自动化生产线和机器人技术应用

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2.2 加工中心(MC) 加工中心的系统基本组成与一般数控机床一样，只
是在此基础上增加了刀库和自动换刀装置而形成一类更 复杂，但用途更广，效率更高的数控机床。加工中心配 置有刀库和自动换刀装置，能在一台机床上完成车、铣、 镗、钻、铰、攻螺纹、轮廓加工等多个工序的加工。
加工中心机床具有工序集中，可以有效缩短调整时 间和搬运时间，减少在制品库存，加工质量高等优点， 因此常用于零件比较复杂，需要多工序加工，且生产批 量中等的生产场合。
柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）由单 台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等 组成。
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1. FMC FMC控制系统一般分为两级，分别是单元控制级和 设备控制级。 （1）设备控制级。 （2）单元控制级。 2. FMC FMC （1）单元中各加工设备的任务管理与调度。 （2）单元内物流设备的管理与调度。 （3）刀具系统的管理。图1-2所示为一以加工回转 体零件为主的柔性制造单元。
1. 自动化加工设备; 2. 工件输送系统; 3. 刀具;
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图1-7为一加工箱体零件的柔性自动线示意图，它由 两台对面布置的数控铣床，四台两两对面布置的转塔式 换箱机床和一台循环式换箱机床组成。采用辊子传送带 输送工件。这条自动线看起来和刚性自动线没有什么区 别，但它具有一定的柔性。FML同时具有刚性自动线和 FMS的某些特征，在柔性上接近FMS，在生产率上接近 刚性自动线。
柔性制造线（Flexible Manufacturing Line）由自动 化加工设备、工件输送系统和控制系统等组成。
智能化制造 图1-6 具有装配功能的柔性制造系统
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柔性制造线的主要优点是：具有刚性自动线的绝 大部分优点；当批量不很大时，生产成本比刚性自动 线低得多；当品种改变时，系统所需的调整时间又比 刚性自动线少得多，但建立系统的总费用却比刚性自 动线高得多。
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预备知识 常用的机械加工方法和设备
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金属切削加工是在机床上，利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层(加工 余量），以获得具有一定的表面精度(形状、尺寸和位置精度)和表面质量 的机械零件的机械加工力法。
智能化制造 车削 刨削 磨削
电火花加工 电解加工
铣削 镗削 钻削
常用机械加工方法
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喷油泵体精镗组合机床
多工位小型组合机床
缸盖精加工组合机床
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2 数控机床
2.1 一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数
控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系 统是非常重要的。
1. 2.自动化程度高 3.加工精度高且质量稳定
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4.生产效率较高 5. 6. 现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计 算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之 间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。 通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。 图3-10是数控装置的基本组成框图。
组合机床的特点： ①工序集中，多刀同时切削加工，生产效率高； ②采用专用夹具和刀具(如复合刀具、导向套)，加工质量稳定； ③常用液压、气动装置对工件定位、夹紧和松开，实现工件装夹自动化； ④常用随行夹具，方便工件装卸和输送； ⑤更换主轴箱可适应同组零件的加工，有一定的柔性； ⑥采用可编程控制器控制可与上层控制计算机通信； ⑦机床主要由通用部件组成，设计、制造周期短，建造自动化速度快。
激光加工
超声加工
精密及特种加工方法
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1.3柔性制造系统(FMS) 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）由
两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工 自动化的基础上实现了物料流和信息流的自动化。其 基本组成部分有：
FAL
物料输送 装配
装配机器人、装配装置、 人工装配工位
全线进行高度和监 控
装配站
控制系统
定时器自动装配线
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第二节 自动化加工设备
1、组合机床 2、数控机床
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组合机床一般是针对某一种零件或某一组零件设计、制造的，常用于箱体、 壳体和杂件类零件的平面、各种孔和孔系的加工．往往能在一台机床上对工 件进行多刀、多轴、多面和多工位加工。
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车削中心 动力头
12工位动力刀架 对刀仪
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车削中心回转刀架通常可装刀具12～16把，这对无人 看管柔性加工来说是不够的。因此，有的车削中心装备有 刀具库，刀库有筒形或链形，刀具更换和存储系统位于机 床一侧，刀库和刀架间的刀具交换由机械手或专门机构进 行。
车削中心采用可快速更换的卡盘和卡爪，普通卡爪更 换时间为5～10min，而快速更换卡盘、卡爪的时间可控 制在2min以内。卡盘有3～5套快速更换卡爪，以适应不 同直径的工件。如果工件直径变化很大，则需要更换卡盘。 有时也采用人工在机床外部用卡盘夹持好工件，用夹持有 新工件的卡盘更换已加工的工件卡盘的方法，工件-卡盘 系统更换常采用自动更换装置。
加工中心通常是指镗铣加工中心，主要用于加工箱 体及壳体类零件，工艺范围广。
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加工中心通常是指镗铣加工中心，主要用于加工箱体及壳体类零件
立式加工中心
卧式加工中心
平面零件的单面加工
大型箱体零件的多面加工
智能化制造 加工中心的特点：
普通数控机床
刀具库
刀具自动交换机构
复杂工作台
顺序存取 随机存取
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1 概述
1.1 1.刚性半自动化单机 除上、下料外，机床可以自动完成单个工艺过程
的加工循环，这样的机床称为刚性半自动化机床。 2.刚性自动化单机 它是在刚性半自动化单机的基础上增加了自动上、
下料等辅助装置而形成的自动化机床。
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3. 刚性自动化生产线是多工位生产过程，用工件输 送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺 序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工 的复杂大系统。 图1-1所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局 图。该自动线年生产曲拐零件17000件，毛坯是球墨铸 铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面， 因而采用了随行夹具安装定位，便于工件的输送。
智能化制造 图3-10 数控装置的基本组成框图
