先進制造技術(shù)導(dǎo)論5

第五章制造自動化技術(shù)5.1制造自動化技術(shù)概述5.2機床數(shù)控技術(shù)5.3工業(yè)機器人5.4柔性制造技術(shù)第一節(jié)制造自動化技術(shù)概述

5.1.1制造自動化技術(shù)內(nèi)涵

5.1.2制造自動化技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

5.1.3制造自動化技術(shù)發(fā)展趨勢自動化：自動去完成特定的作業(yè)。制造自動化（狹義）：生產(chǎn)車間內(nèi)產(chǎn)品機械加工和裝配檢驗過程的自動化；制造自動化（廣義）：包含產(chǎn)品設(shè)計、企業(yè)管理、加工過程和質(zhì)量控制等產(chǎn)品制造全過程綜合集成自動化。制造自動化意義：顯著提高勞動生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、提高經(jīng)濟效益，改善勞動條件、提高勞動者的素質(zhì)、有利于產(chǎn)品更新、帶動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、提高企業(yè)的市場競爭能力。

5.1.1制造自動化技術(shù)內(nèi)涵剛性自動化設(shè)備--自動/半自動機床、組合機床、組合機床自動線；對象--單一品種大批量生產(chǎn)自動化；特點--生產(chǎn)效率高、加工品種單一。數(shù)控加工柔性自動化

設(shè)備--NC、CNC、FMC、FMS等。對象--多品種小批量甚至單件生產(chǎn)自動化；計算機集成制造系統(tǒng)

經(jīng)營管理、開發(fā)設(shè)計、加工裝配、質(zhì)量保證自動化，CIMS、CE、LP、AM等。新的制造自動化模式

5.1.2制造自動化技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀當(dāng)前制造自動化技術(shù)研究領(lǐng)域和方向集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)研究

自動化系統(tǒng)中人因作用的研究

數(shù)控單元系統(tǒng)的研究制造過程的計劃和調(diào)度研究

柔性制造技術(shù)的研究現(xiàn)代生產(chǎn)模式制造環(huán)境的研究

機器人化制造技術(shù)的研究（工業(yè)機器人、智能加工中心、坐標(biāo)測量機、自動導(dǎo)引小車)

制造敏捷化使企業(yè)面臨市場競爭作出快速響應(yīng)；制造網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)制造過程的集成，實現(xiàn)異地制造、遠程協(xié)調(diào)作業(yè)；制造虛擬化保證產(chǎn)品和制造過程一次成功，發(fā)現(xiàn)設(shè)計與生產(chǎn)中可避免的缺陷和錯誤；制造智能化擴大、延伸、部分取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，以實現(xiàn)優(yōu)化的制造過程。制造全球化市場國際化，產(chǎn)品制造跨國化，制造資源跨國家的協(xié)調(diào)、共享和優(yōu)化利用；制造綠色化使產(chǎn)品從設(shè)計、制造、使用到報廢處理全生命周期中，對環(huán)境影響最小，資源利用率最高。5.1.3制造自動化技術(shù)發(fā)展趨勢第二節(jié)機床數(shù)控技術(shù)

5.2.1機床數(shù)控系統(tǒng)

5.2.2機床伺服系統(tǒng)

5.2.3數(shù)控加工編程技術(shù)

5.2.4機床數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)的發(fā)展硬件數(shù)控階段NC(1952-1970)

第一代：電子管；第二代：晶體管；第三代：小規(guī)模集成電路；計算機數(shù)控階段CNC（1970-現(xiàn)在)

第四代：小型計算機；第五代：微處理器；第六代：PC微機(PCNC)5.2.1機床數(shù)控系統(tǒng)

機床數(shù)控系統(tǒng)的組成及功能CNC系統(tǒng)組成：數(shù)控裝置、PLC、伺服驅(qū)動裝置、I/O接口、控制面板、人機界面數(shù)控裝置功能：

控制功能-單軸、多軸聯(lián)動控制；

準(zhǔn)備功能-包括移動、暫停、坐標(biāo)設(shè)定、固定循環(huán)等功能；

插補功能-直線插補、圓弧插補、拋物線等；

輔助功能-主軸啟停、冷卻潤滑通斷、刀庫的啟停等；

補償功能-刀具半徑/刀具、反向間隙、螺距、溫度等補償功能。PLC功能：控制面板、主軸停啟與換向、刀具更換、冷卻潤滑啟停、工件夾緊與松開、工作臺分度等開關(guān)量的控制。CNC數(shù)控系統(tǒng)組成原理

