第四节　单机自动化方案

单机自动化是大批量生产提高生产率、降低成本的重要途径。单机自动化往往具有投资省、见效快等特点，因而在大批量生产中被广泛采用。

一、实现单机自动化的方法

实现单机自动化的方法概括起来有以下四种：

1.采用通用自动化或半自动机床实现单机自动化

这类机床主要用于轴类和盘套类零件的加工自动化，例如单轴自动车床、多轴自动车床或半自动车床等。使用单位一般可根据加工工艺和加工要求向制造厂购买，不需特殊订货。这类自动机床的最大特点是可以根据生产需要，在更换或调整部分零部件（例如凸轮或靠模等）后，即可加工不同零件，适合于大批量多品种生产。因此，这类机床使用比较广泛。

2.采用组合机床实现单机自动化

组合机床一般适合于箱体类和杂件类（例如发动机的连杆等）零件的平面、各种孔和孔系的加工自动化。组合机床是一种由通用化零部件为基础设计和制造的专用机床，一般只能对一种（或一组）工件进行加工，往往能在同一台机床上对工件实行多面、多孔和多工位加工，加工工序可高度集中，具有很高的生产率。由于这台机床的主要零、部件已通用化和已批量生产，因此，组合机床具有设计、制造周期短，投资省的优点，是箱体类零件和杂体类零件大批量生产实现单机自动化的最主要手段。

图3-13是箱体零件图，在该箱体中面和孔需要加工。为了提高加工的效率，可以设计组合机床来完成图中平面和孔的加工。在组合机床设计上，底座、工作台和动力头可以根据需要选择通用零部件组成组合机床。如加工图3-31中的平面，可以将动力头设计成固定式，如图3-14（a）所示；如加工图3-31中的孔，则可以将动力头设计成移动式，如图3-14（b）所示。

3.采用专用机床实现单机自动化

专用机床是为一种零件（或一组相似的零件）的一个加工工序而专门设计制造的自动化机床。专用机床的结构和部件一般都是专门设计和单独制造的。这类机床的设计、制造时间往往较长，投资也较多，因此采用这类机床时，必须考虑以下基本原则：

①被加工的工件除具有大批量的特点外，还必须结构定型。

②工件的加工工艺必须是合理可靠的。在大多数情况下，需要进行必要的工艺试验，保证专用机床所采用的加工工艺先进可靠，所完成的工序加工精度稳定。

③采用一些新的结构方案时，必须进行结构性能试验，待取得较好的结果后，方能在机床上采用。

④必须进行技术经济分析。只有在技术经济分析认为效益明显后，才能采用专用机床实现单机自动化。

图3-15是十字轴零件图，图中十字轴的四个端面及四个外圆面需要加工。在大批量生产中，为了提高加工效率，可以采用专用机床进行加工。为了适应十字轴加工，目前已有专用数控机床CJK0636，可通过一次装夹实现四个外圆及端面的加工。装夹有十字轴的CJK0636机床装夹加工部分如图3-16所示，其中车刀用于车端面及外圆，钻头用于钻中心孔，十字轴夹具可实现加工完一个端面及外圆后将工件旋转90°，直到一个工件加工完毕。

4.采用通用机床进行自动化改装实现单机自动化

在一般机械制造厂中，为了充分发挥设备潜力，可以通过对通用机床进行局部改装，增加或配置自动上、下料装置和机床的自动工作循环系统等，实现单机自动化。由于对通用机床进行自动化改装要受被改装机床原始条件的限制，要按被加工工件的加工精度和加工工艺要求来确定改装的内容，而且各种不同类型和用途的机床具有各不相同的技术性能和结构，被加工工件的工艺要求也各不相同，所以改装涉及的问题比较复杂，必须有选择地进行改装。总的来说，机床改装的投资少，见效快，能充分发挥现有设备的潜力，是实现单机自动化的重要途径。

