先进制造技术第章制造自动化技术

1第4章柔性自动化制造技术与装备本章要点概述数控加工技术工业机器人柔性制造系统2第4章

制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology4.1

概述Introduction课程“先进制造技术”3计算机辅助设计（CAD）计算机辅助产品工程（CAE）计算机产品数据管理（PDM）制造技术的自动化

◆产品设计自动化

4.1.1制造自动化技术的内涵◆企业管理自动化企业ERP（EnterpriseResourcePlanning）◆加工过程自动化包括各种计算机控制技术，如CNC、DNC、自动存储和运输设备、自动检测和监控设备等◆质量控制自动化计算机辅助工艺设计（CAPP）计算机辅助制造（CAM）如计算机集成制造系统（CIMS）、敏捷制造（AM）、并行工程等。制造系统的自动化

4自动单机和刚性自动线；本阶段在20世纪40～50年代已相当成熟。

特征:高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。引入的新技术有继电器程序控制、组合机床等。制造自动化技术的发展历程◆第一阶段(1913-)：刚性自动化◆第二阶段(1930-)：数控加工NC和CNC

；本阶段的NC在20世纪50～70年代已成熟，但到了70~80年代，CNC取代了NC。

特征:柔性好、加工质量高，适应于多品种、中小批量(包括单件)产品的生产。引入的新技术有数控技术、计算机编程技术等。4.1.1制造自动化技术的内涵5主要技术：成组技术(GT)、计算机直接数控和分布式数控(DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线(FML)、离散系统理论和方法、仿真技术、车间计划与控制、制造过程监控技术、计算机控制与通信网络等。◆

第三阶段(1965-)：柔性制造

智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造和绿色制造。◆第五阶段(1991-)：新的制造自动化模式

特征是强调制造全过程的系统性和集成性。主要技术：现代制造技术、管理技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术等。◆

第四阶段(1973-)：计算机集成制造系统(CIMS)

4.1.1制造自动化技术的内涵6

表1-1

三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标

减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本

减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期

除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点

通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难

以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的

不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备

自动机床、组合机床，机械手，自动生产线

NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMS

CAD/CAM系统，MRPⅡ，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术

继电器程序控制技术，经典控制论

数控技术，计算机控制，GT，现代控制论

系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术4.1.1制造自动化技术的内涵7

图4-1汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代4.1.1制造自动化技术的内涵8

柔性自动化50年代图4-2焊接机器人综合自动化70年代图7-3综合自动化4.1.1制造自动化技术的内涵9制造全球化的概念出于美日欧等发达国家的智能系统计划。近年来随着Internet技术的发展，制造全球化的研究和应用发展迅速。◆

制造全球化

◆制造网络化敏捷制造是一种面向21世纪的制造战略和现代制造模式，敏捷化是制造环境和制造过程面向21世纪制造活动的必然趋势。◆制造敏捷化4.1.2制造自动化技术的发展趋势制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。

制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成。企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用。通过网络，实现异地制造。

10虚拟制造(VM)是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工现实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。◆制造虚拟化绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响(负作用)最小，资源效率最高。◆制造绿色化智能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现制造过程的优化。◆制造智能化4.1.2制造自动化技术的发展趋势数控机床技术工业机器人11第4章制造自动化化技术ManufacturingAutomationTechnology4.2

