制造自動化技術(shù)n

1、第四章第四章 制造自動化技術(shù)制造自動化技術(shù) 制造自動化技術(shù) 1 制造自動化技術(shù)概述 2 數(shù)控加工技術(shù) 3 工業(yè)機器人 4 裝配自動化 5 柔性制造系統(tǒng) 1 制造自動化技術(shù)概述 1.1 制造自動化技術(shù)內(nèi)涵 1.2 制造自動化的發(fā)展及現(xiàn)狀 1.3 制造自動化的趨勢 1.1 制造自動化技術(shù)內(nèi)涵 自動化是美國通用汽車公司DSHarder于1936年提 出，核心含義是“自動完成特定的作業(yè)”。隨著 科學(xué)技術(shù)的進步，自動化的功能目標在不斷隨著 自動化手段的提高，時代的進步而變化。 制造自動化是在制造過程的所有環(huán)節(jié)中采用自動 化技術(shù)，實現(xiàn)制造過程的自動化。其任務(wù)是研究 對制造過程的規(guī)劃，管理，組織，控制與協(xié)調(diào)

2、優(yōu) 化等的自動化，以使制造過程實現(xiàn)高效，優(yōu)質(zhì)， 低耗，及時和潔凈的目標。 1.1 制造自動化技術(shù)內(nèi)涵 制造自動化的內(nèi)涵包括如下方面： 1）在形式方面 包括替代人的體力勞動，替代和 輔助人的腦力勞動，制造系統(tǒng)中人、機器及系 統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化 2）在功能方面 制造自動化的功能目標是多方面 的，可以用TQCSE描述 3）在范圍方面 制造自動化不僅涉及到具體生產(chǎn) 制造過程，而且涉及到產(chǎn)品生命周期的所有過 程。 1.2 制造自動化的發(fā)展及現(xiàn)狀 制造自動化技術(shù)的發(fā)展過程 第一階段：剛性自動化，包括剛性自動線和自動單機 在20世紀4050年代已相當成熟，應(yīng)用傳統(tǒng)的機械設(shè) 計和制造工藝方法，采用專用

3、機床和組合機床，自動單 機和自動化生產(chǎn)線進行大批量生產(chǎn)。其特征是高生產(chǎn)效 率和剛性結(jié)構(gòu)，很難實現(xiàn)產(chǎn)品的改變。 第二階段：數(shù)控加工 NC和CNC NC在本世紀50-70年代發(fā)展，到70-80年代CNC迅速發(fā) 展，特點：柔性好、加工質(zhì)量高，適用于多品種，小批 量的生產(chǎn)。 1.2 制造自動化的發(fā)展及現(xiàn)狀 第三階段：柔性制造 包括計算機直接數(shù)控DNC，柔性制造單元FMC， FMS，柔性加工線FML等，特征：強調(diào)制造過 程的柔性、高效率，適應(yīng)于多品種，中小批量 的生產(chǎn)。 第四階段：計算機集成制造系統(tǒng)CIMS 特征是強調(diào)制造全過程的系統(tǒng)性和集成性。 第五階段：智能制造系統(tǒng) IMS。 1.2 制造自動化的發(fā)

4、展及現(xiàn)狀 1制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)已成 為制造自動化研究中熱點問題 2更加注重研究制造自動化系統(tǒng)中人的作 用的發(fā)揮 3單元系統(tǒng)的研究仍然占有重要的位置 4制造過程的計劃和調(diào)度研究十分活躍， 但實用化的成果還不多見 5適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)模式的制造環(huán)境的研究正 在興起 1.3 制造自動化的趨勢 1）對無人制造自動化進行反思，提出“人機 一體化制造系統(tǒng)的思想” 2）單元控制器的研究占重要地位 單元控制軟件的發(fā)展， 控制軟件的模塊化，標準化 新的設(shè)計方法 發(fā)展新型控制體系結(jié)構(gòu)，遞階控制結(jié)構(gòu)非遞 階，自治協(xié)商式控制體系結(jié)構(gòu) 人工智能技術(shù) 1.3制造自動化的趨勢 3）平臺技術(shù)的研究與平臺軟件的開發(fā)是制造

5、自 動化發(fā)展的方向 IBM Enabler DEC Basestar, HP AFCON 的PCIM 4）現(xiàn)代制造模式的提出和研究直接推動自動化 的發(fā)展 虛擬制造（Virtual Manufacturing） 動態(tài)組織聯(lián)盟 （Virtual Organization） 5）智能制造將是未來制造自動化發(fā)展的重要發(fā) 展方向 Agent技術(shù) 2 數(shù)控加工技術(shù) 2.1 數(shù)控技術(shù) 2.2 數(shù)控加工技術(shù)基礎(chǔ) 2.3 數(shù)控編程 2.4 計算機數(shù)字控制技術(shù) 2.5 應(yīng)用與發(fā)展 2.1 數(shù)控技術(shù) 數(shù)字控制（Numerical Control）技術(shù)，簡稱數(shù) 控（NC）技術(shù)，是20世紀中期發(fā)展起來的 一種自動控制技

6、術(shù)，是指用數(shù)字化信息對 機械設(shè)備的運動及其加工過程進行控制的 一種方法。 2.2數(shù)控加工技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)控技術(shù)是綜合了計算機、自動控制、電機、 電氣傳動、測量、監(jiān)控、機械制造等學(xué)科領(lǐng)域 最新成果而形成的一門邊緣科學(xué)。 數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字化信號對設(shè)備運行及其加 工過程進行控制的一種自動化技術(shù)，它是一種 可編程的自動控制方式，它控制的量一般是位 置、角度、速度等機械量，也有溫度、壓力、 流量、顏色等物理量。 2.2數(shù)控加工技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)控機床就是采用了數(shù)控技術(shù)的機床，或 著說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床 數(shù)控機床的組成 2.2 數(shù)控加工技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)控機床的特點 能加工一般機床難以加工的復(fù)雜型面 精度高，質(zhì)量穩(wěn)定

