机械制造自动化技术-加工设备自动化

加工设备自动化12

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。▲高效——生产率要达到一定高的水平；▲精密——加工精度要求成品公差带的分散度小；▲可靠——其设备已能达到极少故障。改变传统工艺，提高效率互换性、不必分组选配、完全互装配一、加工设备自动化概述3▲

要实现机械制造自动化，首先是加工设备自动化，为什么？各类金属切削机床和其他机械加工设备是机械制造的基本生产手段和主要组成单元。思路：点-线-面加工设备自动化的两方面：机床加工循环自动化，机床辅助工作自动化主要内容4设备加工自动化的途径（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。通用机床进行改造需要注意点：（1）足够的精度和刚度（2）控制系统可靠稳定（3）降低改造工作量，减少成本设计制造专用自动化机床需注意：被加工产品结构稳定、生产批量大，能充分利用机床5自动化加工设备的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

是由切削时间和空程辅助时间组成的，即因此，由工作循环时间所决定的生产率Q（件/min）：

显然，为了提高生产率，必须同时减少

和。（3—1）（3—2）6自动化加工设备的生产率分析

为进一步分析减少

和

之间的相互关系，将式（3—2）变换一下形式:

式中K为理想的工艺生产率，（3—3）7

以K为横坐标，Q为纵坐标，根据不同的

值，可将式（3-3）作曲线组，如图3—1所示。从图中可以看出：

①当

为某一定值时（例如

），虽然减少切削时间（即增加K），开始生产率Q有较显著的增长，但往后由于

的比重相对增大，生产率Q的提高就愈来愈不显著了。②如果进一步减少

，则

愈小，增加K时生产率Q的提高就愈显著。③当切削时间

愈少时，减少

对提高生产率Q的收效愈大。辅助时间小辅助时间大▲

和

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K提高到一定程度时（足够小时），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。▲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。

应当在先进的工艺基础上实现机床自动化

生产率与自动化的关系：

自动化加工设备的分类 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。在半自动机床上，有时可考虑增加自动上下料装置、刀库与换刀机构，以便实现加工过程全自动。2）一般数控机床（NC）数控机床（NC）以数字代码形式的程序控制机床、计算机控制机床（CNC）以计算机内的加工工件源程序来控制机床。自动化加工设备的分类数控机床自动化加工设备的分类3）加工中心（MC）实质上是一种能自动换刀的数控机床。结构上加工中心具有刀具库及自动换刀机构、回转工作台、交换工作台等等。mazak马扎克卧式加工中心自动化加工设备的分类4）组合机床以通用部件为基础，少量专用部件和夹具组合而成的半自动或自动机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。自动化加工设备的分类5）自动线（TL）由工件传输系统和控制系统将一组自动机床和辅助设备按工艺顺序连接起来，可自动完成的部分或全部加工过程。强调自动机床自动化加工设备的分类6）柔性制造单元（FMC）实际上是数控加工中心的扩展：由1~3台数控机床和物料传输装置组成，设有刀具库、工件储存站和单元控制系统。所谓柔性，是指一个制造系统适应各种生产条件变化的能力，以面对多变的市场需求。柔性制造单元适合加工形状复杂，品种变化不是很大的中小批量生产。

二、切削加工自动化16▲切削加工定义——使用切削工具（包括刀具、磨具和磨料），在工具和工件的相对运动中，把工件上多余的材料层切除成为切屑，使工件获得规定的几何形状、精度和表面质量的加工方法。▲切削加工分类——按切削方法分为：车削、钻削、镗削、铣削、刨削、插削、锯削、拉削、磨削、精整和光整加工等。▲切削加工生产率的提高——减少切削加工辅助时间，提高设备的自动化程度▲切削加工的永恒主题——精度、加工效率、节材、节能和降低加工成本减材17▲车削加工——工件随主轴一起旋转、车刀相对于工件运动完成金属切削工作。车削加工设备为车床，车削加工自动化的发展方向是数控车床、车削中心和车削柔性单元等。车削加工自动化1.单轴机械式自动车床▲动作控制——采用凸轮和挡块自动控制刀架、主轴箱的运动和其他辅助运动▲加工对象——用于棒料、盘料加工