数控机床技术

NCMachineToolTechnology课程“先进制造技技术”124.2.1数控机床的的基本概念念1948年，美国帕帕森斯(Parsons)公司在研制制加工直升升机叶片轮轮廓检验用用样板的机机床时，首首先提出了了应用电子子计算机控控制机床来来加工样板板曲线的设设想。后来来受美国空空军委托，，帕森斯公公司与麻省省理工学院院（MIT）伺服机构构实验室合合作进行研研制工作，，于1952年研制成功功世界上第第一台三坐坐标立式数数控铣床。。数控机床的的诞生图4-3麻省理工学学院（MIT）伺服机构构实验室134.2.1数控机床的的基本概念念这是一种借借助数字、、字符或其其它符号对对某一工作作过程（如如加工、测测量、装配配等）进行行控制的自自动化方法法。是用计算机机通过数字字信息来自自动控制机机械加工的的机床。具具体地说，，数控机床床是通过编编制程序，，即通过数数字(代码)指令来自动动完成机床床各个坐标标的协调运运动，正确确地控制机机床运动部部件的位移移量，并且且按加工的的动作顺序序要求自动动控制机床床各个部件件的动作．．数字控制（NC）数控技术指用数字量量及字符发发出指令并并实现自动动控制的技技术。由于于计算机应应用技术的的成熟，数数控系统均均采用了计计算机数控控（CNC，ComputerNumericalControl）以区别于于传统的NC。数控机床14图4-4数控机床组组成框图数控机床的的组成15◆数控装置◆伺服驱动装装置◆检测反馈装装置数控机床的的组成由硬件和软软件部分组组成，接受受输入代码码经缓存、、译码、运运算插补等等转变成控控制指令，，实现直接接或通过PLC对伺服驱动动装置的控控制。是数控装置置和机床主主机之间的的联接环节节，接受数数控装置的的生成的进进给信号，，经放大驱驱动主机的的执行机构构，实现机机床运动。。是通过检测测元件将执执行元件（（电机、刀刀架）或工工作台的速速度和位移移检测出来来，反馈给给数控装置置构成闭环环或半闭环环系统。16◆PLC、机机床床I/O电路路和和装装置置◆机床床本本体体数控控机机床床的的组组成成是数数控控机机床床的的机机械械结结构构件件（（床床身身箱箱体体、、立立柱柱、、导导轨轨、、工工作作台台、、主主轴轴和和进进给给机机构构等等PLC(ProgrammableLogicController)：用用于于完完成成与与逻逻辑辑运运算算有有关关顺顺序序动动作作的的I/O控制制，，它它由由硬硬件件和和软软件件组组成成；；机床床I/O电路路和和装装置置：：实实现现I/O控制制的的执执行行部部件件(由继继电电器器、、电电磁磁阀阀、、行行程程开开关关、、接接触触器器等等)组成成的的逻逻辑辑电电路路；；17数控控机机床床的的类类型型经济济型型数数控控车车床床全功功能能数数控控车车床床18数控控机机床床的的类类型型车削削中中心心双主主轴轴数数控控车车削削中中心心19数控控机机床床的的类类型型立式式数数控控铣铣床床卧式式数数控控铣铣床床龙门门数数控控铣铣床床20数控控机机床床的的类类型型经济济型型数数控控铣铣床床高速速数数控控铣铣床床21数控控机机床床的的类类型型立式式加工工中中心心卧式式加工工中中心心22数控控机机床床的的发发展展历历程程硬线线数数控控G1:1952~1955，电子子管G2:1955~1959，晶体体管G3:1959~1965，小规规模集集成电电路23数控机机床的的发展展历程程计算机机数控控G4:1970s(1970~1974)，小型型计算算机G5:1974-微处理理器(MCNC)1979超大规规模集集成电电路(VLIC)G6:1994~基于PC-NC.24高速主主轴单单元(电主轴轴，转转速15000－100000r/min)高速且且高加加/减速度度的进进给运运动部部件(快移速速度60~120m/min，切削削进给给速度度高达达60m/min)高性能能数控控和伺伺服系系统统以及及数控控工具具系统统目前，，在超超高速速加工工中，，车削削和铣铣削的的切削削速度度已达达到5000~8000m/min以上；；主轴轴转数数在30000r/min(有的高高达10万r/min)以上；；工作作台台的移移动速速度(进给速速度)：在分分辨率率为1微米时时，在在100m/min(有的到到200m/min)以上，，在分分辨率率为0.1微米时时，在在24m/min以上；；自自动换换刀速速度在在1秒以内内；小小线段段插补补进给给速度度达到到12m/min。特征征:高生产产率和和刚性性结构构，很很难实实现生生产产产品的的改变变。世界数控技术及其装备的发展特征

◆高速、、高效效数控机机床的的发展展历程程25普通级级数控控机床床的加加工精精度已已由±10μm提高到到±5μμm；精密级级加工工中心心的加加工精精度则则从±3~5μμm，提高高到±1~1.5μm，甚至至更高高；超精密密加工工精度度进入入纳米米级(0.001微米)，主轴轴回转转精度度要求求达到到0.01~0.05微米，，加工工圆度度为0.1微米，，加工工表面面粗粗糙度度Ra=0.003微米等等。◆高精度度◆高可靠靠性当前国国外数数控装装置的的MTBF值已达达6000小时以以上，，驱动动装置置达30000小时以以上。。数控机机床的的发展展历程程26◆复合化化◆多轴化化5轴联动动控制制的加加工中中心和和数控控铣床床已经经成为为当前前的一一个开开发热热点，，最近近，国国外还还在研研究6轴联动动控制制使用用非旋旋转刀刀具的的加工工中心心。数控机机床的的发展展历程程机床复复合加加工概概念是是指将将工件件一次次装夹夹后，，机床床便能能按照照数控控加工工程序序，自自动进进行同同一类类工艺艺方法法或不不同类类工艺艺方法法的多多工序序加工工，以以完成成一个个复杂杂形形状零零件的的主要要乃至至全部部车、、铣、、钻、、镗、、磨、、攻丝丝、铰铰孔和和扩孔孔等多多种加加工工工序。。◆智能化化智能加加工是是一种种基于于神经经网络络控制制、模模糊控控制、、数字字化网网络技技术和和理论论的加加工，，它是是要在在加工工过程程中模模拟人人类专专家的的智智能活活动，，以解解决加加工过过程许许多不不确定定性的的、要要由人人工干干预才才能解解决的的问题题。27以机床床框架架为固固定平平台的的若干干杆件件组成成空间间并联联机构构，主主轴部部件安安装在在并联联机构构的动动平台台上，，改变变杆件件的长长度或或移动动杆件件的支支点，，按照照并联联运动动学原原理形形成刀刀头点点的加加工表表面轨轨迹。。并联机床的基本结构◆布局特特点◆基本结结构形形式它的结结构完完全不不同于于传统统机床床，看看不到到明显显的床床身、、导轨轨、立立柱和和横梁梁等结结构，，它的的基本本结构构是一一个活活动平平台。。有六杆杆、三三杆、、立式式、卧卧式并并联机机床，，结构构形式式为并并联、、串联联和混混合结结构，，可采采用直直线电电机和和电主主轴。。并联运运动机机床28并联运运动机机床并联机机床HexaM简图并联机机床结结构示示意简简图（（6SPS机构）该机床床的运运动路路线为为:6个伺服服电机机的运运动通通过丝丝杠(驱动轴轴)、螺母母和连连杆传传给装装有电电主轴轴的刀刀具夹夹板，，从而而带动动刀具具作任任意空空间曲曲线运运动。该并联联机床床由运运动平平台、、固定定平台台以及及能伸伸缩的的若干干驱动动杆组组成，运动平平台与与固定定平台台由6根驱动动杆（（伸缩缩杆））相连连，每个驱驱动杆杆两端端都是是球铰铰副，中间有有一个个移动动副。驱动器器驱动动移动动副作作相对对运动动，改变伸伸缩杆杆的长长度，便可改改变运运动平平台的的位姿姿，若将刀刀具安安装在在运动动平台台上，则通过过控制制六杆杆长度度的变变化，便可改改变刀刀具在在空间间的位位置与与姿态态，满足加加工要要求.29◆传统机机床：：以床身身、立立柱、、横梁梁等作作为支支撑部部件，，主轴轴部件件和工工作台台沿支支撑部部件上上的直直线导导轨移移动，，按照照XYZ坐标运运动叠叠加的的串联联运动动学原原理，，形成成刀具具相对对于加加工工工件的的运动动轨迹迹。并联运运动机机床并联机床与传统机床的比较ZXY图4-5传统机机床30◆并联运运动机机床：：以机床床框架架为固固定平平台的的若干干个杆杆件组组成空空间并并联机机构，，主轴轴部件件安装装在并并联机机构的的动平平台上上，工工作台台与机机床框框架连连接在在一起起，改改变杆杆件的的长度度或移移动杆杆件的的支点点，按按照并并联运运动学学原理理形成成刀具具相对对于加加工零零件的的运动动轨迹迹。并联运运动机机床机床框框架杆件动平台台图4-6并联机机床31并联机床的优点并联运运动机机床运动精精度高高：有效地地减少少了运运动链链的长长度，，将支支撑与与传动动功能能集成成一体体可实现现高速速加工工：运动部部件少少，质质量轻轻，有有利于于获得得高的的进给给速度度机床刚刚性好好：消除了了悬臂臂结构构，没没有横横梁、、立柱柱等承承受弯弯曲的的载荷荷部件件结构简简单P800M型并联联运动动机床床工业机机器人人技术术32第4章制造自自动化化技术术ManufacturingAutomationTechnology4.3

