加工設備自動化2.1加工設備自動化的意義及分類2.2自動化加工設備的特殊要求及實現方法2.3實現單機自動化的方法和方案2.4數控技術及數控機床2.5加工中心2.6剛性自動化生產線2.7柔性制造單元2.8柔性制造系統2.9自動線的輔助設備2.10實例視頻2.1加工設備自動化的意義及分類2.1.1加工設備自動化的意義2.1.2自動化加工設備的分類2.1.3自動化加工設備的選擇與布局2.1.1加工設備自動化的意義

加工設備工作過程自動化可以縮短輔助時間，改善工人的勞動條件和減輕工人的勞動強度。單臺機床或加工設備的自動化，能較好地滿足某個或幾個工序的加工半自動化和自動化的需要，為多機床管理創造了條件，是建立自動生產線和過渡到全盤自動化的必要前提。加工設備的自動化是零件整個機械加工工藝過程自動化的基本問題之一。2.1.2自動化加工設備的分類

按照不同生產率水平要求，自動化加工設備主要有以下種類。

1.全（半）自動單機

2.專用自動機床

3.組合機床

4.數控機床

5.加工中心

6.柔性制造單元

7.加工自動線2.1.3自動化加工設備的選擇與布局1.自動化加工設備的選擇

2.自動化加工設備的布局

3.柔性制造系統的布局

1.自動化加工設備的選擇

首先根據產品批量的大小以及產品變型品種數量的大小確定加工系統的結構形式。對于中小批量生產的產品，可選用加工單元形式或可換多軸箱形式。對于大批量生產，可以選用自動生產線形式。對于多品種中小批量生產，選擇適當的專用機床、數控機床或加工中心。

2.自動化加工設備的布局

自動化加工設備的布局形式是指組成自動化加工系統的機床、輔助裝置以及聯接這些設備的工件傳送系統中各種裝置的平面和空間布置形式。它是由工件加工工藝、車間的自然條件、工件的輸送方式和生產綱領所決定的。自動線的布局形式有多種如圖2.1所示。

1）旋轉體加工自動線的布局形式

2）箱體、雜類工件自動線的布局形式

1）旋轉體加工自動線的布局形式

（1）貫穿式。工件傳送系統設置在機床之間，特點是上下料及傳送裝置結構簡單，裝卸料工件輔助時間短，布局緊湊，占地面積小，但影響工人通過，料道短，貯料有限，如圖2.2所示。1）旋轉體加工自動線的布局形式

（2）架空式。工件傳送系統設置在機床的上空，輸送機械手懸掛在機床上空的架上，如圖2.3。機床布局呈橫向或縱向排列，工件傳送系統完成機床間的工件傳送及上下料。這種布局結構簡單，適于生產節拍較長且各工序工作循環時間較均衡的軸類零件。

1）旋轉體加工自動線的布局形式

（3）側置式。如圖2.4所示，工件傳送系統設置在機床外側，機床呈縱向排列，傳送裝置設在機床的前方，安裝在地上。輸送料道還同時具有貯料作用。這種布局的自動線有串聯和并聯兩種方式。2）箱體、雜類工件自動線的布局形式

（1）直線通過式和折線通過式。如圖2.5所示為直線通過式自動線。步伐式輸送帶按一定節拍將工件依次送到各臺機床上加工，工件每次輸送一個步矩。工人在自動化生產線起端上料，末端卸料。2）箱體、雜類工件自動線的布局形式

（2）框型。框型是折線式的封閉形式。框式布局更適用于輸送隨行夾具及尺寸較大和較重的工件自動化生產線，且可以節省隨行夾具的返回裝置，如圖2.6所示。

2）箱體、雜類工件自動線的布局形式

（3）環型。環型自動化生產線工件的輸送軌道是回環形，多為中央帶立柱的環型線。它不需要高精度的回轉工作臺，工件輸送精度只需滿足工件的初定位要求。

環型自動線可以直接輸送工件，也可借助隨行夾具。

對于直接輸送工件的環型線，裝卸料可集中在一個工位。

對于隨行夾具輸送工件的環型線，不需要隨行夾具返回裝置。

2）箱體、雜類工件自動線的布局形式

（4）非通過式。非通過式布局的自動化生產線，工件輸送不通過夾具，而是從夾具的一個方向送進和拉出，使每個工位可能增加一個加工面，也可增設鏜模支架。

非通過式自動化生產線適于由單機改裝聯成的自動化生產線，或工件不宜直接輸送而必須吊裝，以及工件各個加工表面需在一個工位加工的自動化生產線。

3．柔性制造系統的布局

柔性制造系統的總體布局可以概括為以下幾種布置原則，如圖2.7所示。

1）隨機布置原則

2）功能原則（工藝原

則）

3）模塊式布置原則

4）加工單元布置原則

5）加工階段劃分原則1）隨機布置原則

如圖2.7（a），這種布局方法是將若干機床隨機地排列在一個長方形的車間內。它的缺點是很明顯的，只要多于三臺機床，運輸路線就會非常復雜。2）功能原則（或叫工藝原則）

