先進(jìn)制造技術(shù)-第四章制造自動化技術(shù)課件

先進(jìn)制造技術(shù)AdvancedManufacturingTechnology1第一節(jié)概述第四章制造自動化技術(shù)第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人第四節(jié)柔性制造技術(shù)2一、制造自動化技術(shù)的內(nèi)涵

自動化（Automation）,1936年，美國人D.S.Harde提出的,指出機(jī)器之間零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運(yùn)就是“自動化”。自動地搬運(yùn)代替人的體力勞動。

隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，不僅代替人的體力勞動，而且必須代替人的部分腦力勞動。第一節(jié)概述3二、制造自動化的含義

（1）在形式方面。代替的體力勞動，代替或輔助人的腦力勞動，制造系統(tǒng)中人、機(jī)器及整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化。

（2）在功能方面。T，Q，C，S，E功能目標(biāo)。T（time）采用自動化技術(shù)，縮短產(chǎn)品制造周期；Q（quality）提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量；C（cost）降低成本；S（service）市場服務(wù)工作；E（environment）充分利用資源，減少廢棄物和環(huán)境污染。有利于可持續(xù)發(fā)展。5

（3）在范圍方面。涉及到產(chǎn)品生命周期全過程。

產(chǎn)品開發(fā)自動化技術(shù)：并行工程、CAD\CAM\CAPP一體化技術(shù)、快速原型制造技術(shù)；

生產(chǎn)過程和設(shè)備自動化技術(shù)：數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、柔性制造技術(shù)、自動化制造系統(tǒng)中的檢測與監(jiān)控技術(shù)。6

制造自動化技術(shù)代表先進(jìn)制造技術(shù)的水平，體現(xiàn)一個國家的技術(shù)水平?？梢蕴岣邉趧由a(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、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)的競爭能力。7

三、制造自動化技術(shù)的發(fā)展

（1）剛性自動化

20世紀(jì)50年代，自動單機(jī)和剛性生產(chǎn)線。傳統(tǒng)的制造方法和半自動和自動機(jī)床、組合機(jī)床、組合機(jī)床自動線。單一品種大批量生產(chǎn)。生產(chǎn)率高、加工品種單一。很難實現(xiàn)品種的轉(zhuǎn)換。8

（3）綜合自動化

計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。計算機(jī)集成制造CIM和CIMS：強(qiáng)調(diào)制造過程的系統(tǒng)性和集成性，現(xiàn)代制造技術(shù)、管理技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)等。CE、LP等模式。10源于古希臘的阿基米德螺旋泵(B.C287－212）

121797年莫茲利制造的第一臺螺紋切削車床

1415

圖7-1汽車后橋齒輪箱加工自動線剛性自動化20年代16

柔性自動化50年代焊接機(jī)器人綜合自動化70年代綜合自動化17

機(jī)器人集中了機(jī)械工程、材料科學(xué)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制理論及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。它的研究和應(yīng)用水平一個國家的自動化的水平。18一、工業(yè)機(jī)器人的概念、組成與分類它能復(fù)現(xiàn)人的動作和職能。反復(fù)調(diào)整以執(zhí)行不同的功能。具有通用性、柔性和靈活性的自動機(jī)械。已成為FMS和CIMS系統(tǒng)的重要設(shè)備。

是一種可以搬運(yùn)物料、零件、工具或完成多種操作功能的機(jī)械裝置，由計算機(jī)控制，是無人參與的自動化控制系統(tǒng)，是可編程、具有柔性的自動化系統(tǒng)。1.工業(yè)機(jī)器人的概念20212.工業(yè)機(jī)器人的組成

1)手部（抓取機(jī)構(gòu)或夾持器）：用來直接抓取工件或工具。有機(jī)械式、真空吸附式、磁性吸附式。夾持式手部1-手爪；2-傳動機(jī)構(gòu)；3-驅(qū)動機(jī)構(gòu)；4-支架；5-工件23氣流負(fù)壓吸附式手部l-橡膠吸盤；2-心套；3-通氣螺釘；4-支承桿；5-噴嘴；6-噴嘴套2.工業(yè)機(jī)器人的組成24機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)示意圖P-100機(jī)器人的手腕26

3）臂部：是支撐腕部的部件，由動力關(guān)節(jié)和連桿組成。用以承受工件或工具負(fù)荷，改變工件的空間位置，并送至預(yù)定的位置。

2.工業(yè)機(jī)器人的組成27PUMA560機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)1-大錐齒輪；2-小錐齒輪；3-大臂；4-小臂電動機(jī)；5-驅(qū)動軸；6、9-偏心套；7-小齒輪；8-大齒輪；10-小臂28

