先进制造自动化技术ppt

2023/4/7先进制造技术

兰州交通大学工业工程系

2023/4/7先进制造自动化技术工业机器人技术

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柔性制造技术计算机集成制造技术概述

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5智能制造技术2023/4/7一、先进制造自动化技术概述

制造自动化系统的定义

1936年，通用公司D.S.Harder提出自动化的概念。

狭义：用机器代替人的体力和脑力劳动

广义：制造自动化系统是由一定范围的被加工对象、一定柔性和自动化水平的各种设备和高素质的人组成的一个有机整体，它接受外部信息、能源、资金、配套件和原材料等，在人和计算机控制系统的共同作用下，实现一定程度的柔性制造自动化，最后输出产品、文档资料、废物和对环境的污染。从内涵+组成加以说明制造自动化系统的概念2023/4/7

制造自动化的内涵形式方面具有三个方面的含义代替人的体力劳动；代替或辅助人的脑力劳动；制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。

在功能方面

代替人的体力和脑力劳动是制造业自动化功能的一部分。目前，其完整的目标体系模型为TQCSE：T—时间，表明采用自动化技术可以缩短产品制造周期，提高生产率；Q—质量；C—成本；S—服务，一是为市场服务，一是通过减轻劳动强度的方式为员工服务；E—环境，资源利用充分，环境污染少，绿色制造制造自动化系统的概念2023/4/7

制造自动化的内涵在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体的生产制造过程，而是涉及产品生命周期所有过程。、制造自动化系统的典型组成

具有一定技术水平和决策能力的人是人-机一体化的系统，对人的要求不是降低了，而是提高了；一定范围的被加工对象能在一定范围内适应被加工对象的变化；信息流及其控制系统信息流控制着物流，进而控制产品的制造质量能量流及其控制系统能量流为物流过程提供能量，以维持系统的运行物料流及物料处理系统是系统的主要运作方式，是制造自动化系统规划的重要内容制造自动化系统的概念2023/4/7

制造自动化系统的发展历史制造自动化系统的发展历史和发展趋势2023/4/7

制造自动化系统的发展历史

第一阶段(1870-1950)

纯机械控制随着电液控制的刚性自动化加工单机和系统得到长足发展。

1946年，苏联学者米特洛万诺夫提出成组生产工艺的思想，其成为制造自动化系统赖以生存和发展的重要技术之一。

第二阶段(1952-1965)

数控技术，特别是单机数控得到飞速发展。对多品种、小批量生产自动化意义重大。

第三阶段(1967-1985)

数控机床核工业机器人组成的柔性制造系统发展迅速。

因忽略“人”的核心作用而不尽如人意。

第四阶段(1985-)

CIMS制造自动化系统的发展历史和发展趋势2023/4/7“精”是发展的关键—精确化“极”是发展的焦点—极端化“文”是发展的新义—人文化1、制造产品：“绿”是发展的必然—绿色化“快”是发展的动力—快速化“省”是发展的原则—节省“效”是发展的追求—高效2、制造过程：“数”是发展的核心—数字化“自”是发展的条件—自动化“集”是发展的方法—集成化“网”是发展的道路—网络化“智”是发展的前景—智能化3、制造方法：

制造自动化系统的发展趋势2023/4/7“数”是发展的核心——数字化“信息化”的核心是“数字化”1、数字制造是制造技术与信息技术（包含计算机技术、网络技术）等交叉、发展与应用的结果。2、数字化设计、数字化控制、数字化管理以及贯穿始终的“虚拟”技术。3、数字化技术必将导致制造技术的重大发展与变革

制造自动化系统的发展趋势2023/4/7

制造业信息化技术的5个主要特征管理数字化设计数字化生产过程数字化制造装备数字化企业数字化2023/4/7“自”是发展的条件——自动化1、自动化是强化、延伸甚至取代人劳动（体力、脑力）的技术或手段。2、已从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高水平的自动化。“集”是发展的方法——集成化1、技术集成、管理集成、技术与管理集成；2、本质：知识和信息集成，集成也包含了“交叉”3、先进制造技术就是：传统制造技术+信息技术+现代管理技术的集成。

制造自动化系统的发展趋势2023/4/7“网”是发展的道路——网络化1、网络化既是制造业信息化、集成化的基础，又是企业信息化、集成化的进一步发展的需要2、网络化将使制造业走向全球化、整体化、有序化

