機(jī)電一體化與

機(jī)電一體化與第1頁/共104頁

機(jī)械自動化的發(fā)展歷史：（1）19世紀(jì)末期，機(jī)械化生產(chǎn)開始出現(xiàn)；（2）20世紀(jì)中葉，自動化車床開始出現(xiàn)；（3）1947年，第一個(gè)機(jī)械加工自動線在美國福特汽車公司投產(chǎn)；（4）20世紀(jì)50年代柔性自動化生產(chǎn)開始出現(xiàn)（以數(shù)控車床為代表）（5）20世紀(jì)70年代誕生了柔性制造系統(tǒng)；（6）20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。第2頁/共104頁8.1概述 8.1.1剛性自動化生產(chǎn)

1.剛性半自動化單機(jī) 除上、下料外，機(jī)床可以自動完成單個(gè)工藝過程的加工循環(huán)，這樣的機(jī)床稱為剛性半自動化機(jī)床。

2.剛性自動化單機(jī) 它是在剛性半自動化單機(jī)的基礎(chǔ)上增加了自動上、下料等輔助裝置而形成的自動化機(jī)床。第3頁/共104頁 3.剛性自動化生產(chǎn)線 剛性自動化生產(chǎn)線是多工位生產(chǎn)過程，用工件輸送系統(tǒng)將各種自動化加工設(shè)備和輔助設(shè)備按一定的順序連接起來，在控制系統(tǒng)的作用下完成單個(gè)零件加工的復(fù)雜大系統(tǒng)。曲拐加工自動線。第4頁/共104頁

曲軸形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)細(xì)長，多曲拐，剛性極差。技術(shù)要求高，加工難度比較大。曲軸的加工難點(diǎn)在于加工“曲拐”，即連桿頸部分。粗加工階鍛：加工定位基面——粗、精車主軸頸；半精加工階鍛：粗磨主軸頸——車連桿軸頸——加工定位銷孔、油孔等次要表面；精加工階鍛：精磨主軸頸，精磨連桿軸頸；光整加工：超精加工主軸頸及連桿軸頸。

第5頁/共104頁圖8-1曲拐加工自動線(a)正視圖；(b)俯視圖

圖示為剛性自動線總體布局圖。毛坯是球墨鑄鐵件。工件形狀不規(guī)則，沒有合適的輸送基面，采用了隨行夾具安裝定位，便于工件的輸送。

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柔性制造柔性：指制造系統(tǒng)對系統(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。柔性制造強(qiáng)調(diào)的是制造過程的柔性和高效性，適用于多品種、中小批量的生產(chǎn)。柔性制造包括：柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、柔性加工線。第7頁/共104頁 8.1.2柔性制造單元(FMC)

柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell）的組成：單臺數(shù)控機(jī)床、加工中心、工件自動輸送及更換系統(tǒng)等。柔性制造單元可以看成是最小的FMS，是FMS廉價(jià)化小型化的一種產(chǎn)物。柔性制造單元適合多種零件的加工，品種一般為幾十種，年產(chǎn)量從幾千件到幾萬件。自動化程度略低于FMS，但投資少效益高。第8頁/共104頁第9頁/共104頁第10頁/共104頁 1.FMC控制系統(tǒng)

FMC控制系統(tǒng)一般分為兩級：單元控制級、設(shè)備控制級。 （1）設(shè)備控制級：針對各種設(shè)備，如機(jī)器人、機(jī)床、坐標(biāo)測量機(jī)、小車、傳送裝置等的單機(jī)控制。

1）這一級的控制系統(tǒng)向上與單元控制系統(tǒng)用接口連接，向下與設(shè)備連接。

2）功能：把工作站控制器命令轉(zhuǎn)換成可操作、有次序簡單任務(wù)，通過各種傳感器監(jiān)控這些任務(wù)的執(zhí)行。

3）一般采用具有較強(qiáng)控制功能的微型計(jì)算機(jī)、總線控制機(jī)或可編程控制器等工控機(jī)。 （2）單元控制級。

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（2）單元控制級。指揮和協(xié)調(diào)單元中各設(shè)備的活動，處理由物料貯運(yùn)系統(tǒng)交來的零件托盤，并通過控制工件調(diào)整、零件夾緊、切削加工、切屑清除、加工過程中檢驗(yàn)、卸下工件以及清洗工件等功能對設(shè)備級各子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。

1）單元控制系統(tǒng)一般采用具有有限實(shí)時(shí)處理能力的微型計(jì)算機(jī)或工作站。

2）單元控制級通過RS232接口與設(shè)備控制級之間進(jìn)行通訊，并可以通過該接口與其它系統(tǒng)組成FMS。第12頁/共104頁2.FMC的基本控制功能