18车削加工自动化2.数控车床▲优点——精度高、效率高、柔性大、可靠性好、工艺能力强▲主要特点：①数控车床的主轴转速和进给速度高；②数控车床能实现多种工序复合的全部加工；③数控车床具有高精度；④数控车床具有高柔性。减少切削时间减少辅助时间19CNC加工中心数控机床加工20车削加工自动化数控车床的主要构成部分的自动化（1）传动系统传动系统的作用是把接收来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。传动系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、主轴伺服电动机、进给驱动单元和进给伺服电动机组成。21车削加工自动化数控单轴纵切自动车床传动系统

1—刀架座2—双速电动机3—步进电动机4—蜗轮蜗杆副5—滚珠丝杠螺母副主轴箱及刀架的进给运动：微机控制步进电机，通过蜗杆副、滚珠丝杠螺母副传动。22（2）刀架系统常用转塔刀架和排刀架，各种刀架均可按需要配备动力刀座，有的采用带刀库的自动换刀装置。液压马达驱动转位的转塔刀架

1—液压缸2—液压马达3—小齿轮4—中心齿轮5—中心轴

6—弹簧7、8—齿盘9—编码器齿轮10—编码器液压缸1进油，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转动通过齿轮3、4带动中心轴5转动，使刀盘达到规定工位。同时，中心齿轮4经编码器齿轮9将转位信号传给编码器10，分度到位后，编码器发出信号给数控装置，使转位停止。液压缸活塞后退，定位齿轮7通过碟形弹簧6右移，齿盘定位夹紧。23（3）测量装置测量元件将数控车床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向传动系统输出达到设定值所需的位移量指令。

触发式测头测量系统及其测量典型过程

a）测量系统

b）测量典型过程243.车削中心车削加工中心是一种以车削加工模式为主，添加铣削动力刀座、动力刀盘或机械手，可进行铣削加工模式的车—铣合一的切削加工机床类型。车削加工中心常见类型有：卧式车削中心和立式车削中心车削加工自动化图3—7卧式车削中心

图3—8立式车削中心

车削加工自动化▲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；——主轴具有进行连续精确分度的C轴功能，并能与X轴或Z轴联动；

——主轴具有按轮廓成形要求进行连续回转（不等速回转）运动。当车削中心的主轴具有C轴功能时，主轴便能进行分度、定向，配合转塔刀架的动力刀座，可完成各方位的孔和面的加工，而且在一次装夹中完成。车削加工自动化▲主轴定向机构和C轴功能

——C轴功能定义：通过位置控制使主轴具有在不同角度上定位的能力。

——C轴功能的好处：控制主轴连续分度，同时与刀架的X轴或Z轴联动来铣削各种曲线槽、车螺纹、车多边形等，也可定向停车。

图3—9C轴的机械传动示意图

1—主轴2、5—轴承3—柱销4—蜗杆6—C轴箱体支轴7—齿形带8—电动机9—蜗轮左进油口进油，推动活塞向右移动，使C轴箱体绕支轴逆时针旋转，蜗杆与蜗轮啮合。电机运转，带动蜗杆副运动，实现C轴旋转功能。工作完毕，伺服电机停止转动，进出油口反向，C轴箱体在重力作用下回到原来的位置，蜗轮蜗杆脱离啮合。如果要实现主轴定向停止：通过位置控制以及位置检测系统使主轴在不同的角度上定位。如果要实现主轴分度转动：通过主轴电动机分度转动完成，最终定位依靠主轴上的位置编码器，及主轴后端的齿式分度盘和插销来完成，分度定位后夹紧机构用来防止主轴转位。双主轴、多主轴、辅助主轴▲多主轴的车削中心能完成更多的加工工序▲可同时加工同一零件的不同工序，也可同时加工不同零件德国DMG多主轴自动车床钻、铣加工自动化

钻削自动化大部分都是在各类普通钻床的基础上，配备点位数控系统来实现的。

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。

钻削中心增加了自动换刀装置：刀库与主轴之间直接换刀，转塔转位换刀，刀库与转塔上的主轴之间进行换刀。

铣削自动化——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。数控技术的发展应用进一步提高了铣床的自动化程度，如铣削加工中心，以铣削为主兼有钻、镗等多功能，也有车铣加工中心。加工中心

