第七章--机械加工生产线总体设计(机械制造装备设计-第四版)

机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 机械制造装备设计 (国家精品课程 ) 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 目 录 第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第七章 机械加工生产线总体设计 第五章 机床夹具设计 第四章 工业机器人设计 第六章 物流系统设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 第七章 机械加工生产线总体设计 第一节 概述 第二节 生产线工艺方案设计 第三节 生产线专用机床的总体设计 第四节 机械加工生产线的总体布局设计 第五节 柔性制造系统 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 概述 一、机械加工生产线及其基本组成 二、机械加工生产线的类型 三、机械加工生产线总体设计应考虑的主要因素 四、机械加工生产线总体设计的内容及步骤 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 械加工生产线基本组成 机械加工生产线： 以机床为主要设备，配以相应的输送装置与辅助装置，按工件的加工工艺顺序排列而成的生产作业线 机械加工生产线由 加工装备、工艺装 备、传送装备、辅 助装备和控制系统 组成。 图 1 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 机械加工生产线的类型 机械加工生产线的结构及复杂程度主要取决于工件的 生产类型和工件的加工要求 。 机械加工生产线的类型 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 械加工生产线总体设计应考虑的主要因素 （一）工件的几何形状，总体特征、材质、毛 坯状况及工艺要求 （二）生产纲领 （三）使用条件 （四）装备制造厂的制造能力 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 机械加工生产线总体设计的内容及步骤 （一）生产线工艺方案的制订 （二）全线自动化方案的拟订 （三）生产线通用装备的选型和提出专用机床的设 计任务书 （四）生产线物流传送装备的选型和提出专用物流 传送装备的设计任务书 （五）生产线辅助装备的选型和提出专用辅助设备 的设计任务书 （六）生产线总体布局设计，绘制生产线的总联系 尺寸图 （七）绘制生产线周期表 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案设计 一、生产线工艺方案的制订 二、生产节拍的平衡和生产线的分段 三、机床设备的选型 四、生产线的技术经济性能评价 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （一）分析被加工工件的要求以及生产线建设的现场 条件 毛坯、工艺、发展、空间、动力（电、气、油 ）、经验 （二）生产类型的确定（工业企业生产专业化的分类） 生产类型分为大量生产、成批生产和单件生产。 其中成批生产又分为大批量生产、中批量生产和 小批量生产。 取决于产品的年生产纲领、加工周期。 （三）确定毛坯类型 经技术经济分析确定 铸件、锻件、型材 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （四）工件传送方式的确定 首先确定工件在生产线上是采取直接传 送还是随行夹具传送。 工件有足够大的支承面、两侧的导向面 和供传送带棘爪用的推拉面采用直接传 送的方式，否则需要采用随行夹具传送 ，甚至于加辅助支承。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （五）工件定位基面选择 （ 1）尽量采用统一的定位基面，以利于保证加工 精度，简化生产线的结构； （ 2）第一道工序的定位基面选最重要的平面，再 加工 余量均匀； （ 3）一面两销定位时，圆柱销常放在工件移动方 向前端； （ 4）为防止定位销孔磨损严重造成误差，可采用 两套定位孔或采用较深定位孔； （ 5）采用两个垂直面及一个定位销定位时，定位 销应为菱形。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （六）工件传送基面的选择 （ 1）箱体类工件传送基面的选择 直接传送和间接传送两种 （ 2）回转体类工件传送基面的选择 （ 3）盘、环类工件和外形不规则工件传送 基面的选择 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （七）确定各表面的加工工艺 取决于工件材料、各加工面的尺寸、加工精度和表 面粗糙度要求、加工部位的结构特征、生产类型等。 （ 1）大平面加工：精度 /表面粗糙度 铣、粗铣 精铣、粗铣 半精铣 精铣 （ 2）孔加工：实体加工：钻 扩 铰 毛坯有预孔（ D 16 30） 铰 尺寸精度高，位置精度、直线度校正低； 精镗 位置精度、直线度高。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （七）确定各表面的加工工艺 （ 3）深孔加工： 难点 排泻、刀具冷却、轴线易歪斜。 