《先进制造技术》_第四章-制造自动化技术 (2)ppt课件

1、第四章 制造自动化技术4.1 制造自动化技术概述4.2 机床数控技术4.3 工业机器人4.4 柔性制造技术.第一节 制造自动化技术概述 4.1.1 制造自动化技术内涵 4.1.2 制造自动化技术的开展及现状 4.1.3 制造自动化技术开展趋势.自动化：自动去完成特定的作业。制造自动化狭义：消费车间内产品机械加工和装配检验过程的自动化；制造自动化广义：包含产品设计、企业管理、加工过程和质量控制等产品制造全过程综合集成自动化。制造自动化意义：显著提高劳动消费率、提高产质量量、降低制造本钱、提高经济效益，改善劳动条件、提高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的开展、提高企业的市场竞争才干。4.

2、1.1 制造自动化技术内涵.刚性自动化 设备-自动/半自动机床、组合机床、组合机床自动线； 对象-单一种类大批量消费自动化； 特点-消费效率高、加工种类单一。柔性自动化 设备-NC、CNC、FMC、FMS等。 对象-多种类小批量甚至单件消费自动化；综合自动化 运营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化，CIMS、CE、LP、AM等。4.1.2 制造自动化技术的开展及现状.当前制造自动化技术研讨领域和方向 集成技术和系统技术研讨 自动化系统中人因作用的研讨 数控单元系统的研讨 制造过程的方案和调度研讨 柔性制造技术的研讨 现代消费方式制造环境的研讨 底层加工系统的智能化和集成化研讨. 制造矫捷

3、化 使企业面临市场竞争作出快速呼应； 制造网络化 实现制造过程的集成，实现异地制造、远程协调作业； 制造虚拟化 保证产品和制造过程一次胜利，发现设计与消费中可防止的缺陷和错误； 制造智能化 扩展、延伸、部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现优化的制造过程。 制造全球化 市场国际化，产品制造跨国化，制造资源跨国家的协调、共享和优化利用； 制造绿色化 使产品从设计、制造、运用到报废处置全生命周期中，对环境影响最小，资源利用率最高。4.1.3 制造自动化技术开展趋势.第二节 机床数控技术 4.2.1 机床数控系统 4.2.2 机床伺服系统 4.2.3 数控加工编程技术 4.2.4 机床数控技

4、术开展趋势.数控技术的开展硬件数控阶段NC(1952-1970) 第一代：电子管； 第二代：晶体管； 第三代：小规模集成电路；计算机数控阶段CNC1970-如今) 第四代：小型计算机； 第五代：微处置器； 第六代：PC微机(PCNC)4.2.1 机床数控系统.机床数控系统的组成及功能CNC系统组成：数控安装、PLC、伺服驱动安装、I/O接口、 控制面板、人机界面数控安装功能： 控制功能-单轴、多轴联动控制； 预备功能-包括挪动、暂停、坐标设定、固定循环等功能； 插补功能-直线插补、圆弧插补、抛物线等； 辅助功能-主轴启停、冷却光滑通断、刀库的启停等； 补偿功能-刀具半径/刀具、反向间隙、螺距、

5、温度等补偿功能。PLC功能：控制面板、主轴停启与换向、刀具改换、冷却光滑启停、工件夹紧与松开、任务台分度等开关量的控制。.CNC数控系统组成原理 .数控系统的硬件构造单CPU构造 经过总线使CPU与存储器和各种接口相衔接，集中控制、分时处置任务方式。多CPU构造 多个CPU经过公用地址和数据总线互连，各自完胜利能，系统速度高、处置才干强。 PC微机CNC系统 具有微机丰富的软硬件资源、友好的人机界面、拥有多媒体和网络功能，是当前数控系统的开展方向。.基于PC微机和PMAC的CNC系统构造.数控系统的软件组成.开放式数控系统开放性：满足CNC系统快速开展和用户自主开发需求PC微机型开放式CNC系

6、统方式：公用数控嵌入PC主板 是公用数控系统商提供的方式，仅限于PC部分开放，其公用数控部分仍处于封锁形状。PC机+运动控制卡 提供底层数控接口，支持二次开发和扩展，有上下两级开放性，如PMAC运动控制器。纯PC软件型 尚未构成商品，代表数控系统开展方向。.组成：位置控制单元、速度控制单元、伺服电机、 检测反响单元4部分组成。分类： 按检测系统分 开环系统、闭环系统、 半闭环系统、混合闭环系统。按有控制电机分 步进伺服、直流伺服、交流伺服。4.2.2 机床伺服系统.半闭环伺服系统 .松下交流伺服系统的总体接线图 1-交流伺服电机 2-伺服驱动器 3-控制系统 4-控制衔接电缆 5-检测衔接电缆

