第一章 概述
制造自动化是人类在长期的社会生产实践中不断追求的主要目标。随着科学技术的不断进步，自动化制造的水平也愈来愈高。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，改善制造系统适应市场变化的能力，从而提高企业的市场竞争能力机械制造自动化是制造自动化的主要组成部分，它主要控制机械运动（如刀具、工件、毛坯等的运动）及可能变化的制造工艺，使整个生产处于优化状态。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，比之其它制造业来要困难得多，主要就表现在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，对制造对象要求高精密、高准确的定向、定位，可靠的识别装置、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、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、装配等采用的自动化技术
第一节、机械制造自动化的基本概念；
一、自动化的基本概念
任何制造过程都是由若干个工序组成的。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这就是机械化。若操纵这些机构的动作也是由机器来完成，则就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自动化起来，而工人所要做的工作只是对这一工序作总的操纵和监督，就称为工序自动化。
一个工艺过程（如加工工艺过程）通常包括着若干个工序，如果不仅每一个工序都自动化了，并且把它们有机地联系起来，使得整个工艺过程（包括加工、下序间的检验和输拱）都自动讲行．而工人仅只是对这一整个工艺过程作总纵和监督，这时就形成了某一种加工工艺的自动生产线，通常称为工艺过程自动化。
一个零部件（或产品）的制造包括着若干个工艺过程，如果不仅每个工艺过程都自动化了，而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，这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。
二、机械制造自动化的主要内容
一般的机械制造主要由毛坯制备、物料储运、机械加工、装配、辅助过程、质量控制、热处理和系统控缸等过程组成。本书所涉及的是狭义的机械制造过程，主要是机械加工过程以及与此关系紧密的物
料储运、质量控制、装配等过程。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、装卡自动化技术、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它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、产品检测自动化和刀具检测自动化技术等。
三、机械制造自动化的作用
机械制造中采用自动化技术可以有效改善劳动条件，显著提高劳动生产率，大幅度提高产品的质量，有效缩短生产周期，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：
1 、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。
2 、缩短生产周期 机械制造业按其产品特点可分为如下三类：大批生产；多品种、中小批生产；单件生产。在现代机械制造企业中，单件、小批量的生产约占 85 ％左右，大批量生产仅占 15 ％。而在多
品种、小批量生产中，被加工零件处于储运、等待加工等时间约占 95 % ，实际有效的加工时间仅有 1.5 % ，采用自动化技术的主要效益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。
3．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，因而可以有效提高产品的质量
4．提高经济效益 采用自动化技术，可以减少生产面积，减少直接生产工人的数量，减少废品率，因而就减少了对生产的投入，提高了投人产出比，因此可以有效提高经济效益。
5．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、繁琐甚至对人体有害的工作，从而降低了工人的劳动强度
6、 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。
7．提高劳动者素质 采用自动化技术要求操作者具有较高的业务素质和严谨的工作态度，因此可提高劳动者的素质。
8 ．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侧技术、自动化控制技术、产品设计技术、系统工程技术等相关技术的发展。
第二节 机械制造自动化的类型
一、机械制造自动化机构的构成
从系统的观点来看，机械制造自动化系统主要有以下4个部分所构成:
1、加工机构 即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、工件支撑机构 即能完成工件输送、搬运以及存储功能的工件供给装置。
3、刀具支撑机构 即包括刀具的装配、输送、交换和存储装置以及刀具的预调和管理系统。
4、控制与管理机构 即对制造过程的监控、检测、协调与管理。
二、自动化的分类
对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，大致地可按下面儿种方式来进行分类:
1、按制造过程分
有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。
2、按设备分
有局部动作自动化、单机自动化、刚性自动化、刚性综合自动化 机构、柔性制造单元、柔性制造机构。
3、按控制方式分
有机械控制自动化、机电液控制自动化、数字控制自动化、计算 机控制自动化、智能控制自动化。
三、机械制造自动化的特点和适用范围
不同的自动化类型有着不同的性能特点和不同的应用范围，因此 应根据需要选择不同的自动化系统。下面按设备的分类作一个简单的介绍。
1、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 自动地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。例如:单台组合机床，通用多刀半自动车床、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。缺点是调整工作量大，加工质量较差，工人的劳动强度也大。
2、刚性自动化单机 它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。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。
3、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、大量生产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、减少生产面积、改善劳动条件、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 (例如可换主轴箱) ，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、锺、攻螺纹和铣削等工序的加工。
4、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、涂装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、工人劳动强度低。
5、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。它是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，而且还能控制选刀、换刀、测量、润滑、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。配备有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。
6、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、锺、钻、铰、攻螺纹、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。根据所处理的对象不同，加工中心又可分为铣削加工中心和车削加工中心。
7、柔性制造单元 柔性制造单元 (Flexible Manufacturing Cell 一FMC) 是一种由1-3台计算机数控机床或加工中心所组成，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化柔性制造系统。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规模中。
8、柔性制造系统 一个柔性制造系统 (Flexible Manufacturing System--FMS)一般由4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) 等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，可以有效减少生产面积。④与立体仓库相配合，可以实现24h 连续工作。⑤由于集中作业，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 (QE)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件的中等批量生产的场合。
第三节 机械制造自动化的控制方式
任何机械制造设备的自动化，其实质是在其终端执行元件上无需
由人来直接或间接操作的自动控制。为了实现机械制造设备的自动化，就需要对这些被控制对象进行自动控制。
自动控制与机械控制技术、流体控制技术、自动调节技术、电子 技术、电子计算机技术等密切相关，它是实现机械制造自动化的关键。它的完善程度是机械制造自动化水平的重要标志。
一、自动控制的基本要求与方式
1、自动控制的构成
自动控制系统包括实现自动控制功能的装置及其控制对象，通常 由指令存储装置、指令控制装置、执行机构、传递及转换装置等部分构成。
(1)指令存储装置 由于被控制对象是一种自动化机械，因此，其 运动应该不依靠人而能自动运行。这样就需要预先设置它的动作程序，并把有关指令信息存入相应的装置，在需要时重新发出。这种装置就称为指令存储装置 (或程序存储器) 。
指令存储装置，大体上可以分为两大类:一类是全部指令信息一起 存入一个存储装置，称为集中存储方式。例如，装有许多凸轮的分配轴、矩阵插脚板、穿孔带、磁带、磁鼓、磁盘等; 另一类是指令信息分别在多处存储，称为分散存储方式。例如挡块、限位开关、电位计、时间继电器、速度继电器等。
(2)指令控制装置 它的作用是将存储在指令存储装置中的指令 信息在需要的时候发出。例如，执行机构移动到规定位置时挡块碰触
限位开关; 工件加工到规定尺寸时自动量仪中的电触点接通; 液压控制系统中的压力达到规定压力时起动压力阀; 主轴转速超过一定数值时速度继电器动作等等。其中限位开关、电触点、压力阀、速度继电器等装置能够将指令存储装置中的有关信息转变为指令信号发送出去，命令相应的执行机构完成某种动作。
(3)执行机构 执行机构是最终完成控制动作的环节。例如拨叉、
电磁铁、电动机、工作液压缸等。
(4)传递及转换装置 它的作用是将指令控制装置所发出的指令
信息传送到执行机构。少数情况下是简单地传递信息。而在多数情况下，信息在传递过程中要改变信号的量和质，转换为符合执行机构所要求的种类、形式、能量等输入信息。信息的传递介质有:电、光、气体、液体、机械等。信息的形式有:模拟式和数字式。信息的量有:电压量、电流量、压力量、位移量、脉冲量等。在这些类别中，又各有介质、形式、量的转换，因此，可组合成多种多样的形式。常见的传递和转换装置有:各种机械传动装置、电或液压放大器、时间继电器、电磁铁、光电元件等。
2、基本要求
自动控制系统应能保证各执行机构的使用性能、加工质量、生产
效率及工作可靠性。为此，对自动控制系统提出如下基本要求:
1) 应保证各执行机构的动作或整个加工过程能够自动进行。
2) 为便于调试和维护，各单机应具有相对独立的自动控制装置，
同时还应便于和总控制系统相匹配。
3) 柔性加工设备的自动控制系统要和加工品种的变化相适应。
4) 自动控制系统应力求简单可靠。在元器件质量不稳定情况下，
对所用的元器件一定要经过严格筛选，特别是电气及液压元器件。
5) 能够适应工作环境的变化，具有一定的抗干扰能力。
6) 应设置反映各执行机构工作状态的信号及报警装置。
7) 安装调试、维护修理方便。
8) 控制装置及管线布置要安全合理，整齐美观。
9) 启动控制方式要与工厂的技术水平、管理水平、经济效益及工
厂近期生产发展趋势相适应。 对于一个具体控制系统，第一项要求必须保证，其他则根据具体
