机械制造自动化技术及应用（刘治华）

近年来，随着中国经济的发展，制造业出现了劳动力短缺、用工成本高、技术工人队伍不稳定等问题。为应对劳动力危机，越来越多的企业开始将注意力转向提高生产过程的自动化水平，通过采用自动化加工设备、自动化的物料输送系统和机器人上下料及自动装配技术，从而减少用工，降低工人劳动强度，提高产品的质量和稳定性。就目前制造业状况而言，对于原有的工厂可以采用对既有设备进行自动化改造的方法来实现；而对于投资新建的工厂，可根据资金状况购买成熟配套的自动化制造系统或根据产品特点研发专用的自动化设备来实现。

 机械制造自动化技术及应用针对机械制造的全过程，不仅包括机械制造整体方案的制订，还包括设备的布局、物料的输送与存储、控制与检测、自动装配及工业机器人等方面的内容。本书在内容编排上，既注重与工程应用实例相结合，又注重与当前科技发展的前沿相结合，着力做到各章内容相互独立，又相互衔接，以利于读者了解和掌握其基本概念和应用常识，逐步培养学生解决工程实际问题的能力。

 通过学习，使学生了解机械制造自动化过程中的先进技术和装备，培养学生根据工厂实际生产状况和自动化水平，运用所学知识，进行自动化改造和设计的能力。

 考虑到便于教学过程中的教与学，本书配套有相关教学资源，包括教学用PPT课件及书中部分实例的设计方案及图纸等，包括第三章*后一节实例的实物图片，相应的SolidWorks三维图；第四章*后一节实例1的视频、实例2的图片和两个实例相应的SolidWorks三维图；第五章*后一节实例的加工中心换刀视频；第六章*后一节实例的实物图、SolidWorks三维图与AutoCAD工程图；第八章*后一节实例2的伺服控制系统图、牵引力测量装置SolidWorks三维图及主要控制元器件（包括运动控制卡、力传感器、变送器、伺服电机及减速器等）的选择与介绍；第九章*后一节旋转负压机器人实例的视频和SolidWorks三维图等内容，并将免费提供给采用本书作为教材的院校使用。如有需要，请发电子邮件至cipedu@163.com获取，或登录www.cipedu.com.cn免费下载。

 在编写过程中，我们参考了近些年出版的多种同类教材、论著、手册以及发表的相关论文，在此向有关的著作者表示衷心的感谢和诚挚的谢意。

 本书由郑州大学机械工程学院刘治华任主编，王晓洁、肖献国任副主编，参加本书编写的还有王春丽。其中刘治华编写*章、第六章、第八章及第九章并负责统稿，王晓洁编写第二章、第七章，肖献国编写第三章，王春丽编写第四章、第五章。在编写的过程中，北京航空航天大学机械学院郭伟教授对本书的编写提出了一些建设性的建议，研究生陶德岗、汤清、张天增、杨孟俭、戴骐隆等在绘图方面做了大量的工作，在此一并表示感谢！

