先進制造技術(shù)第四章

第四章制造自動化技術(shù)一概述二機床數(shù)控技術(shù)三工業(yè)機器人四柔性制造系統(tǒng)第一節(jié)概述一、制造自動化技術(shù)內(nèi)涵

自動化（Automation）是美國通用汽車公司D.S.Harder先生于1936年提出來的，其核心含義是“自動地去完成特定的作業(yè)”。當時Harder先生所說的特定作業(yè)，是指零件在機器之間轉(zhuǎn)移的自動搬運，自動化功能目標是代替人的體力勞動。隨著技術(shù)的進步，自動化的功能目標在不斷地隨著自動化手段的提高、時代的進步而變化。在計算機用于自動化之前，自動化的功能目標是以省力為主要目的，以代替人的體力勞動。▲

隨著計算機和信息技術(shù)的發(fā)展，計算機和信息技術(shù)作為自動化技術(shù)的重要手段，使自動化的視野大大擴展，自動化的功能目標不再僅僅是代替人的體力勞動，而且還須代替人的部分腦力勞動?！凇蔼M義制造”概念下，制造自動化的含義是生產(chǎn)車間內(nèi)產(chǎn)品的機械加工和裝配檢驗過程的自動化，包括切削加工自動化、工件裝卸自動化、工件儲運自動化、零件與產(chǎn)品清潔及檢驗自動化、斷屑與排屑自動化、裝配自動化、機器故障診斷自動化等。▲在“廣義制造”概念下，制造自動化則包含了產(chǎn)品設計自動化、企業(yè)管理自動化、加工過程自動化和質(zhì)量控制自動化等產(chǎn)品制造全過程以及各個環(huán)節(jié)綜合集成自動化，以使產(chǎn)品制造過程實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、及時、潔凈的目標?！圃熳詣踊偈怪圃鞓I(yè)逐漸由勞動密集型產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型和知識密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變?！圃熳詣踊夹g(shù)是制造業(yè)發(fā)展的重要標志，代表著先進制造技術(shù)的水平，也體現(xiàn)了一個國家科技水平的高低?！捎弥圃熳詣踊夹g(shù)不僅顯著地提高勞動生產(chǎn)率、大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、提高經(jīng)濟效益，還有效地改善勞動條件、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，大大提高企業(yè)的市場競爭能力。二、制造自動化技術(shù)的興起及現(xiàn)狀▲19世紀末期，機械化生產(chǎn)開始出現(xiàn)；20世紀中葉，自動化車床開始出現(xiàn)；1947年，第一個機械加工自動線在美國福特汽車公司投產(chǎn)；20世紀50年代柔性自動化生產(chǎn)開始出現(xiàn)（以數(shù)控車床為代表）20世紀70年代誕生了柔性制造系統(tǒng)；20世紀80年代開始出現(xiàn)了計算機集成制造系統(tǒng)?！仡櫄v史，可將制造自動化的發(fā)展分為剛性自動化、柔性自動化和綜合自動化三個發(fā)展階段?！鰟傂宰詣踊诎胱詣雍妥詣訖C床、組合機床、組合機床自動線出現(xiàn)，解決了單一品種大批量生產(chǎn)自動化問題特點是生產(chǎn)效率高、加工品種單一。20世紀50年代達到了頂峰。■柔性自動化為滿足多品種小批量甚至單件生產(chǎn)自動化的需要，出現(xiàn)了一系列柔性制造自動化技術(shù):如數(shù)控技術(shù)（NC）、計算機數(shù)控（CNC）、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等?！鼍C合自動化隨著計算機及其應用技術(shù)的迅速發(fā)展，各項單元自動化技術(shù)的逐漸成熟，為充分利用資源，發(fā)揮綜合效益自20世紀80年代以來以計算機為中心的綜合自動化得到了發(fā)展，如計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、并行工程（CE）、精益生產(chǎn)（LP）、敏捷制造（AM）等模式得到了發(fā)展和應用當前制造自動化技術(shù)研究領(lǐng)域和方向■制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)已成為研究熱點■更加注重制造自動化系統(tǒng)中人因作用的研究

