數(shù)控導(dǎo)軌磨床設(shè)計

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一個新的產(chǎn)品或復(fù)雜形狀的零部件的開發(fā)需要經(jīng)過操作者無數(shù)次的試驗來確定合適的工藝參數(shù)。更進(jìn)一步，由于人為因素的影響，制造那些極其相似的零件需進(jìn)行重復(fù)的工作且浪費時間。這些事實表明此類制造工藝效率低下并且在整個生產(chǎn)成本中勞動力成本占了很大比重。特別是面對國內(nèi)外的競爭壓力，在提高制造設(shè)備效率的同時，必須降低勞動力成本的比重。生產(chǎn)率也是人們關(guān)注的主要焦點之一。生產(chǎn)率是指每個工人每小時的產(chǎn)量，也就是資源的最優(yōu)化利用率，它是工作效率的基本度量標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，以勞動力成本為代表的部分成本也開始降低了。如何才能提高生產(chǎn)率呢？到20世紀(jì)40年代時，操作設(shè)備的機械化水平已基本上達(dá)到了頂峰。機械化是指利用各種機械、液壓、氣動技術(shù)或者電氣設(shè)備來完成一個工序或操作過程。例如，用一個簡單的手動起子開啟一個瓶子需要浪費很多時間和體力，并會使人感到單調(diào)乏味。而利用一個電動開瓶器，僅需要很少時間和力氣，不過這項工作仍然沉悶乏味，過一會兒，它的效率也會下降。要清楚的是，在上述機械化系統(tǒng)中，操作者依然直接控制各工藝過程，他必須一步一步去檢查機器的工作性能。比如說，加工過程中刀具破損了，熱處理中工件過熱了，磨削中表面粗糙度增高了或者加工中尺寸公差極度變大，在上述情況發(fā)生時，操作者必須及時控制并改變一些相關(guān)的工藝參數(shù)。制造系統(tǒng)效率提高的下一個階段就是自動化。在20世紀(jì)40年代中期，自動化一詞被美國汽車工業(yè)界所引用，當(dāng)時是指機械制造中零部件的自動化傳送。在過去的40多年里，隨著計算機和控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，自動化技術(shù)在類型和應(yīng)用范圍上都有了很大的突破。本章大綱如圖38.1所示。首先，回顧了自動化技術(shù)的歷史和淵源，并闡述了自動化技術(shù)如何將各種操作和動作集成起來，應(yīng)用于制造工廠中，以提高工廠的生產(chǎn)效率。其次，通過數(shù)控技術(shù)和自適應(yīng)控制技術(shù)介紹了機械系統(tǒng)控制的基本原理。圖38.1 第38章題綱制造的實質(zhì)是指物料處理。也即原料和零件在工廠內(nèi)各加工階段的運動。文中介紹了各種各樣的物料處理系統(tǒng)是如何發(fā)展而來的，特別是那些用來提高生產(chǎn)率的工業(yè)機器人。另外文中還介紹了一些關(guān)于傳感器技術(shù)的知識，傳感器是機器、工藝過程、制造系統(tǒng)控制和優(yōu)化色主要組成元素。柔性夾具和自動化裝配是兩個新的發(fā)展方向。這兩項技術(shù)能夠使我們充分利用先進(jìn)制造技術(shù)，特別是柔性制造系統(tǒng)。同時，也使我們更好地利用計算機集成制造系統(tǒng)以及它對制造技術(shù)其他方面地影響。38.2自動化技術(shù)通常對自動化技術(shù)的定義是：自動化是使機器按照預(yù)定的工作順序動作的工作過程，在此過程中，運用特殊的設(shè)備、儀器來控制，很少甚至沒有人的參與。如第38.8節(jié)和第39章描述的那樣，通過應(yīng)用各種儀表、傳感器、以及其他技術(shù)和設(shè)備，它們能夠檢測和控制整個工藝過程的各個方面，并能夠?qū)ぷ鬟^程中的變化作出判斷和控制決定，從而實現(xiàn)全自動化。自動化并不是一個創(chuàng)造性的概念而是在逐漸演化中形成的。它已經(jīng)在工業(yè)實踐的以下基礎(chǔ)領(lǐng)域成功地實現(xiàn)：1. 工藝過程。機械加工、鍛造、沖壓、鑄造、以及磨削是廣泛應(yīng)用自動化的典型例子。2. 物料傳送。通過無人導(dǎo)向的數(shù)控裝置來實現(xiàn)原材料在各工步間的傳送。3. 檢驗。自動檢驗零件的質(zhì)量、尺寸精度和表面粗糙度，其中包括在線檢測和加工完畢之后的檢驗。4. 裝配。