7、 6-动力电缆 7-PLC电缆 8-PLC.交流伺服电机：异步电动机 功率大、精度稍低、多用于主轴电机；永磁同步电动机 精度要求高、价钱贵，多用于容量 小的进给伺服电机。交流伺服驱动器：模拟式 任务速度快，系统频率宽，体积大、 器件多、不易调试；数字式 控制方式改动仅需改动软件，柔性好， 构造紧凑，反复性好。检测元件： 旋转变压器、脉冲编码器等。.数控加工手工编程普通步骤4.2.3 数控加工编程技术工艺分析数值计算NC程序编制输入NC程序首件试切修正零件图手工编制缺乏：效率低、复杂零件手工编程困难，周期长，错误率高。.计算机辅助数控编程.数控系统性能方面高速高精高效化 进给速度80-120m/

8、min，加速度1-2g，主轴dn=(1-3)*106，换刀小于1s；加工精度0.1m，甚至0.01m。柔性化 功能覆盖面大，便于不同用户的需求；物料流和信息流自动动态调整。工艺复合化和多轴化 如FANUC15可控轴数和联动轴数均到达24轴。实时智能化 配置编程专家系统、缺点诊断专家系统，实现自顺应控制和模糊控制。4.2.4 机床数控技术开展趋势.数控系统功能方面用户界面图形化 方便了用户，便于编程和图形模拟；科学计算可视化 可视化技术可用于自动编程、参数自动设定、刀具补偿和管理、加工过程仿真演示；插补和补偿方式多样化 插补：直线、圆弧、椭圆、螺纹、NURBS、多项式插补； 补偿：反向间隙、垂直

9、度、螺距、温度补偿等；内置高性能PLC 可用梯形图或高级言语编程，具有在线调试和在线协助功能；多媒体技术运用 在实时监控和缺点诊断、消费过程监测方面有艰苦运用价值。.体系构造的开展集成化 高度集成化芯片，提高数控系统集成度；模块化 经过积木方式进展功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统；网络化 可进展远程控制，在任何一台机床上对其它机床进展编程、设定、操作、控制；开放式闭环控制方式 易于将计算机智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、动态数据管理、动态仿真等技术融于一体，构成制造过程闭环控制体系。. 第三节 工业机器人4.3.1 工业机器人的组成与分类4.3.2 工

10、业机器人的控制技术4.3.3 工业机器人的编程技术4.3.4 工业机器人半个世纪开展 的回想与展望.4.3.1 工业机器人的组成与分类工业机器人的构造组成 . 工业机器人的组成执行机构手部：用于抓取对象，有夹持式、吸附式等不同构造腕部：联接手部和手臂部件，用以调整手部姿态和方位臂部：承载负荷，改动空间位置机身：支撑臂部部件，扩展臂部活动和作业范围机座及行走机构：机器人根底件，确定或改动 机器人位置控制系统 控制机器人按给定的程序动作，记忆 示教指令，再现示教信息。驱动系统 驱动执行机构完成规定作业。位置检测安装 检测运动位置和任务形状。.工业机器人的分类-按系统功能分类公用机器人 以固定程序任

11、务机器人，构造简单、无独立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。通用机器人 可完成多种作业，构造复杂，任务范围大，定位精度高，通用性强。示教再现式机器人 在示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件重现示教作业。智能机器人 具有视觉、听觉、触觉功能，经过比较和识别,作出决策和规划，完成预定的动作。.工业机器人的分类-按驱动方式分类气压传动机器人 以紧缩空气作为动力源，高速轻载；液压传动机器人 采用液压驱动，负载才干强、 传动平稳、构造紧凑、动作灵敏；电气传动机器人 交直流伺服电机驱动，构造简单、 呼应快、精度高。.工业机器人的分类-按构造方式分直角坐标机器人 有三个正交平移坐标轴,各个坐标轴 运动

