自动化生产线和机器人技术应用

1、智能化制造务©智能化制凌智能化制造系统由于其加工工艺范围很广，涉及到很多 设备。本课程主要介绍常用自动化生产线和工业机器人 的类型及布局、各种自动化加工设备、工件的储运系统、 刀具准备及储运系统、控制与监控系统、各种辅助设备 以及自动化制造系统的控制系统。智能化制凌1概述2自动化加工设备3工件储运设备4刀具准备与储运系统5工业机器人6质量控制和运行监控系统7辅助设备8控制系统思考题智能化制造1概述1.1刚性自动化生产1.刚性半自动化单机除上、下料外，机床可以自动完成单个工艺过程 的加工循环，这样的机床称为刚性半自动化机床。2 刚性自动化单机它是在刚性半自动化单机的基础上增加了自动上、

2、 下料等辅助装置而形成的自动化机床。3 刚性自动化生产线刚性自动化生产线是多工位生产过程，用工件输 送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺 序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工 的复杂大系统。图11所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局图。该自动线年生产曲拐零件17000件，毛坯是球墨铸 铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面, 因而采用了随行夹具安装定位，便于工件的输送。智能化制造曲拐加工自动线(")正视图；(b)俯视图令智能化制造刚性自动线生产率高，但柔性较差，当加工件的变化时, 需要停机、停线并对机床、夹具、刀具等工装设备进行 调整或更换，如更换主铀箱，

3、通常调整工作量大，停产 时间较长。智能化制凌该曲拐加工自动线由七台组合机床和一个装卸工 位组成。全线定位夹紧机构由一个泵站集中供油。工 件的输送釆用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式 传动装置驱动。1.2柔性制造单元(FMC)柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)由单 台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等 组成。©智能化制造'、/1. FMC控制系统FMC控制系统一般分为两级，分别是单元控制级和 设备控制级。(1) 设备控制级。(2) 单元控制级。2. FMC的基本控制功能FMC的基本控制功能包括：(1) 单元中各加工设备的任务管理与

4、调度。(2) 单元内物流设备的管理与调度。(3) 刀具系统的管理。图1-2所示为一以加工回转 体零件为主的柔性制造单元。亠令智能化制造令智能化制造1城车床；2力辽中心；3装卸工位；4 一龙门式机械手5机器人；加工中心控制器；7车床数控装置；8-龙门式机械手控制熔；9-小辎错燔；10加工中尤控制麗；I几器as制器12单元控制腿13、M运输小车图12柔性制造单元图13所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元 主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70把，采用双 机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环形转盘，托盘库台面支承在柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。眄带托鋅的柔性制造

5、単元预备知识常用的机械加工方法和设备碰撞加工物w A智能化制造智能化制造智能化制造车削刨削磨削铳削镇削钻削常用机械加工方法智能化制造智能化制造电火花加工激光加工电解加工出，鼎删也匸，“删刪ami*超声加工精密及特种加工方法令智能化制造前面I1Lf智能化制凌13柔性制造系统(FMS)柔性制造系统(Flexible Manufacturing System)由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现了物料流和信息流的自动化。其 基本组成部分有:自动化加工设备、工件储运系统、刀具储运系统 和多层计算机控制系统等。1. 自动化加工设备组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中

6、 心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。智能化制凌2. 工件储运系统FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更 换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库和托盘 （工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运 输小车、机器人或机械手等;工件更换装置包括各种机 器人或机械手、托盘交换装置等。3. 刀具储运系统FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和 交换机构等组成。4. 辅助设备FMS可以根据生产需要配置辅助设备。辅助设备 一般包括自动清洗工作站，自动去毛刺设备，自动测量设 备，集中切屑运输系统和集中冷却润滑系统等。智能化制凌5多层计算机控制系统FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、

7、 工作站控制级、设备控制级。图1-4就是一个FMS控制系 统实例，系统包括自动导向小车(AGV)、TH6350卧式 加工中心、XH714A立式加工中心和仓储设备等。(1) 设备控制级。(2) 工作站控制级。单元控制级。智能化制造智能化制造单元帥器RS-232C|RS-232C1力UTT作站w sc物流丁作站w sc:11RS-232CRS-232C RS-I/ODNCCNC6MPC-B|DNC|CNC6MPC-B| DNC |CNC6MPC-BRS-232CAGV帥器XH714ATH6350TH6350AGVSl-4 FMS控制系统实例智能化制造图1-5是一种较典型的FMS,四台加工中心直线布