■數(shù)控單元系統(tǒng)的研究占有重要位置

■制造過程的計劃和調(diào)度研究十分活躍

■柔性制造技術(shù)的研究向著深度和廣度發(fā)展

■現(xiàn)代生產(chǎn)模式制造環(huán)境的研究正在興起

■底層加工系統(tǒng)的智能化和集成化研究越來越活躍三、制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢縱觀新世紀的制造自動化技術(shù)發(fā)展趨勢，可用六化來概括，即敏捷化、網(wǎng)絡化、虛擬化、智能化、全球化、綠色化。1

制造敏捷化敏捷化制造環(huán)境和制造過程是新世紀制造活動的必然趨勢，其核心是使企業(yè)對面臨市場競爭作出快速響應，利用企業(yè)內(nèi)外各方面的優(yōu)勢，形成動態(tài)聯(lián)盟，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，盡快搶占市場。2

制造網(wǎng)絡化基于Internet的制造已成為當今制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢，包括企業(yè)制造環(huán)境的網(wǎng)絡化和企業(yè)與企業(yè)之間的網(wǎng)絡化。通過制造環(huán)境的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)制造過程的集成，實現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)營管理、工程設計和制造控制等各子系統(tǒng)的集成通過企業(yè)與企業(yè)間的網(wǎng)絡化，可實現(xiàn)異地制造、遠程協(xié)調(diào)作業(yè)。3

制造虛擬化包括設計過程的擬實技術(shù)和加工制造過程的虛擬技術(shù)。擬實技術(shù)是面向產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能的分析，以優(yōu)化產(chǎn)品本身性能和成本為目標；虛擬技術(shù)是面向產(chǎn)品生產(chǎn)過程的模擬和檢驗，檢驗產(chǎn)品的可加工性、加工工藝的合理性。制造虛擬化的核心是計算機仿真，通過仿真來模擬真實系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)設計與生產(chǎn)中可避免的缺陷和錯誤，保證產(chǎn)品的制造過程一次成功。4

制造智能化智能制造技術(shù)的宗旨在于擴大、延伸以及部分取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，以實現(xiàn)優(yōu)化的制造過程。智能制造包含智能計算機、智能機器人、智能加工設備、智能生產(chǎn)線等。智能制造系統(tǒng)是制造系統(tǒng)發(fā)展的最高階段，即從柔性制造系統(tǒng)、集成制造系統(tǒng)向智能制造系統(tǒng)發(fā)展。5

制造全球化制造網(wǎng)絡化和敏捷化策略的實施，促進了制造全球化的研究和發(fā)展。包括市場的國際化，目前產(chǎn)品銷售的全球網(wǎng)絡正在形成；產(chǎn)品設計和開發(fā)的國際合作及產(chǎn)品制造的跨國化；制造企業(yè)在世界范圍內(nèi)的重組與集成，制造資源的跨地區(qū)、跨國家的協(xié)調(diào)、共享和優(yōu)化利用；全球制造的體系結(jié)構(gòu)將會形成。6

