现代制造技术--第7章 制造自动化技术

1、 4.1 4.1 制造自动化技术概论制造自动化技术概论 4.1.1 4.1.1 制造自动化技术的定义、内涵制造自动化技术的定义、内涵 最初最初“自动化自动化(Automation)”(Automation)”是美国人是美国人D.S.HarderD.S.Harder于于19361936年提出的。当时他在通用年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是机器之间的零件转移不用人去搬运就是 自动自动化化 。这是早期制造自动化的概念。这是早期制造自动化的概念。第六章第六章 制造自动化技术制造自动化技术 随着计算机的出

2、现和广泛应用，自动化的概随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器念已扩展为用机器( (包括计算机包括计算机) )不仅代替人不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。今天，制造自动化自动地完成特定的作业。今天，制造自动化已远远突破了上述传统的概念，具有更加宽已远远突破了上述传统的概念，具有更加宽广和深刻的内涵。制造自动化的广义内涵至广和深刻的内涵。制造自动化的广义内涵至少包括以下几点。少包括以下几点。 (1) (1) 在形式方面在形式方面，制造自动化有三个方面的，制造自动化有三个方面的含义：含义： 代替人的体力劳动。

3、代替人的体力劳动。 代替或辅助人的脑力劳动。代替或辅助人的脑力劳动。 制造系统中人、机及整个系统的协调、制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。管理、控制和优化。 (2) (2) 在功能方面，制造自动化代替人的体力劳在功能方面，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系的一部分。的一部分。制造自动化的功能目标是多方面的，制造自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。已形成一个有机体系。此体系可用功能目标模此体系可用功能目标模型描述。功能目标模型简称型描述。功能目标模型简称TQCSETQCSE模型，其中模型，其中T

4、T表示时间表示时间(Time)(Time)，Q Q表示质量表示质量(Quality)(Quality)，C C表表示成本示成本(Cost)(Cost)，S S表示服务表示服务(Service)(Service)，E E表示表示环境友善性环境友善性(Environment)(Environment)。 (3) (3) 在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体的生产制造过程，而且涉及产品生命周期的所的生产制造过程，而且涉及产品生命周期的所有过程。有过程。 4.1.2 4.1.2 制造自动化技术的发展历程及进展制造自动化技术的发展历程及进展 随着科学技术的进步，机械制

5、造自动化技术随着科学技术的进步，机械制造自动化技术也由最初的主要依靠机械结构加上继电器等组也由最初的主要依靠机械结构加上继电器等组成的刚性自动化机床和生产线发展到现今依靠成的刚性自动化机床和生产线发展到现今依靠 信息技术和先进的生产管理方法形成的高柔信息技术和先进的生产管理方法形成的高柔性化设备技术。性化设备技术。 如表如表4-14-1所示，其发展历程及典型产品大所示，其发展历程及典型产品大致经历了致经历了4 4个阶段。个阶段。 表4-1机械制造自动化发展的四个阶段 国内外对制造自动化技术的研究非常重视，国内外对制造自动化技术的研究非常重视，已经进行了大量研究，主要表现在以下已经进行了大量研究

6、，主要表现在以下7 7个方个方面。面。 1. 1. 制造系统中的制造系统中的集成技术集成技术和和系统技术系统技术已成已成为制造自动化技术研究中的热点问题；为制造自动化技术研究中的热点问题； 2. 2. 更加注重研究制造自动化系统中人的作更加注重研究制造自动化系统中人的作用的发挥；用的发挥； 3. 3. 单元系统的研究仍然占有重要的位置单元系统的研究仍然占有重要的位置 4. 4. 制造过程的计划和调度研究十分活跃，但制造过程的计划和调度研究十分活跃，但实用化的成果还不多见；实用化的成果还不多见； 5. 5. 柔性制造技术的研究向着深度和广义发展；柔性制造技术的研究向着深度和广义发展； 6. 6.

7、 适应现代生产模式的制造环境的研究正在适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起；兴起； 7. 7. 底层加工系统的智能化和集成化研究越来底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃；越活跃；4.1.3 4.1.3 制造自动化技术的关键技术制造自动化技术的关键技术实现实现2121世纪制造自动化所涉及的关键技术世纪制造自动化所涉及的关键技术主要有：主要有：（1 1）集成化技术。）集成化技术。 （2 2）智能化技术。）智能化技术。 （3 3）网络技术。）网络技术。 （4 4）分布式并行处理技术。）分布式并行处理技术。 （5 5）多学科、多功能综合产品开发技术。）多学科、多功能综合产品开发技术。 (6)

8、 (6) 虚拟现实技术。虚拟现实技术。 (7) (7) 人机环境系统技术。人机环境系统技术。 4.2 4.2 自动化制造装备自动化制造装备 4.2.1 4.2.1 数控机床数控机床 1.CNC1.CNC数控机床的组成数控机床的组成 数控机床一般由输入数控机床一般由输入/ /输出设备、输出设备、CNCCNC装置装置( (或称或称CNCCNC单元单元) )、伺服单元、驱动装置、伺服单元、驱动装置( (或称执或称执行机构行机构) )、可编程控制器、可编程控制器(PLC)(PLC)及电气控制装置、及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。辅助装置、机床本体及测量装置组成。 图图4-14-1是数

