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第二章第二章 加工设备自动化加工设备自动化加工设备自动化的要求：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、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；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，便于实现全互装配，便于实现“准时方式准时方式”的生产；的生产；可靠就是其设备已能达到极少故障；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；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。柔性即可实现多品种零件加工。1第一节 加工设备自动化概述一、加工设备自动化的意义n 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。n 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。n 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。 2二、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 gqftttgt1/1/()gqfQttt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 。 qtft（2-1）（2-2）3 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: gtft1/1/()1/qqffqtQtttt1fKQKt1/qKt式中 K理想的工艺生产率 （2-3）4图2-1 生产率曲线tf1tf2tf3567 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。82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（Transfer LineTL） （4）一般数控机床 （5）加工中心（MC） （6）柔性制造单元（FMC）9车铣钻组合机床单轴五刀精密凸轮自动机床10组合机床自动线1组合机床自动线211数控车床五轴加工中心12立式加工中心柔性制造单元13柔性制造系统柔性制造系统中的托盘仓和搬运小车14 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15一、车削加工自动化一、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。16（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：n单轴纵切自动车床、n主轴箱固定型单轴自动车床、n单轴转塔自动车床n单轴横切自动车床等几种类型。17图2-2 NG-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18（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。19数控车床的主要动作自动化结构：1）刀架系统n转塔刀架n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20数控车床的主要动作自动化结构：1）刀架系统n转塔刀架n排刀架图2-5 排刀架结构21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22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23n（3）车削中心车削中心与数控卧式车床的区别：n车削中心的转塔刀架上带有能使刀具旋转的动力刀座，n主轴具有按轮廓成形要求连续回转（不等速回转）运动n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。 24图2-9 C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251）主轴定向机构和C 轴nC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。n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。n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，n定位后要有夹紧机构，以防止主轴转位。262）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27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28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29二、钻铣削加工自动化二、钻铣削加工自动化1. 钻削自动化n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0.020.1mm。n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。n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。n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。30钻铣削加工中心a）b）312. 铣削自动化n铣削：通过回转多刃刀具对工件进行切削加工n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。n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。32MIKRON高速铣削加工中心DMG高速加工中心33三、组合机床n 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。n 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。n 自动化实现：通过数控技术n 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。n 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。 34图2-13 三件并行加工活塞的数控车镗组合机床35四、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2-236类类 型型布局型式布局型式特特 点点适用范围适用范围立式加工中心 固定立柱型、移动立柱型 主轴支承跨距较小。占地面积较小，刚性低于卧式加工中心，刀库容量多为1640 中型零件，高度尺寸较小的零件加工，尤其是盖板类零件加工卧式加工中心 固定立柱型、移动立柱型 主轴及整机刚性强，镗铣加工能力较强，加工精度较高，刀库容量多为4080 中、大型零件及工序复杂且精度较高的零件加工，通常用于箱体类零件加工五面加工中心 交换主轴头、回转主轴头、转换圆工作台 主轴或工作台可立、卧式兼容，并多方向加工而无需多次装夹工件，但编程较复杂，主轴或工作台刚性受到一定影响 具有多面、多方向或多坐标复杂型面的零件加工龙门加工中心 工作台移动型、龙门架移动型 由数控龙门铣镗床配备自动换刀装置、附件头库等组成。立柱、横梁构成龙门结构，纵向行程大，具有五面加工性能 大型、长型、复杂零件加工表2-2 加工中心类型及适用范围37立式加工中心38五面加工中心39龙门式铣镗加工中心卧式铣镗加工中心40 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。41加工中心刀具库自动换刀机构42回转工作台对刀装置43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44（4）回转工作台n 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：n 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。n 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。45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。料加工方法。 特点：高产、优质、低耗特点：高产、优质、低耗 发展方向：数字化、自动化、专业化、规模化、信发展方向：数字化、自动化、专业化、规模化、信息化。息化。 主要分类：冲压、锻压两大类。主要分类：冲压、锻压两大类。46一、冲压加工简介一、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、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。好、质量稳定。n 应用行业：汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、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；兵器工业等；n 冲压设备：主要有机械压力机和液压机。冲压