FMC的基本控制功能包括： （1）單元中各加工設(shè)備的任務(wù)管理與調(diào)度：其中包括制定單元作業(yè)計(jì)劃、計(jì)劃的管理與調(diào)度、設(shè)備和單元運(yùn)行狀態(tài)的登錄與上報(bào)。（2）單元內(nèi)物流設(shè)備的管理與調(diào)度：這些設(shè)備包括傳送帶、有軌或無軌物料運(yùn)輸車、機(jī)器人、托盤系統(tǒng)、工件裝卸站等。（3）刀具系統(tǒng)的管理：包括向車間控制器和刀具預(yù)調(diào)儀提出刀具請求、將刀具分發(fā)至需要它的機(jī)床等。第13頁/共104頁第14頁/共104頁

圖示是棱體零件加工柔性制造單元。一臺臥式加工中心，刀庫容量為70把，雙機(jī)械手換刀，8工位自動交換托盤庫。托盤庫為環(huán)形轉(zhuǎn)盤，托盤庫臺面支承在圓柱環(huán)形導(dǎo)軌上，由內(nèi)側(cè)的環(huán)鏈拖動而回轉(zhuǎn)，鏈輪由電機(jī)驅(qū)動。

第15頁/共104頁圖8-3帶托盤庫的柔性制造單元第16頁/共104頁8.1.3柔性制造系統(tǒng)(FMS)第17頁/共104頁第18頁/共104頁

柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem）由兩臺或兩臺以上加工中心或數(shù)控機(jī)床組成，并在加工自動化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了物料流和信息流的自動化。基本組成部分有： 自動化加工設(shè)備、工件儲運(yùn)系統(tǒng)、刀具儲運(yùn)系統(tǒng)和多層計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。

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1、自動化加工系統(tǒng)加工系統(tǒng)擔(dān)任把原材料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的任務(wù)，是實(shí)際完成改變物性任務(wù)的執(zhí)行系統(tǒng).

自動化加工系統(tǒng)包括自動化加工設(shè)備，如數(shù)控機(jī)床、加工中心、車削中心等，也可能是柔性制造單元；還包括各種組成如測量機(jī)、清洗機(jī)、動平衡和各種特種加工設(shè)備。（1）自動化加工設(shè)備目前FMS上加工的零件有兩大類：1）棱體類零件2）回轉(zhuǎn)體零件。加工零件的設(shè)備可以選擇數(shù)控加工中心。數(shù)控加工機(jī)床是一種帶有刀庫和自動換刀裝置的多工序數(shù)控機(jī)床，工件經(jīng)一次加工后，可以自動完成銑、鏜、鉆、鉸等多種工序的加工。

FMS對機(jī)床設(shè)備的要求：

1）工序集中；2）高柔性度和高效率

3）易控制性；4）具有通信接口第20頁/共104頁

（2）機(jī)床夾具及自動上下料裝置

1）機(jī)床夾具是直接用來夾持工件的機(jī)床輔具。

2）托盤是工件和夾具的承載體。

3）自動上下料裝置時(shí)機(jī)床與托盤站之間工件/托盤的裝卸裝置，常見的這類裝置有托盤交換器、工業(yè)機(jī)器人。第21頁/共104頁 2.工件儲運(yùn)系統(tǒng)

FMS工件儲運(yùn)系統(tǒng)由工件庫、工件運(yùn)輸設(shè)備和更換裝置等組成。工件庫包括自動化立體倉庫和托盤（工件）緩沖站。工件運(yùn)輸設(shè)備包括各種傳送帶、運(yùn)輸小車、機(jī)器人或機(jī)械手等；工件更換裝置包括各種機(jī)器人或機(jī)械手、托盤交換裝置等。

3.刀具儲運(yùn)系統(tǒng)

刀具儲運(yùn)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)刀具的運(yùn)輸、存儲和管理，適時(shí)地向加工單元提供所需的刀具，監(jiān)控管理刀具的使用，及時(shí)取走已報(bào)廢或耐用度已耗盡的刀具，在保證正常生產(chǎn)的同時(shí)，最大程度地降低刀具的成本，刀具管理系統(tǒng)的功能和柔性程度直接影響到整個(gè)FMS的柔性和生產(chǎn)率。

FMS的刀具儲運(yùn)系統(tǒng)：刀具庫、刀具輸送裝置和交換機(jī)構(gòu)等。第22頁/共104頁第23頁/共104頁 4.輔助設(shè)備

FMS可以根據(jù)生產(chǎn)需要配置輔助設(shè)備。輔助設(shè)備一般包括自動清洗工作站,自動去毛刺設(shè)備,自動測量設(shè)備,集中切屑運(yùn)輸系統(tǒng)和集中冷卻潤滑系統(tǒng)等。