9、控机床的组成框图。其中除机床是数控机床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为计算机数控本体之外的部分统称为计算机数控(CNC)(CNC)系统。系统。图4-1 数控机床组成框图 1) 1) 机床本体机床本体 CNCCNC机床由于切削用量大、连续加工发热量机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加之在加大等因素对加工精度有一定影响，加之在加工中是自动控制，不能像在普通机床上那样工中是自动控制，不能像在普通机床上那样由人工进行调整、补偿，因而其设计要求比由人工进行调整、补偿，因而其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新

10、的加强刚性、减小热变形、提高精度许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。等方面的措施。 2) CNC2) CNC装置装置 CNCCNC装置是装置是CNCCNC系统的核心，主要包括微处系统的核心，主要包括微处理器理器CPUCPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与以及与CNCCNC系统其他组成部分联系的接口等。系统其他组成部分联系的接口等。数控机床的数控机床的CNCCNC系统完全由软件处理数字信息，系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性化，可处理逻辑电路难因而具有真正的柔性化，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能以处理的复杂

11、信息，使数字控制系统的性能大大提高。大大提高。 3) 3) 输入输入/ /输出设备输出设备 键盘、键盘、磁盘机等磁盘机等是数控机床的典型输入设是数控机床的典型输入设备。此外，还可以用备。此外，还可以用串行通信串行通信的方式输入数的方式输入数字信息。数控系统一般配有字信息。数控系统一般配有CRTCRT显示器或点阵显示器或点阵式液晶显示器式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显，显示的信息较丰富，并能显示图形。操作人员通过显示器获得必要的信示图形。操作人员通过显示器获得必要的信息。常见数控系统操作面板如图息。常见数控系统操作面板如图4-24-2所示。所示。 4) 4) 伺服单元伺服单元 伺服单元是伺

12、服单元是CNCCNC和机床本体的联系环节，它和机床本体的联系环节，它把来自把来自CNCCNC装置的微弱指令信号放大成控制驱装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。和交流伺服单元。 5) 5) 驱动装置驱动装置 驱动装置把经放大的指令信号变为机械运驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作

13、台精确定位或按规定的轨迹作严格的相工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。流伺服电机和交流伺服电机等。 伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。它是机床工作的动力装置。CNCCNC装置的指令要装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，因此，靠伺服驱动系统付诸实施，因此，伺服驱动伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分系统是数控机床的重要组成部分。从某种意。从某种意义

14、上说，义上说，数控机床功能的强弱主要取决于数控机床功能的强弱主要取决于CNCCNC装置装置，而，而数控机床性能的好坏主要取决于伺数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。服驱动系统。 6) 6) 可编程控制器可编程控制器 可编程控制器可编程控制器(Programmable Controller(Programmable Controller，PC)PC)是一种以微处理器为基础的是一种以微处理器为基础的通用型自动控通用型自动控制装置制装置，专为在工业环境下应用而设计。由，专为在工业环境下应用而设计。由于最初研制这种装置的目的是为了于最初研制这种装置的目的是为了解决生产解决生产设备的逻辑及开关控制

15、设备的逻辑及开关控制，故称为可编程逻辑，故称为可编程逻辑控制器控制器(Programmable Logic Controller(Programmable Logic Controller，PLC)PLC)。 当当PLCPLC用于控制机床顺序动作时，也称之为编用于控制机床顺序动作时，也称之为编程机床控制器程机床控制器(Programmable Machine (Programmable Machine ControllerController，PMC)PMC)。 PLCPLC已成为数控机床不可缺少的控制装置。已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNCCNC和和PLCPLC协调配合，共同完成对数控

16、机床的协调配合，共同完成对数控机床的控制。用于数控机床的控制。用于数控机床的PLCPLC一般分为两类：一般分为两类： 一类是一类是CNCCNC的生产厂家为实现数控机床的的生产厂家为实现数控机床的顺序顺序控制，控制，而将而将CNCCNC和和PLCPLC综合起来设计的综合起来设计的PLCPLC产品，产品，称为内装型称为内装型( (或集成型或集成型)PLC)PLC，内装型内装型PLCPLC是是CNCCNC装置的一部分；装置的一部分； 另一类是以独立、专业化的另一类是以独立、专业化的PLCPLC生产厂家的生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为产品来实现顺序控制功能，称为独立型独立型( (或外或外装型装

17、型)PLC)PLC。 7) 7) 测量装置测量装置 测量装置也称反馈元件，通常安装在机床测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给转变成电信号反馈给CNCCNC装置，供装置，供CNCCNC装置与装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。除该误差的方向移动。 按有无检测装置，按有无检测装置，CNCCNC系统可分为开环与闭环系统可分为开环与闭环数控系统，而按测量装置的安装位置又

