第一节　自动化加工设备

一、加工设备自动化的意义

各类金属切削机床和其他机械加工设备是机械制造的基本生产手段和主要组成单元。加工设备生产率得到有效提高的主要途径之一是采取措施缩短其辅助时间。加工设备工作过程自动化可以缩短辅助时间，改善工人的劳动条件和减轻工人的劳动强度，因此，世界各国都十分注意发展机床和加工设备的自动化。不仅如此，单台机床或加工设备的自动化，能较好地满足零件加工过程中某个或几个工序的加工半自动化和自动化的需要，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，是机械制造业更进一步向前发展的基础。因此，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提高，先后开发了适应不同生产率水平要求的自动化加工设备，主要有以下种类：

1.全（半）自动单机

又分为单轴和多轴（全）自动单机两类。

它利用多种形式的全（半）自动单机固有的和特有的性能来完成各种零件和各种工序的加工，是实现加工过程自动化普遍采用的方法。机床的型式和规格要根据需要完成的工艺、工序及坯料情况来选择；此外，还要根据加工品种数、每批产品和品种变换的频率等来选用控制方式。在半自动机床上有时还可以考虑增设自动上下料装置、刀库和换刀机构，以便实现加工过程的全自动。如加工十字轴的CJK0636专用数控机床就属于半自动单机，工件经手工装夹后，分别完成四个轴的端面和外圆面的车削加工，并在端面上打出中心孔，其加工示意图如图3-1所示。

2.专用自动机床

该类机床是专为完成某一工件的某一工序而设计的，常以工件的工艺分析作为设计机床的基础。其结构特点是传动系统比较简单，夹具与机床结构的联系密切，设计时往往作为机床的组成部件来考虑，机床的刚性一般比通用机床要好。这类机床在设计时所受的约束条件较少，可以全面地考虑实现自动化的要求。因而，从自动化的角度来看，它比改装通用机床优越。此外，有时由于新设计的某些部件不够成熟，要花费较多的调整时间。如果用于单件或小批量生产，则造价较高，只有当产品结构稳定、生产批量较大时才有较好的经济效果。如用于轴承内外圈零件成批仿形车削用的C7220液压仿形车床就属于专用机床。

3.组合机床

该类机床由70%～90%的通用零、部件组成，可缩短设计和制造周期，可以部分或全部改装。组合机床是按具体加工对象专门设计的，可以按最佳工艺方案进行加工，加工效率和自动化程度高；可实现工序集中，多面多刀对工件进行加工，以提高生产率；可以在一次装夹下多轴对多孔加工，有利于保证位置精度，提高产品质量；可减少工件工序间的搬运。机床大量使用通用部件使得维护和修理简化，成本降低。组合机床主要用于箱体、壳体和杂体类零件的孔和平面加工，包括钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、车端面、加工内外螺纹和铣平面等。由于组合机床是用来加工指定的一种或几种特定工序，因而主要适用于大批量生产，如果是采用了转塔动力箱或可换主轴箱的组合机床，可适用于中等批量生产。

4.数控机床

数控（NC）机床是一种数字信号控制其动作的新型自动化机床，是按指定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床。现代数控机床常采用计算机进行控制即称为CNC，加工工件的源程序（包括机床的各种操作、工艺参数和尺寸控制等）可直接输入到具有编程功能的计算机内，由计算机自动编程，并控制机床运行。当加工对象改变时，除了重新装夹零件和更换刀具外，只需更换数控程序，即可自动地加工出新零件。数控机床主要适用于加工单件、中小批量、形状复杂的零件，也可用于大批量生产，能提高生产率，减轻劳动强度，迅速适应产品改型；在某些情况下，具有较高的加工精度，并能保证精度的一致性，可用来组成柔性制造系统或柔性自动线。

5.加工中心（MC）

数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的多工序数控机床，工件经一次装夹后，能对两个以上的表面自动完成铣、镗、钻、铰等多种工序的加工，并且有多种换刀或选刀功能，使工序高度集中，显著减少原先需多台机床顺序加工带来的工件装夹、调整机床间工件运送和工件等待时间，避免多次装夹带来的加工误差，使生产率和自动化程度大大提高。加工中心根据功能可分为镗铣加工中心、车削加工中心、磨削加工中心、冲压加工中心以及能自动更换多轴箱的多轴加工中心等；适用于加工复杂，工序多，要求较高，需各种类型的普通机床和众多刀具夹具，需经过多次装夹和调整才能完成加工的零件，或者是形状虽简单，但可以成组安装在托盘上，进行多品种混流加工的零件；可适用于中小批量生产，也可用于大批量生产，具有很高的柔性，是组成柔性制造系统的主要加工设备。

6.柔性制造单元（FMC）

一般由1～3台数控机床和物料传输装置组成，单元内设有刀具库、工件储存站和单元控制系统。机床可自动装卸工件、更换刀具、检测工件的加工精度和刀具的磨损情况；可进行有限工序的连续加工，适于中小批量生产应用。

