《机械制造工艺与设备》图文-第11章

11.1数控机床概述及分类11.2数控机床的工作过程及工作原理11.3机械结构11.4典型数控机床11.5自动化制造系统简介目录现代数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等高新技术的产物，是典型的机电一体化产品，是完全新型的自动化机床。随着科学技术的迅速发展，机械产品性能、结构、形状和材料的不断改进，精度不断提高，生产类型由大批量生产向多品种、小批量生产转化。即要求机床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且要求加工过程实现自动化。数控机床就是在这种情况下发展起来的一种自动化机床。11.1.1数控机床概述

数字控制（numericalcontrol，简称为NC）是数字程序控制的简称，是通过特定处理后的数字信息去自动控制机械装置进行动作，这种采用数字化信息实现自动化控制的技术称为数控技术，简称为数控。数控机床是装备了数控技术系统的机床。它适于加工形状复杂、精度要求高或在普通机床难以加工的各类零件。11.1数控机床概述及分类在工业发达的国家，数控机床在工业、国防等领域的应用已相当普遍，已从开始阶段的解决单件、小批量复杂形状的零件加工，发展到为减轻劳动强度、提高劳动生产率、保论质量、降低成本等的小批量甚至大批量生产中的应用。发展数控机床是当前机械制造业技术改造的必由之路，是未来工厂自动化的基础。当今数控机床已经广泛应用于宇航、汽车、船舶、机床、轻工、纺织、电子、通用机械、工程机械等几乎所有的制造行业。11.1.2数控机床的分类1.按工艺用途将分切削加工类切削加工类数控机床包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床和加工中心。成形加工类成形加工类数控机床包括数控液压机、数控折弯机和数控冲床。电加工类电加工类数控机床包括数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光加工机床、数控火焰切割机、数控超声波加工机床和加工中心。点位控制特点是机床的运动部件只能实现从一个位置到另一个位置的精确运动，在运动过程中不进行任何加工工序，数控系统只需要控制形成的起点和终点的坐标值，而不需要控制运动部件的运动轨迹。直线控制特点是机床的运动部件不仅要实现从一个坐标位置到另一个坐标位置的精确位移和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线禁忌运动或控制两个坐标轴实现斜线进给运动。但不能加工复杂的工件轮廓。轮廓控制特点是机床的运动部件能实现两个坐标轴同时进行联动控制，它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点的坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一个点的速度和位移，即药运动轨迹。2.按控制的运动轨迹分11.2数控机床的工作过程及工作原理

11.2.1数控机床的工作过程1根据零件图给出各项内容（形状、尺寸、材料及技术要求等），编制出零件的数控加工程序。2零件的数控加工程序通过存储介质输送给数控装置，也可通过输入键盘将零件的数控加工程序直接输送给数控装置。3数控装置将所接受的信号进行处理，再将处理结果以电信号形式向伺服系统发出执行的命令。4伺服系统接到执行指令后，驱动机床进给机构严格按照指令要求运动，完成相应零件的自动加工。数控机床的工作过程

12.2.2数控机床的工作原理数控装置又是数控系统的核心，数控装置有两种类型：一是完全由硬件逻辑电路构成的专用硬件数控装置，即NC装置；二是由计算机硬件和软件构成的计算机数控装置，即CNC装置。NC装置是数控技术发展早期普遍采用的数控装置，出于NC装置本身的缺点，随着计算机技术的迅猛发展，现在NC装置已基本被CNC装置所取代。

CNC装置在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑，对输入、译码、刀具补偿、速度规划、插补运算、位置控制、I/O口处理、显示和诊断等方面进行控制。11.3机械结构

