编者按：多样化时代汽车零部件制造系统发展趋势。
　　1913年，福特汽车公司开发出了世界上第一条流水线，这一创举使福特T型车一共生产了1 500万辆，缔造了一个至今仍未被打破的世界记录。福特先生为此被尊为“为世界装上轮子”的人。1999年，《财富》杂志将老福特评为“二十世纪商业巨人”，以表彰他和福特汽车公司对人类工业发展所作出的杰出贡献。福特大量生产方式的出现，使人类经济步入规模经济型的“数量时代”，解决了温饱和短缺问题。其特点是大批量、低成本，后遗症有三高：高污染、高耗能和高耗材。
　　1985年，美国麻省理工学院用了近5年的时间对90多家汽车厂进行考察，出版了《改变世界的机器》。概诉了将在世界范围内取代大量生产方式的丰田精益生产方式的由来、具体应用及其将对全世界政治、经济产生的深远影响。目前，几乎所有的大型汽车企业都推行精益生产，许多企业还设有IE、SCM部门。丰田精益生产方式使人类经济进入到“质量时代”。精益生产的目标是零缺陷、零库存。
　　1988年，美国里海大学与通用汽车公司合作，创造了敏捷制造战略，成为引导美国制造业重振雄风，经济摆脱困境的战略因素。通用汽车敏捷制造的出现，又使人类经济步入 “多样化时代”，为恢复生态环境，可持续发展创造了条件。
　　多样化时代汽车零部件的三类制造系统指的是少品种大批量制造系统、多品种单件小批制造系统以及多品种大批量制造系统。
　　少品种大批量制造系统
　　少品种大批量制造系统是多数整车制造工厂采用的基本制造系统。其中，发动机少品种大批量制造系统具有代表意义。
　　1．发动机制造技术的两次革命
　　第一次革命发生在20世纪初，美国福特汽车公司创始人福特发明了大量生产流水线，从此汽车开进社会。特点是由组合/专用机床（special purpose machine/Transfer machine ）组成的自动生产线 TL(Transfer Line)，也称为传统自动线。其最大优点是：①高生产效率，几十甚至上百把刀同时加工，其效率是任何其他类型生产线无法比拟的；②低价格，特别是我国，组合专机价格甚至低于批量生产的通用数控机床。最大缺点是柔性差，一旦产品变型和更换品种即基本无法使用。
　　柔性自动线是发动机制造技术的第二次革命。为了解决产品的变型生产和便于更换品种，柔性生产技术被引进了汽车生产。20世纪90年代出现了高转速、高快移速度、高加速度、快速换刀的高速加工中心。由其组成的柔性自动线FTL（Flexible Transfer Line）是发动机制造技术的第二次革命。其突出特点是一定程度上克服了高柔性和低效率的矛盾。这种生产线不仅可加工同样产品范围内的零件，而且可加工变型产品，换代产品以及新产品，真正具备了柔性的意义。缺点是投资较大，效率受局限。
　　为了进一步提高FTL生产效率，更快适应市场，发展了敏捷柔性自动线AFTL。目标是：对变化的市场需求快速做出反映；满足现代轿车发动机“多品种、大中批量、高效率、低成本”的需要；符合“精益生产”原则，即用最小投资赢得最大经济效益。
　　AFTL的主要特点是：
　　（1）由通用高速加工中心和专用/ 组合机床（HSMC+SPM/TM）组成的混合（Hybrid）型自动线。按照工序流程排列设备并由自动输送装置连接。
　　（2）采用敏捷夹具（柔性夹具—可控、可调夹具）。
　　（3）采用“智能刀具（Smart Tools）”(专用高效刀具)，具有机电液一体化特征。
　　AFTL的优点是生产效率高同时又具有相当的柔性，能够适合大批量生产和变型产品生产，同时投资较小。缺点是柔性受局限，不能加工不可预见的任意品种零件。目前，混合型柔性自动线在国内外汽车行业应用广泛。特别是组合/专用机床的设计制造，我国具有巨大比较优势,即我国组合/专用机床价格低于高速加工中心，而国外恰恰相反。应该大力提倡混合型柔性自动线。下面列出全柔性（加工中心）、专机与混合柔性自动线费用数据对比如表1（大连INGERSOLL公司提供）所示。

2. 酝酿中的发动机制造技术第三次革命
　　发动机制造技术第三次革命的背景有两个方面。
　　一方面，随着技术进步，发动机研发速度越来越快，新品开发周期从30个月缩短到13个月；同时，日益发展的多样性需求，使车型数量急剧增加。如，我国第一汽车集团从2000～2004年开发出920种新车型；日本丰田公司10年中车型数量增加两倍。
　　另一方面，在发动机市场竞争愈发激烈情况下，发动机生产批量不确定性增大。目前流行的柔性自动线，由于价格昂贵，投资风险加大。同时，产能过剩矛盾日益突出。近年来，人们一直在探讨解决多样性与经济性日益突出的矛盾。满足变品种、变批量的需要，兼顾高柔性、高效率、低投资的要求，和市场快速反应能力；同时，也在探讨以制造系统的革命来解决产能过剩的世纪矛盾。
　　美国提出了可重构制造系统RMS。美国国家研究委员会1998年将RMS列为未来20年制造业必须优先解决的10大关键技术之首。RMS着眼于发展制造系统的结构快速调整能力，原理是通过对制造系统中机床配置的调整和机床功能模块的增减，迅速构成适应新品生产或生产批量变化的市场环境。为此研制了可重构机床RMT（Reconfigurable Machine Tools）。RMT由标准化的模块组成。与传统模块化机床（如组合机床）本质性区别是它的使用中的可重构性。RMS的结构和布局可依需要在用户现场快速重组。
　　日本MAZAK公司开发出了分型制造系统（FractalManuf. System）。实质是“单台套件生产”，可以应对各种不同零件加工的通用性模块生产方案。原理是在复合车铣中心上采用“DONE IN ONE”技术，即一次装夹完成全部加工。用几台INTEGREX复合车铣中心，分别完成发动机5大件全部加工，进行“套件生产”，并随即装配成一台发动机，使得在发动机设计完成后即可以用最小的投资、最快的速度生产出来，把其复合性机床技术的软件、硬件发挥得淋漓尽致。它最适用于新发动机研发。