二、单机自动化方案

在机械制造业的工厂中，拥有大量的、各种各样的通用机床。为了提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度，对这类机床进行自动化改装，以实现工序自动化，或用以连成自动线，是进行技术改造、挖掘现有设备潜力的途径之一。自动化机床的“自动”主要体现在自动化机床的加工循环自动化、装卸工件自动化、刀具自动化和检测自动化四个方面，其自动化大大减少了空程辅助时间，降低了工人的劳动强度，提高了产品质量和劳动生产率。

1.加工过程运动循环自动化

加工过程运动循环是指在工件的一个工序的加工过程中，机床刀具和工件相对运动的循环过程。切削加工过程中，刀具相对于工件的运动轨迹和工作位置决定被加工零件的形状和尺寸。实现了机床运动循环自动化，切削加工过程就可以自动进行。

自动循环可以通过机械传动、液压传动和气动-液压传动方法实现。对于比较复杂的加工循环，一般采用继电器、程序控制器控制其动作，采用挡块或各种传感器控制其运动行程。

（1）机械传动系统运动循环自动化

①运动的接通和停止。在机械传动系统中，运动的接通和停止有三种方式，分别是凸轮控制、挡块-杠杆控制、挡块-开关-离合器控制。三种控制方式的原理及优缺点如下：

a.凸轮控制。其控制原理是在分配轴上安装不同形状的凸轮，通过操纵杠杆或行程开关控制各执行机构。主要适于大批量生产中的单一零件加工，受机床结构影响较大，应用较多。

b.挡块-杠杆控制。其控制原理是运动部件上的挡块碰撞杠杆，操纵离合器或运动部件。其特点是控制简单，受机床结构影响较大，操纵系统磨损大，应用较少。

c.挡块-开关-离合器控制。其控制原理是运动部件上的挡块压下行程开关，通过电磁铁、气缸或液压缸操纵离合器或运动部件。其特点是机械结构较简单，容易改变程序，但控制系统比较复杂，应用较多。

②快速空行程运动和工作进给的自动转换。机床自动化改装时，要求机床快速运动，以缩短空行程时间。在机床传动系统中，快速运动既可来自于主传动装置中某一根中间轴［图3-17（a）和（b）］，也可用单独的快速电动机驱动［图3-17（c）～（e）］。

图3-17（a）为借助主轴箱中的中间轴5实现快速运动。离合器M1结合、M2脱开为工作进给；M2结合、M1脱开为快速运动。这种驱动方式的缺点是快速运动速度取决于进给箱内选定的传动链，且快速运动时，进给箱的轴和齿轮高速旋转，容易磨损。图3-17（b）中，快速运动直接传给进给箱最后一根轴，克服了上述缺点，但有些环节仍高速旋转，最好是将快速运动直接传给传动装置的末环或尽可能靠近末环［图3-17（c）］。采用快速电动机时，为使快速运动不致传给进给箱，可以在快速轴和进给箱之间加超越离合器［图3-17（d）］。

进给装置一般都有工作进给的正、反向变换装置［图3-17（e）］，快速进给接通时，正反向离合器M3和M4都处于脱开状态。

机床快速移动实现机械化后，再在运动部件上装挡块，用挡块压行程开关，发出离合器通、断和电动机开、停及正反转控制指令，就可实现快速空行程运动和工作进给运动的自动转换。

（2）气动和液压传动的自动循环

由于气动和液压传动的机械结构简单，容易实现自动循环，动力部件和控制元件的安装都不会有很大困难，故应用较广泛。

在机床改装中，还经常采用气动-液压传动，即用压缩空气作动力，用液压系统中的阻尼作用使运动平稳和便于调速。动力气缸与阻尼液压缸有串联和并联两种形式。

实现气动和液压自动工作循环的方法相同，都是通过方向阀来控制的。

图3-18是液压传动快速变慢速的各种方法。图3-18（a）为挡块直接压下行程阀，行程阀压下时为慢速，放开时为快速；在挡块压下行程阀的回程中也是慢速运动。图3-18（b）为用挡块压单向行程阀，前进过程中单向阀关闭，行程快慢取决于挡块是否压下行程阀；回程时单向阀打开，全部为快速行程。图3-18（c）为挡块压电气行程开关，通过继电器控制电磁阀，电磁阀通电为慢速，断电为快速。图3-18（d）为挡块压气压或液压开关，由发出的信号控制二通阀，实现快慢速转换。

