机械制造自动化技术（第4版）课件：加工设备自动化

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。·高效----生产率要达到一定高的水平；·工序集中·加工柔性·可靠----其设备已能达到极少故障。·精密----加工精度要求成品公差带的分散度小；改变传统工艺，提高效率采用特种加工方法和测量技术第一节加工设备自动化概述☆

要实现机械制造自动化，首先是加工设备自动化!一、加工设备自动化的意义

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。

各类金属切削机床和其它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。☆

什么是加工设备自动化？1.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。2.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。3.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。二、加工设备自动化的途径实现加工设备自动化的主要内容--加工循环自动化，而其它内容则可以具体的加工要求不同而有所差异。两方面：机床加工循环自动化，机床辅助工作自动化第一节加工设备自动化概述

·实现加工设备自动化的途径：

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(数控化改造)；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，如组合机床等各种专机；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，减少成本第一节加工设备自动化概述三、自动化加工设备的生产率分析与分类因此，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）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切削时间和空程辅助时间组成的，即第一节加工设备自动化概述式中K——理想的工艺生产率（3-3）

为进一步分析和之间的相互关系，将式（3-2）变换一下形式:第一节加工设备自动化概述

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），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。3)当切削时间愈少时，减少对提高生产率Q的收效愈大。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。图3-1机床生产率曲线第一节加工设备自动化概述生产率与自动化的关系： ·

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，即理想工艺生产率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。·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。结论：应当在先进的工艺基础上实现机床自动化第一节加工设备自动化概述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（单轴和多轴）（2）组合机床（3）自动线（TransferLine——TL）（4）一般数控机床（NC）（5）加工中心（MC）

（6）柔性制造单元（FMC）第一节加工设备自动化概述

第二节切削加工自动化·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—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一、车削加工自动化车削加工主要是通过车刀对随主轴一起旋转的工件的相对运动来完成金属切削工作的一种加工形式。1.单轴自动车床·加工对象—用于棒料、盘料加工。·动作控制—采用凸轮和档块或数控系统自动控制刀架、主轴箱的运动和其他辅助运动。·类型—单轴纵切自动车床、主轴箱固定型单轴自动车床、单轴转塔自动车床和单轴横切自动车床;数控单轴纵切自动车床。第二节切削加工自动化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

集卧式车床、转塔车床、多刀车床、仿形车床、自动和半自动车床的主要功能与一身（20世纪50年代出现）。·主要特点：

1)数控车床的主轴转速和进给速度高。

2)数控车床具有高精度（多种措施）。

3)数控车床能实现多种工序复合的全部加工。

4)数控车床具有高柔性。·类型：通用型、卡盘型、排刀型、双主轴型、棒料型以及一些专门化车床等。第二节切削加工自动化·数控机床的自动化机构：（1）传动系统第二节切削加工自动化进给运动的脉冲当量（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。2轴车床：滑板上装一个转塔刀架，X,Z轴联动；滑板上装两个刀架（外圆和孔），不能同时切削4轴车床：两个转塔刀架分别安装在各自的滑板上，独立控制X,Z轴联动，可同时工作。刀架转位的重复定位方式：端齿盘定位（弧齿，直齿）刀架转位的夹紧方式：液压，气压刀架转位的分度方式：液压马达，伺服电机以及编码装置第二节切削加工自动化（3）测量装置1）工件机内测量装置采用触发式测头，具有三维测量功能，其工作原理相当一个重复定位精度很高的触头开关。2）刀具机内测量装置测头测量装置位于床头侧面的固定位置，用弯臂装上测头进行测量。第二节切削加工自动化3.车削中心·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进行连续回转（不等速回转）运动，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。与数控卧式车床的区别：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。常见类型有：卧式车削中心和立式车削中心第二节切削加工自动化·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。第二节切削加工自动化