7、 生產(chǎn)率高 具有廣泛的適應(yīng)性和靈活性 一機多用 在制品少，加速了流動資金的周轉(zhuǎn) 改善生產(chǎn)環(huán)境，減少勞動強度 實現(xiàn)較精確的成本核算和生產(chǎn)進度安排 2.2數(shù)控加工技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)控機床的分類 按運動控制分類：點位控制數(shù)控機床 、直線控制 數(shù)控機床、輪廓控制數(shù)控機床 按控制回路分類：開環(huán)控制數(shù)控機床 、閉環(huán)控制 數(shù)控機床 、半閉環(huán)控制數(shù)控機床 、混合控制數(shù) 控機床 按數(shù)控裝置分類：硬件式數(shù)控機床、軟件式數(shù)控 機床 按加工類型分類：金屬切削類數(shù)控機床、金屬成 型類數(shù)控機床、特種加工類數(shù)控機床、其它類數(shù) 控機床 2.2數(shù)控加工技術(shù)基礎(chǔ) 按同時控制的坐標軸分類：2軸、2.5軸、3 軸、4軸、5軸或多軸類的數(shù)控

8、機床 按伺服驅(qū)動裝置分類：液壓驅(qū)動式數(shù)控機 床、氣動式數(shù)控機床、直流伺服和交流伺 服數(shù)控化機床 按定位坐標分類：絕對坐標系統(tǒng)數(shù)控機床 和增量坐標系統(tǒng)數(shù)控機床 2.3數(shù)控編程 數(shù)控編程是數(shù)控加工準備階段的主要內(nèi)容 之一，通常包括分析零件圖樣，確定加工 工藝過程；計算走刀軌跡、得出刀位數(shù)據(jù)、 編寫數(shù)控加工程序、制作控制介質(zhì)、校對 程序及首件試切。 手工編程和自動編程 從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過程 2.3數(shù)控編程 NC編程步驟 2.3數(shù)控編程 首先對零件圖紙進行工藝分析，在工藝分析的基 礎(chǔ)上作出各種處理，如確定對刀點、加工路線、 選擇刀具和切削用量等 然后進行必要的計算，確定的工藝過程、工藝

9、參 數(shù)、刀具位移量與方向以及其它輔助操作 按加工路線和所用數(shù)控機床控制機規(guī)定的指令代 碼以及程序格式編制出程序單 根據(jù)程序單穿孔制帶或?qū)⒊绦騿蝺?nèi)容手動輸入控 制機，以控制機床加工 2.3數(shù)控編程 數(shù)控加工程序編制分為：手工編程和自動編程 自動編程有兩種方法：數(shù)控語言編程和圖形交換 數(shù)控編程 圖形交互數(shù)控編程：編程人員通過圖象系統(tǒng)，以 人與計算機實時對話的交互方式在機內(nèi)逐步生成 零件幾何圖形數(shù)據(jù)和走刀軌跡數(shù)據(jù)，并在圖形顯 示器屏幕上顯示圖形，并可對圖形的內(nèi)容、格式、 大小、或色彩進行動態(tài)控制。 2.4 計算機數(shù)字控制系統(tǒng) 數(shù)控機床在數(shù)控系統(tǒng)控制下，自動按給定 的程序進行零件加工。CNC系統(tǒng)由程序

10、， 輸入輸出設(shè)備，計算機數(shù)字控制裝置，可 編程控制器，主軸控制單元和進給速度控 制單元等組成，如圖所示 2.4計算機數(shù)字控制系統(tǒng) CNC的硬件結(jié)構(gòu) 單微處理機機構(gòu) 多微處理器機構(gòu) CNC的軟件結(jié)構(gòu) 2.4計算機數(shù)字控制系統(tǒng) 軟件的工作過程如圖 2.4計算機數(shù)字控制系統(tǒng) CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)特點： CNC裝置的多任務(wù)并行處理 前后臺型軟件結(jié)構(gòu) 中斷型軟件結(jié)構(gòu) 2.5 應(yīng)用與發(fā)展 數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了幾代變化 第一代數(shù)控硬件系統(tǒng)， 采用電子元件構(gòu)成的專用 數(shù)控系統(tǒng) 第二代數(shù)控硬件系統(tǒng)，采用晶體管電路的NC系統(tǒng) 第三代數(shù)控硬件系統(tǒng)，采用中，小型集成電路的 NC系統(tǒng) 第四代數(shù)控硬件系統(tǒng)，采用大規(guī)模集成電路的

11、小 型通用電子計算機控制系統(tǒng) 第五代數(shù)控硬件系統(tǒng)，采用微型電子計算機和微 處理機組成的控制系統(tǒng)。 2.5 應(yīng)用與發(fā)展 高速度，高精度化 智能化 基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動化 發(fā)展可靠性最大化 開放化 網(wǎng)絡(luò)化 2.5 應(yīng)用與發(fā)展 市場激烈競爭，產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代，采用各 類數(shù)控設(shè)備、加工中心、柔性制造單元、柔性 制造系統(tǒng)乃至計算機集成制造系統(tǒng)，是必然的 趨勢。 數(shù)控技術(shù)已是衡量一個國家機械制造工業(yè)水 平的重要標志之一，更是體現(xiàn)一個機械制造企 業(yè)技術(shù)水平的重要標志。 發(fā)展數(shù)控技術(shù)是當前我國機械制造業(yè)技術(shù)改造 的必經(jīng)之路，是未來工廠自動化的基礎(chǔ)。 3 3 裝配自動化裝配自動化 3.1 裝配自動化

