自動化生產(chǎn)線和機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用

智能化制造系統(tǒng)由于其加工工藝范圍很廣，涉及到很多設(shè)備。本課程主要介紹常用自動化生產(chǎn)線和工業(yè)機(jī)器人的類型及布局、各種自動化加工設(shè)備、工件的儲運系統(tǒng)、刀具準(zhǔn)備及儲運系統(tǒng)、控制與監(jiān)控系統(tǒng)、各種輔助設(shè)備以及自動化制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。1.剛性半自動化單機(jī)除上、下料外，機(jī)床可以自動完成單個工藝過程的加工循環(huán)，這樣的機(jī)床稱為剛性半自動化機(jī)床。2.剛性自動化單機(jī)它是在剛性半自動化單機(jī)的基礎(chǔ)上增加了自動上、下料等輔助裝置而形成的自動化機(jī)床。3.剛性自動化生產(chǎn)線剛性自動化生產(chǎn)線是多工位生產(chǎn)過程，用工件輸送系統(tǒng)將各種自動化加工設(shè)備和輔助設(shè)備按一定的順序連接起來，在控制系統(tǒng)的作用下完成單個零件加工的復(fù)雜大系統(tǒng)。圖1-1所示為加工曲拐零件的剛性自動線總體布局圖。該自動線年生產(chǎn)曲拐零件17000件，毛坯是球墨鑄鐵件。由于工件形狀不規(guī)則，沒有合適的輸送基面，因而采用了隨行夾具安裝定位，便于工件的輸送。1-1曲拐加工自動線(a)正視圖；(b)俯視圖該曲拐加工自動線由七臺組合機(jī)床和一個裝卸工位組成。全線定位夾緊機(jī)構(gòu)由一個泵站集中供油。工件的輸送采用步伐式輸送帶，輸送帶用鋼絲繩牽引式傳動裝置驅(qū)動。1.2柔性制造單元(FMC)柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell）由單臺數(shù)控機(jī)床、加工中心、工件自動輸送及更換系統(tǒng)等1.FMC控制系統(tǒng)FMC控制系統(tǒng)一般分為兩級，分別是單元控制級和設(shè)備控制級。（1）設(shè)備控制級。（2）單元控制級。2.FMC的基本控制功能FMC的基本控制功能包括：（1）單元中各加工設(shè)備的任務(wù)管理與調(diào)度。（2）單元內(nèi)物流設(shè)備的管理與調(diào)度。（3）刀具系統(tǒng)的管理。圖1-2所示為一以加工回轉(zhuǎn)體零件為主的柔性制造單元。圖1-2柔性制造單元圖1-3所示是加工棱體零件的柔性制造單元。單元主機(jī)是一臺臥式加工中心，刀庫容量為70把，采用雙機(jī)械手換刀，配有8工位自動交換托盤庫。托盤庫為環(huán)形轉(zhuǎn)盤，托盤庫臺面支承在圓柱環(huán)形導(dǎo)軌上，由內(nèi)側(cè)的環(huán)鏈拖動而回轉(zhuǎn)，鏈輪由電機(jī)驅(qū)動。圖1-3帶托盤庫的柔性制造單元常用的機(jī)械加工方法和設(shè)備銑削銑削鏜削鏜削鉆削鉆削精密及特種加工方法常用機(jī)械加工方法精密及特種加工方法激光加工激光加工超聲加工超聲加工1.3柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem）由兩臺或兩臺以上加工中心或數(shù)控機(jī)床組成，并在加工自動化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了物料流和信息流的自動化。其基本組成部分有：自動化加工設(shè)備、工件儲運系統(tǒng)、刀具儲運系統(tǒng)和多層計算機(jī)控制系統(tǒng)等。組成FMS的自動化加工設(shè)備有數(shù)控機(jī)床、加工中心、車削中心等，也可能是柔性制造單元。2.工件儲運系統(tǒng)FMS工件儲運系統(tǒng)由工件庫、工件運輸設(shè)備和更換裝置等組成。工件庫包括自動化立體倉庫和托盤（工件）緩沖站。