如圖2.7（b），這種方法是根據加工設備的功能，分門別類地將同類設備組織到一起，如車削設備、鏜銑設備、磨削設備等。這樣，工件的流動方向是從車間的一頭流向另一頭。

這種布局方法的零件運輸路線也比較復雜，因為工作的加工路線并不一定總是按車、銑、磨這樣的順序流動。3）模塊式布置原則

如圖2.7（c），這種布局方式的車間是由若干功能類似的獨立模塊組成。這種布局方式看來好像增加了生產能力的冗余度，但在應酬緊急任務和意外事件方面有明顯的優點。

4）加工單元布置原則

如圖2.7（d），采用這種布局方式的車間，每一個加工單元都能完成相應的一類產品。這種構思的產生是建立在成組技術思想基礎上的。

5）加工階段劃分原則

如圖2.7（e），將車間分為準備加工階段、機械加工階段和特種加工階段。

2.2自動化加工設備的特殊要求2.2.1高生產率2.2.2加工精度的高度一致性2.2.3自動化加工設備的高度可靠性2.2.4自動化加工設備的柔性表現為：

1.自動變換加工程序的機能。

2.自動完成多種產品或零件族加工的機能。

3.對加工順序及生產節拍隨機應變的機能。

4.高效率的自動化加工及自動換刀機能。

5.自動監控及故障診斷機能。2.3實現單機自動化的方法和方案2.3.1實現單機自動化的方法

實現單機自動化的方法概括有以下四種。

1.采用通用自動化或半自動機床實現單機自動化

2.采用組合機床實現單機自動化

3.采用專用機床實現單機自動化

4.采用通用機床進行自動化改裝實現單機自動化2.3.2單機自動化方案2.3.1實現單機自動化的方法1.采用通用自動化或半自動機床實現單機自動化這類機床主要用于軸類和盤套類零件的加工自動化，例如單軸自動車床、多軸自動車床或半自動車床等。這類自動機床的最大特點是可以根據生產需要，在更換或調整部分零部件（例如凸輪或靠模等）后，即可加工不同零件，適合于大批量多品種生產。因此，這類機床用比較廣泛。2.3.1實現單機自動化的方法

2.采用組合機床實現單機自動化

組合機床一般適合于箱體類和雜件類(如發機的連桿等）零件的平面、各種孔和孔系的加工自動化。組合機床一般只能對一種（或一組）工件進行加工，往往能在同一臺機床上對工件行多面、多孔和多工位加工，加工工序可高度集中，具有很高的生產率。

組合機床具有設計、制造周期短，投資省的優點，是箱體類零件和雜體類零件大批量生產實現單機自動化的最主要手段。

2.3.1實現單機自動化的方法

3.采用專用機床實現單機自動化

專用機床是為一種零件（或一組相似的零件）的一個加工工序而專門設計制造的自動化機床。專用機床的結構和部件一般都是專門設計和單獨制造的，這類機床的設計、制造時間往往較長，投資也較多。

因此采用這類機床時，必須考慮以下基本原則：

1）被加工的工件必須結構定型；2）工件的加工工藝必須是合理可靠的；3）采用新的方案時，必須進行結構性能試驗；4）必須進行技術經濟分析。

2.3.1實現單機自動化的方法

4.對通用機床進行自動化改裝實現單機自動化

為了充分發揮設備潛力，可以通過對通用機床進行局部改裝，增加或配置自動上、下料裝置和機床的自動工作循環系統等，實現單機自動化。

改裝涉及的問題比較復雜，必須有選擇地進行改裝。總的來說，機床改裝的投資少，見效快，能充分發揮現有設備的潛力，是實現單機自動化的重要途徑。

2.3.2單機自動化方案

單機的“自動”主要體現在自動化機床的加工循環自動化、裝卸工件自動化、刀具自動化和檢測自動化四個方面，其自動化大大減少了空程輔助時間，降低了工人的勞動強度，提高了產品質量和勞動生產率。

1.加工過程運動循環自動化

2.裝卸工件自動化

3.自動換刀裝置（刀具自動化）

1.加工過程運動循環自動化

加工過程運動循環是指在工件的一個工序的加工過程中，機床刀具和工件相對運動的循環過程。實現機床運動循環自動化，切削加工過程就可以自動進行。自動循環可以通過機械傳動、液壓傳動和氣動—液壓傳動方法實現。對于比較復雜的加工循環，一般采用繼電器程序控制器控制其動作，采用擋塊或各種傳感器控制其運動行程。1.加工過程運動循環自動化1）機械傳動系統運動循環自動化主要實現運動的接通及停止和快速空行程運動及工作進給的自動轉換。運動的接通和停止有三種方式，分別是凸輪控制、擋塊—杠桿控制、擋塊—開關—離合器控制。

2）氣動和液壓傳動的自動循環在機床改裝中．還經常采用氣動—液壓傳動，即用壓縮空氣作動力，用液壓系統中的阻尼作用使運動平穩和便于調速。

1.加工過程運動循環自動化

動力氣缸與阻尼液壓缸有串聯和并聯兩種形式。實現氣動和液壓自動工作循環的方法相同，都是通過方向閥來控制。液壓傳動系統中，運動的接通和切斷靠換向閥控制，可以切斷液壓源或用固定擋塊來使運動停止。

