数控机床全套课件新技术在数控机床中的应用

数控机床全套第9章新技术在数控机床中的应用9.1柔性制造系统（FMS）9.2计算机集成制造系统（CIMS）9.3工业机器人9.1柔性制造系统（FMS）9.1.1FMS的产生与发展1.计算机数控系统FMS初级阶段是计算机数控系统CNCS，它用计算机通过执行其寄存器内的程序来完成数控系统的部分或全部功能，并配有接口电器、输入输出设备、可编程控制器（PLC）、主轴驱动驱动给驱动装置等组成的一种专用计算机系统。如图9-1所示。2.柔性制造单元FMC由单台带有多托盘系统的加工中心或三台以下的CNC机床组成，它可以自动地加工一组工件，适用于小批量多品种加工。如图9-2、9-3所示。下一页返回9.1柔性制造系统（FMS）3.柔性制造生产线柔性制造生产线又称为柔性自动线或可变自动线，它与传统的刚性自动线的区别在于它能同时或集资加工少量不同的工件。如图9-7所示。4.柔性制造系统FMS是由两台以上CNC机床组成并配备有自动化物料储运子系统的制造系统，它是适用于中小批量、较多品种加工的高柔性、高智能的制造系统。如图9-8所示为精密机械零件的FMS。返回上一页下一页9.1柔性制造系统（FMS）9.1.2FMS的定义、组成与工作原理1.FMS的定义目前对FMS还没有统一的定义，它作为一种先进制造技术的代表，不局限于零件的加工，在与加工和装配相关的领域里也得到越来越广泛的应用。所以，有关FMS折定义和描述有多种。2.FMS的组成由于FMS强调制造过程的柔性和高效率，因而适应于多品种、中小批量的生产。FMS的主要硬件设备有计算机、数控机床、机器人、托盘、传输线、自动搬运小车和自动立体仓库等。它实现了工厂中工程设计、制造和经营管理三大功能中的“制造”功能。如图9-10所示。3.FMS的工作原理FMS的原理框图如图9-12所示。返回上一页下一页9.1柔性制造系统（FMS）9.1.3FMS的分类、特点与作用1.FMS的分类（1）配备互补机床的FMS（2）配备可互相替换机床的FMS（3）混合式的FMS2.FMS的特点实际上，一个普通零件逗留在工厂的全部时间中，近95%是在等待，2%用于装卸，只有3%用于实际加工。3.FMS的作用FMS是一个计算机化的自动化制造系统，能以最少的人工干预加工任一范围的零件组工件。FMS的加工系统包括铣削加工中心、车削加工中心、主轴箱更换式机床等设备。加工系统中所需设备的类型、数量、尺寸等均由被加工零件的类型、尺寸范围和批量大小来决定。下一页返回上一页9.1柔性制造系统（FMS）9.1.4FMS自动加工系统1.FMS对加工设备的要求由于FMS是高自动化的制造系统，不是任何加工设备均可纳入FMS中。所以纳入FMS运行的机床必须具备三个特点，即工序集中、高柔性与高生产率和控制方便。2.加工设备选择的原则FMS中的加工设备应该是可靠的、自动化的、高效率和高柔性的。在选择时，需考虑到该FMS加工零件的尺寸范围、经济效益、零件的工艺性、加工精度和材料等。返回上一页下一页9.1柔性制造系统（FMS）3.典型加工设备（1）车削加工中心（TC）（2）加工中心（MC）4.自动化加工设备在FMS中的控制与集成（1）数字控制（2）自适应控制（3）控制传感器（4）计算机数字控制（5）集成化DNC系统（6）通过网络的通信集成返回下一页上一页9.1柔性制造系统（FMS）9.1.5FMS的物流系统1.零件和自动运输零件运输系统主要完成两类不同的任务：一类是零件毛坯、原材料由外界搬运进系统，以及将加工好的成品从系统中搬运走；另一类是毛坯、原材料、半成品在FMS内部的搬运。在一般情况下前者是需要人工干预的，而后者可以在计算机的统一管理和控制下自动完成。2.零件运输工具系统在FMS中，零件运输系统执行托运的机构主要采用以下三种：有轨输送系统、无轨输送系统和机器人传送系统。其选择与生产系统的布局和运行直接相关，且要与生产流程和生产设备类型相适应，对生产系统的生产效率、复杂程度、占用资金多少和经济效益都有较大的影响。下一页返回上一页9.1柔性制造系统（FMS）3.零件的自动储存零件的自动储存设备主要有：托盘缓冲站、工件装卸站和自动化仓库。4.自动上下料装置在FMS中，自动上下料装置是完成加工设备之间、加工设备与自动化仓库之间的输送和搬运等。另外，FMS中的所有机床必须接受同一形式的托盘。若在同一系统中，使用不同厂家的机床，必须设计统一标准的接口，以便托盘交换。自动上下料装置通常有托盘交换器、多反射角盘库运载交换器、机器人等。返回上一页下一页9.1柔性制造系统（FMS）9.1.6FMS的信息流系统1.FMS的信息流模型要保证FMS的各种设备装置与物流系统能自动协调工作并具有充分的柔性，能迅速响应系统内外部的变化，及时调整系统的运行状态，关键就是要准确地规划信息流，使各个子系统之间的信息有效、合理的流动，从而保证系统的计划、管理、控制和监视功能有条不紊地进行。