第19章 机械加工自动化

第十九章机械加工自动化

第一节

组合机床及其自动线

一、组合机床概述

（一）组合机床的产生为了满足机械工业不断发展的需要，人们在实践的基础上创造了组合机床。所谓组合机床，它是由已经系列化、标准化的通用部件和少量专用部件（按加工零件的形状和工艺要求而设计的〕组合装配起来的专用机床。它既保留专用机床的结构简单、生产效率高等优点，又像通用机床那样具有部件通用化、可调整改装以适应不同结构尺寸的工件加工等特点。

（二）组合机床的组成图19-1是一台组合机床的组成图，从图中可以看出，组合机床由许多通用部件和少量专用部件所组成。组合机床的通用部件是组成组合机床的主要部分，按其所起作用的不同一般分为下面五类：图19-1组合机床的组成1－滑台2－动力箱3－立柱底座4－立柱5－多轴箱6－夹具7－中间底座8－侧底座

（1）动力部件如各种类型的切削头、滑台和动力箱等。（2）支承部件如底座、立柱等。（3）输送部件如多工位的工作台、回转工作台和回转鼓轮等。（4）控制部件如液压元件、控制挡铁、行程开关、操纵台等。（5）辅助部件如冷却润滑装置、排屑装置、机械板手等。除上述各种通用部件外，根据加工零件形状及工艺要求，组合机床还需采用少量的专用部件，如根据工件孔位、孔距、孔数不同而设计制造的多轴箱，以及根据工件的具体结构和定位基准不同而设计制造的夹具等。（三）组合机床的配置型式1.

单工位组合机床这类组合机床的特点是工件仅在一个工作位置上加工。机床的配置型式如图19－2所示。2.多工位组合机床这类组合机床的特点是工件能在几个工位上进行加工。机床的配置型式如图19－3所示。图19-2单工位组合机床的配置形式卧式单面b)卧式双面c)卧式三面d)立式e)复合式（立式与卧式组合）f)复合式（倾斜式与卧式组合）

图19-3多工位组合机床的配置形式a)移动工作台式b)回转鼓轮式c)、d)回转工作台式（四）组合机床的特点及应用范围1.组合机床的特点组合机床与通用机床或一般专用机床相比，主要有如下优点：1)设计和制造的周期短。2)对产品变化或更新有较强的适应性。3)具有较高的工作可靠性。4)工序集中，生产效率高。5)机床的维护和修理都比较方便。组合机床有很多优点，但也有一定的缺点：

1）在机床改装时，少量专用部件和零件不能重复利用，因此有一定的损失。2）在组成各种类型的组合机床时，所选用的通用部件不一定完全适用。2.组合机床的应用范围组合机床最适于箱体类零件（如各种变速箱的箱体、气缸体、电机座、仪器仪表壳体等）的加工。近年来，轴类、盘套类、叉类等零件也越来越多地采用组合机床加工。

二、组合机床的几种通用部件（一）动力滑台1.动力滑台的功用动力滑台简称滑台，它是常用的动力部件，主要用来带动各种主轴部件进给，也可以带动夹具和工件，作移动工作台用。图19-4是将动力箱和多轴箱以及各种单轴头安装在滑台上组成各种切削动力头的情况示意图。图19-4滑台上安装动力箱及各种切削头的情况1－滑台2－动力箱3－多轴箱4－铣削头5－镗车头6－钻削头2.滑台的典型工作循环滑台的运动能实现各种不同的工作循环，图19-5所示是几种常见的工作循环。图19-5滑台的典型工作循环一次工作进给循环b)二次工作进给循环c)超越工作进给循环d)双向工作进给循环e)分级工作进给循环SQ－快进SW－工进SR－快退

3.液压滑台图19-6所示为液压滑台。

图19-6液压滑台1－滑鞍2－液压缸3－滑座4－死挡块

4.机械滑台图19-7所示为机械滑台。图19-7机械滑台1－滑座2－滑鞍3－工进电动机4－快速电动机5－传动箱6－死挡块图19-8机械滑台的传动系统1－快速电动机2－电磁制动器3－工进电动机4－行程开关5－滑座6－滑鞍7－死挡块图19-8为机械滑台的传动系统图。