2.裝卸工件自動化

機床實現加工循環自動化之后，還只是半自動機床，在半自動機床上配備自動裝卸工件裝置后，即成為自動機床。自動裝卸工件裝置通常稱為自動上料裝置，它所完成的工作包括將工件自動安裝到機床夾具上，以及加工完成后從夾具中卸下工件。其中的重要部分為自動上科過程采用的各種機構和裝備，而卸料機構在結構上比較簡單，原理上與上料裝置類似。

自動上料裝置有以下三大類型

1）卷料（或帶料）上料裝置。當以卷料或帶料作毛坯時，將毛坯裝上自動送料機構，然后從軸卷上拉出來經過自動校直被送向加工位置。在一卷材料用完之前，送料和加工是連續進行的。

2）棒料上料裝置。將一定長度的棒料裝在機床上，按每一工件所需的長度自動送料。在用完一根棒料之后，需要進行一次手工裝料。

3）單件毛坯上料裝置。

單件毛坯自動上料裝置有料倉式上料裝置和料斗式上料裝置兩種形式。

料倉式上料裝置是一種半自動上料裝置，不能使工件自動定向，需要由工人定時將一批工件按照一定的方向和位置，順序排列在料倉中，然后由送料機構將工件逐個送到機床夾具中去。

料斗式上料裝置是自動化的上料裝置，工人將單個工件成批地任意倒進料斗后，料斗中的定向機構能將雜亂堆放的工件進行自動定向，使之按規定的方位整齊排列，并按一定的生產節拍把工件送到機床夾具中去。

圖2.11所示為這兩種自動上料裝置的原理圖。

圖2.11（a）、（b）所示是料倉式上料裝置，可以適當加長輸料槽使之兼有料倉的作用，。

圖2.11（c）所示是料斗式上料裝置，在料斗上還設有剔除器3，用以防止定向不正確的工件混入輸料槽。

料斗式上料裝置由于能夠實現工件的自動定向，因而能進一步減輕工人的體力勞動，便于多機床管理。這種裝置多適用于工件外形比較簡單，體積和質量都比較小，而且生產節拍短，要求頻繁上料的場合。料倉式上料裝置雖然需要工人周期性地將工件按規定的方向和順序進行裝料，但結構比較簡單，工作可靠性較強，適用于工件外形較復雜、尺寸和質量較大以及加工周期比較長的情況。

近年來，在各種類型的自動化機床上，廣泛應用了機械手來實現裝卸工件自動化。它從料倉或輸料槽中抓取工件，直接送入機床夾具；當工件加工完成后，也能從夾具中把工件卸到固定的地點。

機械手代替了圖2.11（d）中送料器8、上料桿7和卸料桿9的作用。所以，從作用原理上看，仍然可以把它當作上述兩類上料裝置的組成部分。

3.自動換刀裝置（刀具自動化）

在自動化加工中，要減少換刀時間，提高生產率，實現加工過程中的換刀自動化就需要刀架轉位自動化，自動轉位刀架應當有較高的重復定位精度和剛性，應便于控制。刀架的轉位可以由刀架的退刀（回程）運動帶動，也可以由單獨的電動機、氣缸等帶動。由退刀運動帶動的轉位，不需單獨的驅動源，而用擋塊和杠桿操縱。2.4數控技術及數控機床

數控機床是—種高科技的機電一體化產品，是由數控裝置、伺服驅動裝置、機床主體和其他輔助裝置構成的可編程的通用加工設備，它被廣泛應用在加工制造業的各個領域。數控機床最適宜加工結構較復雜、精度要求高的零件，以及產品更新頻繁、生產周期要求短的多品種小批量零件的生產。現在的數控機床正朝著高速度、高精度化、智能化、多功能化、高可靠性等方向發展。2.4數控技術及數控機床2.4.1概述及特點(看書自學)

2.4.2NC與CNC的定義2.4.3數控機床系統的基本構成2.4.4數控機床的分類2.4.5數控機床的基本技術

(看書自學)

2.4.2NC與CNC的定義1.數字控制（NumericalControl，NC）：用數字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱為數控。2.數控機床（NCMachine）：是一種裝有程序控制系統的機床，該系統能邏輯地處理具有特定代碼或其他符號編碼指令規定的程序。2.4.2NC與CNC的定義3.數控系統（NCSystem）：

就是上述定義中所指的程序控制系統，能自動閱讀輸入載體上事先給定的程序，并將其譯碼，從而控制機床運動和加工零件過程。4.計算機數控系統（ComputerizedNumericalControlSystem，CNC）：

是一種數控系統，由裝有數控系統程序的專用計算機、輸入/輸出設備、可編程序控制器（PLC）、存儲器、主軸驅動及進給驅動裝置等部分組成。習慣上稱為CNC系統。2.4.3數控機床系統的基本構成

數控機床基本結構如圖2.l3所示，包括加工程序、輸入裝置、數控系統、伺服系統、輔助控制裝置、檢測裝置及機床本體等幾部分。

數控機床完成的基本動作主要有以下幾種:

1.主軸運動。和普通機床一樣，主運動主要完成切削任務，其動力占整個機床動力的70%～80%。基本控制是主軸的正、反轉和停止，可自動換擋及無級調速。對加工中心和有些數控車床還必須具有定向控制和C軸控制。

2.進給運動。數控機床與普通機床最根本的區別在于，用電氣驅動替代了機械驅動。數控機床的進給運動由進給伺服系統完成，伺服系統包括伺服驅動裝置、伺服電動機、進給傳動及位置檢測裝置。

