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项目一 认识机械制造自动化

学习目标：理解机械自动化的含义，了解机械制造自动化的构成、分类及实现机械自动化的途径，了解典型的实现机械自动化的设备的主要特性，了解自动机与自动线的组成及其特点，了解检测技术在机械制造自动化中的重要意义及其组成，了解机械制造自动化的现状和发展趋势。

机械自动化基本概念

制造自动化是人类在长期的社会生产实践中不断追求的目标。中国作为一个制造大国，正在向着制造强国的目标迈进。《中国制造2025》从国家层面确定了我国建设制造强国的总体战略，明确提出了要以创新驱动发展为主题，以新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，实现制造业由大变强的历史跨越。实现制造强国的目标，离不开制造自动化水平的提升。因此，学习和掌握制造自动化技术知识与技能，是适应新时代社会经济技术发展变革的必然要求。

作为制造自动化的基础和重要组成部分的机械制造自动化，是主要控制机械运动(如刀具、工件和毛坯等的运动)及可能变化的制造工艺，使整个生产过程得到优化。采用自动化技术，不仅可以大大降低劳动强度，而且还可以提高产品质量，提高机械制造系统适应市场变化的能力，从而提高企业的市场竞争力。但是，以机械加工和装配为主要代表的机械制造业要实现自动化，比其他制造业要困难得多，主要表现在其自动化机构上。这是因为机械制造中所使用的材料、加工手段等较为复杂，对制造对象要求要有高精密、高精度的定向和定位、可靠的识别装置及握持装置等。因此，需要各种各样的装料、卸料、定向整理、夹紧握持、运送、识别和测量等自动化机构。机械制造自动化就是在机械制造过程的所有环节采用自动化技术，实现机械制造全过程的自动化。本书将侧重于机械制造过程的主要环节，包括加工、物料传输、检测与控制、刀具和装配等采用的自动化技术。

机械化与自动化

自动化一词的含义十分广泛，它是指采用能自动开停、调节、检测、加工和控制的机器、设备进行各种作业，以代替人力来直接操作的措施，它是机械化的高级阶段。

在机械制造系统中，任何制造过程都是由若干个工艺过程组成的，在一个工艺过程中又包含若干个工序。而在一个工序中，又包含着若干种基本动作，如传动动作、上下料动作、换刀动作、切削动作以及检验动作等。此外，还有操纵和管理这些基本动作的操纵动作，如开动和关闭传动机构的动作等。这些动作可以用手动来完成，也可以用机器来完成。

当执行制造过程的基本动作是由机器(机械)代替人力劳动来完成时称为机械化。若操纵这些机构的动作也是由机器来完成的，则可以认为这个制造过程是“自动化”了。自动化的原意就是设计一种控制设备来取代人力操作机械的动作，以达到各种机械自动、半自动运行的目的。在一个工序中，如果所有的基本动作都机械化了，并且使若干个辅助动作也实现了自动化，而工人所要做的工作只是对这一工序进行总的操纵和监督，就称其为工序自动化。

一个工艺过程(如加工工艺过程)通常包括若干个工序，当每一个工序都实现了自动化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，而工人仅是对整个工艺过程进行总的操纵和监督，这时就形成了某一种加工工艺的自动生产线，通常称其为工艺过程自动化。

一个零部件(或产品)的制造包括若干个工艺过程，当每个工艺过程都实现了自动化，并且它们之间是自动地有机联系在一起，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。

机械制造自动化的主要内容

本课程机械制造自动化，主要是机械加工以及与此关系紧密的物料储运、智能检测、质量控制与装配等过程的自动化，尤其是自动化生产线领域的机械制造的自动化。因此机械制造过程中的自动化技术主要有：

1)机械加工自动化技术，包含上下料自动化技术、装夹自动化技术、换刀自动化技术、加工自动化技术和零件检验自动化技术等。

2)物料储运过程自动化技术，包含工件储运自动化技术、刀具储运自动化技术和其他物料储运自动化技术等。

3)装配自动化技术，包含零部件供应自动化技术和装配过程自动化技术等。

4)质量控制自动化技术，包含零件检测自动化技术、产品检测自动化技术和刀具检测自动化技术等。

机械制造自动化的作用

机械制造中采用自动化技术可以显著提高劳动生产率，有效缩短生产周期，大幅度提高产品的质量，有效改善劳动条件，并能显著降低制造成本。因此，机械制造自动化技术得到了快速发展，并在生产实践中得到越来越广泛的应用。概括而言，实现机械制造自动化具有如下的作用：

