《智能制造概論》第四章 智能制造自動化

《智能制造概論》2第四章智能制造自動化一、智能制造裝備及發(fā)展二、傳感器及儀器儀表三、人機交互系統(tǒng)四、控制系統(tǒng)五、數(shù)控機床及數(shù)控加工中心六、增材制造設(shè)備七、工業(yè)機器人3一、智能制造裝備及發(fā)展

智能制造裝備內(nèi)涵

1）對制造工況或環(huán)境實時感知、處理和分析的能力；2）實時辨識和預測制造過程狀況變化的能力；3）自適應狀態(tài)變化、控制和動態(tài)補償?shù)哪芰Γ惶岢?）對自身故障自診斷、自修復的能力及參與網(wǎng)絡(luò)集成和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的能力。4一、智能制造裝備及發(fā)展

智能制造裝備發(fā)展趨勢

1）自動化：體現(xiàn)在裝備能根據(jù)用戶要求完成制造過程的自動化，并對制造對象和制造環(huán)境具有高度適應性，實現(xiàn)制造過程的優(yōu)化；2）集成化：體現(xiàn)在生產(chǎn)工藝技術(shù)、硬件、軟件與應用技術(shù)的集成，設(shè)備的成套及納米、新能源等跨學科高技術(shù)的集成，從而使設(shè)備不斷升級；3）信息化：體現(xiàn)在將傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)“嵌入”裝備中，實現(xiàn)裝備的性能提升和智能化；4）綠色化：體現(xiàn)在從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的全生命周期中，對環(huán)境負面影響極小、能量消耗最小，使企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)發(fā)展。5二、傳感器及儀器儀表產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀為在新一輪產(chǎn)業(yè)變革中繼續(xù)維持領(lǐng)先地位，美國、德國和日本等發(fā)達國家把傳感器及儀器儀表技術(shù)列為國家發(fā)展戰(zhàn)略。美國國防部將傳感器技術(shù)視為當今20項關(guān)鍵技術(shù)之一，美國國家長期安全和經(jīng)濟繁榮至關(guān)重要的24項技術(shù)中有6項與傳感器技術(shù)直接相關(guān)；德國視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術(shù)，英、法等國對傳感器的開發(fā)投資逐年升級；日本在《國家支柱技術(shù)10大重點戰(zhàn)略目標（2005-2015）》中，有6項與傳感器及智能化儀器儀表技術(shù)有關(guān)，日本工商界人士甚至聲稱“支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時代”。6二、傳感器及儀器儀表產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀我國傳感器產(chǎn)業(yè)處于國際中等水平，但具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)并不多，尤其高檔傳感器芯片缺少核心技術(shù)，因此在傳感器和儀器儀表方面的研究和發(fā)展國內(nèi)還有很長的路要走。7二、傳感器及儀器儀表發(fā)展趨勢1）高性能傳感器及儀器儀表的高性能主要體現(xiàn)在產(chǎn)品測量精度高和產(chǎn)品功能豐富等方面。2）高可靠性工業(yè)自動化儀表是大型化、多參數(shù)化、工況復雜化的現(xiàn)代工業(yè)重大設(shè)備的神經(jīng)中樞、運行中心和安全保障，由于其在智能制造中日益提升的重要地位和作用，國外將該類產(chǎn)品的高可靠性作為重要發(fā)展方向?，F(xiàn)場儀表復雜、易損、難以修復的狀況正在改變；國外領(lǐng)先企業(yè)開始推出保修期長達10年、使用期不需調(diào)整維修的產(chǎn)品。8二、傳感器及儀器儀表發(fā)展趨勢3）高適用性新原理、新技術(shù)、新材料的應用使現(xiàn)場儀表顯著提高了對復雜工況和不良環(huán)境的適應性。4）網(wǎng)絡(luò)化和智能化智能制造網(wǎng)絡(luò)化和智能化的實現(xiàn)使眾多測控設(shè)備通信方便，操作簡化，功能設(shè)置靈活，并使測量控制系統(tǒng)與車間級管理、企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)緊密結(jié)合，形成管控一體化，實現(xiàn)了企業(yè)從工藝流程的底層開始到工業(yè)企業(yè)管理的信息化。