定期推出 /阶梯孔 /中空钻头 /工件回转 / 断屑槽 （ 4）螺纹加工： 普通：钻底孔 倒角 攻螺纹 高精度：钻孔 扩至底孔直径 倒角 攻螺纹 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （八）选择合理的切削用量 （ 1)生产线刀具寿命的选择原则 较多考虑的原则是换刀不占用或少占用上班时间。 （ 2）加工时间长、影响生产线生产节拍的工序，尽量 采用较大的切削用量，以缩短加工时间。 （ 3）注意刀具的转速，确定合理的切削速度和进给量 ，使刀具具有大致相同的寿命。 （ 4）考虑刀具各部分强度、寿命及其工作要求。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （九）划分加工阶段 粗加工 半精加工 精加工 好处 ：（ 1） 减少热变性，内应力变性的影响； （ 2）避免粗加工振动对精加工影响； （ 3）精加工设备精度保持有利。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （十）确定工序集中和分散程度 （ 1）切削用量、夹紧力、夹具结构、润滑要求差别 较大的工序，不宜集中完成； （ 2）相互间位置精度要求高的表面的精加工易集中 完成； （ 3）要注意工件的刚性； （ 4）要合理安排粗、精加工工序； （ 5）要保证机床调整，使用方便，工作可靠。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线工艺方案的制订 （十一）安排工序顺序（原则） （ 1）粗精加工分开，重要表面，要拉远； （ 2）易出废品的粗加工工序，应放在最前面或放在线外； （ 3）精度高、不易稳定达到要求的表面，放在线外加工； （ 4）尽可能减少机床台数； （ 5）位置精度要求高的表面尽可能在一个工位上加工； （ 6）同轴度、平行度要求高的孔系，精加工从同侧进行； （ 7）减少转位装置； （ 8）易断刀具工序放在精加工之前； （ 9）通常攻丝工序放在最后。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产节拍的平衡和生产线的分段 （一）生产节拍的平衡 实现节拍平衡采取的措施 : （ 1）采用新的工艺方法，提高工序节拍； （ 2）增加顺序加工工位； （ 3）实现多件并行加工，提高单件的工序节拍。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产节拍的平衡和生产线的分段 （二）生产线的分段 生产线属于以下情况往往需要分段： （ 1）进行转位和翻转时，分段独立传送； （ 2）为平衡生产线的生产节拍，对限制性工序采用 “ 增加同时加工的工位数 ” 时，单独组成工段； （ 3）当生产线的工位数多时，一般要分段 ; （ 4）当工件加工精度要求较高时，减少工件热变形 和内应力对后续工序的影响。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 机床设备的选型 所选机床设备，应与工件外形尺寸、质量、精度要求和生产类型相适应。 取决于技术经济论证。 通常： 大量生产条件下 组合机床； 生产批量不大而品种繁多 选柔性加工机床。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线的技术经济性能评价 生产线的工作可靠性、生产率和经济效益 是设计和建造生产线时首先应该考虑和要 协调解决的问题，也是评价生产线优劣的 主要指标。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线的技术经济性能评价 （一）生产线的工作可靠性：在给定的生产纲领所决定 的规模下，在生产线规定的全部使用期限内，连 续生产合格产品的工作能力。 提高可靠性和效率的措施： （ 1）提高寻找故障和排除故障的速度。 （ 2）重要工位并联排列，易出故障的器件并联连 接。 （ 3）加强管理，克服生产线停机时间。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线的技术经济性能评价 （二）生产线的生产率 （ 1）生产线生产率的分析 生产线在正常运行并处于连续加工时，生产 一个工件的工作循环时间就是生产节拍。 由生产线工作循环时间所决定的生产率称为 生产线的循环生产率。 停顿原因：调整和更换刀具或工具；生产线 组成的器件、设备、装置和仪器仪表等的故 障；组织管理不善；生产出的工件不符合技 术要求；多品种生产线上，更换加工对象的 调整。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线的技术经济性能评价 （二）生产线的生产率 （ 2）生产线生产率和可靠性的关系 随机性 取决于生产线的工作循环周期，故障强度， 发现和排除故障的持续时间。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线的技术经济性能评价 （三）生产线的经济效益分析 经济效益的分析和比较的基本原则是将几个不同 技术方案的有关经济指标加以比较。 一般进行比较性的计算： （ 1）产品年生产成本比较法 （ 2）产品单件成本比较法 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （一）被加工零件工序图 1）被加工零件的形状和轮廓尺寸及与本机床设计有关的部位的结构形状及尺寸 。尤其是当需要设置中间导向套时，应表示出零件内部的肋、壁布置及有关结构的形状及尺寸。以便检查工件、夹具、刀具是否发生干涉。 2）加工用定位基准、夹压部位及夹压方向 。以便依此进行夹具的定位支承（包括辅助定位支承）、限位、夹紧、导向系统的设计。 3）本道工序加工部位的 尺寸、精度、表面粗糙度、形状位置尺寸精度及技术要求 ，还包括本道工序对前道工序提出的要求（主要指定位基准）。 