機械制造工藝基礎第五章

第五章

數(shù)控加工技術

第一節(jié)成組技術

問題出現(xiàn)機械制造系統(tǒng)自動化：1、單一品種大批量的自動化

需要專用設備、專用流水線等屬于剛性自動化2、75-80%是多品種、小批量生產(chǎn)自動化這是難題，突破就是利用計算機技術、數(shù)控技術、加工中心等研究問題

成組技術所研究的問題就是如何改善多品種、小批量生產(chǎn)的組織管理，以獲得如同大批量那樣高的經(jīng)濟效果。成組技術成組技術揭示和利用事物間的相似性，按照一定的準則分類成組，同組事物能夠采用同一方法進行處理，以便提高效益的技術，稱為成組技術。它已涉及各類工程技術、計算機技術、系統(tǒng)工程、管理科學、心理學、社會學等學科的前沿領域。成組技術的核心

成組技術的核心是成組工藝，它是把結構、材料、工藝相近似的零件組成一個零件族（組），按零件族制定工藝進行加工，從而擴大了批量、減少了品種、便于采用高效方法、提高了勞動生產(chǎn)率。成組技術的核心零件的相似性是廣義的，在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性為基本相似性，以基本相似性為基礎，在制造、裝配等生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等方面所導出的相似性，稱為二次相似性或派生相似性。成組工藝實施的步驟為：成組工藝實施的步驟為：

①零件分類成組；

②制訂零件的成組加工工藝；

③設計成組工藝裝備；

④組織成組加工生產(chǎn)線一、成組技術的基本原理一、成組技術的基本原理

機械零件雖然千變萬化，但在零件的結構形狀、尺寸大小、精度等級以及材料選擇等方面存在相似性。這些相似性，會導致這些零件的制造工過程也出現(xiàn)一定的相似性。把相似的零件構成組（或族）是實施成組技術的關鍵。機床齒輪按零件形狀和加工工藝相似性劃分零件族的簡圖，如圖5-1所示。圖5-1機床齒輪零件劃分圖一、成組技術的基本原理成組工藝的實質就是通過對制造系統(tǒng)的輸入進行合理組織，把小批量生產(chǎn)的多種相似零件組合成批量較大的零件族，從而為提高制造系統(tǒng)的自動化程度創(chuàng)造條件。一、成組技術的基本原理因此，成組技術的基本原理是將企業(yè)全部產(chǎn)品中結構尺寸和加工工藝相似的零件分類編組，對各零件組制定統(tǒng)一的工藝方案，配備相應的工藝裝備，采用合理的機床布置形式組織成組加工，從而達到擴大批量、提高效率、降低成本、增加效益的目的。成組技術的原理如圖5-2所示。

圖5-2成組技術原理圖二、零件分類編碼二、零件分類編碼

對零件進行分類編碼，是標識零件相似性的一種手段。它通過對每個零件賦予規(guī)定的數(shù)字符號，描述零件設計和工藝的基本特征信息來實現(xiàn)。分類編碼的方法要綜合考慮設計和工藝兩個方面，既有利于零件的標準化，統(tǒng)一零件結構設計要素，減少零件的種類和圖紙數(shù)量，又要設法使具有相同工藝路線的零件便于分類。二、零件分類編碼因此通常的編碼數(shù)字綜合體現(xiàn)了以設計為基本特征的主碼和以工藝為基本特征的副碼。

我國制定的《機械工業(yè)成組技術零件分類編碼系統(tǒng)（JLBM-1）》的基本構成見表5-1。二、零件分類編碼上述分類編碼系統(tǒng)共有15個碼位，每個碼位又分0，1，2，…，9共十個等級。每個等級各代表一定的含義。下面以表5-2所示的短軸編碼為例加以說明。

三、成組技術的應用（1）最早成組技術是作為解決重復性、相似性和批量生產(chǎn)問題的有效方法。（2）成組技術能提供制造工藝數(shù)據(jù)，并能與計算機輔助工藝過程設計結合起來。