　　流水线（包括TL、FTL和AFTL）工艺特点是工序分散型，每台机床原则上只执行一道工序。工件在全线“流完”，才完成全部加工；设备排列特点是串联式，优点是效率高，工序分散等价于单件多工序同时加工。即每一生产节拍（以min计算）都会生产出来一个零件，目前是大批量生产的惟一方式。缺点是投资大且全线机床不能独立工作，一台机床故障，生产线全线停产。
　　分型制造系统工艺特点是工序集中型，一台机床“独立”完成全部加工，在生产批量加大时增加机床，并配备物料存储和传送装置。设备排列特点是并联式，一台机床故障，生产线照常运行。突出特点是双柔性，即设备和生产线，但是效率很低。
　　为提高效率，目前已经有发动机工厂应用并－串联混合式。这几种发动机制造技术的特征如表2所示。
　　3．发动机敏捷柔性自动线的关键技术
　　（1）生产线数字化设计 新一代柔性自动线生产线设计，要求按照精益、敏捷理念，采用协同仿真技术，使用户能够选择技术、经济优化的方案。采用了这种数字化制造技术的汽车制造企业，其产品推向市场的速度增加了30%，重复设计减少了65%，生产规划流程精简了40%。它在国外的成功应用给我们自主创新树立了很好的榜样。
　　（2）具有可重构模块的高速加工中心RMT 作为新一代加工缸体、缸盖生产线的核心技术。其特征是模块化、高速化、干切削。只有模块化才能实现可重构，只有模块化才能大幅度降低制造和使用成本。
　　（3）在线检测 研制发动机缸体/缸盖结合面质量的在线检测设备。为实现汽车发动机的大批量高生产率条件下的在线精密检测，要求检测设备的分辨率达1μm，整个测量形貌的测量周期在数十秒以内，测点达到几百万个以上。目前完全依赖进口，急需通过创新取得突破。（4）柔性夹具 柔性夹具是我国制造企业的软肋，需要精通发动机制造工艺。外国发动机生产线供应商正是掌握了发动机制造工艺，他们的柔性夹具价格已经逼近机床价格。如我国某发动机企业在进口德国发动机生产线时，对方提出每工位柔性夹具5万欧元，而国产的价格是每工位6000元。
　　（5）物流系统 被视为“第二类生产”，包括自动上下料、工件传输储运、实时工厂物流系统。将极大提高现代发动机生产的效率和可靠性。为零库存提供可能。先进的工厂物流系统是现代发动机生产实现精益和敏捷的关键。自动上下料最新发展是采用机器人（机械手）自动上下料，以便增加通用性和柔性。
　　（6）信息系统 自动线CNC控制系统既要控制工艺装备系统（包括机床、柔性夹具、智能刀具、在线检测系统等），又要控制物流系统。实质属于工厂自动化范畴。其复杂程度不是只控制单个机床可比拟的。世界上只有少数几家顶级公司有此能力，我国目前空白。
　　（7）自动线可靠性技术 需要满足整条自动线工序能力指数Cpk值≥1.67，平均无故障工作时间MTBF≥3000h的要求。因而，要求工艺装备系统（机床、柔性夹具、智能刀具、在线检测系统等），物流系统（自动上下料、工件传输储运、实时工厂物流系统等），自动线CNC控制系统的工程能力指数都要满足Cmk，MTBF值。
　　4.典型的具有可重构模块的高速加工中心
　　日本多家公司推出用于解决汽车大批量生加工小型复杂件的新解决方案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1所示。以森精机的产品为例（下同），机床宽度只有680mm，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，如同在这以前出现的三轴单元），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。
　　当前这些零件一般是用专用机床加工，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：在生产率和占地面积上，这种生产线很有可能不及专用机床。但在多样化的时代，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。
　　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。
　　多品种单件小批制造系统
　　多品种单件小批制造系统是机械制造业最古老的制造系统。直至今天，多数发动机试制车间仍然使用通用型加工中心试制复杂壳体，效率非常低。而又是在汽车发动机新品开发发展到“精益研发”的今天，对多品种单件小批制造系统的自动化、柔性化、高效率要求越来越高。近年，国际顶级机床制造商已经开发出新型“智能、高效多品种单件小批制造系统”，即现代汽车精密、复杂关键零部件研发需要的多品种单件小批制造系统的基本特征是智能、高效。
　　前述分型制造系统（Fractal Manuf. System）是自动、柔性、高效多品种单件小批制造系统发展的杰出代表。其实质是“单台套件生产”，可以应对各种不同零件加工的通用性模块生产方案。分型制造系统是我们目前发现的，适宜发动机精益研发需求的智能、高效制造系统。“精益研发”要求在“研发”的样机试制阶段完成后，延伸至小批量生产阶段。因而要求两个阶段的装备能够“平稳过渡”或“无缝连接”。分型制造系统可以用并联几台复合车铣中心完成中小批量生产。

