毕业设计论文：柔性制造车间设计 - 图文

论文（设计）题目 柔性制造车间设计

子课题题目 连杆类零件柔性制造车间设计

所属院系 自动控制与机械工程学院 专业年级 机械设计制造及其自动化

摘 要

为了适应快速变化的市场需要，满足多品种、小批量的产品加工需求，柔性制造应运而生。连杆类零件形状复杂，精度要求高，设计连杆类零件柔性制造车间需要选择典型的连杆零件进行工艺分析，根据工艺进行车间平面布局的设计。柔性制造车间除了能够满足连杆类零件的加工，还需要有更多的柔性发展空间。

关键词：连杆；柔性制造；工艺分析；车间布局

ABSTRACT

In order to adapt to the rapidly changing needs of the market, meet the many varieties, the processing needs of small quantities of products, flexible manufacturing came into being. Connecting rod parts of complex shape, high precision, flexible design rod parts manufacturing plant need to select the typical rod parts for process analysis, process design workshop layout. Flexible manufacturing plant in addition to meet the processing of rod parts, but also the need for more flexible space for development.

Key words: connecting rod；flexible manufacturing；Process analysis ；Workshop layout

目 录

第一章 绪 论 ....................................................... 1

1.1柔性制造产生的背景 ....................................................... 1 1.2柔性制造系统发展状况 ..................................................... 1 1.3柔性制造系统的优点 ....................................................... 2 1.4柔性制造车间的设计意义 ................................................... 2

第二章 成组技术 .................................................... 3

2.1成组技术产生的意义 ....................................................... 3 2.2成组技术的基本原理 ....................................................... 3 2.3分组技术的应用 ........................................................... 4

第三章 连杆工艺设计 ................................................ 6

3.1连杆的结构特点 ........................................................... 6 3.2连杆的技术要求 ........................................................... 7 3.3连杆的材料和毛坯 ......................................................... 9 3.4基准选择 ................................................................ 10 3.5连杆加工工序安排原则 .................................................... 11 3.5.1加工工序原则 ........................................................ 11 3.5.2其它辅助工序 ........................................................ 11 3.5.2.1检验工序 ........................................................ 11 3.5.2.2清洗工序 ........................................................ 12 3.5.2.3去毛刺工序 ...................................................... 12 3.5.2.4探伤检查工序 .................................................... 12 3.5.2.5编码 ............................................................ 12 3.5.2.6称重工序 ........................................................ 12 3.6连杆加工工艺过程 ........................................................ 13 3.7加工余量的选择 .......................................................... 19 3.7.1余量参考数据 ........................................................ 19 3.7.2加工余量的确定 ...................................................... 20

第4章 柔性制造系统 ............................................... 22

4.1柔性制造系统 ............................................................ 22 4.1.1柔性制造系统的定义 .................................................. 22 4.1.2柔性制造系统的组成 .................................................. 22 4.1.3柔性制造系统的工作原理 .............................................. 24 4.2柔性制造系统中的加工系统 ................................................ 25 4.3柔性制造系统中的物流系统 ................................................ 28 4.3.1物流系统的组成 ...................................................... 28 4.3.2工件夹具系统 ........................................................ 29 4.3.3工件输送系统 ........................................................ 30 4.3.4刀具输送流 .......................................................... 31 4.3.5柔性制造物流设备 .................................................... 31 4.4柔性制造系统控制系统 .................................................... 32 4.5柔性制造中的质量控制系统 ................................................ 33 4.6柔性制造车间的设计 ...................................................... 34 4.7各设计方案的特点 ........................................................ 43 4.7.1方案一的特点 ........................................................ 43 4.7.2方案二的特点 ........................................................ 44 4.7.3方案三的特点 ........................................................ 45 4.8柔性制造车间展望 ....................................................... 46

第五章 结 论 ...................................................... 47

参考文献 ......................................................... 49

谢 辞.............................................................. 50

连杆类零件柔性制造车间设计

第一章 绪 论

1.1柔性制造产生的背景

随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高，越来越多样化，产品的生命周期越来越短，产品的复杂程度也不断增高。传统的大规模集成化生产由于初期投入成本高，产品设计、生产周期长，产品单一，对市场需求反应速度慢，响应滞后，已经越来越难以满足市场消费需求，也越来越难以满足机械零件的加工精度和加工方式的需求。急需要一种更能适应市场变化和零件加工需要的生产制造方式。针对多品种，小批量、短周期的特点，柔性制造和现代设计方法相结合能够满足现在和未来一段时间的需要。

1.2柔性制造系统发展状况

1952年美国麻省理工学院研制了世界上第一台数控铣床，数控铣床的诞生对传统的加工方式进行了新的变革。随着计算机技术的发展20世纪70年代初期，计算机和加工设备的结合，在原有的数控系统上增加了一些新的功能。20世纪70年代末80年代初出现了计算机辅助控制的物料运输，物料管理、刀具管理、刀具运送，计算机网络集成、机械设计、制造辅助软件等设备的出现，柔性制造系统初见雏形。到20世纪80年代末，随着计算机技术的进一步发展和加工中心诞生，使得柔性制造得到了广泛的运用，先后在日本、德国、美国等制造业发达国家先后出现了无人化自动加工车间。

我国发展与应用FMC、FMS系统均较晚，我国从1984年开始研制FMS，1986年从日本引进第一套FMS。随着改革开放的不断深化和世界各国的柔性制造技术的不断进步，中国的柔性制造系统也在不断取得成果，由原来单纯的依靠模仿、进口逐渐转变为自主研发为主。目前，虽然主要的核心部件和一些超高精密的自

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动化加工中心需要进口，中国柔性制造系统统自主研发已经占到50%以上。