“智”是发展的前景——智能化1、本世纪核心学科发展的趋势：从信息科学到生命科学（21世纪中叶）转向认知科学（21世纪70年代）2、制造智能——制造系统/单元/装备适应环境变化的能力，处理海量信息、不完整信息、不确定信息、错误信息的能力，自诊断、自修复能力，自组织、自重构能力，主动协调和协同能力，非逻辑处理能力等。3、网络化的实质是走向智能化。

制造自动化系统的发展趋势2023/4/7

制造自动化系统的发展趋势

高度智能集成性

这是计算机集成制造技术和人工智能技术在制造系统广泛应用的必然结果，智能化已成为制造自动化系统的主要特征之一。智能技术使得制造系统具有自律、自决策、自诊断、自纠正能力。智能集成性体现在两方面：一是信息的集成；二是人与技术的集成。2023/4/7

制造自动化系统的发展趋势

人机结合的适度自动化

不片面强调完全自动化，坚持人在自动化系统中的核心地位，强调实现人机功能的合理分配，并能够充分发挥人的主观能动性。其特点是成本低、可靠性高、系统结构简单。

强调系统的柔性和敏捷性适应多品种、小批量的市场环境和不可预测的市场需求，其敏捷性更好。着力点在于通过采用模块化技术、标准化技术等新技术手段，能够通过改变自身的结构适应外部环境的不断变化。2023/4/7

制造自动化系统的发展趋势

功能扩展化

从目前面向零件加工的，向面向毛坯制造、物流管理、自动装配等多目标体系发展。

小型化

因其成本低、功能强、能满足要求、易于操作和管理等优点将得到广泛应用。如DNC，FMC

简单化

满足要求的系统中，越简单的越好。

环保化

绿色制造。2023/4/7

制造自动化系统的理论和方法研究制造自动化系统开放式智能式体系结构研究面向制造自动化技术的数控技术研究面向制造自动化技术的机器人技术研究面向制造自动化技术的柔性制造技术研究面向制造自动化技术的集成制造技术研究面向制造自动化技术的智能制造技术研究先进制造自动化系统的关键技术Back2023/4/7工业机器人技术

工业机器人的起源

机器人一词首先由捷克剧作家、小说家卡列尔·卡佩克使用并推荐给全世界－1920年发表舞台剧《罗森的全能机器人》

小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，机器人这个名词就向全世界铺展开来。

故事情节：带感情的机器人消灭了人类，一对男女机器人相爱，世界又起死回生。2023/4/71950，另一位美籍犹太人作家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中给出了“机器人学三定律”：

机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸；机器人应执行人们所下达的指令，除非这些指令与第一定律相矛盾；机器人应能保护自己的生存，只要这种防护行为不与第一或第二定律相矛盾。2023/4/7古代机器人

春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。机器马车

西周时期，出现了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。

公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人──自动机。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。工业机器人的发展2023/4/7

汉代大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。

后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”。用其运送军粮，支援前方战争。写字机器人

1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭。它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。2023/4/7

19世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派。1886年《未来的夏娃》问世。在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。

1773年，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。

1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。可以回答一些问题。2023/4/7

现代机器人

1952年，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基础。

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。主从机器人

1948年，美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发了机械式的主从机械手。2023/4/7

1959年UNIMATION公司推出的“UNIMATE”和1963年美国AMF公司推出的“VERSATRAN”是机器人产品最早的实用机型（示教再现）。VERSATRANUNIMATE2023/4/71965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人1980年后，日本赢得了“机器人王国”的美称2023/4/7

各种用途的机器人：水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等新的机器人名称：“软件机器人”、“网络机器人”、机器人化机器德国排爆机器人相扑机器人无人驾驶振动式压路机2023/4/7机器鱼“自由泳”“过龙门”在水中“戏球”自主地避开障碍物机器鱼我国研制的排爆机器人2023/4/7

70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

1972年开始研制自己的工业机器人“七五”期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施上世纪90年代初期起，形成了一批机器人产业化基地

2009年10月29日中国首次使用水下机器人发现海底巨大黑烟囱

我国工业机器人的发展：2023/4/7

日本和美国在20世纪60年代就已经开始进行机器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。2023/4/7理由之三：机器人做人做不了的事情。比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人为什么要发展机器人?理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作机器人汽车焊接生产线理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度