18、可分数控系统，而按测量装置的安装位置又可分为闭环与半闭环数控系统。为闭环与半闭环数控系统。 开环数控系统开环数控系统的控制精度取决于步进电机和的控制精度取决于步进电机和丝杠的精度，丝杠的精度， 闭环数控系统闭环数控系统的控制精度取决于检测装置的的控制精度取决于检测装置的精度。精度。 因此，因此，测量装置是高性能数控机床的重要组测量装置是高性能数控机床的重要组成部分。成部分。此外，由测量装置和显示环节构成此外，由测量装置和显示环节构成的数显装置，可以在线显示机床移动部件的的数显装置，可以在线显示机床移动部件的坐标值，大大提高机床工作效率和工件的加坐标值，大大提高机床工作效率和工件的加工精度。工精

19、度。 2 2CNCCNC系统的研究与发展系统的研究与发展 目前，数控系统发展主要有如下趋势：目前，数控系统发展主要有如下趋势： (1) (1) 总线式、模块化结构的总线式、模块化结构的CNCCNC装置：装置： 采用多微处理机、多主总线体系结构，可以采用多微处理机、多主总线体系结构，可以提高系统的计算能力和响应速度；模块化有提高系统的计算能力和响应速度；模块化有利于满足用户需要，构成最小至最大系统。利于满足用户需要，构成最小至最大系统。 (2) (2) 在在PCPC机基础上开发机基础上开发CNCCNC装置：装置： 充分利用通用充分利用通用PCPC机丰富的软件资源，随机丰富的软件资源，随PCPC机

20、机硬件的升级而升级；适当配置高分辨率的彩硬件的升级而升级；适当配置高分辨率的彩色显示器；通过图像、多窗口、菜单驱动以色显示器；通过图像、多窗口、菜单驱动以及多媒体等方式，得到友好的人机界面。及多媒体等方式，得到友好的人机界面。 (3) PLC(3) PLC数控：数控：PCPC既作为人机界面，利用其容既作为人机界面，利用其容量大、存储能力强和通信能力强的优点，又量大、存储能力强和通信能力强的优点，又可进行机床控制，实现可进行机床控制，实现PCPC数控。数控。 (4) (4) 大容量存储器的应用和软件的模块化设大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了计，不仅丰富了数控

21、功能，同时也加强了CNCCNC系统的控制功能，使其具备通信联网能力，系统的控制功能，使其具备通信联网能力，支持多种通用和专用的网络操作系统，为工支持多种通用和专用的网络操作系统，为工厂自动化提供基础设备。厂自动化提供基础设备。 (5) (5) 将多种控制功能将多种控制功能( (如刀具破损检测、物料如刀具破损检测、物料搬运、机械手控制等搬运、机械手控制等) )集成到数控系统中，使集成到数控系统中，使系统实现多过程、多通道控制，即具有一台机系统实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力。种机床的能力。 (6) (

22、6) 面向车间编程技术和智能化面向车间编程技术和智能化：系统能提供：系统能提供会话编程、蓝图编程和会话编程、蓝图编程和CAD/CAMCAD/CAM等面向车间的等面向车间的编程技术，实现二三维加工过程的动态仿真，编程技术，实现二三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制智能机制。并引入在线诊断、模糊控制智能机制。 4.2.2 4.2.2 加工中心加工中心 加工中心是一种加工中心是一种备有刀库备有刀库并能按预定程序并能按预定程序自动更换刀具自动更换刀具，对工件进行对工件进行多工序加工多工序加工的高的高效数控机床效数控机床。它的最大特点是工序集中，自。它的最大特点是工序集中，自动化程度高，可减

23、少工件装夹次数，避免工动化程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。间，实现高质、高效加工。 常见加工中心按工艺用途可分为常见加工中心按工艺用途可分为镗铣加工中镗铣加工中心心、车削加工中心、车削加工中心、钻削加工中心钻削加工中心、攻螺纹攻螺纹加工中心加工中心及及磨削加工中心磨削加工中心等。加工中心按主等。加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用卧式加工中心、立卧两用( (也称万能、五面体、也称万能、五面体、复合复合) )加工中心。

24、图加工中心。图4-34-3给出了卧式加工中心给出了卧式加工中心和立式加工中心的外观图。和立式加工中心的外观图。 1. 1. 镗铣加工中心镗铣加工中心 镗铣加工中心可完成镗、铣、钻、攻螺纹等镗铣加工中心可完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作，它与普通数控镗床和数控铣床的区别之工作，它与普通数控镗床和数控铣床的区别之处主要在于它附有处主要在于它附有刀库和自动换刀装置刀库和自动换刀装置。衡量。衡量加工中心刀库和自动换刀装置的指标有加工中心刀库和自动换刀装置的指标有刀具存刀具存储量、储量、刀具刀具( (加刀柄和刀杆等加刀柄和刀杆等) )最大尺寸与重量、最大尺寸与重量、换刀重复定位精度换刀重复定位精度、安全性、