通常，加工中心仅指主要完成镗铣加工的加工中心。包括刀库及自动换刀装置且能实现工序集中，能被称为“中心”的还有车削中心，钻削中心、磨削中心等。卧式铣镗加工中心

（1）适用范围广a多品种、中小批量生产；b工序集中可完成多步工序。（2）加工精度高a伺服机构，数控插补；b高度自动化，减少人工失误；c工序集中，减少安装次数。（3）生产率高A高度自动化，工序集中，减少停机类

型布局型式特

点适用范围立式加工中心

固定立柱型、移动立柱型

主轴支承跨距较小。占地面积较小，刚性低于卧式加工中心，刀库容量多为16～40

中型零件，高度尺寸较小的零件加工，尤其是盖板类零件加工卧式加工中心

固定立柱型、移动立柱型

主轴及整机刚性强，镗铣加工能力较强，加工精度较高，刀库容量多为40～80

中、大型零件及工序复杂且精度较高的零件加工，通常用于箱体类零件加工五面加工中心

交换主轴头、回转主轴头、转换圆工作台

主轴或工作台可立、卧式兼容，并多方向加工而无需多次装夹工件，但编程较复杂，主轴或工作台刚性受到一定影响

具有多面、多方向或多坐标复杂型面的零件加工龙门加工中心

工作台移动型、龙门架移动型

由数控龙门铣镗床配备自动换刀装置、附件头库等组成。立柱、横梁构成龙门结构，纵向行程大。多数具有五面加工性能，成为龙门式五面加工中心

大型、长型、复杂零件加工加工中心类型及适用范围龙门加工中心刀具长度检测系统加工中心的典型自动化机构（1）自动换刀机构——实现自动选刀、换刀、装刀，刀具存取分顺序和随机两种方式。（2）刀具长度测量系统——检查刀具长度正确性与刀具完整性。（3）触发式测头测量系统——工序前，工件与夹具的位置；工序后，检测工件的尺寸。（4）回转工作台——实现分度运动/进给。回转工作台组合机床通用部件专用部件立柱、回转工作台、滑台等夹具、多轴箱、部分刀具等。数量上约占25%，成本上约占50%专用机床组合机床，具有工序集中、生产率高的优点，但专用性强。其自动化主要通过数控技术来实现：满足工艺需要，如加工复杂面，精度要求高的轮廓等；在进行多工序、多品种加工时，提高效率。为什么不直接用加工中心呢？组合机床

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普通通用部件混合所组成。图3-16三件并行加工活塞的数控车镗组合机床立式镗削部件自动步伐式工件输送装置卧式车削部件加工设备自动化概述切削加工自动化加工设备自动化的主要内容；设备自动化的主要途径；设备自动化与生产率的关系。车削加工自动化：数控车床，车削中心；钻削自动化；加工中心；组合机床。三、总结随堂作业：一、填空题：1.组合机床是以

为基础，配以少量按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的机床。2.加工中心刀具的存取方式有

方式和随机方式。3.自动化加工设备主要是指实现了加工过程自动化并具有自动

的设备。4.组合机床的自动化水平的实现主要是通过

技术来实现的。加工设备自动化概述切削加工自动化加工设备自动化的主要内容；设备自动化的主要途径；设备自动化与生产率的关系。车削加工自动化：数控车床，车削中心；钻削自动化；加工中心；组合机床。上次课内容回顾金属板材成形加工自动化机械加工自动线冲压设备自动化装置；自动冲模；先进冲压自动化技术。通用机床自动线、组合机床自动线、柔性自动线本次课内容三、金属板材成形加工自动化41▲金属板材成形加工——主要是利用塑性成形技术来获得所需的零件。▲什么是金属塑性加工——利用金属材料具有延展性，即塑性变形的能力，使其在由设备给出的外力作用下于模具里成形出产品的一种材料加工方法。

