先进制造技术第四章

第四章制造自动化技术一概述二机床数控技术三工业机器人四柔性制造系统第一节概述一、制造自动化技术内涵

自动化（Automation）是美国通用汽车公司D.S.Harder先生于1936年提出来的，其核心含义是“自动地去完成特定的作业”。当时Harder先生所说的特定作业，是指零件在机器之间转移的自动搬运，自动化功能目标是代替人的体力劳动。随着技术的进步，自动化的功能目标在不断地随着自动化手段的提高、时代的进步而变化。在计算机用于自动化之前，自动化的功能目标是以省力为主要目的，以代替人的体力劳动。▲

随着计算机和信息技术的发展，计算机和信息技术作为自动化技术的重要手段，使自动化的视野大大扩展，自动化的功能目标不再仅仅是代替人的体力劳动，而且还须代替人的部分脑力劳动。▲▲在“狭义制造”概念下，制造自动化的含义是生产车间内产品的机械加工和装配检验过程的自动化，包括切削加工自动化、工件装卸自动化、工件储运自动化、零件与产品清洁及检验自动化、断屑与排屑自动化、装配自动化、机器故障诊断自动化等。▲在“广义制造”概念下，制造自动化则包含了产品设计自动化、企业管理自动化、加工过程自动化和质量控制自动化等产品制造全过程以及各个环节综合集成自动化，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时、洁净的目标。▲制造自动化促使制造业逐渐由劳动密集型产业向技术密集型和知识密集型产业转变。▲制造自动化技术是制造业发展的重要标志，代表着先进制造技术的水平，也体现了一个国家科技水平的高低。▲采用制造自动化技术不仅显著地提高劳动生产率、大幅度提高产品质量、降低制造成本、提高经济效益，还有效地改善劳动条件、提高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的发展，大大提高企业的市场竞争能力。二、制造自动化技术的兴起及现状▲19世纪末期，机械化生产开始出现；20世纪中叶，自动化车床开始出现；1947年，第一个机械加工自动线在美国福特汽车公司投产；20世纪50年代柔性自动化生产开始出现（以数控车床为代表）20世纪70年代诞生了柔性制造系统；20世纪80年代开始出现了计算机集成制造系统。▲回顾历史，可将制造自动化的发展分为刚性自动化、柔性自动化和综合自动化三个发展阶段。■刚性自动化在半自动和自动机床、组合机床、组合机床自动线出现，解决了单一品种大批量生产自动化问题特点是生产效率高、加工品种单一。20世纪50年代达到了顶峰。■柔性自动化为满足多品种小批量甚至单件生产自动化的需要，出现了一系列柔性制造自动化技术:如数控技术（NC）、计算机数控（CNC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）等。■综合自动化随着计算机及其应用技术的迅速发展，各项单元自动化技术的逐渐成熟，为充分利用资源，发挥综合效益自20世纪80年代以来以计算机为中心的综合自动化得到了发展，如计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）等模式得到了发展和应用当前制造自动化技术研究领域和方向■制造系统中的集成技术和系统技术已成为研究热点■更加注重制造自动化系统中人因作用的研究

■数控单元系统的研究占有重要位置

■制造过程的计划和调度研究十分活跃

■柔性制造技术的研究向着深度和广度发展

■现代生产模式制造环境的研究正在兴起

■底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃三、制造自动化技术的发展趋势纵观新世纪的制造自动化技术发展趋势，可用六化来概括，即敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、全球化、绿色化。1

制造敏捷化敏捷化制造环境和制造过程是新世纪制造活动的必然趋势，其核心是使企业对面临市场竞争作出快速响应，利用企业内外各方面的优势，形成动态联盟，缩短产品开发周期，尽快抢占市场。2

制造网络化基于Internet的制造已成为当今制造业的重要发展趋势，包括企业制造环境的网络化和企业与企业之间的网络化。通过制造环境的网络化，实现制造过程的集成，实现企业的经营管理、工程设计和制造控制等各子系统的集成通过企业与企业间的网络化，可实现异地制造、远程协调作业。3

