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第2章 加工设备自动化,加工设备自动化是指在加工过程中所用的加工设备能够高效、精密、可靠地自动进行加工，还能进一步集中工序和具有一定的柔性。,2.1概述,一、加工设备自动化的意义 加工设备在机械制造中占重要地位，实现自动化可缩短辅助时间提高生产率，改善工人的劳动条件，也是建立自动生产线和全盘自动化的前提条件，是实现机械制造自动化的基础。,2.1 概 述,加工设备自动化的内容是指实现了加工过程自动化并有自动装卸能力的设备。主要指实现机床加工循环自动化和辅助工作自动化。需要实现自动化的主要内容有：,二、实现加工设备自动化的途径 1）对半自动加工设备配置自动上下料装置，以实现完全自动化；2）对通用加工设备运用电气控制技术、数控技术等进行自动化改造；3）根据工件特点和工艺要求设计制造专用的自动化加工设备，如组合机床等；4）采用数控加工设备，数控机床、加工中心等。,2.1 概 述,三、自动化加工设备的生产率分析与分类 1生产率分析 当自动化加工设备连续生产时，加工一个工件的工作循环时间 由切削时间和辅助时间组成，即 tg=tq+tf 由工作循环时间所决定的生产率Q（件/min）：Q=1/tg=1/(tq+tf)=(1/tq)/(1+tf/tq)令 K=1/tq 则 Q=K/(1+K tf),2.1 概 述,2.1 概 述,1生产率分析 当tf一定时，减少切削时间tq即增加K，开始生产率Q 增长显著，但往后因tf的比重相对增大，Q 的提高不显著了 当tf愈小时，增加K时对Q 的提高愈显著。当切削时间tq愈小时，减少tf对Q 的提高愈显著。,tq,tf,2.1 概 述,1生产率分析 由此可见，tq和tf对生产率的影响是相互制约和相互促进的。当生产工艺发展到一定水平，即工艺生产率K提高到一定程度时，必须提高机床自动化程度，进一步减少空程辅助时间，促使生产率不断提高。另一方面，在相对落后的工艺基础上实现机床自动化，生产率的提高是有限的，为了取得良好的效果，应当在先进的工艺基础上实现机床自动化。,2.1 概 述,2分类 随着科学技术的发展，加工过程自动化水平不断提高，使得生产率得到了很大的发展，先后开发了适应不同生产率水平要求的自动化加工设备，主要有以下各类：（1）全（半）自动单机 又分为单轴和多轴全（半）自动单机两类（2）组合机床（3）自动线（Transfer LineTL）（4）一般数控机床（5）加工中心（MC）（6）柔性制造单元（FMC）,2.2 切削加工自动化,切削加工自动化的根本目的是提高加工质量和加工效率，减少资源消耗，降低加工成本。,一、车削加工自动化 车床是切削加工设备中使用最早、应用最广的设备。自动车床是最早发明的自动化加工设备之一。车削加工自动化包括多个单元动作自动化和工作循环自动化，自动车床、转塔、仿形车床、多刀车床是典型，发展方向是数控车床、车削中心和车削柔性单元等。,2.2 切削加工自动化,一、车削加工自动化 1.单轴自动车床 单轴自动车床能按一定程序自动完成工作循环，主要用于棒料、盘料加工。一般采用凸轮和档块或数控系统自动控制刀架、主轴箱运动和其它辅助运动。主要类型有单轴纵切自动车床、单轴转塔自动车床和单轴横切自动车床等。此外，还有多轴自动（半自动）车床，包括卧式和立式两种。,CM1107型精密单轴纵切自动车床 1）机床的用途 形状较复杂，精度要求高，一次成形的小型轴类零件。用于成批大量生产的钟表、仪器仪表行业。毛坯为棒料,2）机床的工作原理 送料、夹紧、放松、纵向和横向进给皆由分配轴上的鼓轮 或凸轮分别进行控制。分配轴转一转，完成一个工作循环。,半自动转塔车床,适用范围：成批加工形状复杂的盘套类零件,结构特点：转塔刀架可纵向移动和转位，其上可装多把刀，工作中周期性转位，顺序地对工件进行加工。