（3）人們在零件的分類、建立相似的零件族、進行編碼以及成組夾具設計、回轉體零件、箱體零件設計和成組作業(yè)計劃編制等方面進行了大量的應用研究工作。

三、成組技術的應用例如：1）利用GT編碼來檢索現(xiàn)有零件庫中是否存在與所設計零件相同或類似的零件特征，以確定重新設計新零件還是對相似零件進行修改，來滿足設計要求，并以此提高計算機輔助設計的效率。三、成組技術的應用2）在數(shù)控機床上利用零件族的輔助編程，可以自動編制出該零件族中任一零件的數(shù)控紙帶。3）利用成組技術中的分類編碼法高效、快捷地設計零件的工藝過程。4）成組技術已成為計算機輔助設計和計算機輔助制造之間的接口和橋梁。

第二節(jié)

數(shù)控加工技術一、概述數(shù)控加工是一種可編程的由數(shù)字和符號實施控制的自動加工過程。

數(shù)控加工工藝是利用數(shù)控機床加工零件的一種工藝方法。

數(shù)控機床仍采用刀具和磨具對材料進行切削加工，這點在本質上和普通機床并無區(qū)別。但在如何控制切削運動等方面則與傳統(tǒng)切削加工存在本質上的差別如圖5-3所示。圖5-3普通機床與數(shù)控機床工作過程一、概述數(shù)控機床加工的主要特點如下：

（1）加工的零件精度高數(shù)控機床在整機設計中考慮了整機剛度和零件的制造精度，又采用高精度的滾珠絲杠副傳動，機床的定位精度和重復定位精度都很高，特別是有的數(shù)控機床具有加工過程自動檢測和誤差補償?shù)裙δ埽蚨芸煽康乇ＷC加工精度和尺寸的穩(wěn)定性。

數(shù)控機床加工的主要特點如下：（2）生產(chǎn)效率高數(shù)控機床在加工中，零件的裝夾次數(shù)少，一次裝夾可加工出很多表面，可省去劃線找正和檢測等許多中間工序。（3）特別適合加工形狀復雜的輪廓表面如利用數(shù)控車床加工復雜形狀的回轉表面和利用數(shù)控銑床加工復雜的空間曲面。數(shù)控機床加工的主要特點如下：（4）有利于實現(xiàn)計算機輔助制造。

目前在機械制造業(yè)中，CAD／CAM的應用日趨廣泛，而數(shù)控機床及其加工技術正是計算機輔助制造系統(tǒng)的基礎。（5）初始投資大，加工成本高。

數(shù)控機床的價格一般是同規(guī)格的普通機床的若干倍，機床備件的價格也很高，加上首件加工進行編程、調整和試加工等的準備時間較長，因而使零件的加工成本大大高于普通機床。數(shù)控機床加工的主要特點如下：此外，數(shù)控機床是技術密集性的機電一體化產(chǎn)品，數(shù)控技術的復雜性和綜合性加大了維修工作的難度，需要配備素質較高的維修人員和維修裝備。

二、數(shù)控機床加工數(shù)控機床發(fā)展至今，已有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控鉆床和數(shù)控齒輪加工機床等16大類。本節(jié)僅簡介數(shù)控銑床、數(shù)控車床和數(shù)控齒輪加工機床。

二、數(shù)控機床加工1．數(shù)控銑床

數(shù)控銑床的工作原理如圖5-4所示。

1．數(shù)控銑床（1）圖示三坐標數(shù)控銑床的工作原理如下：

1）根據(jù)零件圖樣按國際標準代碼編寫加工程序；

2）利用紙帶穿孔機將編好的加工程序制作穿孔紙帶；

3）利用光電輸入機將穿孔紙帶上的數(shù)據(jù)以脈沖形式輸入數(shù)控裝置；

（1）三坐標數(shù)控銑床的工作原理如下4）數(shù)控裝置將數(shù)據(jù)處理后，轉換成驅動伺服（或步進）電機運動的控制信號；5）由伺服（或步進）電機帶動滾珠絲杠控制機床的加工運動。

