先进制造技术第4章

第4章制造自动化技术内容要点：

--制造自动化技术发展与内涵

--自动化制造设备

--物料运储自动化

--装配过程自动化

--检测监控过程自动化4.1概述4.1.1制造自动化技术内涵4.1.2制造自动化技术发展4.1.1制造自动化技术内涵1）刚性自动化：

自动化设备：刚性自动化单机、刚性自动生产线。

特点：生产批量大，生产效率高，生产节拍固定，生产品种单一。2）柔性自动化

自动化设备：数控机床、加工中心、柔性制造单元、柔性制造系统。特点：工序集中，没有固定节拍，灵活性强，多品种、中小批量生产。3）综合自动化综合自动化系统：计算机集成制造系统CIMS。

特点：制造过程信息流、物料流、能量流有机集成，系统综合优化。4）智能自动化：

包括设备控制、工艺优化和分析决策智能化，万物互联、信息互通。制造自动化目的：以机器代替人的体力劳动以及部分替脑力劳动。狭义制造自动化：生产过程自动化，包括加工、搬运、装配和检验等。广义制造自动化：包含产品设计、加工制造、质量保证、企业管理等

整个企业生产经营过程的自动化。4.1.2制造自动化技术发展制造自动化技术的发展4.2.1数控机床4.2.2加工中心机床4.2.3柔性制造单元4.2.4柔性制造系统4.2自动化制造设备自动化制造设备

刚性自动化设备：由机械、电气、液/气动元件控制，加工效率高，加工对象单一，适合大批量生产，如自动车床、专用机床、组合机床等等。

柔性自动化设备：由计算机程序控制，通过程序改变可加工不同对象，适合多品种、中小批量生产，如：CNC、MT、FMC、FMS等。自动化制造设备柔性度及生产率特性4.2.1数控机床数控机床组成及工作原理1、数控机床组成及其工作过程结构组成：机床本体、数控系统以及辅助装置组成。机床本体：床身、主轴部件、进给部件以及工作台等；辅助装置：回转台、夹紧机构、冷却、润滑、排屑、防护装置等；数控系统：数控装置CNC、可编程控制器PLC、主轴伺服单元、进给伺服单元、人机界面HMI及检测反馈装置等。数控机床工作过程：1）编辑数控程序，输入系统。2）CNC装置逐段解读数控程序，按字地址送入对应缓冲区。3）进行刀具补偿、进给方向判断、进给速度换算等预处理。4）进行运动插补，驱动刀具按程序设定的轨迹运动。5）由PLC根据程序中M、S、T代码进行逻辑运算，进行开关量逻辑控制。6）检测各控制轴实际位移，并反馈到CNC装置。7）CNC装置将所实际状态与指令要求比较，以其差值对系统进行控制，直至

