自动化制造系统—加工设备自动化.ppt
加工设备自动化,第一页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第二章 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，此外还应能进一步集中工序和具有一定的柔性。加工设备应满足要求：（1）加工工序集中；（2）控制方便；（3）柔性和生产率兼顾；（4）通信接口；（5）系统的可靠性和机床负荷率。,第二页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第一节 加工设备自动化概述,一、加工设备自动化的意义 加工设备工作过程自动化可以缩短辅助时间，改善工人的劳动条件和减轻工人的劳动强度。单台加工设备的自动化能较好地满足零件加工过程中某个或几个工序的加工半自动化和自动化的需要，为多机床管理创造了条件，是建立自动生产线和过渡到全盘自动化的必要前提，是机械制造业更进一步向前发展的基础。因此，加工设备的自动化是零件整个机械加工工艺过程自动化的基本问题之一，是机械制造厂实现零件加工自动化的基础。,第三页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,二、加工设备自动化的途径 加工设备自动化主要是指实现了机床加工循环自动化和实现了辅助工作自动化的加工设备,需要实现自动化的主要内容有：,第四页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,实现加工设备自动化的途径主要有以下几种：1）对半自动加工设备通过配置自动上下料装置以实现加工设备的完全自动化；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）根据加工工件的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，包括数控机床、加工中心等。,第五页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,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 是由加工时间和空程辅助时间组成的，即,三、自动化加工设备的生产率分析与分类,第六页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,结论：tf和tq对机床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自动化加工方式分类,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：,第七页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,(1)全（半）自动单机：又分为单轴和多轴全（半）自动单机两类。（走刀机构）(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）,第八页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第二节 数控机床,第九页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,一 数控机床的概念及其特点 1 基本概念数控 数字化信号控制的简称，即用数字指令来控 制机械执行预定的动作 NC Numerical Control 数控CNC Computerized Numerical Control 计算机数控数控机床高效的自动化加工设备，它严格按照加工 程序，可以自动地对被加工工件进行加工。,第十页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,数控机床加工的零件,模具设计,三维造型,模具型腔,油泵壳体真空压铸模具一,CNC加工,油泵壳体真空压铸模具二,第十一页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,2、数控机床加工适用范围,1）多品种小批量零件；2）几何形状复杂的零件；3）需要频繁改型的零件；4）贵重的、不允许报废的关键零件；5）批量大、必须严格控制公差的零件；6）最短周期的急需零件。,3、数控机床发展,1）高速化和高精度化 2）多功能化 3）智能化 4）编程自动化 5）高可靠性化 6）系统小型化,第十二页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,二、数控机床的工作过程,第十三页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,1.加工程序,N020 M0N030 M3 M8N040 G0 X-80 Y-80N050 G1 Z-59 F100,2.输入装置,光电读带机、录放机、磁盘驱动器键盘MDI、计算机编程通信,三 数控机床的组成,第十四页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,数控装置接受输入指令信号，进行运算判断、发出的控制信号至伺服系统。,3.数控装置,第十五页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,4.伺服系统,伺服系统是数控机床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接收数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或执行部分动作。,第十六页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,5.辅助控制装置 主轴变速、换向和启停，刀具选择和交换，冷却、润滑启动停止，工件松开、夹紧等辅助动作。6.检测反馈 传感器将伺服电动机的角位移和数控机床执行机构的直线位移转换成电信号，输送给数控装置，与指令位置进行比较，纠正误差。7.机床本体 主轴部件、刀架、尾架、滚珠丝杠、导轨、排屑、防护、冷却、刀库、自动换刀装置等,第十七页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,MJ-860DT数控车床的结构外观图,1床身；2三爪卡盘；3导轨；4尾架；5、7防护门；6回转刀架；8数控操作面板,第十八页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,1、按控制系统功能分类 点位控制、直线控制、轮廓控制2、按加工方式分类 一般数控机床、加工中心、多坐标数控机床等3、按伺服控制方式分类 开环控制、闭环控制、半闭环控制系统4、按功能水平分类 经济型、标准型、多功能型,Next,四 数控机床的分类,第十九页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,按运动轨迹分类,1、点位控制 2、直线控制 3、轮廓控制,返回,第二十页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,按加工方式分类,数控车床,数控铣床,返回,第二十一页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,按工艺用途分类,多坐标数控机床,多坐标龙门式数控仿形铣床,CNC六坐标数控刀具磨床,返回,第二十二页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,按控制方式分类,第二十三页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,按功能水平分类,1）经济型（低档）大多指采用开环控制系统的数控机床，其功能简单，价格便宜，适用与自动化程度要求不高的场合。2）标准型（中档）这类数控机床的功能较全，价格适中，应用较广。标准型数控机床亦可称为全功能数控机床。3)多功能型（高档）这类数控机床的功能齐全价格较贵，加工复杂零件的大中型机床及柔性制造系统、计算机集成制造系统中使用的数控机床一般为多功能型。