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組合機床和自動線的技術發展

組合機床和自動線的技術發展

發布日期: 2017-02-16 作者: 點擊:

組合機床和組合機床自動線是一種專用高效自動化技術裝備,目前,由於它仍是大批量機械產品實現高效、 高質量和經濟性生產的關鍵裝備,因而被廣泛應用於汽車、拖拉機、內燃機和壓縮機等許多工業生產領域。其中 ,特別是汽車工業,是組合機床和自動線相對的用戶。如德國大眾汽車廠在Salzgitter的發動機工廠,90年代初 所采用的金屬切削機床主要是自動線(60%)、組合機床(20%)和加工中心(20%)。顯然,在大批量生產的機械工業 部門,大量采用的設備是組合機床和自動線。因此,組合機床及其自動線的技術性能和綜合自動化水平,在很大 程度上決定了這些工業部門產品的生產效率、產品質量和企業生產組織的結構,也在很大程度上決定了企業產品 的競爭力。

現代機床設備用線作為機電一體化產品,它是控製、驅動、測量、監控、刀具和機械組件等技術的綜合 反映。近20年來,這些技術有長足進步,同時作為組合機床主要用戶的汽車和內燃機等行業也有很大的變化,其 產品市場壽命不斷縮短,品種日益增多且質量不斷提高。這些因素有力地推動和激勵了組合機床和自動線技術的 不斷發展。 


1 組合機床品種的發展重點

在組合機床這類專用機床中,回轉式多工位組合機床(圖2)和自動線占有很重要的地位。因為這 兩類機床可以把工件的許多加工工序分配到多個加工工位上,並同時能從多個方向對工件的幾個麵進行加工,此 外,還可以通過轉位夾具(在回轉工作台機床上)或通過轉位、翻轉裝置(在自動線上)實現工件的五麵加工或全部 加工,因而具有很高的自動化程度和生產效率,被汽車、摩托車和壓縮機等工業部門所采用。 

根據有關統計資料,德國在1990~1992年期間,回轉式多工位組合機床和自動線的產量約各占組合機床總數 的50%左右。

應指出,回轉式多工位組合機床實際上是一種特殊型式的小型自動線,適合於加工輪廓尺寸≤250mm的中小 件。與自動線相比,在加工同一種工件的情況下,回轉式多工位組合機床所占作業麵積要比自動線約小2/3。 

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2 自動線節拍時間進一步縮短

目前,以大批量生產為特征的轎車和輕型載貨車,其發動機的年產量通常為60萬台左右,實現這樣大的批量 生產,回轉式多工位組合機床和自動線在三班運行的情況下,其節拍時間一般為20~30秒,當零件生產批量更大 時,機床的節拍時間還要更短些(表1)。在70年代,自動線要實現這樣短的節拍,往往要采用並列的雙工位或設 置雙線的辦法,即對決定自動線節拍的、工序時間最長的加工工序要通過並聯兩個相同的加工工位,如果限製性 工序較多時,則通過采用兩條相同的自動線來平衡自動線係統的加工節拍。顯然,這樣就要增加設備投資和作業麵積。 

縮短基本時間的主要途徑是采用新的刀具材料和新穎刀具,以通過提高切削速度和進給速度來縮短基本時間。 例如,德國大眾汽車廠在加工鋁合金缸蓋燃燒室側麵時,采用PCD銑刀,銑削速度高達3075m/min,進給速度達 3600mm/min;又如,在鏜削灰鑄鐵缸體的缸孔時,采用裝有三個可轉位CBN刀片的新穎鏜刀頭,切削速度達 800m/min,進給速度為1500mm/min,加工深度為146mm的缸孔,其實際加工時間僅為5.8s,比傳統加工工藝可縮 短2/3的加工時間。 

縮短輔助時間主要是縮短包括工件輸送、加工模塊快速引進以及加工模塊由快進轉換為工進後至刀具切入工件 所花的時間。為縮短這部分空行程時間,普遍采用提高工件(工件直接輸送)或隨行夾具的輸送速度和加工模塊的 快速移動速度。目前,隨行夾具的輸送速度可達60m/min或更高些,加工模塊快速移動速度達40m/min。 目前,隨行夾具高速輸送裝置常用的有電液比例閥控製的或擺線驅動的輸送裝置。 70年代末,Honsberg公司在其加工變速箱體的自動線上就采用了電液比例閥控製的輸送裝置。該自動線長 18.2m,有12個加工工位,輸送步距為1400mm,輸送重量為7000kg,輸送速度達45.6m/min,一個步距的輸送時間 僅為2.5s。