当今世界制造业中都有柔性制造技术的运用，制造业的发展标志着一个国家的工业水平和综合国力。

1.3柔性制造系统的优点

相对于传统的加工柔性制造是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。柔性制造的特点是：适应市场需求，以利于多品种、中小批量生产；为客户提供更加能够满足需求的产品；提高机床利用率，缩短辅助时间，降低成本。缩短生产周期，减少库存量，提高市场响应能力。提高自动化水平，提高产品质量，降低劳动强度、改善工作环境。

1.4柔性制造车间的设计意义

本次毕业设计的设计对象是连杆类零件的柔性制造车间。连杆类零件的种类有很多种类，大小、复杂程度也不一样，但是连杆类零件也有一些相似的地方，一个能满足连杆类零件的制造柔性制造车间在设计时应该选择一种加工工序比较多的连杆，如果能满足比较复杂连杆的加工，那么这个柔性制造车间就可以满足连杆类零件的加工，所以在设计时需用到成组技术。

柔性制造车间一般需要用到高自动化的加工设备，比如加工中心、数控机床、工业机器人、导向小车、自动化仓库。除了能满足加工要求，柔性加工车间的加工设备还希望能有一些加工其他零件的发展空间。

通过做毕业设计可以对四年来说学到的知识进行一次很好的运用和梳理，通过实践设计可以锻炼动手能力，理论联系实践，更好的理解专业知识。做毕业设计也是对知识再创造的过程，可以为将来的工作打下一定的基础。

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第二章 成组技术

针对连杆类零件的柔性制造车间，其设计的目的是使用于连杆类零件的生产，连杆的形状、样式都是多种多样的，但是连杆还是有很多相似之处的，所以在柔性制造系统的设计中需要应用到成组技术。

2.1成组技术产生的意义

在多品种、中小批量的生产中，不适合采用自动化的专用设备，那样不仅有局限性也会增加成本，一般情况下采用通用机床。由于机械零件的形状和尺寸不太一样，它们在加工设备上加工时常常需要不同的加工工序，不同的加工工具、不同的装夹条件、不同的准备工作，所以极大地影响了生产效率。

数控机床的产生条件，在多品种、中、小批量生产中显示了一系列优越性。它具有较大的柔性，能适应不同类似的零件的加工需要，能使多品种、小批量零件的生产基本上实现了工序自动化，具有较高的工序生产效率和稳定的加工质量。但是数控机床只在单个加工设备上提高了工序生产率，并没有从根本上解决多品种、中、小批量生产方式带来的问题。如果不利用成组技术的原理与优化数控机床的配置与布置，优化产品零件的加工顺序，生产效率就有会有很大的局限，也不能充分发挥数控机床潜在的加工效率。

2.2成组技术的基本原理

成组技术的基本原理植根于事务潜在的相似性，它研究如何识别及发掘生产活动中事务的相似性，并充分利用这种现实性为生产服务。成组技术的基本原理是将许多看似各不相同但在某些方面又具有现实信息的事务按照某些一定的准则来分类成组，使具有相似信息的事务能够采用同样的解决办法，从而达到节省时间、节省精力和费用的目的。因此，成组技术的关键是充分利用事务之间的相

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似性。

对于机械制造而言，在众多的生产零件中，他们的相似性是指工艺流程的相似、加工设备的相似、工装夹具的相似、以及运输工具，上、下料和装卸方法的相似等。虽然每种产品的生产批量不大，但如果把具有相似信息的多种零件集合起来生产，成组生产，即按相似零件组来制定成组工艺、设计制造成组模具和夹具，生产时按照现实零件组投料，就可以提高生产效率，节约成本、工时。

成组技术的基础是零件的相似性，而相似性主要是指所制造零件的结构、工艺的相似性信息。因此在成组技术中，对零件信息描述的标准化和一致性非常重要，需要一个完善的零件分类编码系统。

2.3分组技术的应用

在柔性制造系统中，可以通过零件的设计图纸或者三维模型来获得零件的几何特征信息。柔性动态分组的一般步骤为：

（1）根据待分组零件的种类及数量，交互式输入需要分组的组数零件数量与其平均值的上下偏差，这样计算机就能计算出同一零件组的零件数量的最大值，平均值和最小值。

（2）按一定规则，由生产特点决定，将加工的零件进行排序。

（3）从经过排序的零件序列中找到第一个尚未分组的零件以该零件的编码作为分组的尺规去衡量尚未分组的零件，包含于尺规之中的零件则自然分到同一个加工组。

（4）经过（3）步分组以后，若组中的零件数小于平均值，则逐渐放宽上述的分组尺规，将符合于新尺规之中的零件自然地分到一个加工组中，直到组中的零件数大于平均值。

（5）重复（3）、（4）直到尚未分组的零件总数小于最小值。

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（6）将最后剩下的尚未分组的零件划分到与其工艺特征相差最小的零件组中。

这样分组方法的柔性与动态表现在：在分组中，分组的尺规是不断的动态变化；适应性强不受码位长度及编码系统类型的限制；可以方便地得到不同的分组结果，为通过仿真或其他优化算法进行优化分组提供方便。

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第三章 连杆工艺设计

3.1连杆的结构特点

连杆是连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件，连杆的形状复杂而不规则，连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能，又要求具有足够的刚性和韧性。例如在往复活塞式动力机械和压缩机中用来连接活塞与曲柄。连杆是汽车、船舶等发动机中的重要零件；除此之外，很多的机械中都会用到连杆。 典型的连杆结构有大、小头、杆身三部分组成。也有三孔的连杆,连杆大头有的是分开的，有的是连在一起的，图3.1所示是一些连杆的样式。此次柔性制造车间的设计以图3.2所示的连杆结构为例。