数控机床通常由存储介质、输入装置、输出装置、数控系统、伺服系统、主轴单元（含电主轴）、滚珠丝杠副和滚动导轨副、刀库和机械手、数控回转刀架和回转工作台、高速防护部件和机床床身等组成。数控机床可在一次装夹下完成大量工序，重调又方便，故适用于中、小批量生产。近年来，已开始用于汽车制造等行业的大批量生产。从单件到大批量都可充分发挥数控机床高生产率，低废品率，减少半成品储备，缩短生产周期，便于调整等优点。11.3.1总体布局数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴组件。它比普通机床的主传动系统的结构简单，这是因为其变速功能全部或大部分由主轴电动机的无极调速来承担，省去了繁杂的齿轮变速结构。数控机床要求主轴调速范围大，不但有低速、大转矩功能，而且还要有较高的速度。其主传动系统要求有较高的旋转精度和运动精度，对于主轴的静刚度、耐磨性和抗振性要求较高。此外，低温升和减小热变形也是对主传动系统要求的重要指标。11.3.2主传动系统及主轴部件一个典型数控机床闭环控制的进给系统，通常由位置比较和放大单元、驱动单元、机械传动装置及反馈元件等部分组成。这里所说的机械传动装置是将驱动源旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、转动变移动的丝杠螺母副及导向元件等。为了确保数控机床进给系统的传动精度、灵敏度和工作稳定性，对机械部分设计总的要求是消除间隙、减小摩擦、减小运动惯量、提高传动精度和刚度。11.3.3进给系统床身是机床的主体，是整个机床的基础支承件，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。其结构对机床的性能和布局有很大的影响。数控机床是高精度、高产率和高可靠性的自动化加工设备。所以其设计要求比通用机床更加严格，加工制造精密度高，并需采用加强刚性、减小热变形、提高精度的设计措施。为了满足上述要求，数控机床一般采用低摩擦的传动副；采用合理的预紧、合理的支承形式以保证传动元件的加工精度，提高传动系统的刚度；尽量消除传动间隙，减小反向死区误差，提高位移精度等。11.3.4床身

11.4.1数控车床数控车床是车削加工功能齐全的数控机床。它可以把车削、螺纹加工、钻削等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段。数控车床设有旋转刀架或旋转刀盘，在加工过程中由程序自动选用刀具和更换刀位。数控机床与普通机床一样，主要用于完成轴类或盘套类回转体零件的加工，可以自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，还可以进行切槽、钻、扩、铰孔等加工。尤其是高级数控车削中心和数控车铣中心，可在一次装夹中完成更多的加工工序，从而提高了加工质量和效率。11.4典型数控机床数控车床的组成数控车床床身导轨与水平面的相对位置如图所示。它有四种布局形式，即水平床身、水平床身斜滑板、斜床身和立床身。数控车床床身导轨与水平面的相对位置数控车床的坐标系是以主轴纵向(轴向)为z轴方向，指向主轴箱的方向为z铀的负方向，而指向尾架的方向为z轴的正方向。以主轴横向(径向)为x轴方向，刀具离开工件的方向为x轴正方向，如图所示。数控车床的坐标系如图所示为一种典型刀架结构。该刀架采用端齿盘作为分度定位元件，刀架转位由三相异步电动机驱动，电动机内部带有制动机构，刀位由二进制绝对编码器识别，并可双向转位和任意刀位就近选刀。动力刀具由交流伺服电动机驱动，通过同步齿形带、传动轴、传动齿轮、端面齿离合器将动力传递到动力刀夹上，再通过动力刀夹内部的齿轮传动，使刀具回转，实现主动切削。数控车床盘型刀架数控铣床也是机械和电子技术相结合的产物，它的机械结构随着电子控制技术在铣床上的普及应用，以及对铣床性能提出的技术要求，而逐步发展变化。

1952年，美国研制的世界第一台三坐标数控铣床，其特点是用三个数控伺服系统替代了传统的机械进给系统。早期的数控铣床同普通铣床相比，除进给系统是数控伺服系统外，外形和结构基本相同。我国现生产的经济型数控铣床．就属于这种类型，因为这些产品是在普通铣床的总体结构基础上经局部改进而发展出来的。11.4.2数控铣床1.数控铣床的结构组成数控铣床的机械结构除铣床基础部件外，由下列各部分组成：（1）主传动系统。（2）进给系统。（3）实现工件回转、定位装置和附件。（4）实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置。（5）刀架或自动换刀装置。（6）自动托盘交换装置。（7）特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置。（8）为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。XK5040A型数控铣床的外形1—底座；2—强电柜；3—变压器箱；4—垂直升降进给伺服电动机；5—主轴变速手柄和按钮板；6—床身；7—数控柜；8、11—保护开关；9—挡铁；10—操纵台；12—横向溜板；13—纵向进给伺服电动机；14—横向进给伺服电动机；15—升降台；16—纵向工作台如图所示为XK5040A型数控铣床的外形。

2.数控铣床的主传动系统及主轴部件

1）主传动系统数控铣床主传动系统是指将主轴电动机的原动力通过该传动系统变成可供切削加工用的切削力矩和切削速度。为了适应各种不同材料的加工及各种不同的加工方法，要求数控铣床的主传动系统要有较宽的转速范围及相应的输出转矩。