12、概述 3.2 裝配工藝規(guī)程的制定 3.3 機器裝配自動化 3.13.1裝配自動化概述裝配自動化概述 任何機器都是由許多零件裝配而成的。裝配是 機器制造中的最后階段，機器的質(zhì)量是通過裝 配保證的，裝配質(zhì)量在很大程度上決定機器的 最終質(zhì)量。 在裝配過程中，可以發(fā)現(xiàn)機器設(shè)計和零件加工 質(zhì)量等所存在的問題，并加以改進，以保證機 器的質(zhì)量。 選擇合適的裝配方法，制定合理的裝配工藝規(guī) 程是提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要保證。 3.13.1裝配自動化概述裝配自動化概述 任何機器都是由零件，套件，組件，部件等組 成，為保證有效進行裝配，通常將機器劃分為 若干能進行獨立裝配的部分，稱為裝配單元。 裝配單元 零件，是

13、組成機器的最小單元。它是由整塊 金屬或其他材料制成。零件一般都預(yù)先裝成 套件，組件，部件后才安裝到機器上，直接 裝入機器的零件不太多。 3.13.1裝配自動化概述裝配自動化概述 套件，是在以及基準零件上，裝上一個或 若干各零件構(gòu)成的，它是最小的裝配單元。 如圖z-1所示 組件，是在一個基準零件上，裝上若干套 件及零件構(gòu)成。為形成組件而進行的裝配 稱之為組裝，組件在以后的裝配中可拆， 見圖z-2 3.13.1裝配自動化概述裝配自動化概述 部件，是在一個基準零件上，裝上若干組件， 套件和零件構(gòu)成的。部件在機器中能完成一 定的，完整的功能。為形成部件而進行的裝 配工作稱之為部裝，見圖z-3。 整臺機

14、器，在一個基準零件上裝上若干 部件、組件、套件和零件就構(gòu)成整臺機 器，把它們裝配成最終整臺機器產(chǎn)品的 過程，稱為總裝。 圖z-1 套件 圖z-2組件裝配系統(tǒng)圖 圖z-3部件裝配系統(tǒng)圖 3.13.1裝配自動化概述裝配自動化概述 裝配工藝系統(tǒng)圖裝配工藝系統(tǒng)圖 概念：在裝配工藝規(guī)程制定過程中，表明產(chǎn)品零、 部件間相互裝配關(guān)系及裝配流程的示意圖。 表示方法：圖中每一個零件用一個方格來表示，在 表格上表明零件名稱、編號及數(shù)量。 一般將零件畫在上方，把套件、組件、部件畫在下 方，其排列的次序就是裝配的次序，見圖z-4。 圖z-4 機器裝配系統(tǒng)圖 3.23.2裝配工藝規(guī)程的制定裝配工藝規(guī)程的制定 裝配工藝規(guī)

15、程是指導(dǎo)裝配生產(chǎn)的主要技術(shù)文件， 制定裝配工藝規(guī)程是生產(chǎn)技術(shù)準備工作的主要 內(nèi)容之一。 3.23.2裝配工藝規(guī)程的制定裝配工藝規(guī)程的制定 1. .裝配工藝規(guī)程的主要內(nèi)容裝配工藝規(guī)程的主要內(nèi)容 分析產(chǎn)品圖樣，劃分裝配單元，確定裝配方法 擬定裝配順序，劃分裝配工序 計算并確定裝配時間定額 確定各工序裝配技術(shù)要求，質(zhì)量檢查方法和檢查工具 規(guī)劃裝配過程的物流陪送規(guī)范 確定裝配時零部件的輸送方法及所需設(shè)備和工具 選擇和設(shè)計裝配過程中所需的工具，夾具和專用設(shè)備 規(guī)劃裝配后的物流 3.23.2裝配工藝規(guī)程的制定裝配工藝規(guī)程的制定 2.制定裝配工藝規(guī)程的原則制定裝配工藝規(guī)程的原則 保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量，力求提高質(zhì)

16、量 合理安排裝配順序和工序，盡量減少鉗工手工勞動量， 縮短周期，提高效率 盡量減少裝配占地面積 減少裝配工作所占成本 提高裝配的自動化程度，提高裝配過程的柔性。 3.制定裝配工藝規(guī)程的原始資料制定裝配工藝規(guī)程的原始資料 產(chǎn)品的裝配圖及驗收技術(shù)標準 產(chǎn)品的生產(chǎn)綱領(lǐng) 生產(chǎn)條件 3.23.2裝配工藝規(guī)程的制定裝配工藝規(guī)程的制定 制定裝配工藝規(guī)程的步驟制定裝配工藝規(guī)程的步驟 研究產(chǎn)品的裝配圖及驗收技術(shù)條件 確定裝配方法與組織形式 劃分裝配單元，確定裝配順序 劃分裝配工序 編制裝配工藝文件 3.33.3機器裝配自動化機器裝配自動化 1.裝配自動化概況裝配自動化概況 裝配過程自動化包括零件的供給、裝配 對

17、象的運送、裝配作業(yè)、裝配質(zhì)量檢測 等環(huán)節(jié)的自動化。 3.33.3機器裝配自動化機器裝配自動化 2.自動裝配機與裝配機器人自動裝配機與裝配機器人 自動裝配機與裝配機器人可用于各種形式的裝 配自動化： 1）在機械加工中，工藝成套件裝配 2）被加工零件的組，部件裝配 3）用于順序焊接的零件的拼裝 4）成套部件的設(shè)備的總裝。 3.33.3機器裝配自動化機器裝配自動化 自動裝配機與裝配機器人可以完成下列形式的操作： 零件傳輸，定位及其連接； 用壓裝或由緊固螺釘、螺母使零件相互固定； 自動焊接裝配； 裝配尺寸控制，以保證零件連接或固定的質(zhì)量； 輸送組裝完畢的部件或產(chǎn)品，并將其包裝或堆垛 4 4 工業(yè)機器人