1．數(shù)控銑床目前的數(shù)控裝置，既可以用紙帶輸入，也可以直接用鍵盤手動輸入，以便隨時進行修改或編輯，還可以通過自動編程機輸入。用空運行的方式檢查無誤后即可按預定程序加工。目前的數(shù)控機床由于采用大扭矩的直流伺服電機驅動，因而在結構上省去了液壓扭矩放大器和齒輪箱。1．數(shù)控銑床當數(shù)控裝置分別向三個坐標方向的步進電機（或伺服電機）發(fā)出不同的脈沖信號時，采用球頭銑刀就可以完成三維空間曲面的加工。球頭銑刀的結構，如圖5-5所示。

1．數(shù)控銑床（2）數(shù)控銑床的主要加工對象數(shù)控銑床除有立式的外，還有臥式的和立臥兩用的。它們主要用于銑削加工，也可用于鉆、擴、鉸、锪、攻螺紋與鏜孔加工等。

1．數(shù)控銑床1）加工平行、垂直于水平面或與水平面的夾角為定角的平面類零件，如圖5-6所示。圖5-6平面類零件1．數(shù)控銑床2）加工空間曲面。采用三坐標數(shù)控銑床加工時只需要兩個坐標聯(lián)動，另一個坐標按一定的行距進給即可。此法常用于不太復雜的空間曲面的加工，如圖5-7所示。

2．數(shù)控車床

數(shù)控車床在國內數(shù)量最多，應用最廣，約占數(shù)控機床總數(shù)的25％。臥式數(shù)控車床，如圖5-8所示。

2．數(shù)控車床數(shù)控車床的加工功能與普通車床大體一樣，主要用于加工各種回轉表面。但在車削特殊螺紋和復雜回轉成形面時有其突出的特點。

2．數(shù)控車床數(shù)控車床與普通車床比較：1）普通車床一般只能車削有限的等螺距的各種螺紋，而數(shù)控車床由于其很強的控制功能，不但能車削任何等螺距的螺紋，而且能車削各種增節(jié)距、減節(jié)距，以及要求等節(jié)距、變節(jié)距之間平滑過渡的螺紋。

數(shù)控車床與普通車床比較：2）在普通車床上可用樣板法或靠模法加工復雜形狀的回轉成形面，但加工精度都不高。由于數(shù)控車床具有圓弧插補功能，因而可直接利用圓弧插補指令加工由任意平面曲線構成的回轉成形面并能得到較高的精度。3）從生產(chǎn)批量上看，數(shù)控車床不僅適于多品種和中小批量的生產(chǎn)，也適于大批量生產(chǎn)。

二、數(shù)控機床加工3．數(shù)控插齒機

我國70年代研制成功的數(shù)控非圓齒輪插齒機和數(shù)控非圓齒輪銑齒機，加工精度可達7級。80年代研制成功的數(shù)控插齒機和滾齒機，精度可達6級。

Y5130CNC插齒機的傳動鏈示意圖，如圖5-9所示。圖5-9Y5130CNC插齒機傳動示意圖3．數(shù)控插齒機普通插齒機主要用于加工內外直齒輪和相距很近的雙聯(lián)或多聯(lián)齒輪。而數(shù)控插齒機主要用于普通插齒機難于實現(xiàn)的下列加工：