5）機(jī)座及行走機(jī)構(gòu)：是支撐整個機(jī)器人的基礎(chǔ)件，確定并改變機(jī)器人的位置。2.工業(yè)機(jī)器人的組成30

（2）控制系統(tǒng)：是機(jī)器人的大腦，控制與支配機(jī)器人按給定的程序動作，并記憶人們示教的指令信息，可再現(xiàn)控制所存儲的示教信息。2.工業(yè)機(jī)器人的組成31

（3）驅(qū)動系統(tǒng)是機(jī)器人執(zhí)行作業(yè)的動力源，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的作業(yè)。

（4）行進(jìn)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等。2.工業(yè)機(jī)器人的組成322.工業(yè)機(jī)器人的分類

（1）按系統(tǒng)功能分

1)專用機(jī)器人：用固定的程序在固定的地點工作的機(jī)器人。結(jié)構(gòu)簡單，成本低。自動化的機(jī)械手。

2）通用機(jī)器人：具有獨立的控制系統(tǒng)，通過改變程序能完成多種作業(yè)的機(jī)器人。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作范圍大，通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的柔性制造系統(tǒng)。

332.分類

3）示教再現(xiàn)機(jī)器人：具有記憶功能，在操作者示教操作后，能按示教的順序、位置、條件與其他信息反復(fù)示教作業(yè)。

4）智能機(jī)器人：采用計算機(jī)控制，具有視覺、聽覺、觸覺等多功能和識別功能。通過比較和識別，自主作出決策和規(guī)劃，自動進(jìn)行信息反饋，完成預(yù)定的動作。34

（2）按驅(qū)動方式分

1)氣壓傳動機(jī)器人：以壓縮空氣作為動力源驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)器人，動作簡單、成本低廉，適用于高速輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境作業(yè)。

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（2）按驅(qū)動方式分

2）液壓傳動機(jī)器人：采用液壓驅(qū)動，具有負(fù)載能力強(qiáng)、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏的特點，適用于低速、重載的場合。3）電氣傳動機(jī)器人：用交流或直流伺服電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人，不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、控制精度高。36

1)直角坐標(biāo)型：由三個相互正交的平移坐標(biāo)軸組成，坐標(biāo)軸運(yùn)動獨立。控制簡單、定位精度高。

(3)按結(jié)構(gòu)形式分

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2）圓柱坐標(biāo)型：由立柱和一個安裝在立柱上的水平臂組成，其立柱安裝在回轉(zhuǎn)的機(jī)座上，水平臂可以伸縮，并可沿立柱上下移動。一個旋轉(zhuǎn)軸和一個平移軸。Verstran機(jī)器人Verstran機(jī)器人38

3）球坐標(biāo)型：由回轉(zhuǎn)機(jī)座、俯仰絞鏈和伸縮臂組成，有兩個旋轉(zhuǎn)軸和一個平移軸。Unimate機(jī)器人39

4）關(guān)節(jié)型：由大臂、小臂和立柱組成。肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)是絞鏈。有三個旋轉(zhuǎn)軸。關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人40仿生型自由度一般較多，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，但控制更復(fù)雜，成本更高，剛性較差。類人型機(jī)器人仿狗機(jī)器人蛇形機(jī)器人特種機(jī)器人

41六輪漫游機(jī)器人仿魚機(jī)器人仿鳥機(jī)器人六足漫游機(jī)器人42二.工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)1.工業(yè)機(jī)器人的自由度

自由度是指運(yùn)動件相對于固定坐標(biāo)系所具有的獨立運(yùn)動的趨勢。用以表示機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)，一般是以沿軸線移動和繞軸線轉(zhuǎn)動的獨立運(yùn)動的數(shù)目來表示。自由度是衡量機(jī)器人技術(shù)水平的主要指標(biāo)。43工業(yè)機(jī)器人自由度1-執(zhí)行機(jī)構(gòu)；2-驅(qū)動系統(tǒng)；3-控制系統(tǒng)；a-手部；b-腕部；c-臂部；d-基座A-往復(fù)旋轉(zhuǎn)；B-腕部彎曲；C-徑向伸縮；D-垂直俯仰；E-手部偏擺44

（2）工作空間：是指機(jī)器人應(yīng)用手爪進(jìn)行工作的空間范圍。取決于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式和每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍。

（3）提取重力：反映其負(fù)載能力的一個參數(shù)微型機(jī)器人：10N以下；小型機(jī)器人：10～50N；中型機(jī)器人：50～300N；大型機(jī)器人：300～500N；重型機(jī)器人：500N以上。45