工件運輸設(shè)備包括各種傳送帶、運輸小車、機(jī)器人或機(jī)械手等;工件更換裝置包括各種機(jī)器人或機(jī)械手、托盤交換裝置等。3.刀具儲運系統(tǒng)FMS的刀具儲運系統(tǒng)由刀具庫、刀具輸送裝置和交換機(jī)構(gòu)等組成。4.輔助設(shè)備FMS可以根據(jù)生產(chǎn)需要配置輔助設(shè)備。輔助設(shè)備一般包括自動清洗工作站,自動去毛刺設(shè)備,自動測量設(shè)備,集中切屑運輸系統(tǒng)和集中冷卻潤滑系統(tǒng)等。5.多層計算機(jī)控制系統(tǒng)FMS的控制系統(tǒng)采用三級控制，分別是單元控制級、工作站控制級、設(shè)備控制級。圖1-4就是一個FMS控制系統(tǒng)實例，系統(tǒng)包括自動導(dǎo)向小車（AGV）、TH6350臥式加工中心、XH714A立式加工中心和倉儲設(shè)備等。（1）設(shè)備控制級。（2）工作站控制級。（3）單元控制級。單元控制器加工工作站W(wǎng)SC物流工作站W(wǎng)SC加工工作站W(wǎng)SC物流工作站W(wǎng)SC2AGV圖1-4FMS控制系統(tǒng)實例圖1-5是一種較典型的FMS，四臺加工中心直線布置，工件儲運系統(tǒng)由托盤站2、托盤輸送車4、工件裝卸工位3和布置在加工中心前面的托盤交換裝置12等組成。圖1-5柔性制造系統(tǒng)的組成柔性制造系統(tǒng)的主要特點有：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充和相互替代的；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)的運作；⑤多層計算機(jī)控制，可以和上層計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)；⑥可進(jìn)行三班無人干預(yù)生產(chǎn)。圖1-6所示是一個具有裝配功能的柔性制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)的主要特點有：柔性高，適應(yīng)多品種中、小批量生產(chǎn)；系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)床工藝能力上是相互補充和相互替代的；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)的運作；多層計算機(jī)控制，可以和上層計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)；可進(jìn)行三班無人干預(yù)生產(chǎn)。1.4柔性制造線(FML)柔性制造線（FlexibleManufacturingLine）由自動化加工設(shè)備、工件輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。圖1-6具有裝配功能的柔性制造系統(tǒng)柔性制造線的主要優(yōu)點是：具有剛性自動線的絕大部分優(yōu)點；當(dāng)批量不很大時，生產(chǎn)成本比剛性自動線低得多；當(dāng)品種改變時，系統(tǒng)所需的調(diào)整時間又比剛性自動線少得多，但建立系統(tǒng)的總費用卻比剛性自動線高得多。2.工件輸送系統(tǒng);圖1-7為一加工箱體零件的柔性自動線示意圖，它由兩臺對面布置的數(shù)控銑床，四臺兩兩對面布置的轉(zhuǎn)塔式換箱機(jī)床和一臺循環(huán)式換箱機(jī)床組成。采用輥子傳送帶輸送工件。這條自動線看起來和剛性自動線沒有什么區(qū)別，但它具有一定的柔性。FML同時具有剛性自動線和FMS的某些特征，在柔性上接近FMS，在生產(chǎn)率上接近剛性自動線。圖1-7柔性制造線示意圖數(shù)控機(jī)床、可換主軸箱機(jī)數(shù)控機(jī)床、可換主軸箱機(jī)床工設(shè)備人工換刀工件輸送傳送帶鈑金柔性加工線2鈑金柔性加工線1鈑金柔性加工線2鈑金柔性加工線11.5柔性裝配線(FAL)柔性裝配線（FlexibleAssemblyLine）通常由裝配站、物料輸送裝置和控制系統(tǒng)等組成。