（1）非圓齒輪加工。非圓齒輪的加工在普通插齒機上是不能實現(xiàn)的，而在數(shù)控插齒機上則很容易實現(xiàn)。如圖5-10所示。3．數(shù)控插齒機（2）凸輪加工當采用不帶刀齒的插刀，在Y5130CNC機床上就能加工出各種不同形狀的凸輪，如圖5-11所示。3．數(shù)控插齒機（3）精密圓柱齒輪加工普通插齒機的加工精度只能達到8～7級，而數(shù)控插齒機由于其傳動鏈的累積誤差小，能加工出6～5級的精密圓柱齒輪。對于調質鋼齒輪，可省去剃齒甚至磨齒的精加工工序。二、數(shù)控機床加工4．加工中心

加工中心是一種功能較全的數(shù)控加工機床。它一般分為鏜銑類加工中心和車削類加工中心兩類。4．加工中心（1）鏜銑類加工中心它把鏜削、銑削、鉆削和螺紋切削等功能集中在一臺數(shù)控設備上，使之具有多種工藝手段。更重要的是，加工中心設置有刀庫，刀庫中存放有十幾種甚至上百種刀具或驗具，在加工過程中可實現(xiàn)由程序自動選用。這是它區(qū)別于數(shù)控鏜床和數(shù)控銑床的重要特征，如圖5-12所示。圖5-12鏜銑類加工中心（1）鏜銑類加工中心加工中心具有較強的綜合加工能力，它能將若干個加工過程集中起來，在工件的一次裝夾中，按預定程序自動實現(xiàn)多種加工，可簡化工藝過程設計，減少零件的周轉時間，加工精度高，加工效率是普通設備的5～10倍。4．加工中心（2）車削類加工中心

車削類加工中心的主體是數(shù)控車床，再配置上刀庫和換刀機械手就可使自動選擇的刀具數(shù)量大為增加。如圖5-13所示。圖5-13臥式車削中心（2）車削類加工中心對臥式車削中心來說，與普通數(shù)控車床的本質差別在于它具備下面兩種先進功能：

1）動力刀具功能

這是通過刀架的內部機構，使刀架上某一刀位或全部刀位上的銑刀或鉆頭等刀具回轉的功能。

（2）車削類加工中心2）C軸位置控制功能C軸是指以卡盤與工件的回轉中心軸為中心的旋轉坐標軸。車削中心C軸的位置控制功能可達到0.001°的高精度角度分辨率，同時還可使主軸和卡盤按進給脈沖作任意的低速回轉。在原有X，Z坐標的基礎上，再加上C坐標，就可使車床實現(xiàn)三坐標兩聯(lián)動軸廓控制。（2）車削類加工中心例如圓柱銑刀軸向安裝，X－C坐標聯(lián)動就可在工件端面銑削；圓柱銑刀徑向安裝，Z－C坐標聯(lián)動，就可在工件外徑上銑削。因此車削中心能夠銑削凸輪槽和螺旋槽。

有了動力刀具功能和C軸位置控制功能，車削中心就比普通的數(shù)控車床的工作范圍大為增加。三、柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)1．柔性制造單元

柔性制造單元（FMC）技術是在加工中心的基礎上發(fā)展起來的。它增加了機器人或托盤自動交換裝置，刀具和工件的自動測量裝置，加工過程的監(jiān)控裝置。與加工中心相比，它具有更好的柔性、更高的生產(chǎn)率，是多品種、中小批量生產(chǎn)中機械加工系統(tǒng)的基本構成單元。FMC的基本布局形式，如圖5-14所示。圖5-14FMC的基本布局1．柔性制造單元隨著計算機技術和單元控制技術的發(fā)展及網(wǎng)絡技術的應用，F(xiàn)MC具有更好的可擴展性和更強的柔性：