為該輸送裝置的運動特性曲線。由於電液比例閥控製係統具有良好的啟動和製動性能,且係統結 構簡單,至今,這種輸送裝置仍被許多自動線所采用。 


3 組合機床柔性化進展迅速

十多年來,作為組合機床重要用戶的汽車工業,為迎合人們個性化需求,汽車變型品種日益增多(圖5),以多 品種展開競爭已成為汽車市場競爭的特點之一,這使組合機床製造業麵臨著變型多品種生產的挑戰。為適應多品 種生產,傳統以加工單一品種的剛性組合機床和自動線必須提高其柔性。在70年代,數控係統的可靠性有了很大 的提高,故到70年代末和80年代初,像Alfing、Hüller-Hille 和Ex-cell-o等公司相繼開發出數控加工模塊和柔性自動線(FTL),從此數控組合機床和柔性自動線逐年增多。在 1988年至1992年間,日本組合機床和自動線(包括部分其它形式的專用機床)產量的數控化率已達32%~39%,產值 數控比率達35%~51%;德國組合機床和自動線產量的數控化率為18%~62%,產值數控化率達45%~66%(表2)。這 些數字表明,近十年來,組合機床的數控化發展是十分迅速的。應指出,進入90年代以來,汽車市場競爭更趨激 烈,產品市場壽命進一步縮短,新車型的開發周期日益縮短(目前一般為35個月),汽車品種不斷增多,因而汽車 工業對柔性自動化技術裝備的需求量日益增多。如日本豐田汽車公司,在本世紀末的目標是公司下屬工廠的柔性 化加工係統的普及率達到100%。很顯然,組合機床及其自動線在保持其高生產效率的條件下,進一步提高其柔性 就愈來愈具有重要意義。 

表2 日本和德國數控組合機床和數控自動線(1988~1992年) 產量、產值  產量  產值  

年份  1988  1989  1990  1991  1992  1988  1989  1990  1991  1992  

日本  組合機床和自動線  5074  5138  5653  5970  4260  808.2  954.9  1106.2  1590.1  1193.1  

其中:數控組合機床和數控自動線  1640  1640  2087  2326  1626  283.7  335.0  539.9  767.6  607.2  

數控化率(%)  32.3  31.9  36.9  39.0  38.2  35.1  35.1  48.8  48.3  50.9  

德國  組合機床和自動線  1655  837  886  813  644  565.2  429.8  712.2  746.7  896.9  

其中:數控組合機床和數控自動線  1028  149  196  236  274  302.0  196.0  378.3  490.6  590.5  

數控化率(%)  62.1  17.8  22.0  29.0  42.5  53.5  45.6  53.1  65.7  65.8  

摘自《1993~1994 Economic Handbook of the Machine Tool Industry》AMT 

1.輸送裝置 2.操縱台 3.液壓站 4.備料站 5.夾緊工位 6.龍門式空架機器人 7.清洗工位 8.CNC三坐標加工模塊 9.輸送帶 10.轉塔式多軸加工模塊 11.NC二坐標銑削模塊 12.有軌輸送小車 13.儲料站 14.手動夾緊站

組合機床的柔性化主要是通過采用數控技術來實現的。開發柔性組合機床和柔性自動線的重要前提是開發 數控加工模塊,而有著較長發展曆史的加工中心技術為開發數控加工模塊提供了成熟的經驗。由數控加工模塊組 成的柔性組合機床和柔性自動線,可通過應用和改變數控程序來實現自動換刀、自動更換多軸箱和改變加工行程 、工作循環、切削參數以及加工位置等,以適應變型品種的加工。 柔性組合機床和柔性自動線用的數控加工模塊,按其數控坐標(軸)數,主要有單坐標(Z)、雙坐標(X-Z、Y-Z、 Z-U和Z-B等)和三坐標(X-Y-Z)加工模塊;按其主軸數,有單軸和多軸加工模塊,也有單軸和多軸複合加工模塊。 

單坐標加工模塊由數控滑台和主軸部件(或多軸箱,包括可換多軸箱)組成。雙坐標加工模塊由數控十字滑台和 主軸部件組成,例如數控雙坐標銑削模塊。 立柱移動式數控三坐標加工模塊(圖6),其刀具能在三個坐標上實現運動,可根據加工工件的品種和加工任務 配備刀庫、換刀機械手以及所需的刀具,具有很高的柔性。這種加工模塊是柔性自動線實現多品種加工最重要的 模塊之一。 

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