智能制造加工技术第6章数控机床与自动化工厂两份资料

6.2未来工厂与工业机器人第6章数控机床与自动化工厂2

国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：

（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)”。（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”。一、工业机器人的定义3

（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”。一、工业机器人的定义4（5）我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。一、工业机器人的定义5机器人的四大特征仿生特征：模仿人的肢体动作自动特征：自动完成作业任务柔性特征：对作业具有广泛适应性智能特征：具有对外界的感知能力6一、工业机器人的定义

在工业领域内应用的机器人我们称为工业机器人。

通常对工业机器人的定义是：工业机器人是一种能模拟人的手、臂的部分动作,按照预定的程序、轨迹及其它要求,实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。7工业机器人以刚性高的机械手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬更重的东西，而且定位精度相当高。它可以很据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机器人是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，是典型的机电一体化的产品。工业机器人在实现智能化、多功能化、柔性自动化生产、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件下工作中发挥重大作用。一、工业机器人的定义8二、工业机器人的组成9二、工业机器人的组成执行机构（1、3）控制系统（2）

驱动系统（液压缸、电机等）检测系统工业机器人10

各组成部分关系控制系统驱动系统执行机构操作对象检测系统11二、工业机器人的组成执行机构：一种具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括：机座、手臂、手腕和末端执行器；12二、工业机器人的组成(1)末端执行器（或称手部）是机器人直接执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。

夹持器可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。在手部安装的某些专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器等，可视为专用的特殊手部。13二、工业机器人的组成(2)手腕手腕是连接手臂和末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。(3)手臂手臂是支承手腕和末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的空间位置。(4)机座机座是工业机器人的基础部件，承受相应的载荷，机座分为固定式和移动式两类。14二、工业机器人的组成2、控制系统是机器人的大脑，支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度等)，同时按其控制系统的信息控制执行机构按规定要求动作。15二、工业机器人的组成

采用计算机控制的工业机器人，控制系统分成决策级、策略级和执行级三级。决策级的功能是识别环境、建立模型、将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。16二、工业机器人的组成3.驱动系统驱动系统是按照控制系统发出的控制指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。常用的有电气、液压、气动和机械等四种驱动方式。有些机器人采用这些驱动方式的组合,如电—液混合驱动和气—液混合驱动等驱动方式。17二、工业机器人的组成4、位置检测系统

主要检测工业机器人执行系统的运动位置、状态，并随时将执行系统的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行系统以一定放入精度达到设定位置状态。常用力、位置、触觉、视觉等传感器18

工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性。在设计和选用机器人时应考虑如下几个性能指标：

(1)自由度。工业机器人的运动自由度是指各关节在三维空间对于固定坐标系具有的独立运动。各关节自由度的总和就是工业机器人的自由度数。三、工业机器人的性能特征1920212.按控制方式分（1）点位控制(PointtoPoint)

机器人运动为空间点到点之间的直线运动，不涉及两点之间的移动轨迹，只在目标点处控制机器人末端执行器的位置和姿态。特点：控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。

22（2）连续轨迹控制（ContinuousPath）

机器人运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。机器人在空间的整个运动过程都要控制，末端执行器在空间任何位置都可以控制姿态。233.按信息输入方式分

（1）人操作机械手是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的机械手。（2）固定程序机器人按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务的机械手。（3）可变程序机器人它与固定程序机器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。24特点：

结构简单，无独立控制系统，造价低廉，如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手。（4）程序控制机器人具有独立的控制系统，作业任务指令是由计算机程序向机器人提供的，其控制方式与数控机床一样。特点：结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。25（5）示教再现机器人这类机器人能够按照记忆装置存储的信息来复现由人示教的动作。其示教动作可自动地重复执行。（6）智能机器人

采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其自身的决策能力，完成相应的工作任务。26五、工业机器人的发展趋势

（1）提高工作速度和运动精度，减少自身重量和占地面积。 （2）加快机器人部件的标准化和模块化，将各种功能（回转、伸缩、俯仰、摆动等）机械模块与控制模块、检测模块组合成结构和用途不同的机器人。 （3）采用新型结构，如微动机构、多关节手臂、类人手指、新型行走机构等，以适应各种作业需要。