5、多層計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：通常采用三層遞階控制的結(jié)構(gòu)形式，即通過對系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行正確、合理地分解，劃分成若干層次，各層次分別進(jìn)行獨(dú)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，保持信息交換，上層向下層發(fā)送命令，下層向上層回送命令的執(zhí)行結(jié)果。通過信息聯(lián)系，構(gòu)成完整的系統(tǒng)，以減少全局控制的難度和控制軟件開發(fā)的難度。第24頁/共104頁每層的信息流都是雙向流動的：（1）向下下達(dá)控制指令，分配控制任務(wù)，監(jiān)控下層的作業(yè)過程；（2）向上可反饋控制狀態(tài)，報(bào)告現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)。第25頁/共104頁

圖8-5是一種較典型的FMS，四臺加工中心直線布置，工件儲運(yùn)系統(tǒng)由托盤站2、托盤輸送車4、工件裝卸工位3和布置在加工中心前面的托盤交換裝置12等組成。第26頁/共104頁

柔性制造系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：（1）柔性高，適應(yīng)多品種中、小批量生產(chǎn)；（2）系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)床工藝能力上是相互補(bǔ)充和相互替代的；（3）可混流加工不同的零件；（4）系統(tǒng)局部調(diào)整或維修不中斷整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作；（5）多層計(jì)算機(jī)控制，可以和上層計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)；（6）可進(jìn)行三班無人干預(yù)生產(chǎn)。

第27頁/共104頁圖8-6具有裝配功能的柔性制造系統(tǒng)第28頁/共104頁 8.1.4柔性制造線(FML)

柔性制造線(FML)是處于單一或少品種大批量非柔性自動線與中小批量多品種FMS之間的生產(chǎn)線。其加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC機(jī)床；亦可采用專用機(jī)床或NC專用機(jī)床，對物料搬運(yùn)系統(tǒng)柔性的要求低于FMS，但生產(chǎn)率更高。它是以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生產(chǎn)過程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS)為代表，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動化，其技術(shù)已日臻成熟，迄今已進(jìn)入實(shí)用化階段。柔性制造線（FlexibleManufacturingLine）組成：自動化加工設(shè)備、工件輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

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柔性制造線的主要優(yōu)點(diǎn)是：

（1）當(dāng)批量不很大時(shí)，生產(chǎn)成本比剛性自動線低得多；（2）當(dāng)品種改變時(shí)，系統(tǒng)所需的調(diào)整時(shí)間又比剛性自動線少得多，但建立系統(tǒng)的總費(fèi)用卻比剛性自動線高得多。

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圖示為一加工箱體零件的柔性自動線示意圖，它由兩臺對面布置的數(shù)控銑床，四臺兩兩對面布置的轉(zhuǎn)塔式換箱機(jī)床和一臺循環(huán)式換箱機(jī)床組成。采用輥?zhàn)觽魉蛶л斔凸ぜ?，具有一定的柔性。?1頁/共104頁第32頁/共104頁 8.1.5柔性裝配線(FAL)

柔性裝配線（FlexibleAssemblyLine）通常由裝配站、物料輸送裝置和控制系統(tǒng)等組成。

1.裝配站

FAL中的裝配站可以是可編程的裝配機(jī)器人,不可編程的自動裝配裝置和人工裝配工位。

2.物料輸送裝置

3.控制系統(tǒng)

FAL的控制系統(tǒng)對全線進(jìn)行調(diào)度和監(jiān)控，主要控制物料的流向和自動裝配站、裝配機(jī)器人。圖8-8是FAL的示意圖。第33頁/共104頁圖8-8柔性裝配線示意圖第34頁/共104頁 8.1.6計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS） 概念：（ComputerIntergratedManufacturingSystem）是一種集市場分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營管理、售后服務(wù)與一體，借助于計(jì)算機(jī)的的控制與信息處理功能，使企業(yè)運(yùn)作的信息流、物質(zhì)流、價(jià)值流和人力資源有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速更新、生產(chǎn)率大幅提高、質(zhì)量穩(wěn)定、資金有效利用、損耗降低、人員合理配置、市場快速反饋和良好服務(wù)的全新的企業(yè)生產(chǎn)模式。第35頁/共104頁

計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）概念包含兩層含義：（1）企業(yè)的各種生產(chǎn)經(jīng)營活動需要統(tǒng)一考慮；（2）整個(gè)生產(chǎn)制造過程實(shí)質(zhì)上是信息采集、傳遞和加工處理的過程。

CIMS的主要特征或者說強(qiáng)調(diào)的是集成化和智能化：（1）集成化反映了自動化的廣度，把系統(tǒng)空間擴(kuò)展到市場、設(shè)計(jì)、加工、校驗(yàn)、銷售及用戶服務(wù)等全過程；（2）智能化則體現(xiàn)了自動化的深度，不僅涉及物質(zhì)流控制的傳統(tǒng)體力勞動自動化，還包括了信息流控制的腦力勞動自動化。第36頁/共104頁1.CIMS的功能構(gòu)成