差值为零。数控系统软件结构2、CNC数控系统（1）系统软件：系统软件是指数控系统的各功能程序模块，通常由一个主

控模块与若干功能模块组成。

主控模块：为用户提供系统菜单的操作界面。

功能模块：有实时控制类模块和非实时管理类模块。（2）系统硬件

1）单CPU数控系统：1个CPU处理器，集中控制、分时处理工作方式。

2）多CPU数控系统：多个CPU处理器，各自完成自身控制任务，多任

务并行处理模式。多CPU结构的CNC系统

3）开放式数控系统：利用PC的开放性及丰富软硬件资源，以满足系统扩

展和自主开发需要。有三种不同形式PC+NC系统--将PC嵌入到传统数控系统中，可定制用户喜爱的界面，

但其内核不对外开放;PC+运动控制器系统--运动控制器插入PC扩展槽，构成以PC为主机、运动控制器为从机的主从机结构，具有上、下两级开放性。纯PC软件型：系统功能均由PC软件实现，可实现全方位的开放性。“PC+运动控制器”型CNC系统开放式数控与传统数控的性能比较性能开放式数控系统传统数控系统可扩展性基于PC，通用操作系统，易扩展专用软硬件，不易扩展可维护性跟随PC技术发展容易升级需专业性开发，以适应竞争需要开发难易程度依据开放平台，用户可根据需要开发制造商拥有专利，用户难以二次开发联网性与PC联网技术相同，联网成本低需专用硬件和通信技术，联网成本高PLC软件可移植性强，容易开发需专用语言，难以移植，维护困难接口标准接口，易于与各类伺服电机联接专用接口，只能使用特定电机产品程序容量通用RAM，可调入巨量程序专用RAM容量小，需采用DNC传输3、数控机床伺服驱动单元

伺服驱动单元：是机床数控系统的一个执行装置，有步进伺服驱动、直流伺服驱动、交流伺服驱动不同结构形式。1交流伺服电机2驱动器3检测元件4动力电缆5反馈电缆6系统控制电缆交流伺服单元系统半闭环控制的伺服系统按照检测元件的有无及其安装位置的不同，有不同的伺服驱动形式：

开环驱动：没有检测元件，无反馈电路，控制精度不高。

半闭环驱动：检测元件设置于伺服电机轴输出端，结构简洁，易调节，

不能反馈补偿传动链末端传动误差。

闭环驱动：检测元件设置于运动部件上，控制精度高，系统调节困难。4、数控机床编程手工编程：只能从事极为简单程序编制，无法完成复杂结构零件编程。CAD/CAM系统编程：通过CAD实体模型，选择加工型面，进行定义刀具和

工艺参数设定，然后由系统自动完成刀具轨迹计算、刀位文件生成、

后置处理等编程任务，最终生成所需的数控加工程序。CAD/CAM系统数控编程原理图卧式加工中心1主轴头2刀库3立柱4回转台5工作台6床身4.2.2加工中心机床1、机床结构组成通常由机身、立柱、工作台、回转台、主轴头、数控系统、刀库及自动换刀装置等部件组成。类型：立式、卧式、龙门、五面体等加工中心特征：1）能够自动更换刀具，一次装夹连续多工序加工；2）减少装夹次数，可避免重复定位误差，提高加工精度；

3）多工序集中加工，减少机床夹具台套数，降低设备成本。2、机床刀库形式有转塔式、盘式、链式等有多种形式。各类加工中心刀库双臂机械手换刀方式3、自动换刀装置

机械手换刀：配置灵活、换刀时间短，是应用较广的换刀方式。有单臂式、双臂式、回转式等不同机械手，有钩手、抱手、叉手等不同手爪。

刀库主轴移动换刀：换刀时将刀库转动至主轴下方，利用主轴上下运动将实现换刀。机床结构简单，但换刀时间长，刀具存放方向应与主轴平行，刀库容量小不超过20个刀位。4、机床刀库选刀方式

1）顺序选择法：刀具存放与选用均按顺序进行。

特点：控制简单，但刀具在不同工序不能重复使用，刀具数量需求大。

2）刀具编码法：专用编码刀柄，编码识别装置识别所需刀具。

特点：刀具可任意存放，刀具可多次重复使用。

3）刀座编码法：控制系统记录每个刀座中的刀具，根据刀座编码选择

刀具。特点：通过刀具管理系统选刀，刀具可多次重复使用，刀柄结构简化。4.2.3柔性制造单元FMC基本组成：由1~2台加工设备、工件交换装置、工业机器人以及物料运储设备组成，是FMS廉价化、小型化产物。托盘交换式FMC：由加工中心和托盘存储库组成，用于加工非回转体零件。机器人搬运式FMC