,第二十四页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,加工中心是带有刀库和自动换刀装置的多工序数控机床，它由机械设备和数控系统组成，是一种适用于复杂零件加工的高效自动化机床。,通常，加工中心仅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，扩展到各种类型的数控机床，例如车削中心、滚齿中心、磨削中心等。,第三节 加工中心,第二十五页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,一、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、龙门等四种,二、加工中心的结构(1)基础部件，(2)主轴部件，(3)自动换刀系统，(4)自动托盘交换系统，(5)数控系统，(6)辅助系统,第二十六页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,1.基础部件,1)基础部件由床身、立柱、工作台等大件组成，是加工中心的基础结构。2)床身支撑滑台、立柱等；立柱放置主轴头和刀具库等；工作台安放和带动夹具、工件等；主轴箱体支撑主轴系统。,十字滑台,立柱,第二十七页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,2、主轴部件,1)由主轴箱、主轴、主轴电机、轴承、刀具拉紧装置，主轴定向停止装置等组成。2)在主轴3后端装有一个发磁体4（磁铁块或电磁铁），磁传感器5能感应到磁块的位置。当磁块对准磁传感器时，传感器就发出信号，经放大器6放大后，由定向电路7使主轴电机11立刻停止，主轴停在此位置上。,第二十八页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,3、自动换刀系统,包括刀具库、自动选刀和自动换刀三项内容,第二十九页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,4、自动托盘交换系统,1)加工中心要纳入到FMS系统中，必须能够自动上下料，才能形成自动加工循环系统。因此每台加工中心都需要带有自动托盘交换系统。2)在机床切削工件的同时，托盘交换系统已经将下一个待加工的工件准备好了，机床停下来等待换件（将加工完成的工件取下，再将毛坯装上工作台），只是进行托盘交换。所以，它使工件装卸时间大幅度减少。3)实际上，加工中心再配上一套自动托盘交换装置，就形成了一个柔性制造模块，可以自动完成工件的上下料和整个加工循环过程。,第三十页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,立式加工中心的基础部件,滚动直线导轨,用滚动导轨形成的三导轨,第三十一页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,加工中心除了具有一般数控机床的特点外，它还具有其自身的特点。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。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。,三、加工中心的特点,第三十二页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,四、加工中心的分类,1、有立式，卧式，立卧式等形式的加工中心 2、加工中心在数控铣床的基础上，将升降运动放在主轴头上，在主轴箱侧面放置一个圆盘刀库和换刀装置，就形成了一台常见的立式加工中心,第三十三页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,3、卧式加工中心,结构形式类似于卧式铣床，主轴水平放置，同样是升降运动放在主轴头上，带有刀库和换刀装置。,第三十四页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,4、立卧式加工中心,立卧式加工中心同时具有立式和卧式的功能，它的柔性更高，可对一个零件的五个面在一次装夹中完成全部加工内容，因此又称为五面加工中心。,第三十五页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,5、高速加工中心,加工速度高，由于主轴转速很高，配合用新型超硬耐磨刀具，使切削速度大大提高，其切削所用时间很短。其次，由于运动轴的速度和加速度很高，其加工移位、换刀等辅助时间也在大幅度减少，所以其加工效率非常高。,第三十六页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,机械加工自动线（简称自动线）是用一组运输机构联系起来的由多台自动机床（或工位）、工件存放装置以及统一自动控制装置等组成的自动加工机器系统。在自动线的工作过程中，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。作用：自动线能减轻工人的劳动强度，并大大地提高劳动生产率，减少设备布置面积，缩短生产周期，缩减辅助运输工具，减少非生产性的工作量，建立严格的工作节奏，保证产品质量，加速流动资金的周转和降低产品成本。,第四节 机械加工自动线,第三十七页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,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。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。,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。,第三十八页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,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。,一、通用机床自动线,第三十九页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,顺序分料示意图,第四十页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,按需分料示意图,第四十一页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,组合机床自动线是针对一个零件的全部加工要求和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：如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。,二、通用机床自动线,第四十二页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,典型组合机床自动线简介,第四十三页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,为了适应多品种生产，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。因此，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；托板（工件）输送系统；控制系统。,三、柔性自动线,第四十四页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第五节 柔性制造单元,在数控技术发展总的历程中，技术的特征总是简单到复杂 由特殊到一般地螺旋式上升 许多企业在开发FMS 技术之前，经历了FMC 的过程，也有一些企业在它掌握了FMS 技术以后 用户仍然需要FMC，有些用户承受不了FMS 的巨额投资，而认为FMC更符合他们的实际，因此，在研究FMS的同时，仍然要研究FMC。