机械滑台的传动，可用如下传动路线表达式来表示：

1）快速进退快速电动机—I——丝杠－螺母－滑台（快速）

2）工作进给工进电动机——II——III—－行星减速机构

－I－—丝杠－螺母－滑台（慢速）

传动路线表达式中的za、zb、zc、zd是交换齿轮齿数。

（二）单轴头图19-9所示为一种系列顶置式主运动传动装置与六种单轴头头体配套使用的情况。图19-9顶置式主运动传动装置与各种单轴头头体配套的情况

钻削头

b)攻螺纹头

c)镗削头

d)镗车头

e)铣削头

f)多轴可调头

1－主运动传动装置2－单轴头头体

（三）动力箱图19-10所示是齿轮传动动力箱的结构。

图19-10齿轮传动动力箱的结构

1－动力箱箱体2－驱动轴3－齿轮

（四）回转工作台回转工作台是组合机床的一种输送部件，用于多工位组合机床。图19-11是齿盘定位式回转工作台的结构原理图

图19-11齿盘定位式液压回转工作台的结构原理

结构示意

b)液压传动原理

1－台面2－上齿盘3－下齿盘4－底座5－压紧液压缸6－牙嵌离合器7－齿轮8－齿条液压缸9、10－电磁阀

三、组合机床自动线

图19-12为某一组合机床自动线的组成示意图。图19-12组合机床自动线

1－中央操纵台2－工件输送装置3－转位台4－翻转台

5－液压站6－排屑装置

第二节

数控机床

一、数控机床概述

随着计算机数控技术(ComputerNumericalControl—─CNC)的发展，出现了一种采用计算机进行数字信号控制的高效能自动化加工机床，即计算机数控机床，简称数控机床。（一）数控机床的组成数控机床主要由信息载体及输入装置、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成（见图19-13）。图19-13数控机床的组成

（1）信息载体及输入装置信息载体又称控制介质，它用于记载各种加工信息，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有标准穿孔纸带、磁带和磁盘等。信息载体上记载的加工信息要经输入装置输送给数控装置。常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机、磁盘驱动器等；对于有微型机控制的数控机床，常在操作面板上用按钮和键盘将加工程序直接输入，并在ＣＲＴ显示器上显示，或者包含有自动编程机或ＣＡＤ／ＣＡＭ系统。（2）数控装置数控装置一般是指控制机床运动的计算机及相关部件，它是属于控制机床运动的中枢系统。它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经处理与计算，发出相应的控制脉冲信号送给伺服系统，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动。

（3）伺服系统伺服系统是数控系统的执行部分，它是由位置控制环、速度控制环、驱动伺服电机和相应的机械传动装置组成（图19-14）。当数控装置输出指令电脉冲信号给伺服系统时，伺服系统就使机床上的移动部件作相应的移动，并对定位的精度和速度加以控制。图19-14伺服系统的组成

（4）机床数控机床加工时，零件的粗加工和精加工往往是在同一台机床上一次装卡自动完成整个切削加工过程的，进给量的变换是靠伺服电机本身变速来实现的。

（二）数控机床的工作过程图19-15所示为数控机床对零件加工的工作过程示意图。图19-15数控机床的工作过程

（三）数控机床的特点（1）加工精度高、加工质量稳定可靠（2）生产效率高（3）减轻工人劳动强度、改善劳动条件（4）零件加工的适应性强、灵活性好（5）有利于生产管理

二、数控机床的类型及应用（一）按机械运动的轨迹分类1.点位控制系统点位控制系统如图19-16

所示，一般用于数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机等。图19-16点位控制系统钻孔加工1－工件2－刀具图19-17直线控制系统铣削加工1－工件2－铣刀

2.直线控制系统直线控制系统如图19-17所示。一般的简易数控系统均属于直线控制系统。

将点位控制和直线控制结合起来的控制系统称为点位直线控制系统，该系统同时具有点位控制和直线控制的功能。数控镗铣床、数控加工中心等均采用点位直线控制系统。

3.连续控制系统连续控制系统一般都是两坐标或两坐标以上的多坐标联动控制系统，其功能齐全，可加工任意形状的曲线或型腔，如图19-18所示的平板凸轮等。数控铣床、功能完善的数控车床、数控凸轮磨床等均采用连续控制系统。图19-18连续控制系统的切削加工1－工件2－铣刀（二）按伺服系统的类型分类1.开环伺服系统

图19-19所示为采用步进电机驱动的开环伺服系统的原理。开环伺服系统因既没有工作台位移检测装置，也没有位置反馈和校正系统，所以很难保证较高的位置控制精度要求。同时由于受步进电机性能的影响，其速度也受到一定的限制。但这种系统结构简单，调试方便，工作可靠，稳定性好，价格低廉，因而被广泛用于精度要求不太高的中小型数控机床上。图19-19开环伺服系统