：由机器人负责FMC工件装卸，用于回转体零件加工。FMC功能特征：

1）自动化程度高，自动更换刀具和工件，可在无人值守状态下自动加工。

2）柔性性能好，可加工不同结构、不同尺寸的某零件族的所有零件。

3）具有自动检验、监视功能，实时检测监控刀具磨损、破损和机床状态。

4）投资和占地面积相对较少。机器人搬运式FMC1、2车削中心3搬运机器人

4毛坯台5成品台6自动导向小车托盘交换式FMC1加工中心2托盘3托盘站4环形工作台5工件交换台4.2.4柔性制造系统1、FMS的组成

1）加工子系统：由两台以上CNC、MT、FMC加工设备所组成。

2）工件运储子系统：包括工件装卸站、输运小车、工业机器人、托盘缓冲站、托盘交换装置、自动化仓库等。

3）刀具运储子系统

包括中央刀库、机床刀库、刀具预调站、刀具装卸站、刀具输运小车、工业机器人、换刀机械手等。

4）计算机控制子系统

负责FMS计划、运行、管理、监控和通信等任务。

5）辅助系统：冷却、润滑、排屑、清洗等附属系统。FMS特征1）柔性度高，满足多品种、中小批量生产要求；

2）在工艺能力上系统中机床是相互补充或相互替代；

3）可混流加工不同零件；

4）局部调整或维修不中断整个系统运行；

5）递阶控制结构可与上层计算机联网通信；

6）可进行第三班无人值守生产。FMS基本组成1加工中心2自动导向小车3托盘交换装置4仓库进出站5堆垛机6自动化仓库7工作装卸站典型FMS示意图2、FMS加工子系统

（1）FMS加工子系统功能要求：

1）工序集中，宜选用加工中心这类多功能机床。

2）控制功能强、扩展性能好，宜选用模块化机床控制系统结构。

3）有高刚性、高精度和高速度性能。

4）自保护与维护性好，具有故障诊断和预警功能。

5）使用经济性好，断屑、排屑处理快速彻底。

6）环境适应性和保护性好。

（2）加工子系统机床配置：1）互替式配置：各机床呈并联关系，其功能可互相代替；

2）互补式配置：各机床呈串联关系，其功能互相补充；

3）混合式配置：有些机床互替式并联配置，有些互补形式串联配置。1刀库2回转刀架3换刀机械手4装卸工件机器人5工件存储站车削加工中心FMS机床配置形式（3）FMS加工子系统辅助装置

1）机床夹具

组合夹具：由标准夹具零件按加工对象要求组装，夹具零件可重复利用；

柔性夹具：一部夹具可为多个加工对象服务。

组合夹具柔性夹具1驱动元件2夹紧元件

3支撑元件4定位元件2）托盘

托盘作为工件和夹具承载体，有统一标准的结构。1托盘导向面2侧面定位块3安装锁定机构螺孔4工件安装面5中心孔6托盘搁置面7托盘支承面8工件或夹具定位孔9托盘夹紧面10托盘定位面ISO标准规定的

托盘基本结构

3）自动上下料装置FMS通常采用托盘交换器或工业机器人为FMS加工设备上下工件，有回转式和往复式不同形式的托盘交换器。回转式托盘交换器1加工中心2托盘库3托盘交换器4有轨小车5工件装卸站往复式托盘交换器3、FMS工件运储子系统