工业机器人技术

IndustrialRoboticTechnology课程“先进制制造技技术”33生命系系统（（平衡衡、步步行、、发声声、身身体摆摆动、、感觉觉、表表情、、调节节运动动等））造型解解质（（关节节能自自由运运动的的金属属覆盖盖体，，一种种盔甲甲)人造肌肌肉（（在上上述盔盔甲上上有肉肉体、、静脉脉、性性别等等身体体的各各种形形态)人造皮皮肤（（含有有肤色色、机机理、、轮廓廓、头头发、、视觉觉、牙牙齿、、手爪爪等)机器人的起源◆1886年法国国作家家利尔尔亚当当在他他的小小说《未来夏夏娃》中将外外表像像人的的机器器起名名为““安德德罗丁丁”（（android），它由由4部分组成成：概述◆1920年捷克作作家卡雷雷尔·卡佩克的的科幻剧剧本《罗萨姆的的万能机机器人》中的主主人公““Robota””（在捷克克语中是是奴隶的的意思））是一个个具有人人的外表表、特征征与功能能，并为为人服务务的机器器人。英英语的的“Robot”由此而来来。34森政弘与与合田周周平：““机器器人是一一种具有有移动性性、个体体性、智智能性、、通用性性、半机机械半人人性、自自动性、、奴隶性性等7个特征的的柔性机机器”。。加藤一郎郎提出，，机器人人具有：：①具有有脑、手手、脚等等三要素素的个体体；②具具有非接接触传感感器（用用眼、耳耳接受远远方信息息）和接接触传感感器；③③具有平平衡觉和和固有觉觉的传感感器。机器人的定义◆1967年日本召召开的第第一届机机器人学学术会议议上，就就提出了了两个有有代表性性的定义义：概述◆1987年国际标标准化组组织对工工业机器器人进行行了定义义：“工业机机器人是是一种具具有自动动控制的的操作和和移动功功能，能能完成各各种作业业的可编编程操作作机。””◆我国科学学家对机机器人的的定义是是：“机器人人是一种种自动化化的机器器，所不不同的是是这种机机器具备备一些与与人或生生物相似似的智能能能力，，如感知知能力、、规划能能力、动动作能力力和协同同能力，，是一种种具有高高度灵活活性的自自动化机机器”。。35机器人的分类分类名称简要解释操作型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。示教再现型机器人通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。适应控制型机器人机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。学习控制型机器人机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。智能机器人以人工智能决定其行动的机器人。概述3637工业机器器人就是是面向工工业领域域的多关关节机械械手或多多自由度度机器人人特种机器器人用于于非制造造业并服服务于人人类的各各种先进进机器人人，包括括：服务务机器人人、水下下机器人人、娱乐乐机器人人、军用用机器人人、农业业机器人人、机器器人化机机器等。。工业机器人技术概念◆机器人分分为两大大类，即即工业机机器人和和特种机机器人。。◆工业机器器人由操操作机（（机械本本体）、、控制器器、伺服服驱动系系统和检检测传感感装置构构成，是是一种仿仿人操作作、自动动控制、、可重复复编程、、能在三三维空间间完成各各种作业业的机电电一体化化自动化化生产设设备。◆机器人技技术是综综合了计计算机、、控制论论、机构构学、信信息和传传感技术术、人工工智能、、仿生学学等多学学科而形形成的高高新技术术，是当当代研究究十分活活跃，应应用日益益广泛的的领域。。机器人人应用情情况，是是一个国国家工业业自动化化水平的的重要标标志。概述38◆通常是由由安装在在机体上上的若干干个回转转（或移移动）关关节与杆杆件相互互联接构构成的多多自由度度主动机机构组成成，人们们力图把把它设计计成具有有拟人的的手臂或或动物肢肢体动作作功能的的一种固固定式或或移动式式的机器器。◆包括：人人-机接口装装置（键键盘、示示教盒、、操纵杆杆等），，具有存存贮记忆忆功能的的电子控控制装置置（计算算机、PLC或其他可可编程逻逻辑控制制装置）），各种种传感器器的信息息放大传传输及信信息处理理装置、、速度、、位置伺伺服驱动动系统（（交、直直流PWM、电-液伺服系系统或其其他继电电驱动系系统等））与外部部设备、、传感器器、离线线编程设设备等通通信的输输入/输出接口口以及各各种电源源装置等等。操作机（执行系统）工业机器器人的基基本组成成控制装置39工业机器器人的基基本组成成40输出功率率大，可可无级调调速，控控制精度度较高；；可标准化化，易实实现直接接驱动；；功率/质量比大大，结构构紧凑；；易漏油，，对环境境有污染染；适用于重重载、低低速传动动，如喷喷涂机器器人、点点焊机器器人和托托运机器器人。驱动系统◆液压驱动动工业机器器人的基基本组成成◆气压驱动动输出功率率大，可可标准化化，易实实现直接接驱动；；功率/质量比大大，结构构紧凑；；噪声大，，难以实实现高速速、高精精度的连连续轨迹迹控制；；适用于中中小负载载、精度度要求较较低的机机器人，，如冲压压机器人人。41输出功率率大，控控制精度度较高，，可实现现高速、、高精度度的连续续轨迹控控制；伺服电机机可标准准化，结结构性能能好，噪噪声低，，无密封封问题；；一般需配配置减速速装置，，控制系系统复杂杂；适用于中中小负载载、要求求具有较较高位置置控制精精度和轨轨迹控制制精度、、速度较较高的机机器人，，如喷涂涂机器人人、点焊焊机器人人、弧焊焊机器人人和装配配机器人人。◆电动驱动动工业机器器人的基基本组成成用于测量量机器人人自身运运动速度度、位置置及加速速度的传传感器，，称内部部传感器器；用于感受受和测量量外部环环境信息息和作业业对象工工况的传传感器，，称外部部传感器器。传感器42装配每台台汽车车车体一般般大约需需要完成成3000～4000个焊点，，其中60％是由点点焊机器器人完成成的。焊接机器人◆点焊机器器人工业机器器人的应应用案例例1-手臂及手手腕2-臂架3-橡皮缓冲冲器4-肘形节杆杆5-回转台6-基座7-连接电缆缆8-转台缓冲冲器9-第一轴(转台)电动机(M1)10、14-平衡气缸缸11-第二轴(臂架)电动机(M2)12-第三轴螺螺杆15-驱动臂架架16-电动机组组(M4、M5、M6)17-控制柜43◆点焊机器人工业机器人的的应用案例44◆弧焊机器人日本汽车工业业使用的一种种曲柄式弧焊焊机器人，其其驱动方式采采用交、直流流伺服电动机机系统，用于于焊接车架的的侧粱或双轮轮机动管结构构车架。1-焊接电源2-显示器3一机器人控制制装置4-夹具控制装置置5-工件6-焊接夹具7-机器人工业机器人的的应用案例45◆喷漆机器人日本TOKICO公司生产的RPA856RP关节式喷漆机机器人。该机机器人由操作作机、控制箱箱、修正盘和和液压源四部部分组成；有有6个自由度，可可连接工件传传送装置做到到同步操作。。手腕为伺服服控制型。末末端接口可安安装两个喷枪枪同时工作1-小臂2-大臂3-转台4-基座工业机器人的的应用案例46◆装配机器人工业机器人的的应用案例47工业机器人的的应用案例◆搬运机器人该机器人是用用来抓取、搬搬运来自输送送带或输送机机上流动的物物品的自动化化装置。主要要由搬人机械械部件、机器器主体部件、、搬出机械部部件和系统控控制等基本部部分组成。1-装卸运输机2-极式输送机3-极式分配器4-横进给式输送送机5-操作台6-控制台7-多工位式输送送机48◆焊接机器人工业机器人的的应用案例49◆钣金机器人工业机器人的的应用案例50◆堆放机器人工业机器人的的应用案例4.34全球最先进的的机器人盘点点行走机器人——2009年1月8日，北京郊区区农民吴玉禄（音译）在自自家附近操作作由他自制的的行走机器人人拉着的人力力车溜达。这这款机器人是是热衷于发明明创造的吴玉玉禄制造的最最新、最大的的机器人。他他用从垃圾堆堆捡来的金属属丝、金属片片、螺丝钉和和钉子等为材材料，从1986年就开始制造造机器人。514.34全球最先进的的机器人盘点点奏乐机器人——2008年5月4日，丰田汽车车公司的机器器人在陈列室室中正在演奏奏乐器。524.34全球最先进的的机器人盘点点人形握手机器器人——2009年2月17日，在伦敦科科学博物馆里里，一名观众众在和名叫““贝尔蒂”（（Berti）的机器人握握手。它是跟跟真人一样大大的人形机器器人，设计师师制造它的目目的是模仿人人类手势。534.34全球最先进的的机器人盘点点“大狗”机器器人——2009年2月4日，泰国和美美国士兵在金金色眼镜蛇联联合军事演习习开幕式，观观看了一个名名叫“大狗””机器人（Big