單個零件被自動化裝配后形成部件，然后，部件裝配得到產(chǎn)品。5. 包裝。自動化產(chǎn)品包裝線。38.2.1自動化技術(shù)的演化許多金屬加工工藝起源于公元前4000年（見表38.1），但是直到18世紀(jì)50年代工業(yè)革命初期，自動化技術(shù)才被引入到產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程中，如六角車床、自動螺紋加工車床、以及殼體加工設(shè)備等都是在19世紀(jì)90年代以至20世紀(jì)初才發(fā)展起來的。大批大量生產(chǎn)技術(shù)和自動化生產(chǎn)線興起于上世紀(jì)20年代。這些擁有自動化裝置的設(shè)備主要用來生產(chǎn)某些特定的產(chǎn)品。在汽車工業(yè)中應(yīng)用的高效低成本的轎車生產(chǎn)線就是它們的典型代表。自動化技術(shù)的最大突破來自于20世紀(jì)50年代初期的機床數(shù)控技術(shù)。這次歷史性的發(fā)展給制造自動化技術(shù)帶來了許多巨大的成果。其中，包括計算機在自動化技術(shù)中得以應(yīng)用、計算機數(shù)控技術(shù)、自適應(yīng)控制、工業(yè)機器人、以及計算機集成制造系統(tǒng)（包括CAD、CAE、CAM）等。表38.1制造自動化發(fā)展史日期發(fā)展15001600水力金屬加工機械、貨幣軋機16001700手搖木頭加工車床、機械式計算器17001800鏜床、車床、螺紋加工車床、鉆床18001900仿形車床、六角車床、萬能銑床、高級機械式計算器1808用于自動控制紡織機編織花紋的打孔薄鋼片1863自動演奏鋼琴19001920齒輪車床、自動螺紋機床、自動殼體加工機床1920機器人一詞首次出現(xiàn)19201940自動傳輸線、大批量生產(chǎn)1940首臺電子計算機1943首臺數(shù)字電子計算機1945首次提出自動化一詞1948晶體管的發(fā)明1952首臺數(shù)控機床模型1954發(fā)明自動控制程序的編程語言、提出自適應(yīng)控制原理1957數(shù)控機床廣泛應(yīng)用1959集成電路、首次應(yīng)用成組工藝1960工業(yè)機器人1965大規(guī)模集成電路1968PLC出現(xiàn)1970首個集成制造系統(tǒng)、機器人點焊技術(shù)應(yīng)用于汽車車身20世紀(jì)70年代微處理器、微型機器人、柔性制造系統(tǒng)、成組技術(shù)20世紀(jì)80年代人工智能、智能機器人、智能傳感器、微小制造單元20世紀(jì)90年代集成制造系統(tǒng)、基于傳感器的智能化機械無線通訊技術(shù)和全球制造網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯裝置、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)38.2.2自動化技術(shù)的目標(biāo)自動化技術(shù)的基本目標(biāo)如下：A 實現(xiàn)制造各部分的集成化，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性，使生產(chǎn)周期和勞動量最小化，降低勞動成本。B 通過優(yōu)化的生產(chǎn)控制來降低制造成本，提高生產(chǎn)率。零件的裝卸進(jìn)給、機器人的使用、以及生產(chǎn)組織更加高效。C 提高產(chǎn)品質(zhì)量D 降低人為因素干擾、個人情緒影響以及發(fā)生人為錯誤的可能性。E 減少人工傳遞過程中的工件損壞。F 保證工人的安全性，特別是在危險工作環(huán)境下的工人。G 更加高效地安排廠房內(nèi)的機器設(shè)備、物料傳送設(shè)備及輔助設(shè)備，從而節(jié)約占地面積。自動化和產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量 生產(chǎn)數(shù)量是決定產(chǎn)品生產(chǎn)類型和生產(chǎn)自動化水平的重要因素。下面我們首先介紹一些基本的生產(chǎn)術(shù)語。 總生產(chǎn)量是指生產(chǎn)零件的總量，包括各種不同的批量。生產(chǎn)批量對生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益影響很大，具體影響將在第39章詳細(xì)講述。