刀具 行程由插销板和行程开关控制，指令经电路、油路 传递，易保证精度，提高生产率。,仿形半自动车床,适用范围：成批加工阶梯轴类或盘类零件 主要加工圆柱面、圆锥面和成形表面,结构特点：1.仿形刀架的斜向运动仿形运动由液压随动系统和 靠模控制；2.仿形刀架的纵向进给由液压油缸单独驱动；3.液压仿形刀架前端有自动回转刀夹，其上可装几把 刀，可自动转位，进行粗车、半精车。,2.2 切削加工自动化,一、车削加工自动化 2.数控车床 数控车床的主要特点：主轴转速和进给速度高（伺服或步进电机驱动传动链短）数控车床具有高精度（闭环、半闭环系统，反馈控制）能实现多种工序复合的全部加工。数控车床具有高柔性。数控车床的类型：主要有通用型、卡盘型、排刀型、双主轴型、棒料 型及一些专门化车床等。,2.2 切削加工自动化,2.数控车床（1）刀架系统 液压缸进油1中心轴5左移压缩碟形弹簧6定位齿盘7与固定齿盘8脱离；液压马达2转动齿轮3、4带动中心轴5转动齿盘7转动达到规定工位；编码器齿轮9将转位信号传给编码器10数控装置转位停止油缸活塞后退齿盘定位夹紧.,图2-4 液压马达驱动转位的转塔刀架,2.2 切削加工自动化,安装排刀架的数控车床横滑板较大，装几组刀架，无分度,图2-5 排刀架结构,2.2 切削加工自动化,图2-6 触发式测头测量系统及测量典型过程,（2）数控车床机内测量装置,2.2 切削加工自动化,图2-7 工件外径及内径的机内测量,（2）数控车床机内测量装置,图2-8 刀具机内测量,2.2 切削加工自动化,一、车削加工自动化 3.车削中心 与数控卧式车床的区别：车削中心的转塔刀架上带有能使刀具旋转的动力刀座，主轴具有按轮廓成形要求连续回转（不等速回转）运动和进行连续精确分度的C 轴功能，并能与X轴或Z轴联动。还可在车削中心基础上发展出车磨中心、车铣中心等多工序复合加工的机床。当车削中心的主轴具有C 轴功能时，主轴便能够进行分度、定向，配合转塔刀架的动力刀座，几乎所有的加工都可在一次装夹中完成。,2.2 切削加工自动化,3.车削中心（1）主轴定向准停机构和C 轴 在工件规定部位铣槽钻孔或要求主轴定向准停以检测工件时，车削中心须有主轴定向准停或C 轴功能，即通过位置控制使主轴在不同角度上定位。主轴粗分度由主轴电机分度完成，位置编码器装在与主轴相关位置，终定位靠主轴后端齿式分度盘和插销来完成,定位精度达0.1,分度增量角为12、15。专门角度可更换主轴分度盘。C轴分度定位后要有夹紧机构，以防主轴转位。C轴控制主轴连续分度，同时与刀架X 轴或Z轴联动铣削各种曲线槽、车螺纹、车多边形等，也可定向停车。,2.2 切削加工自动化,3.车削中心（1）主轴定向准停机构和C轴 当用主轴电动机直接驱动主轴时，无需C 轴降速装置及附加机械定位机构，因主轴伺服电机本身具有C 轴功能，只需设置位置编码器或电磁传感器，C 轴运动由数控系统和主轴电动机完成。当机床主轴箱有变速齿轮机构时，C轴动作前，主轴运动须与主轴电动机传动链脱开，利用专用伺服电动机使主轴分度或定向。,2.2 切削加工自动化,图2-9 C轴的机械传动示意图,主轴,C轴伺服电机,2.2 切削加工自动化,图2-10 对置同轴线双主轴车削中心,（2）多主轴、双主轴和辅助主轴 多主轴车削中心能在一台机床上完成更多工序，缩短了加工周期，又提高工件精度。多主轴车削中心各主要主轴的驱动功率和尺寸均相同，分别称第1主轴、第2主轴、第3主轴，可分别加工一种工件的全部工序或加工多个工件，适于加工盘件。,2.2 切削加工自动化,图2-11 并列双主轴车削中心,（2）多主轴、双主轴和辅助主轴,2.2 切削加工自动化,二、钻铣削加工自动化 1.钻削自动化 钻削自动化大部分是在普通钻床的基础上，配备点位数控系统来实现的，其定位精度为0.020.1mm。