1、第四章 制造自动化技术4.1 制造自动化技术概述4.2 机床数控技术4.3 工业机器人4.4 柔性制造技术第一节 制造自动化技术概述 4.1.1 制造自动化技术内涵 4.1.2 制造自动化技术的发展及现状 4.1.3 制造自动化技术发展趋势自动化：自动去完成特定的作业。制造自动化（狭义）：生产车间内产品机械加工和装配检验过程的自动化；制造自动化（广义）：包含产品设计、企业管理、加工过程和质量控制等产品制造全过程综合集成自动化。制造自动化意义：显著提高劳动生产率、提高产品质量、降低制造成本、提高经济效益，改善劳动条件、提高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的发展、提高企业的市场竞争能力。
2、4.1.1 制造自动化技术内涵刚性自动化 设备-自动/半自动机床、组合机床、组合机床自动线；对象-单一品种大批量生产自动化；特点-生产效率高、加工品种单一。柔性自动化 设备-NC、CNC、FMC、FMS等。对象-多品种小批量甚至单件生产自动化；综合自动化 经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化，CIMS、CE、LP、AM等。4.1.2 制造自动化技术的发展及现状当前制造自动化技术研究领域和方向当前制造自动化技术研究领域和方向 集成技术和系统技术研究 自动化系统中人因作用的研究 数控单元系统的研究 制造过程的计划和调度研究 柔性制造技术的研究 现代生产模式制造环境的研究 底层加工系统的智能
3、化和集成化研究 制造敏捷化 使企业面临市场竞争作出快速响应；制造网络化 实现制造过程的集成，实现异地制造、远程协调作业；制造虚拟化 保证产品和制造过程一次成功，发现设计与生产中可避免的缺陷和错误；制造智能化 扩大、延伸、部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现优化的制造过程。制造全球化 市场国际化，产品制造跨国化，制造资源跨国家的协调、共享和优化利用；制造绿色化 使产品从设计、制造、使用到报废处理全生命周期中，对环境影响最小，资源利用率最高。4.1.3 制造自动化技术发展趋势第二节 机床数控技术 4.2.1 机床数控系统 4.2.2 机床伺服系统 4.2.3 数控加工编程技术 4.2.4
4、 机床数控技术发展趋势数控技术的发展数控技术的发展硬件数控阶段NC(1952-1970)第一代：电子管；第二代：晶体管；第三代：小规模集成电路；计算机数控阶段CNC（1970-现在)第四代：小型计算机；第五代：微处理器；第六代：PC微机(PCNC)4.2.1 机床数控系统机床数控系统的组成及功能机床数控系统的组成及功能CNCCNC系统组成：系统组成：数控装置、PLC、伺服驱动装置、I/O接口、控制面板、人机界面数控装置功能：数控装置功能：控制功能-单轴、多轴联动控制；准备功能-包括移动、暂停、坐标设定、固定循环等功能；插补功能-直线插补、圆弧插补、抛物线等；辅助功能-主轴启停、冷却润滑通断、刀
5、库的启停等；补偿功能-刀具半径/刀具、反向间隙、螺距、温度等补偿功能。PLC功能：控制面板、主轴停启与换向、刀具更换、冷却润滑启停、工件夹紧与松开、工作台分度等开关量的控制。CNC数控系统组成原理数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构单CPU结构 通过总线使CPU与存储器和各种接口相连接，集中控制、分时处理工作方式。多CPU结构 多个CPU通过公用地址和数据总线互连，各自完成功能，系统速度高、处理能力强。PC微机CNC系统 具有微机丰富的软硬件资源、友好的人机界面、拥有多媒体和网络功能，是当前数控系统的发展方向。基于PC微机和PMAC的CNC系统结构数控系统的软件组成数控系统的软件组成开放式数控