3.輸入/輸出（I/O）。數控系統對加工程序處理后輸出的控制信號除了對進給運動軌跡進行連續控制外，還要對機床的各種狀態進行控制。這些狀態控制包括主軸的變速控制，主軸的正、反轉及停止，冷卻和潤滑裝置的啟動和停止，刀具自動交換，工件夾緊和放松及分度工作臺轉位等。2.4.4數控機床的分類

數控機床的種類很多，按不同的分類方法可以分成不同類別，歸納起來主要有以下幾種分類方式。

1.按運動軌跡分類

2.按用途分類

3.按進給伺服控制系統分類

4.按數控裝置分類

1.運動軌跡分類。它可分為點位控制系統、直線控制系統、輪廓控制系統。

點位控制系統控制刀具相對于工件定位點的坐標位置，對定位移動的軌跡無要求，在定位移動過程中不進行切削加工，如數控鉆床、數控坐標鏜床等。

直線控制系統是指能控制刀具或工作臺以給定的速度，沿平行于某一坐標軸方向進行直線切削加工的控制系統，如數控車床、數控鏜、銑床和加工中心等。

輪廓控制系統也稱為連續控制系統，它能對兩個或兩個以上的坐標軸同時進行連續控制，在加工過程中，需要不斷進行插補運算，然后進行相應的速度和位移控制。采用輪廓控制系統的數控機床的功能比較完善。

2.按用途分類。它可分為金屬切削類、金屬成型類數控機床和數控特種加工機床。

金屬切削類機床主要有數控車、銑、鉆、鏜、磨床等。

金屬成型類機床主要有數控折彎機、彎管機和壓力機等。

數控特種加工機床主要有數控線切割機床、電火花加工機床和激光加工機床等。

3.按進給伺服控制系統分類。它可分為開環伺服系統、閉環伺服系統和半閉環伺服系統。

開環伺服系統對執行機構不進行位置檢測，多采用步進電動機或電液脈沖馬達作為伺服驅動元件，其控制精度較低。

閉環伺服系統通過檢測工作臺的實際移動位移，并將其反饋回伺服控制系統，控制系統通過與理想值相比較，從而調整工作臺的位移偏差。這種方式控制精度高、速度快，但系統復雜、成本高。

半閉環伺服系統與閉環伺服系統的區別在于，檢測裝置是檢測伺服電動機的轉角而不是檢測工作臺的實際位置。它的構造成本比閉環伺服系統要低、調試容易些，精度比開環伺服系統高。

4.按數控裝置分類。它可分為硬線數控系統和軟線數控系統。

硬線數控系統由專用的固定組合邏輯電路實現，其靈活性差、制造成本高，現在基本不采用。

軟線數控系統由小型或微型計算機和一些通用或專用的集成電路構成，其主要功能由軟件實現，系統的適應性強、利用率高、構造成本相對較低。2.4.5數控機床的基本技術

1.數控編程技術

2.數控機床插補原理

3.數控機床的伺服控制系統

5.數控系統的刀具補償

4.數控機床的位置檢測裝置

6.數控機床中新技術的應用2.5加工中心2.5.1加工中心的基本概念2.5.2加工中心的技術特點、加工精度、類型

與適用范圍2.5.3加工中心的典型自動化機構2.5.4臥式加工中心的布局結構形式2.5.5立式加工中心2.5.6五面加工中心2.5.1加工中心的基本概念

加工中心是備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序集中加工的數控機床。工件經一次裝夾后，數控系統能控制機床按不同工序（或工步）自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及實現其他輔助功能，依次完成工件多種工序的加工。通常，加工中心僅指主要完成鏜銑加工的加工中心。2.5.1加工中心的基本概念

現已擴展到各種類型的數控機床，例如車削中心、滾齒中心、磨削中心等。并出現了能實現切削、磨削以及特種加工的復合加工中心。加工中心具有刀具庫及自動換刀機構、回轉工作臺、交換工作臺等，有的加工中心還具有可交換式主軸頭或臥——立式主軸。

2.5.1加工中心的基本概念

加工中心和普通數控機床的主要區別有以下四點：

1.有自動換刀裝置（包括刀庫和換刀機械手），能實現工序間的自動換刀，這是加工中心最突出的標志性結構。

2.三坐標以上的全數字控制。

3.具有多工序的功能。

4.可配置自動更換的雙工作臺，實現機床上、下料的自動化。2.5.1加工中心的基本概念

世界上第一臺加工中心是在1958年由美國卡尼一特雷克公司研制成功的。它在數控臥式鏜銑床的基礎上增加了自動換刀裝置，從而實現了工件一次裝夾后即可進行銑削、削鉆、鏜削、鉸削和攻螺紋等多種工序的集中加工。目前，一些主要經濟發達國家如美、德、日等都把發展加工中心作為發展數控機床的首要任務，它的發展直接關系到國家經濟建設和國防安全。2.5.2加工中心的技術特點、加工精度、類型與適用范圍

