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加工设备自动化

第2章加工设备自动化

本章教学要点，导入案例（看书解释）

自动化加工设备根据自动化程度、生产率和配置形式不同，可以分为不同的类型。

自动化加工设备在加工过程中能够高效、精密、可靠地自动进行加工。

前已述及，自动化加工设备按自动化程度可以分为自动化单机、刚性自动化生产线、刚性综合自动化系统、柔性制造单元、柔性制造系统等。

2.1加工设备自动化的意义及分类

2.1.1加工设备自动化的意义

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。

加工设备生产率得到有效提高的主要途径之一是采取措施缩短其辅助时间。

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。

不仅如此，单台机床或加工设备的自动化，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。

2.1.2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提高，先后开发了适应不同生产率水平要求的自动化加工设备，主要有以下种类。

1.全（半）自动单机

该类设备又分为单轴和多轴全（半）自动单机两类。

它利用多种形式的全（半）自动单机固有的和特有的性能来完成各种零件和各种工序的加工，是实现加工过程自动化普遍采用的方法。

机床的形式和规格要根据需要完成的工艺、工序及坯料情况来选择；此外，还要根据加工品种数、每批产品和品种变换的频度等来选用控制方式。

在半自动机床上有时还可以考虑增设自动上下料装置、刀库和换刀机构，以便实现加工过程的全自动。

2.专用自动机床

该类机床是专为完成某一工件的某一工序而设计的，常以工件的工艺分析作为设计机床的基础。

其结构特点是传动系统比较简单，夹具与机床结构的联系密切，设计时往往作为机床的组成部件来考虑，机床的刚性一般比通用机床要好。

这类机床在设计时所受的约束条件较少，可以全面地考虑实现自动化的要求。

因而，从自动化的角度来看，它比改装通用机床优越。

但是，有时由于新设计的某些部件不够成熟，要花费较多的调整时间。

如果用于单件或小批量生产，则造价较高，只有当产品结构稳定、生产批量较大时才有较好的经济效果。

3.组合机床

该类机床由70%~90%的通用零、部件组成，可缩短设计和制造周期，可以部分或全部改装。

组合机床是按具体加工对象专门设计的，可以按最佳工艺方案进行加工，加工效率和自动化程度高；可实现工序集中，多面多刀对工件进行加工，以提高生产率；可以在一次装夹下多轴对多孔加工，有利于保证位置精度，提高产品质量；可减少工件工序间的搬运。

机床大量使用通用部件使得维护和修理简化，成本降低。

主要用于箱体、壳体和杂体类零件的孔和平面加工，包括钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、车端面、加工内外螺纹和铣平面等，是用来加工指定的一种或几种特定工序，因而主要适用于大批量生产，如果是采用了转塔动力箱或可换主轴箱的组合机床。

可适用于中等批量生产。

4.数控机床

数控（NC）机床是一种用数字信号控制其动作的新型自动化机床。

它按指定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工。

现代数控机床常采用计算机进行控制，被称为CNC，加工工件的源程序（包括机床的各种操作、工艺参数和尺寸控制等）可直接输入到具有编程功能的计算机内，由计算机自动编程，并控制机床运行。

当加工对象改变时，除了重新装夹零件和更换刀具外，只需更换数控程序，即可自动地加工出新零件。

数控机床主要适用于加工单件、中小批量、形状复杂的零件，也可用于大批量生产，能提高生产率，减轻劳动强度，迅速适应产品改型。

在某些情况下，具有较高的加工精度，并能保证精度的一致性，可用来组成柔性制造系统或柔性自动线。

5.加工中心

数控加工中心（MC）是带有刀库和自动换刀装置的多工序数控机床，工件经一次装夹后，能对两个以上的表面自动完成铣、镗、钻、铰等多种工序的加工，并且有多种换刀或选刀功能，使工序高度集中，显著减少原先需多台机床顺序加工带来的工件装夹、调整机床间工件运送和工件等待时间，避免多次装夹带来的加工误差，使生产率和自动化程度大大提高。

根据功能可将其分为镗铣加工中心、车削加工中心、磨削加工中心、冲压加工中心以及能自动更新多轴箱的多轴加工中心等。

加工中心适用于加工复杂、工序多、要求较高、需各种类型的普通机床和众多刀具夹具、需经过多次装夹和调整才能完成加工的零件，或者是形状虽简单，但可以成组安装在托盘上，进行多品种混流加工的零件，可适用于中小批量生产，也可用于大批量生产，具有很高的柔性，是组成柔性制造系统的主要加工设备。