（4）運(yùn)動速度：影響到機(jī)器人的工作效率。通用機(jī)器人的最大直線速度大多在1000mm/s以下。

（5）位置精度：實到位置中心之間的偏差。影響到機(jī)器人的工作質(zhì)量。取決于位置控制方式、機(jī)器人運(yùn)動部件本身的精度和剛度、提取的重力和運(yùn)動速度有關(guān)。典型機(jī)器人的定位精度一般在0.02～5mm范圍。46

1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》?？ㄅ蹇嗽趧”局邪呀菘苏Z“Robota”寫成了“Robot”，引起了大家的廣泛關(guān)注，被當(dāng)成了機(jī)器人一詞的起源。三、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展47

1954年，美國人GeorgeC.Devol發(fā)明了一種稱為可編程程序的關(guān)節(jié)型搬運(yùn)裝置，并在1956年獲得美國專利。首先提出了工業(yè)機(jī)器人和示教再現(xiàn)的概念。1958年，美國聯(lián)合控制公司研制出了第一臺數(shù)控機(jī)器人原型機(jī)，揭開了研制工業(yè)機(jī)器人的序幕。

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1961年，Unimation公司（通用機(jī)械公司）成立，生產(chǎn)和銷售了第一臺工業(yè)機(jī)器“Unimate”球坐標(biāo)。

1962年，A.M.F.（機(jī)械與鑄造）公司，研制出一臺數(shù)控自動通用機(jī)，取名“Versatran”，圓柱坐標(biāo)。

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1967年，Unimation公司第一臺噴涂用機(jī)器人出口到日本川崎重工業(yè)公司。

1968年，第一臺智能機(jī)器人Shakey在斯坦福研究所誕生。

1972年，IBM公司開發(fā)出直角坐標(biāo)機(jī)器人。

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日本、西歐各國、前蘇聯(lián)也相斷引進(jìn)或自行研制工業(yè)機(jī)器人。60～70年代是機(jī)器技術(shù)獲得巨大發(fā)展的階段。

80年代，機(jī)器人在發(fā)達(dá)國家的工業(yè)中大量普及應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配。并向各個領(lǐng)域拓展，如航天、水下、排險、核工業(yè)等，機(jī)器人的感知技術(shù)得到相應(yīng)的發(fā)展，產(chǎn)生第二代機(jī)器人。90年代，機(jī)器人技術(shù)在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用更為廣泛，如軍用、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域，并開始向智能型（第三代）機(jī)器人發(fā)展。51

我國機(jī)器人技術(shù)起步較晚，70年代末，一些院校和企業(yè)，開始研制專用機(jī)械手，80年代初，開發(fā)小型的教育機(jī)器人。1985年哈工大研制出國內(nèi)第一臺弧焊機(jī)器人（華宇Ⅰ號）。

國家“863”計劃把機(jī)器人技術(shù)作為重點發(fā)展技術(shù)來支持。建立了“機(jī)器人示范工程中心”和機(jī)器人國家開放實驗室（沈陽自動化所、哈工大、合肥機(jī)械所、上海交大、南開大學(xué)）。52

北京機(jī)械自動化所噴漆機(jī)器人沈陽自動化所自動導(dǎo)引小車、機(jī)器人控制器、6000m水下機(jī)器人哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實公司包裝碼垛機(jī)器人南開太陽公司微型驅(qū)動機(jī)器人同濟(jì)大學(xué)提升機(jī)器人53四、工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)。54

1）控制計算機(jī)：是調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)，微型機(jī)。

2）示教盒：工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，擁有獨立存儲單元，與主計算機(jī)之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。55

3）控制面板：各操作功能按鈕，狀態(tài)指示燈。

4）硬盤和軟盤存儲：存儲程序。56

5）數(shù)字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令輸入輸出。

6）軸控制器：完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。57

在制造業(yè)中，機(jī)器人可以用于毛坯制造（沖壓、壓鑄、鍛造等）、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、裝配及倉庫堆垛等作業(yè)中。

五、工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用58

焊接是制造業(yè)中一項繁重的、對工人健康影響較大的作業(yè)之一，是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最多的行業(yè)。利用焊接機(jī)器人可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，改善工人勞動條件。焊接機(jī)器人有點焊和弧焊兩種，可以單機(jī)焊接，也可構(gòu)成焊接機(jī)器人生產(chǎn)線。

