第三講先進(jìn)制造技術(shù)(之制造自動化技術(shù))

1、第6章 制造自動化技術(shù)6.1 制造自動化技術(shù)概述6.2 柔性制造技術(shù)6. 3 工業(yè)機(jī)器人第一節(jié) 制造自動化技術(shù)概述 6.1.1 制造自動化技術(shù)內(nèi)涵 6.1.2 制造自動化技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 6.1.3 制造自動化技術(shù)發(fā)展趨勢自動化：自動去完成特定的作業(yè)。制造自動化（狹義）：生產(chǎn)車間內(nèi)產(chǎn)品機(jī)械加工和裝配檢驗(yàn)過程的自動化；制造自動化（廣義）：包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)、企業(yè)管理、加工過程和質(zhì)量控制等產(chǎn)品制造全過程綜合集成自動化。制造自動化意義：顯著提高勞動生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，改善勞動條件、提高勞動者的素質(zhì)、有利于產(chǎn)品更新、帶動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、提高企業(yè)的市場競爭能力。6.1.1 制造自

2、動化技術(shù)內(nèi)涵剛性自動化 設(shè)備-自動/半自動機(jī)床、組合機(jī)床、組合機(jī)床自動線； 對象-單一品種大批量生產(chǎn)自動化； 特點(diǎn)-生產(chǎn)效率高、加工品種單一。柔性自動化 設(shè)備-NC、CNC、FMC、FMS等。 對象-多品種小批量甚至單件生產(chǎn)自動化；綜合自動化 經(jīng)營管理、開發(fā)設(shè)計(jì)、加工裝配、質(zhì)量保證自動化，CIMS、CE、LP、AM等。 6.1.2 制造自動化技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀當(dāng)前制造自動化技術(shù)研究領(lǐng)域和方向當(dāng)前制造自動化技術(shù)研究領(lǐng)域和方向 集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)研究 自動化系統(tǒng)中人因作用的研究 數(shù)控單元系統(tǒng)的研究 制造過程的計(jì)劃和調(diào)度研究 柔性制造技術(shù)的研究 現(xiàn)代生產(chǎn)模式制造環(huán)境的研究 底層加工系統(tǒng)的智能化和集成化

3、研究 制造敏捷化 使企業(yè)面臨市場競爭作出快速響應(yīng)； 制造網(wǎng)絡(luò)化 實(shí)現(xiàn)制造過程的集成，實(shí)現(xiàn)異地制造、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)作業(yè)； 制造虛擬化 保證產(chǎn)品和制造過程一次成功，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中可避免的缺陷和錯誤； 制造智能化 擴(kuò)大、延伸、部分取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的制造過程。 制造全球化 市場國際化，產(chǎn)品制造跨國化，制造資源跨國家的協(xié)調(diào)、共享和優(yōu)化利用； 制造綠色化 使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、使用到報(bào)廢處理全生命周期中，對環(huán)境影響最小，資源利用率最高。6.1.3 制造自動化技術(shù)發(fā)展趨勢 第三節(jié) 工業(yè)機(jī)器人6.3.1 工業(yè)機(jī)器人的組成與分類6.3.2 工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)6.3.3 工業(yè)機(jī)器人的編程

4、技術(shù)6.3.4 工業(yè)機(jī)器人半個世紀(jì)發(fā)展 的回顧與展望6.3.1 工業(yè)機(jī)器人的組成與分類工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成 工業(yè)機(jī)器人的組成工業(yè)機(jī)器人的組成 執(zhí)行機(jī)構(gòu)手部：用于抓取對象，有夾持式、吸附式等不同結(jié)構(gòu)腕部：聯(lián)接手部和手臂部件，用以調(diào)整手部姿態(tài)和方位臂部：承載負(fù)荷，改變空間位置機(jī)身：支撐臂部部件，擴(kuò)大臂部活動和作業(yè)范圍機(jī)座及行走機(jī)構(gòu)：機(jī)器人基礎(chǔ)件，確定或改變 機(jī)器人位置 控制系統(tǒng) 控制機(jī)器人按給定的程序動作，記憶 示教指令，再現(xiàn)示教信息。 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定作業(yè)。 位置檢測裝置 檢測運(yùn)動位置和工作狀態(tài)。工業(yè)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人的分類-按系統(tǒng)功能分類專用機(jī)器人 以固定程序工作機(jī)器人，結(jié)構(gòu)