12、独立图a；圆柱坐标机器人 有一个旋转轴和两个平移轴图b；关节机器人 类似人手臂，由各关节组成，可实现三个方 向旋转运动图c ；球坐标机器人 有两个旋转轴和一个平移轴图d。.工业机器人的性能目的自在度 独立运动数，自在度数越高，完成的动作越复 杂，通用性越强，运用范围也越广。任务空间 机器人进展任务的空间范围。提取重力 微型机器人，提取重力 10N以下； 小型机器人，提取重力 10-50N； 中型机器人，提取重力 50-300N； 大型机器人，提取重力 300-500N； 重型机器人，提取重力 500N以上。运动速度 运动速度影响任务效率，与所提取的重力和 位置精度有关。位置精度 机器人定位精度

13、普通在0.02-5mm范围。.机器人的任务空间 a)圆柱坐标机器人 b)球坐标机器人 c)关节机器人 .4.3.2 工业机器人的控制技术工业机器人控制系统的组成框图 .工业机器人控制系统的分类按控制回路：开环系统和闭环系统按控制硬件：机械控制、液压控制、顺序控制和计算机控制按自动化程度：顺序控制、程序控制、自顺应控制、智能控制按编程方式： 物理设置编程-由设置固定限位开关，实现启动/停机操作 示教编程-示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程 离线编程-经过机器人言语进展编程控制按控制轨迹： 点位控制-不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标 准确控制 轮廓控制-没有插补器，按离散点坐标及速度

14、完成轮廓控制.工业机器人的位置伺服控制位置伺服控制类型： 关节伺服控制-以每个关节作为单输入/单输出系统； 坐标伺服控制-以手臂末端位置矢量作为控制目的值。刚性臂控制系统的构成 .关节伺服控制 关节伺服控制的构成 qdi:各关节位移指令目的值qi,qi:各关节位置和速度反响信号.工业机器人的自顺应控制模型参考自顺应控制自校正顺应控制系统 .示教编程示教阶段:拨动示教盒按钮或手握机器人手臂，使之按需求 姿态和道路进展任务，示教信息存储在记忆安装中。任务再现:从记忆安装调用存储信息，再现示教阶段动作。点位控制示教：逐一使每个轴到达需求编程点位置。轮廓控制示教：握住示教臂，以要求速度经过所给道路。特

15、点：经过示教直接产生控制程序，无须手工编程，简单 方便，适用于大批量消费。缺乏：轨迹准确度不高，需求存储容量大。4.3.3 工业机器人的编程技术.示教再现式控制系统任务原理 .机器人示教臂 .离线编程HOLPSS离线编程与仿真系统总体构造框图 .机器人编程言语动作级言语 每一个命令对应一个动作，语句格式为： MOVE TO 语句简单，易于编程；不能进展复杂计算，通讯才干差，代表性言语：VAL 。对象级言语 有与动作言语类似功能，能处置传感器信息；通讯和数字运算功能强，代表性言语有AML、AUTOPASS。义务级言语 操作者直接下命令，不需求规定机器人每个动作细节，自动推理规划，自动生成机器人的

16、动作。.工业机器人开展回想50年代-萌芽期 58年第一台工业机器人在美国问世。60年代-黎明期 推出圆柱坐标、球坐标机器人，日本引进美国机器人技术。70年代-适用化期 计算机控制机器人、关节型机器人问世，推出VAL编程言语、视觉力觉传感器；72年中国第一台机器人诞生；70年代末全世界拥有万台以上机器人；日本成为机器人王国。80年代-普及期 80年代末机器人总数已达45万台。90年代-扩展浸透期 具有觉得机器人适用化，智能机器人相继出现并开场走向运用；1997年底，机器人总量达95万台。4.3.4 工业机器人开展回想与展望.工业机器人开展展望执行机构 具有柔性感、乖巧性手爪和手臂；驱动机构 采用

17、外形记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴等新型驱动器；挪动技术 步行、爬行，由4足、6足、8足或更多足组成；微型机器人 毫米级、纳米级机器人，微小位置姿态控制；微型电池；微小生物运动机构等；多传感器集成与交融技术 视觉、触觉、嗅觉、味觉及其综合；新型智能技术 模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等；仿活力构 模拟生物体构造、挪动方式、运动机理、能量分配等，人工肌肉、蛇形挪动机构、仿象鼻柔性臂、人造关节。.第四节 柔性制造技术4.4.1 柔性制造系统根本概念4.4.2 FMS的加工系统4.4.3 FMS的工件运储系统4.4.4 FMS的刀具运储系统4.4.5 FMS的控制与管理系统.FMS定义