FAL中的裝配站可以是可編程的裝配機(jī)器人,不可編程的自動裝配裝置和人工裝配工位。2.物料輸送裝置3.控制系統(tǒng)FAL的控制系統(tǒng)對全線進(jìn)行調(diào)度和監(jiān)控，主要控制物料的流向和自動裝配站、裝配機(jī)器人。圖1-8是FAL的示意圖。圖1-8柔性裝配線示意圖傳送帶和換向機(jī)構(gòu)傳送帶和換向機(jī)構(gòu)裝配機(jī)器人、裝配裝置、人工裝配工位全線進(jìn)行高度控物料輸送裝配裝配站控制系統(tǒng)和監(jiān)定時器自動裝配線定時器自動裝配線組合機(jī)床組合機(jī)床一般是針對某一種零件或某一組零件設(shè)計、制造的，常用于箱體、殼體和雜件類零件的平面、各種孔和孔系的加工．往往能在一臺機(jī)床上對工件進(jìn)行多刀、多軸、多面和多工位加工。組合機(jī)床的特點：①工序集中，多刀同時切削加工，生產(chǎn)效率高；②采用專用夾具和刀具(如復(fù)合刀具、導(dǎo)向套)，加工質(zhì)量穩(wěn)定；③常用液壓、氣動裝置對工件定位、夾緊和松開，實現(xiàn)工件裝夾自動化；④常用隨行夾具，方便工件裝卸和輸送；⑤更換主軸箱可適應(yīng)同組零件的加工，有一定的柔性；⑥采用可編程控制器控制可與上層控制計算機(jī)通信；⑦機(jī)床主要由通用部件組成，設(shè)計、制造周期短，建造自動化速度快。多工位小型組合機(jī)床多工位小型組合機(jī)床噴油泵體精鏜組合機(jī)床缸蓋精加工組合機(jī)床2.1一般數(shù)控機(jī)床一般數(shù)控機(jī)床通常是指數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜銑床等，它們的下述特點對其組成自動化制造系統(tǒng)是非常重要的。3.加工精度高且質(zhì)量穩(wěn)定4.生產(chǎn)效率較高5.具有刀具壽命管理功能6.具有通信功能現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床一般都具有通信接口，可以實現(xiàn)上層計算機(jī)與數(shù)控機(jī)床之間的通信，也可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，同時還可以直接對幾臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。通信功能是實現(xiàn)DNC、FMC、FMS的必備條件。圖3-10是數(shù)控裝置的基本組成框圖。存儲器23伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)編程介質(zhì)輸64存儲器23伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)編程介質(zhì)輸648坐標(biāo)軸輔助控制控制器入輔助控制控制器CAD/CAM7圖3-10數(shù)控裝置的基本組成框圖CNC系統(tǒng)由程序、輸入輸出設(shè)備、計算機(jī)數(shù)字控制裝置、可編程控制器（PC或可編程邏輯控制器PLC）、主軸控制單元及速度控制單元等部分組成，如圖3-11所示。輸入設(shè)備計算機(jī)數(shù)字控制裝置主軸控制單元主軸電機(jī)機(jī)床輸出設(shè)備輸入設(shè)備計算機(jī)數(shù)字控制裝置主軸控制單元主軸電機(jī)機(jī)床輸出設(shè)備控制器))進(jìn)給電機(jī)速度控制單元進(jìn)給電機(jī)位置檢測器圖3-11CNC系統(tǒng)框圖2.2加工中心(MC)加工中心的系統(tǒng)基本組成與一般數(shù)控機(jī)床一樣，只是在此基礎(chǔ)上增加了刀庫和自動換刀裝置而形成一類更復(fù)雜，但用途更廣，效率更高的數(shù)控機(jī)床。