25、可靠性、可扩展、安全性、可靠性、可扩展性、性、选刀方法和换刀时间等选刀方法和换刀时间等。 加工中心的刀库有链式、盘式和转塔式等基加工中心的刀库有链式、盘式和转塔式等基本类型，如图本类型，如图4-44-4所示。所示。 图图4-4 4-4 加工中心刀库的基本类型加工中心刀库的基本类型(a) (a) 转塔式；转塔式；(b) (b) 链式；链式；(c) (c) 盘式盘式 2 2车削加工中心车削加工中心 车削加工中心简称为车削中心车削加工中心简称为车削中心(Turning (Turning Center)Center)，它是在数控车床的基础上为扩大其，它是在数控车床的基础上为扩大其工艺范围而逐步发展起来

26、的。车削中心目前工艺范围而逐步发展起来的。车削中心目前尚无比较权威性的明确定义，但一般都认为尚无比较权威性的明确定义，但一般都认为车削中心应具有如下特征：车削中心应具有如下特征：带刀库和自动换带刀库和自动换刀装置，带动力回转刀具，联动轴数大于刀装置，带动力回转刀具，联动轴数大于2 2 ( (见图见图4-7)4-7)。 由于有这些特征，车削中心在一次装夹下除由于有这些特征，车削中心在一次装夹下除能完成车削加工外，还能完成钻削、攻螺纹、能完成车削加工外，还能完成钻削、攻螺纹、铣削等加工。铣削等加工。车削中心的工件交换装置多采车削中心的工件交换装置多采用机械手或行走式机器人用机械手或行走式机器人。随

27、着机床功能的。随着机床功能的扩展，多轴、多刀架以及带机内工件交换器扩展，多轴、多刀架以及带机内工件交换器和带棒料自动输送装置的车削中心在和带棒料自动输送装置的车削中心在FMSFMS中发中发展较快，这类车削中心也被称为车削展较快，这类车削中心也被称为车削FMM(Flexible Manufacturing Module)FMM(Flexible Manufacturing Module)。 如对置式双主轴箱、双刀架的车削中心可实如对置式双主轴箱、双刀架的车削中心可实现自动翻转工件，在一次装夹下完成回转体现自动翻转工件，在一次装夹下完成回转体工件的全部加工。工件的全部加工。 图图4-5 4-5 几

28、种双臂式机械手示意图几种双臂式机械手示意图 (a) (a) 双机械手；双机械手；(b) (b) 双臂往复交叉式机械手；双臂往复交叉式机械手；(c) (c) 双臂端面夹紧式机械手双臂端面夹紧式机械手 图图4-6 4-6 双臂式机械手的手爪结构示意图双臂式机械手的手爪结构示意图(a) (a) 钩手；钩手；(b) (b) 抱手；抱手；(c) (c) 伸缩手；伸缩手；(d) (d) 叉手叉手 图4-7 车削中心 4.2.3 4.2.3 工业机器人工业机器人 1. 1. 工业机器人的定义工业机器人的定义 “机器人机器人”一词出自捷克文，意为劳役或一词出自捷克文，意为劳役或苦工。苦工。19201920年，

29、捷克斯洛伐克小说家、剧作年，捷克斯洛伐克小说家、剧作家恰佩克在他写的科学幻想戏剧家恰佩克在他写的科学幻想戏剧罗素姆万罗素姆万能机器人能机器人中第一次使用了机器人一词，此中第一次使用了机器人一词，此后该词被欧洲各国语言所吸收而成为专有名后该词被欧洲各国语言所吸收而成为专有名词。词。 19871987年国际标准化组织对工业机器人进行了年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：定义：“工业机器人是一种具有自动控制操工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机作机。” ” 我国科学家对机器人的定义是：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是

30、机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器一种具有高度灵活性的自动化机器”。 工业机器人工业机器人( (通用及专用通用及专用) )一般指用于机械制一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造，某些家电产品造，某些家电产品( (电视机、电冰箱、洗衣电视

31、机、电冰箱、洗衣机机) )、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配，以及物流系统焊、喷漆、切割、电子装配，以及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。图的搬运、包装、码垛等作业的机器人。图4-84-8分别示出了搬运机器人、涂料机器人和焊接分别示出了搬运机器人、涂料机器人和焊接机器人。机器人。 2. 2. 工业机器人的组成工业机器人的组成 如图如图4-94-9所示，工业机器人一般由执行机构、所示，工业机器人一般由执行机构、控制系统、驱动系统以及位置检测机构等几控制系统、驱动系统以及位置检测机构等几个部分组成。个部分组成。 图图4-9 4-

32、9 工业机器人的结构组成及运动方式工业机器人的结构组成及运动方式 (1) (1) 执行机构执行机构 执行机构是一种具有和人手相似的动作功能，执行机构是一种具有和人手相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其它操作的机械装可在空间抓放物体或执行其它操作的机械装置，通常包括如下一些部件：置，通常包括如下一些部件： 手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。此外，在手部安装的某些抓取工件或工具。此外，在手部安装的某些专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器等，可视为专用的特殊手部。拧紧器等，可视为专用的特殊手部。

