制造自動化技術1

1、制造自動化技術4.1 制造自動化技術概述4.1.1 制造自動化技術的內涵制造自動化的概念是一個動態(tài)發(fā)展過程。過去人們認為自動化是以機器代替人的體力勞動，自動完成特定的作業(yè)。隨著制造技術、電子技術、控制技術、計算機技術、信息技術、管理技術等的發(fā)展，制造自動化已遠遠突破傳統(tǒng)的概念。制造自動化的廣義內涵至少包括以下幾點：形式方面：一是代替人的體力勞動；二是代替人的腦力勞動；三是實現(xiàn)制造系統(tǒng)中的人、機及整個系統(tǒng)的協(xié)調、管理、控制和優(yōu)化。 功能方面，可用T(time)、Q(quality)、C(cost)、S(service)、E(environment)這五個功能目標（簡稱為TQCSE）模型來描述。

2、范圍方面，不僅涉及具體生產制造過程，而且涉及產品壽命周期所有過程。4.1.2 制造自動化技術的發(fā)展歷程第一階段(1913-) ：剛性自動化自動單機和剛性自動線；本階段在20世紀4050年代已相當成熟。 特征:高生產率和剛性結構，很難實現(xiàn)生產產品的改變。 引入的新技術有繼電器程序控制、組合機床等。第二階段(1930-) ：數(shù)控加工NC和CNC ；本階段的NC在20世紀5070年代已成熟，但到了7080年代，CNC取代了NC。 特征:柔性好、加工質量高，適應于多品種、中小批量(包括單件)產品的生產 。 引入的新技術有數(shù)控技術、計算機編程技術等。第三階段(1965-) ：柔性制造主要技術：成組技術(

3、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。第四階段(1973-) ：計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)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。第五階段(1991-) ：新的制造自動化模式 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。4.1.3 制造自動化技術的發(fā)展趨勢制造敏捷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，敏捷化是制造

4、環(huán)境和制造過程面向21世紀制造活動的必然趨勢 。制造網(wǎng)絡化制造環(huán)境內部的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)制造過程的集成。 制造環(huán)境與整個制造企業(yè)的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)中工程設計、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)絡化，實現(xiàn)企業(yè)間的資源共享、組合與優(yōu)化利用。通過網(wǎng)絡，實現(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。p 制造虛擬化虛擬制造(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

5、，由多學科知識形成的一種綜合系統(tǒng)技術。p 制造智能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)制造過程的優(yōu)化。p 制造綠色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。4.2 現(xiàn)代數(shù)控加工技術4.2.1 數(shù)控機床p 數(shù)控機床的誕生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

6、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。p 數(shù)控機床的定義是用計算機通過數(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動控制機床各個部件的動作。p 數(shù)控機床的組成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。p 伺服驅動裝置是數(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(jīng)放大驅動主機的執(zhí)行

7、機構，實現(xiàn)機床運動。p 檢測反饋裝置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)或半閉環(huán)系統(tǒng)。p PLC、機床I/O電路和裝置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；p 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4.2.2 數(shù)控機床的種類機器應用范圍p 按工藝用途分類金屬切削類數(shù)控機床金屬成型類數(shù)控機床特種加工類數(shù)控機床

8、 測量、繪圖類數(shù)控機床p 按運動軌跡分類點位控制數(shù)控機床點位直線控制數(shù)控機床輪廓控制數(shù)控機床p 按伺服控制方式分類開環(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4.2.3 并聯(lián)運動機床p 并聯(lián)機床的基本結構布局特點以機床框架為固定平臺的若干桿件組成空間并聯(lián)機構，主軸部件安裝在并聯(lián)機構的動平臺上，改變桿件的長度或移動桿件的支點，按照并聯(lián)運動學原理形成刀頭點的加工表面軌跡。基本結構形式它的結構完全不同于傳統(tǒng)機床，看不到明顯的床身、導軌、立柱和橫梁等結構，它的基本結構是一個活動平臺。有六桿、三桿、立式、臥式并聯(lián)機床，結構形式為并聯(lián)、串聯(lián)和混合結構，可采用直線電機和電主軸。p 并聯(lián)機床與傳統(tǒng)機床的

9、比較傳統(tǒng)機床：以床身、立柱、橫梁等作為支撐部件，主軸部件和工作臺沿支撐部件上的直線導軌移動，按照XYZ坐標運動疊加的串聯(lián)運動學原理，形成刀具相對于加工工件的運動軌跡。并聯(lián)運動機床：以機床框架為固定平臺的若干個桿件組成空間并聯(lián)機構，主軸部件安裝在并聯(lián)機構的動平臺上，工作臺與機床框架連接在一起，改變桿件的長度或移動桿件的支點，按照并聯(lián)運動學原理形成刀具相對于加工零件的運動軌跡。p 并聯(lián)機床的優(yōu)點運動精度高：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機床剛性好：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4.2.4 開放

10、式計算機數(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)絡化、智能化、開放式計算機數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)高水平裝備的保證。開放式體系結構使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用型、柔性、適應性、擴展性并向智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展p 開放式計算機數(shù)控系統(tǒng)特征功能模塊具有可移植性；模塊具有可擴展性；重新配置的可縮放性；容易實現(xiàn)與其他自動化設備互連的可操作性。4.2.5 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢p 加快發(fā)展高速、高精加工技術及裝備高速主軸單元(電主軸，轉速15000 100000r/min)高速且高加/減速度的進給運動部件(快移速度60120m /min，切削進給速