2.FMS的信息流要素、联系和特征（1）FMS的信息流要素FMS系统中共有三种不同类型的数据，分别是基本数据、控制数据和状态数据。返回上一页下一页9.1柔性制造系统（FMS）（2）FMS的信息流间的联系在FMS系统运行过程中，这些数据相互之间有着各种联系，主要表现为以下三种形式。①数据联系②决策联系③组织联系（3）FMS信息流的特征FMS管理和控制的信息流程，是由作业计划、加工准备、过程控制与监控等功能模块组成。3.FMS的控制结构FMS的控制系统负责控制整个系统协调、优化、高效的运行。对于FMS这样复杂的自动化制造系统，FMS通常采用递阶控制结构，如图9-30所示。返回下一页上一页9.1柔性制造系统（FMS）4.开放式单元控制器的功能模型开放式单元控制器应具有下列四个特征。（1）时间和空间上具有开放性（2）功能结构上具有柔性（3）敏捷制造的反应能力（4）遵守ISO/OSI开放式系统参考模型在接口、服务和支持方式上充分采用规范和标准。返回上一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）9.2.1CIMS的产生与发展1.CIMS的产生计算机集成制造最早是由美国约瑟夫。哈林顿博士于1973所提出的。2.CIMS技术内涵的发展我国CIMS主题研究和实施技术的核心是现代集成制造其中集成分为三个阶段：信息集成、过程集成和企业集成。而目前，我国技术发展路线是加强设计和管理，并实现企业的信息集成。这是我国CIMS的一个特点。返回下一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）9.2.2CIMS的基本概念与组成1.CIM和CIMS的基本概念CIM是组织现代生产的一种哲理，是一种指导思想，CIMS是这种哲理的实现。CIM作为制造型企业生产组织管理的一种新理念，其内涵是：借助以计算机为核心的信息技术，将企业中各种与制造有关的技术系统集成起来，使企业内的种类功能得到整体优化，从而提高企业适应市场竞争的能力。2.CIMS的组成从系统的功能角度考虑，一般认为CIMS可由经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证信息系统四个功能分系统，以及计算机网络和数据库管理两个支撑系统组成，如图9-34所示。下一页返回上一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）3.CIMS的控制结构CIMS是一个复杂庞大的工程系统，通常采用递阶控制体系结构。所谓递阶控制，即将一个复杂的控制系统按照其功能分解成若干层次，各层次进行独立的控制处理，完成各自的功能；层志层之间保持信息交换，上层对下层发出命令，下层向上层回送命令执行结果，通过通信联系构成一个完整的控制系统。这种控制模式减小了系统的开发和维护难度，已成为当今复杂系统的主流控制模式。如图9-35所示。4.CIMS技术集成关系CIMS的关键是集成，集成是指将基于信息技术的资源及应用、集聚成一个协同工作的整体。集成包含功能交互、信息共享及数据通信，如图9-36所示。返回上一页下一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）9.2.3CIMS的体系结构1.CIMS体系功能构成一个制造企业从功能看，可以简单地分为设计、制造、经营管理三个方面。由于产品质量对一个制造企业的竞争和生存越来越重要，因此，常常也把质量保证系统作为企业功能的主要方面之一。为了实现企业功能的集成，还需要有一个支撑环境，包括网络、数据库和集成方法。如图9-38所示。2.CIMS体系分系统根据CIMS的功能构成，CIMS是由4个功能分系统和两个支撑分系统组成。即CIMS通常是由管理信息系统、产品设计与工程设计自动化系统、制造自动化系统、计算机辅助质量保证系统以及计算机网络和数据管理系统等6个部分有机地集成起来的。如图9-39所示为6个分系统的框图及其与外部信息的联系。返回下一页上一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）3.面向功能和控制的体系结构按系统工程原理，一CIMS在结构上要求有合理的“水平”分解与集成，即对CIMS进行正确、合理、精简而又充分的分解。另一方面要求有合理的“垂直”分解与集成，即确定合理的递阶控制层数。在保证有效控制的前提下，昼减少递阶控制的层数。如图9-43所示为美国制造工程学会提出的轮式结构。4.面向生命周期的体系结构每一类产品的出现和存在都会经历“构思-开发-制造-使用”4个阶段。我们把从“构思”到“使用”的过程称为产品的生命周期。与此类似，制造系统也有反映为“系统需求分析与定义-系统设计-系统实施-系统运行”的生命周期。如图9-44所示为CIMOSA开放体系结构。