6、系统开放式数控系统开放性：满足CNC系统快速发展和用户自主开发需要PC微机型开放式CNC系统形式：专用数控嵌入PC主板 是专用数控系统商提供的形式，仅限于PC部分开放，其专用数控部分仍处于封闭状态。PC机+运动控制卡 提供底层数控接口，支持二次开发和扩展，有上下两级开放性，如PMAC运动控制器。纯PC软件型 尚未形成商品，代表数控系统发展方向。组成：位置控制单元、速度控制单元、伺服电机、检测反馈单元4部分组成。分类：按检测系统分 开环系统、闭环系统、半闭环系统、混合闭环系统。按有控制电机分 步进伺服、直流伺服、交流伺服。4.2.2 机床伺服系统半闭环伺服系统松下交流伺服系统的总体接线图1-交流
7、伺服电机2-伺服驱动器3-控制系统4-控制连接电缆5-检测连接电缆6-动力电缆7-PLC电缆8-PLC交流伺服电机：异步电动机 功率大、精度稍低、多用于主轴电机；永磁同步电动机 精度要求高、价格贵，多用于容量 小的进给伺服电机。交流伺服驱动器：模拟式 工作速度快，系统频率宽，体积大、器件多、不易调试；数字式 控制方式改变仅需改变软件，柔性好，结构紧凑，重复性好。检测元件：旋转变压器、脉冲编码器等。数控加工手工编程一般步骤数控加工手工编程一般步骤4.2.3 数控加工编程技术工艺分析数值计算NC程序编制输入NC程序首件试切修改零件图手工编制不足：效率低、复杂零件手工编程困难，周期长，错误率高。计算
8、机辅助数控编程计算机辅助数控编程数控系统性能方面数控系统性能方面高速高精高效化 进给速度80-120m/min，加速度1-2g，主轴dn=(1-3)*106，换刀小于1s；加工精度0.1m，甚至0.01m。柔性化 功能覆盖面大，便于不同用户的需求；物料流和信息流自动动态调整。工艺复合化和多轴化 如FANUC15可控轴数和联动轴数均达到24轴。实时智能化 配置编程专家系统、故障诊断专家系统，实现自适应控制和模糊控制。4.2.4 机床数控技术发展趋势数控系统功能方面数控系统功能方面用户界面图形化 方便了用户，便于编程和图形模拟；科学计算可视化 可视化技术可用于自动编程、参数自动设定、刀具补偿和管理
9、、加工过程仿真演示；插补和补偿方式多样化 插补：直线、圆弧、椭圆、螺纹、NURBS、多项式插补；补偿：反向间隙、垂直度、螺距、温度补偿等；内置高性能PLC 可用梯形图或高级语言编程，具有在线调试和在线帮助功能；多媒体技术应用 在实时监控和故障诊断、生产过程监测方面有重大应用价值。体系结构的发展体系结构的发展集成化 高度集成化芯片，提高数控系统集成度；模块化 通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统；网络化 可进行远程控制，在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、控制；开放式闭环控制模式 易于将计算机智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、动态数
10、据管理、动态仿真等技术融于一体，构成制造过程闭环控制体系。第三节 工业机器人4.3.1 工业机器人的组成与分类4.3.2 工业机器人的控制技术4.3.3 工业机器人的编程技术4.3.4 工业机器人半个世纪发展 的回顾与展望4.3.1 工业机器人的组成与分类工业机器人的结构组成 工业机器人的组成工业机器人的组成 执行机构手部：用于抓取对象，有夹持式、吸附式等不同结构腕部：联接手部和手臂部件，用以调整手部姿态和方位臂部：承载负荷，改变空间位置机身：支撑臂部部件，扩大臂部活动和作业范围机座及行走机构：机器人基础件，确定或改变 机器人位置 控制系统 控制机器人按给定的程序动作，记忆 示教指令，再现示教
11、信息。驱动系统 驱动执行机构完成规定作业。位置检测装置 检测运动位置和工作状态。工业机器人的分类工业机器人的分类-按系统功能分类专用机器人 以固定程序工作机器人，结构简单、无独立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。通用机器人 可完成多种作业，结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强。示教再现式机器人 在示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件重现示教作业。智能机器人 具有视觉、听觉、触觉功能，通过比较和识别,作出决策和规划，完成预定的动作。工业机器人的分类工业机器人的分类-按驱动方式分类气压传动机器人 以压缩空气作为动力源，高速轻载；液压传动机器人 采用液压驱动，负载能力强、传动平稳、结构紧