33、腕部：腕部：是连接手部和手臂的部件，用以调整是连接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。手部的姿态和方位。 手臂：手臂：是支承手腕和手部的部件，由动力关是支承手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成，用以承受工件或工具的负荷，节和连杆组成，用以承受工件或工具的负荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们送至改变工件或工具的空间位置，并将它们送至预定的位置。预定的位置。 机座：机座：包括立柱，是整个工业机器人的基础包括立柱，是整个工业机器人的基础部件，起着支承和连接的作用。部件，起着支承和连接的作用。 (2) (2) 控制系统控制系统。控制系统是机器人的大脑，。控制系统是机器人的大脑，支配着机器

34、人按规定的程序运动，并记忆人支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息们给予的指令信息( (如动作顺序、运动轨迹、如动作顺序、运动轨迹、运动速度等运动速度等) )，同时按其控制系统的信息对执，同时按其控制系统的信息对执行机构发出执行指令。行机构发出执行指令。 (3) (3) 驱动系统驱动系统。驱动系统是按照控制系统发。驱动系统是按照控制系统发来的控制指令进行信息放大，驱动执行机构来的控制指令进行信息放大，驱动执行机构运动的传动装置，常用的有液压、气压、电运动的传动装置，常用的有液压、气压、电气和机械等四种传动形式。气和机械等四种传动形式。 (4) (4) 位置检测装置位置检测装置

35、位置检测装置通过力、位置、触觉、视觉等位置检测装置通过力、位置、触觉、视觉等传感器检测机器人的运动位置和工作状态，传感器检测机器人的运动位置和工作状态，并随时反馈给控制系统，以便使执行机构以并随时反馈给控制系统，以便使执行机构以一定的精度达到设定的位置。一定的精度达到设定的位置。 3. 3. 工业机器人的分类工业机器人的分类 1) 1) 按系统功能分类按系统功能分类 (1) (1) 专用机器人：在固定地点以固定程序工作专用机器人：在固定地点以固定程序工作的机器人。的机器人。 其结构简单，无独立控制系统，造价低廉，其结构简单，无独立控制系统，造价低廉，如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手。如附

36、设在加工中心机床上的自动换刀机械手。 (2) (2) 通用机器人：通用机器人： 具有独立控制系统，通过改变控制程序能完具有独立控制系统，通过改变控制程序能完成多种作业的机器人。其结构复杂，工作范成多种作业的机器人。其结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。变换生产品种的柔性制造系统。 (3) (3) 示教再现式机器人：示教再现式机器人： 具有记忆功能，在操作者的示教操作后，能具有记忆功能，在操作者的示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。重现示教作业。

37、 (4) (4) 智能机器人：智能机器人： 采用计算机控制，具有视觉、听觉、触觉等采用计算机控制，具有视觉、听觉、触觉等多种感觉功能和识别功能机器人，通过比较多种感觉功能和识别功能机器人，通过比较和识别，能自主作出决策和规划，自动进行和识别，能自主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。信息反馈，完成预定的动作。 2) 2) 按驱动方式分类按驱动方式分类 (1) (1) 气压传动机器人气压传动机器人：以压缩空气作为动力源：以压缩空气作为动力源驱动执行机构运动的机器人，具有动作迅速、驱动执行机构运动的机器人，具有动作迅速、结构简单、成本低廉的特点，适用于高速轻载、结构简单、成本低廉的特

38、点，适用于高速轻载、高温和粉尘大的作业环境。高温和粉尘大的作业环境。 (2) (2) 液压传动机器人液压传动机器人：采用液压元器件驱动，：采用液压元器件驱动，具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于重载或低速驱动场合。灵敏的特点，适用于重载或低速驱动场合。 (3) (3) 电气传动机器人电气传动机器人：用交流或直流伺服电：用交流或直流伺服电动机驱动的机器人，不需要中间转换机构，动机驱动的机器人，不需要中间转换机构，机械结构简单，响应速度快，控制精度高，机械结构简单，响应速度快，控制精度高，是近年来常用的机器人传动方式。是近年来常用的机器

39、人传动方式。 3) 3) 按结构形式分类按结构形式分类 (1) (1) 直角坐标机器人直角坐标机器人： 由三个相互正交的平移坐标轴组成由三个相互正交的平移坐标轴组成( (见图见图4-4-10(a)10(a)，各个坐标轴运动独立，具有控制简，各个坐标轴运动独立，具有控制简单、定位精度高等特点。单、定位精度高等特点。 (2) (2) 圆坐标机器人圆坐标机器人： 由支柱和一个安状在立柱上的水平臂组成，由支柱和一个安状在立柱上的水平臂组成，其立柱安装座上，水平臂可以自由伸缩，并其立柱安装座上，水平臂可以自由伸缩，并可沿立柱上下移动。该类机器人具有一个旋可沿立柱上下移动。该类机器人具有一个旋转轴和两个平

