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第二章加工设备自动化 加工设备自动化的要求 高效 精密 工序集中和具有一定的柔性高效就是生产率要达到一定高的水平 精密即加工精度要求成品公差带的分散度小 成品达到完全互装配 便于实现 准时方式 的生产 可靠就是其设备已能达到极少故障 工序集中就是一台设备实现多道工序 柔性即可实现多品种零件加工 第一节加工设备自动化概述 一 加工设备自动化的意义提高生产效率 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 单台加工设备自动化能满足零件加工过程自动化的需要 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 是机械制造业向前发展的基础 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 自动化加工设备的生产率分析与分类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 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 2 1 2 2 为进一步分析减少和之间的相互关系 将式 2 2 变换一下形式 式中K 理想的工艺生产率 2 3 图2 1生产率曲线 1 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 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 2 分类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 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 车铣钻组合机床 单轴五刀精密凸轮自动机床 组合机床自动线1 组合机床自动线2 数控车床 五轴加工中心 立式加工中心 柔性制造单元 柔性制造系统 柔性制造系统中的托盘仓和搬运小车 切削加工是使用切削工具 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 影响切削加工生产率的相关因素 刀具 设备及工艺参数 第二节切削加工自动化 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 其车削加工设备称之为车床 是所有机械加工设备中使用最早 应用最广和数量最多的设备 车削加工自动化 包括多个单元动作的自动化和工作循环的自动化 发展方向 单轴自动车床 数控车床 车削中心和车削柔性单元等 1 单轴自动车床单轴自动车床能按一定程序自动完成工作循环 主要用于棒料 盘料加工 一般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 主要类型 单轴纵切自动车床 主轴箱固定型单轴自动车床 单轴转塔自动车床单轴横切自动车床等几种类型 图2 2NG 1014B型单轴纵切自动车床传动系统图1 1号纵向进给凸轮2 接料臂进给凸轮3 1 2号进给凸轮4 1 4号进给凸轮5 夹紧松开夹紧凸轮6 3号进给凸轮7 铣槽用凸轮8 挡料臂摆动凸轮9 螺纹附件进给凸轮 2 数控车床数控车床的主要特点如下 数控车床的主轴转速和进给速度高 数控车床具有高精度 数控车床能实现多种工序复合的全部加工 数控车床具有高柔性 数控车床的类型 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 数控车床的主要动作自动化结构 1 刀架系统转塔刀架排刀架 图2 4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 数控车床的主要动作自动化结构 1 刀架系统转塔刀架排刀架 图2 5排刀架结构 数控车床的主要动作自动化结构 2 数控车床机内测量装置 工件机内测量 刀具机内测量 图2 6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 图2 8刀具机内测量刀尖分别触及测头的X面和Z面 图2 7工件外径及内径的机内测量 3 车削中心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 主轴具有按轮廓成形要求连续回转 不等速回转 运动主轴具有连续精确分度的C轴功能 并能与X轴或Z轴联动车削中心除具有数控车床的特点 还发展出车磨中心 车铣中心等多工序复合加工的机床 有的还可以完成数控激光加工 当车削中心的主轴具有C轴功能时 主轴便能够进行分度 定向 配合转塔刀架的动力刀座 则几乎所有的加工都可在一次装夹中完成 图2 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 双转台式五轴加工中心结构示意图 1 主轴定向机构和C轴C轴能控制主轴连续分度 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 当在工件规定部位上铣槽 钻孔或要求主轴定向停止时 车削中心必须具有主轴定向停止或C轴功能 即通过位置控制使主轴在不同角度上定位 主轴粗分度由主轴电动机分度转动完成 位置编码器装在与主轴相关的位置 最终定位依靠主轴后端的齿式分度盘和插销来完成C轴分度定位后 定位后要有夹紧机构 以防止主轴转位 2 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 缩短加工周期 提高工件精度 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 并列双主轴立式车削中心 图2 11并列双主轴车削中心1 2 主要主轴3 6 转塔刀架4 5 辅助主轴 图2 10对置同轴线双主轴车削中心a 主轴移动式b 主轴固定式1 左主轴2 左转塔刀架3 右转塔刀架4 右主轴 德国DMG带12位刀架转塔的双主轴车削中心 日本宫野BNJ系列双刀架双主轴车削中心 二 钻铣削加工自动化1 钻削自动化钻削自动化的实现 普通钻床配备点位数控系统 其定位精度为 0 02 0 1mm 数控钻床结构形式 有立式 卧式 专门化以及钻削加工中心几种 钻削加工中心的工艺 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 运动机构 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 还具有自动换刀装置 钻铣削加工中心 a b 2 铣削自动化铣削 通过回转多刃刀具对工件进行切削加工应用 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 加工对象 平面 沟槽 轮齿 螺纹 花键轴等外 还可加工比较复杂的型面 MIKRON高速铣削加工中心 DMG高速加工中心 三 组合机床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 特点 工序集中 生产率高 自动化程序较高 造价相对较低 专用性强 改装不方便 自动化实现 通过数控技术需求 一种是工艺的需要 另一种是在多工序加工或多品种加工时 为提高生产率而采用数控 结构 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 四 加工中心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 能自动完成多工序集中加工例如车削中心 滚齿中心 磨削中心 铣镗加工中心等 1 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 