第三节　自动化加工设备的特殊要求及实现方法

一、高生产率

自动化生产的主要目的是提高劳动生产率和机器生产率，这是机械制造自动化系统高效率运行必须解决的基本问题。在工艺过程实现自动化时，采用的自动化措施都必须符合不断提高生产率的要求。

生产率可以用单位时间内制造出来的产品数量（件/min或件/h）来表示。

Q=1/Td　　（3-1）

式中　 Q——生产率，件/min；

　Td——制造产品的单件时间，min。

若不考虑循环外的时间消耗，则单件时间为

Td=tg+tf　　（3-2）

式中　tg——工作行程时间，min；

　tf——辅助时间或空行程时间，即循环内损失时间，包括空行程、上下料、检验和清除机床上的切屑等，min。

生产率又可表示为

　　（3-3）

式中　K——理想的工艺生产率，K=1/tg。

以K为横坐标，Q为纵坐标，根据不同的tf值，可将式（3-3）作成曲线族，如图3-11所示。从图中可以看出：

①当为tf某一定值时（例如tf1），虽然减少切削时间（即增加K），开始生产率Q有较显著的增长，但往后由于tf的比重相对增大，生产率Q的提高就愈来愈不显著了。

②如果进一步减少tf，则tf愈小，增加K时生产率Q的提高就愈显著。

③当切削时间tg愈少时，减少tf对提高生产率Q的收效愈大。

由此可见，tg和tf对机床生产率的影响是相互制约和相互促进的。当生产工艺发展到一定水平，即工艺生产率K提高到一定程度时，必须提高机床自动化程度，进一步减少空程辅助时间，促使生产率不断提高。另外，在相对落后的工艺基础上实现机床自动化，生产率的提高是有限的，为了取得良好的效果，应当在先进的工艺基础上实现机床自动化。

如果按照较长一段时间来确定机床的生产率，则其生产率还要低些。因为在机床工作时，除了加工循环内时间损失外，还有加工循环外时间消耗，即机床的停顿也会影响到机床的生产率。加工循环外时间消耗包括更换磨损了的刀具，修理机床，调整个别自动机构，重新装料，加工对象变更时的重调整，以及有关组织方面的原因使生产停顿而分摊到每个产品中的时间消耗。如果考虑了循环外的时间消耗，则机床的生产率应为

Q=1/Td=1/（tg+tf+tw）　　（3-4）

式中　tg——工作行程时间，min；

　 tf——辅助时间或空行程时间，即循环内损失时间，min；

　tw——循环外损失时间，即机床在某一时期内停顿而分摊到每一个零件上的时间，min。

使Td最小，即tg+tf+tw最小，才能使生产率Q值最大，所以Q的提高可以通过同时减少tg、tf、tw来实现。

Td的减少，可以采用提高加工速度（例如采用先进的工艺方法、高效率的加工工具、高参数的切削用量和高效率的自动化设备等）来实现。但过分增大切削速度会由于刀具磨损加快，换刀时间增多等原因，使生产率下降。所以，还应同时减少tf和tw，才能显著提高生产率。

可以把tf和tw分为以下几类损失并采取相应的措施加以解决。

①减少与加工工作有关的时间消耗。建立连续自动线，采用快速的自动化空行程机构、自动检验装置、自动排除切屑和周期性装料的机械手及自动化装置来减少此类时间消耗。

②减少与刀具有关的时间损失。可设置刀具储存库、自动换刀机械手、刀具自动调节装置、自锁装置，以及采用强制性换刀等措施来减少此类时间消耗。

③减少与自动化设备有关的时间损失。可采用自动补偿磨损和自动减少磨损的机构、自动防护装置、优良的耐磨材料、可靠的润滑以及合理的维修制度和自动诊断系统等来减少此类时间消耗。

④减少由于交接班和缺少毛坯引起的时间损失。可以设置工序间、生产线间、工段间、车间的自动化储料仓，采用自动记录仪和电子计算机管理等方法来减少这类时间损失。

⑤减少与废品有关的时间损失。可以采用各种主动的工艺过程中的自动检验装置、自适应控制系统、刀具磨损的自动补偿装置等，来自动调节机构参数和工件的几何参数，以及采用强制性换刀等措施，就可有效地降低废品率，减少与废品有关的时间损失。