Dog）的精彩表演演。544.34全球最先进的的机器人盘点点手术机器人FMS5556第4章制造自动化技技术ManufacturingAutomationTechnology4.4自动检测与监控技术AutomationDetectionTechnology课程“先进制造技术术”1检测技术的概概念检测（Detection）定义：利用各种物理理、化学效应应，选择合适适的方法与装装置，将生产产、科研、生生活等各方面面的有关信息息通过检查与与测量的方法法，赋予定性或定量结结果的过程称为检检测技术。57检测技术在工工业生产领域域的应用：倍倍增器2检测技术的作作用在线检测：零件尺寸、产产品缺陷、装装配定位……离线检测：零件参数、尺尺寸与形形位公差、品品质参数数……作用用：现代工程装备备中，检测环环节的成本约约占50~70%2检测技术的作作用2检测技术的作作用检测技术在军军事上的应用用：战斗力美军研制的未未来单兵作战战武器---OICW夜视瞄准机机系统：非非冷却红外外传感器技技术激光测距仪仪：可精确确的定位目目标。检测技术的的作用美国国家导导弹防御计计划---NMD检测技术在在国防领域域的应用：：先行官1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统:探测和发现现敌人导弹弹的发射并并追踪导弹弹的飞行轨轨道；拦截器：能能识别真假假弹头，敌敌友方检测技术的的作用检测技术在在航天领域域应用：举足轻重火箭测控---检测火箭状状况、姿态态、轨迹飞行器测控控---检测飞行器器姿态、发发电机工况况，控制与与操纵检测技术的的作用“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器检测参数---加速度、温温度、压力力、振动动、流量、、应变、声声学神州飞船：：185台（套）仪仪器装置检测技术的的作用检测技术的的作用65检测技术的的作用检测技术在在日常生活活中的应用用：与日俱增检测技术的的作用海啸预报检测技术的的作用智能电子警警察监测系系统号检测技术的的作用检测技术的的作用自动收费系系统社会：“物化法官官”机械制造业业化工行业烟草行业环境保护现代物流行行业产品开发文物保护领领域……检测技术的的作用检查产品质质量监测环境污污染识别指纹假假钞查服违禁药药物侦破刑事案案件其它应用：：733自动检测系系统的组成成自动检测系系统原理框框图74指一个能将将被测的非非电量变换换成电量的的器件。将温度转换换为电压的的传感器—热电偶传感器：把传感器输输出的电量量变成具有有一定驱动动和传输能能力的信号号，以推动动后级的显显示电路、、数据处理理装置及执执行机构。。信号处理电电路：76模拟显示、、数字显示示、图象显显示及记录录仪等。模拟显示：：直观显示器：数字显示：：准确，但最最后一位经经常跳动不不止。图像显示：：能显示复杂杂的图形和和曲线，但但价格昂贵贵。记录仪：主要用来记记录被检测测对象的动动态变化过过程主要是指计计算机，将将复杂的系系统用到频频谱分析仪仪。数据处理装装置：通常是指各各种继电器器，电磁铁铁、电磁阀阀门、电磁磁调节阀、、伺服电动动机等，它它们在电路路中是起通通断、控制制、调节、、保护等作作用的电器器设备。继电器执行机构：：电磁阀门固态继电器器执行机构：：电磁铁电磁调节阀阀执行机构：：伺服型雷达达天线报警器执行机构：：智能化虚拟化网络化微型化集成化4自动检测技技术的发展展趋势85不断提高检检测系统的的测量精度度、量程范范围、延长长使用寿命命、提高可可靠性。提高测量精精度将量程切换换到2V时，最小显显示值为1μV提高可靠性性承受剧烈振振动发展微型化化、集成化化、智能化化、虚拟化化的传感器器智能化面部识别技技术单片机芯片片88可拍照的手手机集成化89应用新技术术和新的物物理效应，，扩大检测测领域火星车90月球车应用新技术术和新的物物理效应，，扩大检测测领域安全检查应用新技术术和新的物物理效应，，扩大检测测领域网络化传感感器及检测测技术逐步步发展93检测技术的的误差1测量的分类类2测量误差及及分类3自动检测系系统的组成成检测技术的的误差951测量的分类类静态测量和和动态测量量直接测量与与间接测量量接触式测量量与非接触触式测量在线测量和和离线测量量96静态测量和和动态测量量电子卡尺直接测量与与间接测量量接触式测量量与非接触触式测量雷达测速测体温99在线测量和和离线测量量1002测量误差及及分类测量误差：：测量值与真真实值之间间的误差。。分类：绝对误差和和相对误差差。101绝对误差绝对误差是测量值Ax与真实值A0之间的差值值，即：相对误差相对误差用百分比的的形式表示示。一般多多取正值。。相对误差差有以下表表现形式：：示值相对误误差：用用绝对误差差Δ与被测量Ax的百分比表表示满度（引用用）相对误误差：绝绝对误差Δ与仪器满度度值Am的百分比。。