数控钻床通常有立式、卧式、专门化及钻削加工中心。钻削加工中心以钻削为主，可完成钻孔、扩孔、铰孔、锪孔、攻螺纹等加工，还兼有轻载荷铣削、镗削功能。除了工作台的X、Y 向运动和主轴Z 向运动通过步进电机自动进行外，钻削中心在此基础上增加了自动换刀装置。,2.2 切削加工自动化,1.钻削自动化,图4-7 更换主轴换刀,钻削自动换刀1）刀库与主轴直接换刀2）通过更换主轴换刀,2.2 切削加工自动化,1.钻削自动化,图2-12 带转塔钻削中心主传动系统,主电机,主轴,转塔头,液压缸,定位盘,槽轮机构,转位电机,2.2 切削加工自动化,二、钻铣削加工自动化 2.铣削自动化 铣削多用于粗加工及半精加工，有时也用于精加工。除加工平面、沟槽、轮齿、螺纹、花键轴等外，还可加工较复杂的型面。数控铣床、仿形铣床的出现，提高了铣床的加工精度和自动化程度，使复杂型面加工自动化成为可能。特别是数控技术的应用扩大了铣床的加工范围，提高了铣床的自动化程度。数控铣床配备自动换刀装置，则发展成以铣为主兼有钻、镗、铰、攻螺纹多功能于一体的加工中心。,2.2 切削加工自动化,三、组合机床以通用部件为基础，配少量专用部件，按加工要求设计的专用机床。具有工序集中、生产率高、自动化程序高、造价较低优点；但专用性强、改装不太方便。组合机床的自动化水平主要通过数控技术的应用来实现。一种是工艺的需要，另一种是在多工序或多品种加工时，为加速转换和调整而采用数控。数控组合机床通常利用数控单坐标、双坐标或三坐标滑台或模块、数控回转工作台等数控部件和通用部件混合所组成，既有高生产率，在某些工序上又有柔性，应用也较多。,2.2 切削加工自动化,图2-13 三件并行加工活塞的数控车镗组合机床,2.2 切削加工自动化,四、加工中心（MC）是备有刀库并能自动换刀对工件进行多工序加工的数控机床，通常指主要完成镗铣加工的加工中心。这种自动完成多工序集中加工的方法，可扩展到各种类型的数控机床，如车削中心、滚齿、磨削、特种加工等。1加工中心的特点、类型与适用范围（1）适用范围广（2）加工精度高（3）生产率高 加工中心的类型有立式、卧式、五面、龙门等，适用范围见表2-2,2.2 切削加工自动化,四、加工中心 2加工中心的典型自动化结构 除一般数控机床的特点外，还具有自身的特点：（1）自动换刀与刀库 加工中心的刀具存取方式有顺序方式和随机方式两种，刀具随机存取（选刀次序是任意的）是最主要的方式。（2）触发式测头测量系统 主要用于加工循环中的测量，工序前、工序后。（3）刀具长度测量系统 用以检查刀具长度正确性以及刀具折断、破损现象，检测准确度为1mm。当发现不合格刀具时，测量系统会发出停车信号。,2.2 切削加工自动化,2加工中心的典型自动化结构（4）回转工作台 回转工作台是卧式加工中心实现B 轴运动的部件，B轴的运动可作为分度运动和进给运动。回转工作台有两种结构形式，仅用于分度的回转工作台用鼠齿盘定位，分度前工作台抬起，使上下鼠齿盘分离，分度后落下定位，上下鼠齿盘啮合，实现机械刚性连接。用于进给运动的回转工作台用伺服电机驱动，用回转式感应同步器检测及定位，并控制回转速度，也称为数控工作台。数控工作台和X、Y、Z 轴及其它附加运动构成45轴轮廓控制，可加工复杂轮廓表面。此外，加工中心的交换工作台和托盘交换装置配合使用，实现了工件的自动更换，从而缩短了消耗在更换工件上的辅助时间。,2.3 金属板材成形加工自动化,塑性成形是材料加工的主要方法之一，即利用金属材料的塑性变形能力，使其在设备给出的外力作用下于模具里成形出产品的方法。金属板材加工的主要方法有冲压、锻压两大类。一、冲压加工简介 冲压是利用冲压设备及模具的作用，获得所需零件形状和尺寸的方法。其坯料主要有板材、带材、管材及其它型材。冲压件的重量轻、厚度薄、刚度好、质量稳定。