《智能制造概论》第四章 智能制造自动化

《智能制造概论》2第四章智能制造自动化一、智能制造装备及发展二、传感器及仪器仪表三、人机交互系统四、控制系统五、数控机床及数控加工中心六、增材制造设备七、工业机器人3一、智能制造装备及发展

智能制造装备内涵

1）对制造工况或环境实时感知、处理和分析的能力；2）实时辨识和预测制造过程状况变化的能力；3）自适应状态变化、控制和动态补偿的能力；提出4）对自身故障自诊断、自修复的能力及参与网络集成和网络协同的能力。4一、智能制造装备及发展

智能制造装备发展趋势

1）自动化：体现在装备能根据用户要求完成制造过程的自动化，并对制造对象和制造环境具有高度适应性，实现制造过程的优化；2）集成化：体现在生产工艺技术、硬件、软件与应用技术的集成，设备的成套及纳米、新能源等跨学科高技术的集成，从而使设备不断升级；3）信息化：体现在将传感技术、计算机技术、软件技术“嵌入”装备中，实现装备的性能提升和智能化；4）绿色化：体现在从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的全生命周期中，对环境负面影响极小、能量消耗最小，使企业经济效益和社会效益协调发展。5二、传感器及仪器仪表产业现状为在新一轮产业变革中继续维持领先地位，美国、德国和日本等发达国家把传感器及仪器仪表技术列为国家发展战略。美国国防部将传感器技术视为当今20项关键技术之一，美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的24项技术中有6项与传感器技术直接相关；德国视军用传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级；日本在《国家支柱技术10大重点战略目标（2005-2015）》中，有6项与传感器及智能化仪器仪表技术有关，日本工商界人士甚至声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。6二、传感器及仪器仪表产业现状我国传感器产业处于国际中等水平，但具有自主知识产权的核心技术并不多，尤其高档传感器芯片缺少核心技术，因此在传感器和仪器仪表方面的研究和发展国内还有很长的路要走。7二、传感器及仪器仪表发展趋势1）高性能传感器及仪器仪表的高性能主要体现在产品测量精度高和产品功能丰富等方面。2）高可靠性工业自动化仪表是大型化、多参数化、工况复杂化的现代工业重大设备的神经中枢、运行中心和安全保障，由于其在智能制造中日益提升的重要地位和作用，国外将该类产品的高可靠性作为重要发展方向。现场仪表复杂、易损、难以修复的状况正在改变；国外领先企业开始推出保修期长达10年、使用期不需调整维修的产品。8二、传感器及仪器仪表发展趋势3）高适用性新原理、新技术、新材料的应用使现场仪表显著提高了对复杂工况和不良环境的适应性。4）网络化和智能化智能制造网络化和智能化的实现使众多测控设备通信方便，操作简化，功能设置灵活，并使测量控制系统与车间级管理、企业经营管理系统紧密结合，形成管控一体化，实现了企业从工艺流程的底层开始到工业企业管理的信息化。9二、传感器及仪器仪表智能传感器10二、传感器及仪器仪表智能传感器2015年增设的全国高职高专工业机器人赛项11三、人机交互系统人机交互发展1）20世纪60年代--基于键盘和字符显示器的交互阶段；2）20世纪70年代--基于鼠标和图形显示器的交互阶段；3）20世纪80年代末--基于多媒体技术的交互阶段；4）现在--人机自然交互阶段。12三、人机交互系统人机交互技术1）非精确交互技术非精确的人机交互也称模糊控制，包括语音、视觉、手势、头部等信息来源。语音识别：以语音识别为基础，计算机基于识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本文件或命令，常用于系统提示、引导式问答等交互场合。眼动跟踪：是对眼睛运动过程进行定位的交互方式。姿势识别：利用数据手套、数据服装等装置，对手和身体的运动进行跟踪，完成自然的人机交互。13三、人机交互系统人机交互技术2）多通道交互技术综合采用语音、手势、视线跟踪、表情等交互通道，使用户利用多个通道以自然、并行、协作的方式进行人机对话，通过整合来自多个通道的、精确的、不精确的输入来扑捉用户的交互意图，增大人机通讯信息量，以提高人机交互的自然性和有效性。14三、人机交互系统人机交互技术3）虚拟现实技术利用虚拟现实技术可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入来修改和运行虚拟环境，使用户在虚拟环境中产生身临其境的感觉。虚拟现实系统包括操作者、人机接口和计算机三个基本要素。计算机提供环境，操作者通过视觉、听觉、嗅觉、力觉等传感设备感知并融入“环境”，再通过自然的操作动作改变环境。这种系统改变了由屏幕、鼠标、键盘与计算机产生的人机交互方式，使操作者通过逼真的感知和自然的动作，实现与环境直接进行的交互。15三、人机交互系统人机交互技术3）虚拟现实技术利用虚拟现实技术可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入来修改和运行虚拟环境，使用户在虚拟环境中产生身临其境的感觉。虚拟现实系统包括操作者、人机接口和计算机三个基本要素。计算机提供环境，操作者通过视觉、听觉、嗅觉、力觉等传感设备感知并融入“环境”，再通过自然的操作动作改变环境。这种系统改变了由屏幕、鼠标、键盘与计算机产生的人机交互方式，使操作者通过逼真的感知和自然的动作，实现与环境直接进行的交互。16四、控制系统控制系统的发展1）基地式仪表控制系统2）模拟仪表控制系统3）直接式数字控制系统4）集散控制系统5）现场总线控制系统17四、控制系统PLC控制器1）抗干扰能力强、可靠性高2）控制系统接线简单、使用方便3）功能强大、通用性好