制造虚拟化包括设计过程的拟实技术和加工制造过程的虚拟技术。拟实技术是面向产品的结构和性能的分析，以优化产品本身性能和成本为目标；虚拟技术是面向产品生产过程的模拟和检验，检验产品的可加工性、加工工艺的合理性。制造虚拟化的核心是计算机仿真，通过仿真来模拟真实系统，发现设计与生产中可避免的缺陷和错误，保证产品的制造过程一次成功。4

制造智能化智能制造技术的宗旨在于扩大、延伸以及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。智能制造包含智能计算机、智能机器人、智能加工设备、智能生产线等。智能制造系统是制造系统发展的最高阶段，即从柔性制造系统、集成制造系统向智能制造系统发展。5

制造全球化制造网络化和敏捷化策略的实施，促进了制造全球化的研究和发展。包括市场的国际化，目前产品销售的全球网络正在形成；产品设计和开发的国际合作及产品制造的跨国化；制造企业在世界范围内的重组与集成，制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利用；全球制造的体系结构将会形成。6

制造绿色化制造业是创造人类财富的支柱产业，但同时又是环境污染的主要源第二节节机机床数数控技技术一、机机床数数控系系统1、机机床数数控系系统的的组成成及功功能原原理CNC系统统组成成：数数控装装置、、PLC、伺服服驱动动装置置、I/O接口、、控制制面板板、人人机界界面数控装装置功功能：：控制功功能-单轴、、多轴轴联动动控制制准备功功能-包括移移动、、暂停停、坐坐标设设定、、固定定循环环等功功能插补功功能-直线插插补、、圆弧弧插补补、抛抛物线线等辅助功功能-主轴启启停、、冷却却润滑滑通断断、刀刀库的的启停停等补偿功功能-刀具半半径/刀具、、反向向间隙隙、螺螺距、、温度度等补补偿功功能PLC功能能：控控制面面板、、主轴轴停启启与换换向、、刀具具更换换、冷冷却润润滑启启停、、工件件夹紧紧与松松开、、工作作台分分度等等开关关量的的控制制CNC系统统的组组成原原理2、数数控系系统的的硬件件结构构数控系系统从从硬件件结构构上可可分为为单CPU结结构、、多▲CPU结构构、直直接采采用PC计计算机机的系系统结结构。▲单CPU结结构：通过过总线线使CPU与存储储器和和各种种接口口相连连接，，集中中控制制、分分时处处理工工作方方式多CPU结结构：多个个CPU通过公公用地地址和和数据据总线线互连连，各各自完完成功功能，，系统统速度度高、、处理理能力力强▲直接采采用PC计计算机机的系系统结结构：具有有微机机丰富富的软软硬件件资源源、友友好的的人机机界面面、拥拥有多多媒体体和网网络功功能，，是当当前数数控系系统的的发展展方向向3、数数控系系统的的软件件组成成4、开开放式式数控控系统统数控系系统越越来越越广泛泛的应应用到到各种种控制制领域域，同同时也也不断断地对对数控控系统统软件件硬件件提出出了新新的要要求其其中较较为突突出的的是要要求系系统具具有开放性性，以满满足CNC系统快快速发发展和和用户户自主主开发发需要要实现基基于PC微微机开开放式式数控控系统统有如如下三三种途途径：：▲专用数数控嵌嵌入PC主板是专用用数控控系统统商提提供的的形式式，仅仅限于于PC部分开开放，，其专专用数数控部部分仍仍处于于封闭闭状态态。▲PC机+运动控控制卡卡提供底底层数数控接接口，，支持持二次次开发发和扩扩展，，有上上下两两级开开放性性，如如PMAC运动控控制器器。▲纯PC软件型型尚未形形成商商品，，代表表数控控系统统发展展方向向二、机机床伺伺服系系统1、机机床进进给伺伺服系系统一般是是由位位置控制制单元元、速速度控控制单单元、、伺服服电机机、检检测单单元四部分分组成成，通通常将将位置置控制制单元元与数数控装装置做做在一一起，，习惯惯上所所称的的伺服服单元元或驱驱动单单元仅仅包含含速度度控制制单元元。