而對刀具的破損,有些數控系統可進行自動檢測)以及數控系統具有完善的自動監控自診斷和報警系統,探測或自診斷出的故障的自動修復或修復不了的自動停車報警,確保不損壞工件和機床,再加上上下料,切屑和完工件管理的自動化等條件下,就可實現“熄燈生產”。

如果這個無人看管的”長時間”是8-10小時,就可以在開兩班的條件下實現24小時的不中斷生產;如果提升到16-18小時,就可實現人工作8小時,機床工作24小時;如果這個”長時間”一次性可達到64小時以上,則周末雙休日可不停產.目前世界上已有一批企業的一些車間實現了不同長短的長時間無人看管加工.

有以下兩種形式來實現無人看管加工:

①單機 帶多托盤站(Multi-station Pallet Pool)的加工中心就是典型例子。加工中心的加工對象大多數是加工耗時較長的箱、殼、板類工件,6個以上托盤的工件,有可能夠機床8小時以上加工。美國Haas公司2006年推出的新產品EC-400PP型臥式加工中心(圖11),就是與6托盤站連成一體的標準產品。

②多臺機床組成的柔性制造單元(FMC)和柔性制造系統(FMS)(圖12及13)

FMC與FMS的共同特點是,A、托盤數目較多(與上述單機比)。B、托盤的運輸均采用有軌小車或有導軌的滑板。上世紀80年代曾用過無軌感應引導小車,現已淘汰不用。回轉體類零件一般用多關節機器人或龍門式機器人進行工件傳送和上下料。不同之處是,A、FMC的規模較小,且均是由功能不同的機床組成。B、FMS一般含有功能相同的機床,因而其控制器含有如何使全局最優的生產計劃調度軟件。

當前發展趨勢是不斷走向完善、可靠和價廉。讓更多的客戶,從“68%”的時間中挖潛和降低成本和縮短交貨期。

5.在單件、小批生產的條件下,按照Mazak公司的說法,一臺數控機床一般平均只有25%的時間在切削、在創造價值,即有效時間(Uptime)的比重很小,無效時間(Downtime)卻占到了75%。如何減少Downtime,有兩種做法:

①從機床結構上來減少Downtime

如一些加工中心采用與機床連成一體的轉旋180°的機構來交換托盤(圖14)。據此將完工后的托盤“交換”至加工區域以外,把安裝好新工件的托盤“交換”至加工區域里,來減少Downtime。眾所周知,加工中心的上下活(含定位夾緊)耗時較多,如此“交換”,效果顯著。因此,不少公司將其作為標準產品。在上世紀80年代,曾有獨立的180°交換托盤機構的商品出售來與已保有的加工中心配套使用。還有一種做法是:設立兩個固定的工作臺,一個在加工,另一個在裝夾活.如圖15所示.在2006年的IMTS上,有四主軸的數控車床展出(圖16及17)。與加工中心180°托盤交換做法類似,將兩主軸移至加工區域之外,進行上下活,讓上下活時間與另兩主軸加工時間重疊。實現零上下活時間(Zero Loading Time)

②從將機床聯網和優化計算機軟件上來壓縮生產準備時間。

Mazak公司認為75%(Downtime)損失,主要來自生產準備的不周,其中程序的編制,優化、驗證和準備及管理刀具耗時最大;其次來自生產計劃不優化和急件插入時產生的混亂造成的停工待料;再其次來自上、下不通氣,生產管理部門不及時了解變化了的情況。為此,該公司除賣機床外,還可向用戶提供稱為“智能生產控制中心”(Cyber Production Center,以下簡稱CPC)的生產網絡控制軟件。CPC包含4個模塊:a.MATRIX CAM模塊——程序編制、優化、仿真驗證及管理;b.工具管理模塊(Tool Management)-----通過網絡全面管理所有刀具的數據.;c.計劃調度模塊(Scheduler)-----當有急件插入時,立即迅速排出最優的計劃,作為工廠生產管理系統(ERP-企業資源規劃)的最底層模塊;d.機床監控模塊(Machine Monitor)——在線監控機床的運轉,及時溝通情況。據該公司稱,運行CPC可以將Uptime從25%提高至65%,也即提高2.6倍,一臺數控機床等價2.6臺,效果驚人。據該公司報導,已有不少用戶運行了CPC,都取得了極好的效益。Mazak公司自身的Uptime更是創造了紀錄。其在華企業LGMAZAK的Uptime高達76%,創造了中國機床業的紀錄.日本本部的Uptime高達97%,創造了世界機床業的紀錄。