40、移轴转轴和两个平移轴( (见图见图4-10(b)4-10(b)。 (3) (3) 球坐标机器人球坐标机器人：由回转机座、俯仰铰链：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成，具有两个旋转轴和一个平移和伸缩臂组成，具有两个旋转轴和一个平移轴轴( (见图见图4-10(c)4-10(c)。可伸缩摇臂的运动结构与。可伸缩摇臂的运动结构与坦克的转塔类似，可实现旋转和俯仰运动。坦克的转塔类似，可实现旋转和俯仰运动。 (4) (4) 关节机器人：关节机器人： 其运动类似人的手臂，由大小两臂和立柱等其运动类似人的手臂，由大小两臂和立柱等机构组成。大小臂之间用铰链连接形成肘关机构组成。大小臂之间用铰链连接形成肘关节，大臂

41、和立柱连接形成肩关节，可实现三节，大臂和立柱连接形成肩关节，可实现三个方向的旋转运动个方向的旋转运动( (见图见图4-10(d)4-10(d)。它能抓取。它能抓取靠近机座的物件，也能绕过机座和目标间的靠近机座的物件，也能绕过机座和目标间的障碍物去抓取物件，具有较高的运动速度和障碍物去抓取物件，具有较高的运动速度和极好的灵活性，成为最通用的机器人。极好的灵活性，成为最通用的机器人。 工业机器人按臂部的运动形式分为四种。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。 直角坐标型直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动的臂部可作升降、回

42、转和伸缩动作；作； 球坐标型球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；的臂部能回转、俯仰和伸缩； 关节型关节型的臂部有多个转动关节。的臂部有多个转动关节。 图图4-10 4-10 工业机器人的基本结构形式和工作空间工业机器人的基本结构形式和工作空间(a)(a)直角坐标机器人；直角坐标机器人；(b)(b)圆坐标机器人；圆坐标机器人；(c)(c)球坐标机器人；球坐标机器人；d)d)关节机器人关节机器人 工业机器人按执行机构运动的控制机能，又工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分可分点位型点位型和和连续轨迹型连续轨迹型。点位型只控制执。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于行机构由一点到另

43、一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。适用于连续焊接和涂装等作业。 工业机器人按程序输入方式区分有工业机器人按程序输入方式区分有编程输入编程输入型型和和示教输入型示教输入型两类。两类。 编程输入型工业机器人通过穿孔卡、穿孔带编程输入型工业机器人通过穿孔卡、穿孔带或磁带等信息载体输入已编好的程序。或磁带等信息载体输入已编好的程序。 示教输入型机器人的示教方法有两种：示教输入型机器人的示教方法有两种：一种一种由操作者手动操作控制

44、器由操作者手动操作控制器( (示教操纵盒示教操纵盒) )，如，如图图4-114-11所示，将指令信号传给驱动系统，使所示，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；一遍；另一种由操作者直接控制执行机构另一种由操作者直接控制执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。 4. 4. 工业机器人的性能特征工业机器人的性能特征 工业机器人的性能特征影响着机器人的工工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性。在设计和选用机器人时应作效率和可靠性。在设计和选用机器人时应考虑如下几个性能指标：考虑

45、如下几个性能指标： (1) (1) 自由度。自由度。自由度是衡量机器人技术水自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。所谓自由度，是指运动件相平的主要指标。所谓自由度，是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动。对于固定坐标系所具有的独立运动。 每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，因而每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，因而自由度数越高，机器人可以完成的动作越复自由度数越高，机器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但相应杂，通用性越强，应用范围也越广，但相应地带来的技术困难也越大。一般情况下，地带来的技术困难也越大。一般情况下，通通用工业机器人有用工业机器人有3 36 6个自由度。个自

46、由度。 (2) (2) 工作空间。工作空间。工作空间是指机器人应用手工作空间是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。机器人的工作空间爪进行工作的空间范围。机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。范围。 图图4-104-10中分别画出了各类机器人的工作空间，中分别画出了各类机器人的工作空间，其中直角坐标机器人的工作空间是一个其中直角坐标机器人的工作空间是一个矩形矩形空间空间，圆柱坐标机器人的工作空间是一，圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱圆柱体体，而球坐标机器人的工作空间是一个，而球坐标机器人的工作空间是一个球体球体。 (3) (3) 提取重

47、力提取重力。机器人提取的重力是反映其。机器人提取的重力是反映其负载能力的一个参数，根据提取重力的不同，负载能力的一个参数，根据提取重力的不同，可将机器人大致分为：可将机器人大致分为： 微型机器人，提取微型机器人，提取重力在重力在10 N10 N以下；以下； 小型机器人，小型机器人， 提取重力为提取重力为101050 N50 N； 中型机器人，中型机器人， 提取重力为提取重力为5050300 N300 N； 大型机器人，大型机器人， 提取重力为提取重力为300300500 N500 N； 重型机器人，重型机器人，提取重力在提取重力在500 N500 N以上。目以上。目前实际应用机器人一般为中、小