7.自动线

由工件传输系统和控制系统将一组自动机床和辅助设备按工艺顺序连接起来，可自动完成产品的全部或部分加工过程的生产系统，简称自动线。在自动线工作过程中，工件以一定的生产节拍，按工艺顺序自动经过各个工位，完成预定的工艺过程。按使用的工艺设备，自动线可分为通用机床自动线、专用机床自动线、组合机床自动线等类型。采用自动线生产可以保证产品质量，减轻工人劳动强度，获得较高的生产率。加工工件通常是固定不变的，或变化很小，因此自动线只适用于大批量生产场合。

8.计算机集成制造系统

计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）是目前最高级别的自动化制造系统，但这并不意味着CIMS是完全自动化的制造系统。事实上，目前意义上CIMS的自动化程度甚至比柔性制造系统还要低。CIMS强调的主要是信息集成，而不是制造过程物流的自动化。CIMS的主要缺点是系统十分庞大，包括的内容很多，要在一个企业完全实现难度很大。但可以采取部分集成的方式，逐步实现整个企业的信息及功能集成。

三、自动化加工过程中的辅助设备

机械制造自动化加工过程中的辅助工作包括工件的装夹，工件的上下料，在加工系统中的运输和存储，工件的在机检验，切屑与切削液的处理等。

要实现加工过程自动化，降低辅助工时，以提高生产率，就要采用相应的自动化辅助设备。

所加工产品的品种和生产批量、对生产率的要求以及工件结构形式，决定了所采用的自动化加工系统的结构形式、布局、自动化程度，也决定了所采用的辅助设备的形式。

1.中小批量生产中的辅助设备

中小批量生产中所用的辅助设备要有一定的通用性和可变性，以适应产品和工艺的变换。

对于由设计或改装的通用自动化机床组成的加工系统，工件的装夹常采用组合模块式万能夹具。对于由数控机床和加工中心组成的柔性制造系统，可设置托盘，解决在同一机床上装夹不同结构工件的自动化问题，托盘上的夹紧定位点根据工件来确定，而托盘与机床的连接则有统一的基面和固定方式。

工件的上下料可以采用通用结构的机械手，改变手部模块的形式就可以适应不同的工件。

工件在加工系统中的运输，可以采用链式或滚子传送机，工件可以连同托盘和托架一起输送。在柔性制造系统中自动运输小车是很常用和灵活的运输设备。它可以通过交换小车上的托盘，实现多种工件、刀具、可换主轴箱的运输。对于无轨自动运输小车，改变地面敷设的感应线就可以方便地改变小车的传输路线，具有很高的柔性。

搬运机器人与传送机组合输送方式也是很常用的。能自动更换手部的机器人，不仅能输送工件、刀具、夹具等各种物体，而且还可以装卸工件，适用于工件形状和运动功能要求柔性很大的场合。

面向中小批量的柔性制造系统中可以设置中央仓库，存储生产中的毛坯、半成品、刀具、托盘等各种物料。用堆垛起重机系统自动输送存取，在控制、管理下，可实现无人化加工。

2.大批量生产中的辅助设备

在大批量生产中所采用的自动化生产线上，夹具有固定式夹具和随行夹具两种类型，固定式夹具与一般机床夹具在原理和设计上是类似的，但用在自动化生产线上还应考虑结构上与输送装置之间不发生干涉，且便于排屑等特殊要求。随行夹具适用于结构形状比较复杂的工件，这时加工系统中应设置随行夹具的自动返回装置。

对于体积较小、形状简单的工件可以采用料斗式或料仓式上料装置；体积较大、形状复杂的工件，如箱体零件可采用机械手上下料。

工件在自动化生产线中的输送可采用步伐式输送装置。步伐式输送装置有棘爪式、摆杆式和抬起式等几种主要形式，可根据工件的结构形式、材料、加工要求等条件选择合适的输送方式。不便于布置步伐式输送装置的自动化生产线，也可以使用搬运机器人进行输送。回转体零件可以用输送槽式输料道输送，工件在自动线间或设备间采用传送机输送，可以直接输送工件，也可以连同托盘或托架一起输送。运输小车也可以用于大批量生产中的工件输送。

箱体类工件在加工过程中有翻转要求时，应在自动化生产线中或线间设置翻转装置。翻转动作也可以由上、下料手的手臂动作实现。

为了增加自动化生产线的柔性，平衡生产节拍，工序间可以设置中间仓库。自动输送工件的辊道或滑道，也具有一定的存储工件的功能。

在批量生产的自动线中，自动排屑装置实现了将不断产生的切屑从加工区清除的功能。它将切削液从切屑中分离出来以便重复使用，利用切屑运输装置将切屑从机床中运出，确保自动化生产线加工的顺利进行。