自动化加工

八、自动化加工

在日常生活中，人们常想，为什么有些商品的价格下降很快？特别是电视机、手机、微波炉、汽车等。这是因为有了自动化，提高了生产效率，降低了商品成本。例如汽车，第一汽车制造厂年产汽车200万辆，平均2~3分钟就生产一辆，没有自动化加工的支持，是根本办不到的。因此自动化加工始终是科技人员的奋斗目标。

自动化加工是指用机械的动作代替人工的操作，自动完成特定的加工或作业的总称。自动化可以大幅度地提高劳动生产率，降低生产成本和能源消耗，减轻工人的劳动强度，提高产品的竞争力。因此，自动化在每个领域的发展都十分迅速。

众所周知，各个工业部门，都有各式各样的机械设备在执行着各种操作。而机械设备是由成百上千个零件组成的，这些零件都是分别加工成形后装配到一起，才成为完整的设备。有些设备社会需求量大，如汽车、家用电器、农业机械等。年产量是以百万、千万台（套、部）计。

适应大批量的行之有效的自动化加工方法有以下几种。

（一）采用自动化加工机床

这种机床具有自动夹紧机构和自动换刀机构，每加工完一个零件，毛坯棒料可以自动送料，以便进行下一个零件的加工。这里最具代表性的加工机床为单轴自动车床、多轴自动车床等。但它们只对单个毛坯加工。

（二）采用专用机床或组合机床

根据零件的特定要求，专门设计制造的自动化或半自动化的专用机床或专用的组合机床，这种加工机床都有自动上、下料，自动夹紧、松开等装置，它们只能完成对某个单一的零件的自动化加工，生产率很高。

（三）采用自动生产线

自动生产线是按零件加工顺序把若干台加工机床用零件传输系统连接起来的生产线。在自动控制系统的控制下，工作以一定的节拍，依次地通过各工位，完成各工序的加工。当然，这种自动生产线要有相当的可靠性，否则，一台加工机床发生问题，则所有的机床都要停工，因为上道工序的工件传不过来，则无法再进行加工了。所以，有人把这种形式的自动生产线叫做“刚性”自动线。为了克服这一缺点，可在两个工位之间（即两台加工机床之间）设置贮料系统，在贮料系统里存放有若干个待加工工件，这样，生产线上某台机床发生故障，不致影响下道工序的加工，使生产线具有一定的“柔性”。

以上这些自动化的加工方法，主要用于大量生产的条件下，年产量都比较大，几十万件、几百万件甚至更多。然而在现实生活中，有些设备的需求量并没有那么大，例如水力发电设备、船舶、人造卫星等等，年需求量也就是几套、几十套或者上百套（台）。这时以上的自动化加工方法对这些设备上的零件加工就不适用了。也就是说，对单件、小批量零件的加工自动化要另寻出路。以下的方法是实现单件、小批量零件机械加工自动化的重要途径。

1.采用数字控制机床

数字控制机床，是把与加工过程有关的信息（刀具运动轨迹、切削速度、进给量、冷却液供给等）记录在存储器等程序载体上，然后输入数字控制装置，通过数控装置的运算，发出指令，控制机床和刀具的相对运动，加工出所要求的形状和尺寸的工件。

只要更换程序，就可以加工不同的工件。数控装置根据程序输入的信息，通过发出指令脉冲，驱动机床上的步进电机转动一定的角度，再经过传动齿轮、丝杆和螺母，带动机床的拖板或工作台移动一定的距离。比如说，每发一个指令脉冲，要求工作台移动0.01mm，如果连续地向x坐标、y坐标发出指令脉冲，刀具相对于工件就形成了一个运动轨迹，完成了工件的加工。

每发出一个脉冲，机床是否真的移动了那么大的距离呢（比如0.01mm）？由于机床传动机构的精度、机床的磨损等因素的影响，运动精度是有误差的。为了消除这一误差，提高工件的加工精度，在数控机床上装有位置测量装置，检测出机床工作台实际的移动量，经过反馈回路送回到数控装置与指令值进行比较，用比较出的差值进行控制，直到差值消除，工作台才停止移动，这就提高了机床的运动精度。这种具有反馈测量装置的控制系统称为闭环系统，而没有反馈测量装置的就称为开环系统。