⑥减少重调整及准备结束时间。用现代化的数控自动机、工艺可变的柔性自动线、计算机控制的可变加工系统及自动线，或设置各种各样的“程序控制”和“程序自动转换装置”“工夹具快速调整”等机构，都能使自动生产时的重调整时间和准备结束时间减少到最低限度。

采用上述的相应措施，力求使相应的时间损失减到最小，使自动化机床的生产率不断提高。

二、加工精度的高度一致性

产品质量的好坏，是评价产品本身和自动加工系统是否具有使用价值的重要标准。保证产品加工精度，防止工件发生成批报废，是自动化加工设备工作的前提。

影响加工精度的因素包括以下几个方面：

（1）由刀具尺寸磨损所引起的误差

加工零件时，刀具的尺寸磨损往往是对加工表面的尺寸精度和形状精度产生决定性影响的因素之一。在自动化加工设备上设置工件尺寸自动测量装置；或设置以切削力或力矩、切削温度、噪声及加工表面粗糙度为判据，对刀具磨损进行间接测量的装置；也可在线自动检测出刀具磨损状况，将测量、检测的结果经转换后由控制系统控制刀具补偿装置进行自动补偿，借以确保加工精度的一致性。在没有自动检测及刀具补偿装置的设备中，可以以刀具寿命为判据进行强制性换刀。这种方法在加工中心和柔性制造系统中应用最广，且刀具寿命数据和已用切削时间由计算机控制。

（2）由系统弹性变形引起的加工误差

在加工系统刚性差的情况下，系统的弹性变形可引起显著的加工误差，尤其在精加工中，工艺系统的刚度是影响加工精度和表面粗糙度的因素之一；为中、大批量生产而采用的专用机床、组合机床及自动化生产线，一般是专为某一产品或同一族产品的某一工序专门设计的，可以在设计中充分考虑加工条件下的力学特性，保证机床有足够的刚度。

例如某机械厂在生产齿条的过程中，对铣床进行改造以铣削加工的方式进行加工。为了提高生产率，改进了刀具设计，由原来的单齿铣削加工改变为多齿铣削加工，但由于没有考虑机床的刚度，导致加工的齿条不能满足精度要求。

（3）切削用量对表面质量的影响

切削用量的选择对加工表面粗糙度有一定的影响。自动化加工设备在保证生产率要求的同时，应合理地选用切削用量，满足对工件加工表面质量的要求。

（4）机床的尺寸调整误差引起的加工误差

在自动化生产中，零件是在已调整好的机床上加工，采用自动获得尺寸的方法来达到规定的尺寸精度。因此，机床本身的尺寸调整及机床相对工件位置的调整精度对保证工件的加工精度有重大的意义。自动化加工设备在正式生产前都应按所要求的调整尺寸进行调整，并按规定公差调好刀具。调整方法：可以根据样件和对刀仪进行调整，也可通过试切削进行调整。

三、自动化加工设备的高度可靠性

产品的质量和加工成本以及设备的生产率取决于机械加工设备的工作可靠性。设备的实际生产率随着其工作可靠性的提高而接近于设计设定理论值，且充分地发挥了设备的工作能力。

通常，设备是由下列四种原因而停机的：

①设备的各种装置（机床各部件、夹具、输送装置、液压装置、电气设备、控制系统元件等）的工作故障。

②刀具的工作故障。

③设备定期计划停机。

④因组织原因而停车（缺少毛坯、刀具或人员欠缺、毛坯缺陷、供电供气中断等）。

故障可分为两类：第一类是设备的各种机构和装置的工作故障；第二类是不能保证规定加工精度的故障。

故障类型可按故障密度（故障率）随运转时间而变化的模式来辨识。基本上可分为下列三种（如图3-12所示）：

①初期故障。如图3-12中的区域Ⅰ，故障密度迅速减少期。这类故障出现在设备运转的初始阶段，设备故障的出现在开始时最高，故障密度随着时间的增加而迅速减少。初期故障主要是基于固有的不可靠性，如材料的缺隙、不成熟的设计、不精细的制造和开始时的操作失误。查出这类故障并使设备运转稳定是很重要的。故障密度的迅速降低是掌握了设备的操作，排除了所发现的制造缺隙和配合件的运转磨合的结果。

