制造自動(dòng)化技術(shù)1

1、制造自動(dòng)化技術(shù)4.1 制造自動(dòng)化技術(shù)概述4.1.1 制造自動(dòng)化技術(shù)的內(nèi)涵制造自動(dòng)化的概念是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。過去人們認(rèn)為自動(dòng)化是以機(jī)器代替人的體力勞動(dòng)，自動(dòng)完成特定的作業(yè)。隨著制造技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、管理技術(shù)等的發(fā)展，制造自動(dòng)化已遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破傳統(tǒng)的概念。制造自動(dòng)化的廣義內(nèi)涵至少包括以下幾點(diǎn)：形式方面：一是代替人的體力勞動(dòng)；二是代替人的腦力勞動(dòng)；三是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)中的人、機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化。 功能方面，可用T(time)、Q(quality)、C(cost)、S(service)、E(environment)這五個(gè)功能目標(biāo)（簡稱為TQCSE）模型來描述。

2、范圍方面，不僅涉及具體生產(chǎn)制造過程，而且涉及產(chǎn)品壽命周期所有過程。4.1.2 制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷程第一階段(1913-) ：剛性自動(dòng)化自動(dòng)單機(jī)和剛性自動(dòng)線；本階段在20世紀(jì)4050年代已相當(dāng)成熟。 特征:高生產(chǎn)率和剛性結(jié)構(gòu)，很難實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品的改變。 引入的新技術(shù)有繼電器程序控制、組合機(jī)床等。第二階段(1930-) ：數(shù)控加工NC和CNC ；本階段的NC在20世紀(jì)5070年代已成熟，但到了7080年代，CNC取代了NC。 特征:柔性好、加工質(zhì)量高，適應(yīng)于多品種、中小批量(包括單件)產(chǎn)品的生產(chǎn) 。 引入的新技術(shù)有數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)等。第三階段(1965-) ：柔性制造主要技術(shù)：成組技術(shù)(

3、GT)、計(jì)算機(jī)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(shù)、車間計(jì)劃與控制、制造過程監(jiān)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制與通信網(wǎng)絡(luò)等。第四階段(1973-) ：計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)特征是強(qiáng)調(diào)制造全過程的系統(tǒng)性和集成性。主要技術(shù)：現(xiàn)代制造技術(shù)、管理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)等。第五階段(1991-) ：新的制造自動(dòng)化模式 智能制造、敏捷制造、虛擬制造、網(wǎng)絡(luò)制造、全球制造和綠色制造。4.1.3 制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢制造敏捷化敏捷制造是一種面向21世紀(jì)的制造戰(zhàn)略和現(xiàn)代制造模式，敏捷化是制造

4、環(huán)境和制造過程面向21世紀(jì)制造活動(dòng)的必然趨勢 。制造網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)制造過程的集成。 制造環(huán)境與整個(gè)制造企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)中工程設(shè)計(jì)、管理信息系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的集成。企業(yè)與企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的資源共享、組合與優(yōu)化利用。通過網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)異地制造。 p 制造全球化制造全球化的概念出于美日歐等發(fā)達(dá)國家的智能系統(tǒng)計(jì)劃。近年來隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，制造全球化的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速。p 制造虛擬化虛擬制造(VM)是以制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)支持的系統(tǒng)建模技術(shù)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，集現(xiàn)代制造工藝、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、并行工程、人工智能、人工現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多媒體技術(shù)等多種高新技術(shù)為一體

5、，由多學(xué)科知識(shí)形成的一種綜合系統(tǒng)技術(shù)。p 制造智能化智能制造技術(shù)的宗旨在于通過人與智能機(jī)器的合作共事，去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)制造過程的優(yōu)化。p 制造綠色化綠色制造是一個(gè)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(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響(負(fù)作用)最小，資源效率最高。4.2 現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)4.2.1 數(shù)控機(jī)床p 數(shù)控機(jī)床的誕生1948年，美國帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升機(jī)葉片輪廓檢驗(yàn)用樣板的機(jī)床時(shí)，首先提出了應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)控制機(jī)床來加工樣板曲線的設(shè)想。后來受美國空軍委托，帕森斯

