机械制造与自动化前景PPT课件下载

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通过本课程的学习，扩展和拓宽学生在自动化加工系统方面的知识，使学生系统地了解有关机械制造自动化技术方面的基本原理，了解机械制造中各主要单元和系统的自动化方法以及各种自动化装置的结构原理和特点，并提高其应用管理能力，为进一步的课程学习和今后从事专业技术工作奠定良好的基础。 通过本课程的学习，学生应该： 了解机械制造自动化的基本概念、类型、控制方式及发展与应用。了解加工设备自动化的特点及分类，以及两种典型的加工过程自动化方法：单机工作自动化和加工自动线。了解物流供输系统的功能及组成；介绍类型的物流供输系统的组成及特点。了解刀具自动化的特点以及各种排屑、换刀自动化装置。了解制造过程中运用的各种检测技术。了解自动装配系统的组成以及自动装配工艺过程的分析。了解工业机器人的构成及相关控制技术。了解集成制造系统的概念，柔性制造系统、计算机集成制造系统以及其他一些先进制造技术的结构及特点。第一章 绪 论 §1.1机械制造自动化的基本概念 §1.1机械制造自动化的基本概念 人在生产过程中的劳动包括三部分： 基本体力劳动、辅助体力劳动、脑力劳动基本体力劳动：直接改变生产对象的形态、性能和位置等方面的劳动。辅助体力劳动：完成基本体力劳动所必须做的其他辅助性工作。脑力劳动：决定生产方法、选择生产工具、质量检验及生产管理等工作。如：工件的装卸、加工、检验，刀具更换，工件输送，工艺规程设计等。 §1.1机械制造自动化的基本概念 机械化——执行制造过程的基本体力劳动是由机器（机械）代替人力劳动来完成时称之为机械化。 如：自动走刀代替手动走刀—走刀机械化 输送机代替人工搬运工件—是工件输送机械化； 气动夹紧工件代替手动夹紧工件—工件夹紧机械化。 §1.1机械制造自动化的基本概念 　最初“自动化(Automation)”是美国人D.S.Harder于1936年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是"自动化"。这是早期制造自动化的概念。 §1.1机械制造自动化的基本概念自动化—— 机器代替人完成基本劳动的同时，若人对机器的操纵看管、对工件的装卸与检验等辅助体力劳动也是由机器来完成时，并且有自动控制系统或计算机代替部分脑力劳动，这个制造过程是“自动化” 。 §1.1机械制造自动化的基本概念 3）制造过程的自动化（自动化制造系统） 一个工艺过程（如加工工艺过程）通常包括着若干个工序，如果不仅每一个工序都自动化了，并且把它们有机地联系起来，使得整个工艺过程（包括加工、工序间的检验和输送）都自动进行，而工人仅只是对这一整个工艺过程作总的操纵和监督，这时就形成了某一种加工工艺的自动生产线，通常称为工艺过程自动化。 3）制造过程的自动化（自动化制造系统） 一个零部件（或产品）的制造包括着若干个工艺过程，如果不仅每个工艺过程都自动化了，而且它们之间是自动的有机联系在一起，也就是说从原材料到最终成品的全过程都不需要人工干预，这时就形成了制造过程的自动化。 机械制造自动化的高级阶段就是自动化车间甚至自动化工厂。 3、制造自动化的定义及内涵制造自动化＝制造＋自动化制造－－目前对制造有两种理解：一个是指产品的“制作过程”或称为“小制造概念”，如机械加工过程；另一个是广义制造概念，包括产品整个生命周期过程，又称为“大制造概念”。 实际应用中，两者皆在使用，其概念范围视具体情况而定。 制造自动化 的概念是一个动态发展过程。过去，人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。现在，随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。 §1.1机械制造自动化的基本概念 §1.3 机械制造自动化的类型类型 3、机械制造自动化设备的特点及适应范围 自动化制造系统的基本形式刚性半自动化单机 刚性自动化单机 刚性自动线 刚性综合自动化系统 一般数控机床 加工中心 混合成组制造单元 分布式数控系统 DNC 柔性制造单元 FMC 柔性制造系统 FMS 柔性制造线 FML 计算机集成制造系统 CIMS 不同的自动化类型有着不同的性能特点和不同的应用范围，因此应根据需要选择不同的自动化系统。 1）、刚性半自动化单机 可以自动地完成单个工艺过程的加工循环的机床(除上下料外)，称为刚性半自动化机床。例如：仿形机床、通用多刀半自动车床，单台组合机床，转塔车床等。