生產(chǎn)率是指單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量比如每天、每月、每年。表38.2列出了一些典型產(chǎn)品的年生產(chǎn)量的大概范圍。比如說，眾所周知，實驗器材和產(chǎn)品模型的生產(chǎn)數(shù)量是最少的。表38.2 產(chǎn)品生產(chǎn)類型及近似年產(chǎn)量生產(chǎn)類型近似年產(chǎn)量典型產(chǎn)品代表試驗設(shè)備或模型110單件小批105000飛機、特種機械、模具、珠寶鉆石、醫(yī)用矯形裝置、導(dǎo)彈等成批生產(chǎn)5000100000卡車、農(nóng)業(yè)機械、噴氣發(fā)動機、柴油機、計算機配件、運動器材大批大量生產(chǎn)100000以上轎車、儀器儀表、緊固件、食品以及飲料瓶等小批量的產(chǎn)品一般在單件小批生產(chǎn)車間制造（見圖38.2），運用一些通用加工機床或加工中心來完成（見第24章）。這些加工過程具有很大的柔性，就是說在短時間內(nèi)完成不同零件的加工，并不需要很大程度地改變刀具和設(shè)備參數(shù)。但另一方面，它需要具有較高技術(shù)水平的工人來操作這些設(shè)備且加工效率低下，從而導(dǎo)致單件成本較高（參見圖38.3）。產(chǎn)品的生產(chǎn)需要大量勞動力的參與，這就是所謂的勞動密集型生產(chǎn)方式。圖38.2 各種制造系統(tǒng)的柔性和生產(chǎn)率情況（注意圖中重疊的部分，那是由于各組中應(yīng)用自動化和計算機控制的程度不同所造成的。將在第39章具體介紹。） 圖38.3 三種加工類型的一般特性單件生產(chǎn)類型通常涉及很小的產(chǎn)品數(shù)量，適合于單件小批生產(chǎn)車間。大部分單件生產(chǎn)類型的產(chǎn)品年產(chǎn)量小于等于50件。小批量生產(chǎn)的年產(chǎn)量范圍在10100件之間，一般用通用機床或加工中心加工。成批生產(chǎn)一般范圍是10005000件，所運用的設(shè)備與小批量生產(chǎn)基本相同，但需專門設(shè)計夾具來提高生產(chǎn)效率。大批大量生產(chǎn)的年產(chǎn)量一般都超過100000件，因此需要用一些專用機床和用于物料和零件傳送的自動化設(shè)備。雖然這些機床設(shè)備以及專用刀具價格昂貴，但對工人的技術(shù)水平的要求和勞動力成本都相對較低，其原因就是應(yīng)用了高性能的自動化設(shè)備。但是，這類生產(chǎn)系統(tǒng)是專門為某種特定產(chǎn)品設(shè)計的因此缺乏柔性。許多工廠是通過應(yīng)用組合機床及不同程度的自動化和計算機控制來完成大批大量生產(chǎn)的。38.2.3自動化技術(shù)的應(yīng)用從單件小批到大批大量各種生產(chǎn)類型，從毛坯到精密零件等各種產(chǎn)品，自動化技術(shù)均得到了廣泛的應(yīng)用。但在新建或自動化改造某一工廠之前，必須考慮一下幾個問題：生產(chǎn)產(chǎn)品的類型；產(chǎn)品生產(chǎn)量和生產(chǎn)效率的要求；需要實現(xiàn)自動化的工序的特點；現(xiàn)有工人的技術(shù)水平；自動化系統(tǒng)可能帶來的可靠性以及維修保養(yǎng)方面的問題；經(jīng)濟(jì)性要求；由于一般情況下自動化生產(chǎn)需要很大的初期成本投入并且要求具有較高的技術(shù)和保養(yǎng)方面的知識，因此即使在決定投資一個較低水平的自動化系統(tǒng)之前，也必須仔細(xì)研究其必要性。下面所描述的情況就經(jīng)常發(fā)生，某公司雄心勃勃的去搞自動化系統(tǒng)，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)沒有預(yù)測的那么大。最后得出一個結(jié)論，自動化是不劃算的。在許多情況下工廠所需要的只是局部自動化，而并非全自動化。一般來說，如果擁有足夠的勞動力且其成本比例合理的話，工人的技術(shù)水平越高對自動化的要求越低。也就是說，自動化制造工廠，對工人的技術(shù)水平要求較低。在的VIII部分中將會講到，選擇合適程度的自動化系統(tǒng)，涉及到許多重要且復(fù)雜的因素。38.2.4剛性自動化剛性自動化生產(chǎn)線一般用來生產(chǎn)某種標(biāo)準(zhǔn)化系列化的產(chǎn)品，如發(fā)動機、氣門、齒輪或傳動軸等。