數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)單CPU結(jié)構(gòu)通過總線使CPU與存儲器和各種接口相連接，集中控制、分時處理工作方式。多CPU結(jié)構(gòu)多個CPU通過公用地址和數(shù)據(jù)總線互連，各自完成功能，系統(tǒng)速度高、處理能力強。PC微機CNC系統(tǒng)具有微機豐富的軟硬件資源、友好的人機界面、擁有多媒體和網(wǎng)絡(luò)功能，是當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向?；赑C微機和PMAC的CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)的軟件組成開放式數(shù)控系統(tǒng)開放性：滿足CNC系統(tǒng)快速發(fā)展和用戶自主開發(fā)需要PC微機型開放式CNC系統(tǒng)形式：專用數(shù)控嵌入PC主板是專用數(shù)控系統(tǒng)商提供的形式，僅限于PC部分開放，其專用數(shù)控部分仍處于封閉狀態(tài)。PC機+運動控制卡提供底層數(shù)控接口，支持二次開發(fā)和擴展，有上下兩級開放性，如PMAC運動控制器。純PC軟件型尚未形成商品，代表數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展方向。

組成：位置控制單元、速度控制單元、伺服電機、檢測反饋單元4部分組成。分類：

按檢測系統(tǒng)分開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、混合閉環(huán)系統(tǒng)。按有控制電機分

步進伺服、直流伺服、交流伺服。4.2.2機床伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

松下交流伺服系統(tǒng)的總體接線圖

1-交流伺服電機2-伺服驅(qū)動器3-控制系統(tǒng)4-控制連接電纜5-檢測連接電纜6-動力電纜7-PLC電纜8-PLC交流伺服電機：異步電動機功率大、精度稍低、多用于主軸電機；永磁同步電動機精度要求高、價格貴，多用于容量小的進給伺服電機。交流伺服驅(qū)動器：模擬式

工作速度快，系統(tǒng)頻率寬，體積大、器件多、不易調(diào)試；數(shù)字式控制方式改變僅需改變軟件，柔性好，結(jié)構(gòu)緊湊，重復(fù)性好。檢測元件：

旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器等。數(shù)控加工手工編程一般步驟5.2.3數(shù)控加工編程技術(shù)工藝分析數(shù)值計算NC程序編制輸入NC程序首件試切修改零件圖手工編制不足：效率低、復(fù)雜零件手工編程困難，周期長，錯誤率高。計算機輔助數(shù)控編程數(shù)控系統(tǒng)性能方面高速高精高效化進給速度80-120m/min，加速度1-2g，主軸dn=(1-3)*106，換刀小于1s；加工精度0.1μm，甚至0.01μm。柔性化功能覆蓋面大，便于不同用戶的需求；物料流和信息流自動動態(tài)調(diào)整。工藝復(fù)合化和多軸化如FANUC15可控軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)均達到24軸。實時智能化配置編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)，實現(xiàn)自適應(yīng)控制和模糊控制。5.2.4機床數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢數(shù)控系統(tǒng)功能方面用戶界面圖形化方便了用戶，便于編程和圖形模擬；科學(xué)計算可視化可視化技術(shù)可用于自動編程、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補償和管理、加工過程仿真演示；插補和補償方式多樣化

插補：直線、圓弧、橢圓、螺紋、NURBS、多項式插補；補償：反向間隙、垂直度、螺距、溫度補償?shù)?；?nèi)置高性能PLC

可用梯形圖或高級語言編程，具有在線調(diào)試和在線幫助功能；多媒體技術(shù)應(yīng)用在實時監(jiān)控和故障診斷、生產(chǎn)過程監(jiān)測方面有重大應(yīng)用價值。

體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展集成化高度集成化芯片，提高數(shù)控系統(tǒng)集成度；模塊化通過積木方式進行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)化可進行遠程控制，在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設(shè)定、操作、控制；開放式閉環(huán)控制模式易于將計算機智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理、動態(tài)仿真等技術(shù)融于一體，構(gòu)成制造過程閉環(huán)控制體系。

第三節(jié)工業(yè)機器人5.3.1工業(yè)機器人的組成與分類5.3.2工業(yè)機器人的控制技術(shù)5.3.3工業(yè)機器人的編程技術(shù)5.3.4工業(yè)機器人半個世紀(jì)發(fā)展的回顧與展望5.3.1工業(yè)機器人的組成與分類工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)組成