加工中心配置有刀庫和自動換刀裝置，能在一臺機(jī)床上完成車、銑、鏜、鉆、鉸、攻螺紋、輪廓加工等多個工序的加工。加工中心機(jī)床具有工序集中，可以有效縮短調(diào)整時間和搬運時間，減少在制品庫存，加工質(zhì)量高等優(yōu)點，因此常用于零件比較復(fù)雜，需要多工序加工，且生產(chǎn)批量中等的生產(chǎn)場合。加工中心通常是指鏜銑加工中心，主要用于加工箱體及殼體類零件，工藝范圍廣。工中心立式加工中心件的單面加工的多面工中心立式加工中心件的單面加工的多面加工中心的特點：普通數(shù)控機(jī)床普通數(shù)控機(jī)床復(fù)雜工作臺復(fù)雜工作臺刀具自動交換機(jī)構(gòu)刀具自動交換機(jī)構(gòu)多面加工多面加工工件自動交換順序存取順序存取隨機(jī)存取機(jī)械手加工中心的刀具庫通常位于遠(yuǎn)離主軸的機(jī)床側(cè)面或頂部。加工中心刀具的存取方式有順序方式和隨機(jī)方式，刀具隨機(jī)存取是最主要的方式。正確安放刀具是成功執(zhí)行數(shù)控程序的基本條件?；剞D(zhuǎn)工作臺是臥式加工中心實現(xiàn)主軸運動的部件，主軸的運動可作為分度運動或進(jìn)給運動。回轉(zhuǎn)工作臺有兩種結(jié)構(gòu)形式：僅用于分度的回轉(zhuǎn)工作臺用鼠齒盤定位，分度前工作臺抬起，使上、下鼠齒盤分離，分度后落下定位，上、下鼠齒盤嚙合，實現(xiàn)機(jī)械剛性連接；用于進(jìn)給運動的回轉(zhuǎn)工作臺用伺服電機(jī)驅(qū)動，用回轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器檢測及定位，并控制回轉(zhuǎn)速度，也稱數(shù)控工作臺。數(shù)控工作臺和X、Y、Z軸及其它附加運動構(gòu)成4～5軸輪廓控制，可加工復(fù)雜輪廓表面。車削中心車削中心比數(shù)控車床工藝范圍寬，工件一次安裝，幾乎能完成所有表面的加工，如內(nèi)、外圓表面，端面，溝槽，內(nèi)、外圓及端面上的螺旋槽，非回轉(zhuǎn)軸心線上的軸向孔和徑向孔車削中心回轉(zhuǎn)刀架上可安裝如鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐等回轉(zhuǎn)刀具，它們由單獨的電動機(jī)驅(qū)動，也稱自驅(qū)動刀具。在車削中心上用自驅(qū)動刀具對工件的加工分為兩種情況：一種是主軸分度定位后固定，對工件進(jìn)行鉆、銑、攻螺紋等加工；另一種是主軸運動作為一個控制軸（C軸C軸運動和X、Z軸運動合成為進(jìn)給運動，即三坐標(biāo)聯(lián)動，銑刀在工件表面上銑削各種形狀的溝槽、凸臺、平面等。車削中心回轉(zhuǎn)刀架通?？裳b刀具12～16把，這對無人看管柔性加工來說是不夠的。因此，有的車削中心裝備有刀具庫，刀庫有筒形或鏈形，刀具更換和存儲系統(tǒng)位于機(jī)床一側(cè)，刀庫和刀架間的刀具交換由機(jī)械手或?qū)ｉT機(jī)構(gòu)進(jìn)車削中心采用可快速更換的卡盤和卡爪，普通卡爪更換時間為5～10min，而快速更換卡盤、卡爪的時間可控制在2min以內(nèi)?？ūP有3～5套快速更換卡爪，以適應(yīng)不同直徑的工件。如果工件直徑變化很大，則需要更換卡盤。有時也采用人工在機(jī)床外部用卡盤夾持好工件，用夾持有新工件的卡盤更換已加工的工件卡盤的方法，工件-卡盤系統(tǒng)更換常采用自動更換裝置。 傳送帶傳送帶運輸小車運輸小車工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人托盤及托盤交換裝置托盤及托盤交換裝置步代式傳送帶步代式傳送帶擺桿步代式傳送帶擺桿步代式傳送帶鏈板履帶式傳送帶鏈板履帶式傳送帶輥道式傳送帶輥道式傳送帶有軌小車（有軌小車（RGV）3.1有軌小車（RGV）有軌小車（RailGuideVehicle）是一種沿著鐵軌行走的運輸工具，有自驅(qū)和它驅(qū)兩種驅(qū)動方式。