图3.1一些连杆样式图

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图3.2典型连杆零件图

3.2连杆的技术要求

图3.2所示的是汽车的连杆，汽车连杆用于发动机，需要较高的精度、刚度、强度，其具体的技术要求如下所示：

（1） 大头孔公差等级为IT7，表面粗糙度Ra应小于等于0.4μm；大头孔

的圆柱度公差为0.012 mm，小头孔公差等级为IT8，表面粗糙度Ra应小于等于0.32μm。

（2） 连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同，技术要求不同，大

头两端面的尺寸公差等级为IT9，表面粗糙度Ra小于等于0.8μm, 小头两端面的尺寸公差等级为IT12，表面粗糙度Ra小于等于6.3μm。

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（3） 大、小头孔中心距±（0.03～0.05） mm。

（4） 两孔轴线在两个互相垂直方向上的平行度：在连杆轴线平面类内的

平行度为100：（0.02～0.04）；在垂直连杆轴向平面内的平行度为100：（0.04～0.06）。

（5） 大头孔两端面对其轴线的垂直度为100:0.1。

（6） 两螺钉孔（定位孔）的位置精度：在垂直方向上的平行度为100：

（0.02～0.04）；对结合面的垂直度为100：（0.1～0.2）。螺栓孔按IT8级公差等级和表面粗糙度Ra应小于等于6.3μm加工；两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为0.25 mm。

（7） 连杆的质量误差不大于±2%。

以上是图3.2典型连杆零件示例图，而针对适应连杆类零件的加工需要有一定的范围；连杆类零件技术要求如下：

（1） 大头孔公差等级在（IT7～IT15）之间，表面粗糙度Ra在（0.4～3.2）

μm之间；大头孔的圆柱度公差在（0.012～0.1） mm之间，小头孔公差等级在（IT8～IT15）之间，表面粗糙度Ra应在（0.32～6.5）μm之间。

（2） 连杆大、小头孔两端面间距离的基本尺寸相同，技术要求是不同的，

大头两端面的尺寸公差等级在（IT9～IT16）之间，表面粗糙度Ra在（0.8～3.2）μm之间, 小头两端面的尺寸公差等级在（IT12～IT18）之间，表面粗糙度Ra在（6.3～12.5）μm之间。

（3） 大、小头孔中心距±（0.03～0.1） mm之间。

（4） 两孔轴线在两个互相垂直方向上的平行度：在连杆轴线平面类内的

平行度为100：（0.02～0.1）；在垂直连杆轴向平面内的平行度为100：（0.04～0.1）。

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（5） 如果有螺钉固定的连杆，两螺钉孔的位置精度：在垂直方向上的平

行度为100：（0.02～0.1）；对结合面的垂直度为100：（0.1～0.5）。螺栓孔在（IT8～IT12）之间，表面粗糙度Ra在（6.3～12.5）μm之间；两螺栓孔在大头孔剖分面的对称度公差为（0.25～0.5） mm之间。

（6） 大头孔两端面对其轴线的垂直度为100:（0.1～0.5）。

（7） 零件的加工质量对整个生产成本影响非常大，所以连杆的质量误差

应小于等于±2%。

3.3连杆的材料和毛坯

连杆在工作中承受多向交变载荷的作用，要求具有很高的强度，抗疲劳性和韧性所以连杆的材料一般采用45钢或者40Cr、采用球墨铸铁的。

连杆毛坯制造方法的选择，主要根据生产类型、材料的工艺性（可塑性，可锻性）及零件对材料的组织性能要求，零件的形状及其外形尺寸，毛坯车间现有生产条件及采用先进的毛坯制造方法的可能性来确定毛坯的制造方法。根据生产纲领为大量生产，连杆多用模锻制造毛坯。连杆模锻有两种方案：方案一是连杆体和连杆盖分开锻造，方案二是将连杆体和连杆盖锻造成—体。

方案一：采用整体模锻的连杆毛坯，在机械加工完连杆整体以后，需要把连杆整体切开为连杆体和连杆盖，为了保证孔的加工余量，需要再锻造时把连杆大头孔锻造成椭圆形，留有足够的加工余量。整体锻造虽然会使得金属纤维断裂，但是整体锻造通常只需要准备一种模具，耗费的工时少，消耗的原材料也比较少，所以整体锻造还是运用得比较广泛。

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等优质钢或合金钢，也有

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方案二：锻造后连杆体和连杆盖的材料金属纤维是连续的，因此具有较高的强度。但是需要两套锻造设备。

为了提高生产效率，需要再模锻毛坯后加一道工序，毛坯精化，经过精压的毛坯精度可以达到0.15～0.2mm,精压后的毛坯可以直接进行磨削加工。连杆的毛坯必须经过外观缺陷、内部探伤、毛坯质量、尺寸等全面检查才可以进入柔性制造车间进行加工。

3.4基准选择

连杆机械加工工艺过程的大部分工序都采用统一的定位基准。这样不仅有利于保证连杆的加工精度。比如：连杆大、小头孔的尺寸精度、连杆几何形状精度和相互位置精度。

连杆大，小头端面对称分布在杆身的两侧，由于大，小头孔厚度不等，所以大头端面与同侧小头端面不在一个平面上，这样端面作为定位基准不行。为了避免用阶梯面定位产生的定位误差，制定工艺规程时，先把大，小头做成一样的厚度，这样不仅避免了上述缺点，而且加大了定位面积，增加了定位稳定性。在加工的最后阶段才铣出这个阶梯面。