18、工業(yè)機器人 4.1 工業(yè)機器人概述 4.2 機器人控制技術(shù) 4.3 機器人編程 4.4 應(yīng)用與發(fā)展 工業(yè)機器人工業(yè)機器人 工業(yè)機器人工業(yè)機器人 4.14.1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人概述 1. 1.基本概念基本概念 工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程和多功能的操作 手，用于物料，零件和工具或是一種可完成各 種任務(wù)的可編程的專用系統(tǒng)。機器人技術(shù)綜合 了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、 人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)。 4.14.1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人概述 工業(yè)機器人與機械手 機械手是模擬人手和臂動作的機電系統(tǒng)，根據(jù) 機電耦合原理，按主從原則進行工作，它只是 人手和臂的延伸，沒有自主能

19、力，附屬于主機 設(shè)備，動作簡單，操作程序固定的重復(fù)操作， 定位點不變的操作裝置。 機器人則是有獨立機械機構(gòu)和控制系統(tǒng)，能自 主，運動復(fù)雜，工作自由度多，操作程序可變， 可任意定位的自動化操作機。 4.14.1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人概述 工業(yè)機器人的定義在“可編程”“計算機控 制”“機械裝置”三方面的共同點是： 1）工業(yè)機器人是一種機械裝置，可以搬運物料、 零件、工具或完成多種操作功能的專用機械裝 置； 2）它由計算機進行控制，是無人參與的自主自 動化控制系統(tǒng)； 3）它是可編程，具有柔性的自動化系統(tǒng)，可以 允許進行人機聯(lián)系。 4.14.1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人概述 2. 2.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

20、 工業(yè)機器人由操作機、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng) 和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動 控制、可重復(fù)編程，能在三維空間完成各種作 業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備，適合于多品 種，變批量的柔性生產(chǎn)。 一個機器人系統(tǒng)，由相互作用的四部分組成： 機械手、環(huán)境、任務(wù)和控制器，如圖z-6所示 4.14.1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人概述 圖z-6 機器人系統(tǒng)的組成 4.14.1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人概述 其中機械手是具有傳動執(zhí)行裝置的機械，由臂、關(guān)節(jié)和末端 執(zhí)行裝置構(gòu)成，組合為一個相互連接和相互依賴的運動機構(gòu)。 環(huán)境即機器人所處環(huán)境，不僅由幾何條件所決定，而且由環(huán) 境和它所包含的每個事物的全部自然特性決定。

21、任務(wù)是環(huán)境的兩種狀態(tài)（初始狀態(tài)和目標狀態(tài)）間的差別。 控制器是機器人的腦子，一般是計算機，機器人接受來自傳 感器的信號，對之進行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存信息，機器人 的狀態(tài)及環(huán)境情況，產(chǎn)生控制信號驅(qū)動機器人的各個關(guān)節(jié)。 4.14.1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人概述 3.3.機器人的分類機器人的分類 按機器人研究開發(fā)分：工業(yè)機器人，人工智能機器人 按自動化功能層次分：操作機器人，順序控制機器人，示教再現(xiàn)機 器人，數(shù)控機器人，傳感控制機器人，智能機器人，自適應(yīng)機器人， 學(xué)習(xí)控制機器人 按技術(shù)級別分：第一代，第二代，第三代 按運動自由度分：無冗余自由度，有冗余自由度 按坐標系分類：笛卡兒坐標型，極坐標型，圓

22、柱坐標型，多關(guān)節(jié)型， SCARA型 按控制原理分：有限順序控制，伺服控制，傳感器控制，力控制， 變結(jié)構(gòu)控制，自適應(yīng)控制，智能控制 按運動控制特性分：點位控制，連續(xù)控制 按傳動類型分：氣動，液壓傳動，電氣傳動，復(fù)合傳動 按用途分：工業(yè)機器人，探索機器人，服務(wù)機器人，軍事機器人 4.24.2機器人控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng) 1. 1.機器人控制的驅(qū)動系統(tǒng)機器人控制的驅(qū)動系統(tǒng) 機器人關(guān)節(jié)由專門型式的執(zhí)行裝置驅(qū)動，其常 用的驅(qū)動系統(tǒng)是電力，液壓或氣動驅(qū)動系統(tǒng)， 最常見的驅(qū)動方式是每個關(guān)節(jié)用一個直流電機 驅(qū)動。 4.24.2機器人控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng) 2. 2.機器人控制類型機器人控制類型 機器人的控制器

23、可分為 1）有限順序控制，原理如下 4.24.2機器人控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng) 2）伺服控制，原理如下 4.24.2機器人控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng) 3）智能控制，原理如下 4.34.3機器人編程機器人編程 機器人編程指的是規(guī)定機器人的機械操作裝置 應(yīng)該遵循的空間路徑和與其作業(yè)循環(huán)相關(guān)活動 的指令。把程序指令寫入機器人控制器的存儲 器，完成其程序編制。 有三種編程方法：示教再現(xiàn)編程、計算機型機 器人編程語言、離線編程 4.34.3機器人編程機器人編程 1 1示教再現(xiàn)編程示教再現(xiàn)編程 示教再現(xiàn)是由人工控制法引導(dǎo)機器人完成用戶希望機 器人完成的一套作業(yè)動作，經(jīng)編輯后機器人自動再現(xiàn) 示教過的全套作業(yè)動作。