12、凑、动作灵敏；电气传动机器人 交直流伺服电机驱动，结构简单、响应快、精度高。工业机器人的分类工业机器人的分类-按结构形式分直角坐标机器人 有三个正交平移坐标轴,各个坐标轴 运动独立（图a）；圆柱坐标机器人 有一个旋转轴和两个平移轴（图b）；关节机器人 类似人手臂，由各关节组成，可实现三个方 向旋转运动（图c）；球坐标机器人 有两个旋转轴和一个平移轴（图d）。工业机器人的性能指标工业机器人的性能指标自由度 独立运动数，自由度数越高，完成的动作越复 杂，通用性越强，应用范围也越广。工作空间 机器人进行工作的空间范围。提取重力 微型机器人，提取重力 10N以下；小型机器人，提取重力 10-50N；中
13、型机器人，提取重力 50-300N；大型机器人，提取重力 300-500N；重型机器人，提取重力 500N以上。运动速度 运动速度影响工作效率，与所提取的重力和 位置精度有关。位置精度 机器人定位精度一般在0.02-5mm范围。机器人的工作空间a)圆柱坐标机器人 b)球坐标机器人 c)关节机器人4.3.2 工业机器人的控制技术工业机器人控制系统的组成框图工业机器人控制系统的分类工业机器人控制系统的分类按控制回路：开环系统和闭环系统按控制硬件：机械控制、液压控制、顺序控制和计算机控制按自动化程度：顺序控制、程序控制、自适应控制、智能控制按编程方式：物理设置编程-由设置固定限位开关，实现启动/停机
14、操作 示教编程-示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程 离线编程-通过机器人语言进行编程控制按控制轨迹：点位控制-不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标 精确控制 轮廓控制-没有插补器，按离散点坐标及速度完成轮廓控制工业机器人的位置伺服控制工业机器人的位置伺服控制位置伺服控制类型：关节伺服控制-以每个关节作为单输入/单输出系统；坐标伺服控制-以手臂末端位置矢量作为控制目标值。刚性臂控制系统的构成关节伺服控制关节伺服控制 关节伺服控制的构成qdi:各关节位移指令目标值qi,qi:各关节位置和速度反馈信号工业机器人的自适应控制工业机器人的自适应控制模型参考自适应控制自校正适应控制系统示教编程示
15、教编程示教阶段:拨动示教盒按钮或手握机器人手臂，使之按需要 姿势和路线进行工作，示教信息存储在记忆装置中。工作再现:从记忆装置调用存储信息，再现示教阶段动作。点位控制示教：逐一使每个轴达到需要编程点位置。轮廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通过所给路线。特点：通过示教直接产生控制程序，无须手工编程，简单 方便，适用于大批量生产。不足：轨迹精确度不高，需要存储容量大。4.3.3 工业机器人的编程技术示教再现式控制系统工作原理机器人示教臂离线编程离线编程HOLPSS离线编程与仿真系统总体结构框图机器人编程语言机器人编程语言动作级语言 每一个命令对应一个动作，语句格式为：MOVE TO 语句简单，易
16、于编程；不能进行复杂计算，通信能力差，代表性语言：VAL。对象级语言 有与动作语言类似功能，能处理传感器信息；通信和数字运算功能强，代表性语言有AML、AUTOPASS。任务级语言 操作者直接下命令，不需要规定机器人每个动作细节，自动推理规划，自动生成机器人的动作。工业机器人发展回顾工业机器人发展回顾50年代-萌芽期 58年第一台工业机器人在美国问世。60年代-黎明期 推出圆柱坐标、球坐标机器人，日本引进美国机器人技术。70年代-实用化期 计算机控制机器人、关节型机器人问世，推出VAL编程语言、视觉力觉传感器；72年中国第一台机器人诞生；70年代末全世界拥有万台以上机器人；日本成为机器人王国。