精镗大、小头孔时，用大头孔端面定位，有利于保证大头孔与端面的垂直度要求，而精镗小头轴承孔时，大头孔用可心轴起主要定位作用，有利于保证大，小头孔轴线的平行度。

粗基准的选择：加工表面为连杆的重要表面，为保证其余量均匀，毛坯的两端面也比较光洁，所以选择大、小头孔两端面为粗基准。

精基准的选择：应遵守基准重合原则，减少因基准不重合而引起的定位误差。因此选择半精加工后的两端面和半精加工后的大小头孔作为精基准。

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削连杆体结合面 9 钻 以基面、结合面和一侧面定位钻、扩、铰连加工中心 杆体螺栓孔、攻螺纹 10 铣 以基面、结合面和一侧面定位，粗、精铣螺加工中心 钉孔平面 以基面、结合面定位铣连杆体上斜槽 11 12 钻 铣 钻连杆体大头孔油孔 以基面、一侧面定位，粗铣、半精铣、精铣加工中心 削连杆盖结合面 13 钻 以基面、结合面和一侧面定位，钻、扩、铰加工中心 连杆盖两螺钉孔、攻螺纹。 14 铣 以基面、结合面和一侧面定位，粗、精铣螺加工中心 钉孔平面 以基面、结合面定位铣连杆盖上斜槽 15 16 钻 钻连杆盖油孔 清洗机 去刺、清对连杆体和连杆盖进行去毛刺、清洗 洗 17 装配 利用专用螺钉将连杆体和连杆盖对号装配 装配机器人 18 19 镗 以基面、一侧面和螺钉孔面定位，半精镗、加工中心 精镗大、小头孔倒角 精镗 以基面、以侧面定位，精镗小头衬套以及大加工中心 头孔 20

检 检查各尺寸精度 16

测量机器 连杆类零件柔性制造车间设计

人 21 22 探伤 入库 探查有无损伤及其硬度 防锈处理入库 表3.3方案三加工工序 连杆体 工序号 工序名称 1 2 3 4 模锻 调质 探伤 铣 工序内容 加工设备 这三个工艺在车间外完成 以大头孔壁、小头外轮廓定位，粗、精铣两加工中心 大平面，标记其中一大平面，作基面 5 6 7 钻 粗镗 粗镗 以基面、小头外轮廓定位，钻、扩、小头孔 加工中心 以基面、小头孔外轮廓定位，粗镗小头孔 加工中心 以基面、小头孔定位，两件同时装夹，粗镗加工中心 大头孔，倒角 8 9 铣 钻 以基面、小头孔定位，精铣接合面 加工中心 以基面、小头孔定位钻、攻螺纹孔，钻、铰加工中心 定位孔 10 11 12 13 连杆盖 1 精镗 钻 铣 清洗 以基面、接合面定位精镗定位孔 钻连杆体小头孔油孔 以基面、小头孔定位铣斜槽 加工中心 加工中心 加工中心 模锻 17

这三个工

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2 3 4 调质 探伤 铣 艺在车间外完成 以结合面定位，精铣两平面，做标记，以一加工中心 平面作基面 5 铣 以基面定位，端肩胛面定位半精铣、精铣接加工中心 合面 6 镗 以基面，螺钉孔外侧定位两件装夹粗镗大头加工中心 孔、倒角 7 钻 以基面、大头孔壁定位。钻、扩螺纹孔。钻、加工中心 铰定位孔 8 9 10 精镗 铣 清洗 以定位孔接合面定位，精镗定位孔 以基面、接合面定位，铣斜槽 加工中心 连杆合体 1 装配 连杆和连杆体对号，用专用螺钉装配 装配机器人 2 镗 以基面定位，半精镗、精镗大小头孔，分别加工中心 倒角 3 4 珩磨 检 珩磨大头孔 检查各尺寸精度 磨削中心 测量机器人 5

入库 18

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3.7加工余量的选择

3.7.1余量参考数据

为了保证加工精度和加工质量，各个主要表面都要经过几个加工工序的加工，每一道加工工序都需要留一些加工余量，在设计连杆的加工工艺过程中，确定加工余量非常重要，余量的大小将直接影响机械加工的生产率、加工质量、经济性。余量太小，会因为去不掉上道工序留下的表面缺陷而造成废品，余量过大，浪费金属材料，影响加工精度。由于连杆的形状不规则，需要加工的面、孔比较多，在加工中余量的选择通常没有万能的有效公式计算，大多数情况下需要根据经验数据作为参考。以下数据可以作为连杆类零件加工的重要参考数据。

表3.4模锻长度或者宽度（垂直锤击方向）各尺寸的公差（mm）

锻模件厂（宽）度 偏差（mm） ≤50 +1.2 -0.6 >50～120 +1.7 -0.8 >120～260 +2.1 -1.1 >260～500 +2.7 -1.3 表3.5扩、叫、镗孔的加工余量（mm）

直径 扩孔 3～6 >6～10 >10～18 >18～30 >30～50 >50～80 >80～120 0.8 1.2 1.5 1.7 钻孔后 铰孔 0.15 0.2 0.3 0.4 0.5 镗孔 0.8 1.2 1.5 2.0 2.0 精镗 0.5 0.8 1.0 1.0 1.3 扩孔、镗孔后 铰孔 0.2 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 粗铰 0.15 0.2 0.2 0.2 0.35 0.4 0.15 粗铰后 精铰 0.05 0.1 0.1 0.1 0.15 0.2 0.25 表3.6精细镗孔的加工余量（mm）

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直径 粗加工 ≤30 ＞30～50 ＞50～80 ＞80～120 0.2 0.2 0.2 0.3 钢 精加工 0.1 0.1 0.1 0.1 粗加工 0.2 0.3 0.3 0.3 铸铁 精加工 0.1 0.1 0.1 0.1 表3.7平面加工余量（mm）

加工性质 加工面长度 加工面宽度 ≤100 ＞100～300 ＞300～1000 余量 粗加工后精铣 ≤300 1.0 1.5 2 0.25 0.3 2 2.5 0.3 0.4 ＞300～1000 1.5 精加工后磨削 ≤300 0.2 ＞300～1000 0.25 表3.8孔加工余量（mm）