情况而定。
3、自动控制方式
我们这里所说的自动控制方式主要是指机械制造设备中常用的
控制方式。如开环控制、闭环控制、程序控制、数字控制相计算机控制等，下面分别作一个简单说明。
(1)开环控制方式 所谓开环控制，就是系统的输出量对系统的控
制作用没有影响的控制方式。在开环控制中，指令的程序和特征是预先设计好的，不因被控制对象实际执行指令的情况而改变。为了满足实际应用的需要，开环控制系统必须精确地予以校准，并且在工作过程中保持这种校准值不发生变化。如果执行出现偏差，开环控制系统就不能保证既定的要求了。由于这种控制方式比较简单，在机械加工
设备中广为应用，例如常见的机械凸轮控制的自动车床或沿时间坐标轴单向运行的任何系统，都是开环控制系统。
(2)闭环控制方式 若系统的输出信号对系统的控制作用具有直 接影响的控制方式称为闭环控制。闭环控制也就是常说的反馈控制。" 闭环" 的含义，就是利用反馈装置将输出与输入两端相连，并利用反馈作用来减少系统的误差，力图保持两者之间的既定关系。因此，闭环系统的控制精度较高，然而，这种系统比较复杂。在机械制造中常见的自动调节系统、随动系统、适应控制系统等都是闭环控制系统。
(3)分散控制方式 分散控制苯称为行程控制或继动控制。在这种 控制中，指令存储和控制装置按一定程序分散布置，各控制对象的工作顺序及相互配合按下述方式迸行:当前一机构完成了预定的动作以后，发出完成信号，并利用这一信号引发下一个机构的动作，如此继续下去，直到完成预定的全部动作。每一执行部件在完成预定的动作后，可以采用不同的方式发出控制指令。例如根据运动速度、行程量、终点位置、加工尺寸等。发令装置应用最多的是有触点式或无触点式限位开关和由挡块组成的指令存储和控制装置。
这种控制方式的主要优点是实现自动循环的方法简单，电气元件 的通用性强，成本低。在自动循环过程中，当前一动作没有完成时，后一动作便得不到起动信号，因而，分散控制系统本身具有一定的互锁性。然而，当顺序动作较多时，自动循环时间会增加，这对提高生产效率不利。此外，由于指令控制不集中，有些运动部件之间又没有直接的联锁关系，为了使这些部件得到起动信号，往往需要利用某一
部件到达行程终点后，同时引发若干平行的信号。这样，当执行机构较多时，会使电气控制线路变得复杂，电气元件增多。这对控制系统的调整和维修不利，特别是在使用有触点式电器时，由于大量触点频繁换接，容易引起故障。目前在常见的自动化单机和机械加工自动线的控制系统中，多数都采用这种分散控制方式。
(4)集中控制方式 具有一个中央指令存储和指令控制装置，并按 时间顺序连续或间隔地发出各种控制指令的控制系统，都可以称为集中控制系统或时间控制系统。
在图1-1中，控制系统中有一个连续回转的用来进行集中控制的 鼓。在转鼓上装有一些凸块 (存储的指令) ，当转鼓回转时，凸块分别碰触1-5限位开关，并接通相应的执行部件。当凸块转过后，放松限位开关，相应的执行部件就停止运动。转鼓转一转，执行部件完成一个工作循环。如果改变凸块长度或转鼓的转速，就可以调整执行部件的运动时何和工作循环周期，但是不能控制工作部件的运动速度。
这种集中控制方式的优点是:所有指令存储和控制装置都集中在 一起，控制链又短又简单，这样，控制系统就比较简单，调整也比较
方便。另外，由于每个执行部件的起动指令是由集中控制装置发出，但停止指令则是由执行部件移动到一定位置时压下限位开关而发出，因此，可以避免某一部件发生故障而其他部件继续运动与之发生碰撞或干涉。工作精度和可靠性比较高。其实这是由集中控制和分散控制所组成的混合控制系统。
利用分配轴上的凸轮来驱动和控制的自动机床或自动线上的各个 执行部件的顺序动作是机械式集中控制系统，是按时间顺序进行控制的，可以归入这一类型。
(5)程序控制方式 按照预定的程序来控制各执行机构使之自动 进行工作循环的系统，都可以称为程序控制系统。它又可以分为:固定程序控制系统和可变程序控制系统。
固定程序控制系统的程序是固定不变的，它所控制的对象总是周 期性地重复同样的动作。这种控制系统的组成元件较少，线路比较简单，安装; 调试及维护都比较方便。然而，如果要改变工作程序，这种控制系统基本就不能再用。因此，这种控制方式，只适用于大批量生产的专用设备。
可变程序控制系统的程序可以在一定范围内改变，以适应加工品 种的变化。这种控制系统的组成元件较多，系统也比较复杂，投资也比较大。它适用于中小批多品种轮番生产。从目前应用情况来看，较复杂的可变程序控制装置都采用电子计算机，规模较小的常采用可编程序控制器控制; 生产批量较大、加工品种变化不大时，经常采用凸轮机械式控制，品种改变时，只要更换凸轮即可。
(6)数字控制方式 采用数控装置(或称专用电子计算机) ，以二进 制数码形式编制加工程序，控制各工作部件的动作顺序、速度、位移量及各种辅助功能的控制系统，称为数字控制系统，简称" 数控" 。它主要由控制介质(例如穿孔带、穿孔卡、磁带等) 、数控装置及伺服机构组成。这种控制方式适用于加工零件的表面形状复杂、品种经常改变的单件和小批量生产中所用的加工设备。
(7)计算机控制方式 用电子计算机作为控制装置，实现自动控制 的系统。由于电子计算机具有快速运算与逻辑判断的功能，并能对大量数据信息进行加工、运算、实时处理，所以，计算机控制能达到一般电子装置所不能达到的控制效果，实现各种优化控制。计算机不仅能够控制一台设备、一条自动线，而且能够控制一个机械加工车间甚至整个工厂。
二、机械传动控制
机械传动控制方式一般传递的动力和信号都是机械连接的，所以 在高速时，可以实现准确的传递与信号处理。在采用机械传动控制方式的自动化装备中，几乎所有运动部件及机构，通常都是由装有许多凸轮的分配轴来进行驱动和控制的。凸轮控制是一种最原始、最基本的机械式程序控制装置，也是一种出现最早而至今仍在使用的自动控制方式。例如，经常见到的单轴和多轴自动车床，几乎全部采用这种机械传动控制方式。这种控制方式属于开环时间控制系统，即开环集中控制系统。在这种控制系统中，程序指令的存储和控制均利用机械式元件来实现，例如凸轮、挡块、连杆、拨叉等。这种控制系统的另
外一个特点是控制元件同时又是驱动元件。
图1-2所示是C1318型单轴转塔自动车床的机械集中控制系统原理 简图。机床的工作过程是:上一个工件切断后，夹紧机构松开棒料棒料自动送进夹紧棒料回转刀架转位刀架滑板快迸、工迸、快退换刀再进给(在回转刀架换刀和切削的同时，横向刀架也可以进行进给) „„，如此反复循环进行工件的加工。机床除工件的旋转外，其余动作均由分配轴集中驱动与控制。分配轴是整台机床的控制中心，分配轴上装有主轴正反转定时轮、横向进给凸轮、送夹料定时轮、换刀定时轮、锥齿轮等。机床的所有动作都是按照分配轴的指令执行的。分配轴转动一圈，机床完成一个零件的加工。
该机床的主要控制动作如下: ①径向进给由分配轴上的径向进给
凸轮3、4、5分别通过杠杆按照一定的时间顺序，控制立刀架、后刀架、前刀架沿着工件直径方向的快进、工迸和快退动作。②纵向进给由分配轴通过齿轮传动副，控制纵向进给凸轮的转动速度，纵向进给凸轮通过杠杆控制刀架滑板9的纵向运动，从而实现滑板上的回转刀架的快迸、工迸和快退动作。③送夹料由分配轴上的定时轮6通过杠杆26控制辅助轴上的定转离合器15的接通与断开。当定转离合器15接通后，空套齿轮16随辅助轴转动，通过齿轮17使凸轮轴18转动，凸轮19、刀通过杠杆控制送夹料机构的动作。④换刀由分配轴上的定时轮7通过杠杆27控制辅助轴上的定转离合器13的接通与断开。当定转离合器13接通后，空套齿轮12随辅助轴转动，通过齿轮30使长齿轮10转动，从而接通换刀机构。当换刀机构接通后，通过马氏机构，使回转刀架顺时针转动，完成刀架的转位 (回转刀架共有6个刀位) 。⑤主轴正反转控制由定时轮2根据加工要求，按照设定的时间，控制换向开关的位置，从而控制主轴的正反转。此外，装有空套齿轮12、16、定转离合器(空套)13、15、固定离合器14的辅助轴，通过齿轮传动副、蜗轮蜗杆传动副受分配轴的控制，与分配轴保持一定的传动关系(转速、转向) 。 这种凸轮机械传动控制系统的主要特点为工作可靠、使用寿命长、 节拍准确、结构紧凑、调整时容易发现问题、调整完毕后便能正常进待T 作等。然而，其结构较复杂、凸轮的设计制造工作量较大、凸轮曲线有偏差时易产生冲击和噪声。另外，由于凸轮又兼做驱动元件，因此一般不能承受重载荷切削。
随着计算机与数控机床的发展，设计和制造准确的凸轮比以往更
容易实现了，可以精确地按设计要求加工凸轮曲线，所以凸轮的性能与可靠性都得到了提高，也使得机械传动控制方式的精度和可靠性得以提高。但是由于机械传动控制是专用性比较强的，所以它的应用范围有一定限制。这种控制方式仅适用于加工品种基本不变的大批量生产。
三、液压、气动与电气控制
机械制造过程中广泛采用液压、气动与电气对其整个工作循环进 行控制。采用高水平高质量的液压、气动和电气的控制系统，就成为自动化制造装置可靠运行的关键。如在电气控制系统中采用可编程序控制器(PLC)进行加工设备的自动化控制，就比采用继电器接触器系统可提高电气控制可靠性若干倍。在液压和气动控制系统中，为了提高工作可靠性; 减少故障，要重视系统的合理设计，选择最佳运动压力，高质量的元器件，哪怕是最不起眼的液压管接头也不能有一点马虎。总之，液压、气动和电气控制系统是保证制造过程自动化正常运动和可靠工作的关键组成部分，必须要给予足够的重视。
1、液压控制
液压传动是利用液体工作介质的压力势能实现能量的传递及控制 的。作为动力传递，因压力较高，所以用小的执行机构可以输出较大的力，并且使用压力控制阀可以很容易地改变它的输出(力) 。从控制的角度来看，即便在动作时负载发生变化也可按一定的速度动作，并且在动作的行程内还可以调节速度。因此，液压控制具有功率重量比大、响应速度快等优点。它可根据机械的要求，对位置、速度、力等
任意被控制量按一定的，精度进行控制，并且能在有外扰的情况下， 也能稳定而准确地工作。
液压控制有机械一液压组合控制和电气一液压组合控制两种方 式。前者如图1-3所示，凸轮1推动活塞2移动，活塞2又迫使油管3中的油液流动，从而推动活塞4和执行机构6移动，返回时靠弹簧5的弹力使整个系统回到原位。执行机构6的运动规律，由凸轮1控制，凸轮1就是指令存储装置，同时又是驱动元件。
后者如图1-4所示，指令单元根据系统的动作要求发出工作信号 (一般为电压信号) ，控制放大器将输入的电压信号转换成电流信号，电液控制阀将输入的电信号转换成液压量输出(压力及流量) ，执行元件实现系统所要求的动作，检测单元用于系统的测量、反馈等。 这种控制系统目前存在的主要问题是某些电气元器件可靠性不高 及液压元件经常漏油等，这样就便控制系统的稳定性受到影响。因此，在设计和使用时，应引起重视及采取适当的补救措施。有关液压传动与控制的详细内容在专门课程中己作介绍，这里不再多叙。
2、气动控制
气动控制技术是以压缩空气为工作介质进行能量和信号传递的 工程技术，是实现各种生产和自动控制的重要手段之一。气动控制技术不仅具有经济、安全、可靠、便于操作等优点，而且对于改善劳动条件、提高劳动生产率和产品质量，具有非常重要的作用。
(1)气动控制的特点
1) 结构装置简单、轻便，易于安装和维护，且可靠性高、使用 寿命长。
2) 工作介质大多采用空气，来源方便，而且使用后直接排出的 气体既不污染环境，又能适应" 绿色生产" 的需要。
3) 工作环境适应性强，特别是在易燃、易爆、多尘埃、辐射、 振动等恶劣的场合。
4) 气动系统易于实现快速动作，输出力和运动速度的调节都很方 便，且成本低，同时在过载时能自动保护。
5) 压缩空气的工作压力一般在0.4-0.8MPa ，故输出力和力矩不太 大，传动效率低，且气缸的动作速度易随负载的变化而变化。
(2)气动控制的形式与适用范围气动控制系统的形式往往取决于 自动化装置的具体情况和要求，但气源和调压部分基本上是相同的。
一般的主要由气压发生装置、气动执行元件、气动控制元件以及附属元件等部分组成。气动控制主要有以下4种形式:
1) 全气控气阀系统，即整套系统中全部采用气压控制。该系统一 般比较简单，特别适用于防爆场合。
2) 电一气控制电磁阀系统，是应用历史较久、使用最普遍的形式。 由于全部逻辑功能由电气系统实现，所以容易被操作和维修人员接受。电磁阀作为电气信号与气动信号的转换环节。
3) 气一电子综合控制系统，是一种开始大量应用的新型气动系统。 它是数控系统或PLC 与气阀的有机结合，采用气/电或电/气接口作为电子信号与气动信号的转换。图1-5为该系统的基本构成。
4) 气动逻辑控制系统，是一种新型的控制形式。它以由各类气动逻 辑元件组成的逻辑控制器为核心，通过逻辑运算得出逻辑控制信号输出。具有逻辑功能严密、制造成本低、寿命长、对气源净化和气压波动要求不高等优点。一般为全气控制系统，用于防爆场合更为合适各种形式的气动控制及其适用范围如表1-1所示。
此外，气动控制为了适应自动化设备的需求，正逐步在气动机器 人、气动测量机、气动试验机、气动分选机、气动综合生产线、装配线等方面得到广泛的应用。例如:采用气缸和控制系统作机床运动部件的平衡; 采用气动离合器制动器作机床制动、调速的控制; 采用无杆气缸、磁性气缸作机床防护门窗的开关; 使用微压 (0.03-0.O5MPa)气流做主轴部件气封，防止尘埃和切削液侵入主轴部件，保持主轴精度; 采用气动传感器，确认工件、刀具和运动部件的正确位置; 采用气动传感技术，实现在线自动测控，使自动化加工设备具备监控功能等等。
3、电气控制
电气控制是为整个生产设备和工艺过程服务的，它决定了生产设 备的实用性、先进性和自动化程度的高低。它通过执行预定的控制程序，使生产设备实现规定的动作和目标，以达到正确和安全的自动工作的目的。
