自动化制造系统—加工设备自动化概要

加工设备自动化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。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：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。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gt三、自动化加工设备的生产率分析与分类结论：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：(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（TransferLine——TL）(4)一般数控机床(5)加工中心（MC）(6)柔性制造单元（FMC）第二节数控机床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——NumericalControl数控CNC——ComputerizedNumericalControl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。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）系统小型化二、数控机床的工作过程速度检测位置检测检测反馈装置辅助控制装置伺服系统数控装置输入装置程序编制加工图纸进给运动辅助运动机床本体加工零件主运动1.加工程序控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体，控制介质有多种形式，常用的有穿孔纸带、磁带、磁盘等。N020M0N030M3M8N040G0X-80Y-80N050G1Z-59F1002.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。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MJ-860DT数控车床的结构外观图123456781—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四数控机床的分类按运动轨迹分类1、点位控制2、直线控制3、轮廓控制返回按加工方式分类数控车床数控铣床返回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按控制方式分类按功能水平分类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。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。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。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。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。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。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。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、通用机床自动线串联单纵列串联双纵列串联单横排串联双横排并联纵列机床工件输送系统顺序分料示意图机床工件输送系统并联机床段并联机床段按需分料示意图机床下料机械手上料机械手分路机构料道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、通用机床自动线典型组合机床自动线简介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：①数控机床、专用机床及组合机床；②托板（工件）输送系统；③控制系统。三、柔性自动线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。柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)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。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(AutomaticPalletChangerAPC)，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