在制造业发展的过程中，对PLC的发展需求总体上涨，特别是随着工业4.0及中国智能制造热潮的不断升温，PLC市场持续增长，PLC技术也朝着集成化、开放性及安全性等方向发展。18四、控制系统DCS控制系统19五、数控机床及数控加工中心数控机床及发展1）NC阶段（1952～1970）1952年的第一代—电子管计算机组成的数控系统；1959年的第二代—晶体管计算机组成的数控系统；1965年的第三代—小规模的集成电路计算机组成的数控系统。2）CNC阶段（1970至今）1970年第四代—小型计算机数控系统；1974年第五代—微处理器组成的数控系统；1990年第六代—基于PC的数控系统。20五、数控机床及数控加工中心数控机床及发展3）几个发展方向向着高速、高精度和高可靠性的方向发展向着多轴联动和复合加工的控制方向发展朝着智能化、网络化和开放性的方向发展加工过程朝着绿色化方向发展21五、数控机床及数控加工中心数控机床的组成、工作原理及分类22五、数控机床及数控加工中心数控机床的组成、工作原理及分类1）按运动方式分类：点位控制、直线控制、轮廓控制。2）按伺服控制方式分类：开环控制、半闭环控制、闭环控制。3）按工艺用途分类：一般数控机床、数控加工中心等。23五、数控机床及数控加工中心数控加工中心数控加工中心是指带有刀库和自动换刀装置的数控机床。自动换刀装置用于交换主轴与刀库中的刀具。刀库主要有两种，一种是盘式刀库，一种是链式刀库。盘式刀库容量相对较小，一般在1～24把刀具，主要适用于小型加工中心；链式刀库容量较大，一般在1～100把刀具，主要适用于大中型加工中心。24五、数控机床及数控加工中心数控加工中心①具有自动换刀装置，能自动地更换刀具，在一次装夹中完成钻削、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、铣削等多种工序的加工，工序高度集中；②带有自动摆角的主轴或回转工作台的加工中心，在一次装夹后，自动完成多个面和多个角度的加工；③带有可交换工作台的加工中心，可同时进行一个加工、一个装夹工件，具有极高的加工效率。数控加工中心主要适用于加工形状复杂、工序多且精度要求高的工件25五、数控机床及数控加工中心数控编程程序编制方法有两种：手工编程与自动编程手工编程适用于几何形状简单、计算简便、加工程序不多的零件加工。自动编程是指在计算机及相应的软件系统的支持下，自动生成数控加工程序的过程。其特点是采用简单、习惯的语言对加工对象的几何形状、加工工艺、切削参数及辅助信息等内容按规则进行描述，再由计算机自动地进行数值计算、刀具中心运动轨迹计算、后置处理，生成零件加工程序单，并且对加工过程进行模拟。26六、增材制造装备增材制造概念增材制造（AM）是一种与传统材料“去除型”加工方法截然相反的制造方法；通过增加材料、基于三维数字模型数据，采用逐层制造方式，直接制造出与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型。该技术也称3D打印技术是快速成型技术的一种，是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”，其核心是数字化、智能化制造，可实现产品的随时、随地、按需生产。27六、增材制造装备增材制造关键技术1）材料单元的控制技术增材单元的控制直接决定了制件的最小特征制造能力和制件精度。2）设备的再涂层技术再涂层的工艺方法决定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度，因此，增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序之一。28六、增材制造装备增材制造关键技术1）材料单元的控制技术增材单元的控制直接决定了制件的最小特征制造能力和制件精度。