5、簡單、無獨(dú)立控制系統(tǒng)、造價(jià)低廉，如自動換刀機(jī)械手。通用機(jī)器人 可完成多種作業(yè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)。示教再現(xiàn)式機(jī)器人 在示教操作后，能按示教的順序、位置、條件重現(xiàn)示教作業(yè)。智能機(jī)器人 具有視覺、聽覺、觸覺功能，通過比較和識別,作出決策和規(guī)劃，完成預(yù)定的動作。工業(yè)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人的分類-按驅(qū)動方式分類氣壓傳動機(jī)器人 以壓縮空氣作為動力源，高速輕載；液壓傳動機(jī)器人 采用液壓驅(qū)動，負(fù)載能力強(qiáng)、 傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏；電氣傳動機(jī)器人 交直流伺服電機(jī)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、 響應(yīng)快、精度高。工業(yè)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人的分類-按結(jié)構(gòu)形式分直角坐標(biāo)機(jī)器人 有三個正交平移坐標(biāo)軸,各

6、個坐標(biāo)軸 運(yùn)動獨(dú)立（圖a）；圓柱坐標(biāo)機(jī)器人 有一個旋轉(zhuǎn)軸和兩個平移軸（圖b）；關(guān)節(jié)機(jī)器人 類似人手臂，由各關(guān)節(jié)組成，可實(shí)現(xiàn)三個方 向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（圖c） ；球坐標(biāo)機(jī)器人 有兩個旋轉(zhuǎn)軸和一個平移軸（圖d）。工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)自由度 獨(dú)立運(yùn)動數(shù)，自由度數(shù)越高，完成的動作越復(fù) 雜，通用性越強(qiáng)，應(yīng)用范圍也越廣。工作空間 機(jī)器人進(jìn)行工作的空間范圍。提取重力 微型機(jī)器人，提取重力 10N以下； 小型機(jī)器人，提取重力 10-50N； 中型機(jī)器人，提取重力 50-300N； 大型機(jī)器人，提取重力 300-500N； 重型機(jī)器人，提取重力 500N以上。運(yùn)動速度 運(yùn)動速度影響工作效率，與所提取

7、的重力和 位置精度有關(guān)。位置精度 機(jī)器人定位精度一般在0.02-5mm范圍。 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類按控制回路：開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)按控制硬件：機(jī)械控制、液壓控制、順序控制和計(jì)算機(jī)控制按自動化程度：順序控制、程序控制、自適應(yīng)控制、智能控制按編程方式： 物理設(shè)置編程-由設(shè)置固定限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)啟動/停機(jī)操作 示教編程-示教完成操作信息記憶，然后再現(xiàn)示教過程 離線編程-通過機(jī)器人語言進(jìn)行編程控制按控制軌跡： 點(diǎn)位控制-不要求末端操作速度和運(yùn)動軌跡，僅要求各坐標(biāo) 精確控制 輪廓控制-沒有插補(bǔ)器，按離散點(diǎn)坐標(biāo)及速度完成輪廓控制示教編程示教編程示教階段:撥動示教盒按鈕或手握機(jī)器人手

8、臂，使之按需要 姿勢和路線進(jìn)行工作，示教信息存儲在記憶裝置中。工作再現(xiàn):從記憶裝置調(diào)用存儲信息，再現(xiàn)示教階段動作。點(diǎn)位控制示教：逐一使每個軸達(dá)到需要編程點(diǎn)位置。輪廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通過所給路線。特點(diǎn)：通過示教直接產(chǎn)生控制程序，無須手工編程，簡單 方便，適用于大批量生產(chǎn)。不足：軌跡精確度不高，需要存儲容量大。6.3.3 工業(yè)機(jī)器人的編程技術(shù)機(jī)器人編程語言機(jī)器人編程語言動作級語言 每一個命令對應(yīng)一個動作，語句格式為： MOVE TO 語句簡單，易于編程；不能進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，通信能力差，代表性語言：VAL 。對象級語言 有與動作語言類似功能，能處理傳感器信息；通信和數(shù)字運(yùn)算功能強(qiáng)，代表