48、型机器人。前实际应用机器人一般为中、小型机器人。 (4) (4) 运动速度。运动速度。 运动速度影响机器人的工作效率，它与机器运动速度影响机器人的工作效率，它与机器人所人所提取的重力和位置精度均有密切的关系提取的重力和位置精度均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将在加减速时承受较大的惯性力，影响机必将在加减速时承受较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。就目前的技器人的工作平稳性和位置精度。就目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在度大多在1000 mm/s1000 mm/s以

49、下。以下。 (5) (5) 位置精度。位置精度。 位置精度是衡量机器人工作质量的又一技术位置精度是衡量机器人工作质量的又一技术指标。位置精度的高低取决于位置控制方式指标。位置精度的高低取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。关系。 5. 5. 工业机器人的机械结构工业机器人的机械结构 1) 1) 工业机器人的手部结构工业机器人的手部结构 工业机器人的手部是直接用于抓取和握紧工业机器人的手部是直接用于抓取和握紧( (或吸附或吸附) )工件或夹紧专用工具进行操作的

50、部工件或夹紧专用工具进行操作的部件。它安装在机器人手臂的前端，具有模仿件。它安装在机器人手臂的前端，具有模仿人手动作的功能。人手动作的功能。 由于被握持工件的形状、尺寸、质量、材料由于被握持工件的形状、尺寸、质量、材料性能以及表面形状不同，故工业机器人的手性能以及表面形状不同，故工业机器人的手部结构多种多样，大部分手部结构都是根据部结构多种多样，大部分手部结构都是根据特定的工作要求而专门设计的，它们不仅结特定的工作要求而专门设计的，它们不仅结构形式不完全相同，其工作原理也并不一样。构形式不完全相同，其工作原理也并不一样。如按握持工件的原理分，如按握持工件的原理分，机器人的手部可大机器人的手部可

51、大致分为致分为夹持式夹持式和和吸附式吸附式两大类。两大类。 夹持式手部是利用夹钳的开闭来夹紧和抓取夹持式手部是利用夹钳的开闭来夹紧和抓取工件的，按其结构又分为两指或多指、回转工件的，按其结构又分为两指或多指、回转和平移、外夹和内撑等多种形式。和平移、外夹和内撑等多种形式。吸附式手吸附式手部又分为气吸式和磁吸式：部又分为气吸式和磁吸式：气吸式手部利用气吸式手部利用真空吸力及负压吸力吸持工件，它适用于抓真空吸力及负压吸力吸持工件，它适用于抓取薄片工件，通常吸盘由橡胶或塑料制成；取薄片工件，通常吸盘由橡胶或塑料制成；磁吸式手部利用电磁铁和永久磁铁的磁场力磁吸式手部利用电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具有

52、磁性物质的小五金工件。吸取具有磁性物质的小五金工件。 除此之外，在机器人腕部可直接安装被视为除此之外，在机器人腕部可直接安装被视为特殊手部的专用工具，如焊枪、喷枪、电动特殊手部的专用工具，如焊枪、喷枪、电动扳手、电钻等。扳手、电钻等。 2) 2) 手臂的机械结构手臂的机械结构 手臂是机器人机械结构的重要部件，它具有手臂是机器人机械结构的重要部件，它具有前后伸缩、上下升降、左右摆动或左右回转等前后伸缩、上下升降、左右摆动或左右回转等运动功能。机器人手臂由大臂和小臂组成，小运动功能。机器人手臂由大臂和小臂组成，小臂只完成伸缩运动，大臂完成回转、升降或上臂只完成伸缩运动，大臂完成回转、升降或上下摆动

53、运动。机器人的大臂与机座连在一起，下摆动运动。机器人的大臂与机座连在一起，小臂前端装有手腕和手部。若没有手腕，可在小臂前端装有手腕和手部。若没有手腕，可在手臂前端直接安装手部。手臂前端直接安装手部。 手臂是支持手指和手腕部分的机构，它不仅承手臂是支持手指和手腕部分的机构，它不仅承受被抓取工件的物重，而且承受手部、手腕和受被抓取工件的物重，而且承受手部、手腕和手臂自身的重量。它的结构性能、工作范围、手臂自身的重量。它的结构性能、工作范围、承载能力和动作精度直接影响机器人的工作性承载能力和动作精度直接影响机器人的工作性能。因此，必须根据机器人的抓取物重、运动能。因此，必须根据机器人的抓取物重、运动