工業(yè)機器人的組成執(zhí)行機構(gòu)手部：用于抓取對象，有夾持式、吸附式等不同結(jié)構(gòu)腕部：聯(lián)接手部和手臂部件，用以調(diào)整手部姿態(tài)和方位臂部：承載負荷，改變空間位置機身：支撐臂部部件，擴大臂部活動和作業(yè)范圍機座及行走機構(gòu)：機器人基礎(chǔ)件，確定或改變機器人位置控制系統(tǒng)控制機器人按給定的程序動作，記憶示教指令，再現(xiàn)示教信息。驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成規(guī)定作業(yè)。位置檢測裝置檢測運動位置和工作狀態(tài)。

工業(yè)機器人的分類--按系統(tǒng)功能分類專用機器人以固定程序工作機器人，結(jié)構(gòu)簡單、無獨立控制系統(tǒng)、造價低廉，如自動換刀機械手。通用機器人可完成多種作業(yè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作范圍大，定位精度高，通用性強。示教再現(xiàn)式機器人在示教操作后，能按示教的順序、位置、條件重現(xiàn)示教作業(yè)。智能機器人具有視覺、聽覺、觸覺功能，通過比較和識別,作出決策和規(guī)劃，完成預(yù)定的動作。工業(yè)機器人的分類--按驅(qū)動方式分類氣壓傳動機器人以壓縮空氣作為動力源，高速輕載；液壓傳動機器人采用液壓驅(qū)動，負載能力強、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏；電氣傳動機器人交直流伺服電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、精度高。工業(yè)機器人的分類--按結(jié)構(gòu)形式分直角坐標(biāo)機器人有三個正交平移坐標(biāo)軸,各個坐標(biāo)軸運動獨立（圖a）；圓柱坐標(biāo)機器人有一個旋轉(zhuǎn)軸和兩個平移軸（圖b）；關(guān)節(jié)機器人類似人手臂，由各關(guān)節(jié)組成，可實現(xiàn)三個方向旋轉(zhuǎn)運動（圖c）；球坐標(biāo)機器人有兩個旋轉(zhuǎn)軸和一個平移軸（圖d）。工業(yè)機器人的性能指標(biāo)自由度獨立運動數(shù)，自由度數(shù)越高，完成的動作越復(fù)雜，通用性越強，應(yīng)用范圍也越廣。工作空間機器人進行工作的空間范圍。提取重力

微型機器人，提取重力10N以下；小型機器人，提取重力10-50N；中型機器人，提取重力50-300N；大型機器人，提取重力300-500N；重型機器人，提取重力500N以上。運動速度運動速度影響工作效率，與所提取的重力和位置精度有關(guān)。位置精度機器人定位精度一般在±0.02-5mm范圍。

機器人的工作空間

a)圓柱坐標(biāo)機器人b)球坐標(biāo)機器人c)關(guān)節(jié)機器人

5.3.2工業(yè)機器人的控制技術(shù)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成框圖

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的分類按控制回路：開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)按控制硬件：機械控制、液壓控制、順序控制和計算機控制按自動化程度：順序控制、程序控制、自適應(yīng)控制、智能控制按編程方式：

物理設(shè)置編程-由設(shè)置固定限位開關(guān)，實現(xiàn)啟動/停機操作

示教編程-示教完成操作信息記憶，然后再現(xiàn)示教過程

離線編程-通過機器人語言進行編程控制按控制軌跡：

點位控制-不要求末端操作速度和運動軌跡，僅要求各坐標(biāo)精確控制

輪廓控制-沒有插補器，按離散點坐標(biāo)及速度完成輪廓控制工業(yè)機器人的位置伺服控制位置伺服控制類型：

關(guān)節(jié)伺服控制-以每個關(guān)節(jié)作為單輸入/單輸出系統(tǒng)；

坐標(biāo)伺服控制-以手臂末端位置矢量作為控制目標(biāo)值。剛性臂控制系統(tǒng)的構(gòu)成

關(guān)節(jié)伺服控制

關(guān)節(jié)伺服控制的構(gòu)成

qdi:各關(guān)節(jié)位移指令目標(biāo)值qi,qi’:各關(guān)節(jié)位置和速度反饋信號工業(yè)機器人的自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制