17、80年代-普及期 80年代末机器人总数已达45万台。90年代-扩展渗透期 具有感觉机器人实用化，智能机器人相继出现并开始走向应用；1997年底，机器人总量达95万台。4.3.4 工业机器人发展回顾与展望工业机器人发展展望工业机器人发展展望执行机构 具有柔性感、灵巧性手爪和手臂；驱动机构 采用形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴等新型驱动器；移动技术 步行、爬行，由4足、6足、8足或更多足组成；微型机器人 毫米级、纳米级机器人，微小位置姿态控制；微型电池；微小生物运动机构等；多传感器集成与融合技术 视觉、触觉、嗅觉、味觉及其综合；新型智能技术 模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等；仿生机
18、构 模仿生物体构造、移动模式、运动机理、能量分配等，人工肌肉、蛇形移动机构、仿象鼻柔性臂、人造关节。第四节 柔性制造技术4.4.1 柔性制造系统基本概念4.4.2 FMS的加工系统4.4.3 FMS的工件运储系统4.4.4 FMS的刀具运储系统4.4.5 FMS的控制与管理系统FMS定义和组成定义和组成定义：由两台以上加工设备、物料运储和控制系统组成，通过改变软件程序适应多品种、中小批量生产自动化制造系统。组成：加工系统-CNC、MC、FMC机床及测量机、清洗机、动平衡机；工件运储系统-包括工件装卸站、自动化仓库、自动化运输小车、机器人、托盘缓冲站、托盘交换装置等；刀具运储系统-包括刀具预调站
19、、刀具装卸站、中央刀库、机床刀库、刀具输送与交换装置等；控制系统-对FMS进行计划调度、运行控制、物料管理、系统监控和网络通信等；其他-冷却、润滑、排屑、清洗、去毛刺等附属设备。4.4.1 柔性制造系统基本概念FMS基本组成典型的柔性制造系统 柔性高，适应多品种中小批量生产；系统内的机床在工艺能力上是相互补充或相互替代的；可混流加工不同的零件；系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；递阶结构的计算机控制，可以上层计算机联网通信；可进行第三班无人值守生产。FMSFMS的特点的特点不同类型的柔性制造设备不同类型的柔性制造设备 柔性制造模块（FMM）相当于功能齐全的加工中心；柔性制造单元（FMC）小
20、型FMS，由1-2台机床组成，自动更换刀具，自动上下工件；柔性制造系统（FMS）控制与管理功能比FMC强，管理通信要求高；柔性制造生产线（FML）数控组合机床设备，专用性强、生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用FMS。柔性制造工厂（FMF）全企业范围生产管理、设计开发、加工制造和物料运储全盘自动化。柔性制造单元1-加工中心机床2-托盘3-托盘站4-环形工作台5-工件交换台不同类型柔性设备的适用范围 加工系统的功能与要求加工系统的功能与要求 工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数；控制功能强、扩展性好；高刚度、高精度、高速度；自保护与自维护性好；使用经济性好；对环境的适
21、应性与保护性好。4.4.2 FMS的加工系统加工系统常用配置形式加工系统常用配置形式 棱体类零件：立式、卧式或立卧两用加工中心；回转体零件：数控车床或车削加工中心机床。配置形式：互替式-是并联配置，各机床功能可互相代替，具有 好的工艺柔性和较宽的工艺范围。互补式-是串联配置，功能互相补充，各自完成特定的加工任务，生产率高，降低了可靠性。混合式-互替式与互补式结合。卧式加工中心1-主轴头 2-刀库 3-刀库 4-立柱底座 5-回转工作台、6-工作台底座车削加工中心1-刀库 2-回转刀架 3-换刀机械手 4-上下工件机器人 5-工件存储站a)互替式 b)互补式 c)混合式FMS机床配置形式加工系统