FMS工件运储子系统组成：

1）工件装卸站设在FMS入口处，由人工完成工件装、卸任务。

2）托盘缓冲站是待加工零件的中间存储站。

3）自动化仓库多层立体布局结构，由计算机控制。

4）工件运载装置担负在各机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间输运

物料，常见物料运载装置有传送带、自动输运小车和搬运机器人等。

FMS物料输运回路：

1）直线输运回路运载工具沿直线线路双向移动，输运线路两侧布置

加工设备和装卸站，顺序停靠各站点。

2）环形输运回路运载工具沿环形线路移动，便于物料随机存取，灵

活性，应用较广。

3）网状输运回路由多个回路相互交叉组成，运载工具可以由一个环

路移动到另一回路。1托盘缓冲站2输运回路3自动导向小车4立式机床5卧式机床网状输运回路FMS4、FMS刀具运储子系统

刀具运储子系统组成：包括刀具预调站、刀具装卸站、刀库系统、刀具运载交换装置以及计算机控制管理系统组成。刀具运储子系统作业过程：

1）新刀具组装及预调人工组装、预调，将刀具信息输入系统；

2）新刀具进入系统将预调好的刀具放入刀具装卸站；

3）运送至中央刀具库待用将新刀具从刀具装卸站运送到中央刀库；

4）加工机床调用根据需要从中央刀库选取所需刀具到机床刀库；

5）取回不用或报废刀具将不用刀具从机床刀具送回中央刀库，将重

磨或报废刀具送出系统。

刀具运载交换装置：通常由换刀机器人或刀具运载小车完成。1AGV小车2装载刀架3机器人4机床刀库刀具运载AGV小车四层结构刀具信息管理系统FMS刀具信息管理系统：

管理刀具信息的录入、检索、修改及输出控制。四层结构刀具信息管理系统：

第一层：实时刀具信息，每一把在线刀具有一文件，记载该刀具几何尺寸、工作直径长度、参与切削时间等实时动态数据。

第二层：静态刀具信息，每一类型刀具有一文件描述。

第三层：刀具组件描述文件。

第四层：刀具元件描述文件。5、FMS控制子系统

FMS控制系统三层递阶结构：

1）单元控制层接受上级下达的任务，制定系统作业计划，实时分配各工作站点作业任务，监控系统执行。

2）工作站控制层工作站运行状态监控、加工程序分配、系统工况和设备运行数据采集、上下层信息通信等。

3）设备控制层由现场设备的CNC和PLC组成，直接控制各加工设备和

物料系统工作循环，执行控制指令，向上反馈现场数据。

FMS控制系统信息流：各层信息流双向流动，愈往底层实时性愈强，处理信息量愈少；愈到上层，实时性愈小，处理信息量愈大。FMS递阶控制结构4.3.1自动输运小车4.3.2工业机器人4.3.3自动化仓库4.3物料储运系统自动化4.3.1自动输运小车自动输运小车结构组成：由车架、托盘交换装置、蓄电池、充电装置、驱动装置、转向装置、导向系统等组成。自动输运小车的导向：

1）RGV小车

依靠地面上轨道进行导向。

特点：移动速度快，加速性能好，承载能力大，停靠准确，成本低；

不足：路线不易更动，柔性差，转弯半径不宜太小，噪声大。

2）线导AGV小车

利用电磁感应制导原理进行导向。

特点：①柔性好；②易于扩展；③不怕污染，工作可靠。

3）光导AGV小车

采用带有荧光材料油漆或色带制导。

特点：改变线路非常容易，但对地面清洁度要求比较严格。

4）激光制导AGV小车

小车顶部装置一激光发射装置，通过四周固定位

置镜片反射信息，确定小车位置实现小车制导。

5）遥控AGV小车

以无线电设备传送运动控制指令，其活动范围和行车

路线基本不受限制。线导AGV小车结构与导向原理激光制导原理1、工业机器人分类

（1）按应用类型：加工类、装配类、搬运类、包装类等。

（2）按控制功能：1）示教再现式机器人：第一代，具有示教记忆、动作重现功能。

2）感知机器人：第二代，具有环境感知、适应变化功能。3）智能机器人：第三代，具有多种感知、自主规划和自身决策功能。

（3）按结构形式：

1）直角坐标机器人：由相互正交的移动轴组成，控制简单、定位精确。

2）圆柱坐标机器人：由立柱和水平臂组成，有一个旋转轴和两个平移轴。

3）球坐标机器人：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成。

4）关节机器人：类似人手臂，各臂间用铰链联接形成肘关节。5）并联结构机器人：多杆件的复合运动实现机器人末端所要求的运动。4.3.2工业机器人工业机器人常用结构形式及其工作空间关节型工业机器人并联结构工业机器人2、工业机器人结构组成包括执行机构、驱动系统、检测及控制系统等组成部分，其机械执行机构包括手部、腕部、臂部和机身等。