汽车装配机器人2023/4/7总结：三个发展阶段第二代机器人则具备了感觉能力，能对周围环境进行感知第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手或遥控，把应当完成的任务做一遍第三代是智能机器人，不仅具有感觉能力，还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力第一代第二代第三代2023/4/7

上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展

因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。

机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。工业机器人的定义2023/4/7（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(endeffector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。（1）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：2023/4/7（3）美国国家标准局(NBS)的定义：机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。（4）国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。2023/4/7（5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。

参考各国的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。2023/4/7工业机器人体系结构三个部分：工业机器人通常由机械部分（用于实现各种动作）、传感部分（用于感知内部和外部的信息）、控制部分（控制机器人完成各种动作）。

六个系统：

A．驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的原动力。

B．机械结构系统：完成各种动作。

C．感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。

D．机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备的联系和协调并构成功能单元。

E．人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单元。

F．控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。分为开环系统和闭环系统。2023/4/7

工业机器人一般的机械组成：机身部分：如同机床的床身结构一样，机器人机身构成机器人的基础支撑。有的机身底部安装有机器人行走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰。手臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各部分、末端操作器之间的相对运动。2023/4/7机器人的分类

按用途分

工业机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、排险救灾机器人、教学机器人和娱乐机器人等。

按主要功能分操作机器人：主要是模仿人的手和手臂的工作。移动机器人：工业生产中带有行走机构的机器人完成运输，上下料等工作。信息机器人：主要指以计算机系统为基础的智能行为模拟装置。人机机器人：机器人和真人之间构成一个闭环系统。如假肢机器人。2023/4/7机器人的分类

按坐标系统分

直角坐标型：只具有移动关节。2023/4/7机器人的分类

按坐标系统分

圆柱坐标型：具有一个转动关节、其余为移动关节的机器人。

2023/4/7机器人的分类

按坐标系统分

球坐标型：又称极坐标式。具有两个转动关节、其余为移动关节的机器人。2023/4/7机器人的分类

按坐标系统分

关节型：又称回转坐标式，具有三个转动关节的机器人。2023/4/7机器人的分类

按驱动方法分

电力驱动：主要形式，步进电机、直(交)流伺服电机驱动；

液压驱动：抓取能力强，工作平稳、灵敏，稳定性好。

气压驱动：抓力小，成本低，稳定性差2023/4/7机器人的分类

按运动控制方式分

点位控制(PTP)：机器人运动为空间点到点间的直线运动，不涉及两点间的路径规划；

连续轨迹控制(CP)：含轨迹规划。2023/4/7机器人的分类

按自动化功能层次分

专用机器人：以固定程序在固定地点工作的机器人。通用机器人：具有独立的控制系统，能够通过改变程序完成多种作业的机器人。

施教再现机器人：具有记忆功能，由人施教后可重复施教内容。

智能机器人：具有各种感觉功能和识别功能，能做出决策自动进行反馈纠正的机器人。2023/4/7机器人的主要技术参数

自由度

指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。工作精度

包括定位精度和重复定位精度。可以用精密度、正确度、和准确度三个参数来衡量。定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。2023/4/7机器人的主要技术参数

工作范围

指机器人末端操作器所能到达的区域。

工作速度

指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同。

承载能力

指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。2023/4/7工业机器人的现状

焊接机器人

主要是指利用机器人进行点焊和弧焊。

—点焊要求机器人手腕握持焊接工具准确地对准所要求的焊点，焊枪不与部件的其它部位接触。通常，这些机器人所夹持的焊接工具大而重，同时还要求机器人有一个比较大的活动范围。

—弧焊对材料进行连续焊接，焊接前首先要将复杂的运行轨迹示教给机器人，在需要处理较宽的焊缝时，可以编程使机器人作编织状的横摆运动。汽车工业运用这种类型的机器人最多。2023/4/7松下焊接机器人开元（神钢）焊接机器人系统2023/4/7工业机器人的现状

喷漆机器人

喷漆易引发火灾，同时有害于身体健康，因此，喷漆作业是机器人特有的用途。使用喷漆机器人的另一个优点是涂层比人工喷涂的更加均匀。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、陶瓷等工艺生产部门。2023/4/72023/4/7无线遥控爬竿喷漆机器人2023/4/7工业机器人的现状

装配机器人为完成装配作业而设计的工业机器人。装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多CPU或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。