22、的辅助装置加工系统的辅助装置 机床夹具 组合夹具：利用标准化夹具零部件快速拼装所需夹具；柔性夹具：一部夹具能为多个加工对象服务。托盘（Pallet）承载工件和夹具完成加工任务，是各加工单元间的硬件接口。自动上下料装置 托盘交换器：联接加工系统和物料运储系统桥梁；工业机器人：具有较大的柔性度。组合夹具柔性夹具ISO标准规定的托盘基本形状1-托盘导向面2-侧面定位面3-安装螺孔4-工件安装面5-中心孔6-托盘搁置面7底面8-工件固定孔9-托盘夹紧面10-托盘定位面回转式托盘交换器往复式托盘交换器 4.4.3 FMS的工件运储系统 工件装卸站 设在FMS入口，由人工完成装卸；托盘缓冲站 工件中间存储
23、站，起缓冲物料作用；自动化仓库 多层立体布局结构，由计算机控制，服从FMS命令和调度；物料运载装置 负责在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间物料搬运作业。传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损；自动运输小车：分有轨小车、无轨小车；搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。FMSFMS工件运储系统组成工件运储系统组成FMSFMS物料输送基本回路物料输送基本回路直线输送回路 沿直线路线单向或双向移动，顺序地在 各个连接点停靠；环形输送回路 运载工具沿环形路线单向或双向移动；网状输送回路 由多个回路相互交叉组成，可由一条环 路移动到另一回路。运输小车运输小车结构：车体安装平台托盘交换装置蓄电池控制系
24、统自动运输小车导向自动运输小车导向 有轨小车 铁轨导向，速度快，负载能力大，停靠准确，可靠好，制造成本低，线路不便更动，转角不宜太大。线导小车 电磁感应导向，柔性大、扩展性好、不怕污染、工作可靠。光导小车 采用带有荧光材料油漆或色带，通过光电制导，改变线路非常容易，对环境要求严格。激光灯台制导 小车顶部装有激光装置，通过固定位置反射激光束信息，确定小车位置。AGV电磁感应制导原理激光灯台制导原理自动化仓库自动化仓库 货架 为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。堆垛机 由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动电动机以及传感器构成的三维搬运设备。控制与管理系统 负责物料
25、信息的登录、识别，物料自动存取，仓库管理。自动化仓库示意图堆垛机结构示意图1-上导轨 2-支柱 3-物料 4-托架 5-移动电动机 6-传感器4.4.4 FMS的刀具运储系统刀具运储系统的组成刀具运储系统的组成 刀具预调站 设在FMS之外，按要求对刀具进行装配和调整；刀具装卸站 是刀具进出FMS入口，多为排架式框架结构；刀具库系统 存放当前加工所需的机床刀库，容量小；存放各加工单元共享的中央刀库，容量大；刀具运载交换装置 负责刀具运输和交换，适时向加工单元提供所需刀具；计算机控制管理系统-控制刀具运输、存储和管理，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或寿命已耗尽的刀具。刀具运储系统作业过程刀具运
26、储系统作业过程刀具刃磨人工组装刀具预调刀具装卸站中央刀具库需重磨或报废刀具加工单元刀库加工单元刀库加工单元刀库刀具运载交换装置刀具运载交换装置FMS中刀具交换内容：机床刀库与机床主轴刀具交换-由机床换刀装置完成；刀具装卸站、中央刀库、各机床刀库间刀具交换；AGV运载刀架与机床刀库间刀具交换。刀具交换运载工具：换刀机器人-有地轨和高架导轨形式；刀具运载小车-在小车上放置一个装载刀架，并附设小 型机器人，负责刀具交换。高架导轨式的换刀机器人1-纵向导轨 2-横梁 3-滑台 4-换刀机器人高架导轨式的换刀机器人1-AGV 2-装载刀架 3-机器人 4-机床刀库刀具破损的监控刀具破损的监控监测方法传