2.闭环伺服系统图19-20所示为采用宽调速直流电动机驱动的闭环伺服系统的原理。由于闭环伺服系统有位置反馈环节，可以补偿机械传动装置中的各种误差、间隙和干扰的影响，因而可以达到很高的定位精度，同时还能达到较高的速度。因此在数控机床上广泛应用，特别是精度要求高的大型和精密机床。闭环系统要比开环伺服系统安装调试困难复杂，价格较贵，维护费用也比较高。

图19-20闭环伺服系统

3.半闭环伺服系统如图19-21示为半闭环伺服系统。半闭环伺服系统的加工精度低于闭环伺服系统，但这种系统调试比较容易，稳定性也较好，在生产中应用相当普遍。图19-21半闭环伺服系统

（三）按控制坐标数分类1.两坐标数控机床如图19-22所示的数控车床、图19-23所示的数控铣床皆属于两坐标数控机床。2.三坐标数控机床数控机床能同时控制三个坐标，实现三坐标联动，称为三坐标数控机床。如图19-23所示的铣床若能实现三坐标联动，则称三坐标数控铣床，可用于加工图19-24所示的曲面零件。图19-22数控车床运动坐标示意

图19-23数控铣床运动坐标示意

图19-24三坐标数控铣床适于加工的曲面零件

3.两个半坐标数控机床两个半坐标数控机床又称作两轴半坐标数控机床。这种机床有三个坐标，能作三个方向的运动，但控制装置只能同时控制两个坐标，而第三坐标仅能作等距的周期移动。例如用两个半坐标数控机床即可加工图19-25所示的空间曲面形状的零件。图19-25两个半坐标数控机床加工的空间曲面

4.多坐标数控机床四坐标以上的数控机床称为多坐标数控机床。多坐标数控机床结构复杂、机床精度高、编程复杂，主要用于加工形状复杂的零件。（四）按工艺用途分类1.普通数控机床与传统的通用机床一样，数控机床根据不同的工艺需要，也分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床及数控磨床等。2.数控加工中心数控加工中心通常简称为加工中心(MC)，是在普通数控机床的基础上增加了刀库和自动换刀装置的数控机床。3.数控特种加工机床如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光切割机床等。第三节现代制造技术

现代制造技术是在数控机床的基础上不断发展起来的，包括成组技术（GT）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统（CIMS）等先进的制造技术。一、成组技术(GroupTechnology简称GT)

1．成组技术的基本原理图19-26为成组技术基本原理示意图。

图19-26成组技术

2．零件分类编码对零件进行分类编码是实施成组技术的重要手段。即对每个零件赋予规定的数字符号表示零件结构特征(如零件名称、功能、结构、形状等)和工艺特征的信息，据此划分出结构相似或工艺相似的零件组。我国“机械工业成组技术零件分类编码系统”(简称JLBM-1分类编码系统)的基本结构见表19-1。

表19-1JLBM-1零件分类编码系统的基本构成

码

位

主

码

副

码

123456789101112131415特

征

名称类别粗分类名称类别细分类

外部基本形状

外部功能要素

内部基本形状

内部功能要素

外平面、曲面加工

内平面加工

辅助加工

材料

毛坯原始状态

热处理

最大直径或宽度

最大长度

精度

3．成组技术的主要优点(1)

可以促进零件、部件设计的标准化。(2)

可以提高生产效率和系统柔性。(3)可以提高生产管理水平。二、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）（一）CAD/CAM的基本概念CAD即计算机辅助设计（ComputerAidedDesign），CAM即计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing)。CAD/CAM是二十世纪末期迅速发展起来的一门新兴技术。CAD是在人的参与情况下，用以计算机为控制中心的系统，对产品进行自动的最佳设计。CAM的定义是在不断发展的，可以从狭义和广义两个方面来理解。狭义的CAM是指计算机辅助编制数控机床加工指令；广义的CAM是指应用计算机进行制造信息处理的全过程。CAD／CAM系统是由CAD系统和CAM系统相互结合而形成的系统，CAD／CAM系统实质上是一个有关产品设计和制造的信息处理系统。

（二）CAD/CAM系统的组成无论是用于何种产品设计和制造的CAD/CAM系统，基本上都是由计算机和一些外部设备（计算机和外部设备通常称为硬件）及相应的软件所组成（其中包括系统软件、支撑软件及应用软件），如图19-27所示。图19-27CAD/CAM系统的基本结构