制造綠色化制造業(yè)是創(chuàng)造人類財富的支柱產(chǎn)業(yè)，但同時又是環(huán)境污染的主要源第二節(jié)機機床數(shù)數(shù)控技術(shù)術(shù)一、機床床數(shù)控系系統(tǒng)1、機床床數(shù)控系系統(tǒng)的組組成及功功能原理理CNC系系統(tǒng)組成成：數(shù)控控裝置、、PLC、伺服服驅(qū)動動裝置置、I/O接口、、控制制面板板、人人機界界面數(shù)控裝裝置功功能：：控制功功能-單軸、、多軸軸聯(lián)動動控制制準備功功能-包括移移動、、暫停停、坐坐標設設定、、固定定循環(huán)環(huán)等功功能插補功功能-直線插插補、、圓弧弧插補補、拋拋物線線等輔助功功能-主軸啟啟停、、冷卻卻潤滑滑通斷斷、刀刀庫的的啟停停等補償功功能-刀具半半徑/刀具、、反向向間隙隙、螺螺距、、溫度度等補補償功功能PLC功能能：控控制面面板、、主軸軸停啟啟與換換向、、刀具具更換換、冷冷卻潤潤滑啟啟停、、工件件夾緊緊與松松開、、工作作臺分分度等等開關(guān)關(guān)量的的控制制CNC系統(tǒng)統(tǒng)的組組成原原理2、數(shù)數(shù)控系系統(tǒng)的的硬件件結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)控系系統(tǒng)從從硬件件結(jié)構(gòu)構(gòu)上可可分為為單CPU結(jié)結(jié)構(gòu)、、多▲CPU結(jié)構(gòu)構(gòu)、直直接采采用PC計計算機機的系系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)?！鴨蜟PU結(jié)結(jié)構(gòu)：通過過總線線使CPU與存儲儲器和和各種種接口口相連連接，，集中中控制制、分分時處處理工工作方方式多CPU結(jié)結(jié)構(gòu)：多個個CPU通過公公用地地址和和數(shù)據(jù)據(jù)總線線互連連，各各自完完成功功能，，系統(tǒng)統(tǒng)速度度高、、處理理能力力強▲直接采用PC計算機機的系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)：具有微機機豐富的軟軟硬件資源源、友好的的人機界面面、擁有多多媒體和網(wǎng)網(wǎng)絡功能，，是當前數(shù)數(shù)控系統(tǒng)的的發(fā)展方向向3、數(shù)控系系統(tǒng)的軟件件組成4、開放式式數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)越越來越廣泛泛的應用到到各種控制制領(lǐng)域，同同時也不斷斷地對數(shù)控控系統(tǒng)軟件件硬件提出出了新的要要求其中較較為突出的的是要求系系統(tǒng)具有開放放性性，以以滿滿足足CNC系統(tǒng)統(tǒng)快快速速發(fā)發(fā)展展和和用用戶戶自自主主開開發(fā)發(fā)需需要要實現(xiàn)現(xiàn)基基于于PC微微機機開開放放式式數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)有有如如下下三三種種途途徑徑：：▲專用用數(shù)數(shù)控控嵌嵌入入PC主板板是專專用用數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)商商提提供供的的形形式式，，僅僅限限于于PC部分分開開放放，，其其專專用用數(shù)數(shù)控控部部分分仍仍處處于于封封閉閉狀狀態(tài)態(tài)。?！鳳C機+運動動控控制制卡卡提供供底底層層數(shù)數(shù)控控接接口口，，支支持持二二次次開開發(fā)發(fā)和和擴擴展展，，有有上上下下兩兩級級開開放放性性，，如如PMAC運動動控控制制器器。?！働C軟件件型型尚未未形形成成商商品品，，代代表表數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)發(fā)發(fā)展展方方向向二、機床伺服服系統(tǒng)1、機床進給給伺服系統(tǒng)一般是由位置控制單元、、速度控制單單元、伺服電電機、檢測單單元四部分組成，，通常將位置置控制單元與與數(shù)控裝置做做在一起，習習慣上所稱的的伺服單元或或驅(qū)動單元僅僅包含速度控控制單元。機床伺服系統(tǒng)統(tǒng)的分類:▲按照私服系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點點分為：開環(huán)環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)、半閉閉環(huán)系統(tǒng)、混混合閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)。