8、置， 工件储运系统由托盘站2、托盘输送车4、工件装卸工 位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组成。6-III，- dn/tLr -vudr-wlrdzib*UrrirnnJ»LL101图15柔性制造系统的组成柔性制造系统的主要特点有： 柔性高，适应多品种中小批量生产； 系统内的机床在工艺能力上是相互补充和相互替代的; 可混流加工不同的零件； 系统局部调整或维修不中断整个系统的运作； 多层计算机控制，可以和上层计算机联网； 可进行三班无人干预生产。智能化制凌图1-6所示是一个具有装配功能的柔性制造系统。 柔性制造系统的主要特点有：柔性高，适应多品种中、 小批量生产；系统内的机床

9、工艺能力上是相互补充和 相互替代的；可混流加工不同的零件；系统局部调整 或维修不中断整个系统的运作；多层计算机控制，可 以和上层计算机联网；可进行三班无人干预生产。1.4柔性制造线(FML)柔性制造线(Flexible Manufacturing Line)由自动 化加工设备、工件输送系统和控制系统等组成。1控制柜；2手工工位：3紧固机器人；4装配机器人；5双臂机器人；6清洗站：智能化制造口13I 2116107仓库：8车削加工中心；9多悝标测量仪;10"铳加工中心；11刀具预调站；12= 载机器人：13装夹具机器人：14装夹15AGV（自动导向小车）；16控制区w151图16具有装

10、配功能的柔性制造系统智能化制凌柔性制造线的主要优点是：具有刚性自动线的绝 大部分优点；当批量不很大时，生产成本比刚性自动 线低得多；当品种改变时，系统所需的调整时间又比 刚性自动线少得多，但建立系统的总费用却比刚性自 动线高得多。1. 自动化加工设备；2. 工件输送系统；刀具；智能化制凌图1-7为一加工箱体零件的柔性自动线示意图，它由 两台对面布置的数控铳床，四台两两对面布置的转塔式 换箱机床和一台循环式换箱机床组成。采用鶴子传送带 输送工件。这条自动线看起来和刚性自动线没有什么区 别，但它具有一定的柔性。FML同时具有刚性自动线和 FMS的某些特征，在柔性上接近FMS,在生产率上接近 刚性自

11、动线。智能化制造智能化制造OW转塔式换箱职岂母敷疵C越加,W fi屮1山卜1山|小|山I山I山I山川山|换箱材味物料 (W 控制智能化制造槻刊专戯01-7柔性制造线示意图智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造1.5柔性装配线(FAL)柔性装配线(FlexibleAssemblyLine )通常由装配站、物料输送装置和控制系统等组成。1 装配站FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人，不可 编程的自动装配装置和人工装配工位。2 物料输送装置3.控制系统FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要控制 物料的流向和自动装配站、装配机器人。图1-8是FAL 的示意图。智能化制造智能化制造ooo oo

12、瞬88=1H B B7J W1飞II1245智能化制造智能化制造1无人驾驶输送装置；2传送带；3-双臂装配机器人；4-装配机器5-拧螺纹机器人；6-自动装配站；7人工装配工位；8-投料工作$S1-8柔性装配线示意图智能化制造智能化制造©智能化制造©智能化制造Z传送带和换向机构x.装配机器人、装配装置、人工装配工位J物料输送装配装配站Z全线进行高度和监控控制系统智能化制造第二节自动化加工设备1、组合机床2、数控机床刼能化刹浩组合机床一般是针对某一种零件或某一组零件设计、制造的，常用于箱体、 壳体和杂件类零件的平面、各种孔和孔系的加工往往能在一台机床上对工 件进行多刀、多轴、多

