制造自動化技術

1、1本章要點制造自動化技術的發(fā)展數(shù)控加工技術工業(yè)機器人柔性制造系統(tǒng)23 4 5主要技術：成組技術(GT)、計算機直接數(shù)控和分布式數(shù)控 (DNC)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性加工線(FML)、離散系統(tǒng)理論和方法、仿真技術、車間計劃與控制、制造過程監(jiān)控技術、計算機控制與通信網(wǎng)絡等。第三階段(1965-) ：柔性制造 智能制造、敏捷制造、虛擬制造、網(wǎng)絡制造、全球制造和綠色制造。第五階段(1991-) ：新的制造自動化模式 特征是強調制造全過程的系統(tǒng)性和集成性。主要技術：現(xiàn)代制造技術、管理技術、計算機技術、信息技術、自動化技術和系統(tǒng)工程技術等。第四階段(1973-) ：計算機集

2、成制造系統(tǒng)(CIMS) 6 表1-1 三種自動化形式比較比較項目剛性自動化柔性自動化綜合自動化實現(xiàn)目標 減輕工人勞動強度，節(jié)省勞動力，保證加工質量，降低生產成本 減輕工人勞動強度，節(jié)省勞動力，保證加工質量，降低生產成本，縮短產品制造周期 除左外，提高設計工作與管理工作效率和質量，提高對市場的響應能力控制對象物流物流物流，信息流特點 通過機、電、液氣等硬件控制方式實現(xiàn)，因而是剛性的，變動困難 以硬件為基礎，以軟件為支持，改變程序即可實現(xiàn)所需的轉變，因而是柔性的 不僅針對具體操作和工人的體力勞動，而且涉及腦力勞動以及設計、經營管理等各方面典型系統(tǒng)與裝備 自動機床、組合機床，機械手，自動生產線 NC

3、機床，加工中心，工業(yè)機器人，DNC，F(xiàn)MC，F(xiàn)MS CAD/CAM系統(tǒng)，MRP，CIMS應用范圍大批大量生產多品種、中小批量生產各種生產類型關鍵技術 繼電器程序控制技術，經典控制論 數(shù)控技術，計算機控制，GT，現(xiàn)代控制論 系統(tǒng)工程，信息技術，計算機技術，管理技術7 圖4-1 汽車后橋齒輪箱加工自動線剛性自動化20年代8 柔性自動化50年代圖4-2 焊接機器人綜合自動化70年代圖7-3 綜合自動化9制造全球化的概念出于美日歐等發(fā)達國家的智能系統(tǒng)計劃。近年來隨著Internet技術的發(fā)展，制造全球化的研究和應用發(fā)展迅速。制造全球化 制造網(wǎng)絡化敏捷制造是一種面向21世紀的制造戰(zhàn)略和現(xiàn)代制造模式，敏捷

4、化是制造環(huán)境和制造過程面向21世紀制造活動的必然趨勢 。制造敏捷化 10虛擬制造(VM)是以制造技術和計算機技術支持的系統(tǒng)建模技術和仿真技術為基礎，集現(xiàn)代制造工藝、計算機圖形學、并行工程、人工智能、人工現(xiàn)實技術和多媒體技術等多種高新技術為一體，由多學科知識形成的一種綜合系統(tǒng)技術。制造虛擬化綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環(huán)境的影響(負作用)最小，資源效率最高。 制造綠色化智能制造技術的宗旨在于通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，以實現(xiàn)制造過程的

5、優(yōu)化。制造智能化11 12 1948年，美國帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升機葉片輪廓檢驗用樣板的機床時，首先提出了應用電子計算機控制機床來加工樣板曲線的設想。后來受美國空軍委托，帕森斯公司與麻省理工學院（MIT）伺服機構實驗室合作進行研制工作，于1952年研制成功世界上第一臺三坐標立式數(shù)控銑床。13這是一種借助數(shù)字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）進行控制的自動化方法。是用計算機通過數(shù)字信息來自動控制機械加工的機床。具體地說，數(shù)控機床是通過編制程序，即通過數(shù)字(代碼)指令來自動完成機床各個坐標的協(xié)調運動，正確地控制機床運動部件的位移量，并且按加工的動作順序要求自