--C轴功能作用：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。·多主轴、双主轴和辅助主轴--多主轴的车削中心能在一台机床上完成更多加工工序，既缩短了加工周期，又提高了工件精度。--多主轴车削中心的各主要主轴的驱动功率和尺寸均相同,可分别称第1主轴、第2主轴、第3主轴……--多主轴可分别加工一种工件的全部工序或分别加工多个工件第二节切削加工自动化为了实现在一台机床上完成对车削工件的“全部加工”,可采用带辅助主轴(第2主轴)的车削中心以及双主轴、双辅助主轴的车削中心。第二节切削加工自动化·车削中心的其它结构零件加工A零件加工B二、钻铣削加工自动化1.钻削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。其定位精度为±0.02～0.1mm。数控钻床通常有立式、卧式、专门化以及钻削加工中心几种。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向运动和主轴的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。自动换刀装置的类型：刀库与主轴之间直接换刀；转塔头式换刀。第二节切削加工自动化2.铣削自动化

铣削是通过回转多刃刀具对工件进行切削加工的一种手段，其对应的加工设备称为铣床。它几乎应用于所有的机械制造及修理部门，一般用于粗加工及半精加工，有时也用于精加工。除能加工平面、沟槽、轮齿、螺纹、花键轴等外，还可加工比较复杂的型面。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。第二节切削加工自动化

三、加工中心加工中心内涵的扩展：车削中心，滚齿中心，磨削中心复合加工中心（切削，磨削，特种加工）

加工中心是备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序集中加工的数控机床。通常，加工中心仅指主要完成镗铣加工的加工中心。1.加工中心的特点

--适用范围广：一次装夹完成所有加工。

--加工精度高：精度介于卧式镗床与坐标镗床之间。

--生产率高：大大缩短加工辅助时间。·类型及适用范围类型有立式、卧式、五面、龙门等四种。刀库、自动换刀机构、回转工作台、交换工作台、可交换式主轴第二节切削加工自动化第二节切削加工自动化（2）触发式测头测量系统主要用于加工循环中的测量。工序前测量工件及夹具：精确定位工件坐标原点和均匀加工余量。工序后测量工件的尺寸：确保加工精度，避免废品。2.加工中心的典型自动化机构（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。加工中心在自动化结构方面的特点在于具有刀具库和刀具自动交换机构。位于顶部或侧面且远离工作主轴。磁盘和磁带的存取特点顺序存取方式有何优点?第二节切削加工自动化（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。具体测量方法：光电式，触发式，图像分析式第二节切削加工自动化（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或进给运动。回转工作台有两种结构形式：（1）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。（2）用于进给运动的回转工作台由伺服电机驱动，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4～5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。第二节切削加工自动化五轴加工B轴加工第二节切削加工自动化

四、组合机床定义：组合机床是一种按工件加工要求和加工过程设计和 制造的专用机床。组成：1）按一定的特定功能，标准化、系列化、通用化 的通用部件；

2）针对工件和加工工艺专门设计的专用部件。

3）比例构成,专用部件数量1/4,制造成本1/2优点：具有工序集中、生产率高、自动化程度较高、造 价相对较低等缺点：专用性强、改装不十分方便等第二节切削加工自动化

组合机床的自动化水平的实现手段:主要是通过数控技术的应用来实现的。

一般有两种情况：

1）工艺的需要（工艺要求高的加工）；

2）在多工序加工或多品种加工时，为了加速转换和调整而采用数控。

具体形式：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，既具有较高生产率，在某些工序上又有一定的柔性，应用也较多。第二节切削加工自动化第二节切削加工自动化组合机床动力头第二节切削加工自动化第二节切削加工自动化第三节金属板材成形加工自动化

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。▲什么是金属塑性加工？▲塑性成形技术的特点--高产、优质、低耗。▲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。▲金属板材加工的主要方法--冲压、锻压两大类。一、冲压加工简介

▲冲压--通过模具的作用，使坯料获得所需要的零件 形状和尺寸。▲加工对象--主要是板材、带材、管材及其他型材。▲冲压件的特点--重量轻、厚度薄、刚度好、质量稳定。▲冲压设备--主要有机械压力机和液压机。▲冲压工艺--分离工序（切断、落料、冲孔、切口、切边和剖切）和成形工序（弯曲、拉深、成形）两大类。