24、 它分為三個步驟：由人工控制引導(dǎo)機器人以比較慢的 動作完成作業(yè)，并在合適的位置記錄機器人的關(guān)節(jié)角； 由機器人控制器編程后，再現(xiàn)示教的全部作業(yè)動作； 若經(jīng)檢測，示教動作正確，作業(yè)動作完整，機器人以 適當高的速度自動重復(fù)作業(yè)的全部動作。 示教方法有：機動引導(dǎo)法；手動引導(dǎo)法。 4.34.3機器人編程機器人編程 2 2機器人語言編程機器人語言編程 機器人語言編程是用戶與機器人之間的接口。 根據(jù)作業(yè)描述水平的高低，通常分為 動作級、對象級、任務(wù)級 4.34.3機器人編程機器人編程 動作級編程語言是以機器人的動作作為描述中 心，通常由手抓從一個位置到另一個位置的一 系列命令組成，代表語言VAL。 對象級編

25、程語言是描述操作物體間關(guān)系使機器 人動作的語言，是以描述操作物體之間的關(guān)系 為中心的語言，語言有AML，AUTOPASS 任務(wù)級編程語言是比較高級的機器人語言，允 許使用者對工作任務(wù)所要求達到的目標直接下 命令，不需要規(guī)定機器人所作的每個動作細節(jié)。 4.34.3機器人編程機器人編程 3 3離線編程離線編程 離線編程是機器人編程語言的拓廣，利用計算 機圖形學(xué)的成果，建立機器人及其工作環(huán)境磨 削，再利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的控制 和操作，在離線的情況下進行軌跡規(guī)劃。離線 編程系統(tǒng)是利用計算機圖形學(xué)，建立機器人編 程環(huán)境，在線外進行編程的系統(tǒng)，不占用機動 時間，提高了設(shè)備利用率，提高編程水平。同

26、 時它是CADCAM一體化的一個組成部分，有時 可直接利用CAD的數(shù)據(jù)，減少編程時間。 4.34.3機器人編程機器人編程 離線編程系統(tǒng)的基本組成：離線編程系統(tǒng)的基本組成： 用戶接口 機器人系統(tǒng)的三維幾何建模 運動學(xué)計算 軌跡規(guī)劃 三維圖形動態(tài)仿真 通訊及后處理 誤差的校正 機器人的應(yīng)用領(lǐng)域機器人的應(yīng)用領(lǐng)域 弧焊機器人弧焊機器人 激光焊機器人激光焊機器人 電阻焊機器人電阻焊機器人 自動化焊接機器人自動化焊接機器人 點焊機器人點焊機器人 等離子切割機器人等離子切割機器人 機器人的應(yīng)用領(lǐng)域機器人的應(yīng)用領(lǐng)域 清潔機器人清潔機器人 上料機器人上料機器人 物料輸送機器人物料輸送機器人 材料去除機器人材料去

27、除機器人 包裝機器人包裝機器人 噴漆機器人噴漆機器人 堆跺機器人堆跺機器人 機器人的應(yīng)用領(lǐng)域機器人的應(yīng)用領(lǐng)域 涂層機器人涂層機器人 去毛刺機器人去毛刺機器人 磨銷機器人磨銷機器人 高溫噴涂機器人高溫噴涂機器人 1 1機器人的發(fā)展歷程機器人的發(fā)展歷程 20世紀50年代機器人的萌芽期，1954年首次提出“工業(yè)機器人”的 概念，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺數(shù)控工業(yè)機器人原 型；1958年美國UNIMATION公司推出第一臺工業(yè)機器人。 20世紀60年代，工業(yè)機器人進入成長期，開始向?qū)嵱没A段發(fā)展， 并用于焊接和噴涂作業(yè)中 20世紀70年代，機器人今天實用化階段，日本成為機器人王國 20世紀

28、80年代，機器人進入普及時代，開始在汽車，電子等行業(yè) 得到大量使用，推動機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 20世紀90年代，機器人進入高潮期，還出現(xiàn)了有感知，決策， 動 作能力的智能機器人，產(chǎn)生了智能機器或機器人化機器。 4.4 4.4 應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展 4.44.4應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展 2 2發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 工業(yè)機器人性能不斷提高，價格下降。 機械結(jié)構(gòu)向模塊化，可重構(gòu)化發(fā)展 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開發(fā)型控制器方向 發(fā)展，便于標準化，網(wǎng)絡(luò)化 機器人中的傳感器作用日益重要 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已經(jīng)發(fā)展到用于過程 控制 當代遙控機器人發(fā)展致力于操作者與機器人的交互控 制 機器人化機械開始

29、興起。 5 柔性制造系統(tǒng) 5.1柔性制造系統(tǒng)概述 5.2柔性制造系統(tǒng)的基本概念 5.3柔性制造系統(tǒng)的加工系統(tǒng) 5.4柔性制造系統(tǒng)的物流系統(tǒng) 5.5柔性制造系統(tǒng)的刀具儲運系統(tǒng) 5.6柔性制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 5.1柔性制造系統(tǒng)概述 FMS的雛形源于美國MALROSE公司，該公 司在1963年制造了世界上第一條多品種柴油 機零件的數(shù)控生產(chǎn)線。 FMS的概念由英國MOLIN公司最早正式提 出，并在965年取得了發(fā)明專利，1967年FMS 正式形成。 5.1柔性制造系統(tǒng)概述 柔性制造技術(shù)是一種主要用于多品種小批 量或變批量生產(chǎn)的制造自動化技術(shù)，它是 對各種不同形狀加工對象進行有效適應(yīng)性 轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的各種