1.加工中心的技術特點加工中心的技術特點主要表現在以下四個方面：

1）帶有自動換刀裝置（ATC）。

2）加上托板自動交換裝置（APC）。

3）“柔性”大，換品種調整方便。

4）生產率高。2.5.2加工中心的技術特點、加工精度、類型與適用范圍

2.加工中心的加工精度

加工中心的加工精度主要與其位置精度有關，加工孔的位置精度（例如孔距誤差）大約是相關運動坐標定位精度的1.5倍。銑圓精度是綜合評價加工中心相關數控軸的伺服跟隨運動特性和數控系統插補功能的指標，其允差普通級為0.03~0.04mm，精密級為0.02mm。

2.5.2加工中心的技術特點、加工精度、類型與適用范圍

3.加工中心的類型與適用范圍見表2-1。

2.5.3加工中心的典型自動化機構

加工中心必須具有刀具庫及刀具自動交換機構，還有單臂和雙臂換刀機械手，180°布置的雙臂機械手應用最普遍。

1.自動換刀與刀庫。加工中心刀具的存取方式有順序方式和隨機方式，刀具隨機存取是最主要方式。

2.觸發式測頭測量系統。用于循環測量，觸發式測頭具有三維測量功能，測量系統信號的傳輸和接收除紅外輻射式外，常用的還有電磁耦合式。

2.5.3加工中心的典型自動化機構

3.刀具長度測量系統。用以檢查刀具長度正確性以及刀具折斷、破損現象，也可以用觸發式測頭檢測刀具長度的變化。

4.回轉工作臺。是臥式加工中心實現B軸運動的部件，B軸的運動可作為分度運動或進給運動。回轉工作臺有兩種結構形式，僅用于分度的回轉工作臺用鼠齒盤定位。用于進給運動的回轉工作臺用伺服電動機驅動。加工中心的交換工作臺和托盤交換裝置配合使用，實現了工件的自動更換。2.5.4臥式加工中心的布局結構形式

臥式加工中心的主要運動包括三個移動軸（X、Y、Z）和一個回轉軸（B軸），在四個運動軸的分配上，四個相對運動既可以分配給刀具，也可以分配給工件，或者由工件和刀具共同來完成。從目前機床結構看，回轉軸一般都由工作臺的回轉來完成（B軸），所以機床的布局主要在三個移動軸的分配上。其移動軸的主要結構形式及特點如表2-2所示。2.5.4臥式加工中心的布局結構形式2.5.5立式加工中心

立式加工中心是指主軸軸線與工作臺垂直設置的加工中心，主要適用于加工板類、盤類、模具及小型殼體類復雜零件。能完成銑削、鏜削、鉆削、攻螺紋等工序。立式加工中心最少是三軸二聯動，可實現三軸三聯動，有的可進行五軸、六軸控制。對箱體類工件加工范圍小，但裝夾、定位方便、刀具運動軌跡易觀察、調試程序檢查測量方便、切屑易排除和掉落、結構簡單，占地面積較小，價格較低。2.5.5立式加工中心

立式加工中心分類一般如下：

1.依據導軌分類。依據立式加工中心各軸導軌的形式可分硬軌及線軌。硬軌適合重切削，線軌運動更靈敏。

2.依據轉速分類。立式加工中心主軸轉速6000~l5000r/min為低速型，l8000r/min以上為高速型。

3.依據結構分類。依據立式加工中心的床身結構可分為C型及龍門型。2.5.6五面加工中心

五面加工中心是在工件一次裝夾后，能完成除安裝底面外的五個面的加工設備，兼有立式和臥式加工中心的功能。常見的五面加工中心有兩種形式，一種是主軸按相應角度旋轉，可成為立式加工中心或臥式加工中心；另一種是工作臺帶著工件作旋轉，主軸不改變方向而實現五面加工。無論是哪種五面加工中心都存在著結構復雜、造價昂貴的缺點。2.5.6五面加工中心

五面加工中心的坐標系統如圖2.24所示。

2.6剛性自動化生產線

機械加工自動化生產線（簡稱自動線）是一組用運輸機構聯系起來的由多臺自動機床（或工位）、工件存放裝置以及統一自動控制裝置等組成的自動加工機器系統。2.6.1自動線的特征2.6.2自動線的組成2.6.3自動線的類型2.6.4自動線的控制系統2.6.1自動線的特征

自動線能減輕工人的勞動強度，并大大提高勞動生產率，減少設備布置面積，縮短生產周期，縮減輔助運輸工具，減少非生產性的工作量，建立嚴格的工作節奏，保證產品質量，加速流動資金的周轉和降低產品成本。自動線的加工對象通常是固定不變的，或在較小的范圍內變化，而且在改變加工品種時要花費許多時間進行人工調整。由于其初始投資較多，自動線只適用于大批量的生產場合。2.6.1自動線的特征

自動線是在流水線的基礎上發展起來的，它具有較高的自動化程度和統一的自動控制系統，并具有比流水線更為嚴格的生產節奏性。在自動線的工作過程中，工件以一定的生產節拍，按照工藝順序自動地經過各個工位，在不需工人直接參與的情況下，自行完成預定的工藝過程，最后成為合乎設計要求的制品。2.6.2自動線的組成