1.在焊接方面的應(yīng)用

點焊機(jī)器人

59工件焊點分布示意圖汽車駕駛室焊點的分布圖裝配每臺汽車車體一般大約需要完成3000~4000個焊點，其中60%是由點焊機(jī)器人完成的。60

焊接機(jī)器人通常是采用液壓驅(qū)動的機(jī)器人，因為要拿起質(zhì)量達(dá)70kg的焊槍，一般電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人承受不了這個負(fù)荷。點焊機(jī)器人是屬于點位控制。點焊所要求的位置精度在1mm左右。61IR6621/100型點焊機(jī)器人1-手臂及手腕；2-臂架；3-橡皮緩沖器；4-肘形節(jié)桿；5-回轉(zhuǎn)臺；6-基座；7-連接電纜；8-轉(zhuǎn)臺緩沖器；9-第一軸（轉(zhuǎn)臺）電動機(jī)（M1）；10、14-平衡氣缸；11-第二軸（臂架）電動機(jī)（M2）；12-第三軸螺桿；15-驅(qū)動臂架；16-電動機(jī)組（M4、M5、M6）；17-控制柜62一汽紅旗轎車生產(chǎn)線上的點焊機(jī)器人6320公斤點焊機(jī)器人點焊機(jī)器人在工作中64弧焊機(jī)器人

弧焊是連續(xù)軌跡操作，機(jī)器人必須按預(yù)先規(guī)定的路線和要求的移動速度進(jìn)行作業(yè)。

1989年天津自行車二廠采用國產(chǎn)機(jī)器人焊接自行車前三角架，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并獲得了顯著的社會、經(jīng)濟(jì)效益。65弧焊機(jī)器人示意圖66弧焊機(jī)器人676公斤弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人在工作中68

機(jī)器人噴涂作業(yè)在汽車、家用電器和儀表殼體制造中已發(fā)揮了重要作用。機(jī)器人作業(yè)既可單機(jī)噴涂，也可多機(jī)噴涂，還可組成生產(chǎn)線自動噴涂，自動化程度越來越高。

2.在噴涂方面的應(yīng)用69噴涂作業(yè)機(jī)器人70龍門式噴漆機(jī)器人噴漆機(jī)器人71

我國第二汽車制造廠東風(fēng)系列駕駛室多品種混流機(jī)器人系統(tǒng)噴涂線。它由2臺PJ-1A、4臺PJ-1B噴漆機(jī)器人、2臺PM-111頂噴機(jī)、一臺工件識別裝置、一臺同步器、多臺起動裝置和總控制臺等組成。由一臺工業(yè)PC（微型計算機(jī)）為主構(gòu)成的總控臺，通過通信系統(tǒng)，對6臺機(jī)器人、2臺頂噴機(jī)及相關(guān)終端進(jìn)行群控，實現(xiàn)面漆噴涂自動作業(yè)。72圖5-33東風(fēng)系列駕駛室多品種混流機(jī)器人系統(tǒng)噴涂線73

加工工件的裝卸，特別是自動化機(jī)床工件的裝卸是工業(yè)機(jī)器人的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

3.在搬運(yùn)方面的應(yīng)用74搬運(yùn)機(jī)器人75碼垛機(jī)器人76耐火磚自動壓制系統(tǒng)77

在電子產(chǎn)品裝配中，由于電子元件多，體積小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人工裝配生產(chǎn)率低，質(zhì)量不易保證，因而使用裝配機(jī)器人可以極大地改變這種狀況。

日本日立公司的一條電子電路板自動裝配線就裝備了56臺各種機(jī)器人，使電子元件的自動插裝率達(dá)到85%。

4.在裝配方面的應(yīng)用78精密插入裝配機(jī)器人的裝配作業(yè)1-主機(jī)器人；2-柔性手腕；3、5-觸覺傳感器（應(yīng)變片）；4-彈簧片；6-基座零件的傳送定位；7-輔助機(jī)器人；8-聯(lián)套供料機(jī)構(gòu)；9-小軸供料機(jī)構(gòu)79SCARA型裝配機(jī)器人80（1）沖壓機(jī)器人

用于汽車、電機(jī)、家用電器等工業(yè)中，與沖壓設(shè)備構(gòu)成單機(jī)自動沖壓機(jī)和多機(jī)沖壓自動線。

5.在其他方面的應(yīng)用81車門沖壓自動線1-取料機(jī)；2、5-壓力機(jī)；3-水平旋轉(zhuǎn)機(jī)；4-翻轉(zhuǎn)機(jī)；6-傳輸機(jī)；7-機(jī)器人如美國克萊斯勒公司汽車車門的加工就是利用由10臺Danly上、下料機(jī)器人和6臺壓力機(jī)組成的自動線進(jìn)行的。82

（2）壓鑄機(jī)器人用于汽車零件的生產(chǎn)，一個工人可以管理多臺壓鑄機(jī)，節(jié)省勞動力。德國開發(fā)了鍛造機(jī)器人技術(shù)，北京機(jī)床廠通過引進(jìn)開發(fā)，已生產(chǎn)了熱模鍛和輥鍛機(jī)器人，且全部國產(chǎn)化。83壓鑄機(jī)器人84