 本书由郑州大学李大磊主审，李大磊教授对本书进行了细致的审查并提出了许多宝贵意见。

 由于编者水平有限，加之时间仓促，书中难免存在不足之处，敬请读者与同行批评指正。

 编者

 2018年3月

*章概论1

 *节机械制造自动化的基本概念1

 一、机械化与自动化1

 二、制造与制造系统3

 第二节机械制造自动化的内容和意义3

 一、制造自动化的内涵3

 二、机械制造自动化的主要内容4

 三、机械制造自动化的意义4

 第三节机械制造自动化的途径5

 一、制造规模5

 二、机械制造自动化途径6

 第四节机械制造自动化系统8

 一、机械制造自动化系统的定义8

 二、机械制造自动化系统的构成9

 三、机械制造自动化系统的分类9

 第五节机械制造自动化的现状及发展9

 一、机械制造自动化的发展里程及现状9

 二、机械制造自动化的发展趋势12

 复习思考题15

 第二章自动化制造系统技术方案16

 *节自动化制造系统技术方案的制订16

 一、自动化制造系统技术方案内容16

 二、确定自动化制造系统的技术方案时需要注意的问题16

 第二节自动化加工工艺方案涉及的主要问题17

 一、自动化加工工艺的基本内容与特点17

 二、实现加工自动化的要求18

 三、成组技术在自动化加工中的应用18

 第三节工艺方案的技术经济分析20

 一、自动化加工工艺方案的制订20

 二、自动化加工工艺方案的技术经济分析23

 第四节自动化加工切削用量的选择25

 一、切削用量对生产率和加工精度的影响25

 二、切削用量选择的一般原则27

 复习思考题28

 第三章自动化加工设备29

 *节自动化加工设备29

 一、加工设备自动化的意义29

 二、自动化加工设备的分类29

 三、自动化加工过程中的辅助设备31

 第二节自动化加工设备的选择与布局33

 一、自动化加工设备的选择33

 二、自动化加工设备的布局33

 第三节自动化加工设备的特殊要求及实现方法38

 一、高生产率38

 二、加工精度的高度一致性39

 三、自动化加工设备的高度可靠性40

 四、自动化加工设备的柔性41

 第四节单机自动化方案42

 一、实现单机自动化的方法42

 二、单机自动化方案44

 第五节数控机床及加工中心50

 一、数控机床概述50

 二、加工中心简介53

 第六节机械加工自动化生产线57

 一、自动线的特征57

 二、自动线的组成58

 三、自动线的类型59

 四、自动线的控制系统59

 第七节柔性制造单元60

 一、概述60

 二、柔性制造单元的组成形式61

 三、柔性制造单元的特点和应用62

 四、柔性制造单元的发展趋势62

 第八节柔性制造系统62

 一、柔性制造系统的定义和组成63

 二、系统柔性的概念63

 三、柔性制造系统的特点和应用65

 第九节自动线的辅助设备66

 一、清洗站66

 二、去毛刺设备67

 三、工件输送装置68

 四、自动线上的夹具68

 五、转位装置68

 六、储料装置68

 七、排屑装置69

 第十节长叉轴自动化加工生产线实例69

 一、长叉轴加工工艺69

 二、长叉轴加工生产线69

 复习思考题72

 第四章物料供输自动化73

 *节物流系统的组成及分类73

 一、物流系统及其功用73

 二、物流系统的组成和分类73

 三、物流系统应满足的要求74

 第二节工件自动上下料系统74

 一、概述74

 二、自动供料装置74

 三、机床自动供料典型装置82

 第三节自动线输送系统83

 一、带式输送系统83

 二、链式输送系统85

 三、辊子输送系统85

 四、步伐式输送机86

 五、悬挂输送系统88

 六、有轨导向小车89

 第四节柔性物流系统91

 一、柔性物流输送形式91

 二、托盘及托盘交换器92

 三、自动导向小车93

 四、自动化仓库97

 第五节物料输送系统应用实例102

 一、机械手与平带输送相结合物料输送系统102

 二、采用振动盘的滚针自动送料及双端面磨削系统104

 复习思考题105

 第五章自动化加工刀具106

 *节自动化刀具的类型及选用106

 一、自动化刀具的特点106

 二、自动化刀具的类型及选用107

 三、刀具的快换及调整112

 第二节自动化刀具的换刀装置113

 一、自动换刀装置113

 二、刀库114

 三、刀具尺寸预调118

 第三节排屑自动化120

 一、切屑的排除方法120

 二、切屑搬运装置121

 三、切削液处理系统123

 第四节刀具自动化应用实例124

 一、加工中心换刀机械手124