此外，Mazak公司新开发的多托盘制造单元（Palletech Manufacturing Cell）由多达几十个托盘组成的制造单元，自动加工出十几种几何形状各异的零件，是智能、高效多品种单件小批制造系统发展的又一杰出代表。可对由多达十几种零件组成的汽车复杂部件实施“单台套件生产”，成为汽车复杂部件快速研发的有力装备。他们用多托盘制造单元完成了F1赛车的多种复杂精密零件的单件小批制造。
　　多托盘制造单元的关键技术有以下几项：
　　1．智能化技术
　　内置智能化生产中心CPC（CYBER PRODUCTIONCENTER）：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。主要有四个模块：
　　（1）编程软件（CAMWARE） 从各种工件的CAD数据输入，到他们的加工程序编制，都可迅速进行。
　　（2）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。
　　（3）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。
　　（4）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。
　　2．机器视觉（MACHINE VISION）技术
　　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：
　　（1）工件的识别 识别托盘输送过来的工件，然后调出相应的编程软件进行加工。
　　（2）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。
　　（3）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。
　　（4）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。
　　Mazak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。

多品种大批量制造系统
　　多品种大批量制造系统是多样化时代新生的汽车零部件制造系统，是制造技术应对兼顾多样性和经济性要求的最新技术创新。如，对于专业变速器厂和发动机缸盖厂，由于面对不同用户的要求，必须提供中等尺寸和重量的变速器壳体和发动机缸盖的多品种变批量制造系统。
　　目前，许多企业仍然采用大量的通用型加工中心、数控机床完成多品种大批量制造任务，这是最落后的制造系统。比较先进的是使用复合机床。笔者2009年考察德国时，DMG公司演示了用复合车铣中心加工一个大排量铝合金变速器壳体，全部加工工时不到10min。这可能是迄今最高的效率。但是仍然满足不了多品种大批制造要求。
　　满足多品种大批量制造系统要求的机床还刚刚开始研发，还没有多少成功案例。近年，国际上出现了几个颠覆式创新案例，他们带来了机床运动方式的新革命。至今只有两家德国公司提供了成熟的技术，但只适用于小型复杂零件的多品种大批量制造。一是德国Ex－Cell－O公司开发的兼有组合机床和加工中心特性的XG系列加工中心，二是德国Witzig & Frank公司的紧凑型柔性自动流水线（见后）。
　　1. XG系列加工中心
　　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系列加工中心属于工件送进式机床也称为工作台倒置式机床。其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）全部大部集中于主轴。刀具装于机床下部。
　　这类机床最早出现于十几年前的“倒立车”，这里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2）。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、钻头轴和丝椎轴等），还可放置独立的大功率铣刀轴、外圆磨头、内圆磨头、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、缸盖等及其他异形零件。
　　XG系列加工中心创新特点为：一是主轴带有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。二是主轴携带工件倒置，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，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。三是比组合机床轴少，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。四是该机床特别适合复杂汽车零件的一次装夹全部加工。据称浙江万向集团已经购买十几台用于加工汽车万向节。
　　2.紧凑型柔性自动流水线
　　德国Witzig&Frank公司的TRIFLEX是一条占地面积很小的紧凑型柔性自动流水线，由围绕在中央集中式物流装置四周的四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。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°（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3中的两种汽车零件生产节拍各为30s和55s。
　　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）、八角头回转刀库也十分简约。它占地面积小，很受市场欢迎，近年我国已经进口了十多套。