30、技術(shù)總稱。它是集數(shù)控 技術(shù)、計算機技術(shù)、機器人技術(shù)以及現(xiàn)代 管理技術(shù)為一體的現(xiàn)代制造技術(shù)。 5.1柔性制造系統(tǒng)概述 FMS的適用范圍如圖 根據(jù)“中華人民共和國國家軍用標準”有關(guān)“武器裝備柔 性制造系統(tǒng)術(shù)語”的定義，F(xiàn)MS被定義為：“柔性制造柔性制造 系統(tǒng)（系統(tǒng)（Flexible Manufacturing SystemFlexible Manufacturing System，簡稱，簡稱FMSFMS）是數(shù)控加工）是數(shù)控加工 設(shè)備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化設(shè)備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化 制造系統(tǒng)。制造系統(tǒng)。它包括多個柔性制造單元柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或

31、生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進行調(diào)整迅速進行調(diào)整，適用于多品種、中小批量 生產(chǎn)。” 美國制造工程師協(xié)會的計算機輔助系統(tǒng)和應(yīng)用協(xié)會把柔性 制造系統(tǒng)定義為：“使用計算機控制柔性工作站柔性工作站和集成物集成物 料運儲裝置料運儲裝置來控制并完成零件族某一系列工序的，或一系 列工序的一種集成制造系統(tǒng)。” 5.2柔性制造系統(tǒng)基本概念 5.2柔性制造系統(tǒng)基本概念 1定義、組成及功能 FMS是由計算機集中管理和控制的制造系 統(tǒng)，具有多個獨立或半獨立工位的一套物 料儲存運輸系統(tǒng)，加工設(shè)備主要由數(shù)控機 床或加工中心等組成，用于高效率地制造 中小批量多品種零件地自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。 FMS的主要特點：柔性和自動化 柔性柔性，是指

32、制造系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)部及外部系統(tǒng)內(nèi)部及外部環(huán) 境的一種適應(yīng)能力，也是指制造系統(tǒng)能夠 適應(yīng)產(chǎn)品變化的能力，可分為瞬時、短期 和長期柔性三種。 凡具備上述三種柔性特征之一的、具有物 料或信息流的自動化制造系統(tǒng)都可以稱為 柔性自動化柔性自動化。 5.2柔性制造系統(tǒng)基本概念 FMSFMS的組成的組成 （1）從硬件上看，它由三部分 1）兩臺以上的數(shù)控機床或加工中心以及其它的 加工設(shè)備，包括測量機、清洗機、動平衡機、 各種特種加工設(shè)備等 2）一套能自動裝卸的運輸系統(tǒng)，包括刀具的運 儲和工件及原材料的運儲，具體結(jié)構(gòu)可采用傳 送帶、有軌小車、無軌小車、搬運機器人、上 下料托盤站等 3）一套計算機控制系統(tǒng)以及信息通

33、訊網(wǎng)絡(luò) 典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖 5.2柔性制造系統(tǒng)基本概念 （2）從軟件內(nèi)容上看： FMS運行控制系統(tǒng) FMS質(zhì)量保證系統(tǒng) FMS數(shù)據(jù)管理和通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 5.2柔性制造系統(tǒng)基本概念 FMSFMS的功能：的功能： 能自動管理零件的生產(chǎn)過程、自動控制制造質(zhì)量、 自動故障診斷及處理、自動信息收集及傳輸 簡單改變軟件和系統(tǒng)參數(shù)，便能制造出某一零件 族的多種零件 物料的運輸和儲存必須是自動的 能解決多機床條件下零件的混流加工，且無需額 外增加費用 具有優(yōu)化調(diào)度管理功能，能實現(xiàn)無人化或少人化 加工 5.2柔性制造系統(tǒng)基本概念 2 FMSFMS特征特征 保證系統(tǒng)具有一定柔性的同時，還具有較高的設(shè)備利用率

34、減少設(shè)備投資 減少直接工時費用 減少工序中的在制品量，縮短生產(chǎn)準備時間 加工對象具有快速應(yīng)變能力 維持生產(chǎn)能力強 產(chǎn)品質(zhì)量高，穩(wěn)定性好 運行靈活 產(chǎn)量靈活 便于實現(xiàn)工廠自動化 投資高，風(fēng)險大，管理水平要求高 5.2柔性制造系統(tǒng)基本概念 3FMS的柔性 柔性是FMS的顯著特征，系統(tǒng)柔性通常指產(chǎn)品柔 性，即系統(tǒng)為不同產(chǎn)品和產(chǎn)品變化進行設(shè)置，以 提高設(shè)備利用率，減少加工過程中零件的中間存 儲，迅速響應(yīng)需求變化，具體表現(xiàn)為： 機床的柔性 加工的柔性 零件加工路線的柔性 產(chǎn)量柔性 擴展柔性 生產(chǎn)柔性 5.2柔性制造系統(tǒng)基本概念 4類型 FMS按其規(guī)模分成四類： 柔性制造模塊 柔性制造單元 柔性制造線 柔

35、性制造系統(tǒng) 柔性制造工廠 加工系統(tǒng)在加工系統(tǒng)在FMSFMS中的作用中的作用: : 加工系統(tǒng)擔任把原材料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的任務(wù)， 是實際完成改變物性任務(wù)的執(zhí)行系統(tǒng). 加工系統(tǒng)是FMS最基本的組成部分，也是FMS中 耗資最多的部分，F(xiàn)MS的加工能力很大程度上是 由它所包含的加工系統(tǒng)所決定的。 5.3柔性制造系統(tǒng)加工系統(tǒng) 5.3柔性制造系統(tǒng)加工系統(tǒng) 1加工系統(tǒng)的功能與要求 加工系統(tǒng)是FMS最基本的組成，它滿足如下性能： 工序集中 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 5.3柔性制造系統(tǒng)加工系統(tǒng) 2加工系統(tǒng)常用配置形式 目前，F(xiàn)MS加工

