2加工设备自动化

第2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，还能进一步集中工序和具有一定的柔性。2.1概述一、加工设备自动化的意义加工设备在机械制造中占重要地位，实现自动化可缩短辅助时间提高生产率，改善工人的劳动条件，也是建立自动生产线和全盘自动化的前提条件，是实现机械制造自动化的基础。2.1概述加工设备自动化的内容是指实现了加工过程自动化并有自动装卸能力的设备。主要指实现机床加工循环自动化和辅助工作自动化。需要实现自动化的主要内容有：二、实现加工设备自动化的途径1）对半自动加工设备配置自动上下料装置，以实现完全自动化；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）根据工件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，数控机床、加工中心等。2.1概述三、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由切削时间和辅助时间组成，即tg=tq+tf由工作循环时间所决定的生产率Q（件/min）：Q=1/tg=1/(tq+tf)=(1/tq)/(1+tf/tq)令K=1/tq则Q=K/(1+Ktf)2.1概述2.1概述1．生产率分析①当tf一定时，减少切削时间tq即增加K，开始生产率Q增长显著，但往后因tf的比重相对增大，Q的提高不显著了②当tf愈小时，增加K时对Q的提高愈显著。③当切削时间tq愈小时，减少tf对Q的提高愈显著。tqtf2.1概述1．生产率分析由此可见，tq和tf对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K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。2.1概述2．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（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）2.2切削加工自动化切削加工自动化的根本目的是提高加工质量和加工效率，减少资源消耗，降低加工成本。一、车削加工自动化车床是切削加工设备中使用最早、应用最广的设备。自动车床是最早发明的自动化加工设备之一。车削加工自动化包括多个单元动作自动化和工作循环自动化，自动车床、转塔、仿形车床、多刀车床是典型，发展方向是数控车床、车削中心和车削柔性单元等。2.2切削加工自动化一、车削加工自动化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、主轴箱运动和其它辅助运动。主要类型有单轴纵切自动车床、单轴转塔自动车床和单轴横切自动车床等。此外，还有多轴自动（半自动）车床，包括卧式和立式两种。CM1107型精密单轴纵切自动车床1）机床的用途形状较复杂，精度要求高，一次成形的小型轴类零件。用于成批大量生产的钟表、仪器仪表行业。毛坯为棒料2）机床的工作原理送料、夹紧、放松、纵向和横向进给皆由分配轴上的鼓轮或凸轮分别进行控制。分配轴转一转，完成一个工作循环。半自动转塔车床适用范围：成批加工形状复杂的盘套类零件结构特点：转塔刀架可纵向移动和转位，其上可装多把刀，工作中周期性转位，顺序地对工件进行加工。刀具行程由插销板和行程开关控制，指令经电路、油路传递，易保证精度，提高生产率。仿形半自动车床适用范围：成批加工阶梯轴类或盘类零件主要加工圆柱面、圆锥面和成形表面结构特点：1.仿形刀架的斜向运动—仿形运动由液压随动系统和靠模控制；2.仿形刀架的纵向进给由液压油缸单独驱动；3.液压仿形刀架前端有自动回转刀夹，其上可装几把刀，可自动转位，进行粗车、半精车。2.2切削加工自动化一、车削加工自动化2.数控车床数控车床的主要特点：①主轴转速和进给速度高（伺服或步进电机驱动传动链短）②数控车床具有高精度（闭环、半闭环系统，反馈控制）③能实现多种工序复合的全部加工。④数控车床具有高柔性。数控车床的类型：主要有通用型、卡盘型、排刀型、双主轴型、棒料型及一些专门化车床等。2.2切削加工自动化2.数控车床（1）刀架系统液压缸进油1—中心轴5左移—压缩碟形弹簧6—定位齿盘7与固定齿盘8脱离；液压马达2转动—齿轮3、4带动中心轴5转动—齿盘7转动达到规定工位；编码器齿轮9将转位信号传给编码器10—数控装置—转位停止—油缸活塞后退—齿盘定位夹紧.图2-4液压马达驱动转位的转塔刀架2.2切削加工自动化安装排刀架的数控车床横滑板较大，装几组刀架，无分度图2-5排刀架结构2.2切削加工自动化图2-6触发式测头测量系统及测量典型过程（2）数控车床机内测量装置2.2切削加工自动化图2-7工件外径及内径的机内测量（2）数控车床机内测量装置图2-8刀具机内测量2.2切削加工自动化一、车削加工自动化3.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）运动和进行连续精确分度的C轴功能，并能与X轴或Z轴联动。还可在车削中心基础上发展出车磨中心、车铣中心等多工序复合加工的机床。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，几乎所有的加工都可在一次装夹中完成。2.2切削加工自动化3.车削中心（1）主轴定向准停机构和C轴在工件规定部位铣槽钻孔或要求主轴定向准停以检测工件时，车削中心须有主轴定向准停或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机分度完成，位置编码器装在与主轴相关位置，终定位靠主轴后端齿式分度盘和插销来完成,定位精度达±0.1°,分度增量角为12°、15°。专门角度可更换主轴分度盘。C轴分度定位后要有夹紧机构，以防主轴转位。C轴控制主轴连续分度，同时与刀架X轴或Z轴联动铣削各种曲线槽、车螺纹、车多边形等，也可定向停车。