2）设备的再涂层技术再涂层的工艺方法决定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度，因此，增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序之一。29六、增材制造装备增材制造关键技术3）高效制造技术增材制造正在向大尺寸构件制造技术发展，需要高效、高质量的制造技术支撑。4）设备的再涂层技术现阶段的增材制造主要是制造单一材料的零件，如单一高分子材料和单一金属材料，目前正在向单一陶瓷材料发展。30七、工业机器人工业机器人的关键技术1）传感器融合技术：通过单一传感器获取数据存在误差大、使用范围有限等缺点，难以保证机器人运动的准确性和可靠性；依托多传感器信息融合技术，可获得一系列机器人所需的信息，实现机器人的精准动作。2）人机交互技术：依托人机交互技术可最大自由度操作机器，如同人与人之间交流一样自然、高效和无障碍。31七、工业机器人工业机器人的关键技术3）系统集成技术：包括集成软件开发、数字化仿真集成开发等技术，是机器人研究与开发面临的最大挑战技术。4）导航定位技术：导航定位技术是移动机器人研究的难点，解决好移动机器人定位问题对于提高机器人的自动化水平具有重要的理论意义和实用价值。32七、工业机器人工业机器人的驱动方式1）气动传动机器人：以压缩空气作为动力源，高速轻载。2）液压传动机器人：采用液压驱动，负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。3）电力传动机器人：交直流伺服电机驱动，结构简单、响应快、精度高。33七、工业机器人工业机器人的结构34七、工业机器人工业机器人的技术参数1）自由度也称坐标轴数，是指独立运动数。自由度数越高，则完成的动作越复杂、通用性越强、应用范围也越广。但自由度越多，结构就越复杂，对机器人的整体要求也就越高。35七、工业机器人工业机器人的技术参数2）工作精度影响定位精度的因素主要有：机械零件加工精度、定位传感器分辨率、定位算法的选择、原始数据处理误差和不确定性误差；影响重复定位精度的因素主要有：机械结构的设计、机械零件加工精度、定位传感器精度、定位算法精度的选择、原始数据处理误差和不确定性误差。36七、工业机器人工业机器人的技术参数3）工作空间也称工作范围、工作行程，是指机器人在执行任务时其手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身能到达的区域，目前单体工业机器人的工作范围可达3.5米左右。37七、工业机器人工业机器人的技术参数4）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，也可以不同；最大工作速度通常指机器人手腕中心的最大速度。运动速度影响工作效率，与提取的重力和位置精度有关。5）承载能力指机器人在工作范围内的任何位姿，且在正常操作的条件下，作用于机器人手腕末端，不会使机器人性能降低的最大载荷。38七、工业机器人工业机器人的编程技术1）示教编程示教编程是一种成熟的技术，是目前大多数工业机器人的编程方式，采用这种方法时，程序编制是在机器人现场进行的。示教编程可以在线示教，也可以离线示教，分为示教、存储和再现三个步骤。39七、工业机器人工业机器人的编程技术2）机器人语言编程机器人语言可以按照作业描述水平的程度分为动作级编程语言、对象级编程语言和任务级编程语言三种。动作级编程语言是最低一级的机器人语言。它以机器人的运动描述为主，通常一条指令对应机器人的一个动作，表示从机器人的一个位姿运动到另一个位姿。40七、工业机器人工业机器人的编程技术2）机器人语言编程机器人语言可以按照作业描述水平的程度分为动作级编程语言、对象级编程语言和任务级编程语言三种。对象级编程语言是比动作级编程语言高一级的编程语言，它不需要描述机器人手爪的运动，只要由编程人员用程序的形式给出作业本身顺序过程的描述和环境模型的描述，即描述