▲金属板材加工的主要方法——冲压、锻压两大类。温度、次数、坯料（体积成形）42冲压加工简介▲冲压的坯料——板材、带材、管材。▲冲压设备——机械压力机、液压机。▲冲压工艺——分离工序，成形工序。▲冲压件的特点——重量轻、刚度好。使冲压件与坯料沿一定轮廓线分离。包括切断、落料、冲孔、切口、切边等，断离面的质量也要满足要求包括弯曲、拉伸、成形等，成品形状也要满足要求43实现冲压自动化要考虑的因素（1）安全性——安全隐患：送料。自动送料是冲击加工自动化最基本的（2）经济性（冲压件批量）——批量小，重点通用性，使之适应多品种生产；批量大，重点考虑提高自动化程度。（3）冲压件结构——冲压件的结构决定了冲压自动化的方式。较小而不复杂，连续模自动冲压；较大的多道拉伸件，多工位自动冲压。（4）冲压工艺——中小型冲压件，尽可能在一台自动压力机上完成。（5）材料规格——自动送料装置不同。（6）压力机形式——根据冲压件的品种及批量选择。冲压件品种单一，自动冲模；品种多，通用自动压力机+普通冲模；批量大，专用自动压力机；大型冲压件，冲压自动线。实现冲压自动化的几种方式：自动冲模、通用/专用自动冲压压力机、冲压自动线。44KUKA8轴偏摆式冲压机器人+舒勒冲压机冲压设备的自动化装置▲供料装置——具有储料功能、为送料装置供料功能。原材料不同，供料装置不同。

卷料——卷料架；

板料、条料——储料、顶料、吸料、释料、移料、分离装置。冲压设备的自动化装置▲送料装置——原材料运输作用，常用的有辊式与夹持式。

辊式——单边、双边

夹持式——材料厚度变化及材料表面状况对送料的影响小。

定转子冲压自动送料机冲压设备的自动化装置▲废料处理装置——对原材料（主要指卷料）经冲压后的废料进行处理。

（1）卷料重新卷绕

（2）废料切断（多数利用设在模具上的切刀进行）冲压设备的自动化装置▲接件装置——主要是对由冲压模具中打出、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，保证操作安全。▲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，在异常状况下能发出信号，使压力机停机。

接触式——机械方式

非接触式——电磁感应、光电感应50汽车外覆件自动冲压线自动冲模自动冲模：模具具有独立完整的自动送件、脱模、出件装置，一般在普通压力机上使用。类型：按照进给对象可分为原材料自动进给和工序件自动进给两类。按进给机构形式又可分为辊式、夹持式和其他形式，其模具的自动进给部分与冲压部分基本上是分开的。工序件自动进给冲模：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。图3—17夹持式自动送料冲模

1—支架2—斜契3—滚轮4—螺杆5、11—弹簧

6—送料夹持器7—导板8—滚柱9—定料夹持器10—下座板冲压工作行程时：支架1带着斜楔2下降；滚轮3带着送料夹持器6右移；同时坯料被定料夹持器9卡住。冲压工作回程时：支架1带着斜楔2上升；滚轮3带着送料夹持器6左移（在弹簧5的作用下）；同时定料夹持器9打开（在弹簧11的作用下），坯料通过。一个循环：上升，推送，下降，夹紧并冲压进给部分与冲压部分分开步进式推送，步距与螺杆4以及斜楔有关图3—18

通用自动出件校平模

1—支架2、3—弹簧4—小滑块5—拨杆6—钩

7—滑板8—校平上模9—校平下模10—斜槽送料：工序件沿着滑板7滑到校平模上。出件（回程同时出件）：校平上模8带着钩6上升；钩6带动拨杆5逆时针转动；拨杆5退动滑块4右移，将工件推入斜槽10中；在下一个行程中钩6、拨杆5回位，滑块4在弹簧3的作用下回位。先进冲压自动化技术▲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。冲压大型覆盖件相当于一条自动化冲压线通用性好生产效率高，节能，节约成本先进冲压自动化技术▲机电一体化全自动压力机：强调一机多用，模具可换（全自动更换）。关键技术全自动换模系统包括：（1）气压自动调整系统，实现平衡器与气垫气压的自动调整。（2）装模高度、气垫行程自动调整系统（3）模具自动加紧、放松系统，以实现模具可换。（4）高速移动工作台自动开进/开出系统所包含的技术：全自动换摸技术，重载负荷液压润滑技术，触摸屏技术，高行程、高精度控制技术等。▲单机联线自动化冲压生产线：结构上：一般配置为5～6台压力机，配备有拆垛、上下料机械手、穿梭翻转装置和码垛装置等。应用上：通用性较强（与大型多工位压力机相比），汽车覆盖件自动化冲压生产工艺技术之一、设备维修工作量大。图3—19单机联线自动化冲压生产线