特点： ①一般是机械或电液复合控制式组合机床和专用机床，可以进行多面、多轴、多刀同时加工，加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列； ②切削刀具由人工安装、调整，实行定时强制换刀，如果出现刀具破损、折断，可进行应急换刀； ③从复杂程度讲，刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次。 优点：投资少、见效快，缺点: 调整工作量大，加工质量较差，工人的劳动强 度也大。 适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系 统。 转塔刀架 它是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。 实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。 辅助装置包括自动工件输送、上料，下料、自动夹具、升降装置和转位装置等； 切屑处理一般由刮板器和螺旋传送装置完成。 特点：投资少、见效快，但通用性差，是大量生产 最常见的加工装备。 用途：常用于品种变化很小，但生产批量特别大的 场合。 3）刚性自动线 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。 在刚性自动线上，被加工零件以一定的生产节拍，顺序通过各个工作位置，自动完成零件预定的全部加工过程和部分检测过程。 特点：⑴结构复杂，任务完成的工序多，所以生产效率也很高，可以有效缩短生产周期，取消半成品的中间库存，缩短物料流程，减少生产面积，改善劳动条件，便于管理等。 ⑵ 投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。用途：少品种、大量生产必不可少的加工装备。 组合机床自动线，可以大幅度缩短建线周期，更换产品后只需更换机床的某些部件即可（例如可更换主轴箱），大大缩短了系统的调整时间，降低了生产成本，并能收到较好的使用效果和经济效果。组合机床自动线主要用于箱体类零件和其他类型非回转体的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工。 一般情况下，刚性自动线只能完成单个零件的所有相同工序（如切削加工工序），对于其它自动化制造内容如热处理、锻压、焊接、装配、检验、喷漆甚至包装却不可能全部包括在内。在刚性自动线地基础上将其它自动化制造系统的内容（包括热处理、锻压、焊接、装配、校验等）涵盖的复杂大系统称为刚性综合自动化系统。特点： 刚性综合自动化系统结构复杂，投资强度大，建线周期长，更换产品困难，但生产效率极高，加工质量稳定，工人劳动强度低。适用范围：它常用于产品比较单一，但工序内容多，加工批量特别大的零部件的自动化制造。 数控机床（Numerical Control Machine Tools）用来完成零件一个工序的自动化循环加工。特点： 它是用代码化的数字量来控制机床，按照事先编好的程序，自动控制机床各部分的运动，而且还能控制选刀、换刀、测量、润滑、冷却等工作。 适用范围：适用于加工精度较高，零件复杂程度、且品种多变、批量中等的场合。 加工中心（Machining Center -MC）是在一般数控机床的基础上增加刀库和自动换刀装置而形成的一类更复杂但用途更广、效率更高的数控机床。 特点：由于具有刀库和自动换刀装置，就可以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。 适用范围：适用于加工精度较高，零件较复杂、且品种较多的场合。 柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell-FMC）是一种由1～3台 数控机床或加工中心所组成. 特点：单元中配备有某种形式的托盘交换装置或工业机器人，由单元计算机进行程序编制及分配、负荷平衡和作业计划控制的小型化柔性制造系统。优点 ：占地面积较小，系统结构不很复杂，成本较低，投资较小，可靠性较高，使用及维护均较简单。 因此，柔性制造单元是柔性制造系统的主要发展方向之一，深受各类企业的欢迎。适用范围： 常用于品种变化不是很大、生产批量中等的生产规模中。 