,第四十五页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)是在制造单元的基础上发展起来的，又具有柔性制造系统的部分特点的一种单元 FMC，具有独立自动加工的功能 部分具有自动传送和监控管理的功能，可实现某些零件的多品种小批量的加工，部分FMC还可以实现24小时无人运转，投资没有FMS大，技术上容易实现，因而深受用户欢迎。,第四十六页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,一、柔性制造单元的组成,FMC 的构成有二大类：一类是加工中心配上托盘交换系统(Automatic Pallet Changer APC)，另一类是数控机床配工业机器人(Robot)。,1、加工中心配托盘交换系统的FMC,这样的托盘系统具有存储、运送功能、具有自动、检测功能、工件和刀具的归类功能、切削状态监视功能等，这种FMC实现连续24小时自动加工是非常有效的，托盘的交换由设在环形交换系统中的液压或电动推拉机构来实现。,第四十七页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第四十八页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,2、数控机床配工业机器人(robot)的FMC,两台台数控车床配上Robot，加上工件传输系统组成。在实际方案上还有多种组合形式，如美国公司生产的由三台机床与Robot构成的FMC，这是由一台车削中心、一台立式加工中心、一台卧式加工中心 加上一台工业机器人组成，Robot安装在一台传输小车上，小车安装在固定轨道上，Robot 实现机床至机床之间的工件传送。,二、柔性制造单元的特点,1、柔性,体现在加工对象、工艺过程以及工序内容的自动调整。,第四十九页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,2、自动化,3、加工精度和效率高,4、效益高,5、便于实现计算机集成生产系统,应用 FMC可积累物料传输系统、自动化仓库和自动检测方面的经验，使得容易朝着FMS 或CIMS 发展,第五十页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第五节 柔性制造系统,一、概述,1、定义,柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing Systems)是一个由计算机集中管理和控制的制造系统，具有多个独立或半独立工位的一套物料储存运输系统 加工设备主要由数控机床及加工中心等组成，用于高效率地制造中小批量多品种零部件的自动化生产系统,能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。,第五十一页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第五十二页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第五十三页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第五十四页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第五十五页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第五十六页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,2、组成,一般FMS 应包含以下要素(1)标准的数控机床或制造单元。我们把具有自动上下料功能或具有多个工位，既能加工又能作一些装配工作的数控机床，称之为制造单元，它们是FMS中的基本制造细胞。(2)一个在机床的装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统。(3)一个发布指令，协调机床工件和刀具传送装置的生产调度及监控系统。(4)中央刀具库及其管理系统。(5)自动化仓库及其管理系统。,第五十七页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,二、柔性制造系统的特点,(1)从硬件的形式看,1)两台以上的数控机床或加工中心以及其它的加工设备，包括测量机，清洗机、动平衡机、各种特种加工设备等。2)一套能自动装卸的运输系统，包括刀具的运储和工件及原材料的运储，具体结构可采用传送带、有轨小车 无轨小车、搬运机器人、上下料托盘站等。3)一套计算机控制系统及信息通信网络。,(2)从软件件的形式看,1)FMS 的运行控制系统 2)FMS 的质量保证系统 3)FMS 的数据管理和通讯网络系统,第五十八页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,1)能自动管理零件的生产过程 自动控制制造质量 自动故障诊断及处理 自动 信息收集及传输 2)简单地改变软件或系统参数 便能制造出某一零件族的多种零件 3)物料的运输和储存必须是自动的(包括刀具等工装和工件的自动运输)4)能解决多机床条件下零件的混流加工 且无须额外增加费用 5)具有优化调度管理功能 能实现无人化或少人化加工,(3)从功能看,第五十九页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,三、柔性制造系统的分类,按规模大小，FMS可分为如下三类。1）柔性制造单元（FMC）FMC由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的CNC机床组成，具有适应加工多品种产品的灵活性。,第六十页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,2）柔性制造系统（FMS）通常包括3台以上的CNC机床（或加工中心），通过集中的控制系统及物料系统连接起来，可在在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。值得一提的是由于装配自动化技术远远落后于加工自动化技术，产品最后的装配工序一直是现代化生产的一个瓶颈问题。研制开发适用于中小批量、多品种生产的高柔性装配自动化系统，特别是柔性装配单元（FAC）及相关设备已越来越广泛地引起重视。,3）柔性制造线（FML）是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线，对物料系统的柔性要求低于FMS，但生产效率更高。下图所示为加工244FM摩托车发动机气缸的柔性制造线。,第六十一页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,第六十二页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,四、柔性制造系统的应用,从加工领域看，现在的FMS不仅能完成机械加工，还可应用于饭金加工、锻造、焊接、装配、铸造和激光、电火花等特种加工，以及喷漆、热处理、注塑和橡胶模制造等加工领域。从生产产品看，现在的FMS已不再局限于汽车、机床、飞机、坦克、火炮、舰船、拖拉机等产品的制造，还可用于计算机、半导体、木制产品、服装、食品/饮料以及医药和化工等产品的生产。据统计，1994年初，世界各国已投入运行的FMS约有3000多个。其中日本拥有2100多个，占世界首位。,第六十三页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,五、柔性制造系统的发展方向,FMS发展方向集中在以下几个方面：1）小型化、单元化 20世纪90年代开始,FMS由大型复杂系统，向经济、可靠、易管理、灵活性好的小型化、单元化FMC方向发展。2）模块化、集成化 以模块化结构（比如将FMC,FMM作为FMS的基本模块）集成FMS、再以FMS作为制造自动化基本模块集成CIMS是一种基本趋势。3）开放式 开放式FMS系统强调5个方面的性能特征：即插即用；可移植性；可扩展性；可缩放性；互操作性。,第六十四页，编辑于星期五：二十二点 二十七分。,