电控系统除正确、可靠地控制机床动作外，应保证电控系统本身 处于正确的状态，一旦出现错误，电控系统应具有自诊断和保护功能，自动或提示操作者作相应的操作处理。
(1)电气控制的特点和主要内容 按照规定的循环程序进行顺序 动作是生产设备自动化的工作特点，电气控制系统的任务就是按照生产设备的生产工艺要求安排工作循环程序，控制执行元件，驱动各动力部件进行自动化加工。因此，电气控制系统应满足如下基本要求: ①最大限度地满足生产设备和工艺对电气控制线路的要求; ②保证控制线路的工作安全和可靠；③在满足生产工艺要求的前提下，控制线路力求经济、简单； ④应具有必要的保护环节，以确保设备的安全运行。电气控制系统主要构成有主电路、控制电路、控制程序和相关配件等部分。
(2)电气控制系统工作循环的表示方法 生产设备的工作循环是设 计电气控制系统循环程序的主要依据，一般有三种表示方法:
l) 工作循环图表示的工作循环 主要用于表示单台生产设备的工 作循环。图1-6所示为一台双工位组合机床的工作循环图。
2）工作循环周期表示的工作循环 对于动作复杂的自动线，很难用工作循环图表示清楚，一般采用工作循环周期表的方式表示工作过程。
3) 功能流程图表示的工作循环 功能流程图是一种专用于工业顺序控制程序设计的功能说明性语言，能清楚地表示控制系统的信息传递过程和输入、输出信号的逻辑关系。可以标明输入、输出信号，执行元件的名称、代号和在控制装置中的地址编码。功能图的基木构成元素是步、有向线段、转移和动作说明。图1-7是一个分别完成上料、钻孔和卸件工作的3工位旋转工作台的功能流程图。
(3)电气控制的操作方式 自动化生产设备具有多种工作方式，一 般用手动多路转换开关选择操作方式，在不同操作方式下，系统自动调用不同的工作程序。
1) 自动循环(或称" 连续循环") 在自动循环方式下，按下" 循环 开始“按钮，生产设备将按预定的循环动作一次又一次地连续运行，只有在按下" 预停" 按钮，该次循环结束后才会停止运行。
2) 半自动循环(或称" 单次循环") 在此操作方式下，每次工作循环 都必须按下" 循环开始" 按钮才能开始运行。在手动上下料和手动装夹工件时，这种方式是十分必要的。
3) 调整 在对生产设备进行调试或对设备的某个部分进行调整时， 都需要各动力部件能单独地作" 单步" 动作。常用的方法是对应于每一个动作都单设一个调整按钮，因而操纵台往往被大量的调整按钮占用。在采用PPLC 作为电控装置时，可用编码的方法减少调整按钮数量，同时也减少了占用PLC 输入端的数量。
4） 开工循环和收工循环 自动线有多个加工工位。如果在各工 位上都没有工件时，开始自动线的工作循环称为" 开工循吓" 。如果再无工件迸如自动线则自动线应开始" 收工循环" 。之所以设置" 开工循环" 和" 收工循环" 两种操作方式，是因为有些自动线的加工工位上不允许工件空缺。如在对工件在工位上放置情况进行气压密封性检查时，因工件空缺无法发出信号。
(4)电气控制的联锁要求 生产设备在运行中，各动力部件的动作
有着严格的相互关系，这主要是通过电气控制系统的联锁功能来加以保证的。按联锁信号电路中所起的作用，可以分为联锁、自锁、互锁、短时联锁、长时联锁等。其基本要求为:
1) 在机床起动后，液压泵电动机已起动信号是控制程序中必要的 长时联锁信号，任何时候液压泵电动机停转，控制程序都应立即停止执行。
2) 在滑台快迸、快退时，工件定位、夹紧信号应作为长时联锁信 号。
3) 在滑台工作进给时，工件定位、夹紧信号、主轴电动机已起动 信号、冷却泵润滑电动机己起动信号在工作进给的全过程中作为长时联锁信号。
4) 在输送带、移动工作台移动和回转工作台转动时，拔销、松开 信号、输送机构或工作台抬起信号、各动力部件处于原位的信号是长时联锁信号。
5) 在接通电动机正·反转的电路中及在控制滑台向前、向后的程 序中，应加入" 正一反" ，" 前一后" 互锁信号。
6) 监视液压系统压力的" 压力继电器" ，因压力的波动会出现瞬时 的抖动，因而在用" 压力继电器" 作为工件的夹紧信号时，应对信号作延时处理，或者只能作为短时联锁信号。在用" 压力继电器" 信号作为滑台死挡铁停留信号时，则应在滑台终端同时加上终点行程开关，只有在终点行程开关已压合的情况下，" 压力继电器" 信号才有效。
7) 在液压系统中使用带机械定位的二位三通电磁阀时，控制程序 中可使用短时联锁信号。如果因工艺要求该信号必须是长时联锁，即如果该联锁信号消失，动作应该停止，则可以在联锁信号消失时，拥该联锁信号的反相信号使二位三通阀复位，也可以起到长时联锁的作用。
8) 在拍动循环" 操作方式下，上次循环的" 加工完成" 信号是起动下 次循环的短时联锁信号。特别是在自动线的工作循环申，如果上一次工作循环没有完成，即没有" 加工完成" 信号，是不允许开始下次循环的。
9） 在多面组合机床中，在有刀具相撞的危险区，应加互锁信号， 各滑台应依次单独进入加工区，避免相撞。
10) 在具有主轴定位的锺削机床中，主轴已定位信号是滑台快迸和 快退的联锁信号，而在滑台工进时，要起动主轴旋转则必须有主轴定位已撤销的联锁信号。
以上是加工设备自动化程序设计中应考虑的一般联锁原则。必须 说明的是，因为加工设备的配置形式是多种多样的，电气控制程序的设计必须在充分了解机床工艺要求的基础上，按实际需要考虑联锁关系，不可一概而论，更不是联锁信号越多越好，重复的相不必要的联锁会增加故障概率，降低可靠性。
在多段结构的自动线控制程序中，还需特别注意段与段之间的连 接部件动作的联锁，以避免碰撞事故。
(5)常用的电气控制系统 从控制的方式来看，电气控制系统可以 分为程序控制和数字控制两大类。常见的电气控制系统主要有以下4种:
1) 固定接线控制系统 各种电器元件和电子器件采用导线和印制 电路板连接，实现规定的某种逻辑关系并完成逻辑判断和控制的电控装置，称为固定接线控制系统。在这种系统中，任何逻辑关系和程序的修改都要用重新接线或对印制电路板重新布线的方法解决，因而，修改程序较为困难，主要用于小型简单的控制系统。这类系统按所用元器件分为以下两种类型:
① 继电器一接触器控制系统 是由各种中间继电器、接触器、时间 继电器、计数继电器等组成的控制装置。由于其价格低廉和易于掌握，在十几个继电器以下的系统中仍普遍采用。
此外，在己被广泛使用的PLC 和各种计算机控制系统中，由继电器、 接触器组成的控制电路也是不可少的。一个可靠的电控系统必须考虑到当PLC 和计算机失灵时仍能保护机床设备和人身的安全。因此在总停、故障处理和防护系统中，仍然采用继电器一接触器电路。
② 固体电子电路系统 是指由各类电子芯片或半导体逻辑元件组 成的电控装置，由于其无接触触点和无机械动作部件，其寿命和可靠性均高于继电器一接触器系统，而价格同样低廉，所以在小型的程序无需改变的系统中仍有应用，或者在系统的部件控制环节上应用。
2) 可编程序控制系统 可编程序控制器（PLC) 是由以微处理器为
核心，利用计算机技术组成的通用电控装置，一般具有开关量和模拟量输入/输出、逻辑运算、四则算术运算、记时、计数、比较、通信等功能。因为是通用装置，是在具有完善的质量保证体系的工厂申批量生产，因而具有可靠性高、功能配置灵活、调试周期短、性能价格比高等优点。P 忧与计算机和固体电子电路控制系统最大的不同之处还在于FLC 备有编程器，通过编程器可以利用人们熟悉的传统方法(如梯形图) 编制程序，简单易学。另外，通过编程器可以在现场很方便地更改程序，大大缩短了调试时间。因此，在组合机床和自动线上大都己采用PLC 系统。
3) 带有数控功能的PLC 将数控模块插人PLC 母线底板或以电缆外 接于PLC 总线，与PLC 的CPU 进行通信，这些数字模块自备微处理器，并在模块的内存中存储工件程序，可以在PLC 系统中独立工作，自动完成程序指定的操作。一般这种数控模块可以控制1-3轴，有的还具有2轴或3轴的插补功能。
3) 分布式数控系统(DNC) 对于复杂的数控组合机床自动线，分布 式数控系统是最合适的系统。分布式数控系统是将单轴数控系统(有时也有少量的2轴、3轴数控系统) 作为控制基层设备级的基本单元，与主控系统和中央控制系统进行总线连接或点对点连接，以通信的方式进行分时控制的一种系统。
4、计算机控制
计算机在机械制造中的应用已成为机械制造自动化发展中的一个 主要方向，而且在生产设备的控制自动化方面起着越来越重要的作用。
1）普通数控机床的控制
普通数控机床(NC)，包括单一用途的车床、钻床、铣床、锺床、 磨床等。它们是采用专用的计算机或称" 数控装置" ，以数码的形式编制加工程序，控制机床各运动部件的动作顺序、速度、位移量及各种辅助功能，以实现机床加工过程的自动化。
2）加工中心的控制
加工中心(MC)是一种结构复杂的数控机床，能自动地进行多种加 工，如铣削、钻孔、镗孔、锪平面、铰孔、攻螺纹等。工件在一次装夹中，能完成除工件基面以外的其余各面的加工。它的刀库中可装几种到上百种刀具，以供选择，并由自动换刀装置实现自动换刀。可以说，加工中心实质就是能够自动进行换刀的数控机床。加工中心目前多数都采用小型计算机进行控制。加工中心能够实现对同族零件的自动加工，变换品种方便。然而，由于加工中心投资较大，所以要求机床必须具有很高的利用率。
3）计算机数控
计算机数控 (CNC) 与普通数控的区别，是在数控装置部分引入了 一台小型通用计算机。它具有功能适应性强、工艺过程控制系统和管理信息系统能密切配合、操作方便等优点。然而，这种控制系统只是在出现了价格便宜的微型机以后，才得到较快的发展。
4）计算机群控
计算机群控系统是由一台计算机和一组数控机床组成，以满足各 台机床共享数据的需要。它和计算机数控系统的区别是用一台较大型的计算机来代替专用的小型机，并按分时方式控制多台机床。图1-8所示为一个计算机群控系统，它包括一台中心计算机、给各台数控机床传送零件加工程序的缓冲存储器以及数控机床等部分。
中心计算机要完成三项有关群控功能:①从缓冲存储器中取出数控 指令; ②将信息按照机床进行分类，然后再去控制计算机和机床之间的双向信息流，使机床一旦要求数控指令时便能立即予以满足，否则，在工件被加工表面上会留下明显的停刀痕迹。这种控制信息流的功能称为通道控制; ③中心计算机还处理机床反馈信息，供管理信息系统使用。
(1)间接式群控系统 间接式群控系统又称纸带输入机旁路式系 统，它是用数字通信传输线路将数控系统和群控计算机直接连接起来，并将纸带输入机取掉(旁路) 。图1-9所示为间接式群控系统示意图，图中只绘出一台机床。
可以看出，这种系统只是取代了普通数控系统中纸带输入机这部
分功能，数控装置硬件线路的功能仍然没有被计算机软件所取代，
所有分析、逻辑和插补功能，还是由数控装置硬件线路来完成。
(2)直接式群控系统 直接式群控(DNC)系统比间接式群控系统 又向前发展了一步，由计算机代替硬件存数控装置的部分或全部功能。根据控制的方式又可分为器单机控制式、串联式和柔性式三种基本类型。
在这种系统中，几台乃至几十台数控机床或其他数控设备，接受 从远处中中心计算机(或计算机系统) 的磁盘或磁带上检索出来的遥控指令，这些指令是通过传输线以联机、实时、分时的方式送到机床控制器(MCU)，数控系统实现对机床的控制。数控机床
直接群控系统的优点有:①加工系统可以扩大; ②零件编程容易; ③ 所有必需的数据信息可存储在外存储图1-9间接式群控系统器内，根据需要可随时调用; ④容易收集与生产量、生产时间、生产进度、成本、刀具耐用度等有关的数据; ⑤对操作人员技术水平要求不高; ⑥生产效率高，可按计划迸行工作。
这种系统投资较大，在经济效益方面应加以考虑。另外，如果中 心计算机一且发生故障，会使直接群控系统全部停机，这会造成重大损失。
5）适应控制
在实际工作中，大多数控制系统的动态特性不是恒定的。这是因 为各种控制元件，随着使用时间的增加而在老化，工作环境也在不断变化，元件参数也在变化，致使控制系统的动态特性也发生变化。虽然在反馈控制中，系统的微小变化对动态特性的影响可以被减弱，然而，当系统的参数和环境变化比较显著时，一般的反馈控制系统也不能保持最佳使用性能。这时只有采用适应能力较强的控制系统，才能满足这一要求。
所谓适应能力，就是系统本身能够随着环境条件或结构的不可预 计的变化，自行调整或修改系统的参量。这种本身具有适应能力的控制系统，称为适应控制系统。
在适应控制系统中，必须能随时识别动态特性，以便调整控制器 参数，从而获得最佳性能。这点具有很大吸引力，因为适应控制系统除了能适应环境变化以外，还能够适应通常工程设计误差或参数的变化，并且对系统中较次要元件的破坏，也能进行补偿，因而增加了整个系统的可靠性。
例如在数控机床上，刀具轨迹、切削条件、加工顺序等都由穿孔 带或计算机命令进行恒定控制，这些命令是一套固定的指令，即使刀
具不断磨损、切削力和功率已增加，或因各种原因使实际加工情况发生了改变，但这一套指令是不容易修改的。因此，在制备程序时，编程人员必须计算出能适应最坏情况的一套" 安全" 加工指令。
采用适应控制技术，能迅速地调节和修正切削加工中的控制参数 (切削条件) ，以适应实际加工情况的变化，这样才能使某一效果指标，例如生产率、生产成本等始终保持最优。
图1-10所示为切削加工适应控制系统的原理图。适应控制的效果 主要取决于机床上所用的传感器，在机床工作期间，传感器要经常检测动态工作情况，如切削力、主轴扭矩、电动机负荷、刀具变形、机床和刀具的振动、工件加工精度、加工表面的粗糙度、切削温度、机床热变形等。刀具磨损和刀具耐用度在实际加工中很难测量，因此可通过上述测量间接地加以估算。这些可以作为对适应控制系统的输入，再经过实时处理，便可确定下一瞬间的最优切削条件，并通过控制装置仔细地调整主轴转速、进给速度或滑板移动速度，便可实现切削加工的实时优化。