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System-FMS）一般由四部分组成：三台以上的数控加工设备， 一个自动化的物料及刀具储运系统， 若干台辅助设备（如清洗机、测量机、排屑装置、冷却润滑装置等）， 一个由多级计算机组成的控制和管理系统。柔性制造系统内部包括两类不同性质的运动：一类是系统的信息流，另一类是系统的物料流，物料流受信息流的控制。 柔性制造系统的主要优点是： ①可以减少机床操作人员。 ②由于配有质量检测和反馈控制装置，零件的加工质量很高。 ③工序集中，可以有效减少生产面积。 ④与立体仓库相配合，可以实现24h连续工作。 ⑤由于集中作业，可以减少加工时间。 ⑥易于和管理信息系统（MIS）、工艺信息系统（TIS）及质量信息系统（QIS）结合形成更高级的制造自动化系统。 柔性制造系统的主要缺点是： ①系统投资大，投资回收期长。 ②系统结构复杂，对操作人员的要求很高。 ③结构复杂使得系统的可靠性较差。适用范围：多品种、中小批量生产 §1.4 机械制造自动化的控制方式 任何机械制造设备的自动化其实质是在其终端执行元件无需由人来直接或间接操作的自动控制。 为了实现机械制造设备的自动化就需要对这些被控制对象进行自动控制。实现机械制造自动化的关键：自动控制与机械控制技术、流体控制技术、自动调节技术、电子技术、电子计算机技术等密切相关。 1、自动控制系统的基本要求 自动控制系统应能保证各执行机构的使用性能、加工质量、生产效率及工作可靠性。为此，对自动控制系统提出如下基本要求： 1）应保证各执行机构的动作或整个加工过程能够自动进行。 2）为便于调试和维护，各单机应具有相对独立的自动控制装置，同时还应便于和总控制系统相匹配。 3）柔性加工设备的自动控制系统要和加工品种的变化相适应。 4）自动控制系统应力求简单可靠。在元器件质量不稳定情况下，对所用的元器件一定要经过严格筛选，特别是电气及液压元器件。 5）能够适应工作环境的变化，具有一定的抗干扰能力。 6）应设置反映各执行机构工作状态的信号及报警装置。 7）安装调试、维护修理方便。 8）控制装置及管线布置要安全合理，整齐美观。 9）自动控制方式要与工厂的技术水平、管理水平、经济效益及工厂近期生产发展趋势相适应。 对于一个具体的控制系统，第一项要求必须保证，其它则根据具体情况而定。 2、自动控制的构成 自动控制系统包括实现自动控制功能的装置及其被控制对象，通常由: （1）指令存储装置 （2）指令控制装置 （3）执行机构 （4）传递及转换装置等部分构成。 1）、指令存储装置：作用：存储控制被控制对象的相关指令信息。 为了使被控制对象 能自动运行，需要预先规定它的动作程序，并把有关指令信息存入相应的装置，在需要时重新发出。这种装置就称为指令存储装置。 指令存储装置分为：集中存储：全部指令信息存在一个存储装置中，如装有许多凸轮的分配轴、矩阵插销板、穿孔带、磁带、磁鼓、磁盘等分散存储：指令信息分别在多处存储，例如挡块、限位开关、电位计、时间继电器、进速度继电器等。 其中限位开关、电触点、压力阀、速度继电器等装置，能够将指令存储装置中的有关信息转变为指令信号发送出去，命令相应的执行机构完成某种动作。 3）、执行机构：最终完成控制作用的环节。 例如拔又、电磁铁、电动机、工作油缸等。 4）、传递及转换装置：作用：将指令信息传送给执行机构。 信息在传递过程中要改变信号的量和质，转换为符合执行机构所要求的种类、形式、能量等输入信息。 信息的传递介质：电、光、气体、液体、机械信息的传递形式：模拟、数字信息的传递能量：电压、电流、压力、位移、脉冲 机械制造设备中常用的控制方式： （1）开环控制方式 （2）闭环控制方式 （3）分散控制方式 （4）集中控制方式 （5）程序控制方式 （6）数字控制方式 （7）计算机控制方式 开环控制---系统的输出量对系统的控制无影响(无反馈) . 在开环系统中、指令的程序和特征是预先设计好的，不因被控制对象实际执行指令的情况而改变。为了满足实际应用的需要，开环控制系统必须精确地予以校准，并且在工作过程中保持这种校准值不发生变化。 常见的机械凸轮控制的自动车床或沿时间坐标轴单向运行的任何系统，都是开环控制系统。 发令装置一般是有触点式或无触点式限位开关；指令存储和控制装置一般由挡块组成 。分散控制的主要优点：实现自动循环酌方法简单，电气元件的通用性强，成本低。在自动循环过程中，当前一动作没有完成时，后一个动作便得不到起动信号，因而，分散控制系统本身具有一定的互锁性。 分散控制的主要缺点： 当顺序动作较多时，自动循环时间会增加，这对提高生产效率不利。当下一动作执行机构较多时，就有若干多条平行控制线路、会使电气控制线路变得复杂，电气元件增多。