1）手部安装于机器人手臂的前端，用于直接抓取工件或工具。

2）腕部是联接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。

3）臂部支撑腕部和手部的部件，有动力关节和连杆组成。

4）机身为支撑部件，部分机器人机身还包括行走机构。机器人手部结构类型3、工业机器人性能指标

1）自由度：指机器人具有的独立运动，自由度越多功能越强，通用性越

高，通常拥有3〜6个自由度。

2）工作空间：指机器人手部作业空间范围，取决于机器人结构形式。

3）提取重力：①微型机器人10N以下；②小型机器人10-50N；③中型机器人50-300N；④大型机器人300〜500N；⑤重型机器人500N以上。

4）运动速度：与机器人提取重力和位置精度有关，通用机器人最大线速

度在1000mm/s以下，最大回转速度不超过120º/s。

5）位置精度：取决于控制方式及运动部件自精度和刚度，一般为±0.02-〜±5mm。4、工业机器人编程技术

1）示教编程通过示教直接产生机器人控制程序，常用于简单程序编程。

示教盒示教编程：利用示教盒所具有各种功能按钮进行示教；动作再现时，从记忆装置依次调用所存储的信息去控制机器人。

示教臂示教编程：手握示教手臂经过所要求的控制点，系统存储各控制点坐标值；作业时系统按储存的信息进行控制。应用示教臂编程示教盒编程原理

2）离线编程

应用机器人编程语言完成编程过程。

优点：①减少机器人停机时间；②可实现复杂的编程任务，程序修改容易；③便于实现CAD/CAM/ROBOT集成；④改善了编程环境，可在办公室编程。

目前离线编程技术已成熟，各机器人公司都有自身机器人编程语言。KUKA机器人控制程序实例

5、工业机器人应用实例

例1：根据物料形状、材料和大小，按照给定堆垛模式自动完成物料搬运和码垛作业。

例2：工业机器人为加工中心装、卸工件服务。机器人码垛作业机器人为加工中心装卸工件4.3.3自动化仓库1、自动化仓库功能特点

1）计算机控制和管理，库存账目清楚，保持合理库存。

2）多层立体存储，节省库存用地。

3）自动存取作业，减少管理人员和管理费用。

4）便于信息集成，实现企业信息管理自动化。2、自动化仓库的结构组成（1）货架：为包含一个个存储笼的物料存储单元，成对布置，形成一条条巷道，每条巷道配置有一台专用堆垛机，负责物料搬运和存取。

（2）巷道堆垛机：负责物料出入库作业的三维运动起重机，由托架、货叉、

支柱、上下导轨、驱动电机以及传感器构成。

（3）计算机控制与管理系统：

1）物料信息登录：入库时须对物料信息登录，这是制造系统物料流

和信息流结合的开始。

2）物料自动存取控制：由系统自动控制入库、搬运和出库操作，自动化仓库一般都配置有寻址装置。

3）仓库信息管理：系统对仓库物料、帐目及货位信息进行管理。自动化仓库示意图1天轨2支柱3物料4托架与货叉5移动电动机6定位传感器7地轨堆垛机结构示意图4.4.1装配过程自动化现状与意义4.4.2自动装配工艺过程分析与设计4.4.3自动化装配设备4.4装配过程自动化4.4.1装配过程自动化现状与意义机械产品装配：按给定技术要求，通过搬运、联接、调整、检测等操作，把不同零件联接成产品的工艺过程。装配自动化现状：目前机械装配主要由人工完成，工作效率低，装配质量的一致性和稳定性差，难以满足现代制造业发展要求，成为制造自动化中一个薄弱关节。装配自动化意义：通过自动化设备取代人的技巧和判断力进行自动化装配作业，可提高装配效率，保证装配质量，可实现人工无法胜任的狭小空间、危险环境及洁净环境要求的装配作业。1、常用联接方法及运动要求4.4.2自动装配工艺过程分析与设计