利用适应控制系统，能够保护刀具，防止刀具受力过大，从而提 高了刀具的耐用度，也就能保证加工质量。另外，还能简化编程中确定主轴转速和进给速度的工作，这样就能提高生产率。
第四节 发展及趋势
一、 自动化发展历程
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，工匠们能以木材或其它硬性材料生产出较复杂的圆形产品。直到 14 世纪，才发明了第一个原型的精密机器。德多迪 · 乔万尼（ Giovannil DeDondi , 1318--1389）提出了机械重量驱动的时钟，推动了第一台真正的工具机（如螺纹加工机床）的发展若；自18世纪中叶瓦特发明燕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，纯机械控制随着电液控制的刚性自动化加工单机和系统得到长足发展。如 1870 年美国发明了自动制造螺丝的机器，继而于 1895 年发明多轴自动车床，它们都属于典型的单机自动化系统，都是采用纯机械方式控制的。1924 年
第一条采用流水作业的机械加工自动线在英国的 Morris 汽车公司出现， 1935 年原苏联研制成功第一条汽车发动机气缸体加工自动线。这两条自动线的出现使得自动化制造技术由单机自动化转向更高级形式的自动化系统。在第二次世界大战前后，位于美国底特律的福特汽车公司大量采用自动化生产线，使汽车生产的生产率成倍提高，汽车的成本大幅度降低，汽车的质量也得到明显改善。随后，西方其它工业化国家、前苏联以及日本都开始广泛采用制造自动化技术和系统，使这种形式的制造自动化系统得到迅速的普及，其技术也日趋完善，它在生产实践中的应用也达到高峰。尽管这种形式的制造自动化系统仅适合于像汽车这样的大批量生产，但它对人类社会的发展却起到了巨大的推动作用。值得注意的是，在此期间，前苏联于 1946 年提出成组生产工艺的思想，它对制造自动化系统的发展具有极其重要的意义。一直到目前，成组技术仍然是制造自动化系统赖以生存和发展的主要技术基础之一。
第二阶段：从 1952 年到 1965 年，数控技术（ Numerical Control --NC ) ，特别是单机数控得到飞速发展。数控技术的出现是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，几乎是目前经济性实现小批量生产自动化的唯一实用技术。第一台数控机床于 1952 年在美国的麻省理工学院研制成功，它一出现，立即得到人们的普遍重视，从 1956 年开始就逐渐在中、小批量生产中得到使用。 1953 年，麻省理工学院又研制成功著名的数控加工自动编程语言（ Automaticallv Programmed Tools--APT ) ，为数控加
工技术的发展奠定了基础。 1958 年，第一台具有自动换刀装置和刀库的数控机床即加工中心（ MC ）在美国研制成功，进一步提高了数控机床的自动化程度。第一台工业机器人（ Industrial Robot ）于 1959 年出现于美国。最早的工业机器人是极坐标式的，它的出现对制造自动化技术具有很大意义。工业机器人不但是制造自动化系统中必不可少的自动化设备，它本身也可单独工作，自动进行装配、焊接、喷涂、热处理、清砂、浇注铸件等工作。 1960 年，美国研制成功自适应控制机床（ Adaptive Control Machine Tools ) ，使机床具有了一定的智能色彩，可以有效提高加工质量。 1961 年在美国出现计算机控制的碳电阻制造自动化系统，可以称为计算机辅助制造（ Computer Aided Manufacturing--CAM ）的雏形。 1962 年和 1963 年又相继在美国出现了圆柱坐标式工业机器人和计算机辅助设计及绘图系统（ Computer Aided Design —CAD ），后者为自动化设计以及设计与制造的集成奠定了基础、1965 年出现的计算机数控机床
（Computerized Numerical Control --CNC ）具有很重要的意义，因为它的出现为实现更高级别的制造自动化系统扫清了技术障碍。
第三个阶段：从 1 96 7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胜制造自动化系统得到飞速发展的时期。 1967 年英国的 M 成沦几公司研制成劝封算机控制 6 台数控机床的可变制造系统，这个系统被称为最早的柔性制造系统子它的出现成功地解决了多品种、小批量复杂零件生产的自动化及降低成本和提高效率的问题。同一年，美国的 Sundstand 公司和日本国铁大宫工厂也相继研制成功计算机控制的数控系统。 1969 年日本研制出按成组加工原则的IKEGAII 可变加工系统， 1969 年美国又研制出工业机器人操作的焊接自动线。随着工业机器人技术和数控技术的发展和成熟。 70 年代初出现了小型制造自动化系统即柔性制造单元。柔性制造单元和柔性制造系统到目前仍是制造自动化的最高级型式，即自动化程序最高并且实用的系统。 1980年日本建成面向多品种小批量生产的无人化机械制造厂--富士工厂。从毛坯及外构件入库、搬运、加工、成品入库等除装配以外的其它工序均实现完全自动化。 20世纪80年代初期还搞了一个由机器人进行装配的全自动化电机制造厂加分个规模琵大的利用激光加工的综合柔性制造系统。需要指出的是，位种无人自动化工厂的努力却是不成劝的，原因并不在技术，而主要在于它的经济性太差，并忽视了人在制造系统中的核心作用。
第四个阶段：从 80 年代至今，制造自动化系统的主要发展是计
算机集成台造系统（ CIMS ) ，并被认为是 21 世纪制造业新模式。 CIMS 是由美国大约瑟夫哈林顿于1974 年提出的概念，其基本思想是借助于计算机技术、现代系统管理技术、现代制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术，将制造过程中有关的人、技术和经营管理三要素有机集成，通过信息共享以及信息流与物质流的有机集成实现系统的优化运行。所以说， CIMS 技术是集管理技术、质量探证和制造自动化为一体的广义制造自动化系统。我国第一条机械加工自动线于 1956 年投入使用，是用来加工汽车发动机汽缸体端面孔的组合机床自动线。第一条加工环套类零件的自动线是1959 年建成的加工轴承内外环的自动线。第一条加工轴类零件的自动线是 1969 年建成的加生电机转子轴的自动线。 1964 年以后不到 10 年时间，我国机床行业就为第二汽车制造厂（即现在的东风汽车集团公司）提供了57条自动线和8000多台自动化设备，表明我国提供制造自动化系统的能力有了很大的发展。我国数控机床以 1958 年研制成功的数控立铣为开端， 1973 年起集中力量研制数控机床、加工中心及计算机数控机床。到1958 年底，我国生产的数控机床的品种已达50余种，并远销国外。应该看到，我国数控机床虽然有了长足的发展，担存在着技术水平
低、性能不稳定等问题，远远不能满国内用户的需求。因此国家每年还要花费大量的外汇进口数控系统和数控机床。我国于1984年研制成功两个柔性制造单元，第一个柔性制造系统于 1986 年投入运行，用于加工司服电机零件。 1987 年以后，陆续从国外引进 10 余套柔性制造系统，也自行研制了我们自己的 FMS 。在这些 FMS 中，有些应用得很好，充分发挥了它的效益，而有些系统却利用率不高，造成资源的极大浪费。我国工业机器人的研究始于 70 年代初，自从 1986 年国家执行 863 高科技发展计划将机器人列为自动化领域的一个主题后，我国机器人技术得到很快的发展，已研制成功喷漆、焊接、搬运、能前后左右步行、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型的机器人。自从 1986 年 863 计划起作为自动化领域的两个主题之一， CIMS 在我国的研究和推广应用得到极快的发展。单元应用技术也取得一批研究和应用成果，有些实施 CIMS 的企业也取得一些经济及社会效益。到目前，我国已在清华大学建成国家 CIMS 工程研究中心 ERC ，在一些著名大学和研究单位建立了 7 个 CIMS 单元技术实验室和 8个CIMS 培训中心，在国家立项实施 CIMS 的企业已达 70 余家。 1994 年清华大学荣获美国制造工程师协会 SME 颁发的 CIMS 研究“大学领先奖”。 1995 年北京第一机床厂荣获 SME 的“工业领先奖”。上述成果的取得使得我国在像 CIMS 这样高水平的制造自动化系统的研究和应用方面积累了一定的经验。
二、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，这些要求也同时代表了机械制造自动化今后的发展趋势。
1 、高度智能集成性
随着计算机集成制造技术和人工智能技术在制造系统中的广泛应用，带有智能已成为制造自动化系统的主要特征之一。智能集成化制造系统可以根据外部环境的变化自动地调整自身的运行参数，使自己始终处于最佳运行状态，称为系统具有自律能力。智能集成制造系统还具有自决策能力，能够最大限度地自行解决系统运行过程中所遇到的各种问题。由于有了智能，系统就可以自动监视本身的运动状态，发现故障自动给予排除。如发现故障正在形成，则采取措施防止故障的发展。智能集成化制造系统还应与 CIMS 的其它分系统共同集成为一个有机的整体，以实现信息资源的共享。它的集成性不仅仅体现在信息的集成上，它还包括另一个层次的集成，即人和技术之间的集成，实现人机功能的合理分配，并能够充分发挥人的主观能动性。带有智能的制造系统还可以在最佳加工方法和加工参数选择、加工路线的最佳化和智能加工质量控制等方面发挥重要作用。总之，智能集成化制造系统具有自适应能力、自学习能力、自修复能力、自组织能力和自我优化能力。因而，这种具有智能的集成化制造系统将是制造自动化系统的主要发展趋势之一。但由于受到人工智能技
术发展的限制，智能集成型制造自动化系统的实现将是个缓慢的过程。
2 ．人机结合的适度自动化
传统的制造自动化系统往往过分强调完全自动化，对如何发挥人的主导作用考虑甚少。但在先进生产模式下的制造自动化系统却并不过分强调它的自动化水平，而强调的是人机功能的合理分配，强调充分发挥人的主观能动性。因此，先进生产模式下的制造自动化系统是人机结合的适度自动化系统。这种系统的成本不高，但运行可靠性却很高，系统的结构也比较简单。它的主要缺陷是人的情绪波动会影响系统的运行质量。在先进生产模式下特别是智能制造系统中，计算机可以取代人的一部分思维、推理及决策活动，但绝不是全部。在这种系统中，起主导作用的仍然是人，因为无论计算机如何“聪明”，它的智能将永远无法与人的智能相提并论。
3. 强调系统的柔性和敏捷性
传统的制造自动化系统的应用场合往往是大批量生产环境，这种环境不特别强调系统具有柔性。但先进生产模式下的制造自动化系统面对的却是多品种、小批量生产环境和不可预测的市场需求，这就要求系统具有比较大的柔性，能够满足产品快速更换的要求。实现制造自动化系统柔性的主要手段是采用成组技术和计算机控制的、模块化的数控设备。但这里所说的柔性与传统意义上的柔性却不同，我们称之为敏捷性。传统意义上的柔性制造系统仅能在一定范围内具有柔性，而且系统的柔性范围是在系统设计时就预先确定了的，超出这个范围时系统就无能为力。但先进生产模式下的制造自动化系统面对的是无法预测的外部环境，无法在规划系统时预先设定系统的有效范围。但由于系统具有智能且采用了多种新技术（如模块化技术和标准化技术），因此不管外部环境如何变化，系统都可以通过改变自身的结构与之适应。智能制造系统的这种“敏捷性”比“柔性”具有更广泛的适应性。
4 、功能扩展化
理论上，完整的制造自动化系统应包括毛坯的制备、物料的存储、运输、加工、辅助处理、零件检验、装配、部件及成品测试、油漆和包装等内容，并将它们集成为一个有机的整体。但目前的制造自动化主要是面向零件加工的，其它内容则涉及较少。未来的制造自动化系统应逐步向前扩展到毛坯的自动制备，向后
扩展到自动装配、自动测试及自动包装等。
5、小型化
小型化的制造自动化系统结构相对简单，可靠性较高，容易使用和管理，寿命周期成本也较低，投资小、见效快，并且一般情况下均能满足使用要求。所以，将来的用户将会更加钟情于小型化的制造自动化系统，如 DNC 和 FMC 。
6、简单化
在满足使用要求的条件下，制造自动化的结构将会愈来愈
简单，冗余功能、极少用到的功能以及由人来实现极其简单，但由系统自动实现十分复杂的功能将会愈来愈少。结构简单可以 带来寿命周期成本低、可靠性高、容易使用和管理的优点，还可以减少对熟练工人的需求。可以认为，简单化将是制造自动化系统的一个主要发展方向。
7、环保化
可持续发展问题是目前人类社会最迫切需要解决的问题之一，资源和环境是可持续发展的两个主要问题匕制造系统作为能源和资源消耗以及环境污染的“大户＂，应该首先实施可持续发展战略。因此，在系统的规划及运行过程中，应将资源和能源的优化利用以及环境保护作为主要目标之一进行控制。
复习思考题
l- l什么是机械化和自动化？
1 -2机械制造自动化的主要内容有哪些？
l -3机械制造自动化的作用是什么？
1-4自动化系统由哪几部分组成？
1-5机械制造自动化的类型与特点是什么？
1-6试述机械制造自动化的主要发展趋势。