CIMS的功能構(gòu)成包括下列內(nèi)容： （1）管理功能。 （2）設(shè)計(jì)功能。 （3）制造功能。 （4）質(zhì)量控制功能。 （5）集成控制與網(wǎng)絡(luò)功能。第37頁/共104頁圖8-9CIMS的組成第38頁/共104頁

2.CIMS的關(guān)鍵技術(shù) （1）信息集成針對設(shè)計(jì)、管理和加工制造的不同單元，實(shí)現(xiàn)信息正確、高效的共享和交換。企業(yè)信息集成的基礎(chǔ)是利用企業(yè)的系統(tǒng)模型來科學(xué)的分析和綜合企業(yè)的各部分的功能關(guān)系、信息關(guān)系和動態(tài)關(guān)系，解決企業(yè)的物質(zhì)流、信息流、價(jià)值流、決策流之間的關(guān)系。另外信息集成還要處理好信息間的接口問題。（2）過程集成企業(yè)還必須處理好過程間的優(yōu)化與協(xié)調(diào)。過程集成要求將產(chǎn)品開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、供應(yīng)銷售中的各串行過程盡量轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿羞^程。過程集成還包括快速反應(yīng)和動態(tài)調(diào)整。（3）企業(yè)集成充分利用全球的物質(zhì)資源、信息資源、技術(shù)資源、制造資源、人才資源和用戶資源，滿足以人為核心的智能化和以用戶為中心的產(chǎn)品柔性化是CIMS全球化目標(biāo)。企業(yè)集成就是解決資源共享、資源優(yōu)化、信息服務(wù)、虛擬制造、并行工程、網(wǎng)絡(luò)平臺等方面的關(guān)鍵技術(shù)。第39頁/共104頁第40頁/共104頁第41頁/共104頁8.3工件儲運(yùn)設(shè)備

存儲是指將工件毛坯、在制品或成品在倉庫中暫時(shí)保存起來，以便根據(jù)需要取出，投入制造過程。運(yùn)輸是指工件在制造過程中的流動，例如工件在倉庫或托盤站與工作站之間的輸送，以及在各工作站之間的輸送等。儲運(yùn)設(shè)備有立體倉庫、傳送帶、運(yùn)輸小車等。第42頁/共104頁8.3.1有軌小車（RGV） 有軌小車（RailGuideVehicle）是一種沿著鐵軌行走的運(yùn)輸工具，有自驅(qū)和它驅(qū)兩種驅(qū)動方式。自驅(qū)動有軌小車：通過車上的小齒輪和安裝在鐵軌一側(cè)的齒條嚙合，利用交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動。它驅(qū)式有軌小車：由外部鏈索牽引，在小車底盤的前、后各裝一導(dǎo)向銷，地面上修有一組固定路線的溝槽，導(dǎo)向銷嵌入溝槽內(nèi)，保證小車行進(jìn)時(shí)沿著溝槽移動。第43頁/共104頁第44頁/共104頁

趨勢：采用空架導(dǎo)軌和懸掛式機(jī)械手或機(jī)器人作為運(yùn)輸工具也是一種發(fā)展，其主要優(yōu)點(diǎn)是充分利用空間，適合于運(yùn)送中、大型工件，如汽車車架、車身等。 有軌小車的特點(diǎn)是：（1）加速和移動速度都比較快，適合運(yùn)送重型工件；導(dǎo)軌固定，行走平穩(wěn)，停車位置比較準(zhǔn)確；（2）控制系統(tǒng)簡單，可靠性好，制造成本低，便于推廣應(yīng)用；（3）行走路線不便改變，轉(zhuǎn)彎角度不能太??；（4）噪聲較大，影響操作工監(jiān)聽加工狀況及保護(hù)自身安全。第45頁/共104頁 8.3.2自動導(dǎo)向小車（AGV）

AGV（AutomatedGuidedVehicle）是指裝備有電磁或光學(xué)導(dǎo)引裝置，能夠按照規(guī)定的導(dǎo)引路線行駛，具有小車運(yùn)行和停車裝置、安全保護(hù)裝置以及具有各種移載功能的運(yùn)輸小車。

第46頁/共104頁1.AGV的結(jié)構(gòu);