▲大型多工位压力机：结构上：由拆垛机、大型压力机、三坐标工件传送系统和码垛工位等组成。应用上：冲压大型覆盖件，也可冲压小型零件（体现出柔性）。功能上：以一台多工位压力机系统代替一条多台机床机床组成的冲压线，相当于一条自动化冲压线，但结构更紧凑。代表当今压力机的最高技术水平。图3—20MINSTER公司多工位压力机按同规模生产量比较，设备投资可减少20%~40%，能量消耗减少50%~70%，冲压件综合成本节约40%~50%生产效率高，生产节拍是单机联线自动化生产线的2~3倍。四、机械加工自动线58具有严格的生产节奏，工件以一定的节拍、按照工艺顺序自动经过各个工位。需考虑机床在车间内的布局。▲机械加工自动线（简称自动线）——是一组用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。适用于加工对象单一的大批量生产，若加工品种改变，需要话费大量时间与人力进行调整。59 ▲切削加工自动线

——组成：通常由工件输送系统、工艺设备、控制和监视系统、检测系统和辅助系统等组成，如表3-4所示。

——类型：（见表3-5）

通用机床自动线

组合机床自动线

专用机床自动线

转子自动线

回转体工件加工自动线

箱体、杂件加工自动线

综合加工自动线按工艺设备分按零件外形分建线周期短，见效快，常用于简单零件大批量生产专用性强，用于单一或几种同类工件的大量生产，适用于箱体类、异形件加工建线周期长，成本高，用于加工特殊材料、或工艺特殊的产品。加工简单小零件，用于冲压、挤压等加工。多种类型设备组成，可完成零件从坯料到成品的加工主要由组合机床和专用机床组成主要由通用机床或普通机床+专用机床组成这里所说到的机床设备都是自动化机床通用机床自动线通用机床自动线对机床的要求工件输送方式机床连接方式机床排列形式分料方式a用什么机床？b机床是否能连入自动线？a自动化通用机床或经改装的通用机床。b需看机床在设计时是否在布局与结构上考虑了连入自动线的可能性，否则需对机床进行改装后才能连入自动线。通用机床自动线工件输送方式有哪些？通用机床自动线对机床的要求工件输送方式机床连接方式机床排列形式分料方式工件的输送方式有强制输送、自由输送和机械手输送：

强制输送：用外力使工件按一定的节拍和速度进行输送。

自由输送：利用工件自身重力在料道中滚/滑动，或放在靠摩擦力带动的连续运动的链板上输送。

机械手输送：能方便的实现工件姿态的变换，即可用于强制输送，也可用于自由输送。通用机床自动线a机床连接方式有哪些？通用机床自动线对机床的要求工件输送方式机床连接方式机床排列形式分料方式工件的输送方式有柔性连接、刚性连接：

柔性连接：用于各工序节拍时间不一致。有储料装置。

刚性连接：用于各工序节拍时间大致相近。

通用机床自动线a有哪些排列形式？b如何应用？通用机床自动线对机床的要求工件输送方式机床连接方式机床排列形式分料方式图3—21通用自动线机床排列形式串联单纵列b)串联双纵列c)串联单横排d)串联双横排e)并联纵列1～6—机床7—工件输送系统

a有哪些排列形式？b如何应用？串联方式——单机工序时间小于等于自动线节拍时间。并联方式——单机工序时间大于自动线节拍时间。（或采取工序分散）通用机床自动线通用机床自动线对机床的要求工件输送方式机床连接方式机床排列形式分料方式a什么时候需要分料？b分料方式有哪些？a什么时候需要分料？b分料方式有哪些？a当有机床并联时才需要考虑工件需要