13、面和多工位加工。J丿笃合机床的特点: 工序集中，多刀同时切削加工，生产效率高； 采用专用夹具和刀具（如复合刀具、导向套），加工质量稳定； 常用液压、气动装置对工件定位、夹紧和松开，实现工件装夹自动化; 常用随行夹具，方便工件装卸和输送； 更换主轴箱可适应同组零件的加工，有一定的柔性； 采用可编程控制器控制可与上层控制计算机通信；机床主要由通用部件组成，设计、制造周期短，建造自动化速度快。智能化制造多工位小型组合机床喷油泵体精镇组合机床缸盖精加工组合机床智能化制凌2数控机床2.1 一般数控机床一般数控机床通常是指数控车床、数控铳床、数 控镇铳床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系 统是非常重要

14、的。1 柔性高2. 自动化程度高加工精度高且质量稳定智能化制造智能化制凌3. 生产效率较高5具有刀具寿命管理功能6具有通信功能现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计 算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之 间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。 通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。图3-10是数控装置的基本组成框图。45图310数控装置的基本组成框图智能化制造f智能化制凌CNC系统由程序、输入输出设备、计算机数字控 制装置、可编程控制器（PC或可编程逻辑控制器 PLC）、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成， 如图3-11所示。智能化制造智能化制造

15、输A -设各输lB v 设各计wm数字控制鮭(CNC 甜(PC)图3J1 CNC系统框图主输空带惮元A主轴电$|A进给电柳 位置检测烯2智能化制造2.2加工中心(MC)加工中心的系统基本组成与一般数控机床一样，只是在此基础上增加了刀库和自动换刀装置而形成一类更 复杂，但用途更广，效率更高的数控机床。加工中心配置有刀库和自动换刀装置，能在一台机床上完成车、铳、 镇、钻、较、攻螺纹、轮廓加工等多个工序的加工。加工中心机床具有工序集中，可以有效缩短调整时 间和搬运时间，减少在制品库存，加工质量高等优点， 因此常用于零件比较复杂，需要多工序加工，且生产批 量中等的生产场合。加工中心通常是指镇铳加工中心

16、，主要用于加工箱 体及壳体类零件，工艺范围广。智能化制凌加工中心的特点:刀具库普通数控机床刀具自动交换机构复杂工作台多面加工工件自动交换机械手顺序存取随机存取©智能化制造'、/加工中心的刀具库通常位于远离主轴的机床侧面或顶部。加工中心刀具的存取方式有顺序方式和随机方式，刀具 随机存取是最主要的方式。正确安放刀具是成功执行数控程 序的基本条件。回转工作台是卧式加工中心实现主轴运动的部件，主轴 的运动可作为分度运动或进给运动。回转工作台有两种结构形式：仅用于分度的回转工作台 用鼠齿盘定位，分度前工作台抬起，使上、下鼠齿盘分离， 分度后落下定位，上、下鼠齿盘啮合，实现机械刚性连接；

17、 用于进给运动的回转工作台用伺服电机驱动，用回转式感应 同步器检测及定位，并控制回转速度，也称数控工作台。数 控工作台和X、Y、Z轴及其它附加运动构成45轴轮廓 控制，可:to王复杂轮廓表面。智能化制造车削中心车削中心比数控车床工艺范围宽，工件一次安装，几乎能完成所有表面的加工，如内、外表面，端面，沟槽,内、外圆及端面上的螺旋槽，非回转轴心线上的轴向孔和径向孔 等。车削中心回转刀架上可安装如钻头、铳刀、较刀、丝锥 等回转刀具，它们由单独的电动机驱动，也称自驱动刀具。 在车削中心上用自驱动刀具对工件的加工分为两种情况：一 种是主轴分度定位后固定，对工件进行钻、铳、攻螺纹等加 工；另一种是主轴运动

18、作为一个控制轴（C轴），C轴运动 和X、Z 轴运动合成为进给运动，即三坐标联动，铳刀在 工件表面上铳削各种形状的沟槽、凸台、平面等。、严译込智能化制凌车削中心回转刀架通常可装刀具1216把，这对无人 看管柔性加工来说是不够的。因此，有的车削中心装备有 刀具库，刀库有筒形或链形，刀具更换和存储系统位于机 床一侧，刀库和刀架间的刀具交换由机械手或专门机构进 行。车削中心采用可快速更换的卡盘和卡爪，普通卡爪更 换时间为5lOmin,而快速更换卡盘、卡爪的时间可控 制在2min以内。卡盘有35套快速更换卡爪，以适应不 同直径的工件。如果工件直径变化很大，则需要更换卡盘。 有时也采用人工在机床外部用卡盘