數控機床Uptime很低的現象較為普遍,確實與生產準備和生產管理的水平有關。但是,作為機床制造商的Mazak公司,把服務擴展到生產管理領域的事例還是極個別的,除日本Oknma和森精機公司可提供類似的服務外,還沒有發現第四家。而隨機床提供相應的CAM(編程及檢驗)軟件的機床公司較多,特別是那些機床功能或結構有特色的公司,它們擁有更適合其機床的訣竅(Know-how),一些商業CAM軟件性能不如它們,可更好發揮其機床的作用。個別廠家如前面提到的奧地利Weingatner公司甚至還提供某些大型螺桿的CAD軟件。

Mazak公司另一個為生產管理服務的例子,就是倡導和從機床方面保證“逐臺按單臺份零件(裝配)成套投料”加工,因為只有這樣,零件(裝配)成套的周期最短,也即可盡早開始裝配,最大縮短交貨期和加快流動資金的周轉。圖18所示,在數控車床上按單臺份成套順序加工.在多托盤的加工中心上,最容易實現按單臺份成套加工。

結論:

綜合以上對多品種、單件、小批生產解決方案的敘述,可得出以下幾點結論:

1、當前,在產品技術含量不高的條件下,采用普通機床加專用工裝,似乎仍是可選的。對產品技術含量稍高,采用普通機床作為輔助,不是挑大梁(指加工關鍵零件),仍不失為一個可行的方案。

2、數控機床經過半個世紀的發展,已有多種提高效率的途徑。既可通過提高速度,如提高主軸轉速、工作進給速度、空行程速度、換刀速度等;又可以通過復合化縮短“95%”的過程時間;通過長時間無人看管加工從“68%”(人休息時間)時間中挖掘潛力和縮短交貨期;又可通過從機床結構上設法將上下料移至工作區域外進行,以提高機床的uptime;還可通過優化編程、強化計算機刀具管理和生產管理,來縮短“75%”的停機待“料”(含程序、刀具、工件等)的Downtime;還可推行零件單臺份成套加工等等,不象傳統普通機床時代,似乎只有提高速度一條路。正因為如此,在單件、小批生產條件下,一般只有在切削有色金屬,鉆小孔和用立方氮化硼(CBN)刀具切削淬硬鋼時才用高主軸轉速。一般工作時不使用高主軸速度,用高速付出的代價(如較短的刀具壽命等)不完全值得。現在,不少廠家可提供兩種主軸最高轉速(一高一低)的機床,由用戶根據實際情況選擇,不象過去一個時期的盲目追求高速了,而是通過其他途徑來提高效率。

當前,我國大多數用戶對挖掘68%的時間潛力和縮短交貨期不夠重視.因此,我國擁有的FMC,FMS的數量很少.世界上以日本的擁有量最多.

3、車銑中心,特別是大型車銑中心的出現,將復合化提升到一個接近頂級的水平,但似乎不是唯一的解決方案。當前,有由標準、價廉、結構簡單的數控車床和加工中心組成的柔性制造單元(用龍門式機器人作工件傳輸)來完成一個零件的全部加工,也實現了Done in one,只是這個one,不是一臺機床,而是一個單元。不過,對大型回轉體類零件,車銑中心方案似乎仍是唯一的。

4、從Mazak聲稱采用CPC軟件可將25%的Uptime提高到65%。可見對已有的數控機床聯網管理,即強化車間編程和刀具計算機管理,以及采用計算機的計劃調度是何等的重要!目前,國內市場上可提供車間網絡管理軟件的廠商很多,這方面的一些國產軟件業已運行多年,具有較多的經驗。無線網絡技術日益成熟,其他網絡設備價格也大幅降低。推行數控機床網絡管理的好時機業已到來。否則,讓價格高昂的數控機床一天開動時間很少是多么的可惜呀!

 

5、從復合化發展、特別是那些大型車銑中心的發展的過程可以看出,很多新技術是適應特殊生產的需求才出現的。如加工大型船用柴油機曲軸的需求增多,推動了大型車銑中心的發展。用戶,特別是有特殊需求的用戶訂貨時,不是指明要某種型號的機床,而是提出典型零件的圖紙及加工的技術要求以及其生產綱領(年產量、單件加工工時、成本要求等),要求機床廠商提出最優的全面解決方案(Total Solution),這樣既可全面滿足用戶自己的需求,客觀上又可推動社會的技術創新。國外多數用戶是這樣做的,值得國內用戶效法。