这对控制系统的调整和维修不利，特别是在使用有触点式电器时，由于大量触点频繁换接，容易引起故障。 集中控制---时间控制。具有一个中央指令存储和指令控制装置，按时间顺序连续或间隔的发出各种控制指令。 集中控制系统的优点是： 所有指令存储和控制装置都集中在一起，控制链又短又简单，这样，控制系统就比较简的，调整以较方便。缺点是：各执行部件动作之间无联系，当某一部件发生故障时，其它部件依然运动，这就有可能发生碰撞或干涉等事故。 由于执行部件的运动速度不能控制，当速度不稳定时，系统实际的控制精度就较低。 利用分配轴上的凸轮来驱动和控制的自动机床或自动线上的各个执行部件的顺序动作是机械式集中控制控制系统，是按时间顺序进行控制的，可以归入这一类型。 1.4.2、自动化加工系统的控制自动控制系统的类型： a. 按控制的能量形式分： 机械控制、液压控制、电气控制、光电控制以及它们的组合控制。 b. 按控制指令排列方式分： 时间控制系统：控制指令按预先确定的时间依次发出；继动控制系统：控制指令按逻辑次序规定的先后顺序依次发出； c. 按工作原理分：凸轮分配轴控制系统、液压（液压元件）、电气或电气－液压程序控制系统、随动控制系统或数字控制系统，也可几种联合使用。控制对象:机构的运动速度、方向、行程距离、位置、动作先后顺序和起止时间。 1.4.2、自动化加工系统的控制 机械传动控制方式一般传递的动力和信号都是机械连接的，所以在高速时，可以实现准确的传递与信号处理，并且还可以重复两个动作。 在采用机械传动控制方式的自动化装备中，几乎所有运动部件及机构，通常都是由装有许多凸轮的分配轴来进行驱动和控制的。这种控制系统的另外一个特点是控制元件同时又是驱动元件。 小型自动线的机械集中控制系统简介 自动线是用来加工三种变速拨又的孔和端面，共有8个工位，除液压站和电气柜外，其它部件都安装在整体机座上。随行夹具载着工件从中间通过，并呈直线排列，彼此互相紧靠，从垂直下方返回。 全线除工件传送装置的运行外，其余动作均由主分配轴集中驱动与控制。 分配轴由活塞杆带动回转，活塞杆的行程和终点位置，可以利用油缸两端的调节螺钉来调整。分配轴每往复回转一次，自动线完成一次工作循环，即一个工作节拍，而且长短可调。随行夹具的定位夹紧、滑台的快进与工进等顺序，是由凸轮上曲线参数和各凸轮在分配轴上的安装位置来保证的，而滑台的进给速度和定位夹紧动作速度的调节，是靠各工位上的进给凸轮的曲线及通过调整活塞移动速度来实现。 特点： 1）工作可靠，使用寿命长，节拍准确，结构紧凑，占地面积小，调整时容易发现问题，调整完毕后便能正常进行工作等。 2）结构较复杂，凸轮的设计制造工作量较大，自动线的可调性差，凸轮曲线有偏差时易产生冲击和噪声。另外，由于凸轮又兼做驱动元件，因此一般不能承受重裁荷切削。 用途：适用于加工品种基本不变的大批量生产。 机械制造过程中广泛采用液压、气动与电气对其整个工作循环进行控制。采用高水平高质量的液压、气动和电气的控制系统，就成为自动化制造装置可靠运行的关键。 如在电气控制系统中采用可编程序控制器（PLC）进行加工设备的自动化控制就比采用继电器接触器系统可提高电气控制可靠性若干倍。 电气--液压控制系统：由电气装置发出顺序工作信号，液压装置去控制和驱动各执行部件或辅助装置的动作（在机械加工自动化中广泛使用） 气—电子综合控制系统 1-数控系统或PLC 2- 接口 3-气阀 4- 气缸 电气控制是为整个生产设备和工艺过程服务的，它决定了生产设备的实用性、先进性和自动化程度的高低。 它通过执行预定的控制程序，使生产设备实现规定的动作和目标，以达到正确和安全的自动工作的目的。 自动线工作循环表 电气控制的操作方式：自动循环：按下“循环开始”按钮，设备按预定的循环动作连续工作，只有按下“预停”按钮，本次循环 结束才停止工作；半自动循环：单次循环，按下“开始”按钮，设备按预定的循环动作一次；调整：单步工作，用于设备调试或局部调整开工循环：自动线每个工位上都没有工件，开始自动线的循环为开工循环收工循环 ：再无工件进入自动线的循环 计算机在机械制造中的应用已成为机械制造自动化发展中的一个主要方向。而且在生产设备的控制自动化方面起着越来越重要的作用。 §1-5 机械制造自动化的发展与趋势 自动化发展历程 自动化发展历程 自动化发展历程 自动化发展历程 自动化发展历程 自动化发展历程 发展趋势 发展趋势WRj红软基地

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