4） 必要的文字说明 组合机床总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 被加工零件工序图示例 汽车变速箱体，加工表面包括两个端面以及端面上所有孔；定位采用底面和底面上的两个定位销孔。 组合机床总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （二）加工示意图 加工示意图的作用 加工示意图是根据生产率要求和工序图要求而拟定的机床工艺方案，是刀具、辅具的示意图，是刀具、辅具、夹具、电气、液压、主轴箱等部件设计的重要依据。 加工示意图表示的内容 （ 1）加工部位结构尺寸、精度及分布情况； （ 2）刀具、刀杆及其与主轴的连接结构； （ 3）导向结构以及大镗杆的托架结构； （ 4）各类结构的联系尺寸、配合尺寸及必要的配合精度； （ 5）切削用量； （ 6）工作循环及工作行程； 组合机床总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 主轴、刀杆的结构 多轴箱的主轴结构：钻头、接杆和主轴 组合机床总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 加工示意图的绘制方法 （ 1）按比例绘制工件的外形及加工部位的展开图。 （ 2）根据工件加工要求及选定的加工方法确定刀具、导向套或托架的形式、位置及尺寸，选择主轴和刀杆。 （ 3）同一工位、统一加工面，加工相同结构、尺寸和精度加工表面的主轴结构是相同的，画一根即可。 （ 4）对一些标准的通用结构，可以不剖视。 （ 5)标注必要的尺寸。 （ 6）确定动力部件的工作循环。 （ 7）工作形成长度的确定。 （ 8）最后在加工示意图上标注必要的说明。 组合机床总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 加工示意图 工作行程长度 组合机床总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （三）机床总联系尺寸图 机床总联系尺寸图的作用 表明了机床的形式和布局，规定各部件的轮廓尺寸及相互间的装配关系和运动关系，是开展各部件设计的依据。 机床总联系尺寸图表示的内容 （ 1）机床的配置形式和总布局 （ 2）通用部件的型号和规格 （ 3）主要专用部件的轮廓尺寸 （ 4）工件几个部件的主要联系尺寸及运动尺寸 （ 5）电动机功率 组合机床总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 总联系尺寸图的绘制方法与步骤 （ 1）纵向和高度方向尺寸基准线的确定。垂直平分线作为纵向基准线 件上被加工的最低孔中心线作为高度方向基准线 2）纵向尺寸的确定 （ 3）确定高度方向尺寸 （ 4）画左视图 （ 5）表示运动部件的终点和原始状态以及运动过程中的情况 （ 6）标注 （ 7）各运动部件的工作循环图 组合机床总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 （四）机床生产率计算卡 组合机床总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 机械加工生产线的总体布局设计 一、生产线的工件传送装备 二、生产线总体布局设计 三、生产线总体联系尺寸图 四、机械加工生产线其它装备的选择与配置 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线的工件传送装置 机械加工生产线总体布局是指组成生产线的机床、辅助装备以及联结这些装备的工件传送装备的布置形式和联接方式。 工件传送装备是将被加工工件从一个工位传送到下一个工位。生产线的总体布局和结构形式往往取决于工件的输送方式。 （一）工件传送装备应满足的基本要求 （ 1）结构简单、工作可靠、便于布置 （ 2）传输速度高 （ 3）工作精度要满足定位要求 （ 4）保持工件预定的方位 （ 5）与生产线的总体布局和结构型式响适应 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线的工件传送装置 （二）常用工件传送装备的类型、特点及应用范围 （ 1）送料槽和送料道：工件自重传送和强制传送。 （ 2）步伐式传送装备：可以采用机械、气压或液压 驱动，常见的有棘爪步伐式、回转步伐式及抬起步 伐式。 （ 3）转位装备：要求转位时间短，转位精度高，工 件送入转位装置和从转位装置送出的方位应分别与 上、下工段工件的传送方位一致。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线总体布局形式 （一）直接传送方式 直线通过式、折线通过式、并联支线形、框形、非通过式 （二）带随行夹具方式 将工件安装在随行夹具上，传送线将随行夹具依次传送到各工位。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线总体布局形式 （三）悬挂传送方式 主要适用外形复杂及没有合适传送基准的工件及轴类零件，且只是尺寸较小、形状复杂的工件。 （四）生产线的连接方式 （ 1）刚性联接：传送装置将生产线联结成一个整体，用同一节奏把工件从一个工位传到另一个工位。 （ 2）柔性联接：没有储料装置的生产线。 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 生产线总体联系尺寸图 需要确定的尺寸： （ 1）机床间距（ 2）传送步距 3）装料高度的确定（ 4）转位台联系尺寸的确定用来改变工件的加工表面。 （ 5）传送带驱动装置联系尺寸（ 6）生产线内各装备之间距离尺寸的确定 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 机械加工生产线其它装备的选择与配置 （ 1）传送带驱动装置的布置 （ 2）小螺纹孔加工检查装置 （ 3）精加工工序的自动检测装置 （ 4）装卸工位控制机构 （ 5）毛坯检查装置 （ 6）液压站、电器柜及管路布置 （ 7）桥梯、操纵台和工具台的布置 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 柔性制造系统 以网络为基础、面向车间的开放式集成制造系统。它能够根据制造任务和生产环境的变化迅速做出调整，适用于多品种、中小批量生产。 柔性 ，是指制造 系统对系统内部及外部环境的一种适应能力 ，也是指制造系统能够适应产品变化的能力。 5 95 调整 、 装夹 、 对刀 、 检测等 切削 30 70 加工时间 运输与等待时间 制造周期 加工时间 多品种、中小批量生产的时间分配 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 典型的 加工子系统、物流子系统、控制子系统 自动仓库 工厂计算机 中央计算机 物流控制计算机 运输小车 加工单元 1 加工单元 2 加工单元 n 信 息 传 输 网 络 工夹具站 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 典型的 加工子系统、物流子系统、控制子系统 自动仓库 工厂计算机 中央计算机 物流控制计算机 运输小车 加工单元 1 加工单元 2 加工单元 n 信 息 传 输 网 络 工夹具站 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 柔性制造装置（ 相当于功能齐全的加工中心； 柔性制造单元（ 小型 1动更换刀具，自动上下工件； 柔性制造系统（ 控制与管理功能比 理通信要求高； 柔性制造生产线（ 数控组合机床设备，专用性强、生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用 据所含机床的数量、机床结构的不同，可将柔性制造系统分为 柔性制造装置（ 柔性加工单元（ 柔性制造系统（ 柔性生产线（ 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 典型柔性制造系统示意图 12345 6 789 10 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 典型柔性制造系统示意图 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 柔性制造系统的规划 系统的规划，首先应明确包含哪些内容、 要达到的目标 。就是要以最小的投资来实现高生产率的多品种加工和降低制造成本 柔性制造系统规划可分为四个部分，物料流、加工工位、控制系统和组织管理，其中物料流的规划占首要地位 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 柔性制造系统的规划 系统的规划方法的 基本点是对生产任务进行详细分析 ，并根据批量、工件种类和任务变动频繁程度，明确是否建立柔性制造系统 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 柔性制造系统总体设计 a)互替式 b)互补式 c)混合式 既要兼顾对生产率和柔性的要求 ， 也要考虑系统的可靠性和机床的负荷率 。 因此 ， 就产生了三种类型的 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 1、有利于提高加工精度； 2、排屑方便、便于整个车间的物流通畅和自动化、布局模块化、有利于人身安全、占地面积小、便于维修。 按照 面布局形式可以分为：随机布局、功能布局、模块布局和单元布局 按照 线型、环形、网络形等多种形式。 机械加工工位、装卸工位、检测工位、清洗工位 柔性制造系统总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 5、 工件运动方案有：无轨道式自动导引小车（ 送方式、直线轨道式自动导引小车（ 送方式、环形滚道运动方式；缆索牵引拖车运送方式；行走机器人运送方式等 通常，工件的搬运由有轨或无轨自动导引小车担任 工件在托盘上的夹具中装夹，一般由人工操作 作为毛坯和完工零件存放地点的仓库分为平面仓库和立体仓库两大类。 （ 1）工件搬运系统 （ 2）刀具搬运系统 指刀具进入或退出系统以及在系统中的运送的装置。可供选择的方案：盒式刀夹 无人自动导引小车方式；直线轨道机器人 中央刀库形式；带中间刀具架及换刀机器人的自动导引小车方式等 柔性制造系统总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 6、 7、 对工件流的监视 ：检测工件进出站的空、忙状态，自动识别在工件进出站上的工件、夹具等； 检测物流 在自动立体仓库上的存取质量。 传感器群 信号采集 预处理 特征提取 状态识别 诊断决策 预维修决策 监控检测报告 正常状态模式 预诊断知识库 预维修知识库 学习训练 匹配 状态异常 报警 预知故障 报警 输出 设备运行状态监控与检测框图 控制系统是 管理和协调 柔性制造系统总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 柔性制造系统仿真 柔性制造系统总体设计 机械制造装备设计 大连理工大学 机械工程学院 工位