分离工序是在冲压过程中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一定的要求。

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，同时也应满足尺寸公差等方面的要求。▲适用范围--冲压在汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中具有十分重要的地位。二、冲压自动化实现的一般原则

▲冲压自动化方式--在通用压力机上使用自动冲模、通用自动冲压压力机、专用自动冲压压力机以及冲压自动线等几种。▲选择的一般原则--安全生产：必须确保操作人员的人身安全（自动送料)--冲压件批量：大批量—高自动化，小批量—通用性--冲压件结构：决定采用连续模自动冲压还是多工位自动冲压取决与冲压件的结构形式。--冲压工艺方案：单台与生产线--材料规格：不同形式坯料的自动化装置不同--压力机型式：自动送料与自动冲模具体情况具体分析，有时为利于自动化，在不影响性能的情况下，对工件设计可作适当修改。三、冲压设备的自动化装置

▲供料装置--主要是为送料装置做准备工作。

自动化环节包括：供料（件），送料，出料（件），废料（件）处理等环节的自动化。

不同的原材料（板料、条料、卷料）采用的供料装置不尽相同。如板料（条料）供料装置通常具有贮料、顶料、吸料、提料、移料和释料等功能。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（单边辊式和双边辊式送料两种型式）和夹持式两种。▲废料处理装置--主要是对卷料经冲压后的废料进行处理，主要有两种方法，即将废料切断（多数利用设在模具上的切刀进行）或是将卷料重新卷绕。▲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(异常处理)。一般通过有接触点和无触点式两种传感方式进行。四、自动冲模

▲自动冲模--具有自动进给、自动出件等功能的冲模。▲适用场合--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（包括落料平片）自动进给两类。

原材料自动进给冲模：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。夹持式冲压

自动送料定转子冲压自动送料五、先进冲压自动化技术

▲发展趋势：1.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。2.采用大型多工位压力机。▲主要技术：

1.机电一体化全自动压力机技术其关键技术是全自动换模系统，包括： ①气压自动调整系统， ②装模高度、气垫行程自动调整系统， ③模具自动夹紧、放松系统， ④高速移动工作台自动开进开出系统。

2.单机联线自动化冲压生产线汽车覆盖件自动化冲压生产工艺技术之一，一般配置为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。

3.大型多工位压力机一般由拆垛机、大型压力机、三坐标工件传送系统和码垛工位等组成。汽车外覆件自动冲压线自动连续冲压第四节机械加工自动线▲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。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。▲特点：--减轻工人的劳动强度--大大地提高劳动生产率，缩短生产周期--减少设备布置面积，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

▲切削加工自动线

--组成：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。

--类型：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▲适用的典型工艺--主要有各种车削、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▲对纳入自动线机床的要求—相对于单台独立使用的机床而言要更为稳定可靠。▲自动线的组线技术工件的输送方式：强制输送—利用外力使工件按一定节拍和速度进行输送。自由输送—利用工件的自重在槽形料道中滚动或滑动而

进行输送，也可以利用摩擦力带动进行输送。机械手输送—利用机械手进行工件输送。机床的连接形式：柔性连接—调节工序节拍不平衡，采用中间缓冲料库。刚性连接—用于工序较少的自动线，占地少，可靠性要求高。串行连接—单道工序的时间等于或稍小于线的节拍时间。并联连接—单道工序的时间大于线的节拍时间，系统复杂化，尽量少用。机床的分料方式：顺序分料—将工件依次填满并联各单机和各分段料道或料仓，溢流式。用于轴类零件加工自动线。按需分料—根据机床的需求，将工件同时向各并联单机送料。用于盘，环类零件加工线。贯穿式传送短轴类工件的加工自动线布局采用悬挂式输送机械手的自动线布局双排纵列侧输式机床的自动线布局▲自动线输送系统的布局--比较灵活，除了受工艺和工件输送