在自動化制造系統(tǒng)中使用的AGV大多數(shù)是磁感應(yīng)式AGV。一般由運(yùn)輸小車、地下電纜和控制器三部分組成。（1）小車由工業(yè)級蓄電池提供動力，供電周期為20h；（2）沿著埋沒在地板槽內(nèi)的用交變電流激磁的電纜行走，地板槽埋沒在地下4厘米左右深處，地溝用環(huán)氧樹脂灌封，形成光滑的地表。（3）為了實(shí)現(xiàn)工件的自動交接，小車裝有托盤交換裝置，以便與機(jī)床或裝卸站之間進(jìn)行自動聯(lián)接。有輥輪式交換裝置、滑動叉式交換裝置。（4）AGV小車上設(shè)有安全防護(hù)裝置。第47頁/共104頁圖8-13磁感應(yīng)AGV自動導(dǎo)向原理圖第48頁/共104頁2.AGV的自動導(dǎo)向圖示為磁感應(yīng)AGV自動導(dǎo)向原理圖。小車底部裝有弓形天線3，跨設(shè)于以感應(yīng)線4為中心且與感應(yīng)線垂直的平面內(nèi)。感應(yīng)線通以交變電流，產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)天線3偏離感應(yīng)線任何一側(cè)時(shí)，天線的兩對稱線圈中感應(yīng)電壓有差值，誤差信號經(jīng)過放大，驅(qū)動左、右電動機(jī)2;左、右電動機(jī)有轉(zhuǎn)速差，經(jīng)驅(qū)動輪1使小車轉(zhuǎn)向，使感應(yīng)線重新位于天線中心，直至誤差信號為零。第49頁/共104頁第50頁/共104頁 3.路徑尋找;

路徑尋找就是自動選取岔道，AGV在車間的行走路線比較復(fù)雜，有很多分岔點(diǎn)和交匯點(diǎn)。地面上有中央控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)車輛調(diào)度控制，AGV小車上帶有微處理器控制板，AGV的行走路線以圖表的格式存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。

自動導(dǎo)向小車的行走路線是可編程的，F(xiàn)MS控制系統(tǒng)可根據(jù)需要改變作業(yè)計(jì)劃，重新安排小車的路線，具有柔性特征。AGV小車工作安全可靠，?？慷ㄎ痪瓤梢赃_(dá)到±3mm，能與機(jī)床、傳送帶等相關(guān)設(shè)備交接傳遞貨物，運(yùn)輸過程中對工件無損傷，噪聲低。第51頁/共104頁8.3.3自動化立體倉庫 自動化立體倉庫的主要特點(diǎn)有：（1）利用計(jì)算機(jī)管理，物資庫存賬目清楚，物料存放位置準(zhǔn)確，對自動化制造系統(tǒng)物料需求響應(yīng)速度快；（2）與搬運(yùn)設(shè)備（如AGV、有軌小車、傳送帶）銜接,能可靠及時(shí)的供給物料；（3）減少庫存量，加速資金周轉(zhuǎn)；（4）充分利用空間，減少廠房面積；（5）減少工件損傷和物料丟失；（6）可存放的物料范圍寬；（7）減少管理人員，降低管理費(fèi)用；（8）耗資較大，適用于一定規(guī)模的生產(chǎn)。第52頁/共104頁1.自動化立體倉庫的組成 自動化立體倉庫組成：主要由庫房、貨架、堆垛起重機(jī)、外圍輸送設(shè)備、自動控制裝置等。第53頁/共104頁

圖式所示為自動化立體倉庫，高層貨架成對布置，貨架之間有巷道，隨倉庫規(guī)模大小可以有一到若干條巷道。

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2.堆垛起重機(jī)堆垛起重機(jī)是立體倉庫內(nèi)部的搬運(yùn)設(shè)備。堆垛起重機(jī)可采用有軌或無軌方式，其控制原理與運(yùn)輸小車相似。倉庫高度很高的立體倉庫常采用有軌堆垛起重機(jī)。為增加穩(wěn)定性，采用兩條平行導(dǎo)軌，即天軌和地軌第55頁/共104頁 3.自動化立體倉庫的管理與控制 由計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、PLC、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、相應(yīng)的控制和管理軟件組成。（1）貨物的自動識別與存取。貨物的自動識別通常采用編碼技術(shù)，將貨箱零件的有關(guān)信息自動錄入計(jì)算機(jī)。 （2）計(jì)算機(jī)管理。包括物資管理、帳目管理、貨位管理及信息管理。（3）計(jì)算機(jī)控制。主要是對堆垛起重機(jī)的控制。第56頁/共104頁8.4工業(yè)機(jī)器人 8.4.1工業(yè)機(jī)器人概況 工業(yè)機(jī)器人是一種可編程的智能型自動化設(shè)備，是應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的替代人進(jìn)行工作的高度自動化系統(tǒng)。機(jī)器人和機(jī)械手的主要區(qū)別是：（1）機(jī)械手是沒有自主能力，不可重復(fù)編程，只能完成定位點(diǎn)不變的簡單的重復(fù)動作；（2）機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的，可重復(fù)編程，能完成任意定位的復(fù)雜運(yùn)動。

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機(jī)器人的發(fā)展過程可以分為三代： 第一代機(jī)器人：目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它主要由夾持器、手臂、驅(qū)動器和控制器組成。第二代機(jī)器人：帶感覺的機(jī)器人，它具有一些對外部信息進(jìn)行反饋的能力，諸如力覺、觸覺、視覺等。第三代機(jī)器人：智能機(jī)器人，能理解指示命令，感知環(huán)境，識別對象，計(jì)劃其操作程序以完成任務(wù)