2）主传动系统结构特点数控铣床的主传动系统一般采用直流或交流主轴电动机，通过带传动和主轴箱的变速齿轮带动主轴旋转。主轴电动机在额定转速时输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化。3)主传动系统的分类为了适应不同的加工要求，目前主传动系统大致分为以下三类：数控铣床主传动系统的分类加工中心（machiningcenter，简称为MC）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床。它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高技术产品。它是集铣床、镗床和钻床三种机床的功能于一体，增加了自动换刀装置，由计算机来控制的高效、高自动化程度的机床。所以加工中心又称为多工序自动换刀数控机床。它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段，使工件经一次装夹后，能对两个以上的表面自动完成加工。11.4.3加工中心

1.加工中心的结构组成加工中心在机械制造领域承担精密、复杂的多任务加工，可按给定的工艺指令自动加工出所需几何形状的工件，完成大量人工直接操作普通设备所不能胜任的加工工作，尤其对于形状复杂，精度要求高的单件加工或中、小批量生产更为适用，而且还节省工装，调换工艺时能体现出相对的柔性。加工中心控制系统功能较多，机床运动至少用三个运动坐标轴，多的达十几个。其控制功能最少需要两轴联动控制，以实现刀具运动直线插补和圆弧插补，多的可进行五轴联动，以完成更复杂曲面的加工。典型的多工位加工中心加工中心的突出特征是设有刀库，刀库中存放着各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换，这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。此外，加工中心还具有各种辅助机能，这些对提高设备的加工效率，而且对产品的加工精度和加工质量都起到了保证作用。加工中心的造价较高，使用成本也较高。在正常情况下加工中心能创造高产值。但无论设备自身原因造成的意外停机还是人为原因的事故停机，都会造成较大的浪费，为使加工中心高效地生产运行，培养出一大批具有较高素质的操作人员尤为重要。可实现多轴控制的镗铣床2.加工中心的分类加工中心按使用功能和加工特征，可分为镗铣加工中心、钻削加工中心、车削加工中心和复合加工中心。1）镗铣加工中心镗铣加工中心主要用于镗削、铣削、钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹等工序，适用于箱体、壳体加工以及各种复杂零件的特殊曲线和曲面轮廓的多工序加工，适用于多品种、小批量、零件加工工序集中的生产方式。

2）钻削加工中心钻削加工中心以钻削为主，其刀库形式以转塔头形式为主，适用于中、小批量攻螺纹及连续轮廓铣削等多工序加工。

3）车削加工中心车削加工中心除用于加工轴类零件外，还可进行铣(如铣六角等)、钻(如钻横向孔)等工序。

4）复合加工中心复合加工中心主要指五面复合加工，可自动回转主轴头，进行立、卧加工。主轴自动回转后，在水平面和垂直面可实现刀具的自动交换。如图所示为五坐标联动的复合加工中心。五坐标联动的复合加工中心1—立轴主轴箱；2—卧轴主轴箱；3—刀库；4—机械手；5—工作台自动化制造是人类在长期的生产活动中不断追求的主要目标。随着科学技术的不断进步，自动化制造的水平也越来越高。广义地讲，自动化制造系统(automaticmanufacturingsystem，简称为AMS)是由一定范围的被加工对象、一定柔性和自动化水平的各种设备和高素质的人组成的一个有机整体，它接受外部信息、能源、资金、配套件和原材料等，在人和计算机控制系统的共同作用下，实现一定程度的柔性自动化制造，最后输出产品、文档资料、废料。11.5自动化制造系统简介人机一体化的自动化制造系统的概念模式信息流及其控制系统。具有一定技术水平和决策能力的人。一定范围的被加工对象。能量流及其控制系统。物料流及物料处理系统。12345自动化制造系统具有以下五个典型组成部分：自动化制造系统是在较少的人工直接或间接干预下，将原材料加工成零件或产品，并在加工过程中实现工艺过程自动化。工艺过程涉及的范围很广，它包括工件的装卸、储存和输送，刀具的装配、调整、输送和更换，工件的切削加工、排屑、清洗和测量，切屑的输送、切屑液的净化处理等。11.5.1自动化制造系统的常见类型自动化加工设备组成刚性自动线的自动化加工设备有组合机床和专用机床。它们只针对某一种或某一组零件的加工工艺而设计、制造，由于采用多面、多轴、多刀同时加工，所以自动化程度和生产率均很高。工件输送装置工件输送装置包括工件装卸工位、自动上下料装置、中间贮料装置、输送装置、随行夹具返回装置、升降装置和转位装置。切屑输送装置刚性自动线常采用集中排屑方式。切屑输送装置有刮板式、螺旋式等。控制系统刚性自动线的控制系统可对全线机床、工件输送装置、切屑输送装置进行集中控制。其采用的是传统的电气控制(继电器—接触器)，目前倾向于用可编程控制器。刀具加工机床上的切削刀具可由人工安装、调整，以实行定时强制换刀。如果出现刀具破损、折断，应及时进行换刀。1.刚性自动线