雖然產(chǎn)品的大小和工藝參數(shù)（包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度）有所變化，但這些機床是專用的，缺乏柔性。它們不能夠被用來生產(chǎn)形狀和大小有明顯差異的產(chǎn)品。設(shè)計和制造這些設(shè)備需要高昂的投入，因此只有在大批大量的生產(chǎn)中應(yīng)用才有經(jīng)濟(jì)價值。剛性生產(chǎn)線中應(yīng)用的機器一般都是基于模塊化結(jié)構(gòu)的原理來設(shè)計制造的。一般被稱為組合機床，由動力頭單元和進(jìn)給傳送機構(gòu)兩部分組成。動力頭單元 動力頭是獨立工作的，由框架（也叫床身）、電機、變速箱和傳動軸四部分組成。這些部件的結(jié)構(gòu)和尺寸大小都是標(biāo)準(zhǔn)化系列化的，也正是由于這種與身俱來的模塊化特性，才使它們能夠被簡單的重組而生產(chǎn)不同的零件，可見他們也具有一定的柔性。組合機床一般由兩個或兩個以上的動力頭組成，他們按直線型、環(huán)型或U型等方式布置在車間內(nèi)。具體布置形式的選擇受工件的重量和形狀的影響。當(dāng)一個或多個單元的刀具或機床發(fā)生故障時，機器布置形式對加工的連續(xù)性有很大影響，此時還需要利用緩沖區(qū)來保證加工的連續(xù)進(jìn)行。傳送機構(gòu)和傳送線 傳送裝置的任務(wù)是將工件從機器的一個位置搬運到另一個位置（或者從一臺機器到另一臺機器），從而完成各種方式的加工。工件的傳送途徑有以下幾種：（1）工件裝在托盤上，托盤沿著導(dǎo)軌運動。（2）分度回轉(zhuǎn)工作臺（3）天車零件在各位置之間的傳輸是靠傳感器或其他設(shè)備來控制的，這些機床可以簡單快速地?fù)Q刀，并且都配備有自動化檢測系統(tǒng)，從而保證了各工序的尺寸公差均在允許的范圍之內(nèi)（在第38.10節(jié)將會講到，組合機床也能夠應(yīng)用與自動化裝配線中）。圖38.5描述了大型發(fā)動機氣缸蓋的流水線布置情況，它就是有一系列組合機床組成的。這個系統(tǒng)每小時可以生產(chǎn)100個氣缸蓋。注意其中列出的各種加工方法：銑、鉆、鉸、鏜、攻絲、珩磨、清洗和檢測等。38.2.5柔性自動化由上面的介紹我們可以看到，應(yīng)用于大批大量生產(chǎn)中的自動化生產(chǎn)線缺乏柔性。而這卻正好是柔性自動化的（或可編程序控制自動化）的優(yōu)點。它通過運用計算機和程序控制實現(xiàn)了很好的柔性。這一點將在38.3和38.4節(jié)的例子中詳細(xì)介紹。柔性自動化的一個重要發(fā)展是它能夠很容易地，隨時地修改程序，從而加工出與前一種產(chǎn)品在形狀和尺寸上差別很大的零件。正是由于這種特性，柔性生產(chǎn)線能夠制造各種復(fù)雜形狀的產(chǎn)品。柔性自動化再進(jìn)一步的發(fā)展是廣泛應(yīng)用現(xiàn)代計算機，進(jìn)而出現(xiàn)了具有很高效率和生產(chǎn)率的柔性制造系統(tǒng)。38.2.6可編程序控制器在傳統(tǒng)的制造過程中，各種機器以及物料傳送系統(tǒng)的控制一般都是由定時器、計數(shù)器、開關(guān)、繼電器和其他一些基于機械、電氣、氣動原理的硬接線設(shè)備來完成的。直到1968年，可編程序控制器的出現(xiàn)取代了這些硬接線設(shè)備。美國電氣制造協(xié)會對可編程序控制器（PLC）的定義是：可編程序控制器是一種數(shù)字式電子器件，通過數(shù)字或模擬量的輸入輸出，應(yīng)用可編程的內(nèi)部程序存儲器來完成邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、和算術(shù)運算等特殊功能來控制各種加工過程。專用于控制可編程控制器的數(shù)字計算機也屬于可編程控制器的范圍。由于PLC的應(yīng)用取代了繼電器控制面板，而且它們的程序只占用很小的空間并可以修改，因此PLC以廣泛地應(yīng)用于制造系統(tǒng)中。它們的基本功能是實現(xiàn)開關(guān)動作、順序動作以及反饋控制。由于具備高速數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信功能，他被應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。