9、性語言有AML、AUTOPASS。任務(wù)級語言 操作者直接下命令，不需要規(guī)定機(jī)器人每個動作細(xì)節(jié)，自動推理規(guī)劃，自動生成機(jī)器人的動作。 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展回顧工業(yè)機(jī)器人發(fā)展回顧50年代-萌芽期 58年第一臺工業(yè)機(jī)器人在美國問世。60年代-黎明期 推出圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)機(jī)器人，日本引進(jìn)美國機(jī)器人技術(shù)。70年代-實(shí)用化期 計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人問世，推出VAL編程語言、視覺力覺傳感器；72年中國第一臺機(jī)器人誕生；70年代末全世界擁有萬臺以上機(jī)器人；日本成為機(jī)器人王國。80年代-普及期 80年代末機(jī)器人總數(shù)已達(dá)45萬臺。90年代-擴(kuò)展?jié)B透期 具有感覺機(jī)器人實(shí)用化，智能機(jī)器人相繼出現(xiàn)并開始走向應(yīng)用；19

10、97年底，機(jī)器人總量達(dá)95萬臺。6.3.4 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展回顧與展望工業(yè)機(jī)器人發(fā)展展望工業(yè)機(jī)器人發(fā)展展望執(zhí)行機(jī)構(gòu) 具有柔性感、靈巧性手爪和手臂；驅(qū)動機(jī)構(gòu) 采用形狀記憶合金、人工肌肉、壓電元件、撓性軸等新型驅(qū)動器；移動技術(shù) 步行、爬行，由4足、6足、8足或更多足組成；微型機(jī)器人 毫米級、納米級機(jī)器人，微小位置姿態(tài)控制；微型電池；微小生物運(yùn)動機(jī)構(gòu)等；多傳感器集成與融合技術(shù) 視覺、觸覺、嗅覺、味覺及其綜合；新型智能技術(shù) 模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等；仿生機(jī)構(gòu) 模仿生物體構(gòu)造、移動模式、運(yùn)動機(jī)理、能量分配等，人工肌肉、蛇形移動機(jī)構(gòu)、仿象鼻柔性臂、人造關(guān)節(jié)。第二節(jié) 柔性制造技術(shù)6.2.1 柔

11、性制造系統(tǒng)基本概念6.2.2 FMS的加工系統(tǒng)6.2.3 FMS的工件運(yùn)儲系統(tǒng)6.24.4 FMS的刀具運(yùn)儲系統(tǒng)6.2.5 FMS的控制與管理系統(tǒng)FMS定義和組成定義和組成定義：由兩臺以上加工設(shè)備、物料運(yùn)儲和控制系統(tǒng)組成，通過改變軟件程序適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)自動化制造系統(tǒng)。組成：加工系統(tǒng)-CNC、MC、FMC機(jī)床及測量機(jī)、清洗機(jī)、動平衡機(jī)；工件運(yùn)儲系統(tǒng)-包括工件裝卸站、自動化倉庫、自動化運(yùn)輸小車、機(jī)器人、托盤緩沖站、托盤交換裝置等；刀具運(yùn)儲系統(tǒng)-包括刀具預(yù)調(diào)站、刀具裝卸站、中央刀庫、機(jī)床刀庫、刀具輸送與交換裝置等；控制系統(tǒng)-對FMS進(jìn)行計(jì)劃調(diào)度、運(yùn)行控制、物料管理、系統(tǒng)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)通信等；其

12、他-冷卻、潤滑、排屑、清洗、去毛刺等附屬設(shè)備。6.2.1 柔性制造系統(tǒng)基本概念 柔性高，適應(yīng)多品種中小批量生產(chǎn)； 系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)床在工藝能力上是相互補(bǔ)充或相互替代的； 可混流加工不同的零件； 系統(tǒng)局部調(diào)整或維修不中斷整個系統(tǒng)的運(yùn)作； 遞階結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)控制，可以上層計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信； 可進(jìn)行第三班無人值守生產(chǎn)。FMSFMS的特點(diǎn)的特點(diǎn)不同類型的柔性制造設(shè)備不同類型的柔性制造設(shè)備 柔性制造模塊（FMM） 相當(dāng)于功能齊全的加工中心； 柔性制造單元（FMC） 小型FMS，由1-2臺機(jī)床組成，自動更換刀具，自動上下工件； 柔性制造系統(tǒng)（FMS） 控制與管理功能比FMC強(qiáng)，管理通信要求高； 柔性制造生產(chǎn)線（FM