第一章 概述
制造自动化是人类在长期的社会生产实践中不断追求的主要目标。随着科学技术的不断进步，自动化制造的水平也愈来愈高。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，改善制造系统适应市场变化的能力，从而提高企业的市场竞争能力机械制造自动化是制造自动化的主要组成部分，它主要控制机械运动（如刀具、工件、毛坯等的运动）及可能变化的制造工艺，使整个生产处于优化状态。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，比之其它制造业来要困难得多，主要就表现在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，对制造对象要求高精密、高准确的定向、定位，可靠的识别装置、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、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、装配等采用的自动化技术
第一节、机械制造自动化的基本概念；
一、自动化的基本概念
任何制造过程都是由若干个工序组成的。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这就是机械化。若操纵这些机构的动作也是由机器来完成，则就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自动化起来，而工人所要做的工作只是对这一工序作总的操纵和监督，就称为工序自动化。
一个工艺过程（如加工工艺过程）通常包括着若干个工序，如果不仅每一个工序都自动化了，并且把它们有机地联系起来，使得整个工艺过程（包括加工、下序间的检验和输拱）都自动讲行．而工人仅只是对这一整个工艺过程作总纵和监督，这时就形成了某一种加工工艺的自动生产线，通常称为工艺过程自动化。
一个零部件（或产品）的制造包括着若干个工艺过程，如果不仅每个工艺过程都自动化了，而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，这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。
二、机械制造自动化的主要内容
一般的机械制造主要由毛坯制备、物料储运、机械加工、装配、辅助过程、质量控制、热处理和系统控缸等过程组成。本书所涉及的是狭义的机械制造过程，主要是机械加工过程以及与此关系紧密的物
料储运、质量控制、装配等过程。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、装卡自动化技术、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它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、产品检测自动化和刀具检测自动化技术等。
三、机械制造自动化的作用
机械制造中采用自动化技术可以有效改善劳动条件，显著提高劳动生产率，大幅度提高产品的质量，有效缩短生产周期，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：
1 、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。
2 、缩短生产周期 机械制造业按其产品特点可分为如下三类：大批生产；多品种、中小批生产；单件生产。在现代机械制造企业中，单件、小批量的生产约占 85 ％左右，大批量生产仅占 15 ％。而在多
品种、小批量生产中，被加工零件处于储运、等待加工等时间约占 95 % ，实际有效的加工时间仅有 1.5 % ，采用自动化技术的主要效益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。
3．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，因而可以有效提高产品的质量
4．提高经济效益 采用自动化技术，可以减少生产面积，减少直接生产工人的数量，减少废品率，因而就减少了对生产的投入，提高了投人产出比，因此可以有效提高经济效益。
5．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、繁琐甚至对人体有害的工作，从而降低了工人的劳动强度
6、 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。
7．提高劳动者素质 采用自动化技术要求操作者具有较高的业务素质和严谨的工作态度，因此可提高劳动者的素质。
8 ．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侧技术、自动化控制技术、产品设计技术、系统工程技术等相关技术的发展。
第二节 机械制造自动化的类型
一、机械制造自动化机构的构成
从系统的观点来看，机械制造自动化系统主要有以下4个部分所构成:
1、加工机构 即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、工件支撑机构 即能完成工件输送、搬运以及存储功能的工件供给装置。
3、刀具支撑机构 即包括刀具的装配、输送、交换和存储装置以及刀具的预调和管理系统。
4、控制与管理机构 即对制造过程的监控、检测、协调与管理。
二、自动化的分类
对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，大致地可按下面儿种方式来进行分类:
1、按制造过程分
有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。
2、按设备分
有局部动作自动化、单机自动化、刚性自动化、刚性综合自动化 机构、柔性制造单元、柔性制造机构。
3、按控制方式分
有机械控制自动化、机电液控制自动化、数字控制自动化、计算 机控制自动化、智能控制自动化。
三、机械制造自动化的特点和适用范围
不同的自动化类型有着不同的性能特点和不同的应用范围，因此 应根据需要选择不同的自动化系统。下面按设备的分类作一个简单的介绍。
1、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 自动地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。例如:单台组合机床，通用多刀半自动车床、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。缺点是调整工作量大，加工质量较差，工人的劳动强度也大。
2、刚性自动化单机 它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。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。
3、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、大量生产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、减少生产面积、改善劳动条件、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 (例如可换主轴箱) ，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、锺、攻螺纹和铣削等工序的加工。
4、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、涂装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、工人劳动强度低。
5、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。它是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，而且还能控制选刀、换刀、测量、润滑、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。配备有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。
6、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、锺、钻、铰、攻螺纹、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。根据所处理的对象不同，加工中心又可分为铣削加工中心和车削加工中心。
7、柔性制造单元 柔性制造单元 (Flexible Manufacturing Cell 一FMC) 是一种由1-3台计算机数控机床或加工中心所组成，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化柔性制造系统。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规模中。
8、柔性制造系统 一个柔性制造系统 (Flexible Manufacturing System--FMS)一般由4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) 等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，可以有效减少生产面积。④与立体仓库相配合，可以实现24h 连续工作。⑤由于集中作业，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 (QE)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件的中等批量生产的场合。
第三节 机械制造自动化的控制方式
任何机械制造设备的自动化，其实质是在其终端执行元件上无需
由人来直接或间接操作的自动控制。为了实现机械制造设备的自动化，就需要对这些被控制对象进行自动控制。
自动控制与机械控制技术、流体控制技术、自动调节技术、电子 技术、电子计算机技术等密切相关，它是实现机械制造自动化的关键。它的完善程度是机械制造自动化水平的重要标志。
一、自动控制的基本要求与方式
1、自动控制的构成
自动控制系统包括实现自动控制功能的装置及其控制对象，通常 由指令存储装置、指令控制装置、执行机构、传递及转换装置等部分构成。
(1)指令存储装置 由于被控制对象是一种自动化机械，因此，其 运动应该不依靠人而能自动运行。这样就需要预先设置它的动作程序，并把有关指令信息存入相应的装置，在需要时重新发出。这种装置就称为指令存储装置 (或程序存储器) 。
指令存储装置，大体上可以分为两大类:一类是全部指令信息一起 存入一个存储装置，称为集中存储方式。例如，装有许多凸轮的分配轴、矩阵插脚板、穿孔带、磁带、磁鼓、磁盘等; 另一类是指令信息分别在多处存储，称为分散存储方式。例如挡块、限位开关、电位计、时间继电器、速度继电器等。
(2)指令控制装置 它的作用是将存储在指令存储装置中的指令 信息在需要的时候发出。例如，执行机构移动到规定位置时挡块碰触
限位开关; 工件加工到规定尺寸时自动量仪中的电触点接通; 液压控制系统中的压力达到规定压力时起动压力阀; 主轴转速超过一定数值时速度继电器动作等等。其中限位开关、电触点、压力阀、速度继电器等装置能够将指令存储装置中的有关信息转变为指令信号发送出去，命令相应的执行机构完成某种动作。
(3)执行机构 执行机构是最终完成控制动作的环节。例如拨叉、
电磁铁、电动机、工作液压缸等。
(4)传递及转换装置 它的作用是将指令控制装置所发出的指令
信息传送到执行机构。少数情况下是简单地传递信息。而在多数情况下，信息在传递过程中要改变信号的量和质，转换为符合执行机构所要求的种类、形式、能量等输入信息。信息的传递介质有:电、光、气体、液体、机械等。信息的形式有:模拟式和数字式。信息的量有:电压量、电流量、压力量、位移量、脉冲量等。在这些类别中，又各有介质、形式、量的转换，因此，可组合成多种多样的形式。常见的传递和转换装置有:各种机械传动装置、电或液压放大器、时间继电器、电磁铁、光电元件等。
2、基本要求
自动控制系统应能保证各执行机构的使用性能、加工质量、生产
效率及工作可靠性。为此，对自动控制系统提出如下基本要求:
1) 应保证各执行机构的动作或整个加工过程能够自动进行。
2) 为便于调试和维护，各单机应具有相对独立的自动控制装置，
同时还应便于和总控制系统相匹配。
3) 柔性加工设备的自动控制系统要和加工品种的变化相适应。
4) 自动控制系统应力求简单可靠。在元器件质量不稳定情况下，
对所用的元器件一定要经过严格筛选，特别是电气及液压元器件。
5) 能够适应工作环境的变化，具有一定的抗干扰能力。
6) 应设置反映各执行机构工作状态的信号及报警装置。
7) 安装调试、维护修理方便。
8) 控制装置及管线布置要安全合理，整齐美观。
9) 启动控制方式要与工厂的技术水平、管理水平、经济效益及工
厂近期生产发展趋势相适应。 对于一个具体控制系统，第一项要求必须保证，其他则根据具体