采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修機(jī)器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用也越來越多，如無人偵察機(jī)（飛行器）、警備機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、家政服務(wù)機(jī)器人等均有應(yīng)用實例。機(jī)器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。85六、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢

1.高級智能化。計算機(jī)技術(shù)、模糊控制技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能工程技術(shù)等高新技術(shù)。具有學(xué)習(xí)知識和運(yùn)用知識解決問題的能力，并具有視覺、力覺、感覺等功能，能感知環(huán)境的變化，有很高的自適應(yīng)能力，幾乎能象人一樣去干更多的工作。

86六、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢

2.結(jié)構(gòu)一體化工業(yè)機(jī)器的本體采用桿臂結(jié)構(gòu)，并與關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、電動機(jī)、減速器、編碼器等有機(jī)結(jié)合，全部電、管、線不外露，形成十分完整的防塵、防漏、防爆、防水全封閉的一體化結(jié)構(gòu)。87

3.應(yīng)用廣泛化

在21世紀(jì)，機(jī)器人不再局限于工業(yè)生產(chǎn)，而是向服務(wù)領(lǐng)域擴(kuò)展。社會的各個領(lǐng)域都可由機(jī)器人在工作，從而使人類進(jìn)入機(jī)器人時代。據(jù)專家預(yù)測，用于家庭的“個人機(jī)器人”必將在21世紀(jì)得到推廣和普及，人類生活將變得更加美好舒適；警備和軍事用機(jī)器人也將在保衛(wèi)國家安全方面發(fā)揮重要作用。

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4.產(chǎn)品微型化

微機(jī)械電子技術(shù)和精密加工技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人微型化創(chuàng)造了條件，以功能材料、智能材料為基礎(chǔ)的微驅(qū)動器、微移動機(jī)構(gòu)以及高度自治的控制系統(tǒng)的開發(fā)使微型化成為可能。

微型機(jī)器人可以代替人進(jìn)入人本身不能到達(dá)的領(lǐng)域進(jìn)行工作，幫助人類進(jìn)行微觀領(lǐng)域的研究；幫助醫(yī)生對病人進(jìn)行微循環(huán)系統(tǒng)的手術(shù)，甚至可注入血管清理血液，清除病灶和癌變，尺寸極微小的納米機(jī)器人將不再是夢想。89

5.組件、構(gòu)件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化機(jī)器人是一種高科技產(chǎn)品，其制造、使用維護(hù)成本比較高，操作機(jī)和控制器采用通用元器件，讓機(jī)器人組件、構(gòu)件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化是降低成本的重要途徑之一。大力制訂和推廣“三化”，將使機(jī)器人產(chǎn)品更能適應(yīng)國際市場價格競爭的環(huán)境。

90

6.高精度、高可靠性

隨著人類對產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，對從事制造業(yè)或服務(wù)業(yè)的機(jī)器人的要求也相應(yīng)提高，開發(fā)高精度、高可靠性機(jī)器人是必然的發(fā)展結(jié)果。采用最新交流伺服電動機(jī)或DD電動機(jī)直接驅(qū)動，以進(jìn)一步改善機(jī)器人的動態(tài)特性，提高可靠性；采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動單元和主機(jī)采用32位以上CPU控制，不僅可使機(jī)器人精度大為提高，也可以提高插補(bǔ)運(yùn)算和坐標(biāo)變換的速度。91

本節(jié)要點柔性、柔性制造系統(tǒng)的概念柔性制造系統(tǒng)的組成及各部分功能第四節(jié)柔性制造技術(shù)

FlexibleManufacturingTechnology92

一、FMT概述

柔性制造技術(shù)是進(jìn)入20世紀(jì)60年代以后，為了滿足產(chǎn)品更新、適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)的需要出現(xiàn)的。FMC（FlexibleManufacturingCell）、FMS（FlexibleManufacturingSystems）、FML（FlexibleManufacturingLine）。

1.基本概念93

（1）柔性制造技術(shù)(FMT)

是一種主要用于多品種中小批量和適應(yīng)加工各種不同形狀對象的各種制造自動化技術(shù)總稱。是集數(shù)控技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及現(xiàn)代管理技術(shù)為一體的技術(shù)。

（2）柔性

指制造系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)部及外部環(huán)境的一種適應(yīng)能力，也是指制造系統(tǒng)能夠適應(yīng)產(chǎn)品變化的能力。