27（4）研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、听觉和测距传感器等，来获取有关工作对象和外部环境的信息，使其具有模式识别的能力。 （5）利用人工智能的推理和决策技术，使机器人具有问题求解、动作规划等功能。6.2.4工业机器人的轨迹规划机器人的规划机器人的工作原理示意图（2）机器人PTP控制和CP控制（3）关节空间轨迹规划和直角空间轨迹规划例6.1：设机械手的某个关节的起始关节角θ0=15o，并且机械手原来是静止的，要求在3秒内平滑地运动到θf=75o时停下来（即要求在终端是速度为0）。规划处满足上述条件的平滑运动的轨迹，并画出关节角位置、角速度及角加速度随时间变化的曲线。抛物线连接的线性函数插值线性函数插值（3）轨迹的实时生产对上式求导，可以得到速度和加速度：6.3计算机集成制造技术

计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem简称CIMS)最早由美国的约瑟夫·哈林顿博士于1973年提出的，哈林顿强调，一是整体观点，即系统观点，二是信息观点，二者都是信息时代组织、管理生产最基本、最重要的观点。6.3.3CIMS的功能组成CIMS一般由六部分组成：管理信息集成分系统、工程设计集成分系统、制造自动划集成分系统、质量保证集成分系统、计算机网络集成分系统和CIMS分数据库系统管理信息集成分系统基本结构工程设计集成分系统1）CAD/CAPP/CAM2）CAD子系统及功能

3）三维几何造型4）有限元分析5）优化设计CAD的鲜明特征主要有以下：1）强调产品设计过称中计算机的参与和支持。2）强调计算机的辅助作用。3）不可能也没有必要设计设计产品的所有环节。CAD的关键技术的实现涉及到以下的关键技术：1）产品的造型建模技术。2）单一数据库与相关性设计。3）NURBS曲面造型技术。4）CAD与其他CAX系统的集成技术。5）标准化技术。

（3）制造自动划集成分系统主要包括：专用自动化机床，分布式数控系统（DNC），柔性制造单元（FMC）,柔性制造系统（FMS）等，它主要有以下几部分组成：控制及信息处理部分；伺服装置部分；机械本体部分；传感检测部分。（4）质量保证集成分系统质量保证集成分系统的功能主要有：1）质量计划功能。而其又包含检测计划生成，检测规则生成以及检测程序的生成。2）质量检测功能。3）质量评价与控制功能。4）质量信息管理功能。质量保证集成分系统结构6.3.4CIMS的关键技术（1）共享数据库（2）产品结构表（BOM）自动生成图6.12产品结构表（BOM）的树状结构6.4智能制造系统（IM）

智能制造（IntelligentManufacturing，IM）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。智能制造应当包含智能制造技术(intelligent

manufacturing

technology，IMT

)和智能制造系统(

intelligent

manufacturing

system

，IMS)

。全球智能制造发展趋势：

1．以3D打印为代表的“数字化”制造技术崭露头角。

2．智能制造技术创新及应用贯穿制造业全过程。3．世界范围内智能制造国家战略空前高涨。2.智能制造技术的发展现状

日本于1989年提出智能制造系统，且于1994年启动了先进制造国际合作研究项目，其中包括公司集成和全球制造、制造知识体系、分布智能系统控制、快速产品实现的分布智能系统技术等。美国于1992年执行新技术政策，大力支持包括信息技术和新的制造工艺，智能制造技术在内的关键重大技术。欧盟于1994年启动新的研发项目，选择了39项核心技术，其中信息技术、分子生物学和先进制造技术中均突出了智能制造技术的地位。国外发展现状2.智能制造技术的发展现状