6、公司與麻省理工學(xué)院（MIT）伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作進(jìn)行研制工作，于1952年研制成功世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。p 數(shù)控機(jī)床的定義是用計(jì)算機(jī)通過數(shù)字信息來自動(dòng)控制機(jī)械加工的機(jī)床。具體地說，數(shù)控機(jī)床是通過編制程序，即通過數(shù)字(代碼)指令來自動(dòng)完成機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，正確地控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位移量，并且按加工的動(dòng)作順序要求自動(dòng)控制機(jī)床各個(gè)部件的動(dòng)作。p 數(shù)控機(jī)床的組成p 數(shù)控裝置由硬件和軟件部分組成，接受輸入代碼經(jīng)緩存、譯碼、運(yùn)算插補(bǔ)等轉(zhuǎn)變成控制指令，實(shí)現(xiàn)直接或通過PLC對伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制。p 伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控裝置和機(jī)床主機(jī)之間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，接受數(shù)控裝置的生成的進(jìn)給信號(hào)，經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)主機(jī)的執(zhí)行

7、機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)。p 檢測反饋裝置是通過檢測元件將執(zhí)行元件（電機(jī)、刀架）或工作臺(tái)的速度和位移檢測出來，反饋給數(shù)控裝置構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)。p PLC、機(jī)床I/O電路和裝置PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)順序動(dòng)作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；機(jī)床I/O電路和裝置：實(shí)現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路；p 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)件（床身箱體、立柱、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、主軸和進(jìn)給機(jī)構(gòu)等4.2.2 數(shù)控機(jī)床的種類機(jī)器應(yīng)用范圍p 按工藝用途分類金屬切削類數(shù)控機(jī)床金屬成型類數(shù)控機(jī)床特種加工類數(shù)控機(jī)床

8、 測量、繪圖類數(shù)控機(jī)床p 按運(yùn)動(dòng)軌跡分類點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床輪廓控制數(shù)控機(jī)床p 按伺服控制方式分類開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床4.2.3 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床p 并聯(lián)機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)以機(jī)床框架為固定平臺(tái)的若干桿件組成空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主軸部件安裝在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上，改變桿件的長度或移動(dòng)桿件的支點(diǎn)，按照并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理形成刀頭點(diǎn)的加工表面軌跡?；窘Y(jié)構(gòu)形式它的結(jié)構(gòu)完全不同于傳統(tǒng)機(jī)床，看不到明顯的床身、導(dǎo)軌、立柱和橫梁等結(jié)構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)活動(dòng)平臺(tái)。有六桿、三桿、立式、臥式并聯(lián)機(jī)床，結(jié)構(gòu)形式為并聯(lián)、串聯(lián)和混合結(jié)構(gòu)，可采用直線電機(jī)和電主軸。p 并聯(lián)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的

9、比較傳統(tǒng)機(jī)床：以床身、立柱、橫梁等作為支撐部件，主軸部件和工作臺(tái)沿支撐部件上的直線導(dǎo)軌移動(dòng)，按照XYZ坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)疊加的串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，形成刀具相對于加工工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床：以機(jī)床框架為固定平臺(tái)的若干個(gè)桿件組成空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主軸部件安裝在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上，工作臺(tái)與機(jī)床框架連接在一起，改變桿件的長度或移動(dòng)桿件的支點(diǎn)，按照并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理形成刀具相對于加工零件的運(yùn)動(dòng)軌跡。p 并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)精度高：有效地減少了運(yùn)動(dòng)鏈的長度，將支撐與傳動(dòng)功能集成一體可實(shí)現(xiàn)高速加工：運(yùn)動(dòng)部件少，質(zhì)量輕，有利于獲得高的進(jìn)給速度機(jī)床剛性好：消除了懸臂結(jié)構(gòu)，沒有橫梁、立柱等承受彎曲的載荷部件結(jié)構(gòu)簡單4.2.4 開放