942.不同應(yīng)用形式

（1）柔性制造模塊（FMM）是指一臺擴(kuò)展了自動化功能的數(shù)控機(jī)床。如普通數(shù)控機(jī)床+刀具庫、自動換刀裝置、托盤交換器等。相當(dāng)與加工中心。952.不同應(yīng)用形式①FMC是在加工中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。一般由1臺計算機(jī)控制，由1-2臺加工中心、托盤輸送裝置或工業(yè)機(jī)器人的自動儲運(yùn)系統(tǒng)組成。②FMC適宜加工的零件種類一般為500～800種，每種零件的年產(chǎn)量約為20～50件。

（2）柔性制造單元（FMC)9697柔性制造單元98

（3）柔性制造系統(tǒng)（FMS）它由兩臺或兩臺以上的NC機(jī)床或MC或FMC所組成，配有工件自動上下料裝置、自動輸送裝置、自動化倉庫等，由計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行加工控制、計劃調(diào)度安排及工況監(jiān)測。功能強(qiáng)、規(guī)模大。99

（4）柔性制造生產(chǎn)線（FML）

加工設(shè)備在采用通用數(shù)控機(jī)床，更多采用數(shù)控組合機(jī)床，數(shù)控專用機(jī)床、可換主軸箱機(jī)床等。是剛性自動線與柔性制造系統(tǒng)的一種結(jié)合。專用FMS。

100

（5）柔性制造工廠（FMF）通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把企業(yè)范圍內(nèi)的生產(chǎn)經(jīng)營管理過程、設(shè)計開發(fā)過程、加工制造過程、物料運(yùn)儲過程的全盤自動化，實現(xiàn)自動化工廠。1010101001000少零件品種數(shù)多10000100010010大零件批量小數(shù)控機(jī)床通用機(jī)床柔性制造單元柔性制造系統(tǒng)柔性制造生產(chǎn)線專用機(jī)床自動線生產(chǎn)率提高柔性增大柔性制造適合多品種、中小批量生產(chǎn)1021967年，英國莫林斯公司首次根據(jù)威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系統(tǒng)24”。目標(biāo)是在無人看管條件下，實現(xiàn)晝夜24小時連續(xù)加工，但最終由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的困難而未全部建成。

同年，美國的森斯特蘭公司建成系統(tǒng)：由8臺加工中心、2臺多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機(jī)床間傳送和進(jìn)行加工。3.FMT的發(fā)展103在60年代末至70年代初,日本、前蘇聯(lián)、德國等也都先后開展了FMS的研制工作。

1976年，日本發(fā)那科公司展出柔性制造單元(簡稱FMC)：由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成。為發(fā)展FMS提供了重要的設(shè)備形式。104

1982年，日本發(fā)那科公司建成自動化電機(jī)加工車間：由60個柔性制造單元（包括50個工業(yè)機(jī)器人）、一個立體倉庫、兩臺自動引導(dǎo)臺車傳送毛坯和工件組成。另有，此外還有一個無人化電機(jī)裝配車間，它們都能連續(xù)24小時運(yùn)轉(zhuǎn)。

105106二、FMS的定義、功能及特點

由若干臺數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲系統(tǒng)和計算機(jī)控制的信息系統(tǒng)組成的，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)。1.FMS的定義107

1）自動制造功能，在柔性制造系統(tǒng)中，由數(shù)控機(jī)床這類設(shè)備承擔(dān)制造任務(wù)；2）自動交換工件和刀具的功能；3）自動輸送工件和刀具的功能；4）自動保管毛坯、工件、半成品、工夾具、模具的功能；5）自動監(jiān)視功能（即刀具磨損、破損的監(jiān)測），自動補(bǔ)償，自診斷等；6）作業(yè)計劃與調(diào)度。2.FMS的主要功能1083.FMS的特點1）柔性高，適應(yīng)多品種中小批量生產(chǎn)；2）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；3）可混流加工不同的零件；4）系統(tǒng)局部調(diào)整或維修不中斷整個系統(tǒng)的運(yùn)作；5）遞階結(jié)構(gòu)的計算機(jī)控制，可以上層計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信；6）可進(jìn)行無人值守生產(chǎn)。1094.FMS的組成

（1）加工系統(tǒng)：CNC、MC、FMC機(jī)床、測量機(jī)、清洗機(jī)、動平衡機(jī)等設(shè)備。1104.FMS的組成

（2）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。1114.FMS的組成

（3）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。1124.FMS的組成

（4）控制系統(tǒng)：對FMS進(jìn)行計劃調(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。1134.FMS的組成

（5）其他：冷卻、潤滑、排屑、清洗、去毛刺等附屬設(shè)備。

114115116117118

（1）功能能以任意順序自動加工各種工件；能自動地更換工件和刀具。

（2）組成機(jī)床設(shè)備（兩臺以上CNC機(jī)床）、夾具、托盤和自動上下料機(jī)構(gòu)。三、FMS的加工系統(tǒng)1.加工系統(tǒng)的功能與組成其結(jié)構(gòu)形式及數(shù)量、規(guī)格和類型取決于工件的形狀、尺寸和精度要求，生產(chǎn)批量。119加工的零件主要有兩類：

