數(shù)控導(dǎo)軌磨床設(shè)計

數(shù)控導(dǎo)軌磨床設(shè)計,數(shù)控導(dǎo)軌磨床設(shè)計,數(shù)控,導(dǎo)軌,磨床,設(shè)計 機械制造自動化技術(shù) 38.1簡介 38.2自動化技術(shù) 38.3數(shù)字控制技術(shù) 38.4數(shù)控編程 38.5自適應(yīng)控制 38.6物料儲運 38.7工業(yè)機器人 38.8傳感器技術(shù) 38.9柔性夾具 38.10基于裝配、拆卸、維修的設(shè)計 38.1 簡介 在20世紀(jì)50年代之前，大部分制造工藝都是通過車床、銑床、沖床等傳統(tǒng)機床來完成的，這些設(shè)備缺乏柔性并且需要具備一定技術(shù)的工人來操作。每生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，就必須更換設(shè)備，并重新安排物料的儲運方式。 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)。更進一步，由于人為因素的影響，制造那些極其相似的零件需進行重復(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 1500～1600 水力金屬加工機械、貨幣軋機 1600～1700 手搖木頭加工車床、機械式計算器 1700～1800 鏜床、車床、螺紋加工車床、鉆床 1800～1900 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 1900～1920 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) 1920～1940 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 1968 PLC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)濟效益影響很大，具體影響將在第39章詳細講述。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 1～10 單件小批 10～5000 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) 5000～100000 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10～100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1000～5000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)濟效益遠沒有預(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。柔性自動化再進一步的發(fā)展是廣泛應(yīng)用現(xiàn)代計算機，進而出現(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 各種機床、設(shè)備及整體系統(tǒng)的管理和維護是影響制造系統(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 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。首先工人仔細研究工件的零件圖，然后設(shè)定工藝參數(shù)（如切削速度、進給量、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。