應用最廣廣泛的是半閉閉環(huán)結(jié)構(gòu)▲按照驅(qū)動電機機分為：步進進伺服、直流流伺服、交流流伺服半閉環(huán)控制系系統(tǒng)■目前交流伺服服系統(tǒng)的交流流電機主要采采用異步電動機和永磁同步電動動機兩種。異步電動機功率大、精度度稍低、多用用于主軸電電機永磁同步電動動機精度要求高、、價格貴，多多用于容量小的進給伺服服電機■交流伺服驅(qū)動動器有模擬式和數(shù)字式之分。模擬式工作速度快，，系統(tǒng)頻率寬寬，體積大、、器件多、不不易調(diào)試數(shù)字式控制方式改變變僅需改變軟軟件，柔性好好，結(jié)構(gòu)緊湊湊，重復性好好■檢測元件：旋轉(zhuǎn)變壓器、、脈沖編碼器器等旋轉(zhuǎn)變壓器是是一種輸出的的電壓與角位位移量成連續(xù)續(xù)函數(shù)關(guān)系的的感應式微型型電動機。脈沖編碼器是是機床上應用用最多的傳感感器，可分為為增量式、絕絕對式、混合合式三種，其其中增量式較較為普遍。三、數(shù)控加工工編程技術(shù)1、數(shù)控加工工編程一般步步驟，數(shù)控加工編程程就是將零件件的工藝過程程、工藝參數(shù)數(shù)、刀具位移移量、位移方方向以及其他他輔助動作按按照運動順序序和所用數(shù)控控系統(tǒng)規(guī)定得得坐標系和指指令代碼及格格式來編程加加工程序單，，經(jīng)校核、試試切無誤后制制備在儲存介介質(zhì)上，然后后再由相應的的閱讀器將程程序輸入數(shù)控控裝置，從而而控制數(shù)控設設備的運行。。一般可分為工工藝處理、數(shù)數(shù)值計算、編編制零件加工工程序單、輸輸入數(shù)控程序序、程序校驗驗。手工編程只能能編制那些幾幾何形狀不復復雜、計算量量不是很大、、加工程序不不多的簡單零零件，對于一一些復雜零件件，如帶有非非圓曲面、自自由曲面的輪輪廓、模具型型腔等，手工工編程則變得得極為困難。。2、計算機輔輔助數(shù)控加工工編程▲快速而準確的的編制數(shù)控加加工程序就成成為數(shù)控技術(shù)術(shù)發(fā)展和應用用中德一個重重要環(huán)節(jié)，計計算機輔助數(shù)數(shù)控加工編程程技術(shù)正是針針對這一問題題而產(chǎn)生和發(fā)發(fā)展起來的。?！嬎銠C輔助數(shù)數(shù)控數(shù)控加工工程序分為兩兩種不同的形形式：一是借借助于數(shù)控語言進行行自動編程，二是利用CAD/CAM軟件工具具完成數(shù)控加加工程序的編制。■與數(shù)控語言自自動編程比較較，利用CAD/CAM軟件系統(tǒng)進進行數(shù)控編程程具有以下特特點：?將零件數(shù)控控加工編程過過程中的幾何何造型、刀位位計算、圖形形顯示和后置置處理等作業(yè)業(yè)過程結(jié)合在在一起，有效效解決了編程程的數(shù)據(jù)來源源、圖形顯示示、加工模擬擬和交互修改改問題。?編程是在計計算機上直接接面向零件的的三維實體圖圖形進行，不不需要用戶編編制零件加工工源程序，用用戶界面友好好，使用簡潔潔、直觀、準準確，便于檢檢查。?有利于實現(xiàn)現(xiàn)系統(tǒng)的集成成，不僅能夠夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的的設計與數(shù)控控編程的集合合，還便于工工藝設計、刀刀具量具設計計等其他生產(chǎn)產(chǎn)過程的集成成。CAD/CAM系統(tǒng)數(shù)控控編程，它是是利用CAD造型所生成成的三維幾何何實體，采用用人機交互的的方式、有操操作者在計算算機屏幕上指指定三維實體體被加工的部部位，輸入適適合的切削參參數(shù)和刀具參參數(shù)，交互選選擇走刀方式式，然后由系系統(tǒng)自動進行行刀具軌跡計計算和處理，，生成刀為位位文件。計算機輔助數(shù)數(shù)控編程四、機床數(shù)控控技術(shù)發(fā)展趨趨勢從三個方面討討論機床數(shù)控控技術(shù)的發(fā)展展趨勢▲性能發(fā)展方面面1高速高精精高效化進給速度80-120m/min，加速度1-2g，主軸dn=(1-3)*106，換刀小于1s；加工精度0.1μm，甚至0.01μm2柔性化功能覆蓋面大大，便于不同同用戶的需求求；物料流和和信息流自動動動態(tài)調(diào)整3工藝復合化化和多軸化如FANUC15可控軸數(shù)和聯(lián)聯(lián)動軸數(shù)均達達到24軸4實時智能化化配置編程專家家系統(tǒng)、故障障診斷專家系系統(tǒng)，實現(xiàn)自自適應控制和和模糊控制數(shù)控系統(tǒng)功能能方面1用戶界面面圖形化方便了用戶，，便于編程和