液压传动系统中，运动的接通和切断靠换向阀控制，一般用三位四通阀控制［图3-19（a）］，也可用二位四通阀［图3-19（b）］，气动传动系统与此类似。但因气体有可压缩性，用切断动力源的方法停止运动，工作不准确，一般都用固定挡块定位。

（3）车床加工循环自动化实例

对于车床而言，一个简单自动循环包括以下动作（图3-20）：①刀架横向进刀；②刀架纵向进给；③刀架横向退出；④刀架快速回程；⑤自动停止。加工循环依据不同的机床和加工特征而包含不同的动作。

自动循环可以通过机械传动、液压传动和气动-液压传动等方法实现。对于比较复杂的加工循环，一般采用继电器程序控制器控制其动作，采用挡块或各种传感器控制其运动行程。对于图3-20所示的比较简单的工作循环，可以直接采用机械机构实现对其动作的控制。

①加工循环的实现。车床的溜板一般都由进给箱通过光杠或丝杠传动实现自动纵向进给，只要添置溜板快速回程装置和刀架横向进、退刀机构，即可实现其加工循环。

溜板的快速回程可以用单独的快速电动机传动光杠来实现。如图3-21所示，在床身尾部安装快速电动机1，通过齿轮2和3、传动光杠4的反转或正转，使溜板获得快速行程。为了不致与进给箱的慢速传动发生干涉，在进给箱的输出端安装双向超越离合器5。

②横向进、退刀的实现。有两种方案：一种是使横向丝杠做少量轴向移动，带动整个横溜板做进退运动；另一种是设计能使车刀横向进退的专用刀夹以代替方刀架。前一种方案较适合于普通车床的自动化改装；后一种方案常用作车螺纹时的自动进刀机构，车刀向前复位多用手工操作，在这种机构中，刀具的夹持刚度不如前一种方案。

图3-22为使横向丝杠做轴向运动来实现进、退刀的机构。壳体8固定在床鞍的后端面上。加长的横向丝杠2的末端伸入壳体8中。在丝杠2的末端固定着挡圈4，在弹簧3的作用下紧靠在端齿离合器5的端面上，弹簧力可用螺塞1调节。离合器5用键装在壳体8内，它只能轴向移动不能转动。离合器6则空套在丝杠2上，当齿条7带动离合器6回转时，离合器5和6的齿顶相对，如图3-22（b）中齿形展开所示状态，离合器5被迫向左移动，通过挡圈4压缩弹簧3带动丝杠2一同向左移动。此时车刀向前处于切削位置，加工时的径向切削力由离合器的齿端面承受，当齿条反向转动离合器6，使两半离合器的端齿嵌合时，弹簧3迫使挡圈4带着丝杠2向右移动实现自动退刀。齿条7通过固定在床身导轨上的挡块11和9来控制。当溜板向床头方向移动到终点时，挡块9控制实现自动退刀，在溜板快速回程终点，挡块11使刀架进刀复位。图3-22（a）中10和12是使溜板反向的行程开关。

2.装卸工件自动化

自动装卸工件装置是自动机床不可缺少的辅助装置。机床实现了加工循环自动化之后，还只是半自动机床，在半自动机床上配备自动装卸工件装置后，由于能够自动完成装卸工作，因而自动加工循环可以连续进行，即成为自动机床。

自动装卸工件装置通常称自动上下料装置，它所完成的工作包括将工件自动安装到机床夹具上，以及加工完成后从夹具中卸下工件。其中的重要部分在于自动上料过程采用的各种机构和装备，而卸料机构在结构上比较简单，在工作原理上与上料机构有若干共同之处。

根据原材料及毛坯形式的不同，自动上料装置有以下三大类型：

（1）卷料（或带料）上料装置

在加工时，当以卷料（卷状的线材）或带料（卷状的带材）作毛坯时，将毛坯装上自动送料机构，然后从轴卷上拉出来经过自动校直被送向加工位置。在一卷材料用完之前，送料和加工是连续进行的。