提高生产率

生产率是指在一定的时间范围内生产总量的大小。采用自动化技术后，可以大幅度缩短制造过程中的辅助时间，从而使生产率得以提高。

缩短生产周期

机械制造业按其产品特点可分为如下三类：大批量生产；多品种、中小批量生产；单件生产。在现代机械制造企业中，单件、小批量生产约占85%，而大批量生产仅约占15%。而在多品种、小批量生产中，被加工零件处于储运及等待加工等的时间约占95%，实际有效的加工时间仅占1.5%，采用自动化技术的主要好处在于可以有效缩短零件98.5%的无效时间，从而有效缩短生产周期。

提高产品质量

由于自动化系统中广泛采用多种高精度的加工设备和自动检测设备，减少了人工因素的干扰，保证了零部件的加工、装配精度，从而可以有效提高产品的质量。

提高经济效益

采用自动化技术可以减小生产面积，减少直接参与生产的工人数量，降低废品率，因而就减少了对生产的投入，提高了投入产出比，因此可以有效提高经济效益。

降低劳动强度

采用自动化技术后，机器可以完成绝大部分笨重、艰苦、复杂甚至对人体有害的工作，从而降低了工人的劳动强度。

有利于产品更新

现代柔性制造自动化技术使得变更制造对象更容易，适应的范围也较宽，十分有利于产品的更新。

提高劳动者素质

采用自动化制造后，要求操作者必须具备较高的专业技术水平和严谨的工作态度，这无形中就提高了劳动者的素质。

带动相关技术的发展

实现机械制造自动化可以带动自动检测技术、自动控制技术、产品设计技术和系统工程技术等相关技术的发展。

机械制造自动化的类型

机械制造自动化系统的构成

从系统的观点来看，一般的机械制造自动化系统主要由以下四个部分构成。

1.加工系统

加工系统是指能完成工件的切削加工、排屑、清洗和测量的自动化设备与装置。

2.工件支撑系统

工件支撑系统是指能完成工件输送、搬运以及存储功能的工件供给装置。

3.刀具支撑系统

刀具支撑系统包括刀具的装配、输送、交换和存储装置以及刀具的预调和管理系统。

4.控制与管理系统

控制与管理系统的作用是对制造过程进行监控、检测、协调与管理。

机械制造自动化的分类

机械制造自动化的分类目前还没有统一的方式。综合国内外各种文献资料，大致可按下面几种方式进行分类。

按制造过程分类

可分为：毛坯制备过程自动化、热处理过程自动化、储运过程自动化、机械加工过程自动化、装配过程自动化、辅助过程自动化、质量检测过程自动化和系统控制过程自动化。

按设备分类

可分为：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、数控机床、加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统。

按控制方式分类

可分为：机械控制自动化、机电液控制自动化、数字控制自动化、计算机控制自动化和智能控制自动化。

机械制造自动化设备

不同类型的自动化有着不同的性能特点与应用范围，因此应根据需要选择不同的自动化系统。下面按设备分类作一个简单的介绍。

刚性半自动化单机

刚性半自动化单机是一种除上下料外可以自动完成单个工艺过程加工循环的机床。这种机床采用的是机械或电液复合控制。如单台组合机床、通用多刀半自动车床和转塔车床等。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，但是其投资少、见效快，适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。它的缺点是调整工作量大、加工质量较差、工人的劳动强度也大。

刚性自动化单机

刚性自动化单机是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上下料装置而形成的自动化机床。因此，这种机床实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。这种机床往往需要定制或改装，常用于品种变化很小、但生产批量特别大的场合，如组合机床、专用机床等。其主要特点是投资少、见效快，但通用性差，是大量生产中最常见的加工设备。

刚性自动线

刚性自动化生产线(简称刚性自动线)是用工件输送系统将各种刚性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。因此，刚性自动线具有很高的自动化程度，具有统一的控制系统和严格的生产节奏。与自动化单机相比，它的结构复杂、完成的加工工序多，所以生产率也很高，是少品种、大批量生产中必不可少的加工装备。除此之外，刚性自动线还具有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、减小生产面积、改善劳动条件及便于管理等优点。它的主要缺点是：投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。为了消除这些缺点，人们发展了组合机床自动线，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(如更换主轴箱)，从而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件的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工。

刚性综合自动化系统

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)，对于其他自动化制造内容，如热处理、锻压、焊接、装配、检验、喷漆甚至包装等，却不可能全部包括在内。包括上述内容的复杂大系统称为刚性综合自动化系统，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。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，工人的劳动强度低。