6、動控制機床各個部件的動作 指用數(shù)字量及字符發(fā)出指令并實現(xiàn)自動控制的技術。由于計算機應用技術的成熟，數(shù)控系統(tǒng)均采用了計算機數(shù)控（CNC，Computer Numerical Control）以區(qū)別于傳統(tǒng)的NC。14 圖圖4-4 數(shù)控機床組成框圖數(shù)控機床組成框圖 15伺服驅動裝置檢測反饋裝置由硬件和軟件部分組成，接受輸入代碼經緩存、譯碼、運算插補等轉變成控制指令，實現(xiàn)直接或通過PLC對伺服驅動裝置的控制。是數(shù)控裝置和機床主機之間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，接受數(shù)控裝置的生成的進給信號，經放大驅動主機的執(zhí)行機構，實現(xiàn)機床運動。是通過檢測元件將執(zhí)行元件（電機、刀架）或工作臺的速度和位移檢測出來，反饋給數(shù)控裝置構成閉環(huán)

7、或半閉環(huán)系統(tǒng)。16PLC、機床I/O電路和裝置機床本體是數(shù)控機床的機械結構件（床身箱體、立柱、導軌、工作臺、主軸和進給機構等PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成與邏輯運算有關順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；機床I/O電路和裝置：實現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關、接觸器等組成的邏輯電路；17經濟型數(shù)控車床經濟型數(shù)控車床全功能數(shù)控車床全功能數(shù)控車床18 車削中心19 立式數(shù)控銑床立式數(shù)控銑床臥式數(shù)控銑床臥式數(shù)控銑床龍門數(shù)控銑床龍門數(shù)控銑床20 經濟型數(shù)控銑床經濟型數(shù)控銑床高速數(shù)控銑床高速數(shù)控銑床21立式立式加工中心加工中心臥

8、式臥式加工中心加工中心22 硬線數(shù)控硬線數(shù)控G1: 19521955，電子管，電子管 G2: 19551959，晶體管，晶體管G3:19591965，小規(guī)模集成電路，小規(guī)模集成電路 23計算機數(shù)控計算機數(shù)控G4: 1970s (19701974)，小型，小型計算機計算機 G5: 1974-微處理器微處理器 (MCNC) 1979超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路 (VLIC)G6: 1994 基于基于PC-NC.24 25 26 2728并聯(lián)機床并聯(lián)機床HexaM簡圖簡圖并聯(lián)機床結構示意簡圖（并聯(lián)機床結構示意簡圖（6SPS機構機構）該機床的運動路線為該機床的運動路線為: 6個伺服電機的運動個伺服

9、電機的運動通過絲杠通過絲杠(驅動軸驅動軸) 、螺母和連桿傳給裝有螺母和連桿傳給裝有電主軸的刀具夾板，電主軸的刀具夾板，從而帶動刀具作任意從而帶動刀具作任意空間曲線運動空間曲線運動。該并聯(lián)機床由運動平臺、固定平臺以及能伸縮該并聯(lián)機床由運動平臺、固定平臺以及能伸縮的若干驅動桿組成的若干驅動桿組成，運動平臺與固定平臺由運動平臺與固定平臺由6根驅動桿（伸縮桿）相連根驅動桿（伸縮桿）相連，每個驅動桿兩端都每個驅動桿兩端都是球鉸副是球鉸副，中間有一個移動副中間有一個移動副。驅動器驅動移驅動器驅動移動副作相對運動動副作相對運動，改變伸縮桿的長度改變伸縮桿的長度，便可改便可改變運動平臺的位姿變運動平臺的位姿，