棱體類零件：如箱體、框架、平板等；

回轉(zhuǎn)體類零件。

加工棱體類零件：一般選用立式、臥式或立臥兩用加工中心、數(shù)控組合機(jī)床（數(shù)控專用機(jī)床、可換主軸箱機(jī)床等）和托盤交換器等構(gòu)成。2.加工系統(tǒng)常用配置形式120常見加工中心的分類

按工藝用途可分為：

鏜銑加工中心、車削加工中心、鉆削加工中心、攻螺紋加工中心及磨削加工中心等。

按主軸在加工時的空間位置可分為：立式加工中心、臥式加工中心、立臥兩用（也稱萬能、五面體、復(fù)合）加工中心。121臥式加工中心

1-主軸頭2-刀庫3-立柱4-立柱底座5-回轉(zhuǎn)工作臺、6-工作臺底座

122臥式加工中心123124臥式鏜銑加工中心125DMC63V數(shù)控三軸立式加工中心126

加工回轉(zhuǎn)體類零件：選用數(shù)控車床或車削加工中心機(jī)床、數(shù)控組合機(jī)床和上下料機(jī)械手或機(jī)器人及棒料輸送裝置等構(gòu)成。2.加工系統(tǒng)常用配置形式127車削加工中心

1-刀庫2-回轉(zhuǎn)刀架3-換刀機(jī)械手4-上下工件機(jī)器人5-工件存儲站

128TX320數(shù)控4軸車銑中心129機(jī)床設(shè)備的配置形式：互替式、互補(bǔ)式和混合式。（1）互替式：機(jī)床是一種并聯(lián)關(guān)系，功能可互相替代，工件可隨機(jī)輸送到任何一臺加工。系統(tǒng)可維持正常的工作。

當(dāng)所選定零件組的全部工序可以被一種機(jī)床獨立完成時，F(xiàn)MS可以只配置數(shù)量足夠的相同型號機(jī)床，這些機(jī)床之間是可以相互代替的。130

（2）互補(bǔ)式：功能是互相補(bǔ)充的，各自完成特定的加工任務(wù)。生產(chǎn)率高，可靠性低。

當(dāng)所選定零件組的全部工序不能被一種機(jī)床獨立完成時，F(xiàn)MS需要配置幾種不同型號的機(jī)床，各自完成特定的工作，這些機(jī)床之間是互相補(bǔ)充的，不能相互替代。131（3）混合式：有些機(jī)床按互替形式布置，有些則按互補(bǔ)形式布置，以發(fā)揮各自的優(yōu)點。132包括機(jī)床夾具、托盤、自動上下料裝置等。

（1）機(jī)床夾具

要求：盡可能一次裝夾便能完成所有部位加工。

單一夾具：裝夾多個工件。

3.加工系統(tǒng)的輔助裝置133組合夾具組合夾具：使夾具零件標(biāo)準(zhǔn)化，拼裝成夾具。134柔性夾具：一部夾具能裝夾多個不同加工工件。柔性夾具1-液壓缸2-夾緊元件3-支撐元件4-定位元件

135

（2）托盤工件通過夾具裝在托盤上。加工時，托盤支撐工件完成加工任務(wù)。

輸送時托盤承載著工件和夾具在機(jī)床之間進(jìn)行傳送。是連接所有加工單元的接口。連接成為一個系統(tǒng)整體。托盤采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式。國際標(biāo)準(zhǔn)。136ISO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底面8-工件固定孔9-托盤夾緊面10-托盤定位面137138

（3）自動上下料裝置有托盤交換器和工業(yè)機(jī)器人。

托盤交換器：作為聯(lián)接加工系統(tǒng)和物料運(yùn)儲系統(tǒng)的橋梁，還作為工件的暫時儲存器?？梢源鎯讉€工件。139回轉(zhuǎn)式托盤交換器

140往復(fù)式托盤交換器

1-加工中心2-工作臺3-托盤庫4-托盤141142功能：對工件和原材料進(jìn)行自動裝卸、運(yùn)輸和存儲。

是重要組成部分。毛坯到成品過程，很少時間在機(jī)床上，大部分時間在物料的運(yùn)儲過程。合理，大大減少物料的運(yùn)送時間，提高系統(tǒng)的柔性和效率。四、FMS的工件運(yùn)儲系統(tǒng)1.組成143由工件裝卸站、托盤緩沖站、物料運(yùn)載裝置（自動運(yùn)輸小車或機(jī)器人）、自動化倉庫等組成。