加工方法 直径上的加工余量 粗扩 精扩 精铰 粗镗 半精镗 1～1.5 精镗 细镗 2～4 0.8～1.0 0.2～0.4 3～5 0.5～0.8 0.2～0.5 3.7.2加工余量的确定

针对示例的连杆的加工余量确定用查表法确定加工余量。查询《机械加工工艺手册》第一卷表2.3-21得以下数据作为参考。

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表3.9两端面的加工余量（mm）

端面加工方单面余量 法 粗磨两端面 1 精度 工序尺寸 表面粗糙度 IT7 大断面0.8 小断面6.3 精磨两端面 0.5 IT8 3.2 ,所以连杆铸

连杆两端面总的加工余量为：造出来的厚度为

。

表3.10小头孔加工余量（mm）

工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸 最小极限尺寸 表面粗糙度 精镗 0.5 粗镗 1 钻 IT8 IT6 Φ28 Φ29.5 Φ28.5 Φ27.008mm 0.3 Φ29.2 Φ28.3 3.2 12.5 钻至Φ28.5 IT12

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第4章 柔性制造系统

4.1柔性制造系统

4.1.1柔性制造系统的定义

柔性制造系统是伴随着自动化加工设备和计算机信息技术的发展而诞生的一种新生加工方式，他在不断的发展中，到目前为止针对柔性制造系统没有统一的定义，没有完整的定义。它作为一种新的制造技术代表，不仅在零件的加工而且在与加工有关的领域里也得到了越来越广泛的应用，这就决定了柔性制造系统组成和机理的多样性。

美国国家标准局把柔性制造系统定义为：由一个传输系统联系起来的一些设备，传输装置把工件放在其他连接装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速和自动化。

中国国家军用标准定义为：柔性制造系统由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。

综合现有的各种定义可以认为：柔性制造系统是在自动化技术、信息技术和制造的基础上，通过计算机软件科学，把工厂生产活动中的自动化设备有机地集成起来，打破设计和制造的界限，取消图纸、工艺卡片、产品设计、加工互相结合而成的，适用于中、小批量和较多品种生产的高柔性、高效率的制造系统。 4.1.2柔性制造系统的组成

柔性制造系统由三个部分组成：由数控等自动化加工设备组成的加工系统；自动化的物料运储系统；计算机信息控制系统。其组成系统如图4.1柔性制造系统构成框图所示。

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图4.1柔性制造系统构成框图

（1）加工系统

加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动地更换工件和刀具。通常由若干台加工零件的CNC加工中心以及刀具所构成。在加工较复杂零件的柔性制造系统中，由于机床上装载刀具库能提供的刀具数目有限，而针对一个年产量50000件/年的柔性制造车间来说，除了尽可能的使用标准化刀具尽可能少的使用专用刀具以外，还需要设计一个中央刀库，为加工设备远远不断的提供所需要的刀具，从而保证车间加工的连续性。 （2）物流系统

柔性制造系统中的物流系统与传统的流水线式的运送系统有非常大的不一样，柔性制造系统的物流系统可以在中央控制系统的统一控制下根据实际需要进行柔性调整，在柔性制造系统中还设置缓冲站，以保证在面对不加工时间不协调的情况下给物料一个缓冲的空间。物流系统包含工件的输送和存储两方面。

工件的输送 工件输送包括零件从柔性制造系统外部运输至柔性制造系统

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内，再把加工好的零件运送至存储仓库。系统中设置装卸工位，较重的工件可用各种起重设备和搬运机器人，工件输送系统按所用运输工具分成四类：自动输送车、轨道与传送系统、带式传送系统和机器人传送系统。

按物料输送的路线，可将工件输送系统概括为直线型和环型输送两种类型。直线型输送主要用于顺序传送，输送工具是各种传送带或者自动小车，直线输送容量较小，需要设置储料仓库；环型输送，机床布置在环型输送线的内部或者外部，输送工具是各种轨道或者传送带，还有自动输送或者架空轨悬挂式输送装置，在输送线路中还设置若干条支线作为储料和改变输送路线之用。在环型输送系统中还有许多随行夹具和托盘组成的连续供料系统，借助托盘上的编码器能自动识别地址任意编排工件的传送顺序。 （3）计算机信息控制系统

计算机信息控制系统包括过程控制和过程监视两个子系统，其功能分别为：进行加工系统及物流系统的自动控制，以及在线状态数据自动采集和处理。柔性制造系统中信息由多级计算机进行处理和控制。其主要任务是：组织和指挥制造流程，并对制造流程进行监控和监视；向柔性制造的加工系统、物料系统提供全部控制信息并进行过程监视，反馈各种在线检测数据，以便修正控制信息，保证加工工件的加工精度。

4.1.3柔性制造系统的工作原理

柔性制造系统工作过程是：柔性制造系统接到上一级控制系统的生产计划信息和技术参数信息后，计算机信息控制系统进行数据信息的处理、编辑加工工序，从而按照物流系统控制程序进行有序的控制。

物料存储按照生产零件类型选择合适的毛坯，夹具库根据加工零件的加工工序，定位装夹方式，选择夹具进行装夹。毛坯的随行夹具由输出系统输出。工业

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机器人或自动装卸机按照信息系统的指令和工件及夹具的编码信息，自动识别和选择所装卸的工件及夹具，并将其装夹到相应的加工中心上。加工程序识别装置根据送来的工件及加工程序编码，选择加工所需要的加工程序、刀具及切削参数，对工件进行加工。加工完成，按照信息系统输给的控制信息转换程序，并进行检验，加工工序全部完成以后，物流设备把零件运送至自动化仓库成品区间，与此同时把两件检测信息和加工过程信息进行储存，夹具和托盘送至夹具库。