1．CAD/CAM硬件系统主要由以下四部分组成：（1）计算机主机计算机主机主要包括CPU、主存储器及输入/输出接口组成。（2）外存储器外存储器有硬盘、软盘、磁带、光盘等。（3）输入设备输入设备主要有键盘、鼠标、光笔、扫描仪、图形输入板等。（4）输出设备输出设备主要有显示器、打印机、绘图仪等。2．CAD/CAM软件系统主要由以下三部分组成：（1）系统软件系统软件是指计算机在运行状态下，保证用户正确而方便地工作的那一部分软件。它包括操作系统、汇编系统、编译系统、监督系统、诊断系统、数据交换和管理的数据库管理系统、网络及网络通信软件等。（2）支撑软件支撑软件是指通用的应用软件，它包括图形处理软件、几何造型软件、有限元分析软件、优化设计软件、动态仿真软件、各种标准零件设计库和工程数据库及其管理系统等。（3）应用软件指专为某一领域开发的CAD/CAM应用软件，如数控加工、检测与质量控制软件等。（三）CAD/CAM的应用与发展1．CAD/CAM的应用CAD／CAM技术主要应用于以下几个方面：1)用于设计方案的动态修改，它可以使设计结果以图形方式输出，能进行实时输入/输出的交互设计。2)用于机械制造工艺过程，进行计算机辅助工艺设计、计算机数控等。3)用于企业管理，进行生产规划及生产调度最优化、生产过程的材料消耗、成本核算、仓库自动管理和产品销售等。CAD／CAM应用非常广泛，最基本的常用模块有：（1）计算机辅助绘图计算机辅助绘图是CAD系统应用最早的一个最基本的组成部分，其主要功能是完成二维图形、图纸的设计和绘制。（2）CAD建模建模是CAD的核心技术。建模方法主要有几何建模和特征建模两大类。几何建模是把真实世界的三维物体的几何形状用一套合适的数据结构来描述，并输入计算机进行存储。特征建模是对零件生产过程各个环节信息以及这些信息之间关系的完整全面的描述。它通常由形状特征模型、精度特征模型、材料特征模型组成。

（3）产品数据交换技术及管理产品数据是指一个产品从设计到制造的生命周期全过程中对产品的全部描述，并以计算机可以识别的形式来表示和存储的信息。产品数据是在产品的生命周期全过程中通过数据采集、传递和加工处理而形成和不断完善的，因而，产品数据交换在产品生命周期中将频繁地进行。实现数据交换通常有两种方法：一是通过系统的专用接口，实现点对点的连接，如图19-28a所示；二是通过一个中性(即与系统无关)接口，实现星式连接，如图19-28b所示。图19-28两种数据交换的方法

a）点对点连接b）星式连接

（4）计算机辅助工艺规程设计(CAPP)计算机辅助工艺规程设计，常称CAPP(ComputerAidedProcessPlying)，它是在成组技术的基础上，通过向计算机输入被加工零件的原始数据、加工条件和加工要求，由计算机自动地进行编码、编程、制定工艺路线、进行工艺设计直至最后输出经过优化的工艺文件的过程。（5）数控加工自动编程数控加工编程是CAD／CAM系统中的重要模块之一。它是设计与制造所用模型的结合体：一是由CAD系统所生成的产品数字模型；二是与制造工艺有关的产品信息在CAM系统中转换为产品的应用模型。数控加工编程系统的应用对缩短产品的制造周期，减少生产的准备时间，尤其是对于批量小、变化快、复杂程度大和精度要求高的产品具有明显的优势。

2.CAD/CAM系统的功能与发展（1）CAD／CAM系统的功能1)曲面造型功能。2)实体造型功能。3)物体质量特性计算功能。4)运动机构的分析和仿真功能。5)二、三维图形的转换功能。6)三维几何模型的显示处理功能。7)有限元法网格自动生成的功能。8)优化设计功能。9)数控加工的功能。10)信息处理和信息管理功能。（2）CAD／CAM的发展趋势1）集成化。2）智能化。3）网络化。三、柔性制造单元(FMC)与柔性制造系统(FMS)（一）FMC与FMS的基本概念FMC即柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)，它是在数控加工中心的基础上，配备自动上下料装置或机器人、自动测量和监控装置所组成。FMC是多品种、小批量生产中机械加工自动化的理想设备，特别适用于中、小型企业。FMS即柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem)，它是指以多台数控机床、加工中心及辅助设备为基础，通过柔性的自动化输送和存储系统实现有机的结合，由计算机对系统的软、硬件资源实施集中的管理和控制，从而形成一个物料流和信息流密切结合的高效自动化制造系统。FMS能够实现多品种、中小批量产品的生产自动化。（二）FMS的组成FMS主要由三部分组成：1．计算机控制信息系统2．自动化物料输送和存储系统3．自动化加工系统（三）FMS的特点与应用1．FMS的特点柔性制造系统(FMS)有两个主要特点，即自动化和柔性。一个理想的FMS应具备8种柔性