少品種、大批量生產

1、傳統解決方案一言以蔽之是:專用機床組成的自動生產線和組合機床組成的自動生產線。前者對付回轉體類零件,如發動機的曲軸和凸輪軸;后者對付箱體類零件,如發動機的汽缸體、汽缸蓋和變速箱。小零件采用自動化的單機,包括單主軸單機和多主軸多工位單機等。

2、到了上世紀70、80年代,上述傳統方案就開始難以延續下去。由于人們消費觀念改變追求多樣化、新穎化,以及技術飛速進步使得產品更新換代加速。結果是,在大批量生產的同時,要求頻繁變換品種,也即不僅要求高效,還要求柔性(Flexibility)和敏捷性(Agility),即快速地實現柔性。

上世紀50年代出現、80年代初成熟的數控技術,幫了自動化單機和專機組成的自動線的大忙。數控技術替代了難以設計制造的凸輪,替代了調整費時的(液壓、電氣)檔塊,從而使各種各樣的專用機床具有柔性和敏捷性,即可以快速簡便地適應工件參數變換和品種更換,“線”的控制也更為容易。盡管組合機床也應用了數控技術(采用了可編程邏輯控制器——PLC,Programmable Logic Controller),使行程、進給速度、動力頭速度的調整和控制具備了柔性,但其主體——專用多軸箱的設計制造周期長,即柔性問題難以解決。

因此,大批量生產具備柔性的難點,是在箱體類零件加工上,也即在尋找替代傳統組合機床的方案上。

3、上世紀80年代,英國和徳國一些廠商開發了可換多軸箱加工中心。做法是除保有刀庫外,還增加了一個多軸箱庫,能容納多個多軸箱,象換刀一樣換多軸箱。另一方案是象數控車床的轉塔刀架一樣,設計制造了轉塔式多軸箱,轉塔每轉一個位置就換了一個多軸箱(圖19).

這種方案只解決已有的多品種生產的問題,而對未來的設計參數變更和產品更新換代,則與傳統組合機床一樣無能為力。

4.也在上世紀80年代,出現了”柔性生產線”(FTL,Flexible Transfer Line).它由”三軸單元”(3-Axis Unit)的加工中心作為模塊(圖20)構成.這種模塊X,Y,Z三軸的運動均在主軸側完成.工作臺置于生產線上,工件的傳送與組合機床生產線完全一樣.實質上是以單主軸的加工中心單元替代組合機床的動力頭加多軸箱,因而具備柔性和敏捷性.這是目前仍在使用的解決方案.

5.仍是在上世紀80年代,出現了雙主軸和三主軸(圖21)的加工中心,相應地也有兩個和三個刀庫及機械手,可同時加工兩和三件完全一樣的工件.但限于主軸間的距離不能太大,只能加工小型工件.在這屆IMTS 2006上,Cross Huller Ex-Cell-O Lamb公司展出了新的SPECHT 550 Duo型雙主軸加工中心.據稱,在大批量生產中西歐比北美更為鐘愛雙主軸機床,認為比兩臺單主軸機床性價比高,占地面積和冷卻液省.

6、世界上第一臺采用直線電機作為機床進給傳動的高速加工中心于1993年在徳國Ex-Cell-O公司誕生.除主軸高速外,直線電機將空行程速度提高到90~120 m/min、加速度達1~3 g的驚人水平。這種方案的思路是以單主軸的高轉速、高速位移定位和快速換刀的順序加工來替代組合機床低轉速的同時(平行)加工,使得生產率大幅度提高,盡管在整體上效率還比不上組合機床,但具有組合機床所沒有的柔性和敏捷性,是目前受到歡迎的解決方案。

7.上世紀90年代,美國提出了“可重構機床”(Reconfigurable Machine Tool,以下簡稱RMT)的概念。這種機床既是高效的,又能經簡易調整后可適應設計更改和品種變換。例如,當前四缸和八缸發動機是由兩條剛性生產線生產的。當油價漲時,四缸汽車暢銷而八缸車滯銷;油價跌時,情況相反。結果總是:一條生產線吃不了時,另一條生產線能力放空。設想由RMT構成的生產線可同時生產4缸和8缸發動機,無論油價漲跌,生產能力均能得到充分的利用。RMT仍處于科研階段,尚未有成熟產品問世。