下一页返回上一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）5.面向集成平台的体系结构“集成平台”是指面向应用的集成开发和运行环境。通过集成平台，可将数据结构不同的应用系统紧密地集成而构成CIMS，以此减少系统集成复杂程度，提高系统开放性及标准化水平。9.2.4CIMS中的先进制造模式1.并行工程（CE）（1）并行工程的定义与目标并行工程又称同期工程，始于20世纪80年代。关于并行工程的定义目前国际上有多种提法，其中已被普遍接受的是美国国防研究所在1988年12月给出的定义：“并行工程是一种对产品及其相关过程进行并行的、一体化设计的工作模式，这种模式可使产品开发人员一开始就能考虑到从产品概念设计到产品消亡的整个产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。”返回上一页下一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）（2）并行工程的运行工作模式如图9-45所示为串、并行工程时序的比较。所谓串行工程是在前一工作环节完成之后才开始一工作环节的工作各个工作环节的作业时序上没有重叠和反馈，即使有反馈，也是事后的的反馈。（3）并行工程的特征并行工程是企业组织生产的一种哲理和方法，并行工程不是某种现成的系统或结构。并行工程与传统的串行工程比较具有如下的工作特征。（4）并行工程关键技术并行工程是一种以空间换取时间来处理系统复杂性的系统化方法，它以信息论、控制论和系统论为基础，在数据共享、人-机交互等工具支持下，按多学科、多层次协同一致的组织方式工作。返回上一页下一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）（5）并行工程的支持工具并行工程是一种群体设计团队的工作模式，需要有协同的工作环境和工具的支持。2.精良生产（LP）（1）精良生产的定义与目标精良生产起源于20世纪50年代日本丰田汽车公司的一种生产管理方法，又称为精益生产，它集单件生产与大批量生产方式的优点于一体。精良生产追求的目标是：尽善尽美、精益求精，实现无库存、无废品、低成本的生产。（2）精良生产方式与特征精良生产方式综合了单件生产与大量生产的优点，既避免了高成本，又避免了僵化。返回上一页下一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）（3）精良生产的体系结构如果将精良生产体系看成一幢大厦，如图9-50所示。大厦的基础就是在计算机信息网络支持下的群体小组工作方式和并行工程大厦的支柱就是及时生产、成组技术和全面质量管理，精良生产是大厦的屋顶。三根支柱代表着三个本质方面，缺一不可，它们之间还须相互配合。3.敏捷制造（AM）(1)敏捷制造的定义与目标敏捷制造又被称为灵活制造，是1991所由美国国防部根据国会的指令，委托里海大学的亚科尔研究所对美国制造业进行战略研究后提出的。敏捷制造就是在不断变化与不可预测的环境中，企业赢得成功的一种技能与方法，如图9-51所示为敏捷制造概念示意图。返回上一页下一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）（2）敏捷制造的特点①敏捷制造企业不仅能迅速设计、试制全新的产品，而且还易于吸收实际经验和工艺改革建议，不断改进老产品。②敏捷制造企业能在整个生命周期中满足用户要求。③敏捷制造企业的生产成本与生产批量无关，其战略着眼点在于长期获取经济效益，做到完全按订单生产，充分把握市场中的每一个获利时机，使企业长期获取经济效益。④敏捷制造企业采用多变的动态组织结构。⑤敏捷制造企业通过所建立的基础机构，充分利用先进的柔性可重组制造技术，实现企业经营目标。⑥敏捷制造企业把最大限度地调动、发挥人的作用作为最大的竞争武器。返回上一页下一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）4.虚拟制造（VM）（1）虚拟制造的定义虚拟制造是利用仿真与虚拟显示技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验、并进行过程管理与控制。（2）虚拟公司①虚拟公司的定义与策略②虚拟公司的形式与特征返回上一页下一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）（3）虚拟产品①虚拟产品与开发。虚拟产品是一种数字产品模型，是将产品开发过程中所需的各种信息数字化的载体。如图9-53所示，虚拟产品包含产品开发过程中所必需的用于产品商讨的CAD模型、产品分析的CAE模型、工艺规划的CAPP模型、数控加工和模拟的NC模型和用于质量保证的CAD模型等。②虚拟产品开发过程与特点。虚拟产品开发有“三要素”：产品定义数据、环境定义数据、产品与环境的交互作用规律。