2.柔性制造系统柔性是指生产组织形式和自动化制造设备对加工任务(工件)的适应性。柔性制造系统FMS是在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。其基本组成部分有自动化加工设备、工件储运系统、刀具储运系统、多层计算机控制系统等。自动化加工设备组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。工件储运系统FMS的工件储运系统由工件库、工件运输设备和工件更换装置等组成。刀具储运系统FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和刀具交换装置等组成。多层计算机控制系统FMS的多层计算机控制系统采用多层计算机控制单元层、工作站层和设备层。除了上述四个基本组成部分外，FMS还可以加以扩展。其扩展部分有自动清洗工作站、自动去毛刺设备、自动测量设备、集中切屑运输系统、集中冷却润滑系统等。具有柔性装配功能的柔性制造系统。1—控制柜；2—手工工位；3—紧固机器人；4—装配机器人；5—双臂机器人；6—清洗站；7—立体仓库；8—车削加工中心；9—多坐标测量仪；10—镗铣加工中心；11—刀具预调站；12—装载机器人；13—小件装配站；14—装夹站；15—AGV(自动导引小车)；16—控制区柔性制造系统的主要特点柔性高，适应多品种中、小批量生产。可进行第三班无人干预生产。柔性制造系统内的机床在工艺能力上是相互补充和相互替代的。可混流加工不同的零件。多层计算机控制，可以和上层计算机联网。系统局部调整或维修不中断整个系统的运作。

3.柔性制造单元柔性制造单元FMC

由1～3台数控机床或加工中心，工件自动输送及更换系统，刀具存储、输送及更换系统，设备控制器和单元控制器等组成。其内的机床在工艺能力上通常是相互补充的，可混流加工不同的零件，具有单元层和设备层两级计算机控制，对外具有接口，可组成柔性制造系统。加工回转体零件的柔性制造单元1—装卸工位；2—加工中心；3—机器人；4—机外刀库；5—机器人控制器；6—加工中心控制器；7—单元控制器；8—小车控制器；9—龙门式机械手控制器；10—车床数控装置；11—龙门式机械手；12、14—运输小车；13—数控车床如图所示为加工多面体零件的柔性制造单元。单元主机是一台卧式加工中心，刀具库容量为70把，采用双机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环形转盘，其台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电动机驱动。它旁边设有工件装卸工位，机床两侧设有自动排屑装置。托盘的选择和定位由可编程控制器控制。托盘库具有正反向回转、随机选择及跳跃分度等功能。托盘的交换由设在环形台面中央的液压推送机构来实现。加工多面体零件的柔性制造单元1—刀具库；2—换刀机械手；3—托盘库；4—装卸工位；5—托盘交换机构自动化加工设备组成FML的自动化加工设备包括数控机床、可换主轴箱机床。可换主轴箱机床是介于加工中心和组合机床之间的一种中间机型。其周围有主轴箱库，可根据加工工件的需要来更换主轴箱。工件输送系统FML的工件输送系统和刚性自动线类似，采用各种传送带输送工件，工件的流向与加工顺序一致，可依次通过各加工站。刀具可换主轴箱上装有多把刀具，主轴箱本身起着刀具库的作用，刀具的安装、调整一般由人工进行，可采用定时强制换刀。4.柔性制造线柔性线制造FML由自动化加工设备、工件输送系统和刀具等组成。如图所示为加工箱体零件的柔性制造线。它由两台面对面布置的数控铣床、两台面对面布置的转塔式换箱机床和一台循环式换箱机床组成。该柔性制造线采用辊子传送带输送工件，看起来和刚性自动线没有什么区别，但它具有一定的柔性。加工箱体零件的柔性制造线装配站FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人，不可编程的自动装配装置和人工装配工位等。工件输送系统FAL上的输入是组成产品或部件的各种零件，输出是产品或部件。根据装配工艺流程，物料输送装置将不同的零件和已装配成的半成品送到相应的装配站中。物料输送装置由传送带和换向机构等组成。控制系统FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要是控制物料的流向、自动装配站和装配机器人。5.柔性装配线柔性装配线（flexibleassemblyline，简称为FAL）通常由装配站、物料输送装置和控制系统等组成。如图所示为柔性装配线。它由无人驾驶输送装置1、传送带2、双臂装配机器人3、装配机器人4、拧螺纹机器人5、自动装配站6、人工装配工位