8.日本森精機(MORI SEIKI)公司的NX系列機床,聲稱是“緊湊和可重構”(Compact and Reconfigurable)。它是結構簡單的三種模塊:立、臥式加工中心和立式車削中心(圖22),用來組成汽車零件加工生產線(圖23)。立、臥式加工中心有兩種規格,其X/Y/Z行程分別為150/150/220和300/350/350 mm。最大工件重量分別為30和200 kg。這三種模塊的寬度均為680mm,因而重新布置時,不同模塊可相互置換.其“可重構”的概念與上述的不同,它要移動模塊。這種方案的實質,與前述的FTL相同。

9.在單件、小批生產條件下,工序集中(復合化)可以縮短過程時間,是優等的解決方案。在大批量生產條件下,與之相反,工序越分散,設備(機床)投入越大,可取得單位時間產量越大的效果。組合機床自動線就是按工序分散的原則組成的。現在將高速加工中心應用于大批量生產,在生產流程(Production Process)上,是象組合機床自動線那樣,按串聯(或順序)流程(Sequential Process)應用,還是發揮其具有的工序集中優勢,按并聯流程(Parallel Process)應用,即多臺加工中心同時平行地從頭到尾,工序集中地加工同一種工件,下文將予以分析.

并聯流程的優點是:

①柔性和敏捷性較高,還可以按需同時加工多種變型產品。

 

②生產能力易擴展,只需增加機床臺數即可;還可通過開動機床臺數的多少,來適應市場需求的波動。

③一臺機床出故障,不會造成整條生產線停產。

缺點是,產品質量難以控制,眾多零件的某一工序是在多臺機床上完成的,存在著多條變量流(Streams of Variation);發現缺陷,難以跟蹤找到發源地,也即跟蹤性(Traceability)差。

串聯流程的優缺點,與并聯流程的正好相反。

當前的趨勢是,兩種流程混合使用,稱為混合系統(Hybrid System).有以下幾種做法:

①在一個工廠范圍內,對近期設計不會改變的零件如汽缸體加工,采用串聯流程,如組合機床生產線;對近期設計會頻繁改變的,如汽缸蓋采用并聯流程,例如多臺加工中心.

②對同一類型零件,如汽缸體,對近期設計不會改變的參數的粗、精加工均采用串聯流程,如組合機床自動線;然后或在此之前,以并聯流程的方式加工設計會變化的參數,或加工變型產品如4缸,6缸缸體;或加工與其它部件(如傳動箱等)聯結的不同的安裝平面等。

③若全部使用加工中心,也可以不全部實行并聯流程,而是組成多個并聯流程的生產單元(Cell),一般每個單元含3~14臺加工中心。在單元內實行串聯流程。這樣,可方便地實行多種變型產品的同時生產,可以一個單元生產一種變型.加工中心用于串聯流程,勢必形成工序分散;這有利于簡化刀具及其它生產準備工作的管理。雖然增加了工件在機床間傳輸的時間,但可與主軸定位與換刀時間重疊,對效率影響不大。加工中心用于工序分散,刀庫容量可減少。前述森精機公司的“可重構“加工中心,多種型號的刀庫容量分別只有8、10、13和16。

④若全部使用組合機床,也可以不全部采用串聯流程。有這樣一個實例,某公司原計劃使用一條年產60萬件的較短循環周期(High-cycle-rate)的組合機床生產線,后經仔細斟酌,用三條年產20萬件的循環周期較長、可靠性更高的組合機床生產線替代。這樣只需要更動三條線中某一條或兩條就可生產變型產品;還可簡化刀具、在制品等管理。此外,還可得到較高的OOE(Overall Operational Effectiveness),即故障、檢修發生的頻率較低,且其影響面較小。在大批量生產條件下,特別是采用串聯流程時,高可靠性有時比高速更重要.

10.最近Cross Hüller Ex-Cell-O Lamb公司開發出據稱兼有組合機床和加工中心特性的XT525型組合中心(意譯,原名為Transfer Center),如圖24 所示。工件安裝在具有C軸,即具有回轉功能的夾具上,夾具可作X、Y、Z軸運動。所有刀具軸采用U型布局,環繞工件,由工件移向各刀具軸進行加工。刀具軸包括銑軸、多主軸頭、車刀等。據稱,這種機床的優點為:比組合機床軸少,因而結構簡單可靠;比加工中心效率高,因為省去了換刀時間,此外,初始和維護費用低,占用車間面積小,安裝費用低,工件自動傳輸要求較低等。

結論:綜上所述,可以得出:

1.現今大批量生產既要求高效,又要求具有柔性和敏捷性.其最大難點是在于加工箱體類零件。

2.當前較好的解決方案是由組合機床或/和高速加工中心組成的串聯與并聯混合的混合流程。在流程中優先采用組合機床,其次為高速加工中心。

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