冲压在汽车、家用电器、电机、仪表等制造中具有十分重要的地位。,2.3 金属板材成形加工自动化,冲压成形产品示例一日常用品,2.3 金属板材成形加工自动化,冲压成形产品示例二高科技产品,汽车覆盖件,飞机蒙皮,2.3 金属板材成形加工自动化,一、冲压加工简介 冲压设备主要有机械压力机和液压机。冲压的自动化水平对保证产品质量、提高生产效率和确保操作者人身安全十分重要。冲压工艺分为分离工序和成形工序两大类：分离工序是使冲压件与坯料沿一定的轮廓线相互分离，同时冲压件分离断面的质量也要满足要求。分离工序包含落料、冲孔、切断、切口和剖切等。成形工序是使冲压坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，并转化成所要求的成品形状。成形工序又分为弯曲、拉深、成形等三大类。,多工位精密级进模,2.3 金属板材成形加工自动化,二、冲压自动化实现的一般原则 冲压技术的发展及冲压件结构日趋复杂，尤其是高速、精密和多工位冲压设备的较多应用，对冲压自动化提出了更高的要求。近代出现的计算机数字控制的冲压机械手、机器人、各种自动冲压设备、冲压自动线以及柔性生产线，反映了冲压自动化的发展水平。实现冲压自动化要根据产品结构、生产条件、加工方式等情况采取不同的方式，一般有在通用压力机上使用自动冲模、通用自动压力机、专用自动压力机以及冲压自动线等几种。,2.3 金属板材成形加工自动化,二、冲压自动化实现的一般原则 选择冲压自动化方式时应考虑下列因素：（1）安全生产（2）冲压件批量（3）冲压件结构（4）冲压工艺方案（5）材料规格（6）压力机型式 冲压件品种单一时，用自动冲模实现冲压自动化较适宜；品种较多时，在通用自动压力机上用普通冲模自动化生产较合理；批量很大时，要考虑以专用自动压力机代替通用压力机的可能性；大型冲压件的自动化生产，往往采用自动线的形式。,2.3 金属板材成形加工自动化,三、冲压设备的自动化装置 冲压加工自动化包括供料（件）、送料、出料（件）和废料（工件）处理等自动化环节。供料装置主要是为送料装置做准备工作。不同的原材料（板料、条料、卷料）采用的供料装置不尽相同。如卷料通过卷料架来实现供料，带动力的卷料架具有开卷功能 送料装置主要是为冲压做原材料的自动送进。常用的送料装置有辊式和夹持式两种。,2.3 金属板材成形加工自动化,三、冲压设备的自动化装置 接件装置主要是让由冲压模具中顶出或推出的工件或工序件处于一定的位置，以便整理或输送。接件通过接件器在连杆、摇板、缩放、滑道、回转等机构与压力机滑块的联动作用下实现。废料处理装置主要是对冲压后的废料进行处理，主要有两种方法，即将废料切断或是将卷料重新卷绕。废料切断多数利用设在模具上的切刀进行，压力机每一行程将废料切断一次，即废料长度等于一个进给步距。,2.3 金属板材成形加工自动化,三、冲压设备的自动化装置 自动保护装置主要是对冲压加工过程中的原材料、进给、出件等状况进行监视，在原材料使用不符合要求、冲压进给状态异常、出件非正常逸出等情况下发出信号，使压力机迅速停机。自动保护装置一般通过有接触点和无触点式两种传感方式进行，前者主要通过机械方式使电触头动作，后者通过电磁感应、光电或射线等取得信号。,2.3 金属板材成形加工自动化,四、自动冲模 具有自动进给、自动出件等功能的冲模称为自动冲模，一般在普通压力机上使用。按照进给对象，自动冲模可分为原材料自动进给和工序件自动进给两类。前者按进给机构形式又可分为辊式、夹持式和其它形式，其模具的自动进给部分与冲压部分基本上是分开的；后者大都采用推板或回转盘形式，其自动进给部分与冲压部分难以分开。,2.3 金属板材成形加工自动化,图2-16 夹持式自动送料冲模,工作行程时，斜楔下降滚轮3送料器6松开右移，坯料被定料器9卡住；回程时，送料器6夹持坯料左移，定料器9松开让坯料通过。