四、FMS的工件運(yùn)儲系統(tǒng)1.組成144

（1）工件裝卸站設(shè)在FMS入口處，通常由人口完成對毛坯和已加工工件的裝卸。145

（2）托盤緩沖站（托盤庫）待加工零件的中間存儲站。起著緩沖物料的作用。設(shè)置在機(jī)床的附近，呈直線或環(huán)行布置，可存儲若干工件。146托盤緩沖站托盤交換器加工中心托盤和工件托盤和工件147

（3）自動化倉庫布置和存放物料。毛坯庫、在制品庫和成品庫等多個存儲單元。采用多層立體布局結(jié)構(gòu)形式，由計算機(jī)控制，服從FMS的命令和調(diào)度。

功能：在管理信息系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)毛坯、半成品、配套件或成品的自動存儲。148FMS中常見的物料存儲裝置a)立體倉庫；b)水平回轉(zhuǎn)型自動料架；c)垂直回轉(zhuǎn)型自動料架；d）緩沖料架149自動化倉庫示意圖

150①貨架

為一個個存儲單元，存儲籠設(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)。每種物料都有物料碼。151②堆垛機(jī)

由托架、貨叉、支柱、上下導(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。

堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1-上導(dǎo)軌2-支柱3-物料4-托架5-移動電動機(jī)6-傳感器152③控制與管理系統(tǒng)

負(fù)責(zé)物料信息的登錄、識別：物料入庫登錄；物料的自動識別，采用條形碼。條形碼閱讀器。

物料自動存?。何锪洗娣诺牡刂份斎胗嬎銠C(jī)，控制堆垛機(jī)移動自動檢索存放的地址。

倉庫管理：對全倉庫物資、賬目、貨位以及其他物料信息進(jìn)行管理，打印報表。153154

自動化立體倉庫155

自動化立體倉庫立體倉庫156

（4）物料運(yùn)載裝置

功能：負(fù)責(zé)工件與其它物料的運(yùn)送工作，擔(dān)負(fù)物料在各機(jī)床、自動化倉庫和托盤緩沖器之間的搬運(yùn)和輸送工作。有傳送帶、自動運(yùn)輸小車和搬運(yùn)機(jī)器人等。157

1）傳送帶一般用于小零件加工系統(tǒng)中的短程傳送，占據(jù)空間大，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易失靈，用得是越來越少。158結(jié)構(gòu)：車體安裝平臺蓄電池控制系統(tǒng)托盤交換裝置（輥輪式、滑叉式、升降臺式）

自動導(dǎo)向小車

2)自動運(yùn)輸小車

是一種由計算機(jī)控制，按照一定程序或軌道自動完成運(yùn)輸任務(wù)的搬運(yùn)工具。無人駕駛

159

有軌小車(RailGuidedVehicle,RGV)

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。

2)自動運(yùn)輸小車160161

主要有線導(dǎo)小車、光導(dǎo)小車、激光燈臺制導(dǎo)小車等。

2)自動運(yùn)輸小車

無軌小車（AutomaticGuidedVehicle,AGV）

162光導(dǎo)小車1633)搬運(yùn)機(jī)器人164165166由刀具預(yù)調(diào)站、刀具裝卸站、刀庫系統(tǒng)、刀具運(yùn)載交換裝置以及計算機(jī)控制管理系統(tǒng)組成。

1.組成及作業(yè)過程五、FMS的刀具運(yùn)儲系統(tǒng)

功能：負(fù)責(zé)刀具的運(yùn)輸、存儲和管理。向數(shù)控機(jī)床提供所需刀具；監(jiān)控刀具的使用，取走報廢刀具。167由刀具預(yù)調(diào)站、刀具裝卸站、刀庫系統(tǒng)、刀具運(yùn)載交換裝置以及計算機(jī)控制管理系統(tǒng)組成。

刀具預(yù)調(diào)站：設(shè)在FMS之外，用于刀具進(jìn)行預(yù)先調(diào)整。

刀具裝卸站：是刀具進(jìn)出的入口，是框架式，專用刀具排架。168

刀庫系統(tǒng)：

機(jī)床刀庫：機(jī)床刀具存放加工單元當(dāng)前所需要的刀具；

中央刀庫：中央刀具存放各個加工單元共享的刀具，容量大，容納數(shù)千把刀具。

刀具運(yùn)載交換裝置：負(fù)責(zé)刀具運(yùn)輸和交換，適時向加工單元提供所需刀具。刀具輸送小車或機(jī)器人、換刀機(jī)械手。

169

計算機(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，及時取走已報廢或壽命已耗盡的刀具。170刀具運(yùn)儲系統(tǒng)作業(yè)過程刀具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廢刀具