自驅(qū)動有軌小車通過車上的小齒輪和安裝在鐵軌一側(cè)的齒條嚙合，利用交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動。它驅(qū)式有軌小車由外部鏈索牽引，在小車底盤的前、后各裝一導(dǎo)向銷，地面上修有一組固定路線的溝槽，導(dǎo)向銷嵌入溝槽內(nèi)，保證小車行進(jìn)時沿著溝槽移動。前面的銷桿除作定向用外，還作為鏈索牽動小車的推桿。推桿是活動的，可在套筒中上下滑動。鏈索每隔一定距離有一個推頭，小車前面的推桿可靈活地插入或脫開鏈索的推頭，由埋設(shè)在溝槽內(nèi)適當(dāng)?shù)攸c的接近開關(guān)和限位開關(guān)控制。推桿脫開鏈索的推頭，小車就停止。采用空架導(dǎo)軌和懸掛式機(jī)械手或機(jī)器人作為運輸工具也是一種發(fā)展趨勢，其主要優(yōu)點是充分利用空間，適合于運送中、大型工件，如汽車車架、車身等。有軌小車的特點是：加速和移動速度都比較快，適合運送重型工件；導(dǎo)軌固定，行走平穩(wěn)，停車位置比較準(zhǔn)確；控制系統(tǒng)簡單，可靠性好，制造成本低，便于推廣應(yīng)用；行走路線不便改變，轉(zhuǎn)彎角度不能太?。辉肼曒^大，影響操作工監(jiān)聽加工狀況及保護(hù)自身安全。1.AGV的結(jié)構(gòu)在自動化制造系統(tǒng)中使用的AGV大多數(shù)是磁感應(yīng)式AGV。圖1-13是一種能同時運送兩個工件的AGV，它由運輸小車、地下電纜和控制器三部分組成。MMMM2434434RMMRMM3－天線；4－感應(yīng)線圖1-13磁感應(yīng)AGV自動導(dǎo)向原理圖2.AGV的自動導(dǎo)向;圖1-13是磁感應(yīng)AGV自動導(dǎo)向原理圖，小車底部裝有弓形天線3，跨設(shè)于以感應(yīng)線4為中心且與感應(yīng)線垂直的平面內(nèi)。感應(yīng)線通以交變電流，產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)天線3偏離感應(yīng)線任何一側(cè)時，天線的兩對稱線圈中感應(yīng)電壓有差值，誤差信號經(jīng)過放大，驅(qū)動左、右電動機(jī)2;左、右電動機(jī)有轉(zhuǎn)速差，經(jīng)驅(qū)動輪1使小車轉(zhuǎn)向，使感應(yīng)線重新位于天線中心，直至誤差信號為零。3.路徑尋找;路徑尋找就是自動選取岔道，AGV在車間的行走路線比較復(fù)雜，有很多分岔點和交匯點。地面上有中央控制計算機(jī)負(fù)責(zé)車輛調(diào)度控制，AGV小車上帶有微處理器控制板，AGV的行走路線以圖表的格式存儲在計算機(jī)內(nèi)存中。自動化立體倉庫的主要特點有：利用計算機(jī)管理，物資庫存賬目清楚，物料存放位置準(zhǔn)確，對自動化制造系統(tǒng)物料需求響應(yīng)速度快；與搬運設(shè)備（如AGV、有軌小車、傳送帶）銜接,能可靠、及時地供給物料；減少庫存量，加速資金周轉(zhuǎn)；充分利用空間，減少廠房面積；減少工件損傷和物料丟失；可存放的物料范圍寬；減少管理人員，降低管理費用；耗資較大，適用于一定規(guī)模的生產(chǎn)。自動化立體倉庫主要由庫房、貨架、堆垛起重機(jī)、外圍輸送設(shè)備、自動控制裝置等組成。圖3-14所示為自動化立體倉庫，高層貨架成對布置，貨架之間有巷道，隨倉庫規(guī)模大小可以有一到若干條巷道。2.堆垛起重機(jī)堆垛起重機(jī)是立體倉庫內(nèi)部的搬運設(shè)備。堆垛起重機(jī)可采用有軌或無軌方式，其控制原理與運輸小車相似。倉庫高度很高的立體倉庫常采用有軌堆垛起重機(jī)。為增加穩(wěn)定性，采用兩條平行導(dǎo)軌，即天軌和地軌（如圖3-15所示）。圖3-15堆垛起重機(jī)自動化立體倉庫的控制與管理帳目、貨箱、貨位及其他信息的帳目、貨箱、貨位及其他信息的計算機(jī)管理。