自動線通常由工藝設備、質量檢查裝置、控制和監視系統、檢測系統以及各種輔助設備等所組成。其基本部分如圖2.25所示。2.6.2自動線的組成

如圖2.26所示了常見的加工箱體類零件的組合機床自動線。從圖中可以看出，該自動線主要由三臺組合機床1、2和3，輸送帶4，輸送帶傳動裝置5，轉位臺6，轉位鼓輪7，夾具8，切屑運輸裝置9，液壓站10以及操縱臺11等所組成。2.6.2自動線的組成2.6.3自動線的類型

自動線的類型可從以下三方面分類。

1.按工件外形和工件運動狀態分類

2.按所用的工藝設備類型分類

3.按設備連接方式分類1.按工件外形和工件運動狀態分類

1）旋轉體工件加工自動線這類自動線由自動化通用機床、自動化改裝的通用機床或用機床組成，用于加工軸、盤及環類工件，在切削加工過程中工件旋轉。這類自動線完成的典型工藝是：車外圓、車內孔、車槽、車螺紋、磨外圓、磨內孔、磨端面、磨糟等。1.按工件外形和工件運動狀態分類

2）箱體、雜類工件加工自動線這類自動線由組合機床或專用機床組成，在切削過程中工件固定不動，可以對工件進行多刀、多軸、多面加工。這類自動線完成的典型工藝是：鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、銑平面、銑槽、車端面、套車短外圓、加工內外螺紋以及徑向切槽等。隨著技術的發展，車削、磨削、拉削、仿形加工、珩磨、研磨等工序也納入了組合機床自動線。2.按所用的工藝設備類型分類

1）通用機床自動線這類自動線多數是在流水線基礎上，利用現有的通用機床進行自動化改裝后聯成的。其建線周期短、制造成本低、收效快，一般多用于加工盤類、環類、軸、套、齒輪等中小尺寸、較簡單的工件。2.按所用的工藝設備類型分類

2）專用機床自動線這類自動線所采用的工藝設備以專用自動機床為主。專用自動機床由于是針對某一種（或某一組）產品零件的某一工序而設計制造的，因而其建線費用較高。這類自動線主要針對結構比較穩定、生產綱領比較大的產品。2.按所用的工藝設備類型分類

3）組合機床自動線用組合機床連成的自動線，在大批量生產中日益得到普遍的應用。由于組合機床設計周期短，制造成本低，而且已經在生產中積累了較豐富的實踐經驗，因此組合機床自動線能收到較好的使用效果和經濟效益。這類自動線在目前大多用于箱體、雜類工件的鉆、擴、餃、鏜、攻螺紋和銑削等工序。3.按設備連接方式分類

1）剛性連接的自動線在這類自動線中沒有貯料裝置，機床按照工藝順序依次排列，工件由輸送裝置從一個工位傳送到下一工位，直到加工完畢。其工件的加工和輸送過程具有嚴格的節奏性，當一個工位出現故障時，會引起全線停車。因此，這種自動線采用的機床和輔助設備都要具有良好的穩定性和可靠性。3.按設備連接方式分類

2）柔性連接的自動線在這類自動線中設有必要的貯料裝置，可以在每臺機床之間或相隔若干工位設置貯料裝置，貯備一定數量的工件，當一臺機床（或一段）因故障停車時，其上下工位（或工段）的機床在一定時間內可以繼續工作。2.6.4自動線的控制系統

自動線按照嚴格的工藝順序依靠控制系統將自動機床和輔助設備連成一個有機的整體，以完成預定的連續的自動工作循環。自動線的可靠性在很大程度上決定于控制系統的完善程度和可靠性。自動線的控制系統可分為三種基本類型：行程控制系統、集中控制系統和混合控制系統。行程控制系統

行程控制系統沒有統一發出信號的主令控制裝置，每一運動部件或機構在完成預定的動作后發出執行信號，啟動下一個（或一組）運動部件或機構，如此連續下去直到完成自動線的工作循環。由于控制信號一般是利用觸點式或無觸點式行程開關，在執行機構完成預定的行程量或到達預定位置后發出，因而稱之為行程控制系統。行程控制系統

行程控制系統實現起來比較簡單，電氣控制元件的通用性強，成本較低。在自動循環過程中，若前一動作沒有完成，后一動作就得不到啟動信號，因而控制系統本身具有一定的互鎖性。當順序動作的部件或機構較多時，行程控制系統不利于縮短自動線的工作節拍；同時，控制線路電器元件增多，接線和安裝會變得復雜。集中控制系統

集中控制系統由統一的主令控制器發出各運動部件和機構順序工作的控制信號。一般主令控制器的結構原理是在連續或間歇回轉的分配軸上安裝若干凸輪，按調整好的順序依次作用在行程開關或液壓（或氣動）閥上；或在分配圓盤上安裝電刷，依次接通電觸點以發出控制信號。分配軸每轉動一周，自動線就完成一個工作循環。集中控制系統

集中控制系統是按預定的時間間隔發出控制信號的，所以也稱為“時間控制系統”。集中控制系統電氣線路簡單，所用控制元件較少，但其沒有行程控制系統那樣嚴格的連鎖性，后一機構按一定時間得到啟動信號，與前一機構是否已完成了預定的工作無關，可靠性較差。集中控制系統適用于比較簡單的自動線，在要求互鎖的環節上，應設置必要的連鎖保護機構。混合控制系統