36、的零件主要由兩大類：棱柱體 類零件，回轉(zhuǎn)體類零件。對于加工棱柱體零件， 其機床設(shè)備一般選用立式，臥式或者立臥兩用 的加工中心。用于加工回轉(zhuǎn)類零件的FMS，通 常選用數(shù)控車床或車削加工中心。 FMS機床設(shè)備的配置有互替式，互補式以及混 合式等多種形式。如圖所示： 5.3柔性制造系統(tǒng)加工系統(tǒng) 配備互補機床的FMS 這類FMS中，通過物料運儲系統(tǒng)將數(shù)臺NC機 床連接起來，不同機床的工藝能力可以互補， 工件通過安裝站進入系統(tǒng)，然后在計算機控 制下從一臺機床到另一臺機床，按順序加工。 工件通過系統(tǒng)的路徑是固定的。 特點：非常經(jīng)濟，生產(chǎn)率較高，能充分發(fā)揮 機床的性能。從系統(tǒng)的輸入和輸出的角度看， 互補機床

37、是串聯(lián)環(huán)節(jié)，它減少了系統(tǒng)的可靠 性，即當一臺機床發(fā)生故障時，全系統(tǒng)將癱 瘓。 配備可互相替換機床的FMS 系統(tǒng)中的機床可以互相代替，工件可 被送到適合加工它的任一臺任一臺加工中心 上。計算機的存儲器存有每臺機床的 工作情況，可以對機床分配加工零件、 一臺加工中心可以完成部分或全部加 工工序。 從系統(tǒng)的輸出和輸入看，它們是并聯(lián)并聯(lián) 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)，因而增加了系統(tǒng)的可靠性，同 時這種配置形式具有較大的柔性和較 寬的工藝范圍，可以達到較高的機床 利用率。 混合式FMS 這類FMS是互補式FMS和替換式FMS的綜 合，即FMS中有一些機床按替換式布置， 而另一些機床按互補式安排，以發(fā)揮各自 的優(yōu)點。大多數(shù)F

38、MS采用這種形式。 加工系統(tǒng)中常用加工設(shè)備簡介 加工中心（Machining Center，MC）是一種備有刀庫 并能按預(yù)定程序自動更換刀具，對工件進行多工 序加工的高效數(shù)控機床。它的最大特點是工序集工序集 中和自動化程度高，可減少工件裝夾次數(shù)，避免中和自動化程度高，可減少工件裝夾次數(shù)，避免 工件多次定位所產(chǎn)生的累積誤差，節(jié)省輔助時間，工件多次定位所產(chǎn)生的累積誤差，節(jié)省輔助時間， 實現(xiàn)高質(zhì)、高效加工實現(xiàn)高質(zhì)、高效加工。 常見加工中心按工藝用途工藝用途可分為鏜銑加工中心、 車削加工中心、鉆削加工中心、攻螺紋加工中心 及磨削加工中心等。 加工中心按主軸在加工時的空間位置主軸在加工時的空間位置可分為

39、立式 加工中心、臥式加工中心、立臥兩用（也稱萬能、 五面體、復(fù)合）加工中心。 鏜銑加工中心 是自身帶有刀庫和自動換刀裝置（ATC） 的一種多工序數(shù)控機床。 工件經(jīng)一次裝夾后，能完成銑、鏜、鉆、 鉸、攻螺紋等多種工序的加工，并且有多 種選刀或換刀切能，從而使生產(chǎn)效率利自 動化程度大大提高。 美國White Sundstrand公司生產(chǎn)的 OMNIMIL80系列加工中心 5.3柔性制造系統(tǒng)加工系統(tǒng) 3加工系統(tǒng)的輔助裝置 機床夾具 托盤 自動上下料裝置 5.4柔性制造系統(tǒng)的物流系統(tǒng) 物流系統(tǒng)的功能： 使工件在工作站間隨機而獨立運動 能裝卸不同形狀的工件 暫存儲功能 便于工件裝卸 與計算機控制兼容 5

40、.4柔性制造系統(tǒng)的物流系統(tǒng) 物料運輸與存儲系統(tǒng)包括： 物料傳輸設(shè)備（傳送帶、導(dǎo)向車、運輸小 車和搬運機器人） 物料存儲設(shè)備：自動化倉庫、托盤站和刀 具庫 物流控制系統(tǒng)：自動化倉庫控制系統(tǒng)、物 料識別控制系統(tǒng)、自動物料運輸設(shè)備控制 系統(tǒng)、上下料站控制系統(tǒng) 5.4柔性制造系統(tǒng)的物流系統(tǒng) FMS物流設(shè)備的布置： 行排列 環(huán)形布置 梯形布置 開放式布置 以機器人為中心 5.5柔性制造系統(tǒng)的刀具運儲系統(tǒng) 1刀具運儲系統(tǒng)的組成 典型的FMS刀具運儲系統(tǒng)通常由刀具預(yù)調(diào)站、刀 具裝卸站、刀庫系統(tǒng)、刀具運載交換裝置以及計 算機控制管理系統(tǒng)組成。 刀具預(yù)調(diào)站設(shè)置在FMS之外，用于FMS所應(yīng)用的 刀具按給定要求進行

41、預(yù)先裝配調(diào)整。刀具裝卸站 是刀具進出FMS的門戶，其結(jié)構(gòu)多為框架式。刀 具庫系統(tǒng)包括機床刀庫和中央刀具庫。刀具運載 交換裝置是一種在刀具裝卸站、中央刀具庫、機 床刀具庫之間進行刀具傳遞的交換的工具。 5.5柔性制造系統(tǒng)的刀具運儲系統(tǒng) 2刀具運載交換裝置 刀具運載通常由換刀機器人或刀具運輸小車實現(xiàn)。 它們負責完成在刀具裝卸站，中央刀具庫以及各加 工單元之間的刀具搬運和交換。 FMS中的刀具交換包括三個方面內(nèi)容：1）加工機 床刀具庫與工作主軸間的刀具交換，2）刀具裝卸 站，中央刀具庫以及各加工單元之間的刀具交換3） AGV運載刀架與機床刀庫之間的刀具交換。 3. FMS刀具運儲系統(tǒng)的主要職能 負責