13、L） 數(shù)控組合機(jī)床設(shè)備，專用性強(qiáng)、生產(chǎn)率高，相當(dāng)于數(shù)控自動生產(chǎn)線，用于少品種、中大批量生產(chǎn)，為專用FMS。 柔性制造工廠（FMF） 全企業(yè)范圍生產(chǎn)管理、設(shè)計(jì)開發(fā)、加工制造和物料運(yùn)儲全盤自動化。 加工系統(tǒng)的功能與要求加工系統(tǒng)的功能與要求 工序集中，減輕物流負(fù)擔(dān)，減少裝夾次數(shù)； 控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展性好； 高剛度、高精度、高速度； 自保護(hù)與自維護(hù)性好； 使用經(jīng)濟(jì)性好； 對環(huán)境的適應(yīng)性與保護(hù)性好。6.2.2 FMS的加工系統(tǒng)加工系統(tǒng)常用配置形式加工系統(tǒng)常用配置形式 棱體類零件：立式、臥式或立臥兩用加工中心； 回轉(zhuǎn)體零件：數(shù)控車床或車削加工中心機(jī)床。 配置形式： 互替式-是并聯(lián)配置，各機(jī)床功能可互相代替，

14、具有 好的工藝柔性和較寬的工藝范圍。 互補(bǔ)式-是串聯(lián)配置，功能互相補(bǔ)充，各自完成特定的加工任務(wù)，生產(chǎn)率高，降低了可靠性。 混合式-互替式與互補(bǔ)式結(jié)合。加工系統(tǒng)的輔助裝置加工系統(tǒng)的輔助裝置 機(jī)床夾具 組合夾具：利用標(biāo)準(zhǔn)化夾具零部件快速拼裝所需夾具； 柔性夾具：一部夾具能為多個加工對象服務(wù)。 托盤（Pallet）承載工件和夾具完成加工任務(wù)，是各加工單元間的硬件接口。 自動上下料裝置 托盤交換器：聯(lián)接加工系統(tǒng)和物料運(yùn)儲系統(tǒng)橋梁； 工業(yè)機(jī)器人：具有較大的柔性度。組合夾具 柔性夾具 ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的托盤基本形狀 1-托盤導(dǎo)向面 2-側(cè)面定位面 3-安裝螺孔4-工件安裝面 5-中心孔 6-托盤擱置面 7底

15、面8-工件固定孔 9-托盤夾緊面 10-托盤定位面6.2.3 FMS的工件運(yùn)儲系統(tǒng) 工件裝卸站 設(shè)在FMS入口，由人工完成裝卸； 托盤緩沖站 工件中間存儲站，起緩沖物料作用； 自動化倉庫 多層立體布局結(jié)構(gòu)，由計(jì)算機(jī)控制，服從FMS命令和調(diào)度； 物料運(yùn)載裝置 負(fù)責(zé)在機(jī)床、自動化倉庫和托盤緩沖站之間物料搬運(yùn)作業(yè)。傳送帶：用于小零件短程傳送，占據(jù)空間大、易磨損；自動運(yùn)輸小車：分有軌小車、無軌小車；搬運(yùn)機(jī)器人：具有較高柔性和控制水平。 FMSFMS工件運(yùn)儲系統(tǒng)組成工件運(yùn)儲系統(tǒng)組成FMSFMS物料輸送基本回路物料輸送基本回路直線輸送回路 沿直線路線單向或雙向移動，順序地在 各個連接點(diǎn)停靠；環(huán)形輸送回路