6.柔性制造单元

柔性制造单元（FMC）一般由1~3台数控机床和物料传输装置组成。

单元内设有刀具库、工件储存站和单元控制系统。

机床可自动装卸工件、更换刀具、检测工件的加工精度和刀具的磨损情况，可进行有限工序的连续加工，适于中小批量生产应用。

7.加工自动线

加工自动线是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，可自动完成产品的全部或部分加工过程的生产系统，简称自动线。

在自动线工作过程中，工件以一定的生产节拍，按工艺顺序自动经过各个工位，完成预定的工艺过程。

按使用的工艺设备分，自动线可分为通用机床自动线、专用机床自动线、组合机床自动线等类型。

采用自动线生产可以保证产品质量，减轻工人劳动强度，获得较高的生产率。

其加工工件通常是固定不变的或变化很小，因此只适用于大批量生产场合。

2.1.3自动化加工设备的选择与布局

1.自动化加工设备的选择

自动化加工设备的选择首先应根据产品批量的大小以及产品变型品种数量的大小确定加工系统的结构形式。

对于中小批量生产的产品，可选用加工单元形式或可换多轴箱形式；对于大批量生产，可以选用自动生产线形式。

在拟订了加工工艺流程之后，可根据加工任务（如工件图样要求及对生产能力的要求）来确定自动机床的类型、尺寸、数量。

对于大批量生产的产品，可根据加工要求，为每个工序设计专用机床或组合机床。

对于多品种中小批量生产，可根据加工零件的尺寸范围、工艺性、加工精度及材料等要求，选择适当的专用机床、数控机床或加工中心；根据生产要求（如加工时间及工具要求，批量和生产率的要求）来确定设备的自动化程度，如自动换刀、自动换工件及数控设备的自动化程度；根据生产周期（如加工顺序及传送路线），选择物料流自动化系统形式（运输系统及自动仓库系统等）。