2.2切削加工自动化3.车削中心（1）主轴定向准停机构和C轴当用主轴电动机直接驱动主轴时，无需C轴降速装置及附加机械定位机构，因主轴伺服电机本身具有C轴功能，只需设置位置编码器或电磁传感器，C轴运动由数控系统和主轴电动机完成。当机床主轴箱有变速齿轮机构时，C轴动作前，主轴运动须与主轴电动机传动链脱开，利用专用伺服电动机使主轴分度或定向。2.2切削加工自动化图2-9C轴的机械传动示意图主轴C轴伺服电机2.2切削加工自动化图2-10对置同轴线双主轴车削中心（2）多主轴、双主轴和辅助主轴多主轴车削中心能在一台机床上完成更多工序，缩短了加工周期，又提高工件精度。多主轴车削中心各主要主轴的驱动功率和尺寸均相同，分别称第1主轴、第2主轴、第3主轴…，可分别加工一种工件的全部工序或加工多个工件，适于加工盘件。2.2切削加工自动化图2-11并列双主轴车削中心（2）多主轴、双主轴和辅助主轴2.2切削加工自动化二、钻铣削加工自动化1.钻削自动化钻削自动化大部分是在普通钻床的基础上，配备点位数控系统来实现的，其定位精度为±0.02～0.1mm。数控钻床通常有立式、卧式、专门化及钻削加工中心。钻削加工中心以钻削为主，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。除了工作台的X、Y向运动和主轴Z向运动通过步进电机自动进行外，钻削中心在此基础上增加了自动换刀装置。2.2切削加工自动化1.钻削自动化图4-7更换主轴换刀钻削自动换刀1）刀库与主轴直接换刀2）通过更换主轴换刀2.2切削加工自动化1.钻削自动化图2-12带转塔钻削中心主传动系统主电机主轴转塔头液压缸定位盘槽轮机构转位电机2.2切削加工自动化二、钻铣削加工自动化2.铣削自动化铣削多用于粗加工及半精加工，有时也用于精加工。除加工平面、沟槽、轮齿、螺纹、花键轴等外，还可加工较复杂的型面。数控铣床、仿形铣床的出现，提高了铣床的加工精度和自动化程度，使复杂型面加工自动化成为可能。特别是数控技术的应用扩大了铣床的加工范围，提高了铣床的自动化程度。数控铣床配备自动换刀装置，则发展成以铣为主兼有钻、镗、铰、攻螺纹多功能于一体的加工中心。2.2切削加工自动化三、组合机床以通用部件为基础，配少量专用部件，按加工要求设计的专用机床。具有工序集中、生产率高、自动化程序高、造价较低优点；但专用性强、改装不太方便。组合机床的自动化水平主要通过数控技术的应用来实现。一种是工艺的需要，另一种是在多工序或多品种加工时，为加速转换和调整而采用数控。数控组合机床通常利用数控单坐标、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通用部件混合所组成，既有高生产率，在某些工序上又有柔性，应用也较多。2.2切削加工自动化图2-13三件并行加工活塞的数控车镗组合机床2.2切削加工自动化四、加工中心（MC）是备有刀库并能自动换刀对工件进行多工序加工的数控机床，通常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，可扩展到各种类型的数控机床，如车削中心、滚齿、磨削、特种加工等。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有立式、卧式、五面、龙门等，适用范围见表2-22.2切削加工自动化四、加工中心2．加工中心的典型自动化结构除一般数控机床的特点外，还具有自身的特点：（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（选刀次序是任意的）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，工序前、工序后。（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。2.2切削加工自动化2．加工中心的典型自动化结构（4）回转工作台回转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和进给运动。回转工作台有两种结构形式，仅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，也称为数控工作台。数控工作台和X、Y、Z轴及其它附加运动构成4～5轴轮廓控制，可加工复杂轮廓表面。此外，加工中心的交换工作台和托盘交换装置配合使用，实现了工件的自动更换，从而缩短了消耗在更换工件上的辅助时间。2.3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，即利用金属材料的塑性变形能力，使其在设备给出的外力作用下于模具里成形出产品的方法。金属板材加工的主要方法有冲压、锻压两大类。一、冲压加工简介冲压是利用冲压设备及模具的作用，获得所需零件形状和尺寸的方法。其坯料主要有板材、带材、管材及其它型材。冲压件的重量轻、厚度薄、刚度好、质量稳定。冲压在汽车、家用电器、电机、仪表等制造中具有十分重要的地位。2.3金属板材成形加工自动化冲压成形产品示例一——日常用品2.3金属板材成形加工自动化冲压成形产品示例二——高科技产品汽车覆盖件飞机蒙皮2.3金属板材成形加工自动化一、冲压加工简介冲压设备主要有机械压力机和液压机。冲压的自动化水平对保证产品质量、提高生产效率和确保操作者人身安全十分重要。冲压工艺分为分离工序和成形工序两大类：分离工序是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要求。分离工序包含落料、冲孔、切断、切口和剖切等。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。成形工序又分为弯曲、拉深、成形等三大类。多工位精密级进模2.3金属板材成形加工自动化二、冲压自动化实现的一般原则冲压技术的发展及冲压件结构日趋复杂，尤其是高速、精密和多工位冲压设备的较多应