准确度等级级当取仪表的的最大绝对对误差时，，常用引用用误差来表表示仪表的的准确度等等级S，即：根据给出的的准确度等等级S及满度值Am，可以推算算出该仪表表可能出现现的最大绝绝对误差、、示值相对对误差等。。104仪表的准确确度等级和和基本误差差例：某指针针式电压表表的精度为为2.5级，用它来来测量电压压时可能产产生的满度度相对误差差为2.5%。误差产生的的因素：粗大误差系统误差随机误差106粗大误差明显偏离真真值的误差差称为粗大大误差，也也叫过失误误差。粗大大误差主要要是由于测测量人员的的粗心大意意及电子测测量仪器受受到突然而而强大的干干扰所引起起的。如测测错、读错错、记错、、外界过电电压尖峰干干扰等造成成的误差。。就数值大大小而言，，粗大误差差明显超过过正常条件件下的误差差。当发现现粗大误差差时，应予予以剔除。。系统误差：：夏天摆钟变变慢的原因因是什么？？系统误差也也称装置误误差，它反反映了测量量值偏离真真值的程度度。凡误差差的数值固固定或按一一定规律变变化者，均均属于系统统误差。系统误差是是有规律性性的，因此此可以通过过实验的方方法或引入入修正值的的方法计算算修正，也也可以重新新调整测量量仪表的有有关部件予予以消除。。随机误差在同一条件件下，多次次测量同一一被测量，，有时会发发现测量值值时大时小小，误差的的绝对值及及正、负以以不可预见见的方式变变化，该误误差称为随随机误差，，也称偶然然误差，它它反映了测测量值离散散性的大小小。随机误误差是测量量过程中许许多独立的的、微小的的、偶然的的因素引起起的综合结结果。存在随机误误差的测量量结果中，，虽然单个个测量值误误差的出现现是随机的的，既不能能用实验的的方法消除除，也不能能修正，但但是就误差差的整体而而言，多数数随机误差差都服从正正态分布规规律。随机误差的的正态分布布规律长度相对测测量值次数统计静态误差与与动态误差差静态误差：：在被测量不不随时间变变化时所产产生的误差差称为静态态误差。动态误差：：当被测量随随时间迅速速变化时，，系统的输输出量在时时间上不能能与被测量量的变化精精确吻合，，这种误差差称为动态态误差。111由心电图仪仪放大器带带宽不够引引起的动态态误差动态误差：：1传感器的定定义2传感器的组组成3传感器分类类传感器的定义、组成、分类1131传感器的定定义根据中华人人民共和国国国家标准准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受受规定的被被测量并按按照一定的的规律转换换成可用输输出信号的的器件和装装置。114包含的概念念：①传感器是测测量装置，，能完成检检测任务；；②它的输出量量是某一被被测量，可可能是物理理量，也可可能是化学学量、生物物量等；③它的输出量量是某种物物理量，这这种量要便便于传输、、转换、处处理、显示示等等，这这种量可以以是气、光光、电量，，但主要是是电量；④输出出输输入入有有对对应应关关系系，，且且应应有有一一定定的的精精确确程程度度。。1152传感感器器的的组组成成传感感器器组组成成框框图图116举例例：：测测量量压压力力的的电电位位器器式式压压力力传传感感器器敏感感元元件件：：能够够灵灵敏敏地地感感受受被被测测量量并并作作出出响响应应的的元元件件。。弹性性敏敏感感元元件件（（弹弹簧簧管管））：：将压压力力转转换换为为角角位位移移α将敏敏感感元元件件感感受受的的被被测测量量转转换换成成电电路路参参数数的的元元件件。。传感感元元件件（（电电位位器器））：：将角角位位移移转转换换为为电电参参量量-----电阻阻的的变变化化（（ΔR）传感感元元件件：：将传传感感元元件件输输出出的的电电参参量量转转换换成成易易于于处处理理的的电电压压、、电电流流或或频频率率量量。。当电电位位器器的的两两端端加加上上电电源源后后，，电电位位器器就就组组成成分分压压比比电电路路，，它它的的输输出出量量是是与与压压力力成成一一定定关关系系的的电电压压Uo。测量量转转换换电电路路：：1．根根据据被被测测物物理理量量分分类类：：速度度传传感感器器、、位位移移传传感感器器、、加加速速度度传传感感器器、、温温度度传传感感器器、、压压力力传传感感器器等等。。2．按按工工作作原原理理分分类类应变变式式、、电电压压式式、、电电容容式式、、涡涡流流式式、、差差动动变变压压器器式式等等。。3．按按能能量量的的传传递递方方式式分分类类有源源的的和和无无源源的的传传感感器器。。3传感感器器分分类类柔性性制制造造系系统统1211传感感器器的的静静态态特特性性2传感感器器的的动动态态特特性性传感感器器基基本本特特性性122稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响