2.自动化加工设备的布局

自动化加工设备的布局形式是指组成自动化加工系统的机床、辅助装置以及联接这些设备的工件传送系统中，各种装置的平面和空间布置形式。

它是由工件加工工艺、车间的自然条件、工件的输送方式和生产纲领所决定的。

自动线的布局形式有多种。

如图2.1所示。

1）旋转体加工自动线的布局形式

（1）贯穿式。

工件传送系统设置在机床之间，特点是上下料及传送装置结构简单，装卸料工件辅助时间短，布局紧凑，占地面积小，但影响工人通过，料道短，贮料有限，如图2.2所示。

（2）架空式。

工件传送系统设置在机床的上空，输送机械手悬挂在机床上空的架上，见图2.3。

机床布局呈横向或纵向排列，工件传送系统完成机床间的工件传送及上下料。

这种布局结构简单，适于生产节拍较长且各工序工作循环时间较均衡的轴类零件。

（3）侧置式。

如图2.4所示，工件传送系统设置在机床外侧，机床呈纵向排列，传送装置设在机床的前方，安装在地上。

为了便于调整操作机床，可将输送装置截断。

输送料道还同时具有贮料作用。

这种布局的自动线有串联和并联两种方式。

2）箱体、杂类工件自动线的布局形式

（1）直线通过式和折线通过式。

图2.5所示为直线通过式自动线。

步伐式输送带按一定节拍将工件依次送到各台机床上加工，工件每次输送一个步矩。

工人在自动化生产线起端上料，末端卸料。

对于工位数多、规模大的自动线，直线布置受到车间长度限制，因而布置成折线式。

（2）框型。

框型是折线式的封闭形式。

框式布局更适用于输送随行夹具及尺寸较大和较重的工件自动化生产线，且可以节省随行夹具的返回装置，见图2.6所示。

（3）环型。

环型自动化生产线工件的输送轨道是回环形，多为中央带立柱的环型线。

它不需要高精度的回转工作台，工件输送精度只需满足工件的初定位要求。

环型自动线可以直接输送工件，也可借助随行夹具。

对于直接输送工件的环型线，装卸料可集中在一个工位。

对于随行夹具输送工件的环型线，不需要随行夹具返回装置。

（4）非通过式。

非通过式布局的自动化生产线，工件输送不通过夹具，而是从夹具的一个方向送进和拉出，使每个工位可能增加一个加工面，也可增设镗模支架。

非通过式自动化生产线适于由单机改装联成的自动化生产线，或工件不宜直接输送而必须吊装，以及工件各个加工表面需在一个工位加工的自动化生产线。

2．柔性制造系统的布局

柔性制造系统的总体布局可以概括为以下几种布置原则，如图2.7所示。

1）随机布置原则。

见图2.7（a），这种布局方法是将若干机床随机地排列在一个长方形的车间内。

它的缺点是很明显的，只要多于三台机床，运输路线就会非常复杂。

2）功能原则（或叫工艺原则。

见图2.7（b），这种布局方法是根据加工设备的功能，分门别类地将同类设备组织到一起，如车削设备、镗铣设备、磨削设备等。

这样，工件的流动方向是从车间的一头流向另一头。

这种布局方法的零件运输路线也比较复杂，因为工作的加工路线并不一定总是按车、铣、磨这样的顺序流动。

3）模块式布置原则。

见图2.7（c），这种布局方式的车间是由若干功能类似的独立模块组成。

这种布局方式看来好像增加了生产能力的冗余度，但在应酬紧急任务和意外事件方面有明显的优点。

4）加工单元布置原则。

见图2.7（d），采用这种布局方式的车间，每一个加工单元都能完成相应的一类产品。

这种构思的产生是建立在成组技术思想基础上的。

5）根据加工阶段划分原则。

见图2.7（e），将车间分为准备加工阶段、机械加工阶段和特种加工阶段。

2.2自动化加工设备的特殊要求及实现方法

2.2.1高生产率

自动化生产的主要目的是提高劳动生产率和机器生产率，这是机械制造自动化系统高效率运行必须解决的基本问题。

在工艺过程实现自动化时，采用的自动化措施都必须符合不断提高生产率的要求。

工作行程时间（

）和辅助时间（

）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，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。

另一方面是，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。

2.2.2加工精度的高度一致性

产品质量的好坏，是评价产品本身和自动加工系统是否具有使用价值的重要标准。

保证产品加工精度，防止工件发生成批报废，是自动化加工设备工作的前提。

2.2.3自动化加工设备的高度可靠性

产品的质量和加工成本以及设备的生产率取决于机械加工设备的工作可靠性。

设备的实际生产率随着其工作可靠性的提高而接近于设计设定理论值，且充分地发挥了设备的工作能力。

2.2.4自动化加工设备的柔性

由于产品需求日益多样化，更新换代加快，产品寿命周期缩短，多品种批量（尤其是中小批量）生产已是机械制造业生产形态的主流。

因此，对自动化加工设备的柔性要求也越来越高。

柔性主要表现在加工对象的灵活多变性，即可以很容易地在一定范围内从一种零件的加工更换为另一种零件的加工的功能。

柔性自动化加工是通过软件来控制机床进行加工，更换另一种零件时，只需改变有关软件和少量工夹具（有时甚至不必更换工夹具），一般不需对机床、设备进行人工调整，就可以实现对另一种零件的加工，进行批量生产或同时对多个品种零件进行混流生产。

这将显著地缩短多品种生产中设备调整和生产准备时间。

对用于中小批量生产的自动化加工系统，应考虑使其具有以下一些机能。

1.自动变换加工程序的机能。

对于自动化加工设备，可以设置一台或一组电子计算机，或用可编程控制器，作为它的生产控制及管理系统，就可以使系统具备按不同产品生产的需要，在不停机的情况下，方便迅速地自动变更各种设备工作程序的机能，减少系统的重调整时间。

2.自动完成多种产品或零件族加工的机能。

在加工系统中所设置的工件和随行夹具的运输系统以及加工系统都具有相当大的通用性和较高的自动化程度，使整个系统具备在成组技术基础上自动完成多个产品或零件族的加工的机能。

3.对加工顺序及生产节拍随机应变的机能。

具有高度柔性的加工系统，应具有对各种产品零件加工的流程顺序以及生产节拍随机变换的机能，即整个系统具有能同时按不同加工顺序以不同的运送路线，按不同的生产节拍加工不同产品的机能。

4.高效率的自动化加工及自动换刀机能。

采用带刀库及自动换刀装置的数控机床，能使系统具有高效率的自动加工及自动换刀机能，减少机床的切削时间和换刀时间，使系统具有高的生产率。

5.自动监控及故障诊断机能。

为了减少加工设备的停机时间和检验时间，保证设备有良好的工作可靠性和加工质量，可以设置生产过程的自动检验、监控和故障诊断装置，从而提高设备的工作可靠性，减少停机及废品损失。

并不是所有设备都要求达到以上机能，可以根据具体生产要求和实际情况，对设备提出不同规模和功能的柔性要求，并采取相应的实施措施。

另一方面，对于用于少品种大批量生产的刚性加工系统，也应考虑增加一些柔性环节。

例如，在组成刚性自动线的设备中也可以使用具有柔性的数控加工单元，或者使用主轴箱可更换式数控机床，以增加对产品变换的适应性和加工的柔性。

在由刚性输送装置组成的工件运输系统中可以设置中间储料仓库，增加自动线间联接的柔性，避免由于某一单元的故障造成整个系统的停机时间损失。