第58頁/共104頁圖8-16工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)8.4.2工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人一般由主構(gòu)架（手臂）、手腕、驅(qū)動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制器及傳感器等組成。第59頁/共104頁

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動由主構(gòu)架和手腕完成。其運(yùn)動由兩種基本運(yùn)動組成，即沿著坐標(biāo)軸的直線移動和繞坐標(biāo)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。不同運(yùn)動的組合形成各種類型的機(jī)器人。第60頁/共104頁(c）球坐標(biāo)型；(d）多關(guān)節(jié)型；第61頁/共104頁(e）平面關(guān)節(jié)型第62頁/共104頁 8.4.3工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

1.汽車制造領(lǐng)域 圖示為焊接機(jī)器人系統(tǒng)的示意圖。焊接機(jī)器人分類：點(diǎn)位控制的、軌跡控制的焊接機(jī)器人。

（1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保正其均勻性。（2）提高勞動生產(chǎn)率，一天可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)。（3）改善工人勞動條件，可在有害環(huán)境下工作。（5）可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。第63頁/共104頁第64頁/共104頁圖8-18噴漆工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)示意圖

噴涂機(jī)器人在使用環(huán)境和動作要求上有如下的特點(diǎn):

（1）工作環(huán)境包含易爆的噴涂劑蒸氣;

（2）沿軌跡高速運(yùn)動，途經(jīng)各點(diǎn)均為作業(yè)點(diǎn);

（3）多數(shù)和被噴涂件都搭載在傳送帶上，邊移動邊噴涂，所以它需要一些特殊性能。第65頁/共104頁 2.機(jī)械制造領(lǐng)域 機(jī)械制造企業(yè)的柔性制造系統(tǒng)采用搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)物料、工件和工具，裝配機(jī)器人完成設(shè)備的零件裝配，測量機(jī)器人進(jìn)行在線或離線測量。 圖8-20所示是兩臺機(jī)器人用于自動裝配的情況，主機(jī)器人是一臺具有三個(gè)自由度且?guī)в杏|覺傳感器的直角坐標(biāo)機(jī)器人，它抓取第1號(No.1)零件，并完成裝配動作；輔助機(jī)器人僅有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，它抓取第2號(No.2)零件，第1號和第2號零件裝配完成后，再由主機(jī)械手完成與第3號(No.3)零件的裝配工作。第66頁/共104頁

圖示是兩臺機(jī)器人用于自動裝配。第67頁/共104頁第68頁/共104頁

圖示是教學(xué)型FMS，由一臺CNC車床、一臺CNC銑床、工件傳送帶、料倉、兩臺關(guān)節(jié)型機(jī)器人和控制計(jì)算機(jī)組成。兩臺機(jī)器人在FMS中服務(wù)，一臺機(jī)器人服務(wù)于加工設(shè)備和傳送帶之間，為車床和銑床裝卸工件；另一臺位于傳送帶和料倉之間，負(fù)責(zé)上、下料。第69頁/共104頁第70頁/共104頁

3.其它領(lǐng)域 第71頁/共104頁8.5檢測與監(jiān)控系統(tǒng) 8.5.1檢測與監(jiān)控原理 在自動化制造系統(tǒng)的加工過程中，為了保證加工質(zhì)量和系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和加工過程進(jìn)行檢測與監(jiān)控。第72頁/共104頁圖8-23檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的組成第73頁/共104頁 1.運(yùn)行狀態(tài)檢測與監(jiān)控 自動化制造系統(tǒng)中，需要檢測與監(jiān)控的運(yùn)行狀態(tài)通常包括： （1）刀具信息。 （2）機(jī)床狀態(tài)信息。 （3）系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息。 （4）在線尺寸測量信息。 （5）系統(tǒng)安全情況信息。 （6）仿真信息。仿真信息包括以下內(nèi)容：零件的數(shù)控程序是否準(zhǔn)確；有無碰撞干涉情況；仿真綜合結(jié)果情況等。

第74頁/共104頁 2.工件尺寸精度檢測方法 （1）直接測量與間接測量。 （2）接觸測量和非接觸測量。 （3）在線測量和離線測量。

3.刀具磨損和破損的檢測方法 （1）刀具、工件尺寸及相對距離測定法。 （2）放射線法。 （3）電阻法。 （4）光學(xué)圖像法。第75頁/共104頁（5）切削力法。（6）切削溫度法。（7）切削功率法。（8）振動法。（9）噪聲分析法。（11）加工表面粗糙度法。