10、式計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)p 現(xiàn)代數(shù)字化裝備的發(fā)展對數(shù)控系統(tǒng)的要求高速、高效、復(fù)合、精密、智能、環(huán)保等是世界數(shù)字化裝備的發(fā)展趨勢，而網(wǎng)絡(luò)化、智能化、開放式計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高水平裝備的保證。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用型、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展p 開放式計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)特征功能模塊具有可移植性；模塊具有可擴(kuò)展性；重新配置的可縮放性；容易實(shí)現(xiàn)與其他自動(dòng)化設(shè)備互連的可操作性。4.2.5 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢p 加快發(fā)展高速、高精加工技術(shù)及裝備高速主軸單元(電主軸，轉(zhuǎn)速15000 100000r/min)高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件(快移速度60120m /min，切削進(jìn)給速

11、度高達(dá)60m/min)目前，在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達(dá)到50008000 m/min以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在30000 r/min(有的高達(dá)10萬r/min)以上；工 作臺(tái)的移動(dòng)速度(進(jìn)給速度)：在分辨率為1微米時(shí)，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率為0.1微米時(shí)，在24m/min以上； 自動(dòng)換刀速度在1秒以內(nèi)；小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到12m/min。特征:高生產(chǎn)率和剛性結(jié)構(gòu)，很難實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品的改變。p 快速發(fā)展五軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床采用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工三維曲面零件，可用具有最佳幾何形狀的刀具進(jìn)行切削，不僅粗糙度小，而且切削效率也可得到大幅提高。電主軸的出現(xiàn)，使

12、得實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距也因此縮小，促進(jìn)了復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)類型五洲聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床的發(fā)展p 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化p 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立4.3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)4.3.1 工業(yè)機(jī)器人的基本概念p 工業(yè)機(jī)器人的定義1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)?！蔽覈茖W(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。

13、分類名稱簡要解釋操作型機(jī)器人能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。程控型機(jī)器人按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。示教再現(xiàn)型機(jī)器人通過引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。數(shù)控型機(jī)器人不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。感覺控制型機(jī)器人利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。適應(yīng)控制型機(jī)器人機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。智能機(jī)器人以人工智能決定其行動(dòng)的

14、機(jī)器人。p 機(jī)器人的分類p 工業(yè)機(jī)器人的基本組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是由安裝在機(jī)體上的若干個(gè)回轉(zhuǎn)（或移動(dòng)）關(guān)節(jié)與桿件相互聯(lián)接構(gòu)成的多自由度主動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，人們力圖把它設(shè)計(jì)成具有擬人的手臂或動(dòng)物肢體動(dòng)作功能的一種固定式或移動(dòng)式的機(jī)器。控制系統(tǒng)包括：人-機(jī)接口裝置（鍵盤、示教盒、操縱桿等），具有存貯記憶功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)、PLC或其他可編程邏輯控制裝置），各種傳感器的信息放大傳輸及信息處理裝置、速度、位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（交、直流PWM、電-液伺服系統(tǒng)或其他繼電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等）與外部設(shè)備、傳感器、離線編程設(shè)備等通信的輸入/輸出接口以及各種電源裝置等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體

15、，驅(qū)動(dòng)臂桿完成制定的運(yùn)動(dòng)。常用的驅(qū)動(dòng)器有電動(dòng)機(jī)、液壓和氣動(dòng)裝置等位置檢測裝置通過力傳感器、位移傳感器、觸覺傳感器等檢測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置和工作狀態(tài)，并隨時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度和速度達(dá)到設(shè)定的位置。4.3.2 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)p 機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)通常由控制計(jì)算機(jī)、示教盒、控制面板、存儲(chǔ)器、檢測傳感器、I/O結(jié)構(gòu)、通信接口等部分組成。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：機(jī)器人有若干個(gè)關(guān)節(jié)，多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)要求各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端操作器進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)或軌跡運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ)償、解耦、自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。