10、若將刀具安裝在運動平臺若將刀具安裝在運動平臺上上，則通過控制六桿長度的變化則通過控制六桿長度的變化，便可改變刀便可改變刀具在空間的位置與姿態(tài)具在空間的位置與姿態(tài)，滿足加工要求滿足加工要求.29ZXY 圖圖4-5 傳統(tǒng)機床傳統(tǒng)機床30機機床床框框架架桿件桿件動平臺動平臺 圖圖4-6 并聯(lián)機床并聯(lián)機床31運動精度高：運動精度高：有效地減少了運動鏈的長度，將支撐與傳動功能集成一體有效地減少了運動鏈的長度，將支撐與傳動功能集成一體可實現(xiàn)高速加工：可實現(xiàn)高速加工：運動部件少，質量輕，有利于獲得高的進給速度運動部件少，質量輕，有利于獲得高的進給速度機床剛性好：機床剛性好：消除了懸臂結構，沒有橫梁、立柱等承

11、受彎曲的載荷部件消除了懸臂結構，沒有橫梁、立柱等承受彎曲的載荷部件結構簡單結構簡單P800M型并聯(lián)運動機床32 33 34 35分類名稱分類名稱簡要解釋簡要解釋操作型機器人能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。程控型機器人按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。示教再現(xiàn)型機器人通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業(yè)。數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。感覺控制型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。適應控制型機器人機器人能適應環(huán)境的變化，

12、控制其自身的行動。學習控制型機器人機器人能“體會”工作的經驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經驗用于工作中。智能機器人以人工智能決定其行動的機器人。36 37 383940411-手臂及手腕 2-臂架 3-橡皮緩沖器 4-肘形節(jié)桿 5-回轉臺 6-基座 7-連接電纜 8-轉臺緩沖器 9-第一軸(轉臺)電動機(M1) 10、14-平衡氣缸 11-第二軸(臂架)電動機(M2)12-第三軸螺桿 15-驅動臂架 16-電動機組(M4、M5、M6) 17-控制柜42431-焊接電源 2-顯示器 3一機器人控制裝置 4-夾具控制裝置 5-工件 6-焊接夾具 7-機器人44 1-小臂 2-大臂 3-轉臺

13、 4-基座4546該機器人是用來抓取、搬運來自輸送帶或輸送機上流動的物品的自動化裝置。主要由搬人機械部件、機器主體部件、搬出機械部件和系統(tǒng)控制等基本部分組成。 1-裝卸運輸機 2-極式輸送機 3-極式分配器 4-橫進給式輸送機 5-操作臺 6-控制臺 7-多工位式輸送機 47484950 51 5253圖4-4 FMS的組成自動倉庫工廠計算機中央計算機物流控制計算機運輸小車加工單元1加工單元2加工單元n信 息 傳 輸 網(wǎng) 絡工夾具站54FMS結構框圖結構框圖 55q 加工單元CNC（MC）機床工作臺架（暫存工件）機器人或托盤交換裝置檢測、監(jiān)控裝置設備運行狀態(tài)監(jiān)控與檢測（圖4-5） 傳感器群信號

14、采集預處理特征提取狀態(tài)識別診斷決策預維修決策監(jiān)控檢測報告正常狀態(tài)模式預診斷知識庫預維修知識庫學習訓練匹配狀態(tài)異常報警預知故障報警輸出圖4-5 設備運行狀態(tài)監(jiān)控與檢測框圖56鉆頭破損檢測器內存有以往采集的鉆頭破損的信號或鉆頭破損模擬信號，與檢測信號進行比較。當鉆頭破損被確認后，發(fā)出換刀信號。加工過程監(jiān)控與檢測重點是刀具磨損、破損監(jiān)控與檢測。圖4-6為聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置示意圖。加工過程中，一旦鉆頭破損，聲發(fā)射傳感器檢測到鉆頭破損信號，將其送至鉆頭破損檢測器進行處理。鉆頭破損檢測器圖4-6 聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖交換機床控制器工件折斷工作臺聲發(fā)射傳感器破損信號57q 物料傳輸系統(tǒng)又稱立體倉