需要加工其它零件时，只要改变输给信息系统的生产计划信息，技术信息、加工程序，整个系统就能够按照新的零件信息要求进行新的零件加工。物流控制计算机按照生产计划控制物流正常运行，中央控制计算机根据生产要求和生产计划进行整体控制，各个计算机和传感器不断收集每个工位上统计数据和其他制造信息,汇总反馈。如图4.2柔性制造系统工作原理框图所示。

图4.2柔性制造系统工作原理框图

4.2柔性制造系统中的加工系统

柔性制造对加工设备的要求是：供需集中、高柔性、高生产率、高自动化。

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较小，需要设置物料库、缓冲站，但是输送柔性比较大，当然与之相匹配的控制系统也比较复杂。针对连杆类零件柔性制造时，选择环型输送方式，机床布置在环型输送的外侧或内侧，输送工具除了各种类型的轨道传送带外，还可以是自动输送车或架空轨悬空式输送装置。在环型输送系统中还有用许多随行夹具和托盘组成的连续供料系统，借助托盘上的编码器能自动识别地址以达到任意编排工件的传送顺序，为了将带有工件的托盘从输送线或自动输送车送上机床，加工中心自带托盘交换装置。 4.3.4刀具输送流

由于加工连杆类零件工序繁多，需要用到的刀具种类也比较多，有钻、扩、铰、镗、锪、磨等工序的粗、精加工的刀具。除了加工中心自带的刀库外还需要设置一个中央刀库以及换刀的换到机器人，保证加工能连续不断的进行。典型的刀具管理系统如图4.8所示。

4.8刀具输送框图

4.3.5柔性制造物流设备

在柔性制造系统中的物流设备主要是物料运输和物料存储，物料运输设备

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有：传送带、运输小车、工业机器人；物料存储设备有：自动立体化仓库、装卸工作站、缓冲站，分拣、编码仓库。

4.4柔性制造系统控制系统

柔性制造系统的控制系统是整个柔性制造车间的中枢和大脑，在柔性制造系统中，如果没有各个设备的信息交换、传输、控制，柔性制造系统就失去工作的统一指挥也就不能有序的工作，柔性制造系统控制系统是把车间各个加工设备，运输存储设备有机的联系起来，进行统一管理，统一调度，保证车间能够高效的、顺利有序的完成零件的加工工艺。柔性制造控制系统主要功能是对信息、数据进行收集、存储、整理、加工、传送。

柔性制造信息控制系统的结构通常采用递阶控制的结构形式。即通过对系统化的控制功能进行正确、合理的分解，划分成若干层次，各层次分别进行独立处理，完成各自的功能，层与层之间在网络和数据库的支持下，保持信息交换，上层向下层发送命令，下层向上层反馈命令执行结果。在递阶控制结构中，每层的信息流都是双向流动的，向下层可以下达控制指令，分配控制人物，监控下层的作业过程，向上反馈控制状态，输送现场产生的数据。在控制的实时性和处理信息量方面各层控制计算机是有所区别的，越往底层，其控制的实时性要求越高，而处理的信息量则越小，越到上层其处理信息量越大，而对实时性则越小。其结构如图4.9柔性制造系统递阶控制系统结构图。

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图4.9柔性制造系统递阶控制系统结构图

4.5柔性制造中的质量控制系统

零件的加工质量决定了零件存在的意义，能够满足设计尺寸精度的零件才是最终的目的，不能满足设计尺寸的零件是不能运用到工作设备中的，就是废品，废品不仅浪费加工成本，也造成浪费，所以控制零件加工尺寸精度是非常重要的。为了加工出满足设计尺寸的零件，就必须在加工的各个环节有效的控制加工精度，只有各个加工环节的加工精度都满足要求才能高效的降低废品率。柔性制造加工过程中的质量控制建立在传感技术，信号处理技术，计算机技术的基础上，通过计算机及其软件实现在加工过程中对质量数据的获取、处理、对比，并对加工过程进行实时的调整控制，从而保证产品的加工质量，满足设计要求。集成质量控制只有采用计算机管理系统后才有可能实现，在柔性制造过程中，采用多级体系结构的计算机系统来管理集成质量控制系统。

质量控制主要完成检测方法的制定、监控、诊断，其主要步骤是：从CAD/CAPP/CAM中获取各个尺寸以及精度，用数据模型表述质量特征；制定被加工工件的检测项目、方法和所用仪器生成自动检测程序；选择刀具状态，夹具状态的检控策略；确定设备运行状态监控与故障诊断方法。其质量控制分布情况如

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图4.10示。

图4.10 尺寸精度控制分布框图

柔性制造系统中产品质量采用计算机控制系统，其检测原理如图4.11所示。

图4.11质量控制原理框图

4.6柔性制造车间的设计

由于连杆类零件形状复杂、加工精度要求高，有些连杆甚至就没有太过于规范的标准尺寸。为了适应连杆类零件的加工，加工设备选用加工中心，加工中心可以进行铣、钻、镗、攻丝等工序的集中加工，满足连杆类零件的加工需求。加工中心选择力劲集团生产的MV—850型加工中心（如图4.12 MV—850型加工中心图所示），其技术参数如表4.2所示。选配主轴油冷、铁输送机、测量系统。

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图4.12 MV—850型加工中心图 表4.2 MV—850型加工中心主要技术参数

规格/机型 三轴行程 X轴行程 Y轴行程 Z轴行程 主轴鼻端至工作台面 主轴转速 主轴端孔斜度 主轴马力（30分/连续） 工作台尺寸 工作台螺孔 工作台最大荷重 快速位移（X/Y/Z） 切削位移速度 X/Y/Z轴伺服马达 换刀型式 刀具数量 刀具重量 最大刀长 最大刀直径 刀具交换时间（T-T） 刀具交换时间（C-C） 占地面积（长×宽×高） 机载数控系统 MV系列立式加工中心技术参数 单位 MV-850 mm mm mm mm rpm BT KW mm mm kg m/min m/min KW set kg mm mm sec sec 35