数控机床

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。它利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，而且能控制选刀、换刀、测量、润滑和冷却等工作。数控机床是机床结构、液压、气动、电动、电子技术和计算机技术等各种技术综合发展的成果，也是单机自动化方面的一个重大进展。配备了适应控制装置的数控机床，可以通过各种检测元件将加工条件的各种变化测量出来，然后反馈到控制装置，与预先给定的有关数据进行比较，使机床及时进行相应的调整，这样，机床就能始终处于最佳工作状态。数控机床常用在零件复杂程度不高、精度较高、品种多变、批量中等的生产场合。

加工中心

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。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、攻螺纹和轮廓加工等多个工序的加工。因此，加工中心机床具有工序集中、可以有效缩短调整时间和搬运时间、减少在制品库存、加工质量高等优点。加工中心常用于零件比较复杂，需要多工序加工，且生产批量中等的生产场合。根据所处理对象的不同，加工中心又可分为铣削加工中心和车削加工中心。

柔性制造单元

柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell，FMC)是一种由1~3台计算机数控机床或加工中心所组成的，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柔性制造系统。柔性制造单元的主要优点是：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。就其应用范围而言，柔性制造单元常用于品种变化不是很大、生产批量中等的生产场合。

柔性制造系统

一个柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)一般由四部分组成：两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)和一个由多级计算机组成的控制和管理系统。到目前为止，柔性制造系统是最复杂、自动化程度最高的单一性质的制造系统。柔性制造系统内部一般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，可以有效减小生产面积；④与立体仓库相配合，可以实现24h连续工作；⑤采用集中作业，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，也使得系统的可靠性较差。一般情况下，柔性制造系统适用于品种变化不大，批量在200~2500件的中等批量生产。

机械制造自动化途径

产品对象（包括产品的结构、材质、重量、性能、质量等）决定着自动装置和自动化方案的内容，生产纲领的大小影响着自动化方案的完善程度、性能和效果；产品的零件决定着自动化的复杂程度；设备投资和人员构成决定着自动化的水平。因此要根据产品加工的实际情况决定采用不同的自动化手段和方法。

单件小批量生产的自动化途径

单件小批量生产的实质是生产单个的不同结构和不同尺寸的产品，并且很少重复，例如重型机械制造，专业设备制造和新产品的试制等。

据统计，在机械产品的加工中，单件生产占30%，小批量生产占50%。因此解决单件、小批量生产的自动化具有很大的意义。采用简易自动化使局部公布、工序自动化，是实现单件小批量生产自动化的有效途径，能有效减少加工辅助实践，达到提高生产率的目的。其具体方法有：

采用机械化、自动化装置，来实现零件的装卸、定位、夹紧机械化和自动化。

实现工作地点的小型机械化和自动化，如采用自动滚道、运输机械、电机及气动工具等装置来减少辅助实践，并可降低劳动强度。

改装或设计通用的自动机床、实现操作自动化，来完成零件加工的个别单元的动作或整个加工循环的自动化，以便提高劳动生产率和改善劳动条件。

对改装或设计的通用自动化机床，必须满足使用经济、调整方便、省时、改装方便、迅速以及自动化装置能保持机床通用性能等基本要求

中等批量生产的自动化途径

中等批量生产的批量虽然比较大，但是产品品种通常并不单一，因此对品种更新的需求，使得中等批量生产的自动化系统需要具备一定的可变性，以适应产品和工艺的变换，其加工设备的发展的趋势为建立可变自动化生产线。

可变自动化生产线在成组技术基础上实现“成批流水作业生产”，应用PLC或计算机控制的数控机床和可控主轴箱、可换刀库的组合机床，建立可变的自动线。在这种可变的自动线上，可以加工和装夹几种零件，既保持了自动化生产线高生产率的特点，又扩大了工艺适应性。

大批量生产的自动化途径

大批量生产是指产品数量很大，大多数工作地点经常重复地进行某一个零件的某一道工序的加工。例如，汽车、轴承、螺栓的制造通常采用大批量生产的方式进行。

目前，实现大批量生产的自动化已经比较成熟，主要有以下几种途径：

广泛地建立适用于大批量生产的自动线。自动化生产线具有很高的生产率和良好的技术经济效果，目前，大量生产的工厂已普遍采用组合机床自动线和专用机床自动线。

建立自动化工厂或自动化车间。大批量你生产的产品品种单一、结构稳定、产量很大，具有连续流水作业和综合机械化的良好条件，因此在自动化的基础上按陷阱的工艺方案建立综合自动化车间或全盘自动化工厂，是大批量生产的发展方向。整个系统是建立在系统工程学的基础上，应用电子计算机、机器人及综合自动化生产线所建成的大型自动化制造系统。它能够实现从原材料投入经过热加工、机械加工、装配、检验到包装的物流自动化，而且也实现了生产经营管理、技术管理等信息流的自动化和能量流的自动化。因此常把这种大型的自动化制造熊称为全盘自动化系统。