8.5.2檢測與監(jiān)控應(yīng)用舉例 例8-1加工中心（MC）需檢測的運(yùn)行狀態(tài)信息。

MC需檢測的運(yùn)行狀態(tài)信息如下： （1）環(huán)境參數(shù)及安全檢測。第76頁/共104頁

（2）刀庫狀態(tài)檢測。 （3）機(jī)床負(fù)載檢測。 （4）換刀機(jī)構(gòu)檢測。 （5）交換工作臺檢測。 （6）工作臺振動檢測。 （7）冷卻與潤滑系統(tǒng)檢測。 （8）CNC/PC系統(tǒng)檢測。第77頁/共104頁

例：切削力法刀具磨損和破損的檢測與監(jiān)控切削力的變化能直接反映刀具的磨損情況，圖8-24中Ⅰ和Ⅱ所示是切削力的變化過程，曲線Ⅰ表示的是鋒利的刀具，曲線Ⅱ表示的是磨鈍了的刀具。切削力的差異ΔF是反映刀具實(shí)際磨損的標(biāo)志。如果Ⅰ切削力突然上升或突然下降，可能預(yù)示刀具的折斷。第78頁/共104頁

圖8-25所示為根據(jù)切削力的變化判別刀具磨損和破損的系統(tǒng)原理圖。（1）當(dāng)?shù)毒咴谇邢鬟^程中磨損時(shí)，切削力會增大；如果刀具崩刃或斷裂，切削力會劇減。（2）系統(tǒng)中工件加工余量的不均勻等因素也會引起切削力的變化，為了避免誤判，取切削分力的比值和比值的變化率作為判別的特征量，即在線測量三個(gè)切削分力FX、FY和FZ的相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后輸入除法器，得到分力比FX/FZ和FY/FZ，再輸入微分器得到d（FX/FZ）/dt和d（FY/FZ）/dt。第79頁/共104頁圖8-25用切削力檢測刀具狀態(tài)原理圖第80頁/共104頁

例：聲發(fā)射法檢測刀具。 聲放射：固體在產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以彈形波形釋放出變形能的現(xiàn)象。金屬切削聲發(fā)射信號的來源有：工件的斷裂，工件與刀具的摩擦，刀具的破損及工件的塑性變形等。（1）聲放射在切削過程中產(chǎn)生頻率范圍很寬，從幾十千赫茲至幾兆赫茲不等。（2）聲發(fā)射信號可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。突發(fā)型聲發(fā)射信號在表面開裂時(shí)產(chǎn)生，其信號幅度較大，各聲發(fā)射事件之間間隔時(shí)間較長；連續(xù)型聲發(fā)射信號幅值較低，事件的頻率較高，以致難以分為單獨(dú)事件。第81頁/共104頁

正常切削聲發(fā)射信號是小幅值的連續(xù)信號。刀具破損聲發(fā)射信號幅值遠(yuǎn)大于正常切削，與刀具破損面積有關(guān)，增長幅度為3～7倍。聲發(fā)射信號產(chǎn)生階躍突變是識別刀具破損的重要特征。

第82頁/共104頁 8.5.3檢測設(shè)備

1.坐標(biāo)測量機(jī)（CMM） 坐標(biāo)測量機(jī)（CoordinateMeasuringMachine）又叫做三坐標(biāo)測量機(jī)，是一種檢測工件尺寸誤差、形位誤差以及復(fù)雜輪廓形狀的自動化制造系統(tǒng)的基本測量設(shè)備。（1）坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)布局有立式和臥式兩類。立式CMM有時(shí)是龍門式結(jié)構(gòu)，臥式CMM有時(shí)是懸臂式結(jié)構(gòu)。第83頁/共104頁圖8-27懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)

圖示為一懸臂式CMM，由安放工件的工作臺、立柱、三維測量頭、位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制裝置等組成。第84頁/共104頁

（2）坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理

CMM和數(shù)控機(jī)床一樣，其工作過程由事先編制好的程序控制，各坐標(biāo)軸的運(yùn)動也和數(shù)控機(jī)床一樣，由數(shù)控裝置發(fā)出移動脈沖，經(jīng)位置伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動移動部件運(yùn)動，位置檢測裝置（旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、角度編碼器、光柵尺、磁柵尺等）檢測移動部件實(shí)際位置。當(dāng)測量頭接觸工件測量表面時(shí)產(chǎn)生信號，讀取各坐標(biāo)軸位置寄存值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得出測量結(jié)果。CMM將測量結(jié)果與事先輸入的制造允差進(jìn)行比較，并把信號回送到FMS單元計(jì)算機(jī)或CMM計(jì)算機(jī)。CMM計(jì)算機(jī)通常與FMS單元計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，上載和下載測量數(shù)據(jù)和CMM零件測量程序。第85頁/共104頁 2.利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測量三坐標(biāo)測量機(jī)對地基和工作環(huán)境的要求也很高。數(shù)控機(jī)床和CMM在工作原理上沒有本質(zhì)區(qū)別，三坐標(biāo)測量機(jī)上用的三維測量頭的柄部結(jié)構(gòu)與刀桿一樣，可將其直接安裝在機(jī)床（如加工中心）上。需要檢測工件時(shí)，將測量頭安裝在機(jī)床主軸或刀架上，測量工作原理與CMM相同；測量完成再由換刀機(jī)械手將測量頭放入刀庫。工件在數(shù)控機(jī)床上加工結(jié)束后，必須經(jīng)高壓冷卻液沖洗，并用壓縮空氣吹干后方可進(jìn)行檢驗(yàn)測量。