 二、切屑及切削液处理装置125

 复习思考题127

 第六章检测过程自动化128

 *节自动检测方法及测量元件128

 一、检测自动化的目的和意义128

 二、自动检测的特征信号129

 三、自动检测方法与测量元件130

 四、制造过程中自动检测的内容132

 第二节工件加工尺寸的自动测量132

 一、长度尺寸测量132

 二、形位误差测量135

 三、表面粗糙度测量135

 四、加工过程中的主动测量装置137

 五、三坐标测量机和测量机器人139

 六、工件尺寸在线光电检测装置141

 第三节刀具磨损和破损的检测与监控145

 一、刀具磨损的检测与监控145

 二、刀具破损的监控方法148

 第四节自动化加工过程的在线检测和补偿149

 一、刀具尺寸控制系统的概念150

 二、刀具补偿装置的工作原理150

 三、镗孔刀具的自动补偿装置151

 第五节滚压力自动检测应用实例152

 一、滚压装置构成152

 二、滚压装置原理及滚压力检测152

 复习思考题154

 第七章装配过程自动化155

 *节装配自动化的任务及基本要求155

 一、装配自动化在现代制造业中的重要性155

 二、装配自动化的任务及应用范围156

 三、装配自动化的发展现状157

 四、装配自动化的基本要求157

 五、实现装配自动化的途径158

 第二节自动装配工艺过程分析和设计159

 一、自动装配条件下的结构工艺性159

 二、自动装配工艺设计的一般要求162

 三、自动装配工艺设计163

 第三节自动装配机的部件166

 一、运动部件166

 二、定位机构167

 三、连接方法168

 四、位置误差的补偿设备173

 第四节自动装配机械174

 一、单工位装配机174

 二、多工位装配机175

 三、工位间传送方式176

 四、装配机器人176

 第五节自动装配线178

 一、自动装配线的概念和组合方式178

 二、自动装配线对输送系统的要求178

 三、自动装配线与手工装配点的集成179

 第六节柔性装配系统180

 一、组成180

 二、基本形式及特点180

 三、柔性装配系统应用实例182

 第七节装配自动化应用实例182

 一、基于气动机械手的零件自动化柔性装配设备182

 二、旋转式磁力片自动化装配系统184

 复习思考题190

 第八章自动化制造的控制系统191

 *节机械制造自动化控制系统的分类191

 一、以自动控制形式分类191

 二、以参与控制方式分类192

 三、以调节规律分类194

 第二节顺序控制系统195

 一、固定程序的继电器控制系统195

 二、组合式逻辑顺序控制系统196

 三、可编程控制器197

 第三节计算机数字控制系统202

 一、CNC机床数控系统的组成及功能原理202

 二、CNC装置硬件结构203

 三、CNC数控系统的软件结构205

 四、开放式CNC数控系统205

 五、CNC控制系统举例206

 第四节自适应控制系统208

 一、自适应控制的含义208

 二、自适应控制的基本内容与分类209

 第五节DNC控制系统211

 一、DNC的含义与概念211

 二、DNC系统研究国内外进展212

 第六节分布式计算机控制系统213

 一、分布式计算机控制系统的产生与定义213

 二、分布式计算机控制系统的特点和结构体系214

 第七节自动化制造控制系统应用举例215

 一、基于S7-300的机械手控制系统215

 二、基于PCI-8253的拉力伺服控制系统217

 复习思考题220

 第九章工业机器人221

 *节工业机器人的组成及分类221

 一、工业机器人的发展历史与现状221

 二、机械手与工业机器人222

 三、工业机器人的组成222

 四、工业机器人的分类223

 五、工业机器人技术的发展趋势225

 第二节机器人的机械结构、运动与驱动系统226

 一、机械结构226

 二、机器人机构的运动229

 三、工业机器人的驱动系统229

 第三节工业机器人的控制技术232

 一、概述232

 二、机器人的位置、姿态和路径问题234

 三、工业机器人的控制235

 四、工业机器人的位置伺服控制235

 五、机器人的先进控制技术237

 第四节工业机器人的传感器237

 一、概述237

 二、机器人内部传感器238

 三、机器人外部传感器241

 第五节工业机器人应用实例245

 一、搬运机器人245

 二、装配机器人246

 三、焊接机器人247

 四、喷漆机器人248

 复习思考题249

 参考文献250