貨箱零件的自動識別、自動認(rèn)址、貨格狀態(tài)的自動檢測以及堆垛機(jī)各種動作的自動控制等。條形碼編碼技術(shù)條形碼編碼技術(shù)物資管理、帳目管理、貨位管理及信息管理堆垛起重機(jī)的控制、、刀具準(zhǔn)備與儲運系統(tǒng)為各加工設(shè)備及時提供所需要的刀具，實現(xiàn)刀具供給自動化，使自動化制造系統(tǒng)的自動化程度進(jìn)一步提高。刀具準(zhǔn)備與儲運系統(tǒng)為各加工設(shè)備及時提供所需要的刀具，實現(xiàn)刀具供給自動化，使自動化制造系統(tǒng)的自動化程度進(jìn)一步提高。剛性自動線中人工定時強(qiáng)制換刀，F(xiàn)MS中則非常復(fù)雜。模塊化的組合刀具使刀具幾何參數(shù)與名義值一致，并測量刀具補償值。中央刀庫通過刀具自動輸送裝置與機(jī)床刀庫連接起來，構(gòu)成自動刀具供給系統(tǒng)。刀具組裝刀具預(yù)調(diào)模塊化的組合刀具使刀具幾何參數(shù)與名義值一致，并測量刀具補償值。中央刀庫通過刀具自動輸送裝置與機(jī)床刀庫連接起來，構(gòu)成自動刀具供給系統(tǒng)。刀具組裝刀具預(yù)調(diào)刀庫與外部的界面機(jī)床刀庫有固定式和可換式。機(jī)械手分為單臂臂式和雙臂式。為各種機(jī)床刀庫及時提供所需要的刀具，并將磨損、破損的刀具送出系統(tǒng)。刀具進(jìn)出站刀具進(jìn)出站機(jī)床刀庫及換刀機(jī)械手機(jī)床刀庫及換刀機(jī)械手刀具輸送裝置和交換機(jī)構(gòu)刀具輸送裝置和交換機(jī)構(gòu)刀柄定位機(jī)構(gòu)Z、X軸測量機(jī)構(gòu)測量頭測量數(shù)據(jù)處理5.1工業(yè)機(jī)器人概況工業(yè)機(jī)器人是一種可編程的智能型自動化設(shè)備，是應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行控制的替代人進(jìn)行工作的高度自動化系統(tǒng)。機(jī)器人是從初級到高級逐步完善起來的，它的發(fā)展過程可以分為三代。第一代機(jī)器人是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它主要由夾持器、手臂、驅(qū)動器和控制器工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是一種可編程的多功能操作器，用于搬運物料、工件和工具，或者通過不同的編程以完成各種任務(wù)的設(shè)備。機(jī)器人和機(jī)械手的機(jī)器人和機(jī)械手的主要區(qū)別是：機(jī)械手是沒有自主能力，不可重復(fù)編程，只能完成定位點不變的簡單的重復(fù)動作；機(jī)器人是由計算機(jī)控制的，可重復(fù)編程，能完成任意定位的復(fù)雜運動。第二代機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人，它具有一些對外部信息進(jìn)行反饋的能力，諸如力覺、觸覺、視覺等。5.2工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人一般由主構(gòu)架（手臂）、手腕、驅(qū)動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制器及傳感器等組成。圖3-16是工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)。圖3-16工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的運動由主構(gòu)架和手腕完成。主構(gòu)架具有三個自由度，其運動由兩種基本運動組成，即沿著坐標(biāo)軸的直線移動和繞坐標(biāo)軸的回轉(zhuǎn)運動。不同運動的組合形成各種類型的機(jī)器人，如圖3-17所示。