18、和组成定义：由两台以上加工设备、物料运储和控制系统组成，经过改动软件程序顺应多种类、中小批量消费自动化制造系统。组成：加工系统-CNC、MC、FMC机床及丈量机、清洗机、动平衡机；工件运储系统-包括工件装卸站、自动化仓库、自动化运输小车、机器人、托盘缓冲站、托盘交换安装等；刀具运储系统-包括刀具预调站、刀具装卸站、中央刀库、机床刀库、刀具保送与交换安装等；控制系统-对FMS进展方案调度、运转控制、物料管理、系统监控和网络通讯等；其他-冷却、光滑、排屑、清洗、去毛刺等附属设备。4.4.1 柔性制造系统根本概念.FMS根本组成 .典型的柔性制造系统 . 柔性高，顺应多种类中小批量消费； 系统内的机

19、床在工艺才干上是相互补充或相互替代的； 可混流加工不同的零件； 系统部分调整或维修不中断整个系统的运作； 递阶构造的计算机控制，可以上层计算机联网通讯； 可进展第三班无人值守消费。FMS的特点.不同类型的柔性制造设备 柔性制造模块FMM 相当于功能齐全的加工中心； 柔性制造单元FMC 小型FMS，由1-2台机床组成，自动改换刀具，自动上下工件； 柔性制造系统FMS 控制与管理功能比FMC强，管理通讯要求高； 柔性制造消费线FML 数控组合机床设备，公用性强、消费率高，相当于数控自动消费线，用于少种类、中大批量消费，为公用FMS。 柔性制造工厂FMF 全企业范围消费管理、设计开发、加工制造和物料

20、运储全盘自动化。.柔性制造单元 1-加工中心机床 2-托盘 3-托盘站 4-环形任务台 5-工件交换台.不同类型柔性设备的适用范围. 加工系统的功能与要求 工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数； 控制功能强、扩展性好； 高刚度、高精度、高速度； 自维护与自维护性好； 运用经济性好； 对环境的顺应性与维护性好。4.4.2 FMS的加工系统.加工系统常用配置方式 棱体类零件：立式、卧式或立卧两用加工中心； 回转体零件：数控车床或车削加工中心机床。 配置方式： 互替式-是并联配置，各机床功能可相互替代，具有 好的工艺柔性和较宽的工艺范围。 互补式-是串联配置，功能相互补充，各自完成特定的加工义务，消

21、费率高，降低了可靠性。 混合式-互替式与互补式结合。.卧式加工中心 1-主轴头 2-刀库 3-刀库 4-立柱底座 5-回转任务台、6-任务台底座 .车削加工中心 1-刀库 2-回转刀架 3-换刀机械手 4-上下工件机器人 5-工件存储站 .a)互替式 b)互补式 c)混合式FMS机床配置方式.加工系统的辅助安装 机床夹具 组合夹具：利用规范化夹具零部件快速拼装所需夹具； 柔性夹具：一部夹具能为多个加工对象效力。 托盘Pallet承载工件和夹具完成加工义务，是各加工单元间的硬件接口。 自动上下料安装 托盘交换器：联接加工系统和物料运储系统桥梁； 工业机器人：具有较大的柔性度。.组合夹具 .柔性夹

22、具 .ISO规范规定的托盘根本外形 1-托盘导向面 2-侧面定位面 3-安装螺孔4-工件安装面 5-中心孔 6-托盘搁置面 7底面8-工件固定孔 9-托盘夹紧面 10-托盘定位面.回转式托盘交换器 .往复式托盘交换器 .4.4.3 FMS的工件运储系统工件装卸站 设在FMS入口，由人工完成装卸；托盘缓冲站 工件中间存储站，起缓冲物料作用；自动化仓库 多层立体规划构造，由计算机控制，服从FMS命令和调度；物料运载安装 担任在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间物料搬运作业。传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损；自动运输小车：分有轨小车、无轨小车；搬运机器人：具有较高柔性和控制程度。 FMS