9二、傳感器及儀器儀表智能傳感器10二、傳感器及儀器儀表智能傳感器2015年增設(shè)的全國高職高專工業(yè)機器人賽項11三、人機交互系統(tǒng)人機交互發(fā)展1）20世紀60年代--基于鍵盤和字符顯示器的交互階段；2）20世紀70年代--基于鼠標和圖形顯示器的交互階段；3）20世紀80年代末--基于多媒體技術(shù)的交互階段；4）現(xiàn)在--人機自然交互階段。12三、人機交互系統(tǒng)人機交互技術(shù)1）非精確交互技術(shù)非精確的人機交互也稱模糊控制，包括語音、視覺、手勢、頭部等信息來源。語音識別：以語音識別為基礎(chǔ)，計算機基于識別和理解過程把語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳奈谋疚募蛎睿Ｓ糜谙到y(tǒng)提示、引導式問答等交互場合。眼動跟蹤：是對眼睛運動過程進行定位的交互方式。姿勢識別：利用數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝等裝置，對手和身體的運動進行跟蹤，完成自然的人機交互。13三、人機交互系統(tǒng)人機交互技術(shù)2）多通道交互技術(shù)綜合采用語音、手勢、視線跟蹤、表情等交互通道，使用戶利用多個通道以自然、并行、協(xié)作的方式進行人機對話，通過整合來自多個通道的、精確的、不精確的輸入來撲捉用戶的交互意圖，增大人機通訊信息量，以提高人機交互的自然性和有效性。14三、人機交互系統(tǒng)人機交互技術(shù)3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對真實世界進行動態(tài)模擬，通過用戶的交互輸入來修改和運行虛擬環(huán)境，使用戶在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括操作者、人機接口和計算機三個基本要素。計算機提供環(huán)境，操作者通過視覺、聽覺、嗅覺、力覺等傳感設(shè)備感知并融入“環(huán)境”，再通過自然的操作動作改變環(huán)境。這種系統(tǒng)改變了由屏幕、鼠標、鍵盤與計算機產(chǎn)生的人機交互方式，使操作者通過逼真的感知和自然的動作，實現(xiàn)與環(huán)境直接進行的交互。15三、人機交互系統(tǒng)人機交互技術(shù)3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對真實世界進行動態(tài)模擬，通過用戶的交互輸入來修改和運行虛擬環(huán)境，使用戶在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括操作者、人機接口和計算機三個基本要素。計算機提供環(huán)境，操作者通過視覺、聽覺、嗅覺、力覺等傳感設(shè)備感知并融入“環(huán)境”，再通過自然的操作動作改變環(huán)境。這種系統(tǒng)改變了由屏幕、鼠標、鍵盤與計算機產(chǎn)生的人機交互方式，使操作者通過逼真的感知和自然的動作，實現(xiàn)與環(huán)境直接進行的交互。16四、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的發(fā)展1）基地式儀表控制系統(tǒng)2）模擬儀表控制系統(tǒng)3）直接式數(shù)字控制系統(tǒng)4）集散控制系統(tǒng)5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)17四、控制系統(tǒng)PLC控制器1）抗干擾能力強、可靠性高2）控制系統(tǒng)接線簡單、使用方便3）功能強大、通用性好

在制造業(yè)發(fā)展的過程中，對PLC的發(fā)展需求總體上漲，特別是隨著工業(yè)4.0及中國智能制造熱潮的不斷升溫，PLC市場持續(xù)增長，PLC技術(shù)也朝著集成化、開放性及安全性等方向發(fā)展。18四、控制系統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)19五、數(shù)控機床及數(shù)控加工中心數(shù)控機床及發(fā)展1）NC階段（1952～1970）1952年的第一代—電子管計算機組成的數(shù)控系統(tǒng)；1959年的第二代—晶體管計算機組成的數(shù)控系統(tǒng)；1965年的第三代—小規(guī)模的集成電路計算機組成的數(shù)控系統(tǒng)。2）CNC階段（1970至今）1970年第四代—小型計算機數(shù)控系統(tǒng)；1974年第五代—微處理器組成的數(shù)控系統(tǒng)；1990年第六代—基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。