自校正適應(yīng)控制系統(tǒng)

示教編程示教階段:撥動示教盒按鈕或手握機器人手臂，使之按需要姿勢和路線進行工作，示教信息存儲在記憶裝置中。工作再現(xiàn):從記憶裝置調(diào)用存儲信息，再現(xiàn)示教階段動作。點位控制示教：逐一使每個軸達到需要編程點位置。輪廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通過所給路線。特點：通過示教直接產(chǎn)生控制程序，無須手工編程，簡單方便，適用于大批量生產(chǎn)。不足：軌跡精確度不高，需要存儲容量大。5.3.3工業(yè)機器人的編程技術(shù)示教再現(xiàn)式控制系統(tǒng)工作原理

機器人示教臂

離線編程

HOLPSS離線編程與仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

機器人編程語言動作級語言每一個命令對應(yīng)一個動作，語句格式為：

MOVETO<destination>

語句簡單，易于編程；不能進行復(fù)雜計算，通信能力差，代表性語言：VAL。對象級語言有與動作語言類似功能，能處理傳感器信息；通信和數(shù)字運算功能強，代表性語言有AML、AUTOPASS。任務(wù)級語言操作者直接下命令，不需要規(guī)定機器人每個動作細節(jié)，自動推理規(guī)劃，自動生成機器人的動作。

工業(yè)機器人發(fā)展回顧50年代-萌芽期58年第一臺工業(yè)機器人在美國問世。60年代-黎明期推出圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)機器人，日本引進美國機器人技術(shù)。70年代-實用化期計算機控制機器人、關(guān)節(jié)型機器人問世，推出VAL編程語言、視覺力覺傳感器；72年中國第一臺機器人誕生；70年代末全世界擁有萬臺以上機器人；日本成為機器人王國。80年代-普及期80年代末機器人總數(shù)已達45萬臺。90年代-擴展?jié)B透期具有感覺機器人實用化，智能機器人相繼出現(xiàn)并開始走向應(yīng)用；1997年底，機器人總量達95萬臺。5.3.4工業(yè)機器人發(fā)展回顧與展望工業(yè)機器人發(fā)展展望執(zhí)行機構(gòu)具有柔性感、靈巧性手爪和手臂；驅(qū)動機構(gòu)采用形狀記憶合金、人工肌肉、壓電元件、撓性軸等新型驅(qū)動器；移動技術(shù)步行、爬行，由4足、6足、8足或更多足組成；微型機器人毫米級、納米級機器人，微小位置姿態(tài)控制；微型電池；微小生物運動機構(gòu)等；多傳感器集成與融合技術(shù)視覺、觸覺、嗅覺、味覺及其綜合；新型智能技術(shù)模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等；仿生機構(gòu)模仿生物體構(gòu)造、移動模式、運動機理、能量分配等，人工肌肉、蛇形移動機構(gòu)、仿象鼻柔性臂、人造關(guān)節(jié)。第四節(jié)柔性制造技術(shù)5.4.1柔性制造系統(tǒng)基本概念5.4.2FMS的加工系統(tǒng)5.4.3FMS的工件運儲系統(tǒng)5.4.4FMS的刀具運儲系統(tǒng)5.4.5FMS的控制與管理系統(tǒng)FMS定義和組成定義：由兩臺以上加工設(shè)備、物料運儲和控制系統(tǒng)組成，通過改變軟件程序適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)自動化制造系統(tǒng)。組成：加工系統(tǒng)-CNC、MC、FMC機床及測量機、清洗機、動平衡機；工件運儲系統(tǒng)-包括工件裝卸站、自動化倉庫、自動化運輸小車、機器人、托盤緩沖站、托盤交換裝置等；刀具運儲系統(tǒng)-包括刀具預(yù)調(diào)站、刀具裝卸站、中央刀庫、機床刀庫、刀具輸送與交換裝置等；控制系統(tǒng)--對FMS進行計劃調(diào)度、運行控制、物料管理、系統(tǒng)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)通信等；其他-冷卻、潤滑、排屑、清洗、去毛刺等附屬設(shè)備。

5.4.1柔性制造系統(tǒng)基本概念FMS基本組成

典型的柔性制造系統(tǒng)