850 550 560 150-710 皮带式8000 BT40 11/7.5 1050×600 18×5×100 600 48/48/48 1-10m/min 2/2/3(M) 凸轮式 24+1 7 250 φ80/150 3 5 2600×2254×2839 西门子数控系统

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磨削中心采用德国ABA生产的磨削中心，如图4.13所示，其主要技术参数表4.3所示。

图4.13磨削中心图 表4.3磨削中心主要技术参数

机床型号 磨削范围 横向行程（Y 轴） 纵向行程（X 轴） 磨削主轴中心至上工作台面距离 磁力平台尺寸 最大工件重量 连续进给速率（X 轴） 连续进给速率（Y 轴） 连续进给速率（Z 轴） 砂轮尺寸 砂轮主轴功率 砂轮转速范围 机床重量 占地面积 mm mm mm mm mm kg mm/min mm/min mm/min mm KW rpm kg ZT612 1200×700 650 1600 600 1200×600 1300 1000～30000 0.01～2000 0.001～1500 400×80×127 11 1000～3000 7500 4.500×2.700 根据普通加工时的加工额定工时计算，连杆类零件柔性加工车间的零件运输设备选用AGV导轨小车和带识别系统的托盘。

为了适应不同大小、形状的连杆类零件加工选用组合夹具和组合夹具，这样

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有很高的柔性，更好的满足零件加工需求。夹具放在托盘上进行运输。

针对加工设备在加工过程中产生的切屑处理有两种方式，一种是在机床底部修建一条沟，在沟里安装切屑处理设备，另一种是托盘上带有切屑槽，当托盘随着运输小车运行一段距离经历一些加工工序以后在固定的切屑处理地方进行处理。

针对连杆加工中的辅助工序清洗、去毛刺、检验、装配，需用清洗机、去毛刺机器人、检验机器人、装配机器人来实现自动化。装配机器人选用ABB—IRB1600型装配机器人，其主要技术参数如图4.14。去毛刺机器人选用发那科M—710ic型。

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图4.14ABB—IRB1600型装配机器人技术参数

检测机器人选用天准CMU454型，其主要技术参数：型号：CMU454；行程：400X500X400mm；外部尺寸：980X1435X2380mm；总重量：836KG；承重：300KG；示值误差：2.2+L/300um；探测误差：22um；工作环境：湿度40～60%，压缩空气120L/min,0.6～0.8Mpa,电源220V。

连杆类零件柔性制造车间生产大纲：50000件/年，车间跨度：24m。 方案一：控制系统：1台中央控制计算机、各设备自带工业计算机

加工机床：4台数控磨床、4台加工中心

物料运输：4台AGV、带识别系统的托盘、组合夹具、通用夹具。 刀具运送：1个中央刀具库，1个换刀机器人向三台数控磨床换刀；另

1个换刀机器人向四台加工中心换刀。

其它设备：1个自动化立体仓库、1个由装配机器人组成的柔性装配系

统，1台清洗机，1台检验机器人，1台去毛刺机器人，1个分拣、编码仓库、两个缓冲站。

其车间设计平面图如图4-15所示。

方案二： 控制系统：1台中央控制计算机、各设备自带工业计算机。

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加工机床：6台加工中心。

物料运输：4台AGV，带识别系统的托盘，组合夹具、通用夹具。 刀具运输：1个中央刀具库，1个换刀机器人为四台加工中心提供换刀。

其他设备：1个自动化立体仓库、1个由装配机器人组成的柔性装

配系统，1台清洗机，1台检验机器人、1台去毛刺机器人、1个分拣编码仓库、3个缓冲站。

其车间平面设计图如图4-16所示。

方案三：控制系统：1台中央控制计算机、各设备自带工业计算机

加工机床：5台加工中心、1台数控磨床

物料运输：4台AGV导向小车 、带识别系统的托盘、组合夹具、通用夹具。

刀具运送：1个中央刀具库，1个换刀机器人，

其他设备：1个自动化立体仓库、1个由装配机器人组成的柔性装

配系统、1台清洗机、1台检验机器人、一台去毛刺机器人、2个缓冲站。 其车间平面设计图如图4-17所示。

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图4-15连杆类零件柔性制造车间设计方案一车间布局图

1—中央控制系统；2—装配机器人；3—缓冲站；4,6,11,14,15—磨削中心；5,12,16,17—加工中心；7—AGV导轨小车；8—去毛刺机器人；9—检测机器人；10—自动化立体仓库；13—分拣、编码仓库；19—清洗机；20—刀具库；21—换刀机器人

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图4-16连杆类零件柔性制造车间设计方案二车间布局图

1—中央控制系统； 2,6,19—缓冲站；3—装配机器人；4,5,11,12,15,16—加工中心；8—AGV导轨小车；7—去毛刺机器人；9—检测机器人；10—自动化立体仓库；13—分拣、编码仓库；14—刀具库；17—换刀机器人19—清洗机；

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图4-17连杆类零件柔性制造车间设计方案三车间布局图

1—中央控制系统；2,9,10,11,12—加工中心；3—AGV导轨小车； 4—磨削中心；5,14—缓冲站； 6—去毛刺机器人；7—检测机器人；8—自动化立体仓库；13—刀具库； 15—清洗机； 16—装配机器人；17—换刀机器人

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4.7各设计方案的特点

根据连杆类零件加工工艺有三种方案，相应设计了三种方案对应的车间布局图，三种设计方案各有各的优缺点，可以根据不同的生产加工需求选择合适的车间设计方案。 4.7.1方案一的特点