5.智能制造系统（IMS）（1）智能制造系统的定义所谓智能制造系统就是智能制造模式展现的载体，它是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统，突出了在制造环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。返回上一页下一页9.2计算机集成制造系统（CIMS）（2）智能制造系统的特征①自律能力②人机一体化③虚拟现实技术④自组织与超柔性⑤学习能力与自我维护能力6.绿色制造（GM）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，对环境的影响最小，资源效率最高。绿色制造是可持续发展战略在制造业中的体现，或者说绿色制造是现代制造业的可持续发展模式。返回上一页9.3工业机器人9.3.1工业机器人的发展史1.工业机器人发展历程（1）20世纪50年代—萌芽期（2）20世纪60年代—黎明期（3）20世纪70年代—实用化期（中国：萌芽期）（4）20世纪80年代—普及期（中国：开发期）（5）20世纪90年代—扩展渗透期（中国：实用化期）2.我国工业机器人发展现状我国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键无器件。返回下一页9.3工业机器人3.工业机器人主要研究内容（1）示教再现型工业机器人产业化技术研究（2）智能机器人开发研究（3）机器人化机械研究开发（4）以机器人为基础的重组装配系统（5）多传感器信息融合与配置技术4.工业机器人的应用领域经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。5.国内外主要的工业机器人生产厂商6.工业机器人的发展趋势工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展。返回上一页下一页9.3工业机器人9.3.2工业机器人的组成与分类1.工业机器人的组成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个部分组成。如图9-56所示为关节型工业机器人。2.工业机器人的种类工业机器人的类型很多，可以按机器人的系统功能、是否移动、驱动方式以及机器人的结构形式进行分类。（1）按系统功能分类①专用机器人②通用机器人③示教再现式机器人④智能机器人返回上一页下一页9.3工业机器人（2）按是否移动分类①固定式机器人如图9-57所示②移动式机器人如图9-58所示（3）按驱动方式分类①气压传动机器人②液压传动机器人③电气传动机器人（4）按结构形式分类①直角坐标机器人如图9-59所示②圆柱坐标机器人如图9-60所示③球坐标机器人如图9-61所示④关节机器人如图9-62所示返回上一页下一页9.3工业机器人3.工业机器人的性能特征（1）自由度自由度是衡量机器人技术水平的主要指标之一。（2）工作空间工作空间是选用机器人时应考虑的一个重要参数。（3）提取重力提取重力是反映机器人负载能力的一个参数。（4）运动速度运动速度影响机器人的运动周期和工作效率，它与机器人所提取的重力和位置精度都有密切的关系。（5）位置精度位置精度是衡量机器人工作质量的又一项重要指标。返回上一页下一页9.3工业机器人9.3.3工业机器人的控制技术控制系统是机器人的重要组成部分，使机器人按照指令要求去完成相应的作业任务。如图9-63所示。1.工业机器人控制系统的分类（1）按照控制回路和不同分类可将机器人控制系统分为开环系统和闭环系统。（2）按照控制系统的硬件分类主要有机械控制、液压控制、射流控制、顺序控制和计算机控制等。（3）按照自动化程度分类机器人控制系统分为顺序控制系统、程序控制系统、自适应控制系统和人工智能系统。返回上一页下一页9.3工业机器人（4）按照编程方式分类主要有物理设置编程控制系统、示教编程控制系统和离线编程控制系统。（5）按照机器人末端运动控制轨迹分类主要有点位控制和轮廓控制。2.工业机器人的位置伺服控制如图9-64所示刚性臂控制系统的构成示意图。3.工业机器人电动伺服驱动系统机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。返回上一页下一页9.3工业机器人4.工业机器人的自适应控制（1）模型参考自适应控制其控制器的作用是使得系统的输出响应趋近于某指定的参考模型。因而必须设计相应的参数调节机构，如图9-65所示。（2）自校正适应控制如图9-66所示的自校正适应控制，是由表现机器人动力学离散时间模型各参数的估计机构与用其结果来决定控制器增益或控制输入的部分组成，采用输入输出数与机器人自由度相同的模型，把自校正适应控制法用于机器人。返回上一页下一页9.3工业机器人5.机器人的软件结构（1）机器人的系