16、運(yùn)載工具沿環(huán)形路線單向或雙向移動；網(wǎng)狀輸送回路 由多個回路相互交叉組成，可由一條環(huán) 路移動到另一回路。自動運(yùn)輸小車導(dǎo)向自動運(yùn)輸小車導(dǎo)向 有軌小車 鐵軌導(dǎo)向，速度快，負(fù)載能力大，?？繙?zhǔn)確，可靠好，制造成本低，線路不便更動，轉(zhuǎn)角不宜太大。 線導(dǎo)小車 電磁感應(yīng)導(dǎo)向，柔性大、擴(kuò)展性好、不怕污染、工作可靠。 光導(dǎo)小車 采用帶有熒光材料油漆或色帶，通過光電制導(dǎo)，改變線路非常容易，對環(huán)境要求嚴(yán)格。 激光燈臺制導(dǎo) 小車頂部裝有激光裝置，通過固定位置反射激光束信息，確定小車位置。自動化倉庫自動化倉庫 貨架 為一個個存儲單元，設(shè)有地址編碼，貨架之間有巷道，每個巷道配有專用堆垛機(jī)。 堆垛機(jī) 由托架、貨叉、支柱、上下

17、導(dǎo)軌、移動電動機(jī)以及傳感器構(gòu)成的三維搬運(yùn)設(shè)備。 控制與管理系統(tǒng) 負(fù)責(zé)物料信息的登錄、識別，物料自動存取，倉庫管理。6.2.4 FMS的刀具運(yùn)儲系統(tǒng)刀具運(yùn)儲系統(tǒng)的組成刀具運(yùn)儲系統(tǒng)的組成 刀具預(yù)調(diào)站 設(shè)在FMS之外，按要求對刀具進(jìn)行裝配和調(diào)整； 刀具裝卸站 是刀具進(jìn)出FMS入口，多為排架式框架結(jié)構(gòu)； 刀具庫系統(tǒng) 存放當(dāng)前加工所需的機(jī)床刀庫，容量??；存放各加工單元共享的中央刀庫，容量大； 刀具運(yùn)載交換裝置 負(fù)責(zé)刀具運(yùn)輸和交換，適時(shí)向加工單元提供所需刀具； 計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)-控制刀具運(yùn)輸、存儲和管理，監(jiān)控管理刀具的使用，及時(shí)取走已報(bào)廢或壽命已耗盡的刀具。 刀具運(yùn)儲系統(tǒng)作業(yè)過程刀具運(yùn)儲系統(tǒng)作業(yè)過程刀具

18、刃磨人工組裝刀具預(yù)調(diào)刀具裝卸站中央刀具庫需重磨或報(bào)廢刀具加工單元刀庫加工單元刀庫加工單元刀庫刀具運(yùn)載交換裝置刀具運(yùn)載交換裝置FMS中刀具交換內(nèi)容： 機(jī)床刀庫與機(jī)床主軸刀具交換-由機(jī)床換刀裝置完成； 刀具裝卸站、中央刀庫、各機(jī)床刀庫間刀具交換； AGV運(yùn)載刀架與機(jī)床刀庫間刀具交換。刀具交換運(yùn)載工具： 換刀機(jī)器人-有地軌和高架導(dǎo)軌形式； 刀具運(yùn)載小車-在小車上放置一個裝載刀架，并附設(shè)小 型機(jī)器人，負(fù)責(zé)刀具交換。刀具破損的監(jiān)控刀具破損的監(jiān)控監(jiān)測方法傳 感 原 理傳 感 器直接法光學(xué)圖像光發(fā)射、折射、TV攝像光敏、激光、光纖、CCD、攝像管接觸電阻，開關(guān)量，磁力線電阻電路，開關(guān)電路，磁間隙傳感器間接法切削力切削力，切削分力比例應(yīng)變片，力傳感器扭矩主軸或進(jìn)給系統(tǒng)扭矩應(yīng)變片，電流表功率主軸或進(jìn)給系統(tǒng)功率消耗功率傳感器振動切削過程振動及其變化加速度計(jì)，振動傳感器超聲波接受超聲波的反射波超聲波換能器與接受器噪聲切削區(qū)環(huán)境噪聲探測拾音器聲發(fā)射刀具破損時(shí)聲發(fā)射信號聲發(fā)射傳感器刀具的信息管理刀具的信息管理靜態(tài)刀具信息：固