情况而定。
3、自动控制方式
我们这里所说的自动控制方式主要是指机械制造设备中常用的
控制方式。如开环控制、闭环控制、程序控制、数字控制相计算机控制等，下面分别作一个简单说明。
(1)开环控制方式 所谓开环控制，就是系统的输出量对系统的控
制作用没有影响的控制方式。在开环控制中，指令的程序和特征是预先设计好的，不因被控制对象实际执行指令的情况而改变。为了满足实际应用的需要，开环控制系统必须精确地予以校准，并且在工作过程中保持这种校准值不发生变化。如果执行出现偏差，开环控制系统就不能保证既定的要求了。由于这种控制方式比较简单，在机械加工
设备中广为应用，例如常见的机械凸轮控制的自动车床或沿时间坐标轴单向运行的任何系统，都是开环控制系统。
(2)闭环控制方式 若系统的输出信号对系统的控制作用具有直 接影响的控制方式称为闭环控制。闭环控制也就是常说的反馈控制。" 闭环" 的含义，就是利用反馈装置将输出与输入两端相连，并利用反馈作用来减少系统的误差，力图保持两者之间的既定关系。因此，闭环系统的控制精度较高，然而，这种系统比较复杂。在机械制造中常见的自动调节系统、随动系统、适应控制系统等都是闭环控制系统。
(3)分散控制方式 分散控制苯称为行程控制或继动控制。在这种 控制中，指令存储和控制装置按一定程序分散布置，各控制对象的工作顺序及相互配合按下述方式迸行:当前一机构完成了预定的动作以后，发出完成信号，并利用这一信号引发下一个机构的动作，如此继续下去，直到完成预定的全部动作。每一执行部件在完成预定的动作后，可以采用不同的方式发出控制指令。例如根据运动速度、行程量、终点位置、加工尺寸等。发令装置应用最多的是有触点式或无触点式限位开关和由挡块组成的指令存储和控制装置。
这种控制方式的主要优点是实现自动循环的方法简单，电气元件 的通用性强，成本低。在自动循环过程中，当前一动作没有完成时，后一动作便得不到起动信号，因而，分散控制系统本身具有一定的互锁性。然而，当顺序动作较多时，自动循环时间会增加，这对提高生产效率不利。此外，由于指令控制不集中，有些运动部件之间又没有直接的联锁关系，为了使这些部件得到起动信号，往往需要利用某一
部件到达行程终点后，同时引发若干平行的信号。这样，当执行机构较多时，会使电气控制线路变得复杂，电气元件增多。这对控制系统的调整和维修不利，特别是在使用有触点式电器时，由于大量触点频繁换接，容易引起故障。目前在常见的自动化单机和机械加工自动线的控制系统中，多数都采用这种分散控制方式。
(4)集中控制方式 具有一个中央指令存储和指令控制装置，并按 时间顺序连续或间隔地发出各种控制指令的控制系统，都可以称为集中控制系统或时间控制系统。
在图1-1中，控制系统中有一个连续回转的用来进行集中控制的 鼓。在转鼓上装有一些凸块 (存储的指令) ，当转鼓回转时，凸块分别碰触1-5限位开关，并接通相应的执行部件。当凸块转过后，放松限位开关，相应的执行部件就停止运动。转鼓转一转，执行部件完成一个工作循环。如果改变凸块长度或转鼓的转速，就可以调整执行部件的运动时何和工作循环周期，但是不能控制工作部件的运动速度。
这种集中控制方式的优点是:所有指令存储和控制装置都集中在 一起，控制链又短又简单，这样，控制系统就比较简单，调整也比较
方便。另外，由于每个执行部件的起动指令是由集中控制装置发出，但停止指令则是由执行部件移动到一定位置时压下限位开关而发出，因此，可以避免某一部件发生故障而其他部件继续运动与之发生碰撞或干涉。工作精度和可靠性比较高。其实这是由集中控制和分散控制所组成的混合控制系统。
利用分配轴上的凸轮来驱动和控制的自动机床或自动线上的各个 执行部件的顺序动作是机械式集中控制系统，是按时间顺序进行控制的，可以归入这一类型。
(5)程序控制方式 按照预定的程序来控制各执行机构使之自动 进行工作循环的系统，都可以称为程序控制系统。它又可以分为:固定程序控制系统和可变程序控制系统。
固定程序控制系统的程序是固定不变的，它所控制的对象总是周 期性地重复同样的动作。这种控制系统的组成元件较少，线路比较简单，安装; 调试及维护都比较方便。然而，如果要改变工作程序，这种控制系统基本就不能再用。因此，这种控制方式，只适用于大批量生产的专用设备。
可变程序控制系统的程序可以在一定范围内改变，以适应加工品 种的变化。这种控制系统的组成元件较多，系统也比较复杂，投资也比较大。它适用于中小批多品种轮番生产。从目前应用情况来看，较复杂的可变程序控制装置都采用电子计算机，规模较小的常采用可编程序控制器控制; 生产批量较大、加工品种变化不大时，经常采用凸轮机械式控制，品种改变时，只要更换凸轮即可。
(6)数字控制方式 采用数控装置(或称专用电子计算机) ，以二进 制数码形式编制加工程序，控制各工作部件的动作顺序、速度、位移量及各种辅助功能的控制系统，称为数字控制系统，简称" 数控" 。它主要由控制介质(例如穿孔带、穿孔卡、磁带等) 、数控装置及伺服机构组成。这种控制方式适用于加工零件的表面形状复杂、品种经常改变的单件和小批量生产中所用的加工设备。
(7)计算机控制方式 用电子计算机作为控制装置，实现自动控制 的系统。由于电子计算机具有快速运算与逻辑判断的功能，并能对大量数据信息进行加工、运算、实时处理，所以，计算机控制能达到一般电子装置所不能达到的控制效果，实现各种优化控制。计算机不仅能够控制一台设备、一条自动线，而且能够控制一个机械加工车间甚至整个工厂。
二、机械传动控制
机械传动控制方式一般传递的动力和信号都是机械连接的，所以 在高速时，可以实现准确的传递与信号处理。在采用机械传动控制方式的自动化装备中，几乎所有运动部件及机构，通常都是由装有许多凸轮的分配轴来进行驱动和控制的。凸轮控制是一种最原始、最基本的机械式程序控制装置，也是一种出现最早而至今仍在使用的自动控制方式。例如，经常见到的单轴和多轴自动车床，几乎全部采用这种机械传动控制方式。这种控制方式属于开环时间控制系统，即开环集中控制系统。在这种控制系统中，程序指令的存储和控制均利用机械式元件来实现，例如凸轮、挡块、连杆、拨叉等。这种控制系统的另
外一个特点是控制元件同时又是驱动元件。
图1-2所示是C1318型单轴转塔自动车床的机械集中控制系统原理 简图。机床的工作过程是:上一个工件切断后，夹紧机构松开棒料棒料自动送进夹紧棒料回转刀架转位刀架滑板快迸、工迸、快退换刀再进给(在回转刀架换刀和切削的同时，横向刀架也可以进行进给) „„，如此反复循环进行工件的加工。机床除工件的旋转外，其余动作均由分配轴集中驱动与控制。分配轴是整台机床的控制中心，分配轴上装有主轴正反转定时轮、横向进给凸轮、送夹料定时轮、换刀定时轮、锥齿轮等。机床的所有动作都是按照分配轴的指令执行的。分配轴转动一圈，机床完成一个零件的加工。
该机床的主要控制动作如下: ①径向进给由分配轴上的径向进给
凸轮3、4、5分别通过杠杆按照一定的时间顺序，控制立刀架、后刀架、前刀架沿着工件直径方向的快进、工迸和快退动作。②纵向进给由分配轴通过齿轮传动副，控制纵向进给凸轮的转动速度，纵向进给凸轮通过杠杆控制刀架滑板9的纵向运动，从而实现滑板上的回转刀架的快迸、工迸和快退动作。③送夹料由分配轴上的定时轮6通过杠杆26控制辅助轴上的定转离合器15的接通与断开。当定转离合器15接通后，空套齿轮16随辅助轴转动，通过齿轮17使凸轮轴18转动，凸轮19、刀通过杠杆控制送夹料机构的动作。④换刀由分配轴上的定时轮7通过杠杆27控制辅助轴上的定转离合器13的接通与断开。当定转离合器13接通后，空套齿轮12随辅助轴转动，通过齿轮30使长齿轮10转动，从而接通换刀机构。当换刀机构接通后，通过马氏机构，使回转刀架顺时针转动，完成刀架的转位 (回转刀架共有6个刀位) 。⑤主轴正反转控制由定时轮2根据加工要求，按照设定的时间，控制换向开关的位置，从而控制主轴的正反转。此外，装有空套齿轮12、16、定转离合器(空套)13、15、固定离合器14的辅助轴，通过齿轮传动副、蜗轮蜗杆传动副受分配轴的控制，与分配轴保持一定的传动关系(转速、转向) 。 这种凸轮机械传动控制系统的主要特点为工作可靠、使用寿命长、 节拍准确、结构紧凑、调整时容易发现问题、调整完毕后便能正常进待T 作等。然而，其结构较复杂、凸轮的设计制造工作量较大、凸轮曲线有偏差时易产生冲击和噪声。另外，由于凸轮又兼做驱动元件，因此一般不能承受重载荷切削。
随着计算机与数控机床的发展，设计和制造准确的凸轮比以往更
容易实现了，可以精确地按设计要求加工凸轮曲线，所以凸轮的性能与可靠性都得到了提高，也使得机械传动控制方式的精度和可靠性得以提高。但是由于机械传动控制是专用性比较强的，所以它的应用范围有一定限制。这种控制方式仅适用于加工品种基本不变的大批量生产。
三、液压、气动与电气控制
机械制造过程中广泛采用液压、气动与电气对其整个工作循环进 行控制。采用高水平高质量的液压、气动和电气的控制系统，就成为自动化制造装置可靠运行的关键。如在电气控制系统中采用可编程序控制器(PLC)进行加工设备的自动化控制，就比采用继电器接触器系统可提高电气控制可靠性若干倍。在液压和气动控制系统中，为了提高工作可靠性; 减少故障，要重视系统的合理设计，选择最佳运动压力，高质量的元器件，哪怕是最不起眼的液压管接头也不能有一点马虎。总之，液压、气动和电气控制系统是保证制造过程自动化正常运动和可靠工作的关键组成部分，必须要给予足够的重视。
1、液压控制
液压传动是利用液体工作介质的压力势能实现能量的传递及控制 的。作为动力传递，因压力较高，所以用小的执行机构可以输出较大的力，并且使用压力控制阀可以很容易地改变它的输出(力) 。从控制的角度来看，即便在动作时负载发生变化也可按一定的速度动作，并且在动作的行程内还可以调节速度。因此，液压控制具有功率重量比大、响应速度快等优点。它可根据机械的要求，对位置、速度、力等
任意被控制量按一定的，精度进行控制，并且能在有外扰的情况下， 也能稳定而准确地工作。
液压控制有机械一液压组合控制和电气一液压组合控制两种方 式。前者如图1-3所示，凸轮1推动活塞2移动，活塞2又迫使油管3中的油液流动，从而推动活塞4和执行机构6移动，返回时靠弹簧5的弹力使整个系统回到原位。执行机构6的运动规律，由凸轮1控制，凸轮1就是指令存储装置，同时又是驱动元件。
后者如图1-4所示，指令单元根据系统的动作要求发出工作信号 (一般为电压信号) ，控制放大器将输入的电压信号转换成电流信号，电液控制阀将输入的电信号转换成液压量输出(压力及流量) ，执行元件实现系统所要求的动作，检测单元用于系统的测量、反馈等。 这种控制系统目前存在的主要问题是某些电气元器件可靠性不高 及液压元件经常漏油等，这样就便控制系统的稳定性受到影响。因此，在设计和使用时，应引起重视及采取适当的补救措施。有关液压传动与控制的详细内容在专门课程中己作介绍，这里不再多叙。
2、气动控制
气动控制技术是以压缩空气为工作介质进行能量和信号传递的 工程技术，是实现各种生产和自动控制的重要手段之一。气动控制技术不仅具有经济、安全、可靠、便于操作等优点，而且对于改善劳动条件、提高劳动生产率和产品质量，具有非常重要的作用。
(1)气动控制的特点
1) 结构装置简单、轻便，易于安装和维护，且可靠性高、使用 寿命长。
2) 工作介质大多采用空气，来源方便，而且使用后直接排出的 气体既不污染环境，又能适应" 绿色生产" 的需要。
3) 工作环境适应性强，特别是在易燃、易爆、多尘埃、辐射、 振动等恶劣的场合。
4) 气动系统易于实现快速动作，输出力和运动速度的调节都很方 便，且成本低，同时在过载时能自动保护。
5) 压缩空气的工作压力一般在0.4-0.8MPa ，故输出力和力矩不太 大，传动效率低，且气缸的动作速度易随负载的变化而变化。
(2)气动控制的形式与适用范围气动控制系统的形式往往取决于 自动化装置的具体情况和要求，但气源和调压部分基本上是相同的。
一般的主要由气压发生装置、气动执行元件、气动控制元件以及附属元件等部分组成。气动控制主要有以下4种形式:
1) 全气控气阀系统，即整套系统中全部采用气压控制。该系统一 般比较简单，特别适用于防爆场合。
2) 电一气控制电磁阀系统，是应用历史较久、使用最普遍的形式。 由于全部逻辑功能由电气系统实现，所以容易被操作和维修人员接受。电磁阀作为电气信号与气动信号的转换环节。
3) 气一电子综合控制系统，是一种开始大量应用的新型气动系统。 它是数控系统或PLC 与气阀的有机结合，采用气/电或电/气接口作为电子信号与气动信号的转换。图1-5为该系统的基本构成。
4) 气动逻辑控制系统，是一种新型的控制形式。它以由各类气动逻 辑元件组成的逻辑控制器为核心，通过逻辑运算得出逻辑控制信号输出。具有逻辑功能严密、制造成本低、寿命长、对气源净化和气压波动要求不高等优点。一般为全气控制系统，用于防爆场合更为合适各种形式的气动控制及其适用范围如表1-1所示。
此外，气动控制为了适应自动化设备的需求，正逐步在气动机器 人、气动测量机、气动试验机、气动分选机、气动综合生产线、装配线等方面得到广泛的应用。例如:采用气缸和控制系统作机床运动部件的平衡; 采用气动离合器制动器作机床制动、调速的控制; 采用无杆气缸、磁性气缸作机床防护门窗的开关; 使用微压 (0.03-0.O5MPa)气流做主轴部件气封，防止尘埃和切削液侵入主轴部件，保持主轴精度; 采用气动传感器，确认工件、刀具和运动部件的正确位置; 采用气动传感技术，实现在线自动测控，使自动化加工设备具备监控功能等等。
3、电气控制
电气控制是为整个生产设备和工艺过程服务的，它决定了生产设 备的实用性、先进性和自动化程度的高低。它通过执行预定的控制程序，使生产设备实现规定的动作和目标，以达到正确和安全的自动工作的目的。