（1）在單元計算機的控制下，可實現(xiàn)不同或相同機床上不同零件的同步加工。

（2）加工過程中除了可自動更換刀具，實現(xiàn)機器人的物料搬運或多工位托盤的自動交換外，工件的加工時間與裝卸時間可以重疊，比加工中心進一步縮短了輔助時間。

1．柔性制造單元（3）可實現(xiàn)加工過程自動監(jiān)控，如具有自適應功能和刀具破損的監(jiān)控功能等。（4）相對柔性制造系統(tǒng)，其投資的規(guī)模小，實現(xiàn)周期短，見效快。（5）在單元計算機控制下，易擴展成柔性制造系統(tǒng)。三、柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)2．柔性制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)（FMS）是由一組數(shù)控機床或一組柔性制造單元，通過一個公用的自動物料輸送系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)相結合的加工綜合體。它能自主地完成多品種中小批量生產(chǎn)任務。2．柔性制造系統(tǒng)FMS由下列三部分組成：

（l）計算機控制的信息系統(tǒng)；

（2）多功位的數(shù)控加工系統(tǒng)；

（3）自動化物料輸送和存儲系統(tǒng)。

剛性自動線是固定不變的自動線，生產(chǎn)率高，適合大批大量生產(chǎn)。其弱點是加工零件的形狀和尺寸不能改變，極不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。FMS由下列三部分組成：而柔性制造系統(tǒng)無論在硬件或軟件方面都具有適應不同加工對象和采用不同工藝方法的能力，因此適合于中小批量的生產(chǎn)規(guī)模。柔性制造系統(tǒng)的組成，如圖5-15所示。FMS系統(tǒng)主要功能：FMS系統(tǒng)是在成組技術、計算機技術、數(shù)控技術和自動檢測等技術基礎上發(fā)展起來的，它具有以下主要功能：

（1）以成組技術為核心的零件分析編組功能；

（2）以托盤和運輸系統(tǒng)為核心的物料輸送和存放功能；

FMS系統(tǒng)主要功能：（3）以數(shù)控中心（或加工中心）為核心的自動換刀、換工件的自動加工功能；

（4）以各種自動檢測裝置為核心的故障診斷、

自動測量、物料輸送和存儲系統(tǒng)的監(jiān)視等功能；

（5）以微型計算機為核心的編排作業(yè)計劃的智能功能。

2．柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)的特點：

1）集中控制和實時在線控制；

2）生產(chǎn)周期短；

3）多品種、中小批量零件的生產(chǎn)率較高；

4）生產(chǎn)成本較低。

四、計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）是在信息技術、自動化技術、計算機技術及制造技術的基礎上，通過計算機及其軟件，將制造工廠的全部生產(chǎn)活動（市場信息、設計制造和經(jīng)營管理與整個生產(chǎn)過程有關的物料流和信息流），實現(xiàn)高度統(tǒng)一的綜合化管理，從而將各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，構成一個優(yōu)化的完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗和短周期的目標，提高了企業(yè)對市場的競爭力和應變力。

國外于1985年提出了CIM輪，如圖5-16所示。四、計算機集成制造系統(tǒng)采用CIMS在以下各方面能獲得不同程度的提高：（1）產(chǎn)品質量；（2）生產(chǎn)率；（3）設備利用率；（4）生產(chǎn)周期縮短（5）在制品減少；（6）工程設計費減少（7）人力費用減少（8）工程師的工作能力。四、計算機集成制造系統(tǒng)集成度的提高，可以更好地對生產(chǎn)要素實行優(yōu)化配置，更好地發(fā)揮其潛力，并可最大限度地減少企業(yè)存在的各種資源浪費，從而獲得更好的整體效益。圖5-17為我國CIMS實驗工程系統(tǒng)結構。圖5-17為我國CIMS實驗工程系統(tǒng)結構。五、智能制造技術與智能制造系統(tǒng)1．智能制造技術

智能制造技術是指在制造工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，以高度柔性和高度集成的方式，通過計算機模擬人類專家大腦的智能活動，進行分析、推理、構思、判斷和決策。它的目的是取代或延伸制造環(huán)境中的部分腦力勞動，并對人類專家的制造智能進行收集、整理、完善和共享，并達到繼承與發(fā)展。

五、智能制造技術與智能制造系統(tǒng)2．智能制造系