机床伺伺服系系统的的分类类:▲按照私私服系系统的的结构构特点点分为为：开开环系系统、、闭环环系统统、半半闭环环系统统、混混合闭闭环系系统。。应用用最广广泛的的是半半闭环环结构构▲按照驱驱动电电机分分为：：步进进伺服服、直直流伺伺服、、交流流伺服服半闭环环控制制系统统■目前交交流伺伺服系系统的的交流流电机机主要要采用用异步电电动机机和永磁同同步电电动机机两种。异步电动机机功率大、精精度稍低、、多用于于主轴电机机永磁同步电电动机精度要求高高、价格贵贵，多用于于容量小的进给伺伺服电机■交流伺服驱驱动器有模拟式和数字式之分。模拟式工作速度快快，系统频频率宽，体体积大、器器件多、不不易调试数字式控制方式改改变仅需改改变软件，，柔性好，，结构紧凑凑，重复性性好■检测元件：：旋转变压器器、脉冲编编码器等旋转变压器器是一种输输出的电压压与角位移移量成连续续函数关系系的感应式式微型电动动机。脉冲编码器器是机床上上应用最多多的传感器器，可分为为增量式、、绝对式、、混合式三三种，其中中增量式较较为普遍。。三、数控加加工编程技技术1、数控加加工编程一一般步骤，，数控加工编编程就是将将零件的工工艺过程、、工艺参数数、刀具位位移量、位位移方向以以及其他辅辅助动作按按照运动顺顺序和所用用数控系统统规定得坐坐标系和指指令代码及及格式来编编程加工程程序单，经经校核、试试切无误后后制备在储储存介质上上，然后再再由相应的的阅读器将将程序输入入数控装置置，从而控控制数控设设备的运行行。一般可分为为工艺处理理、数值计计算、编制制零件加工工程序单、、输入数控控程序、程程序校验。。手工编程只只能编制那那些几何形形状不复杂杂、计算量量不是很大大、加工程程序不多的的简单零件件，对于一一些复杂零零件，如带带有非圆曲曲面、自由由曲面的轮轮廓、模具具型腔等，，手工编程程则变得极极为困难。。2、计算机机辅助数控控加工编程程▲快速而准确确的编制数数控加工程程序就成为为数控技术术发展和应应用中德一一个重要环环节，计算算机辅助数数控加工编编程技术正正是针对这这一问题而而产生和发发展起来的的。▲计算机辅助助数控数控控加工程序序分为两种种不同的形形式：一是是借助于数控语言进进行自动编编程，二是利用用CAD/CAM软件件工具完成成数控加工工程序的编制。■与数控语言言自动编程程比较，利利用CAD/CAM软件系统统进行数控控编程具有有以下特点点：◘将零件数数控加工编编程过程中中的几何造造型、刀位位计算、图图形显示和和后置处理理等作业过过程结合在在一起，有有效解决了了编程的数数据来源、、图形显示示、加工模模拟和交互互修改问题题。◘编程是在在计算机上上直接面向向零件的三三维实体图图形进行，，不需要用用户编制零零件加工源源程序，用用户界面友友好，使用用简洁、直直观、准确确，便于检检查。◘有利于实实现系统的的集成，不不仅能够实实现产品的的设计与数数控编程的的集合，还还便于工艺艺设计、刀刀具量具设设计等其他他生产过程程的集成。。CAD/CAM系统统数控编程程，它是利利用CAD造型所生生成的三维维几何实体体，采用人人机交互的的方式、有有操作者在在计算机屏屏幕上指定定三维实体体被加工的的部位，输输入适合的的切削参数数和刀具参参数，交互互选择走刀刀方式，然然后由系统统自动进行行刀具轨迹迹计算和处处理，生成成刀为位文文件。计算机辅助助数控编程程四、机床数数控技术发发展趋势从三个方面面讨论机床床数控技术术的发展趋趋势▲性能发展方方面1高速高高精高效化化进给速度80-120m/min，加速度1-2g，主轴dn=(1-3)*106，换刀小于于1s；加工精度度0.1µm，甚至0.01µµm2柔性化化功能覆盖面面大，便于于不同用户户的需求；；物料流和和信息流自自动动态调调整3工艺复合合化和多轴轴化如FANUC15可控轴数和和联动轴数数均达到24轴4实时智能能化配置编程专专家系统、