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CNC系统由程序、输入输出设备、计算机数字控 制 装 置 、 可 编 程 控 制 器 （ PC 或 可 编 程 逻 辑 控 制 器 PLC）、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成， 如图3-11所示。
智能化制造 图3-11 CNC系统框图
智能化制造 图1-2 柔性制造单元
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图1-3所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元 主机是一台卧式加工中心，刀库容量为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，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧 的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。
智能化制造 图1-3 带托盘库的柔性制造单元
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1-1 (a)正视图；(b)俯视图
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刚性自动线生产率高，但柔性较差，当加工件的变化时， 需要停机、停线并对机床、夹具、刀具等工装设备进行 调整或更换，如更换主铀箱，通常调整工作量大，停产 时间较长。
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该曲拐加工自动线由七台组合机床和一个装卸工 位组成。全线定位夹紧机构由一个泵站集中供油。工 件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式 传动装置驱动。 1.2 柔性制造单元(FMC)
智能化制造 图1-7 柔性制造线示意图
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传送带
FML
工件输送 系统
数控机床、可换主轴箱机 主轴箱装多把刀具，
床
人工换刀
自动化加 工设备
刀具
钣金柔性加工线1
钣金柔性加工线2
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1.5 柔性装配线(FAL) 柔 性 装 配 线 （ FlexibleAssemblyLine ） 通 常 由 装 配
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图1-6所示是一个具有装配功能的柔性制造系统。 柔性制造系统的主要特点有：柔性高，适应多品种中、 小批量生产；系统内的机床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；系统局部调整 或维修不中断整个系统的运作；多层计算机控制，可 以和上层计算机联网；可进行三班无人干预生产。 1.4柔性制造线(FML)
智能化制造 图1-4 FMS控制系统实例
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图1-5是一种较典型的FMS，四台加工中心直线布置， 工件储运系统由托盘站2、托盘输送车4、工件装卸工 位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组成。
智能化制造 图1-5 柔性制造系统的组成
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柔性制造系统的主要特点有：
①柔性高，适应多品种中小批量生产； ②系统内的机床在工艺能力上是相互补充和相互替代的； ③可混流加工不同的零件； ④系统局部调整或维修不中断整个系统的运作； ⑤多层计算机控制，可以和上层计算机联网； ⑥可进行三班无人干预生产。
3. FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和 交换机构等组成。
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4. FMS可以根据生产需要配置辅助设备。辅助设备 一般包括自动清洗工作站,自动去毛刺设备,自动测量设 备,集中切屑运输系统和集中冷却润滑系统等。
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5. FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、 工作站控制级、设备控制级。图1-4就是一个FMS控制系 统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350卧式 加工中心、XH714A立式加工中心和仓储设备等。 （1）设备控制级。 （2）工作站控制级。 （3）单元控制级。
机械手
多面加工 工件自动交换
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加工中心的刀具库通常位于远离主轴的机床侧面或顶部。
加工中心刀具的存取方式有顺序方式和随机方式，刀具 随机存取是最主要的方式。正确安放刀具是成功执行数控程 序的基本条件。
回转工作台是卧式加工中心实现主轴运动的部件，主轴 的运动可作为分度运动或进给运动。
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，也称数控工作台。数
站、物料输送装置和控制系统等组成。
1. 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。
2. 3. FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要控制 物料的流向和自动装配站、装配机器人。图1-8是FAL 的示意图。
智能化制造 图1-8 柔性装配线示意图
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
传送带和换向机构
自动化加工设备、工件储运系统、刀具储运系统 和多层计算机控制系统等。
1. 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。
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2. 工件储运系统 FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更 换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库和托盘 （工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运 输小车、机器人或机械手等;工件更换装置包括各种机 器人或机械手、托盘交换装置等。
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自动化生产线与机器人技术应用
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智能化制造系统由于其加工工艺范围很广，涉及到很多 设备。本课程主要介绍常用自动化生产线和工业机器人 的类型及布局、各种自动化加工设备、工件的储运系统、 刀具准备及储运系统、控制与监控系统、各种辅助设备 以及自动化制造系统的控制系统。
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1 概述 2 自动化加工设备 3 工件储运设备 4 刀具准备与储运系统 5工业机器人 6 质量控制和运行监控系统 7 辅助设备 8 控制系统 思考题
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。
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车削中心比数控车床工艺范围宽，工件一次安装，几乎 能完成所有表面的加工，如内、外圆表面，端面，沟槽，内、 外圆及端面上的螺旋槽，非回转轴心线上的轴向孔和径向孔 等。
车削中心回转刀架上可安装如钻头、铣刀、铰刀、丝锥 等回转刀具，它们由单独的电动机驱动，也称自驱动刀具。 在车削中心上用自驱动刀具对工件的加工分为两种情况：一 种是主轴分度定位后固定，对工件进行钻、铣、攻螺纹等加 工；另一种是主轴运动作为一个控制轴（C轴），C轴运动 和X、Z 轴运动合成为进给运动，即三坐标联动，铣刀在 工件表面上铣削各种形状的沟槽、凸台、平面等。