42、刀具的運輸，存儲和管理，適時向加 工單元提供所需的刀具，監(jiān)控管理刀具的 使用，及時取走已報廢的刀具，保證正常 生產(chǎn)的同時，最大限度地降低刀具成本。 5.5柔性制造系統(tǒng)的刀具運儲系統(tǒng) 加工中心機床自動換刀方式 l）順序選刀方式 將所需使用的刀具按加工順序，依次放入刀庫的每個刀座內(nèi)。每次換刀 時，刀座按順序轉(zhuǎn)動一個刀座的位置，并取出所需的刀具。 2）刀座編碼方式 對刀庫的刀座進行編碼，并將與刀座編碼相對應(yīng)的刀具一一放入指定的 刀座中，然后根據(jù)刀座編碼選取刀具。 3）刀具編碼方式 采用特殊結(jié)構(gòu)的刀柄，并對每把刀具進行編碼。換刀時通過編碼識別裝 置，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的換刀指令代碼，在刀庫中尋找所需要的

43、刀 具。這種裝刀換刀方便，刀庫容量減小，還可避免因刀具順序的差 錯所造成的事故。 5.5柔性制造系統(tǒng)的刀具運儲系統(tǒng) 4刀具信息管理 FMS刀具信息管理包括刀具的輸送，交換 和監(jiān)控，以及刀具信息的錄入，存儲，跟 蹤，查詢和刀具準備計劃等內(nèi)容。 刀具信息分為靜態(tài)信息和動態(tài)信息 5.5柔性制造系統(tǒng)的刀具運儲系統(tǒng) 靜態(tài)信息就是刀具在加工過程中固定不變的信息， 如刀具類型、屬性、編碼、幾何形狀以及結(jié)構(gòu)參 數(shù)等。 動態(tài)信息是指在使用過程中不斷變化的一些刀具 參數(shù)，如刀具壽命、工作直徑和長度，以及參與 切削加工的其他幾何參數(shù)，這些信息隨加工過程 的延續(xù)不斷發(fā)生變化，直接反映了刀具使用時間 長短、磨損量的大小

44、、對工件加工精度和表面質(zhì) 量的影響。 5.5柔性制造系統(tǒng)的刀具運儲系統(tǒng) 刀具管理系統(tǒng) 5.5柔性制造系統(tǒng)的刀具運儲系統(tǒng) 第一層為刀具實時動態(tài)信息，由一系列實時數(shù)據(jù)文件組成， 每一把在線刀具都有一個相應(yīng)的文件進行描述，記載著刀 具的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，包括刀具幾何尺寸、工作直徑及長度、 刀具實際參與切削時間。 第二層為靜態(tài)刀具類型文件，提供了刀具的結(jié)構(gòu)組成和結(jié) 構(gòu)參數(shù)，它既表示FMS中存在的刀具，又能表示可利用相 關(guān)組件和元件進行裝配的刀具。當?shù)毒吖芾韱T接到刀具裝 配指令后，將按該刀具類型文件所描述的刀具結(jié)構(gòu)組裝所 需要的刀具。 第二層與第一層刀具信息文件的區(qū)別是：第一層為實際投 入FMS使用的刀具，

45、而第二層則是為可提供FMS使用的刀 具；在第一層刀具文件中，每把刀具占有一個實時動態(tài)描 述文件，而第二層每一文件描述一類刀具。 第三、第四層分別為描述刀具組件和元件的文件。 5.5柔性制造系統(tǒng)的刀具運儲系統(tǒng) 第五層刀具的監(jiān)控 刀具監(jiān)控的目的是為了及時了解每時每刻 的在線刀具因磨損，破損而發(fā)生的性質(zhì)變 化，其監(jiān)控方法是通過刀具壽命跟蹤來實 現(xiàn)。 5.6柔性制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng) FMS的控制系統(tǒng)實際上是實現(xiàn)FMS加工過 程中的物料流動過程的控制、協(xié)調(diào)、調(diào)度、 監(jiān)測和管理的信息流系統(tǒng)。它由計算機、 工業(yè)控制機、可編程控制器、通信網(wǎng)絡(luò)、 數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的控制與管理軟件組成，是 FMS的神經(jīng)中樞和核心部分。

46、 5.6柔性制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 1 FMS控制系統(tǒng)的功能: 傳送數(shù)據(jù)，給FMS中物料系統(tǒng)和加工設(shè)備 協(xié)調(diào)FMS各設(shè)備的活動，保證把工件和刀具及時 提供給加工設(shè)備，使加工設(shè)備高效運轉(zhuǎn) 生產(chǎn)控制，包括對零件和各種工件進入制造系統(tǒng) 的輸入率的決策 刀具系統(tǒng)控制，監(jiān)控刀具狀態(tài) FMS系統(tǒng)性能的監(jiān)控及報告 5.6柔性制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 2FMS控制結(jié)構(gòu) 車間控制器 單元控制器 工作站控制器 設(shè)備控制器 圖為FMS遞階四階控制結(jié)構(gòu)： 5.6柔性制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ： 通常采用遞階遞階控制的結(jié)構(gòu)形式，即通過對系統(tǒng) 的控制功能進行正確、合理地分解，劃分成若干層 次，各層次分別進行獨立處理，完成各自的功能， 層與層之間在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的支持下，