第86頁/共104頁

在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行測量有如下特點(diǎn)：（1）不需要昂貴的CMM，但損失機(jī)床切削加工時(shí)間；（2）可以針對尺寸偏差自動進(jìn)行機(jī)床及刀具補(bǔ)償，加工精度高；（3）不需要工件來回運(yùn)輸和等待。第87頁/共104頁 3.測量機(jī)器人 機(jī)器人測量具有在線、靈活、高效等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對零件100％的測量，因此特別適合于自動化制造系統(tǒng)中的工序間測量和過程測量。同坐標(biāo)測量機(jī)相比，機(jī)器人測量造價(jià)低，使用靈活。

4.專用的主動測量裝置 專用的自動檢測裝置安裝在機(jī)床上，不必停機(jī)就可以在加工過程中自動檢測工件尺寸的變化，并能根據(jù)測得的結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的信號，控制機(jī)床的加工過程（如變換切削用量、刀具補(bǔ)償、停止進(jìn)給、退刀和停機(jī)等）。第88頁/共104頁圖8-28磨床上工件外徑自動測量原理

例：圖示為磨床上工件外徑自動測量及反饋控制裝置的原理圖。第89頁/共104頁8.6輔助設(shè)備 8.6.1清洗站 清洗機(jī)有許多種類、規(guī)格和結(jié)構(gòu)，一般按其工作是否連續(xù)分為間歇式（批處理式）和連續(xù)通過式（流水線式）。批處理式清洗站用于清洗質(zhì)量和體積較大的零件，屬中、小批量清洗；流水線式清洗機(jī)用于零件通過量大的場合。 批處理式清洗機(jī)分類：傾斜封閉式清洗機(jī)、工件搖擺式清洗機(jī)、機(jī)器人式清洗機(jī)。第90頁/共104頁

機(jī)器人式清洗機(jī)用機(jī)器人操作噴頭，工件固定不動。有些大型批處理式清洗站內(nèi)部有懸掛式環(huán)形有軌車，工件托盤安放在環(huán)形有軌車上，繞環(huán)形軌道做閉環(huán)運(yùn)行。流水式清洗站用輥?zhàn)觽魉蛶н\(yùn)送工件，零件從清洗站的一端送入，在通過清洗站的過程中被清洗，在清洗站的另一端送出，再通過傳送帶與托盤交接機(jī)構(gòu)進(jìn)入零件裝卸區(qū)。 清洗機(jī)有高壓噴嘴，噴嘴的大小、安裝位置和方向應(yīng)考慮到零件的清洗部位，保證零件的內(nèi)部和難清洗的部位均能清洗干凈。第91頁/共104頁

批處理式清洗站的操作過程如下： （1）將工件托盤送到清洗站前。 （2）打開進(jìn)入清洗站的門，將托盤送入清洗工作區(qū)，并將其固定在有軌吊車上，關(guān)閉站門。 （3）托盤隨吊車?yán)@軌道運(yùn)行時(shí)，高壓、大流量冷卻液從噴嘴噴向工件托盤，使切屑、污物、油脂等落入排污系統(tǒng)。 （4）沖洗一定時(shí)間后，冷卻液關(guān)閉，開始吹熱空氣進(jìn)行干燥。 （5）吹風(fēng)干燥一段時(shí)間后，有軌吊車返回其初始位置。 （6）從有軌吊車上取下工件托盤，打開清洗站大門，運(yùn)走工件托盤。第92頁/共104頁

8.6.2去毛刺設(shè)備

1、機(jī)械法去毛刺包括在FMS中，機(jī)器人手持鋼絲刷或砂輪打磨毛刺。

2、振動法去毛刺零件分批裝入大容器罐，用陶瓷卵石為介質(zhì)，容器罐快速往復(fù)振動去毛刺和氧化皮。適用于清除小型回轉(zhuǎn)體或棱體零件的毛刺

3、熱能法去毛刺將零件裝入一個(gè)小密閉室里，充滿壓縮易燃?xì)怏w和氧氣的混合物，無論是外部、內(nèi)部或盲孔都浸入混合氣體中。通過煤氣混合物猛烈的熱爆炸，毛刺或飛邊燃燒成火焰被氧化并轉(zhuǎn)化為粉末，然后用溶劑清洗零件。