19、夹持好工件，用夹持有 新工件的卡盘更换已加工的工件卡盘的方法，工件-卡盘 系统更换常采用自动更换装置。智能化制造储运系统1、工件储运系统的组成工件储运莱筑是自动化制造系统的重要组成部分，它将工件毛坯或 半成品及时准确地送到指定加工位置，并将加工好的成品送进仓库 或装卸站。工件储运系统为自动化加工设备服务.使自动化制造系 统得以正常运行，以发挥出系统的整体效益。丿 2：工件输送设备工件储存系统令智能化制造令智能化制造工件储运系统的组成设备智能化制造传送带运输小车工业机器人托盘及托盘交换装置步代式传送带摆杆步代式传送带链板履带式传送带辗道式传送带智能化制造有轨小车（RGV）自动导向小车（AGV）&

20、#167;智能化制凌3.1有轨小车(RGV)有轨小车(RoilGuideVehicle)是一种沿着铁轨行 走的运输工具，有自驱和它驱两种驱动方式。自驱动 有轨小车通过车上的小齿轮和安装在铁轨一侧的齿条 啮合，利用交、直流伺服电动机驱动。它驱式有轨小 车由外部链索牵引，在小车底盘的前、后各装一导向 销，地面上修有一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟 槽内，保证小车行进时沿着沟槽移动。智能化制凌前面的销杆除作定向用外，还作为链索牵动小车的推杆。 推杆是活动的，可在套筒中上下滑动。链索每隔一定距离有 一个推头，小车前面的推杆可灵活地插入或脱开链索的推头, 由埋设在沟槽内适当地点的接近开关和限位开关控制。

21、推杆 脱开链索的推头，小车就停止。采用空架导轨和悬挂式机械 手或机器人作为运输工具也是一种发展趋势，其主要优点是 充分利用空间，适合于运送中、大型工件，如汽车车架、车 身等。有轨小车的特点是：加速和移动速度都比较快，适合运 送重型工件；导轨固定，行走平稳，停车位置比较准确；控 制系统简单，可靠性好，制造成本低，便于推广应用；行走 路线不便改变，转弯角度不能太小；噪声较大，影响操作工 监听加工状况及保护自身安全。智能化制造3.2自动导向小车（AGV）1. AGV的结构在自动化制造系统中使用的AGV大多数是磁感应 式AGV。图1-13是一种能同时运送两个工件的AGV, 它由运输小车、地下电缆和控制

22、器三部分组成。智能化制造1驱施； 2_驱动电机3 枝：4 感图113磁感应AGV自动导向原理图智能化制凌2. AG V的自动导向；图1-13是磁感应AGV自动导向原理图，小车底部 装有弓形天线3,跨设于以感应线4为中心且与感应线 垂直的平面内。感应线通以交变电流，产生交变磁场。 当天线3偏离感应线任何一侧时，天线的两对称线圈中 感应电压有差值，误差信号经过放大，驱动左、右电 动机2;左、右电动机有转速差，经驱动轮1使小车转向, 使感应线重新位于天线中心，直至误差信号为零。智能化制凌3. 路径寻找；路径寻找就是自动选取岔道，AGV在车间的行走路线比 较复杂，有很多分岔点和交汇点。地面上有中央控制

23、计算机 负责车辆调度控制，AGV小车上带有微处理器控制板，AGV 的行走路线以图表的格式存储在计算机内存中。3.3自动化立体仓库自动化立体仓库的主要特点有：利用计算机管理，物资 库存账目清楚，物料存放位置准确，对自动化制造系统物料 需求响应速度快；与搬运设备（如AGV、有轨小车、传送带） 衔接，能可靠、及时地供给物料；减少库存量，加速资金周转; 充分利用空间，减少厂房面积；减少工件损伤和物料丢失； 可存放的物料范围宽；减少管理人员，降低管理费用；耗资 较大，适用于一定规模的生产。智能化制造1.自动化立体仓库的组成自动化立体仓库主要由库房、货架、堆垛起重机、 外围输送设备、自动控制装置等组成。图