2023/4/7瑞士ABB公司装配机器人2023/4/7水下机器人：用于海底矿物探测、打捞沉船、在海上或干式船坞中修理船舶等。军用机器人：海军和空军对移动式消防机器人感兴趣，由于配有红外传感器，在紧急关头，能够作出比人更快的反应。还有装炮弹机器人等。发电厂机器人：在核发电厂，由于核燃料有放射作用，很多工作更适合于机器人操作。如：给活动筛附属装置上润滑油；阀门密封件的检修等。家用机器人：组装机器人：自动工厂中的机器人：机器人的未来用途是成为全自动化工厂或加工车间的一个组成部分。工业机器人的应用Back2023/4/7柔性制造技术

柔性制造系统的基本概念

定义：简称ＦＭＳ，是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。能构根据加工对象的变换迅速调整，适应多品种和中小批量生产。

起源及发展：1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。2023/4/7同年，美国的怀特·森斯特兰公司建成OmnilineI系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。日本、前苏联、德国等也都在60年代末至70年代初，先后开展了FMS的研制工作。

2023/4/71976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(简称FMC)，为发展FMS提供了重要的设备形式。柔性制造单元(FMC)一般由1—2台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。

70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期已进入实用阶段，其中以由3—5台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。

2023/4/7这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。2023/4/72023/4/7柔性制造技术

柔性制造系统的组成

加工系统

加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动地更换工件和刀具。通常由若干台对工件进行加工的CNC机床和所使用的刀具构成。

物流系统

在FMS中，工件和工具流统称为物流，物流系统即物料贮运系统，由于在生产过程中，物料在贮运中花费时间最多，故该系统的设计尤为关键。

信息系统

信息系统：过程控制+过程检测2023/4/72023/4/7柔性制造技术

柔性及其衡量指标

分类定义衡量指标设备柔性系统中的设备易于实现加工不同类型零件所具备的转换能力。系统中设备实现加工不同零件所需的调整时间，包括：1）更换磨损刀具的时间；2）为加工同一类而不同组的零件所需的换刀时间；3）组装新夹具所需的时间；4）机床实现加工不同类型零件所需的调整时间，a.刀具准备时间；b.零件安装定位和拆卸时间；c.更换数控(NC)程序时间。工艺柔性系统能够以多种方法加工某一零件组的能力，又称加工柔性，即系统能加工的零件品种数。系统不采用成批方式而能同时加工零件的品种数。2023/4/7

柔性及其衡量指标（续）

分类定义衡量指标产品柔性系统能经济而迅速地转向生产新产品的能力，即转产能力，也称为反应柔性，表明为适应新环境而采取新行动的能力。系统从生产一种零件向生产另一种零件转换所需要的时间。流程柔性系统处理其故障并维持其生产持续进行的能力系统发生故障时生产率下降程度或零件能否继续加工的能力。批量柔性系统在不同批量下运行都有经济效益的能力。系统保证有经济效益的最小运行批量。扩展柔性系统能根据需要通过模块进行组建和扩展的能力。系统能扩展的规模大小。工序柔性系统变换零件加工工序、顺序的能力。以实时方式进行工艺路线决策的能力。生产柔性上述柔性的总和。2023/4/7各种柔性的相互关系图2023/4/7

柔性制造系统的特点

侧重点内容硬件有两台以上的数控机床或加工中心以及其他的加工设备；有一套能够自动装卸的运输系统；有一套计算机控制及信息通信网络控制系统。软件运行控制系统；质量保证系统；数据管理和通讯系统功能能自动管理工件的生产过程，具有调度优化能力；通过改变软件或系统参数能适应不同零件组的加工；物流自动，混流加工2023/4/7

柔性制造系统的发展趋势

向小型化和单元化方向发展避免因强调规模而导致的成本过高、可靠性差的缺点，向适合于中小企业的小型化、单元化系统发展。

向模块化和集成化方向发展思路是以小型化、单元化的小型FMS为基本模块，进而组成FMS，再由FMS组成CIMS。

单项技术性能与系统性能不断提高将各种先进的技术手段尽可能地应用到这一领域中，提高其自诊断、自纠错、自修复、自学习、自协调、自重组的能力。2023/4/7

柔性制造系统的发展趋势

重视人的因素目标是实现人-技术-组织的兼容和人机一体化。

应用范围逐步扩大金属切削FMS；金属热加工和装配……Back2023/4/7计算机集成制造技术2023/4/7计算机集成制造系统的基本概