典型联接运动要求2、自动装配结构的工艺性便于供料与传送：

1）外形尽量简单、规则；

2）结构形状力求对称，以便定向处理；

3）若是不对称结构，尽可能扩大不对称程度；4）一端做成圆弧形，利于导向；5）防止互相嵌套、不易分离；6）应设置装夹基准。便于自动装配作业：

1）需装配的零件数量尽可能少，尽量采用标准件；

2）能以最简单运动将零件安装到基础件上；

3）尽量采用垂直方向装配，减少横向装配；

4）尽量采用如压入、粘接、点焊等易于装配的联接方式；

5）零件公差应能保证完全互换性；

6）装配表面增加辅助面易于定位；

7）避免采用迭套的零件结构，尽量不要易碎材料。3、自动装配工艺设计基本原则

1）装配工序确定先下后上、先内后外、先重后轻、先精密后一般；

2）基础件选择选择有可靠定位面、体积及重量较大零件作为基础件；

3）减少装配工位数可减少重复定位次数；

4）合理选择装配基准面选择精加工面或面积大的配合面作为基准面；

5）装配件自动定向规则零件自动供料和定向，复杂零件手工定向；

6）易缠绕零件隔离如螺旋弹簧、垫片等可在两件传送时进行空间隔离；

7）配合副分组选配合理分组，对精密配合副进行选配；

8）装配自动化程度确定根据成熟程度和经济性确定是否自动装配。4、自动装配工艺设计基本内容1）产品结构分析和装配阶段划分

分析产品装配结构，将装配过程划分为

若干装配阶段。

2）基础件选择

基础件是第一个装配件，以此为基础装配其它零件，应能

完成尽可能多的装配任务。3）装配工序分解

将装配过程分解为不同的装配工序，确定各工序的装配

动作、运动驱动形式及其结构方案。4）确定装配工位数尽可能减少自动装配设备的工位数，工位数过多致使

系统过于复杂，降低可靠性，不调整和维护。5）计算确定各个装配工序作业参数

根据配工序特点和联接方式，确定工

作头运动速度和运动轨迹等，计算工序作业时间。

6）装配系统合理性和经济性分析

分析装配系统结构合理性和经济性，根

据分析结果调整或修改工艺方案。4.4.3自动化装配设备a)自动旋入螺钉b)自动压入装配1螺钉料斗2送料单元3旋入工作头4夹具5机架6压头

7输入器和分配器8基础件送料器9基础件料仓1、自动化装配机

1）单工位装配机只有单个工位，不需要对基础件进行传送。单工位自动装配机2）多工位装配机装配工位多少由装配动作决定，装配工位多，功能强、效率高，但受到传送装置和空间结构限制。1机架2工作台

3回转台4联接工位5上料工位6装卸工位回转台式多工位装配机不同类型的装配机器人2、装配机器人

SCARA机器人：大小臂回转，水平方向较柔顺，垂直方向较大刚性。悬臂机器人：属直角坐标机器人，适合于大跨度零件传送。

摆臂机器人：手臂通过铰节悬挂的，运动速度极快。

垂直关节机器人：6自由度，大小臂均可弯曲，适合小型零件装配。

摆头机器人：通过两臂带动机械手运动，可向左右两侧做摆头运动。1垂直关节手臂2可视系统3工作托盘4行走机构5多向轮行走式装配机器人1中机器人2右机器人3左机器人4组合件料盘5工作台

6振动料斗7气动改锥8雷管体料盘9成品料盘火花式雷管机器人装配系统3、自动装配生产线应用自动输送系统将一台台装配机相互连接而成，可完成定位、夹紧、传送和自动装配过程，实现难度大，投入成本高。自动装配线输送系统1装配机器人2供料器3传动辊4工具库5传送钢带6导辊7工件托盘8鼓形储料仓9操作台某小型电子元件柔性装配系统4.4.1检测系统的功能作用与检测内容4.4.2检测系统的基本组成4.4.3常用检测元件4.