电控系统除正确、可靠地控制机床动作外，应保证电控系统本身 处于正确的状态，一旦出现错误，电控系统应具有自诊断和保护功能，自动或提示操作者作相应的操作处理。
(1)电气控制的特点和主要内容 按照规定的循环程序进行顺序 动作是生产设备自动化的工作特点，电气控制系统的任务就是按照生产设备的生产工艺要求安排工作循环程序，控制执行元件，驱动各动力部件进行自动化加工。因此，电气控制系统应满足如下基本要求: ①最大限度地满足生产设备和工艺对电气控制线路的要求; ②保证控制线路的工作安全和可靠；③在满足生产工艺要求的前提下，控制线路力求经济、简单； ④应具有必要的保护环节，以确保设备的安全运行。电气控制系统主要构成有主电路、控制电路、控制程序和相关配件等部分。
(2)电气控制系统工作循环的表示方法 生产设备的工作循环是设 计电气控制系统循环程序的主要依据，一般有三种表示方法:
l) 工作循环图表示的工作循环 主要用于表示单台生产设备的工 作循环。图1-6所示为一台双工位组合机床的工作循环图。
2）工作循环周期表示的工作循环 对于动作复杂的自动线，很难用工作循环图表示清楚，一般采用工作循环周期表的方式表示工作过程。
3) 功能流程图表示的工作循环 功能流程图是一种专用于工业顺序控制程序设计的功能说明性语言，能清楚地表示控制系统的信息传递过程和输入、输出信号的逻辑关系。可以标明输入、输出信号，执行元件的名称、代号和在控制装置中的地址编码。功能图的基木构成元素是步、有向线段、转移和动作说明。图1-7是一个分别完成上料、钻孔和卸件工作的3工位旋转工作台的功能流程图。
(3)电气控制的操作方式 自动化生产设备具有多种工作方式，一 般用手动多路转换开关选择操作方式，在不同操作方式下，系统自动调用不同的工作程序。
1) 自动循环(或称" 连续循环") 在自动循环方式下，按下" 循环 开始“按钮，生产设备将按预定的循环动作一次又一次地连续运行，只有在按下" 预停" 按钮，该次循环结束后才会停止运行。
2) 半自动循环(或称" 单次循环") 在此操作方式下，每次工作循环 都必须按下" 循环开始" 按钮才能开始运行。在手动上下料和手动装夹工件时，这种方式是十分必要的。
3) 调整 在对生产设备进行调试或对设备的某个部分进行调整时， 都需要各动力部件能单独地作" 单步" 动作。常用的方法是对应于每一个动作都单设一个调整按钮，因而操纵台往往被大量的调整按钮占用。在采用PPLC 作为电控装置时，可用编码的方法减少调整按钮数量，同时也减少了占用PLC 输入端的数量。
4） 开工循环和收工循环 自动线有多个加工工位。如果在各工 位上都没有工件时，开始自动线的工作循环称为" 开工循吓" 。如果再无工件迸如自动线则自动线应开始" 收工循环" 。之所以设置" 开工循环" 和" 收工循环" 两种操作方式，是因为有些自动线的加工工位上不允许工件空缺。如在对工件在工位上放置情况进行气压密封性检查时，因工件空缺无法发出信号。
(4)电气控制的联锁要求 生产设备在运行中，各动力部件的动作
有着严格的相互关系，这主要是通过电气控制系统的联锁功能来加以保证的。按联锁信号电路中所起的作用，可以分为联锁、自锁、互锁、短时联锁、长时联锁等。其基本要求为:
1) 在机床起动后，液压泵电动机已起动信号是控制程序中必要的 长时联锁信号，任何时候液压泵电动机停转，控制程序都应立即停止执行。
2) 在滑台快迸、快退时，工件定位、夹紧信号应作为长时联锁信 号。
3) 在滑台工作进给时，工件定位、夹紧信号、主轴电动机已起动 信号、冷却泵润滑电动机己起动信号在工作进给的全过程中作为长时联锁信号。
4) 在输送带、移动工作台移动和回转工作台转动时，拔销、松开 信号、输送机构或工作台抬起信号、各动力部件处于原位的信号是长时联锁信号。
5) 在接通电动机正·反转的电路中及在控制滑台向前、向后的程 序中，应加入" 正一反" ，" 前一后" 互锁信号。
6) 监视液压系统压力的" 压力继电器" ，因压力的波动会出现瞬时 的抖动，因而在用" 压力继电器" 作为工件的夹紧信号时，应对信号作延时处理，或者只能作为短时联锁信号。在用" 压力继电器" 信号作为滑台死挡铁停留信号时，则应在滑台终端同时加上终点行程开关，只有在终点行程开关已压合的情况下，" 压力继电器" 信号才有效。
7) 在液压系统中使用带机械定位的二位三通电磁阀时，控制程序 中可使用短时联锁信号。如果因工艺要求该信号必须是长时联锁，即如果该联锁信号消失，动作应该停止，则可以在联锁信号消失时，拥该联锁信号的反相信号使二位三通阀复位，也可以起到长时联锁的作用。
8) 在拍动循环" 操作方式下，上次循环的" 加工完成" 信号是起动下 次循环的短时联锁信号。特别是在自动线的工作循环申，如果上一次工作循环没有完成，即没有" 加工完成" 信号，是不允许开始下次循环的。
9） 在多面组合机床中，在有刀具相撞的危险区，应加互锁信号， 各滑台应依次单独进入加工区，避免相撞。
10) 在具有主轴定位的锺削机床中，主轴已定位信号是滑台快迸和 快退的联锁信号，而在滑台工进时，要起动主轴旋转则必须有主轴定位已撤销的联锁信号。
以上是加工设备自动化程序设计中应考虑的一般联锁原则。必须 说明的是，因为加工设备的配置形式是多种多样的，电气控制程序的设计必须在充分了解机床工艺要求的基础上，按实际需要考虑联锁关系，不可一概而论，更不是联锁信号越多越好，重复的相不必要的联锁会增加故障概率，降低可靠性。
在多段结构的自动线控制程序中，还需特别注意段与段之间的连 接部件动作的联锁，以避免碰撞事故。
(5)常用的电气控制系统 从控制的方式来看，电气控制系统可以 分为程序控制和数字控制两大类。常见的电气控制系统主要有以下4种:
1) 固定接线控制系统 各种电器元件和电子器件采用导线和印制 电路板连接，实现规定的某种逻辑关系并完成逻辑判断和控制的电控装置，称为固定接线控制系统。在这种系统中，任何逻辑关系和程序的修改都要用重新接线或对印制电路板重新布线的方法解决，因而，修改程序较为困难，主要用于小型简单的控制系统。这类系统按所用元器件分为以下两种类型:
① 继电器一接触器控制系统 是由各种中间继电器、接触器、时间 继电器、计数继电器等组成的控制装置。由于其价格低廉和易于掌握，在十几个继电器以下的系统中仍普遍采用。
此外，在己被广泛使用的PLC 和各种计算机控制系统中，由继电器、 接触器组成的控制电路也是不可少的。一个可靠的电控系统必须考虑到当PLC 和计算机失灵时仍能保护机床设备和人身的安全。因此在总停、故障处理和防护系统中，仍然采用继电器一接触器电路。
② 固体电子电路系统 是指由各类电子芯片或半导体逻辑元件组 成的电控装置，由于其无接触触点和无机械动作部件，其寿命和可靠性均高于继电器一接触器系统，而价格同样低廉，所以在小型的程序无需改变的系统中仍有应用，或者在系统的部件控制环节上应用。
2) 可编程序控制系统 可编程序控制器（PLC) 是由以微处理器为
核心，利用计算机技术组成的通用电控装置，一般具有开关量和模拟量输入/输出、逻辑运算、四则算术运算、记时、计数、比较、通信等功能。因为是通用装置，是在具有完善的质量保证体系的工厂申批量生产，因而具有可靠性高、功能配置灵活、调试周期短、性能价格比高等优点。P 忧与计算机和固体电子电路控制系统最大的不同之处还在于FLC 备有编程器，通过编程器可以利用人们熟悉的传统方法(如梯形图) 编制程序，简单易学。另外，通过编程器可以在现场很方便地更改程序，大大缩短了调试时间。因此，在组合机床和自动线上大都己采用PLC 系统。
3) 带有数控功能的PLC 将数控模块插人PLC 母线底板或以电缆外 接于PLC 总线，与PLC 的CPU 进行通信，这些数字模块自备微处理器，并在模块的内存中存储工件程序，可以在PLC 系统中独立工作，自动完成程序指定的操作。一般这种数控模块可以控制1-3轴，有的还具有2轴或3轴的插补功能。
3) 分布式数控系统(DNC) 对于复杂的数控组合机床自动线，分布 式数控系统是最合适的系统。分布式数控系统是将单轴数控系统(有时也有少量的2轴、3轴数控系统) 作为控制基层设备级的基本单元，与主控系统和中央控制系统进行总线连接或点对点连接，以通信的方式进行分时控制的一种系统。
4、计算机控制
计算机在机械制造中的应用已成为机械制造自动化发展中的一个 主要方向，而且在生产设备的控制自动化方面起着越来越重要的作用。
1）普通数控机床的控制
普通数控机床(NC)，包括单一用途的车床、钻床、铣床、锺床、 磨床等。它们是采用专用的计算机或称" 数控装置" ，以数码的形式编制加工程序，控制机床各运动部件的动作顺序、速度、位移量及各种辅助功能，以实现机床加工过程的自动化。
2）加工中心的控制
加工中心(MC)是一种结构复杂的数控机床，能自动地进行多种加 工，如铣削、钻孔、镗孔、锪平面、铰孔、攻螺纹等。工件在一次装夹中，能完成除工件基面以外的其余各面的加工。它的刀库中可装几种到上百种刀具，以供选择，并由自动换刀装置实现自动换刀。可以说，加工中心实质就是能够自动进行换刀的数控机床。加工中心目前多数都采用小型计算机进行控制。加工中心能够实现对同族零件的自动加工，变换品种方便。然而，由于加工中心投资较大，所以要求机床必须具有很高的利用率。
3）计算机数控
计算机数控 (CNC) 与普通数控的区别，是在数控装置部分引入了 一台小型通用计算机。它具有功能适应性强、工艺过程控制系统和管理信息系统能密切配合、操作方便等优点。然而，这种控制系统只是在出现了价格便宜的微型机以后，才得到较快的发展。
4）计算机群控
计算机群控系统是由一台计算机和一组数控机床组成，以满足各 台机床共享数据的需要。它和计算机数控系统的区别是用一台较大型的计算机来代替专用的小型机，并按分时方式控制多台机床。图1-8所示为一个计算机群控系统，它包括一台中心计算机、给各台数控机床传送零件加工程序的缓冲存储器以及数控机床等部分。
中心计算机要完成三项有关群控功能:①从缓冲存储器中取出数控 指令; ②将信息按照机床进行分类，然后再去控制计算机和机床之间的双向信息流，使机床一旦要求数控指令时便能立即予以满足，否则，在工件被加工表面上会留下明显的停刀痕迹。这种控制信息流的功能称为通道控制; ③中心计算机还处理机床反馈信息，供管理信息系统使用。
(1)间接式群控系统 间接式群控系统又称纸带输入机旁路式系 统，它是用数字通信传输线路将数控系统和群控计算机直接连接起来，并将纸带输入机取掉(旁路) 。图1-9所示为间接式群控系统示意图，图中只绘出一台机床。
可以看出，这种系统只是取代了普通数控系统中纸带输入机这部
分功能，数控装置硬件线路的功能仍然没有被计算机软件所取代，
所有分析、逻辑和插补功能，还是由数控装置硬件线路来完成。
(2)直接式群控系统 直接式群控(DNC)系统比间接式群控系统 又向前发展了一步，由计算机代替硬件存数控装置的部分或全部功能。根据控制的方式又可分为器单机控制式、串联式和柔性式三种基本类型。
在这种系统中，几台乃至几十台数控机床或其他数控设备，接受 从远处中中心计算机(或计算机系统) 的磁盘或磁带上检索出来的遥控指令，这些指令是通过传输线以联机、实时、分时的方式送到机床控制器(MCU)，数控系统实现对机床的控制。数控机床
直接群控系统的优点有:①加工系统可以扩大; ②零件编程容易; ③ 所有必需的数据信息可存储在外存储图1-9间接式群控系统器内，根据需要可随时调用; ④容易收集与生产量、生产时间、生产进度、成本、刀具耐用度等有关的数据; ⑤对操作人员技术水平要求不高; ⑥生产效率高，可按计划迸行工作。
这种系统投资较大，在经济效益方面应加以考虑。另外，如果中 心计算机一且发生故障，会使直接群控系统全部停机，这会造成重大损失。
5）适应控制
在实际工作中，大多数控制系统的动态特性不是恒定的。这是因 为各种控制元件，随着使用时间的增加而在老化，工作环境也在不断变化，元件参数也在变化，致使控制系统的动态特性也发生变化。虽然在反馈控制中，系统的微小变化对动态特性的影响可以被减弱，然而，当系统的参数和环境变化比较显著时，一般的反馈控制系统也不能保持最佳使用性能。这时只有采用适应能力较强的控制系统，才能满足这一要求。
所谓适应能力，就是系统本身能够随着环境条件或结构的不可预 计的变化，自行调整或修改系统的参量。这种本身具有适应能力的控制系统，称为适应控制系统。
在适应控制系统中，必须能随时识别动态特性，以便调整控制器 参数，从而获得最佳性能。这点具有很大吸引力，因为适应控制系统除了能适应环境变化以外，还能够适应通常工程设计误差或参数的变化，并且对系统中较次要元件的破坏，也能进行补偿，因而增加了整个系统的可靠性。
例如在数控机床上，刀具轨迹、切削条件、加工顺序等都由穿孔 带或计算机命令进行恒定控制，这些命令是一套固定的指令，即使刀
具不断磨损、切削力和功率已增加，或因各种原因使实际加工情况发生了改变，但这一套指令是不容易修改的。因此，在制备程序时，编程人员必须计算出能适应最坏情况的一套" 安全" 加工指令。
采用适应控制技术，能迅速地调节和修正切削加工中的控制参数 (切削条件) ，以适应实际加工情况的变化，这样才能使某一效果指标，例如生产率、生产成本等始终保持最优。
图1-10所示为切削加工适应控制系统的原理图。适应控制的效果 主要取决于机床上所用的传感器，在机床工作期间，传感器要经常检测动态工作情况，如切削力、主轴扭矩、电动机负荷、刀具变形、机床和刀具的振动、工件加工精度、加工表面的粗糙度、切削温度、机床热变形等。刀具磨损和刀具耐用度在实际加工中很难测量，因此可通过上述测量间接地加以估算。这些可以作为对适应控制系统的输入，再经过实时处理，便可确定下一瞬间的最优切削条件，并通过控制装置仔细地调整主轴转速、进给速度或滑板移动速度，便可实现切削加工的实时优化。