柔性高，適應(yīng)多品種中小批量生產(chǎn)；系統(tǒng)內(nèi)的機床在工藝能力上是相互補充或相互替代的；可混流加工不同的零件；系統(tǒng)局部調(diào)整或維修不中斷整個系統(tǒng)的運作；遞階結(jié)構(gòu)的計算機控制，可以上層計算機聯(lián)網(wǎng)通信；可進行第三班無人值守生產(chǎn)。FMS的特點不同類型的柔性制造設(shè)備柔性制造模塊（FMM）相當(dāng)于功能齊全的加工中心；柔性制造單元（FMC）小型FMS，由1-2臺機床組成，自動更換刀具，自動上下工件；柔性制造系統(tǒng)（FMS）控制與管理功能比FMC強，管理通信要求高；柔性制造生產(chǎn)線（FML）數(shù)控組合機床設(shè)備，專用性強、生產(chǎn)率高，相當(dāng)于數(shù)控自動生產(chǎn)線，用于少品種、中大批量生產(chǎn)，為專用FMS。柔性制造工廠（FMF）全企業(yè)范圍生產(chǎn)管理、設(shè)計開發(fā)、加工制造和物料運儲全盤自動化。柔性制造單元

1-加工中心機床2-托盤3-托盤站

4-環(huán)形工作臺5-工件交換臺不同類型柔性設(shè)備的適用范圍

加工系統(tǒng)的功能與要求工序集中，減輕物流負擔(dān)，減少裝夾次數(shù)；控制功能強、擴展性好；高剛度、高精度、高速度；自保護與自維護性好；使用經(jīng)濟性好；對環(huán)境的適應(yīng)性與保護性好。5.4.2FMS的加工系統(tǒng)加工系統(tǒng)常用配置形式棱體類零件：立式、臥式或立臥兩用加工中心；回轉(zhuǎn)體零件：數(shù)控車床或車削加工中心機床。配置形式：

互替式-是并聯(lián)配置，各機床功能可互相代替，具有好的工藝柔性和較寬的工藝范圍。

互補式-是串聯(lián)配置，功能互相補充，各自完成特定的加工任務(wù)，生產(chǎn)率高，降低了可靠性。

混合式-互替式與互補式結(jié)合。臥式加工中心

1-主軸頭2-刀庫3-刀庫4-立柱底座

5-回轉(zhuǎn)工作臺、6-工作臺底座

車削加工中心

1-刀庫2-回轉(zhuǎn)刀架3-換刀機械手4-上下工件機器人5-工件存儲站

a)互替式b)互補式c)混合式FMS機床配置形式加工系統(tǒng)的輔助裝置機床夾具組合夾具：利用標(biāo)準(zhǔn)化夾具零部件快速拼裝所需夾具；柔性夾具：一部夾具能為多個加工對象服務(wù)。托盤（Pallet）承載工件和夾具完成加工任務(wù)，是各加工單元間的硬件接口。自動上下料裝置托盤交換器：聯(lián)接加工系統(tǒng)和物料運儲系統(tǒng)橋梁；工業(yè)機器人：具有較大的柔性度。組合夾具

柔性夾具

ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的托盤基本形狀

1-托盤導(dǎo)向面2-側(cè)面定位面3-安裝螺孔4-工件安裝面5-中心孔6-托盤擱置面7底面8-工件固定孔9-托盤夾緊面10-托盤定位面回轉(zhuǎn)式托盤交換器

往復(fù)式托盤交換器

5.4.3FMS的工件運儲系統(tǒng)工件裝卸站設(shè)在FMS入口，由人工完成裝卸；托盤緩沖站工件中間存儲站，起緩沖物料作用；自動化倉庫多層立體布局結(jié)構(gòu)，由計算機控制，服從FMS命令和調(diào)度；物料運載裝置負責(zé)在機床、自動化倉庫和托盤緩沖站之間物料搬運作業(yè)。傳送帶：用于小零件短程傳送，占據(jù)空間大、易磨損；自動運輸小車：分有軌小車、無軌小車；搬運機器人：具有較高柔性和控制水平。FMS工件運儲系統(tǒng)組成FMS物料輸送基本回路直線輸送回路沿直線路線單向或雙向移動，順序地在各個連接點?？?；環(huán)形輸送回路運載工具沿環(huán)形路線單向或雙向移動；網(wǎng)狀輸送回路由多個回路相互交叉組成，可由一條環(huán)路移動到另一回路。運輸小車結(jié)構(gòu)：車體安裝平臺托盤交換