24、3-14所示为 自动化立体仓库，高层货架成对布置，货架之间有巷 道，随仓库规模大小可以有一到若干条巷道。12- f$l货架；3 场内AGV;4- 场内帥/阵5 中转货位；03-14自动化立体仓库7场外AGV； 8傑货场智能化制凌2.堆垛起重机堆垛起重机是立体仓库内部的搬运设备。堆垛起 重机可采用有轨或无轨方式，其控制原理与运输小车 相似。仓库高度很高的立体仓库常采用有轨堆垛起重 机。为增加稳定性，采用两条平行导轨，即天轨和地 轨（如图3-15所示）。智能化制造图315堆垛起重机A自动化立体仓库的控制与管理仓库管理自动化帐目、货箱、货位及其他信息的 计算机管理。出入库作业自动化货箱零件的自动识别

25、、自动认址、货格 状态的自动检测以及堆垛机各种动作的 自动控制等。智能化制造条形码编码技术、物资管理、帐目'管理、货位管理及信息管理丿货物的自动化识别与存取/计算机管理弋1计算机控制下堆垛起重机的控制 丿智能化制造第四节刀具准备及储运系统2、组成3、刀具预调仪4、中央刀库结构定义刀具准备与储运系统为各加工设备及时提供所需要的刀具， 实现刀具供给自动化，使自动化制造系统的自动化程度进一 步提咼。智能化制造智能化制造刚性自动线中人工定时强制换刀，FMS中则非常复杂。智能化制造智能化制造©智能化制造©智能化制造模块化的组合刀具a刀库与外部的界面进岀站使刀具几何参数与名义值

26、 一致，并测量刀具补偿值。刀具预“ I 中央刀库通过刀具自动 输送装置与机床刀库连 丿接起来，构成自动刀具机床刀库及换刀机械手机床刀库有固定式和可换 式。机械手分为单臂臂式 和双臂式。为各种机床刀库及时提供所需要 的刀具，并将磨损、破损的刀具 送出系统。妙智能 刀柄定位机构测量头Z、X轴测量机构测量数据处理 杆.塑标显示|打爲 |v跖严陥头PU管理计算机）J轴向尺寸基准面刀杆定位套»靖歸吉±降.，、-§智能化制凌第五节工业机器人5.1工业机器人概况工业机器人是一种可编程的智能型自动化设备， 是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动 化系统。机器人是从初级到高

27、级逐步完善起来的，它的发 展过程可以分为三代。第一代机器人是目前工业中大量使用的示教再现 型机器人，它主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器 组成。工尝机器人是一种可编程的多功能操作器，用于搬运物料、工件和工具，或者通过不同的编程以完成各种任务的设备。yA机器人牝机横手的殳要区樹是；机械手是没有自主能力，不可重复编程，只能完成定位点不变的简单的重复动作；机器人是由计算机控制的，可重复编程，能完成任意定位的复杂运动。J丿智能化制凌第二代机器人是带感觉的机器人，它具有一些对外 部信息进行反馈的能力，诸如力觉、触觉、视觉等。5.2工业机器人的结构工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系 统、测量系统

28、、控制器及传感器等组成。图3-16是工业 机器人的典型结构。智能化制造智能化制造手臂03-16 X业机器人的典型结构©智能化制造工业机器人的运动由主构架和手腕完成。主构架 具有三个自由度，其运动由两种基本运动组成，即沿 着坐标轴的直线移动和绕坐标轴的回转运动。不同运动的组合形成各种类型的机器人，如图317所示。图3- 17所示的工业机器人的基本结构形式有：直角坐标型(图3-17(a)中有三个直线坐标轴)；柱坐标型(图3-17(b)中有两个直线坐标轴和一个回转轴)；球坐标型(图3-17(c)中有一个直线坐标轴和两个回转 轴);关节型(图317(d)中有三个回转轴关节，图317(e)中有