15、庫或自動化倉庫系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieva1 System一ASRS），由高層料架 、堆垛機、控制計算機和物料識別裝置等組成。具有自動化程度高、料位空間尺寸和額定存放重量大、料位總數(shù)可根據(jù)實際需求擴展、占地面積小等優(yōu)點。 自動倉庫（圖4-7）圖4-7 自動倉庫運輸小車出入庫裝卸站堆垛機料架58 傳輸裝置 滾式鏈式（傳送帶由于柔性差，目前較少使用）帶式有軌無軌（AGV）固定路線隨機路線電磁式（圖7-8）光電式（圖7-9）傳送帶運輸小車機器人固定式機器人行走式機器人59 無軌小車 又稱自動引導小車（AGV, Automated Guide Vehicle）。圖

16、4-21（a）為其示意圖，小車上有托盤交換臺3，工作臺1與托盤2由交換臺推上機床的工作臺進行加工，加工好的工件連同托盤拉回到小車的交換臺上，送裝卸工位，由人工卸下并裝上新的待加工工件。小車的行車路線常用電纜或光電引導。圖4-21（b）為電纜引導的原理圖，在地面（6）下埋設有導向電纜8，通以低頻電流，在電纜周圍形成磁場7。固定在小車車身內的兩個19感應線圈5中即產生電壓，當小車運行偏離電纜時，兩線圈的電壓不相等，轉向電機4即正向或反向旋轉以校正小車的位置，使小車總是沿電纜引導的路線行走。光電引導方式是在地面上鋪設反光的不銹鋼帶，利用光的反射使小車上的一排光電管產生信號，以引導小車沿反光帶運動。

17、60圖圖4-8 自動引導小車自動引導小車(AGV) 61轉向舵比較放大電路信號拾取線圈引導電纜圖4-8 電磁引導原理在地面上埋設引導電纜，并通以510kHz的低壓電流。小車上裝有對稱的一組信號拾取線圈。當小車偏向右方時，右方的感應信號減弱，左方的增強，控制器根據(jù)這些信號的強弱，控制小車的舵輪。電磁導向方式原理（圖4-8）62沿小車預定路徑在地面上粘貼易反光的反光帶（鋁帶或尼龍帶），小車上裝有發(fā)光器和受光器。發(fā)出的光經反光帶反射后由受光器接受，并將該光信號轉換成電信號控制小車的舵輪。 光學引導方式原理（圖4-9）信號孔感光元件光道光源反光帶圖4-9 光學引導原理63切屑處理系統(tǒng)斷屑 加工部位封閉

18、排屑 機床、工夾具設計要便于排屑 冷卻液沖，或壓縮空氣吹切屑輸送（通常采用地下輸送管道）切屑再處理（打包）64工廠計算機：制定、修改、更新生產（作業(yè)）計劃； 對中央計算機和物流計算機進行控制。單元控制器：監(jiān)視與控制機床加工、檢測、上下料 物流計算機：根據(jù)工廠計算機制定的作業(yè)計劃對自動倉 庫、堆垛機、緩沖站、運輸小車等進行監(jiān) 視與控制。中央計算機：根據(jù)工廠計算機制定的作業(yè)計劃對各加工 單元進行監(jiān)視與控制。信息傳輸網(wǎng)絡：在控制計算機與單元控制器之間進行信 息傳遞。q 計算機控制系統(tǒng)65 JCS-FMS-1控制級結構中央管理計算機FM-11AD2+物流控制計算機局域網(wǎng)絡LAN文件庫自動編程機單元控制機CNC車床CNC磨床單元控制機立式MC臥式MC單元控制機CNC車床管理級單元級設備級66 這是一種簡單的柔性制造系統(tǒng)，通常由加工中心（MC）與自動交換工件（AW，APC）的裝置所組成，同時數(shù)控系統(tǒng)還增加了自動檢測與工況自動監(jiān)控等功能。圖4-31所示為一柔性制造單元的示意圖。 圖圖4-31 柔性制造單元柔性制造單元 67 較大的柔性制造