2001年6月，美国正式启动包括工业机器人在内的“先进制造伙伴计划”；2012年2月，又出台“先进制造业国家战略计划”，提出通过加强研究和试验税收减免、扩大和优化政府投资、建设“智能”制造技术平台以加快智能制造的技术创新；2012年设立美国制造业创新网络，并先后设立增才制造创新研究院和数字化制造与设计创新研究院。德国于2013年正式实施以智能制造为主体的“工业4.0”战略，巩固其制造业领先地位。国外发展现状2011年1月2012年4~10月2014年4月2012年3月2013年4月工业4.0发展战略发布；由VDMA、BITKOM、ZVEI组成秘书处，组建工业4.0平台工业4.0平台发布白皮书（实施计划）2010年德国科学-产业经济研究联盟与德国国家科学与工程院（Acatech）共同制定工业4.0发展战略《德国2020高技术战略》行动计划发布，11个“未来项目”缩减为10个（投资84亿欧元）；“工业4.0”一词首次出现（投资2亿欧元）在德国科学-产业经济研究联盟（ForschungsunionWirtschaft-Wissenschaft）的倡导下，开始研究工业4.0《德国2020高技术战略》发布，并重点推出11个“未来项目”工业4.0的提出工业4.0概念什么是工业4.0

通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服务连接起来，创造前所未有的价值、构建新的商业模式的产官学一体的项目。“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。

主要是通过CPS（信息物理系统），总体掌控从消费需求到生产制造的所有过程，由此实现高效生产管理。

实现方式本质是基于“CPS”实现“智能工厂”核心是动态配置的生产方式实现“柔性生产”关键是信息技术应用实现生产力飞速发展愿景是解决能源消费等社会问题工业4.0的智能制造工业4.0的两大主题智能工厂：智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现。智能生产：整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。智能物流：主要通过互联网、物联网、务联网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。工业4.0的三个重点、八大关键工业4.0的愿景工业3.0与工业4.0有哪些不同？大规模定制的优势成本低效率高交货快品种多个性化大规模定制生产大规模生产品种单一标准化定制生产成本高效率低交货慢制造强国建设三个十年“三步走”的战略中国制造2025战略介绍力争用十年时间，迈入制造强国行列。第一个十年到2035年，我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。第二个十年新中国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。第三个十年2025203520455项方针创新驱动质量为先绿色发展结构优化人才为本中国制造2025战略介绍中国制造2025战略介绍10大重点领域3452新一代信息通信技术产业1017896航空航天装备先进轨道交通装备电力装备新材料高档数控机床和机器人海洋工程装备及高技术船舶节能与新能源汽车农机装备生物医药及高性能医疗器械到2020年，制造业重点领域智能化水平显著提升，试点示范项目运营成本降低30%，产品生产周期缩短30%，不良品率降低30%。到2025年，制造业重点领域全面实现智能化，试点示范项目运营成本降低50%，产品生产周期缩短50%，不良品率降低50%。紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用。支持政产学研用联合攻关，开发智能产品和自主可控的智能装置并实现产业化。依托优势企业，紧扣关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂/数字化车间。在基础条件好、需求迫切的重点地区、行业和企业中，分类实施流程制造、离散制造、智能装备和产品、新业态新模式、智能化管理、智能化服务等试点示范及应用推广。建立智能制造标准体系和信息安全保障系统，搭建智能制造网络系统平台。智能制造工程中国制造2025战略介绍该生产什么质量管控智能制造发展方向：车间智能化

全局生产管控WhattoproduceStatusofequipment

设备状态OverallproductionmonitoringandcontrolWorkinstruction

作业指导Productionstatistic

生产统计Qualitycontrol

物料准时配送JITmaterialdelivering

生产防错系统Error-proofing

产品及时发运

Productdelivering2012年中国工业机器人销量为2.7万台；我国达到世界水平时将有380亿工业机器人本体市场空间，1140亿工业机器人系统集成市场空间焊接、装配、喷漆、码垛、搬运世界工业机器人安装总量智能制造关键技术：机器人

全球年增长率9%

中国年增长率17%智能制造关键技术：3D打印3D打印技术：增材工艺，缩短生产周期，减少对环境的影响，提高原材料和能源使用效率•

高速通讯网络协议•

资料共享技术•

信息安全技术智能制造关键技术：数字化制造•

数字化建模•

虚拟设计•

创新设计•

数字样机设计•

面向制造DFM•

智能控制技术•

高速高精度驱动•

嵌入式数字制造•

远程诊断•

智能维护数字控制生产管理•

控制传感技术•

实时信息管理技术

•

信息集成技术•

数字化车间技术•

制造系统建模•

决策控制智慧物流：供应链车辆引导与卸货管理解决方案：通过RFID、智能交通技术，结合厂区物料供应需求，实现厂区供应商车辆预约、排队、身份识别，厂区卸货资源智能化分配；