29、三个平面运动关节)。(a)图3-17工业机器人的基本结构形式(a)直角坐标型；(b)圆柱坐标型;(c)球坐标型；(d)多关节型；(e)平面关节型©智能化制造(b)图3-17工业机器人的基本结构形式(a)直角坐标型；(b)圆柱坐标型;(c)球坐标型；(d)多关节型；(e)平面关节型©智能化制造(C)图3-17工业机器人的基本结构形式(a)直角坐标型；(b)圆柱坐标型;(c)球坐标型；(d)多关节型；(e)平面关节型智能化制造图317工业机器人的基本结构形式(a)直角坐标型；(b)圆柱坐标型;(c)球坐标型；(d)多关节型；(e)平面关节型令智能化制造5.3工业机器人的应用目前

30、，工业机器人主要应用于汽车制造、机械制 造、电子器件、集成电路、塑料加工等较大规模生产企业。下面介绍几种机器人的典型应用1.汽车制造领域图3-19是一个焊接机器人系统的示意图。焊接机器 人还分成采用点位控制的点焊机器人和采用轨迹控制 的焊接机器人两种。1操作机；2识别装置;3外启动；喷漆工件;5示教手把；喷枪；7一漆薙；8外同歩坯制;9- 生产线停线控制；10 5制系统；11 一遥轻急存开关；12油源图318喷漆工业机器人系统示意图令智能化制造令智能化制造智能化制造1总机座；2、6轴解换位器;3、4控制魁5 工恢具；6 工件；7 焊接电源03-19焊接工业机器人系统示意图智能化制造智能化制造令

31、智能化制造2.机械制造领域机械制造企业的柔性制造系统采用搬运机器人搬运 物料、工件和工具，装配机器人完成设备的零件装配， 测量机器人进行在线或离线测量。图3-20所示是两台机器人用于自动装配的情况，主机 器人是一台具有三个自由度且带有触觉传感器的直角坐 标机器人，它抓取第1号(No.l)零件，并完成装配动作； 辅助机器人仅有一个回转自由度，它抓取第2号(No.2)零 件，第1号和第2号零件装配完成后，再由主机械手完成 与第3号(No.3)零件的装配工作。图320机器人用于零件装配§智能化制凌图3-21所示是一教学型FMS,由一台CNC车床、一 台CNC铳床、工件传送带、料仓、两台关节

32、型机器人 和控制计算机组成。两台机器人在FMS中服务，一台 机器人服务于加工设备和传送带之间，为车床和铳床 装卸工件；另一台位于传送带和料仓之间，负责上、 下料。令智能化制造5S3-21机器人上、1 CNC铳床；2 传送带；3 机器人；4 CNC车床；5 料仓；中央处理器下料智能化制凌3.其它领域机器人在其它领域的应用也非常广泛，如工业机 器人可以取代人去完成一些危险环境中的作业（如放射 线、火灾、海洋、宇宙等）。例如，2004年1月4日，美 国“勇气”号火星探测机器人实现了人类登陆火星的 梦想，图3-22为“勇气”号的图片。智能化制造智能化制造图322 ''勇气”号火星探测器

33、智能化制造智能化制造第六节质量控制和运行监控系统3、利用数控机床进行测量4、测量机器人5、刀具磨损和破损的检测与监控6、环境及安全监测6.1检测与监控原理在自动化制造系统的加工过程中，为了保证加工质量和系 统的正常运行，需要对系统运行状态和加工过程进行检测与监 控（如图3-23所示）。物监I系安监I 工监 加备賣流量I则机内智能化制凌1. 运行状态检测与监控自动化制造系统中，需要检测与监控的运行状态通 常包括：(1) 刀具信息。(2) 机床状态信息。(3) 系统运行状态信息。(4) 在线尺寸测量信息。(5) 系统安全情况信息。(6) 仿真信息。仿真信息包括以下内容：零件的 数控程序是否准确；有

34、无碰撞干涉情况；仿真综合结果 情况等。智能化制凌2. 工件尺寸精度检测方法(1) 直接测量与间接测量。(2) 接触测量和非接触测量。(3) 在线测量和离线测量。3. 刀具磨损和破损的检测方法(1) 刀具、工件尺寸及相对距离测定法。(2) 放射线法。(3) 电阻法。(4) 光学图像法。* ， 一§智能化制凌(5) 切削力法。(6) 切削温度法。(7) 切削功率法。(8) 振动法。(9) 噪声分析法。(11)加工表面粗糙度法。6.2检测与监控应用举例例1-1加工中心(MC)需检测的运行状态信息。MC需检测的运行状态信息如下：(1) 环境参数及安全检测。一0f智能化制凌(2) 刀库状态检测