利用适应控制系统，能够保护刀具，防止刀具受力过大，从而提 高了刀具的耐用度，也就能保证加工质量。另外，还能简化编程中确定主轴转速和进给速度的工作，这样就能提高生产率。
第四节 发展及趋势
一、 自动化发展历程
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，工匠们能以木材或其它硬性材料生产出较复杂的圆形产品。直到 14 世纪，才发明了第一个原型的精密机器。德多迪 · 乔万尼（ Giovannil DeDondi , 1318--1389）提出了机械重量驱动的时钟，推动了第一台真正的工具机（如螺纹加工机床）的发展若；自18世纪中叶瓦特发明燕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，纯机械控制随着电液控制的刚性自动化加工单机和系统得到长足发展。如 1870 年美国发明了自动制造螺丝的机器，继而于 1895 年发明多轴自动车床，它们都属于典型的单机自动化系统，都是采用纯机械方式控制的。1924 年
第一条采用流水作业的机械加工自动线在英国的 Morris 汽车公司出现， 1935 年原苏联研制成功第一条汽车发动机气缸体加工自动线。这两条自动线的出现使得自动化制造技术由单机自动化转向更高级形式的自动化系统。在第二次世界大战前后，位于美国底特律的福特汽车公司大量采用自动化生产线，使汽车生产的生产率成倍提高，汽车的成本大幅度降低，汽车的质量也得到明显改善。随后，西方其它工业化国家、前苏联以及日本都开始广泛采用制造自动化技术和系统，使这种形式的制造自动化系统得到迅速的普及，其技术也日趋完善，它在生产实践中的应用也达到高峰。尽管这种形式的制造自动化系统仅适合于像汽车这样的大批量生产，但它对人类社会的发展却起到了巨大的推动作用。值得注意的是，在此期间，前苏联于 1946 年提出成组生产工艺的思想，它对制造自动化系统的发展具有极其重要的意义。一直到目前，成组技术仍然是制造自动化系统赖以生存和发展的主要技术基础之一。
第二阶段：从 1952 年到 1965 年，数控技术（ Numerical Control --NC ) ，特别是单机数控得到飞速发展。数控技术的出现是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，几乎是目前经济性实现小批量生产自动化的唯一实用技术。第一台数控机床于 1952 年在美国的麻省理工学院研制成功，它一出现，立即得到人们的普遍重视，从 1956 年开始就逐渐在中、小批量生产中得到使用。 1953 年，麻省理工学院又研制成功著名的数控加工自动编程语言（ Automaticallv Programmed Tools--APT ) ，为数控加
工技术的发展奠定了基础。 1958 年，第一台具有自动换刀装置和刀库的数控机床即加工中心（ MC ）在美国研制成功，进一步提高了数控机床的自动化程度。第一台工业机器人（ Industrial Robot ）于 1959 年出现于美国。最早的工业机器人是极坐标式的，它的出现对制造自动化技术具有很大意义。工业机器人不但是制造自动化系统中必不可少的自动化设备，它本身也可单独工作，自动进行装配、焊接、喷涂、热处理、清砂、浇注铸件等工作。 1960 年，美国研制成功自适应控制机床（ Adaptive Control Machine Tools ) ，使机床具有了一定的智能色彩，可以有效提高加工质量。 1961 年在美国出现计算机控制的碳电阻制造自动化系统，可以称为计算机辅助制造（ Computer Aided Manufacturing--CAM ）的雏形。 1962 年和 1963 年又相继在美国出现了圆柱坐标式工业机器人和计算机辅助设计及绘图系统（ Computer Aided Design —CAD ），后者为自动化设计以及设计与制造的集成奠定了基础、1965 年出现的计算机数控机床
（Computerized Numerical Control --CNC ）具有很重要的意义，因为它的出现为实现更高级别的制造自动化系统扫清了技术障碍。
第三个阶段：从 1 96 7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胜制造自动化系统得到飞速发展的时期。 1967 年英国的 M 成沦几公司研制成劝封算机控制 6 台数控机床的可变制造系统，这个系统被称为最早的柔性制造系统子它的出现成功地解决了多品种、小批量复杂零件生产的自动化及降低成本和提高效率的问题。同一年，美国的 Sundstand 公司和日本国铁大宫工厂也相继研制成功计算机控制的数控系统。 1969 年日本研制出按成组加工原则的IKEGAII 可变加工系统， 1969 年美国又研制出工业机器人操作的焊接自动线。随着工业机器人技术和数控技术的发展和成熟。 70 年代初出现了小型制造自动化系统即柔性制造单元。柔性制造单元和柔性制造系统到目前仍是制造自动化的最高级型式，即自动化程序最高并且实用的系统。 1980年日本建成面向多品种小批量生产的无人化机械制造厂--富士工厂。从毛坯及外构件入库、搬运、加工、成品入库等除装配以外的其它工序均实现完全自动化。 20世纪80年代初期还搞了一个由机器人进行装配的全自动化电机制造厂加分个规模琵大的利用激光加工的综合柔性制造系统。需要指出的是，位种无人自动化工厂的努力却是不成劝的，原因并不在技术，而主要在于它的经济性太差，并忽视了人在制造系统中的核心作用。
第四个阶段：从 80 年代至今，制造自动化系统的主要发展是计
算机集成台造系统（ CIMS ) ，并被认为是 21 世纪制造业新模式。 CIMS 是由美国大约瑟夫哈林顿于1974 年提出的概念，其基本思想是借助于计算机技术、现代系统管理技术、现代制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术，将制造过程中有关的人、技术和经营管理三要素有机集成，通过信息共享以及信息流与物质流的有机集成实现系统的优化运行。所以说， CIMS 技术是集管理技术、质量探证和制造自动化为一体的广义制造自动化系统。我国第一条机械加工自动线于 1956 年投入使用，是用来加工汽车发动机汽缸体端面孔的组合机床自动线。第一条加工环套类零件的自动线是1959 年建成的加工轴承内外环的自动线。第一条加工轴类零件的自动线是 1969 年建成的加生电机转子轴的自动线。 1964 年以后不到 10 年时间，我国机床行业就为第二汽车制造厂（即现在的东风汽车集团公司）提供了57条自动线和8000多台自动化设备，表明我国提供制造自动化系统的能力有了很大的发展。我国数控机床以 1958 年研制成功的数控立铣为开端， 1973 年起集中力量研制数控机床、加工中心及计算机数控机床。到1958 年底，我国生产的数控机床的品种已达50余种，并远销国外。应该看到，我国数控机床虽然有了长足的发展，担存在着技术水平
低、性能不稳定等问题，远远不能满国内用户的需求。因此国家每年还要花费大量的外汇进口数控系统和数控机床。我国于1984年研制成功两个柔性制造单元，第一个柔性制造系统于 1986 年投入运行，用于加工司服电机零件。 1987 年以后，陆续从国外引进 10 余套柔性制造系统，也自行研制了我们自己的 FMS 。在这些 FMS 中，有些应用得很好，充分发挥了它的效益，而有些系统却利用率不高，造成资源的极大浪费。我国工业机器人的研究始于 70 年代初，自从 1986 年国家执行 863 高科技发展计划将机器人列为自动化领域的一个主题后，我国机器人技术得到很快的发展，已研制成功喷漆、焊接、搬运、能前后左右步行、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型的机器人。自从 1986 年 863 计划起作为自动化领域的两个主题之一， CIMS 在我国的研究和推广应用得到极快的发展。单元应用技术也取得一批研究和应用成果，有些实施 CIMS 的企业也取得一些经济及社会效益。到目前，我国已在清华大学建成国家 CIMS 工程研究中心 ERC ，在一些著名大学和研究单位建立了 7 个 CIMS 单元技术实验室和 8个CIMS 培训中心，在国家立项实施 CIMS 的企业已达 70 余家。 1994 年清华大学荣获美国制造工程师协会 SME 颁发的 CIMS 研究“大学领先奖”。 1995 年北京第一机床厂荣获 SME 的“工业领先奖”。上述成果的取得使得我国在像 CIMS 这样高水平的制造自动化系统的研究和应用方面积累了一定的经验。
二、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，这些要求也同时代表了机械制造自动化今后的发展趋势。
1 、高度智能集成性
随着计算机集成制造技术和人工智能技术在制造系统中的广泛应用，带有智能已成为制造自动化系统的主要特征之一。智能集成化制造系统可以根据外部环境的变化自动地调整自身的运行参数，使自己始终处于最佳运行状态，称为系统具有自律能力。智能集成制造系统还具有自决策能力，能够最大限度地自行解决系统运行过程中所遇到的各种问题。由于有了智能，系统就可以自动监视本身的运动状态，发现故障自动给予排除。如发现故障正在形成，则采取措施防止故障的发展。智能集成化制造系统还应与 CIMS 的其它分系统共同集成为一个有机的整体，以实现信息资源的共享。它的集成性不仅仅体现在信息的集成上，它还包括另一个层次的集成，即人和技术之间的集成，实现人机功能的合理分配，并能够充分发挥人的主观能动性。带有智能的制造系统还可以在最佳加工方法和加工参数选择、加工路线的最佳化和智能加工质量控制等方面发挥重要作用。总之，智能集成化制造系统具有自适应能力、自学习能力、自修复能力、自组织能力和自我优化能力。因而，这种具有智能的集成化制造系统将是制造自动化系统的主要发展趋势之一。但由于受到人工智能技
术发展的限制，智能集成型制造自动化系统的实现将是个缓慢的过程。
2 ．人机结合的适度自动化
传统的制造自动化系统往往过分强调完全自动化，对如何发挥人的主导作用考虑甚少。但在先进生产模式下的制造自动化系统却并不过分强调它的自动化水平，而强调的是人机功能的合理分配，强调充分发挥人的主观能动性。因此，先进生产模式下的制造自动化系统是人机结合的适度自动化系统。这种系统的成本不高，但运行可靠性却很高，系统的结构也比较简单。它的主要缺陷是人的情绪波动会影响系统的运行质量。在先进生产模式下特别是智能制造系统中，计算机可以取代人的一部分思维、推理及决策活动，但绝不是全部。在这种系统中，起主导作用的仍然是人，因为无论计算机如何“聪明”，它的智能将永远无法与人的智能相提并论。
3. 强调系统的柔性和敏捷性
传统的制造自动化系统的应用场合往往是大批量生产环境，这种环境不特别强调系统具有柔性。但先进生产模式下的制造自动化系统面对的却是多品种、小批量生产环境和不可预测的市场需求，这就要求系统具有比较大的柔性，能够满足产品快速更换的要求。实现制造自动化系统柔性的主要手段是采用成组技术和计算机控制的、模块化的数控设备。但这里所说的柔性与传统意义上的柔性却不同，我们称之为敏捷性。传统意义上的柔性制造系统仅能在一定范围内具有柔性，而且系统的柔性范围是在系统设计时就预先确定了的，超出这个范围时系统就无能为力。但先进生产模式下的制造自动化系统面对的是无法预测的外部环境，无法在规划系统时预先设定系统的有效范围。但由于系统具有智能且采用了多种新技术（如模块化技术和标准化技术），因此不管外部环境如何变化，系统都可以通过改变自身的结构与之适应。智能制造系统的这种“敏捷性”比“柔性”具有更广泛的适应性。
4 、功能扩展化
理论上，完整的制造自动化系统应包括毛坯的制备、物料的存储、运输、加工、辅助处理、零件检验、装配、部件及成品测试、油漆和包装等内容，并将它们集成为一个有机的整体。但目前的制造自动化主要是面向零件加工的，其它内容则涉及较少。未来的制造自动化系统应逐步向前扩展到毛坯的自动制备，向后
扩展到自动装配、自动测试及自动包装等。
5、小型化
小型化的制造自动化系统结构相对简单，可靠性较高，容易使用和管理，寿命周期成本也较低，投资小、见效快，并且一般情况下均能满足使用要求。所以，将来的用户将会更加钟情于小型化的制造自动化系统，如 DNC 和 FMC 。
6、简单化
在满足使用要求的条件下，制造自动化的结构将会愈来愈
简单，冗余功能、极少用到的功能以及由人来实现极其简单，但由系统自动实现十分复杂的功能将会愈来愈少。结构简单可以 带来寿命周期成本低、可靠性高、容易使用和管理的优点，还可以减少对熟练工人的需求。可以认为，简单化将是制造自动化系统的一个主要发展方向。
7、环保化
可持续发展问题是目前人类社会最迫切需要解决的问题之一，资源和环境是可持续发展的两个主要问题匕制造系统作为能源和资源消耗以及环境污染的“大户＂，应该首先实施可持续发展战略。因此，在系统的规划及运行过程中，应将资源和能源的优化利用以及环境保护作为主要目标之一进行控制。
复习思考题
l- l什么是机械化和自动化？
1 -2机械制造自动化的主要内容有哪些？
l -3机械制造自动化的作用是什么？
1-4自动化系统由哪几部分组成？
1-5机械制造自动化的类型与特点是什么？
1-6试述机械制造自动化的主要发展趋势。