2.采用加工中心机床

加工中心（*MC）机床又称为自动换刀数控机床。工件在机床上一次装夹后，机床能够自动地更换刀具，依次自动地对工件各个表面进行加工。包括平面的加工、孔的加工等。同一般数控机床相比，加工中心机床增加了一个回转工作台、一个刀库和一套自动换刀装置。工作台的回转，可以对箱体工件的四面进行加工。由于换刀具也是自动完成的，因而加工可以连续地、自动地完成。

3.采用计算机数字控制机床

计算机数字控制（*CNC）是在NC系统的基础上发展起来的。它与NC的区别在于它使用小型或微型计算机来代替一般NC中的专用数字装置，用存放在存储器里的系统程序来控制数控机床。微型计算机在价格、可靠性、灵活性等方面优于小型计算机，所以目前多使用微型机，因而也常把CNC称之为MNC。

CNC系统在软件的协助下，可以执行以下的功能：多坐标控制；直线、圆弧、抛物线及三次曲线的插补运算；EIA/ISO代码转换及公制/英制的转换；加工程序的存储、编辑和修改；重复加工；固定循环及顺序动作的控制；各种误差的补偿；监控及故障诊断等等。

4.采用直接数字

直接数字控制（*DNC）是用一台大型通用电子计算机来控制多台（从几台到上百台）数控机床的控制系统。所以DNC又称为群控。

DNC是一套较复杂的综合系统。它以分时的方式同时控制若干台机床，这些数控机床是按照加工对象有机地结合起来的。零件的加工程序存储在计算机的外存中，需要时进行调用。它可以进行自动编制加工程序，并且管理和控制相结合，不仅能控制加工，还可以进行计划安排、生产状况的记录等。

DNC控制各台机床，分别加工不同的工件。如果在各台机床之间用传送装置连接起来，则各台机床就可对同一零件的不同表面进行加工，这就形成了群控自动线。

5.采用柔性制造系统

柔性制造系统（*FMS）是由DNC控制的一群机床与自动仓库、自动物流系统、自动换刀系统等组成的一个制造系统。它是介于加工中心和专用自动生产线之间的高效率自动加工系统。多数柔性制造系统中，待加工的毛坯是在装卸站用夹具装卡到托盘上的。装卸站可以是一个或几个，它不与机床连在一起。自动物流系统把毛坯连同夹具和托盘一起送到机床边排队，等待加工。只要机床一有空闲，立即把毛坯送上去加工。加工完毕的零件，被送到下一个加工点去，直到零全部加工完后，被送到装卸站卸下，并装上新的零件毛坯再传送到起点等待加工。

柔性制造系统，在不需要停机的情况下，通过计算机控制自动仓库系统、自动物流系统等，实现对同一类型的不同工件的连续加工。所以，FMS是由计算机控制的可自动更换加工对象的“柔性”自动线。

6.集成制造系统

集成制造系统（*IMS）是产品设计和制造的综合制造系统，它是计算机辅助设计（*CAD）和计算机辅助制造（*CAM）的有机结合。这种系统可以进行产品的设计制图，零件加工的工序制订，零件的自动加工、检验等。

7.无人化制造系统

无人化制造系统（*UMS）是指多品种、小批量生产的机械制造厂生产的全盘自动化系统。它不仅包括机械加工，还包括锻造、铸造、热处理、焊接、冲压、检验、装配和油漆等在内的更广阔的制造系统。为了实现机械制造厂的全盘自动化，不仅要把CAD、CAM结合起来，而且还要建立由计算机控制的经营管理信息系统，使三者协调一致。这是一种建立在电子计算机控制技术基础上的高度自动化系统。

据介绍，日本一个无人自动化机械制造厂，采用74台电子计算机控制各种数控机床和机器人，能自动生产加工2 000种零件，每种零件的批量可以小到1~25件，而且能自动装配成50种部件。整个系统分为四级控制，各生产单元能自动诊断故障和自动维修。全厂只需10名工作人员，其规模相当于一般700~800人的普通机床厂。

自动化加工总是由点到面，由低级到高级的。采用自动化技术，可以极大地提高生产率，降低生产成本和工人劳动强度。但投资也是巨大的，需要许多高技术人才为之奋斗。可以预期在广大技术人员的不懈努力下，自动化程度将会越来越高，人类的生活也会变得更加美好。

（本节由贾昌哗教授编写）