建立可变的短自动线及复合加工单元。采用可调的短自动线，即只包含2~4道工序的一小串加工机床建立的自动线。有益于解决大批量生产的自动化生产线具有一定的可变性的问题。

改装和更新现有老式设备，提高其自动化程度。把大批量生产中现有的老式设备改装或更新成专用的高效自动机。进行改装的方法是：采用安装各种机械的、电气的液压的或启动的自动循环到家，如程序控制刀架、转塔刀架和多刀刀架，安装各种机械化、自动化的工作台，安装各种自动上下料、自动夹紧、自动换刀、自动检验、自动调节加工参数的装置，自动输送装置和工业机器人等自动化的装置，来提高老式设备的自动化程度。

本文涉及的自动化设备主要是指适用于大批量生产的刚性自动线和刚性自动化单机，本文就自动机与自动线相关内容展开详细的论述。

机械制造自动化的现状与发展

机械制造自动化的发展历程

机械制造自动化的历史可以追溯到2500年前工具机(一种原始的转动器具)的出现，应用它，工匠们能用木材或其他硬性材料生产出较复杂的圆形产品。直到14世纪，人们才发明了第一个台原型的精密机器。德多迪·乔万某某(Giovanni DeDondi，1318~1389)提出了由机械重量驱动的时钟，推动了第一台真正的工具机(如螺钉加工机床)的发展。自18世纪中叶瓦特发明蒸汽机而引发工业革命以来，自动化技术就伴随着机械化得到了迅速发展。从其发展历程看，自动化技术大约经历了四个发展阶段。

第一个阶段：从1870年到1950年左右，纯机械控制因电液控制的刚性自动化加工单机和系统的出现而得到了长足发展。

第二阶段：从1952年到1965年，数控(Numerical Control，NC)技术，特别是单机数控技术得到了飞速发展。数控技术的出现是机械制造自动化技术发展史上的一个里程碑，它对多品种、小批量生产的自动化意义重大，几乎是目前经济实现小批量生产自动化的唯一实用技术。

第三个阶段：从1967年到20世纪80年代中期，是以数控机床和工业机器人组成的柔性制造自动化系统飞速发展的时期。

第四个阶段：从20世纪80年代至今，机械制造自动化系统的主要发展成果是计算机集成制造和计算机集成制造系统的出现，并开始探索新的机械制造自动化模式，包括智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造和绿色制造等。

机械制造自动化的发展现状

信息化是现代制造技术的首要特征，信息化带动机械制造自动化。面对新的知识/产业经济环境、竞争激烈的市场和迅速发展的信息技术，制造业日益信息化，形成了决策、研究开发、设计、制造、营销、管理技术与计算机、网络通信技术相融合的信息化制造技术。制造技术的信息化带动了自动化的发展，改变了传统制造自动化的概念，使得产品的生命周期明显缩短、产品品种日益增多、产品成本结构发生变化、产品交货期不断缩短。因此，现代制造企业实现产品上市快、质量好、成本低、服务好及环保TQCSE(Time、Quality、Cost、Service、Environment)五大要素将成为其赢得市场竞争的关键。

制造系统的信息化

制造系统的信息化就是建立对制造系统中的信息进行存储和管理的信息系统，将信息技术运用于制 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 到新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列。围绕实现制造强国的战略目标，《中国制造2025》明确了9项战略任务和重点，提出了8个方面的战略支撑和保障。具体在十大重点领域方面取得技术突破。

机械制造自动化的发展趋势

随着科学技术的飞速发展和社会的不断进步，先进的生产模式对自动化系统及技术提出了多种不同的要求，这些要求也同时表明了机械制造自动化技术将向可编程、适度集成、信息化和智能化的方向发展。其具体发展趋势为：

1) 高度智能集成性。

2) 人机结合的适度自动化。

3) 强调系统的柔性和敏捷性。

4) 继续推广单元自动化技术。

5) 发展和应用新的单元自动化技术。

6) 运用可重构制造技术。

复习思考题

什么是机械化和自动化？他们有什么差异？

机械制造自动化的主要内容有哪些？

机械制造自动化的作用是什么？

机械制造自动化的类型与特点是什么？

什么是自动机？什么是自动线？

简述自动线的特点、组成及其分类？

检测技术的任务是什么？它有哪些模块组成？

简述检测技术在机械自动化中的作用与意义？在未来的自动化产业的发展中，检测技术有怎样的发展趋势？

试述机械制造自动化的主要发展趋势？

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