混合控制系統綜合了行程控制系統和集中控制系統的優點，根據自動線的具體情況，將某些要求連鎖的部件或機構用行程控制，以保證安全可靠，其余無連鎖關系的動作則按時間控制，以簡化控制系統。混合控制系統大多在通用機床自動線和專用（非組合）機床自動線中應用。2.7柔性制造單元

2.7.1概述2.7.2柔性制造單元的組成形式2.7.3柔性制造單元的特點和應用2.7.4柔性制造單元的發展趨勢2.7.1概述1967年Molins公司研制了第一個柔性制造系統（FlexibleManufacturingSystem，FMS）。FMS的產生標志著傳統的機械制造行業進入了一個發展變革的新時代，自其誕生以來就顯示出強大的生命力。它克服了傳統的剛性自動線只適用于大量生產的局限性，表現出了對多品種、中小批量生產制造自動化的適應能力。2.7.1概述1975年，出現了柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell，FMC），它是FMS向大型化、自動化工廠發展時的另一個發展方向—向廉價化、小型化發展的產物。

FMC本身具備了FMS絕大部分的特性和功能，因此FMC可以看作獨立的最小規模的FMS。2.7.1概述

柔性制造單元通常由1~3臺數控加工設備、工業機器人、工件交換系統以及物料運輸存儲設備構成。它具有獨立的自動加工功能，一般具有工件自動傳送和監控管理功能，以適應于加工多品種、中小批量產品的生產，是實現柔性化和自動化的理想手段。

FMC的投資比FMS小，技術上容易實現，是一種常見的加工系統。2.7.2柔性制造單元的組成形式

通常，FMC有兩種組成形式：托盤交換式和工業機器人搬運式。

1.托盤交換式FMC:主要以托盤交換系統為特征，一般具有5個以上的托盤，組成環形回轉式托盤庫，如圖2.27所示。2.7.2柔性制造單元的組成形式1.托盤交換式托盤支承在環形導軌上，由內側的環鏈拖動而回轉，鏈輪由電動機驅動。托盤的選擇和定位由可編程控制器（PLC）進行控制，借助終端開關、光電編碼器來實現托盤的定位檢測。這種托盤交換系統具有存儲、運送、檢測、工件和刀具的歸類以及切削狀態監視等功能。2.7.2柔性制造單元的組成形式1.托盤交換式

該系統中托盤的交換由設在環形交換導軌中的液壓或電動推拉機構來實現。這種交換首先指的是在加工中心上加工的托盤與托盤系統中備用托盤的交換。如果在托盤系統的另一端再設置一個托具工作站，則這種托盤系統可以通過托具工作站與其他系統發生聯系，若干個FMC通過這種方式，可以組成一條FMS線。2.7.2柔性制造單元的組成形式2.工業機器人搬運式

對于回轉體零件，通常采用工業機器人搬運的FMC形式，如圖2.28所示。

2.7.2柔性制造單元的組成形式2.工業機器人搬運式

搬運機器人3在車削中心和緩沖儲料裝置（毛坯臺4、成品臺5）之間進行工件的自動交換。工件毛坯及成品到倉庫的運輸由自動導向小車6完成。由于工業機器人的抓取力和抓取尺寸范圍的限制，工業機器人搬運式FMC主要適用于小件或回轉體零件。2.7.2柔性制造單元的組成形式FMC由于屬于無人化自動加工單元，因此一般都具有較完善的自動檢測和自動監控功能。如刀尖位置的檢測、尺寸自動補償、切削狀態監控、自適應控制、切屑處理以及自動清洗等功能，其中切削狀態的監控主要包括刀具折斷或磨損、工件安裝錯誤的監控或定位不準確、超負荷及熱變形等工況的監控，當檢測出這些不正常的工況時，便自動報警或停機。2.7.3柔性制造單元的特點和應用

柔性制造單元具有如下特點

1.柔性。柔性制造單元的柔性是指加工對象、工藝過程、工序內容的自動調整性能。

2.自動化。柔性制造單元使用數控機床進行加工，采用自動輸送裝置實現工件的自動運輸和自動裝卸，由計算機對工件的加工和輸送進行控制，實現了制造過程的自動化。2.7.3柔性制造單元的特點和應用

3.加工精度和效率高，質量穩定。由于柔性制造單元由數控設備構成，所以其具備數控設備的效率高、加工質量穩定和精度高的特點。

4.同FMS相比，FMC的投資和占地面積相對較小。由于受其設備數量的限制，設備種較少，所以一個柔性制造單元不可能同時具備加工主體結構不同的各類零件的能力。2.7.4柔性制造單元的發展趨勢

1.FMC正向裝配FMC及其他功能FMC方向發展。

2.FMC的發展趨勢之一是以FMC為基礎的網絡化。它是由FMC與局部網絡（LAN）組成的所謂“中小企業分散綜合型FMS”。可以共同使用CAD/CAM站的信息、技術等，構成了物料和信息有機結合的生產系統。

3.目前，國外正致力于開發研究分散型FMC的課題。2.8柔性制造系統2.8.1柔性制造系統的定義和組成2.8.2系統柔性的概念2.8.3柔性制造系統的特點和應用2.8.1柔性制造系統的定義和組成