27、感 原 理传 感 器直接法光学图像光发射、折射、TV摄像光敏、激光、光纤、CCD、摄像管接触电阻，开关量，磁力线电阻电路，开关电路，磁间隙传感器间接法切削力切削力，切削分力比例应变片，力传感器扭矩主轴或进给系统扭矩应变片，电流表功率主轴或进给系统功率消耗功率传感器振动切削过程振动及其变化加速度计，振动传感器超声波接受超声波的反射波超声波换能器与接受器噪声切削区环境噪声探测拾音器声发射刀具破损时声发射信号声发射传感器刀具的信息管理刀具的信息管理静态刀具信息：固定不变的信息，如刀具类型、编码、几何 形状、结构参数等。动态刀具信息：随时间不断变化的刀具参数，如刀具寿命、实际参与切削时间、工作直径和长
28、度等。四层结构的刀具信息管理系统：第1层-实时动态文件，每把在线刀具都拥有独立文件，记载刀具实时动态数据；第2层-静态刀具类型文件，每一类刀具拥有一个文件；第3层-刀具组件文件；第4层-刀具元件文件。FMS刀具信息的管理4.4.5 FMS的控制与管理系统FMSFMS控制与管理系统的体系结构控制与管理系统的体系结构递阶控制结构：将复杂系统分层分模块设置，各层相对独立，便于系统的开发和维护。递阶控制特点：愈往底层，实时性愈强；愈到上层，处理信息量愈大，实时性要求愈小。FMS三层递阶控制结构系统管理与控制层（单元控制层）-接受上级任务，制 定系统作业计划，进行任务分配，监控系统执行；过程协调与监控层
29、（工作站层）-加工程序分配、协调 工件流动、运行状态采集监控、向上层反馈信息；设备控制层-控制设备工作循环，执行上层控制指令，反馈现场数据。单元控制器铣削工作站车削工作站物流管理工作站CNCNo1CNCNo2PLC自动化仓库AGVROBOT刀具管理.FMS递阶控制结构CNCNo1CNCNo2PLC.单元层工作站层设备层Win-ACCP5613(一类主站)P4微机Win-CC(二类主站)ET200I/O接口工业机器人数控铣床加工中心成品库毛坯库RGV缓冲库CAD/CAMMISProfibus接口FMSFMS单元控制器功能单元控制器功能 通信管理与运行控制-实现上下层信息通讯，控制内部模块运行；系
30、统信息管理-对单元信息进行存储、管理和维护；作业计划制定-根据上级下达任务制定本单元作业计划，并进行计划调整；系统作业调度-具有系统仿真、静/动态调度、系统资源调度等功能；系统过程监控-监控系统状态变化，故障处理，其结果传送至系统信息管理模块和上级控制器。FMS单元控制器的功能模型FMSFMS控制系统的信息流控制系统的信息流本章小结本章小结 数控系统发展经历了硬件数控NC和计算机数控两个阶段CNC,电子管、晶体管、小规模集成电路、小型计算机、微处理器、PC微机数控系统6代；开放式数控系统是当前数控系统发展的主流，有专用数控嵌入PC主板、PC机+运动控制卡、纯PC软件型三种常见类型；目前全世界机
31、器人拥有量已超过100万台，具有感觉机器人实用化，智能机器人相继出现并开始走向应用；FMS由两台以上机床、自动化物料运储系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统 FMS控制系统由系统管理与控制层（单元控制层）、过程协调与监控层（工作站层）、设备控制层组成本章小结本章小结 数控系统发展经历了硬件数控NC和计算机数控两个阶段CNC,电子管、晶体管、小规模集成电路、小型计算机、微处理器、PC微机数控系统6代；开放式数控系统是当前数控系统发展的主流，有专用数控嵌入PC主板、PC机+运动控制卡、纯PC软件型三种常见类型；目前全世界机器人拥有量已超过100万台，具有感觉机器人实用化，智能机器人相继出现并开始走向应用；FMS由两台以上机床、自动化物料运储系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统 FMS控制系统由系统管理与控制层（单元控制层）、过程协调与监控层（工作站层）、设备控制层组成