传感器输入输出作用图输出取决决于于传传感感器器本本身身，，可可通通过过传传感感器器本本身身的的改改善善来来加加以以抑抑制制，，有有时时也也可可以以对对外外界界条条件件加加以以限限制制。。衡量传感器特特性的主要技技术指标1传感器的静态态特性静特性指标1、线性度2、灵敏度3、迟滞4、重复性5、零点漂移6、温度漂移静态特性：输输入量为常量量，或变化极极慢。124线性度直线拟合线性性化非非线线性误差或线线性度最大非线性误误差满满量程输出出指传感器实际际特性曲线与与拟合直线之之间的最大偏偏差与传感器器满量程输出出的百分比，，表达式：125直线拟合线性性化拟合方法：①理论拟合②过零旋转拟拟合③端点连线拟拟合④端点连线平平移拟合⑤最小二乘拟拟合出发点获得最小的非非线性误差126a.理论拟合拟合直线为传传感器的理论论特性，与实实际测试值无无关。方法十分简单单，但一般说说ΔLmax较大xyΔLmaxb.过零旋转拟合合曲线过零的传传感器。拟合合时，使ΔL1=ΔL2=ΔLmaxxyΔL2ΔL1c.端点连线拟合合把输出曲线两两端点的连线线作为拟合直直线xyΔLmaxd.端点连线平移移拟合在端点连线拟拟合基础上使直线线平移，移动动距离为原先先的一半yxΔLmaxΔL1e.最小二乘拟合合xy=kx+by生物机电灵敏度传感器输出的的变化量Δy与引起该变化化量的输入变变化量Δx之比即为其静静态灵敏度，，表达式：表征传感器对对输入量变化化的反应能力力生物机电132(a)线性传感器(b)非线性传感器器图传感器的灵敏敏度生物机电生物机电灵敏度作图迟滞传感器在正（（输入量增大大）、反（输输入量减小））行程中输出出输入曲线不不重合的现象象称为迟滞，，表达式：—正反行程间输输出的最大差差值。—满量程输出。。生物机电迟滞特性xΔHmaxY正行程特性反行程特性影响：分辨力变差希望：迟滞越小越好好。136重复性传感器在输入入按同一方向向连续多次变变动时所得特特性曲线不一一致的程度。。正行程的最大大重复性偏差差反行程的最大大重复性偏差差取较大者为生物机电重复特性xΔRmax1ΔRmax2y生物机电零点漂移传感器在长时时间工作的情情况下输出量量发生的变化化。零漂＝式中ΔY0——最大零点偏差差；YFS——满量程输出。。生物机电温漂传感器在外界界温度下输出出量发出的变变化温漂＝式中Δmax——输出最大偏差差；ΔT———温度变化范围围；YFS——满量程输出。。生物机电2传感器的动态态特性动态特性:指传感器的输输出对随时间间变化的输入入量的响应特特性。反映输输出值真实再再现变化着的的输入量的能能力。研究传感器的的动态特性主主要是从测量量误差角度分分析产生动态态误差的原因因以及改善措措施。时域：瞬态响应法法频域：频率响应法法生物机电瞬态响应特性性：时间响应应一阶传感器的的时间常数τ越小越好⑴一阶传感感器的单位阶阶跃响应生物机电142二阶传感器的的单位阶跃响响应二阶传感器的的响应在很大大程度上取决决于阻尼比ζ和固有频率ωn。生物机电143瞬态响应特性性指标生物机电144①上升时间tr输出由稳态值值的10%变化到稳态值值的90%所用的时间。。②响应时间ts系统从阶跃输输入开始到输输出值进入稳稳态值所规定定的范围内所所需要的时间间。③峰值时间tp阶跃响应曲线线达到第一个个峰值所需时时间。④超调量σ传感器输出超超过稳态值的的最大值ΔA，常用相对于于稳态值的百百分比σ表示。生物机电频率响应特性性传感器对正弦弦输入信号的的响应特性⑴一阶传感感器频率响应应特性(a)幅频特性(b)相频特性时间常数τ越小，频率响响应特性越好好146二阶传感器频频率响应特性性传感器的频率率响应特性好好坏主要取决决于阻尼比ζ和传感器固有有频率ωn。生物机电147①频带：传感器增益保保持在一定值值内的频率范范围，称为传传感器的频带带或通频带，，对应有上、、下截止频率率。②时间常数τ：用时间常数τ来表征一阶传传感器的动态态特性，τ越小，频带越越宽。③固有频率ωn：二阶传感器的的固有频率ωn表征了了其动动态特特性。。频率响响应特特性指指标生物机电谢谢！！150第4章制造自自动化化技术术ManufacturingAutomationTechnology4.5柔性制造系统FlexibleManufacturing