方案一：中央控制系统（序号1）根据加工工序和加工计划向自动化仓库（序号10）和物流控制计算机发送指令，毛坯从自动化仓库的出口经过装卸机器人装上AGV有轨小车（序号7），先经过磨削中心（序号11）对连杆的两端面进行磨削加工，然后进入加工中心（序号12）进行铣削钻大小头孔、镗小头孔倒角、铣开连杆体和连杆盖的加工工序后，进入分拣编码仓库（序号13），在这个仓库里主要是把连杆体和连杆盖进行分开编码以保证在装配的时候可以对号装配，经过分拣以后的连杆体和连杆盖分别进入两台加工中心（序号14、15）进行各自加工，在加工中心中完成钻、扩铰、铣的工序以后，分别进入两台磨削中心（序号16、17）里对连杆结合面和连杆体结合面进行磨削加工，保证尺寸精度。完成磨削加工以后连杆体和连杆进入清洗机（序号19），进行清洗。清洗完成以后，装配机器人（序号2）用专用的螺钉把连杆体和连杆盖对号装配，装配完成以后进入磨削中心（序号4）进行精磨两端面的加工工序，磨削加工以后进入加工中心（序号5）进行镗削加工，半精镗、精镗大、小头孔，完成镗孔加工以后还要进入磨削中心（序号6）加工进行珩磨大头孔的加工。完成精磨加工工序以后需要去毛刺机器人（序号8）对零件进行去毛刺、清理的工序。最后还需要检验机器人（序号9）对加工零件的各个尺寸进行检验。检验合格的零件运送到自动化仓库的成品区间，检验不合格的产品则被运送到柔性制造车间以外。在整个加工过程中设有缓冲站（序号3），目的是为了能够适应设备的加工时间，更好的、

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更协调的进行运转。由于柔性制造车间需要连续不断的工作，加工设备的刀库容量有限，所以两个换到机器人（序号18、21）和中央刀库（序号20）相结合，源源不断的为加工设备提供所需要的刀具。

方案一的加工工序比较多，使用到的磨削工序也比较多，较多的磨削工序可以为零件的加工提供很高的精度。由于工序比较多在加工效率上相对比较低一些。方案一主要适用于尺寸精度要求比较高的连杆类零件加工。 4.7.2方案二的特点

方案二：中央控制系统（序号1）根据加工工序和加工计划向自动化仓库（序号10）和物流控制计算机发送指令，毛坯从自动化仓库的出口经过装卸机器人装上AGV有轨小车（序号8），毛坯首先进入加工中心（序号11）进行精铣大、小头孔两端面的加工，再进入加工中心（序号12）进行钻、扩、镗、倒角、铣开连杆体和连杆盖的加工，再进入分拣、编码仓库（序号13）把连杆体和连杆盖进行分开、对应的编码，保证装配时能对号装配。经过分拣、编码后连杆体和连杆盖分别进入加工中心（序号15）和加工中心（序号16）进行钻、扩、铰、攻丝、铣的加工，加工完成以后进入清洗机（序号18）进行清洗。清洗以后进入装配机器人（序号3），用专用螺钉对连杆体和连杆盖进行装配，装配以后的连杆结合体依次进入加工中心（序号4）和加工中心（序号5）进行铣、镗的加工工序。完成加工以后需要去毛刺机器人（序号7）进行去毛刺工序，最后进入检验机器人（序号9），对各个尺寸进行检验，经验合格的零件由AGV有轨导向小车运送到自动化仓库的成品区间，不合格产品则运送到如新制造车间外。在清洗、去毛刺、检验、装配的工序中设置缓冲站（序号2、6、19）对不能及时加工的工件缓冲，保证整个系统能有效、有序的运转。由中央刀库（序号14）和换刀机器人（序号17）为有需求的加工设备源源不断的提供刀具服务。整个加工在各设备的计算机

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和车间中央控制计算机的有机协调控制下进行。

方案二配置的加工设备均为加工中心，没有磨削中心，把方案一中磨削的工序改为精铣。与方案一比方案二的加工精度相对降低了一些，由于减少了一些工序就提高了加工效率。方案二适用于加工精度要求不是非常高的连杆加工，也可以保证加工的效率。 4.7.3方案三的特点

方案三：：中央控制系统（序号1）根据加工工序和加工计划向自动化仓库（序号8）和物流控制计算机发送指令，毛坯从自动化仓库的毛坯储存区间经出口再经装卸机器人装上AGV有轨小车（序号3），连杆盖毛坯和连杆体毛坯首先进入加工中心（序号9、10）分别进行铣、钻、扩、镗的加工工序。再分别进入加工中心（序号11、12）进行铣、攻丝、精铣的工序。再进入清洗机（序号15），进行清洗工序。连杆体和连杆盖经过清洗工序后由装配机器人自动识别编码，对号用专用螺钉进行装配，装配以后的连杆结合体进入加工中心（序号2）进行铣、半精镗、精镗的加工工序，再进入磨削中心（序号4）进行珩磨大头孔的加工工序。加工完成后需要经过去毛刺机器人（序号6）进行去毛刺工序。最后需要检验机器人（序号7）对零件各个尺寸进行检验，检验合格的零件经AGV导轨小车运送至自动化仓库成品区间，检验不合格的零件被运送到柔性制造车间外。在清洗、装配、去毛刺、检验工序中设置缓冲站（序号14、5）对不能立即加工的工件有缓冲作用，保证整个系统的有序进行。由中央刀库（序号13）和换刀机器人（序号17）对有需要的加工设备提供换刀服务。各个设备在各自的计算机控制，各个设备自带计算机与中央控制计算机连接在一起由中央控制计算机统一控制、调整。连杆体和连杆盖的编码在铸造后进行对号编码。

方案三是针对连杆体和连杆盖分开锻造的加工。由于连杆体和连杆盖分开锻

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