54、方式、自由度数和运动速度等要求来设计选择方式、自由度数和运动速度等要求来设计选择手臂的结构形式。手臂的结构形式。 机器人手臂有不同的结构形式和驱动方法。机器人手臂有不同的结构形式和驱动方法。常见的驱动方式有气压驱动、液压驱动、电常见的驱动方式有气压驱动、液压驱动、电力驱动以及复合驱动方式等。常用的运动形力驱动以及复合驱动方式等。常用的运动形式和传动机构有：式和传动机构有： (1) (1) 直线运动机构直线运动机构包括直线运动液包括直线运动液( (气气) )压缸、压缸、丝杆螺母机构、直线电动机、链传动、直线丝杆螺母机构、直线电动机、链传动、直线液液( (气气) )压缸加齿轮齿条机构、丝杆螺母加花

55、压缸加齿轮齿条机构、丝杆螺母加花键导向机构等。键导向机构等。 (2) (2) 回转运动机构包括叶片式摆动液回转运动机构包括叶片式摆动液( (气气) )压压缸、直线液缸、直线液( (气气) )压缸加齿轮齿条机构、回转压缸加齿轮齿条机构、回转液液( (气气) )压缸加行星机构、直线液压缸加行星机构、直线液( (气气) )压缸加压缸加链条链轮机构、摆动直线液链条链轮机构、摆动直线液( (气气) )压缸加摆杆压缸加摆杆机构等。机构等。 3) 3) 手腕的机械结构手腕的机械结构 手腕是连接手部和手臂的部件，起着调整手腕是连接手部和手臂的部件，起着调整和改变手部方位的作用和改变手部方位的作用( (见图见图

56、4-13)4-13)。 然而不是所有的机器人都有手腕部分。手腕然而不是所有的机器人都有手腕部分。手腕的设置增加了手臂的负荷，影响机器人的抓的设置增加了手臂的负荷，影响机器人的抓取能力和惯性矩。在设计机器人手腕时应考取能力和惯性矩。在设计机器人手腕时应考虑如下的两个原则：虑如下的两个原则： (1) (1) 凡是能由臂部完成的动作，尽量不选凡是能由臂部完成的动作，尽量不选取腕部，以使机器人结构简单、制造方便，取腕部，以使机器人结构简单、制造方便，降低成本且减轻重量，改善机器人的动力学降低成本且减轻重量，改善机器人的动力学性能。性能。 (2) (2) 在不得不使用手腕时，应使腕部的结构在不得不使用手

57、腕时，应使腕部的结构在保证动作要求下尽量简单、紧凑和小巧。在保证动作要求下尽量简单、紧凑和小巧。 机器人手腕的设计首先应确定所要求的运动机器人手腕的设计首先应确定所要求的运动和动作。手腕动作一般是在手臂动作确定之和动作。手腕动作一般是在手臂动作确定之后，根据工件的上下料要求进行确定的。手后，根据工件的上下料要求进行确定的。手臂完成不了的动作由手腕来完成，或同时考臂完成不了的动作由手腕来完成，或同时考虑和分配手臂、手腕共同担负的动作。虑和分配手臂、手腕共同担负的动作。 手腕的机械结构是根据它的运动要求来确定手腕的机械结构是根据它的运动要求来确定的。对于手腕的回转运动，多采用回转液的。对于手腕的回

58、转运动，多采用回转液( (气气) )压缸或直线液压缸或直线液( (气气) )压缸加齿条的结构形式。压缸加齿条的结构形式。 6. 6. 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统 1) 1) 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成 机器人控制系统的组成如图机器人控制系统的组成如图4-144-14所示。所示。 (1) (1) 控制计算机：控制系统的调度指挥机构，控制计算机：控制系统的调度指挥机构，一般为微型机，微处理器有一般为微型机，微处理器有3232位、位、6464位等，位等，如奔腾系列如奔腾系列CPUCPU以及其他类型的以及其他类型的CPUCPU。 (2) (2) 示教盒：示教盒：设定示教机器

59、人的工作轨迹和设定示教机器人的工作轨迹和参数以及所有人机交互操作，拥有自己独立的参数以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPUCPU及存储单元，与主计算机之间以串行通信及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。方式实现信息交互。 (3) (3) 操作面板操作面板：由各种操作按键、状态指示灯：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本操作功能。构成，只完成基本操作功能。 (4) (4) 存储设备存储设备：存储机器人工作程序的外围存：存储机器人工作程序的外围存储器，分为硬盘和软盘两大类。储器，分为硬盘和软盘两大类。 (5) (5) 数字和模拟量输入输出数字和模拟量输入输出：各种状态和控

60、制：各种状态和控制命令的输入或输出设备。命令的输入或输出设备。 (6) (6) 打印机接口打印机接口：记录需要输出的各种信息。：记录需要输出的各种信息。 (7) (7) 传感器接口传感器接口：用于信息的自动检测，实现：用于信息的自动检测，实现机器人柔性控制，一般为力觉、触觉和视觉传机器人柔性控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。感器。 (8) (8) 轴控制器轴控制器：完成机器人各关节位置、速度：完成机器人各关节位置、速度和加速度的控制。和加速度的控制。 (9) (9) 辅助控制设备：用于配合机器人工作的辅助控制设备：用于配合机器人工作的辅助控制设备，如手爪变位器等。辅助控制设备，如手爪变位器等