System课程“先进制制造技技术”151由一个个传输输系统统联接接起来来的一一些设设备(通常是是具有有自动动换刀刀装置置的加加工中中心机机床)组成，，传输输装置置把工工件放放在托托盘或或其他他联接接装置置上送送到各各加工工设备备，加加工设设备和和传输输系统统在中中央计计算机机控制制下，，使工工件加加工准准确、、迅速速和自自动化化。FMS的定义◆美国国国家标标准局局定义义：◆日本国国际贸贸易与与工业业部定定义：：◆北京机机械工工业自自动化化研究究所定定义义：的定义义与特特征由2台或更更多NC机床组组成的的系统统，这这些机机床与与自动动物料料管理理设备备一一一连接接，在在计算算机或或类似似设备备控制制下完完成自自动加加工或或处理理操作作，从从而可可加工工多个个不同同形状状和尺尺寸的的工件件。将自动动化生生产系系统从从少品品种大大批量量生产产型转转向多多品种种生产产型的的柔性性化系系统。。152高柔性性高效率率高度自自动化化FMS的特征◆柔性制制造系系统是是利用用计算算机控控制系系统和和物料料输送送系统统，把把若干干台设设备联联系起起来，，形成成没有有固定定加工工顺序序和节节拍的的自动动化制制造系系统。。它在在加工工完一一批某某种工工件后后，能能在不不停机机调整整的情情况下下，自自动地地向另另一种种工件件转换换。其其主要要特征征是：：的定义义与特特征FMS的组成成典型的的FMS主要由由以下下三个个子系系统组组成：：（1）加工工系统统（2）运储储系统统（3）计算算机控控制系系统FMS的组成成框图图及功功能特特征工业现现场需需要的的技术术计算机机技术术传感器器技术术液压技技术电子技技术PLC技术气动技技术机器人人技术术的定义义与特特征1556、RV-2AJ5自由度度机器器人5、CNC