16、對于較高級(jí)的機(jī)器人，要求對環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測定和分析，并按給定的要求自動(dòng)選擇最佳控制規(guī)律。p 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類按驅(qū)動(dòng)方式，可分為液動(dòng)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。按控制方式，可分為順序控制、程序控制、適應(yīng)控制和人工智能控制系統(tǒng)。按機(jī)器人手部運(yùn)動(dòng)軌跡，可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)輪廓控制系統(tǒng)。按控制總線標(biāo)準(zhǔn)，可分為國際標(biāo)準(zhǔn)總線控制系統(tǒng)和自定義總線控制系統(tǒng)。按編程方式，可分為物理設(shè)置編程、示教編程和離線編程控制系統(tǒng)。4.3.3 工業(yè)機(jī)器人的編程技術(shù)用機(jī)器人代替人進(jìn)行作業(yè)時(shí)，必須預(yù)先對機(jī)器人發(fā)出指示，規(guī)定機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)該完成的動(dòng)作和作業(yè)的具體內(nèi)容，這個(gè)過程就稱為對機(jī)器人的示教或?qū)C(jī)器人的編程

17、。手控示教編程法離線編程法機(jī)器人語言及其分類4.3.4 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用 點(diǎn)焊機(jī)器人裝配每臺(tái)汽車車體一般大約需要完成30004000個(gè)焊點(diǎn)，其中60是由點(diǎn)焊機(jī)器人完成的。 弧焊機(jī)器人日本汽車工業(yè)使用的一種曲柄式弧焊機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)方式采用交、直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，用于焊接車架的側(cè)粱或雙輪機(jī)動(dòng)管結(jié)構(gòu)車架。 噴漆機(jī)器人 日本TOKICO公司生產(chǎn)的RPA 856RP關(guān)節(jié)式噴漆機(jī)器人。該機(jī)器人由操作機(jī)、控制箱、修正盤和液壓源四部分組成；有6個(gè)自由度，可連接工件傳送裝置做到同步操作。手腕為伺服控制型。末端接口可安裝兩個(gè)噴槍同時(shí)工作 裝配機(jī)器人 搬運(yùn)機(jī)器人 該機(jī)器人是用來抓取、搬運(yùn)來自輸送帶或輸送機(jī)上流動(dòng)的物

18、品的自動(dòng)化裝置。主要由搬人機(jī)械部件、機(jī)器主體部件、搬出機(jī)械部件和系統(tǒng)控制等基本部分組成。 4.4 柔性制造技術(shù)4.4.1 柔性制造技術(shù)概述u 美國國家標(biāo)準(zhǔn)局定義：由一個(gè)傳輸系統(tǒng)聯(lián)接起來的一些設(shè)備(通常是具有自動(dòng)換刀裝置的加工中心機(jī)床)組成，傳輸裝置把工件放在托盤或其他聯(lián)接裝置上送到各加工設(shè)備，加工設(shè)備和傳輸系統(tǒng)在中央計(jì)算機(jī)控制下，使工件加工準(zhǔn)確、迅速和自動(dòng)化。 由2臺(tái)或更多NC機(jī)床組成的系統(tǒng)，這些機(jī)床與自動(dòng)物料管理設(shè)備一一連接，在計(jì)算機(jī)或類似設(shè)備控制下完成自動(dòng)加工或處理操作，從而可加工多個(gè)不同形狀和尺寸的工件。 4.4.2 柔性制造系統(tǒng)p 柔性制造系統(tǒng)特征柔性制造系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和物料輸送系統(tǒng)，把若干臺(tái)設(shè)備聯(lián)系起來，形成沒有固定加工順序和節(jié)拍的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。它在加工完一批某種工件后，能在不停機(jī)調(diào)整的情況下，自動(dòng)地向另一種工件轉(zhuǎn)換。其主要特征是：高柔性 高效率 高度自動(dòng)化p 柔性制造系統(tǒng)的組成4.4.3 柔性制造系統(tǒng)的加工系統(tǒng)CNC（MC