调节螺杆4和变换斜楔2可改变送料步距。,2.3 金属板材成形加工自动化,图2-17 通用自动出件校平模,2.3 金属板材成形加工自动化,五、先进冲压自动化技术 为适应汽车工业、航空航天工业的发展需求，大型冲压设备的应用越来越普遍，其中有两大发展趋势：一是侧重于柔性生产的高性能压力机生产线配以自动化上下料机械手；二是采用大型多工位压力机。其中前者具有占用资金少、通用性好、适用于多车型小批量生产的特点，满足了生产中高档轿车需要的高质量冲压件的要求。具体有如下几种技术：1.机电一体化全自动压力机技术（自动换模系统）2.单机联线自动化冲压生产线（通用性好占资金少）3.大型多工位压力机（效率高、质量好、综合成本）,2.4 机械加工自动线,机械加工自动线是一组用运输机构联系起来的由多台自动机床、工件存放装置以及统一自动控制装置等组成的自动加工系统。在工作过程中，工件以一定的生产节拍，按照工艺顺序自动地经过各个工位，不需要工人直接参与操作，自动地完成预定的加工内容。自动线能减轻工人劳动强度，提高劳动生产率，减少设备布置面积，缩短生产周期，建立严格的工作节奏，保证产品质量，降低产品成本。自动线的加工对象通常是固定不变的，或在较小的范围内变化，而且在改变加工品种时要花费许多时间进行人工调整。另外初始投资较多，因此只适用于大批量的生产场合。,2.4 机械加工自动线,切削加工自动线通常由工艺设备、工件输送系统、控制和监视系统、检测系统和辅助系统等组成，各个系统中又包括各类设备和装置，如表2-4所示。由于工件类型、工艺过程和生产率等的不同，自动线的结构和布局差异很大，但其基本组成部分都是大致相同的。切削加工自动线可以按多种方法分类（见表2-5）。,2.4 机械加工自动线,一、通用机床自动线 在通用机床自动线上完成的典型工艺主要是各种车削、车螺纹、磨外圆、磨内孔、磨端面、铣端面、打中心孔、铣花键、拉花键孔、切削齿轮和钻分布孔等 1.对纳入自动线机床的要求 机床性能更稳定可靠，包括较好地断屑排屑、较高的刀具耐用度、稳定地自动工作循环，增设自动上下料装置及联锁保护等。,2.4 机械加工自动线,一、通用机床自动线 2.通用机床自动线的连线方法 涉及工件的输送方式、机床间的连接和排列形式、自动线的布局等问题，需全面衡量。工件输送方式有强制输送和自由输送；机床间的连接有柔性连接和刚性连接，串联方式和并联方式；机床排列可纵列和横排；分料方式有顺序分料和按需分料。,2.4 机械加工自动线,2.4 机械加工自动线,二、组合机床自动线 是针对一个零件的全部加工工序专门设计制成的由若干台组合机床组成的自动生产线。它与通用机床自动线有许多不同点：每台机床的加工工艺都是指定的不作改变；工件的输送方式除直接输送外，还可利用随行夹具进行输送；线的规模较大，有的多达几十台机床；有比较完善的自动监视和诊断系统，以提高其开动率等。组合机床自动线主要用于加工箱体类零件和畸形件，其数量占加工自动线总数的70%左右。1组合机床自动线上工件的输送形式 2组合机床自动线的布局（表2-6）,2.4 机械加工自动线,三、柔性自动线（Flexible Transfer Line-FTL）为适应多品种生产，原来由专用机床组成的自动线改用数控机床或由数控操作的组合机床组成柔性自动线。FTL的工艺基础是成组技术。按照成组加工对象确定工艺过程，选择适宜的数控加工设备和物料储运系统组成FTL。一般的柔性自动线由以下三部分构成：数控机床、专用机床及组合机床；工件输送系统；控制系统。,2.4 机械加工自动线,三、柔性自动线（Flexible Transfer Line-FTL）FTL加工设备主要选用数控组合机床、数控2坐标或3 坐标机床、转塔机床、换箱机床及专用机床。,图2-26 回转支架式换箱机床模块,