35、。(3) 机床负载检测。(4) 换刀机构检测。(5) 交换工作台检测。(6) 工作台振动检测。(7) 冷却与润滑系统检测。(8) CNC/PC系统检测。例1-2切削力法刀具磨损和破损的检测与监控。切削力的变化能直接反映刀具的磨损情况，图3-24中I和II所示是切削力的变化过程，曲线I表 示的是锋利的刀具，曲线II表示的是磨钝了的刀具。切削 力的差异AF是反映刀具实际磨损的标志。如果I切削力突 然上升或突然下降，可能预示刀具的折断。A -ws函324甘垩沙函图3-25所示为根据切削力的变化判别刀具磨损和破损 的系统原理图。当刀具在切削过程中磨损时，切削力会增 大；如果刀具崩刃或断裂，切削力会剧减

36、。在系统中，工 件加工余量的不均匀等因素也会引起切削力的变化，为了 避免误判，取切削分力的比值和比值的变化率作为判别的 特征量，即在线测量三个切削分力Fx、尸丫和巧的相应电 信号，经放大后输入除法器，得到分力比冬/巧和尸丫/Fz ， 再输入微分器得到d (Fx/Fz) /dt和d (Fy/Fz) /dto智能化制造智能化制造S3-25用切削力检测刀具状态原理图智能化制凌例1-3声发射法检测刀具。固体在产生变形或断裂时，以弹形波形释放岀变形 能的现象称为声放射。在金属切削过程中产生声发射信 号的来源有：工件的断裂，工件与刀具的摩擦，刀具的 破损及工件的塑性变形等。声放射在切削过程中产生频 率范围

37、很宽的声发射信号，从几十千赫兹至几兆赫兹不 等。声发射信号可分为突发型和连续型两种。突发型声 发射信号在表面开裂时产生，其信号幅度较大，各声发 射事件之间间隔时间较长；连续型声发射信号幅值较低, 事件的频率较高，以致难以分为单独事件。正常切削时，声发射信号是小幅值的连续信号。刀 具破损时，声发射信号幅值远大于正常切削，它与刀具 破损面积有关，增长幅度为37倍。因此，声发射信号 产生阶跃突变是识别刀具破损的重要特征。图3-26所示 为声发射钻头破损检测装置系统图。6.3检测设备1.坐标测量机(CMM)坐标测量机(Coordinate Measuring Machine)又叫 做三坐标测量机，是一

38、种检测工件尺寸误差、形位误差 以及复杂轮廓形状的自动化制造系统的基本测量设备。智能化制凌03-26声发射钻头破损检测装置系统图(1) 坐标测量机结构的特点。CMM和数控机床 一样，其结构布局有立式和卧式两类，立式CMM有时 是龙门式结构，卧式CMM有时是悬臂式结构。两种结 构形式的CMM都有不同的尺寸规格，从小型台式到大 型落地式。图3-27是一悬臂式CMM,由安放工件的工 作台、立柱、三维测量头、位置伺服驱动系统、计算 机控制装置等组成。(2) 坐标测量机的工作原理。图327悬臂式坐标测量机智能化制凌2.利用数控机床进行测量三坐标测量机的测量精度很高，但它对地基和工作环境 的要求也很高，它的

39、安装必须远离机床。如果零件的检测需 要在几个不同的阶段进行，零件就需要反复搬运几次，这对 于质量控制要求不是特别精确的零件显然是不经济的。由于 数控机床和CMM在工作原理上没有本质区别，且三坐标测 量机上用的三维测量头的柄部结构与刀杆一样，因此可将其 直接安装在机床（如加工中心）上。需要检测工件时，将测 量头安装在机床主轴或刀架上，测量工作原理与CMM相同； 测量完成再由换刀机械手将测量头放入刀库。为了保证测试 精度和保护测试头，工件在数控机床上加工结束后，必须经 高压冷却液冲洗，并用压缩空气吹干后方可进行检验测量。智能化制凌智能化制凌数控机床测量头智能化制凌智能化制凌特点： 不需要昂贵的CM