柔性制造系統（FMS）是在計算機統一控制下，由自動裝卸與輸送系統將若干臺數控機或加工中心連接起來構成的一種適合于多品種、中小批量生產的先進制造系統。

如圖2.29所示是一個典型的柔性制造系統示意圖。2.8.1柔性制造系統的定義和組成2.8.1柔性制造系統的定義和組成

FMS主要由以下三個子系統組成

1.加工系統：是FMS的主體部分，主要用于完成零件的加工。

加工系統一般由兩臺以上的數控機床、加工中心以及其他的加工設備構成，包括清洗設備、檢驗設備、動平衡設備和其他特種加工設備等。

加工系統的性能直接影響著FMS的性能，加工系統在FMS中是耗資最多的部分。2.8.1柔性制造系統的定義和組成

2.物流系統：該系統包括運送工件、刀具、夾具、切屑及冷卻潤滑液等加工中所需“物流”的搬運裝置、存儲裝置和裝卸與交換裝置。

搬運裝置有傳送帶、軌道小車、無軌小車、搬運機器人、上下料托盤等。

存儲裝置主要由設置在搬運線始端或末端的自動倉庫和設在搬運線內的緩沖站構成。

裝卸與交換裝置有托盤交換器、換刀機械手、堆垛機等。

3.控制和監控系統。2.8.2系統柔性的概念

柔性的概念可以表現在兩個方面：一是指系統適應外部環境變化的能力，可采用系統所能滿足新產品要求的程度來衡量。二是指系統適應內部變化的能力，可采用在有干擾（如各種機器故障）的情況下系統的生產率與無干擾情況下的生產率期望之比來衡量。2.8.2系統柔性的概念

一個理想的FMS應具備多方面的柔性

1.設備柔性：指系統中的加工設備具有適應加工對象變化的能力。

2.工藝柔性：指系統能以多種方法加工某一族工件的能力。

3.產品柔性：指系統能夠經濟而迅速地轉換到生產一族新產品的能力。

4.工序柔性：指系統改變每種工件加工工序先后順序的能力。2.8.2系統柔性的概念

5.運行柔性：指系統處理其局部故障，并維持繼續生產原定工件族的能力。

6.批量柔性：指系統在成本核算上能適應不同批量的能力。

7.擴展柔性：指系統能根據生產需要方便地模塊化進行組建和擴展的能力。

8.生產柔性：指系統適應生產對象變換的范圍和綜合能力。

2.8.2系統柔性的概念

上述各種柔性是相互影響、密切相關的，一個理想的FMS系統應該具備所有的柔性。功能上說，柔性越強，其加工能力和適應性就越強。但過度的柔性會大大地增加投資，造成不必要的浪費。所以在確定系統的柔性前，必須對系統的加工對象（包括產品變動范圍、加工對象規格、材料、精度要求范圍等）作科學的分析，確定適當的柔性。2.8.3柔性制造系統的特點和應用

柔性制造系統的主要優點表現在以下幾個方面：

1.設備利用率高

2.減少生產周期

3.具有維持生產的能力

4.生產具有柔性

5.產品質量高

6.加工成本低。2.8.3柔性制造系統的特點和應用

柔性制造系統的主要缺點是：

1.系統投資大，投資回收期長。

2.系統結構復雜，對操作人員的要求高。

3.復雜的結構使得系統的可靠性降低。2.8.3柔性制造系統的特點和應用

目前FMS主要用于生產機床、重型機械、汽車、飛機和工業產品等。從加工零件的類型來看，大約70%的FMS用于箱體類的非回轉體的加工，30%左右的FMS用于回轉體的加工。大約有一半的系統是加工切屑處理比較容易的鑄鐵件，其次是鋼件和鋁件，加工這三種材料的FMS占總數的85%~90%。2.9自動線的輔助設備

在自動化制造過程中，為了提高自動線的生產效率和零件的加工質量，除了采用高柔性、高精度及高可靠性的加工設備和先進的制造工藝外，零件的運儲、翻轉、清洗、去毛刺及切屑和切削液的處理也是不可缺少的工序。零件在檢驗、存儲和裝配前必須要清洗及去毛刺；切屑必須隨時被排除、運走并回收利用；切削液的回收、凈化和再利用，可以減少污染，保護工作環境。2.9自動線的輔助設備2.9.1清洗站2.9.2去毛刺設備2.9.3工件輸送裝置2.9.4自動線上的夾具2.9.5轉位裝置2.9.6儲料裝置2.9.7排屑裝置2.9.1清洗站

清洗站一般按其工作是否連續分為間歇式（批處理式）和連續通過式（流水線式）。

批處理式清洗站用于清洗質量和體積較大的零件，屬中小批量清洗。批處理式清洗機有傾斜封閉式清洗機、工件搖擺式清洗機和機器人式清洗機。

流水線式清洗站用于零件通過量大的場合。2.9.2去毛刺設備

最常用的去毛刺方法有機械法、振動法、熱能法、電化學法等。

1.機械法

機械法去毛刺包括在AMS中使用工業機器人，機器人手持鋼絲刷、砂輪或油石打磨毛刺。機械去毛刺常用的工具有砂帶、金屬絲刷、塑料刷、尼龍纖維刷、砂輪、油石等。2.9.2去毛刺設備

2.振動法

振動法去毛刺機適用于清除小型回轉體或棱體零件的毛刺。零件分批裝入一個筒狀的大容器罐內，用陶瓷卵