20五、數(shù)控機床及數(shù)控加工中心數(shù)控機床及發(fā)展3）幾個發(fā)展方向向著高速、高精度和高可靠性的方向發(fā)展向著多軸聯(lián)動和復合加工的控制方向發(fā)展朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開放性的方向發(fā)展加工過程朝著綠色化方向發(fā)展21五、數(shù)控機床及數(shù)控加工中心數(shù)控機床的組成、工作原理及分類22五、數(shù)控機床及數(shù)控加工中心數(shù)控機床的組成、工作原理及分類1）按運動方式分類：點位控制、直線控制、輪廓控制。2）按伺服控制方式分類：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。3）按工藝用途分類：一般數(shù)控機床、數(shù)控加工中心等。23五、數(shù)控機床及數(shù)控加工中心數(shù)控加工中心數(shù)控加工中心是指帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床。自動換刀裝置用于交換主軸與刀庫中的刀具。刀庫主要有兩種，一種是盤式刀庫，一種是鏈式刀庫。盤式刀庫容量相對較小，一般在1～24把刀具，主要適用于小型加工中心；鏈式刀庫容量較大，一般在1～100把刀具，主要適用于大中型加工中心。24五、數(shù)控機床及數(shù)控加工中心數(shù)控加工中心①具有自動換刀裝置，能自動地更換刀具，在一次裝夾中完成鉆削、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、銑削等多種工序的加工，工序高度集中；②帶有自動擺角的主軸或回轉(zhuǎn)工作臺的加工中心，在一次裝夾后，自動完成多個面和多個角度的加工；③帶有可交換工作臺的加工中心，可同時進行一個加工、一個裝夾工件，具有極高的加工效率。數(shù)控加工中心主要適用于加工形狀復雜、工序多且精度要求高的工件25五、數(shù)控機床及數(shù)控加工中心數(shù)控編程程序編制方法有兩種：手工編程與自動編程手工編程適用于幾何形狀簡單、計算簡便、加工程序不多的零件加工。自動編程是指在計算機及相應的軟件系統(tǒng)的支持下，自動生成數(shù)控加工程序的過程。其特點是采用簡單、習慣的語言對加工對象的幾何形狀、加工工藝、切削參數(shù)及輔助信息等內(nèi)容按規(guī)則進行描述，再由計算機自動地進行數(shù)值計算、刀具中心運動軌跡計算、后置處理，生成零件加工程序單，并且對加工過程進行模擬。26六、增材制造裝備增材制造概念增材制造（AM）是一種與傳統(tǒng)材料“去除型”加工方法截然相反的制造方法；通過增加材料、基于三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)，采用逐層制造方式，直接制造出與相應數(shù)學模型完全一致的三維物理實體模型。該技術(shù)也稱3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”，其核心是數(shù)字化、智能化制造，可實現(xiàn)產(chǎn)品的隨時、隨地、按需生產(chǎn)。27六、增材制造裝備增材制造關(guān)鍵技術(shù)1）材料單元的控制技術(shù)增材單元的控制直接決定了制件的最小特征制造能力和制件精度。2）設(shè)備的再涂層技術(shù)再涂層的工藝方法決定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度，因此，增材制造的自動化涂層是材料累加的必要工序之一。28六、增材制造裝備增材制造關(guān)鍵技術(shù)1）材料單元的控制技術(shù)增材單元的控制直接決定了制件的最小特征制造能力和制件精度。2）設(shè)備的再涂層技術(shù)再涂層的工藝方法決定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度，因此，增材制造的自動化涂層是材料累加的必要工序之一。29六、增材制造裝備增材制造關(guān)鍵技術(shù)3）高效制造技術(shù)增材制造正在向大尺寸構(gòu)件制造技術(shù)發(fā)展，需要高效、高質(zhì)量的制造技術(shù)支撐。4）設(shè)備的再涂層技術(shù)現(xiàn)階段的增材制造主要是制造單一材料的零件，如單一高分子材料和單一金屬材料，目前正在向單一陶瓷材料發(fā)展。30七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)1）傳感器融合技術(shù)：通過單一傳感器獲取數(shù)據(jù)存在誤差大、使用范圍有限等缺點，難以保證機器人運動的準確性和可靠性；依托多傳感器信息融合技術(shù)，可獲得一系列機器人所需的信息，實現(xiàn)機器人的精準動作。