11、度高達60m/min)目前，在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達到50008000 m/min以上；主軸轉數(shù)在30000 r/min(有的高達10萬r/min)以上；工 作臺的移動速度(進給速度)：在分辨率為1微米時，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率為0.1微米時，在24m/min以上； 自動換刀速度在1秒以內；小線段插補進給速度達到12m/min。特征:高生產率和剛性結構，很難實現(xiàn)生產產品的改變。p 快速發(fā)展五軸聯(lián)動加工和復合加工機床采用五軸聯(lián)動機床加工三維曲面零件，可用具有最佳幾何形狀的刀具進行切削，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、得實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距也因此縮小，促進了復合主軸頭結構類型五洲聯(lián)動機床和復合加工機床的發(fā)展p 智能化、開放式、網(wǎng)絡化p 重視新技術標準、規(guī)范的建立4.3 工業(yè)機器人技術4.3.1 工業(yè)機器人的基本概念p 工業(yè)機器人的定義1987年國際標準化組織對工業(yè)機器人進行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。”我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機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、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。

13、分類名稱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，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(jīng)驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經(jīng)驗用于工作中。智能機器人以人工智能決定其行動的

14、機器人。p 機器人的分類p 工業(yè)機器人的基本組成執(zhí)行機構通常是由安裝在機體上的若干個回轉（或移動）關節(jié)與桿件相互聯(lián)接構成的多自由度主動機構組成，人們力圖把它設計成具有擬人的手臂或動物肢體動作功能的一種固定式或移動式的機器。控制系統(tǒng)包括：人-機接口裝置（鍵盤、示教盒、操縱桿等），具有存貯記憶功能的電子控制裝置（計算機、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、位置伺服驅動系統(tǒng)（交、直流PWM、電-液伺服系統(tǒng)或其他繼電驅動系統(tǒng)等）與外部設備、傳感器、離線編程設備等通信的輸入/輸出接口以及各種電源裝置等。驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)包括驅動器和傳動機構，常和執(zhí)行機構連成一體

15、，驅動臂桿完成制定的運動。常用的驅動器有電動機、液壓和氣動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器人的運動位置和工作狀態(tài)，并隨時反饋給控制系統(tǒng)，以便使執(zhí)行機構以一定的精度和速度達到設定的位置。4.3.2 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)p 機器人控制系統(tǒng)的組成及其特點機器人的控制系統(tǒng)通常由控制計算機、示教盒、控制面板、存儲器、檢測傳感器、I/O結構、通信接口等部分組成。它具有以下幾個特點：機器人有若干個關節(jié)，多個關節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。機器人的工作任務是要求操作機的末端操作器進行空間點位運動或軌跡運動。在機器人的控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦、自適應等復雜控制技術。

16、對于較高級的機器人，要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析，并按給定的要求自動選擇最佳控制規(guī)律。p 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的分類按驅動方式，可分為液動驅動、氣動驅動和電動驅動控制系統(tǒng)。按控制方式，可分為順序控制、程序控制、適應控制和人工智能控制系統(tǒng)。按機器人手部運動軌跡，可分為點位控制、連續(xù)輪廓控制系統(tǒng)。按控制總線標準，可分為國際標準總線控制系統(tǒng)和自定義總線控制系統(tǒng)。按編程方式，可分為物理設置編程、示教編程和離線編程控制系統(tǒng)。4.3.3 工業(yè)機器人的編程技術用機器人代替人進行作業(yè)時，必須預先對機器人發(fā)出指示，規(guī)定機器人進行應該完成的動作和作業(yè)的具體內容，這個過程就稱為對機器人的示教或對機器人的編程

17、。手控示教編程法離線編程法機器人語言及其分類4.3.4 工業(yè)機器人的應用 點焊機器人裝配每臺汽車車體一般大約需要完成30004000個焊點，其中60是由點焊機器人完成的。 弧焊機器人日本汽車工業(yè)使用的一種曲柄式弧焊機器人，其驅動方式采用交、直流伺服電動機系統(tǒng)，用于焊接車架的側粱或雙輪機動管結構車架。 噴漆機器人 日本TOKICO公司生產的RPA 856RP關節(jié)式噴漆機器人。該機器人由操作機、控制箱、修正盤和液壓源四部分組成；有6個自由度，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噴槍同時工作 裝配機器人 搬運機器人 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

18、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。 4.4 柔性制造技術4.4.1 柔性制造技術概述u 美國國家標準局定義：由一個傳輸系統(tǒng)聯(lián)接起來的一些設備(通常是具有自動換刀裝置的加工中心機床)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備，加工設備和傳輸系統(tǒng)在中央計算機控制下，使工件加工準確、迅速和自動化。 由2臺或更多NC機床組成的系統(tǒng)，這些機床與自動物料管理設備一一連接，在計算機或類似設備控制下完成自動加工或處理操作，從而可加工多個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)是利用計算機控制系統(tǒng)和物料輸送系統(tǒng)，把若干臺設備聯(lián)系起來，形成沒有固定加工順序和節(jié)拍的自動化制造系統(tǒng)。它在加工完一批某種工件后，能在不停機調整的情況下，自動地向另一種工件轉換。其主要特征是：高柔性 高效率 高度自動化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