23、工件运储系统组成.FMS物料保送根本回路直线保送回路 沿直线道路单向或双向挪动，顺序地在 各个衔接点停靠；环形保送回路 运载工具沿环形道路单向或双向挪动；网状保送回路 由多个回路相互交叉组成，可由一条环 路挪动到另一回路。.运输小车构造：车体安装平台托盘交换安装蓄电池控制系统.自动运输小车导向 有轨小车 铁轨导向，速度快，负载才干大，停靠准确，可靠好，制造本钱低，线路不便更动，转角不宜太大。 线导小车 电磁感应导向，柔性大、扩展性好、不怕污染、任务可靠。 光导小车 采用带有荧光资料油漆或色带，经过光电制导，改动线路非常容易，对环境要求严厉。 激光灯台制导 小车顶部装有激光安装，经过固定位置反射

24、激光束信息，确定小车位置。.AGV电磁感应制导原理 .激光灯台制导原理 .自动化仓库 货架 为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有巷道，每个巷道配有公用堆垛机。 堆垛机 由托架、货叉、支柱、上下导轨、挪动电动机以及传感器构成的三维搬运设备。 控制与管理系统 担任物料信息的登录、识别，物料自动存取，仓库管理。.自动化仓库表示图 .堆垛机构造表示图 1-上导轨 2-支柱 3-物料 4-托架 5-挪动电动机 6-传感器 .4.4.4 FMS的刀具运储系统刀具运储系统的组成刀具预调站 设在FMS之外，按要求对刀具进展装配和调整；刀具装卸站 是刀具进出FMS入口，多为排架式框架构造；刀具库系统 存放

25、当前加工所需的机床刀库，容量小；存放各加工单元共享的中央刀库，容量大；刀具运载交换安装 担任刀具运输和交换，适时向加工单元提供所需刀具；计算机控制管理系统-控制刀具运输、存储和管理，监控管理刀具的运用，及时取走已报废或寿命已耗尽的刀具。 .刀具运储系统作业过程刀具刃磨人工组装刀具预调刀具装卸站中央刀具库需重磨或报废刀具加工单元刀库加工单元刀库加工单元刀库.刀具运载交换安装FMS中刀具交换内容： 机床刀库与机床主轴刀具交换-由机床换刀安装完成； 刀具装卸站、中央刀库、各机床刀库间刀具交换； AGV运载刀架与机床刀库间刀具交换。刀具交换运载工具： 换刀机器人-有地轨和高架导轨方式； 刀具运载小车-

26、在小车上放置一个装载刀架，并附设小 型机器人，担任刀具交换。.高架导轨式的换刀机器人 1-纵导游轨 2-横梁 3-滑台 4-换刀机器人 .高架导轨式的换刀机器人 1-AGV 2-装载刀架 3-机器人 4-机床刀库.刀具破损的监控监测方法传 感 原 理传 感 器直接法光学图像光发射、折射、TV摄像光敏、激光、光纤、CCD、摄像管接触电阻，开关量，磁力线电阻电路，开关电路，磁间隙传感器间接法切削力切削力，切削分力比例应变片，力传感器扭矩主轴或进给系统扭矩应变片，电流表功率主轴或进给系统功率耗费功率传感器振动切削过程振动及其变化加速度计，振动传感器超声波接受超声波的反射波超声波换能器与接受器噪声切削

27、区环境噪声探测拾音器声发射刀具破损时声发射信号声发射传感器.刀具的信息管理静态刀具信息：固定不变的信息，如刀具类型、编码、几何 外形、构造参数等。动态刀具信息：随时间不断变化的刀具参数，如刀具寿命、 实践参与切削时间、任务直径和长度等。四层构造的刀具信息管理系统： 第1层-实时动态文件，每把在线刀具都拥有独立文件， 记载刀具实时动态数据；第2层-静态刀具类型文件，每一类刀具拥有一个文件；第3层-刀具组件文件；第4层-刀具元件文件。.FMS刀具信息的管理 .4.4.5 FMS的控制与管理系统FMS控制与管理系统的体系构造递阶控制构造：将复杂系统分层分模块设置，各层相对独立，便于系统的开发和维护。递阶控制特点：愈往底层，实时性愈强；愈到上层，处置信息量愈大，实时性要求愈小。FMS三层递阶控制构造系统管理与控制层单元控制层-接受上级义务，制 定系统作业方案，进展义务分配，监控系统执行；过程协调与监控层任务站层-加工程序分配、协调 工件流动、运转形状采集监控、向上层反响信息；设备控制层-控制设备任务循环，执行