②偶然（随机）故障。如图3-12中的区域Ⅱ，属正常运转期。在此阶段，故障密度稳定，故障随机地出现往往是由于对设备突然加载超过了允许强度或未估计到的应力集中等。

③磨损故障。如图3-12中的区域Ⅲ，由零件的机械磨损、疲劳、化学腐蚀及与使用时间有关的材料性质改变等引起，此时故障密度随时间延长而急剧上升。

上述三类故障与生产保养密切相关。在初期故障期，增加检查次数，去查明故障原因，并将信息送回设计制造部门以便改进或修正保养措施极为重要。健全的质量管理措施可以把初期故障减到最小。在偶然故障期间，日常保养如清洗、加油和重新调节应当与检查同时进行，力求减少故障密度来延长有效寿命。在磨损故障期内，设备变坏或磨损，应采用改善的保养措施来减少故障密度和减缓磨损。

设备工作的可靠性取决于设备元件的可靠性、元件的数量及其连接方式。对于串联连接的自动线来说，在刚性输送关系的条件下，一个元件的失效会引起全线停车，把自动线分段可提高整条自动线的可靠性和生产率。

设备的可靠性取决于运行时的无故障水平及修理的合适性。实施综合的设计措施和工艺措施，以及采用合理的使用规程可提高设备无故障特性。不断地改进结构并改善设备的制造工艺，随着时间的推移可提高利用系数和生产率。改进设备元件的结构，在设备运转时及时查明损坏的系统，就能提高修理的合适性。对于易发生故障的易损零部件和机构，应采用快速装拆的连接结构，用备件来成组更换特别有效，此时，由技术方面引起的故障可在短时间内排除。并联一个相同元件或备用分支系统，采用备用手动控制和管理都可以减少停机时间，提高可靠性。

四、自动化加工设备的柔性

随着产品需求日益多样化，更新换代加快，产品寿命周期缩短，多品种批量（尤其是中小批量）生产已是机械制造业生产形态的主流。因此，对自动化加工设备的柔性要求也越来越高。柔性主要表现在加工对象的灵活多变性，即可以很容易地在一定范围内从一种零件的加工更换为另一种零件的加工的功能。柔性自动化加工是通过软件来控制机床进行加工，更换另一种零件时，只需改变有关软件和少量工夹具（有时甚至不必更换工夹具），一般不需对机床、设备进行人工调整，就可以实现对另一种零件的加工，进行批量生产或同时对多个品种零件进行混流生产。这将显著地缩短多品种生产中设备调整和生产准备时间。

对用于中小批量生产的自动化加工系统，应考虑使其具有以下的一些机能：

（1）自动变换加工程序的机能

对于自动化加工设备可以通过设置一台或一组电子计算机，或用可编程控制器来作它的生产控制及管理系统，使系统具备按不同产品生产的需要，在不停机的情况下，方便迅速地自动变更各种设备工作程序的机能，减少系统的重调整时间。

（2）自动完成多种产品或零件族加工的机能

在加工系统中所设置的工件和随行夹具的运输系统，以及加工系统都具有相当大的通用性和较高的自动化程度，使整个系统具备在成组技术基础上自动完成多个产品或零件族的加工的机能。

（3）对加工顺序及生产节拍随机应变的机能

具有高度柔性的加工系统，应具有对各种产品零件加工的流程顺序以及生产节拍随机变换的机能，即整个系统具有能同时按不同加工顺序以不同的运送路线，按不同的生产节拍加工不同产品的机能。

（4）高效率的自动化加工及自动换刀机能

采用带刀库及自动换刀装置的数控机床，能使系统具有高效率的自动加工及自动换刀机能，减少机床的切削时间和换刀时间，使系统具有高的生产率。

（5）自动监控及故障诊断机能

为了减少加工设备的停机时间和检验时间，保证设备有良好的工作可靠性和加工质量，可以设置生产过程的自动检验、监控和故障诊断装置，从而提高设备的工作可靠性，减少停机及废品损失。

并不是所有设备都要求达到以上机能，可以根据具体生产要求和实际情况，对设备提出不同规模和功能的柔性要求，并采取相应的实施措施。

另外，对于用于少品种大批量生产的刚性加工系统也应考虑增加一些柔性环节。例如，在组成刚性自动线的设备中也可以使用具有柔性的数控加工单元，或者使用主轴箱可更换式数控机床，以增加对产品变换的适应性和加工的柔性。在由刚性输送装置组成的工件运输系统中可以设置中间储料仓库，增加自动线间连接的柔性，避免由于某一单元的故障造成整个系统的停机时间损失。