他們能夠在工業(yè)現(xiàn)場中可靠地完成各種控制任務(wù)并提高了整體效率。隨著數(shù)控技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，在新的控制系統(tǒng)中，PLC也逐漸被取代，但它們?nèi)匀皇强刂葡到y(tǒng)基礎(chǔ)的代表。逐漸發(fā)展起來的微型計算機取代了PLC,因為微機更便宜，更易編程和聯(lián)網(wǎng)。伴隨著新的可視化操作系統(tǒng)如WindowsNT和SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件的）出現(xiàn)，微機取代PLC也成為必然。38.2.7全面生產(chǎn)維護(hù)各種機床、設(shè)備及整體系統(tǒng)的管理和維護(hù)是影響制造系統(tǒng)生產(chǎn)率的重要因素。于是，全面生產(chǎn)維護(hù)和管理的理念也正在迅速發(fā)展起來。這種理念主要包括對以下各個方面的監(jiān)測分析：1. 設(shè)備損壞和設(shè)備故障2. 生產(chǎn)率的監(jiān)控和提高3. 預(yù)防性或預(yù)測性維護(hù)4. 縮短起動時間、空轉(zhuǎn)時間和工作周期5. 充分利用機床和設(shè)備資源，提高工作效率6. 降低次品率團(tuán)隊合作是完成這項任務(wù)的主要組成部分，主要指操作工人、維修工人，工程師以及系統(tǒng)管理層之間的全力配合。38.3數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)是一種應(yīng)用數(shù)字和字母形式的編碼指令來控制機器部件運動的控制方法。系統(tǒng)自動地將這些代碼轉(zhuǎn)換為控制信號。這些信號按順序來控制各部件動作，如主軸起停、刀具切換，工件和刀具延特定路徑運動或切削液開關(guān)等。為了能夠更好的理解數(shù)控技術(shù)的重要性，讓我們先簡單回顧一下傳統(tǒng)機械加工的工藝過程。首先工人仔細(xì)研究工件的零件圖，然后設(shè)定工藝參數(shù)（如切削速度、進(jìn)給量、切削深度、切削液等），確定加工工序，最后裝夾工件及加工。由于零件形狀和尺寸精度的不同，這就需要具有一定水平的工人來完成上述操作。加工的工藝過程也會因工人技術(shù)水平的不同而不同；又因為人為出錯的可能性，導(dǎo)致即使同一個工人加工的零件也不一定完全相同。同時，產(chǎn)品的生產(chǎn)量也取決于具體的工人和工作時間。由于近幾年來人們對提高產(chǎn)量和降低制造成本的問題越來越關(guān)注，因此產(chǎn)品的多樣性已不能被人們所接受。而這些情況在數(shù)控加工中是不存在的。數(shù)控加工的重要性在下面的例子中將具體闡述。假設(shè)需要在某一工件上鉆幾個孔，具體位置如圖38.6所示若用傳統(tǒng)的方法加工此零件，工人需要參照工件上的某一點來給鉆頭定位，然后再進(jìn)行加工。假如有100個相同的工件，若用上述方法加工，必然會使工人感到厭煩，因為工人一直在做同樣的動作。另外，工件之間也會有一定的差異。接著我們再假設(shè)在加工過程中，突然改變工作要求，比如其中10個工件的孔的位置有所變化。此時，工件必須重新定位，這就會耗費許多時間并且容易出錯。但對于數(shù)控系統(tǒng)來說，完成這樣的動作是很容易的，它們能夠重復(fù)地、準(zhǔn)確地完成加工任務(wù)而且通過簡單的程序修改就能加工不同的零件。在數(shù)控系統(tǒng)中，各種與工藝過程相關(guān)的數(shù)據(jù)如位置、速度、進(jìn)給量及切削液等都能夠儲存到磁性介質(zhì)中，如磁帶、硬盤。數(shù)控系統(tǒng)的作用就是將這些信息傳遞給執(zhí)行裝置。根據(jù)不同的輸入信息，繼電器和其他設(shè)備獲得相應(yīng)的驅(qū)動信號。于是復(fù)雜的加工過程（如曲線加工，模具曲面加工）就很容易實現(xiàn)了。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)給制造技術(shù)的各方面帶來了重要影響。目前，數(shù)控技術(shù)在各中加工中廣泛應(yīng)用；許多舊的機械設(shè)備也完成了數(shù)控化改造。