2）人機交互技術(shù)：依托人機交互技術(shù)可最大自由度操作機器，如同人與人之間交流一樣自然、高效和無障礙。31七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)3）系統(tǒng)集成技術(shù)：包括集成軟件開發(fā)、數(shù)字化仿真集成開發(fā)等技術(shù)，是機器人研究與開發(fā)面臨的最大挑戰(zhàn)技術(shù)。4）導航定位技術(shù)：導航定位技術(shù)是移動機器人研究的難點，解決好移動機器人定位問題對于提高機器人的自動化水平具有重要的理論意義和實用價值。32七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的驅(qū)動方式1）氣動傳動機器人：以壓縮空氣作為動力源，高速輕載。2）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。3）電力傳動機器人：交直流伺服電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、響應快、精度高。33七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)34七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)1）自由度也稱坐標軸數(shù)，是指獨立運動數(shù)。自由度數(shù)越高，則完成的動作越復雜、通用性越強、應用范圍也越廣。但自由度越多，結(jié)構(gòu)就越復雜，對機器人的整體要求也就越高。35七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)2）工作精度影響定位精度的因素主要有：機械零件加工精度、定位傳感器分辨率、定位算法的選擇、原始數(shù)據(jù)處理誤差和不確定性誤差；影響重復定位精度的因素主要有：機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、機械零件加工精度、定位傳感器精度、定位算法精度的選擇、原始數(shù)據(jù)處理誤差和不確定性誤差。36七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)3）工作空間也稱工作范圍、工作行程，是指機器人在執(zhí)行任務時其手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能到達的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身能到達的區(qū)域，目前單體工業(yè)機器人的工作范圍可達3.5米左右。37七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)4）工作速度指機器人各個方向的移動速度或轉(zhuǎn)動速度，這些速度可以相同，也可以不同；最大工作速度通常指機器人手腕中心的最大速度。運動速度影響工作效率，與提取的重力和位置精度有關(guān)。5）承載能力指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿，且在正常操作的條件下，作用于機器人手腕末端，不會使機器人性能降低的最大載荷。38七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的編程技術(shù)1）示教編程示教編程是一種成熟的技術(shù)，是目前大多數(shù)工業(yè)機器人的編程方式，采用這種方法時，程序編制是在機器人現(xiàn)場進行的。示教編程可以在線示教，也可以離線示教，分為示教、存儲和再現(xiàn)三個步驟。39七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的編程技術(shù)2）機器人語言編程機器人語言可以按照作業(yè)描述水平的程度分為動作級編程語言、對象級編程語言和任務級編程語言三種。動作級編程語言是最低一級的機器人語言。它以機器人的運動描述為主，通常一條指令對應機器人的一個動作，表示從機器人的一個位姿運動到另一個位姿。40七、工業(yè)機器人工業(yè)機器人的編程技術(shù)2）機器人語言編程機器人語言可以按照作業(yè)描述水平的程度分為動作級編程語言、對象級編程語言和任務級編程語言三種。對象級編程語言是比動作級編程語言高一級的編程語言，它不需要描述機器人手爪的運動，只要由編程人員用程序的形式給出作業(yè)本身順序過程的描述和環(huán)境模型的描述，即描述