（2）棒料上料装置

当采用棒料作为毛坯时，将一定长度的棒料装在机床上，按每一工件所需的长度自动送料。在用完一根棒料之后，需要进行一次手工装料。

（3）单件毛坯上料装置

当采用锻件或将棒料预先切成单件坯料作为毛坯时，机床上设置专门的单件毛坯上料装置。

前两类自动上料装置多用于冲压机床和通用（单轴和多轴）自动机，第三类使用得比较多，下面主要介绍单件毛坯的自动上料装置。

根据工作特点和自动化程度的不同，单件毛坯自动上料装置有料仓式上料装置和料斗式上料装置两种形式。

料仓式上料装置是一种半自动的上料装置，不能使工件自动定向，需要由工人定时将一批工件按照一定的方向和位置，顺序排列在料仓中，然后由送料机构将工件逐个送到机床夹具中去。

料斗式上料装置是自动化的上料装置，工人将单个工件成批地任意倒进料斗后，料斗中的定向机构能将杂乱堆放的工件进行自动定向，使之按规定的方位整齐排列，并按一定的生产节拍把工件送到机床夹具中去。

图3-23所示为这两种自动上料装置的原理图。图3-23（a）和（b）是料仓式上料装置中的料仓结构形式，料仓式上料装置由料仓和上料装置构成，它具有料仓3、输料槽2、送料器1、上料杆4和卸料杆5。当工件的加工循环时间较长时，为了简化结构，可以适当加长输料槽使之兼有料仓的作用［图3-23（a）］。图3-23（c）是料斗式上料装置中的料斗装置，工件任意地堆放在料斗6内，通过定向机构7将工件按一定方向顺序送入输料槽2中，然后由送料器1送到机床的加工位置。在料斗上还设有剔除器8，用以防止定向不正确的工件混入输料槽。图3-23（d）是与料仓或料斗相配合使用的上料装置。

料斗式上料装置由于能够实现工件的自动定向，因而能进一步减轻工人的体力劳动，便于多机床管理。这种自动定向的料斗多适用于工件外形比较简单，体积和质量都比较小，而且生产节拍短，要求频繁上料的场合。料仓式上料装置虽然需要工人周期性地将工件按规定的方向和顺序进行装料，但结构比较简单，工作可靠性较强，适用于工件外形较复杂、尺寸和质量较大以及加工周期比较长的情况。

近年来，在各种类型的自动化机床上，广泛应用了机械手来实现装卸工件自动化。这里所说的机械手，就是一种能实现较为复杂的动作循环的上、下料装置，它从料仓或输料槽中抓取工件，直接送入机床夹具；当工件加工完成后，也能从夹具中把工件卸到固定的地点。它代替了图3-23（d）中送料器1、上料杆4和卸料杆5的作用。所以，从作用原理上看，仍然可以把它当作上述两类上料装置的组成部分。

3.自动换刀装置

在自动化加工中，要减少换刀时间，提高生产率，实现加工过程中的换刀自动化，就需要刀架转位自动化。自动转位刀架应当有较高的重复定位精度和刚性，以及便于控制。

刀架的转位可以由刀架的退刀（回程）运动带动，也可以由单独的电动机、气缸、液压缸等带动。由退刀运动带动的转位，不需单独的驱动源，而用挡块和杠杆操纵。

图3-24为利用回程运动带动的自动转位刀架结构。

底座8固定在溜板上，在回程运动中，齿条6与固定挡块相碰，带动齿轮5转动。通过固定在齿轮轴上的棘轮4，经销子3带动回转刀架1转位。钢球2和销子9将弹簧压缩而退入底座8的孔中，刀架1转位完毕。由钢球2进行初定位，销子9作精确定位。刀架再一次快速前进时，齿条6在弹簧7的作用下，带动齿轮5反转，销子3在棘轮背面上滑过，为下次转位做好准备。这种刀架的特点是结构简单，容易制造，但定位精度低，刚性较差。