立式 卧式 五面 龙门等四种其适用范围见表2 2 表2 2加工中心类型及适用范围 立式加工中心 五面加工中心 龙门式铣镗加工中心 卧式铣镗加工中心 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 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 加工中心刀具库 自动换刀机构 回转工作台 对刀装置 图2 14触发式测头测量系统原理图1 测杆端球2 触发式测头3 红外辐射信号4 接收器 图2 15刀具长度测量系统示意图1 光源2 接收器3 立柱4 主轴上刀具 4 回转工作台回转工作台 数控工作台 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 回转工作台结构形式 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 用于进给运动的回转工作台用伺服电机驱动 用回转式感应同步器检测及定位 并控制回转速度 第三节金属板材成形加工自动化 塑性成形是材料加工的主要方法之一 利用金属材料延展性 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 特点 高产 优质 低耗发展方向 数字化 自动化 专业化 规模化 信息化 主要分类 冲压 锻压两大类 一 冲压加工简介冲压是一种金属塑性加工方法 其坯料主要是板材 带材 管材及其他型材 利用冲压设备通过模具的作用 使之获得所需要的零件形状和尺寸 冲压件的重量轻 厚度薄 刚度好 质量稳定 应用行业 汽车 机械 家用电器 电机 仪表 航空航天 兵器工业等 冲压设备 主要有机械压力机和液压机 其自动化水平直接影响冲压工艺的稳定实施 对保证产品质量 提高生产效率和确保操作者人身安全 具有十分重要作用 冲压工艺分类 分离工序和成形工序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 分离工序又包含切断 落料 冲孔 切口 切边和剖切等 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 成形工序又分为弯曲 拉深 成形等三大类 双曲轴精密冲床 高速冲床 高效数控全自动冲压生产线 液压机生产线 二 冲压自动化实现的一般原则实现冲压自动化可以根据产品结构 生产条件 加工方式等情况采取不同的方式 一般有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 选择时应考虑下列因素 1 安全生产 2 冲压件批量 3 冲压件结构 4 冲压工艺方案 5 材料规格 6 压力机型式 冲压自动化实现的一般途径冲压件品种单一时 用自动冲模实现冲压自动化较为适宜 品种较多时 在通用自动压力机上用普通冲模自动化生产比较合理 批量很大时 要考虑以专用自动压力机代替通用压力机的可能性 大型冲压件的自动化生产 往往以自动线的形式出现 三 冲压设备的自动化装置供料装置送料装置出料装置废料处理装置接件装置自动保护装置 供料装置供料装置主要是为送料装置做准备工作 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 送料装置为冲压做原材料的自动送进 常用的送料装置有辊式和夹持式两种 辊式又有单边辊式和双边辊式送料两种型式 应用较广泛 夹持式送料易实现进给的微调 材料厚度变化及材料表面状况对送料的影响小 材料送进时的张力较大 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 即将废料切断或是将卷料重新卷绕 废料切断多数利用设在模具上的切刀进行 压力机每一行程将废料切断一次 即废料长度等于一个进给步距 接件装置主要是令由冲压模具中打出 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 接件通过接件器在连杆 摇板 缩放 滑道 回转等机构与压力机滑块的联动作用下实现 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 在原材料使用不符合要求 冲压进给状态异常 出件非正常逸出等情况下发出信号 使压力机迅速停机 通过有接触点和无触点式两种传感方式进行 前者主要通过机械方式使电触头动作 后者通过电磁感应 光电或 射线等取得信号 四 自动冲模具有自动进给 自动出件等功能的冲模称为自动冲模 一般在普通压力机上使用 按照进给对象 自动冲模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 前者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 后者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2 16夹持式自动送料冲模1 支架2 斜契3 滚轮4 螺杆5 6 送料夹持器7 导板8 滚柱9 定料夹持器10 下座板11 弹簧 图2 17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 五 先进冲压自动化技术大型冲压设备的两大发展趋势 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 具有占用资金少 通用性好 适用于多车型小批量生产的特点 满足了生产中高档轿车需要的高质量冲压件的要求二是采用大型多工位压力机 分类 1 机电一体化全自动压力机技术2 单机联线自动化冲压生产线3 大型多工位压力机 关键技术 全自动换模系统重载负荷液压润滑技术触摸屏技术高速高精度行程单元 1 机电一体化全自动压力机技术 汽车覆盖件自动化冲压生产工艺技术之一 2 单机连线自动化冲压生产线 汽车覆盖件冲压成形组成 拆垛机 大型压力机 3坐标工件传送系统和码垛工位特点 高效化 优质化 自动化 智能化 柔性化 3 大型多工位压力机 齐二机床厂数控多工位压力机 上海舒勒压力机 齐二机床厂5000吨多工位压力机 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 自动线的优点与特点 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 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 初始投资较多 适用于大批量的生产场合 第四节机械加工自动线 切削加工自动线组成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 表2 4切削加工自动线的组成 切削加工自动线分类由于工件类型 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 切削加工自动线可以按多种方法分类 通用机床自动线组合机床自动线柔性自动线 一 通用机床自动线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 1 对自动线机床的要求稳定可靠 较好的排屑与除屑装置 较好的刀具使用寿命 稳定可靠的工作循环 较大流量的切削液系统 可靠的电气控制系统可靠地自动保护系统 图2 19自动线机床排列图 2 通用机床自动线的连线方法 图2 20顺序分料示意图1 机床2 工件输送系统 图2 21按需分料示意图1 机床2 下料机械手3 上料机械手4 分路机构5 料道 二 组合机床自动线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 1 组合机床自动线的分类及工件输送形式2 组合机床自动线的布局 1 组合机床自动线的分类及工件输