方案价值：实现物料拉动式供应链模式，实现厂区物流资源疏导，实现对供应链车辆的入厂时间、卸货资源安排指引、时间控制，提高厂区物流资源利用率。智能车辆物流及卸货：美的微波炉马龙基地是亚洲最大的微波炉生产基地，年产量亚洲第一应用案例：美的某部门6.5虚拟制造技术

虚拟制造技术的内涵1、定义虚拟制造作为一个全新的概念，是信息时代制造技术的重要标志。佛罗里达大学GloriaJWiens:虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程，其中虚拟模型是在实际制造之前，用于对产品的功能和可制造性的潜在问题进行预测。着眼于“结果”美国空军Wright实验室：虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。着眼与“手段”虚拟制造技术的定义：是一门以计算机仿真技术、制造系统与加工过程建模理论、VR技术、分布式计算理论、产品数据管理技术等为理论基础，研究如何在计算机网络环境及虚拟现实环境下，利用制造系统各层次及各环节的数字模型，完成制造系统整个过程的计算与仿真的技术。虚拟制造的关键技术（1）虚拟现实VR技术（2）基于功能单元建模的模型集成、重用、衍生等技术（3）各种仿真技术（4）产品样机数字化技术（5）人机交互技术（6）虚拟装配与检测技术（7）网络和硬件设备技术（8）数据库技术与多媒体技术（9）先进的组织支持虚拟设计与装配技术虚拟实验技术虚拟生产技术虚拟制造技术的应用福特汽车公司的数字原型件虚拟制造技术的应用波音777飞机数字化装配虚拟制造技术的应用清华大学在国家863/CIMS主题重大关键技术攻关项目的支持下，开展了剑杆织机的虚拟产品开发，进行了剑杆织机的三维数字建模及产品性能分析、加工过程仿真、虚拟装配技术等技术的研究与应用，并建立了具有相当共性的支持创设计的虚拟产品开发环境。

虚拟制造技术的应用太原机车厂的工程作业车外形设计虚拟制造技术的应用VR中反铲装载车模型虚拟制造技术的应用VR中反铲装载车模型虚拟制造技术的应用虚拟制造技术的应用

有限元分析虚拟制造技术的应用

有限元分析虚拟制造技术的应用虚拟加工虚拟制造技术的应用虚拟加工虚拟制造技术的应用虚拟测试虚拟制造技术的应用虚拟测试虚拟制造技术的应用

虚拟现实可以把房间结构、外形等构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率。运用虚拟现实技术，设计者可以完全按照自己的构思去构建装饰“虚拟”的房间，并可以任意变换自己在房间中的位置，去观察设计的效果，直到满意为止。既节约了时间，又节省了做模型的费用。虚拟制造技术的应用模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为虚拟环境提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器。另外利用虚拟现实技术，可模拟零重力环境。虚拟制造技术的应用虚拟制造技术的应用虚拟环境与工具第7章智能制造加工技术授课人：

所在部门：智能制造加工技术7.2我国智能制造加工技术现状及存在问题

7.1

智能制造加工技术发展趋势7.1

智能制造加工技术发展趋势

智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。7.1.1制造全系统、全过程应用建模与仿真技术7.1.2重视使用机器人和柔性化生产7.1.3物联网和务联网在制造业中作用日益突出7.1.4普遍关注供应链动态管理、整合与优化7.1.5增材制造技术与工作发展迅速7.1.1制造全系统、全过程应用建模与仿真技术

建模与仿真技术是制造业不可或缺的工具与手段。基于建模的工程、基于建模的制造、基于建模的维护作为单一数据源的数字化企业系统建模中的三个主要组成部分，涵盖从产品设计、制造到服务完整的产品全生命周期业务，从虚拟的工程设计到现实的制造工厂直至产品的上市流通，建模与仿真技术始终服务于产品生命周期的每个阶段，