数控铣床CNC铣床编编程3、图像像处理理工作作单元元可视化监控系统PLC编程库存控控制PLC编程FMS总总配置置图8、存储工工作单单元11、传输输带系系统1、供料料工作单单元2、检测测工作作单元元9、操作作手工工作单单元7、装配配工作作单元元4、操作作手工工作单单元10、成品品分装装工作作单元元156157柔性制制造系系统的的组成成图4-4FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信息传输网络工夹具站158柔性制制造系系统的的组成成FMS结构框框图159加工单单元CNC（MC）机床工作台架（暂存工件）机器人或托盘交换装置检测、监控装置◆设备运运行状状态监监控与与检测测（图图4-5）传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出图4-5设备运行状态监控与检测框图柔性制制造系系统的的组成成160钻头破破损检检测器器内存存有以以往采采集的的钻头头破损损的信信号或或钻头头破损损模拟拟信号号，与与检测测信号号进行行比较较。当当钻头头破损损被确确认后后，发发出换换刀信信号。。◆加工过过程监监控与与检测测重点是是刀具具磨损损、破破损监监控与与检测测。图图4-6为声发发射钻钻头破破损检检测装装置示示意图图。加加工过过程中中，一一旦钻钻头破破损，，声发发射传传感器器检测测到钻钻头破破损信信号，，将其其送至至钻头头破损损检测测器进进行处处理。。钻头破损检测器图4-6

声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号柔性制制造系系统的的组成成161物料传传输系系统又称立立体仓仓库或或自动动化仓仓库系系统（（AutomatedStorageandRetrieva1System一AS／RS），由由高层层料架架、、堆垛垛机、、控制制计算算机和和物料料识别别装置置等组组成。。具有有自动动化程程度高高、料料位空空间尺尺寸和和额定定存放放重量量大、、料位位总数数可根根据实实际需需求扩扩展、、占地地面积积小等等优点点。◆自动仓仓库（图4-7）图4-7

自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架柔性制制造系系统的的组成成162柔性制制造系系统的的组成成◆传输装装置滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线电磁式（图7-8）光电式（图7-9）……传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人切屑处处理系系统163柔性制制造系系统的的组成成◆无轨小小车又称自自动引引导小小车（（AGV,AutomatedGuideVehicle）。图图4-21（a）为其其示意意图，，小车车上有有托盘盘交换换台3，工作作台1与托盘盘2由交换换台推推上机机床的的工作作台进进行加加工，，加工工好的的工件件连同同托盘盘拉回回到小小车的的交换换台上上，送送装卸卸工位位，由由人工工卸下下并装装上新新的待待加工工工件件。小小车的的行车车路线线常用用电缆缆或光光电引引导。。164柔性制制造系系统的的组成成图4-8自动引引导小小车(AGV)图4-21（b）为电电缆引引导的的原理理图，，在地地面（（6）下埋埋设有有导向向电缆缆8，通以以低频频电流流，在在电缆缆周围围形成成磁场场7。固定定在小小车车车身内内的两两个19感应线线圈5中即产产生电电压，，当小小车运运行偏偏离电电缆时时，两两线圈圈的电电压不不相等等，转转向电电机4即正向向或反反向旋旋转以以校正正小车车的位位置，，使小小车总总是沿沿电缆缆引导导的路路线行行走。。光电电引导导方式式是在在地面面上铺铺设反反光的的不锈锈钢带带，利利用光光的反反射使使小车车上的的一排排光电电管产产生信信号，，以引引导小小车沿沿反光光带运运动。。165柔性制制造系系统的的组成成转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆图4-8电磁引导原理在地面面上埋埋设引引导电电缆，，并通通以5～10kHz的低压压电流流。小小车上上装有有对称称的一一组信信号拾拾取线线圈。。当小小车偏偏向右右方时时，右右方的