40、M,然而损失机床的切削加工时间； 可以针对尺寸偏并自动进行机床及刀具补偿，加工精度高;不需要工件来回运输和等待。智能化制凌智能化制凌§智能化制凌另外，数控机床用于测试时，必须为数控机床配置专 门的外围设备，如各种测量头和统计分析处理软件等。在数控机床上进行测量有如下特点：不需要昂贵的 CMM,但会损失机床的切削加工时间；可以针对尺寸偏差 自动进行机床及刀具补偿，加工精度高；不需要工件来回 运输和等待。©智能化制造'、/3测量机器人随着工业机器人的发展，机器人在测量中的应用也越 来越受到重视。机器人测量具有在线、灵活、高效等特点, 可以实现对零件100%的测量，因此特

41、别适合于自动化制造系 统中的工序间测量和过程测量。同坐标测量机相比，机器 人测量造价低，使用灵活。4.专用的主动测量装置在大规模生产条件下，常将专用的自动检测装置安装 在机床上，不必停机就可以在加工过程中自动检测工件尺 寸的变化，并能根据测得的结果发出相应的信号，控制机 床的加工过程（如变换切削用量、刀具补偿、停止进给、 退刀和停机等）。例如，图3-28所示为磨床上工件外径自动 测量及反馈控制装置的原理图。令智能化制造S3-28磨床上工件外径自动测量原理图像检测、超声波检测、 红外线检测X.y第七节辅助设备1、清洗站2、去毛刺设备3、切屑和冷却液处理智能化制造7.1清洗站清洗机有许多种类、规格

42、和结构，一般按其工作 是否连续分为间歇式（批处理式）和连续通过式（流 水线式）。批处理式清洗站用于清洗质量和体积较大 的零件，属中、小批量清洗；流水线式清洗机用于零 件通过量大的场合。批处理式清洗机有倾斜封闭式清洗机、工件摇摆 式清洗机和机器人式清洗机。智能化制造W洗清液待清洗的工件目高压洗清站回收洗清液干净工件/过滤沉淀铁屑等杂质令智能化制造令智能化制造间歇式（批处理式）连续通过式（流水线式）大型零件，中小批量大批量生产倾斜封闭式工件摇摆式机器人式车昆子传送带洗清站高压清洗T吹风§智能化制凌机器人式清洗机用机器人操作喷头，工件固定不 动。有些大型批处理式清洗站内部有悬挂式环形有轨

43、车，工件托盘安放在环形有轨车上，绕环形轨道做闭 环运行。流水式清洗站用辐子传送带运送工件，零件 从清洗站的一端送入，在通过清洗站的过程中被清洗, 在清洗站的另一端送出，再通过传送带与托盘交接机 构进入零件装卸区。清洗机有高压喷嘴，喷嘴的大小、安装位置和方 向应考虑到零件的清洗部位，保证零件的内部和难清 洗的部位均能清洗干净。气智能化制凌批处理式清洗站的操作过程如下：(1) 将工件托盘送到清洗站前。(2) 打开进入清洗站的门，将托盘送入清洗工作区，并 将其固定在有轨吊车上，关闭站门。(3) 托盘随吊车绕轨道运行时，高压、大流量冷却液从 喷嘴喷向工件托盘，使切屑、污物、油脂等落入排污系统。(4) 冲洗一定时间后，冷却液关闭，开始吹热空气进行 干燥。(5) 吹风干燥一段时间后，有轨吊车返回其初始位置。(6) 从有轨吊车上取下工件托盘，打开清洗站大门，运 走工件托盘。 f z *智能化制造7.2去毛刺设备1. 机械法去毛刺2. 振动法去毛刺3. 热能法去毛刺4. 电化学法去毛刺7.3切屑和冷却液的处理1切屑排除从加工区域清除切屑有下列几种方法:智能化制造智能化制造手工去毛刺自动去毛刺电化学法§智能化制凌(1) 靠重力或刀具回转离心力将切屑甩岀，切屑靠 自重落到机床下面的切屑输送带上。床身结构应易于排屑 (例如倾斜床身或将机床安置在倾斜的基座上)，并利用切 屑挡板或保护板