圖3-17所示的工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式有：直角坐標(biāo)型（圖3-17(a)中有三個直線坐標(biāo)軸）；圓柱坐標(biāo)型（圖3-17(b)中有兩個直線坐標(biāo)軸和一個回轉(zhuǎn)軸球坐標(biāo)型（圖3-17(c)中有一個直線坐標(biāo)軸和兩個回轉(zhuǎn)軸關(guān)節(jié)型（圖3-17(d)中有三個回轉(zhuǎn)軸關(guān)節(jié)，圖3-17(e)中有三個平面運動關(guān)節(jié)）。圖3-17工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式(a）直角坐標(biāo)型；(b）圓柱坐標(biāo)型；(c）球坐標(biāo)型；(d）多關(guān)節(jié)型；(e）平面關(guān)節(jié)型圖3-17工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式(a）直角坐標(biāo)型；(b）圓柱坐標(biāo)型；(c）球坐標(biāo)型；(d）多關(guān)節(jié)型；(e）平面關(guān)節(jié)型圖3-17工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式(a）直角坐標(biāo)型；(b）圓柱坐標(biāo)型；(c）球坐標(biāo)型；(d）多關(guān)節(jié)型；(e）平面關(guān)節(jié)型圖3-17工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式(a）直角坐標(biāo)型；(b）圓柱坐標(biāo)型；(c）球坐標(biāo)型；(d）多關(guān)節(jié)型；(e）平面關(guān)節(jié)型圖3-17工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式(a）直角坐標(biāo)型；(b）圓柱坐標(biāo)型；(c）球坐標(biāo)型；(d）多關(guān)節(jié)型；(e）平面關(guān)節(jié)型5.3工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用目前，工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車制造、機(jī)械制造、電子器件、集成電路、塑料加工等較大規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)。下面介紹幾種機(jī)器人的典型應(yīng)用。1.汽車制造領(lǐng)域圖3-19是一個焊接機(jī)器人系統(tǒng)的示意圖。焊接機(jī)器人還分成采用點位控制的點焊機(jī)器人和采用軌跡控制的焊接機(jī)器人兩種。圖3-18噴漆工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)示意圖圖3-19焊接工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)示意圖2.機(jī)械制造領(lǐng)域機(jī)械制造企業(yè)的柔性制造系統(tǒng)采用搬運機(jī)器人搬運物料、工件和工具，裝配機(jī)器人完成設(shè)備的零件裝配，測量機(jī)器人進(jìn)行在線或離線測量。圖3-20所示是兩臺機(jī)器人用于自動裝配的情況，主機(jī)器人是一臺具有三個自由度且?guī)в杏|覺傳感器的直角坐標(biāo)機(jī)器人，它抓取第1號(No.1)零件，并完成裝配動作；輔助機(jī)器人僅有一個回轉(zhuǎn)自由度，它抓取第2號(No.2)零件，第1號和第2號零件裝配完成后，再由主機(jī)械手完成與第3號(No.3)零件的裝配工作。圖3-20機(jī)器人用于零件裝配圖3-21所示是一教學(xué)型FMS，由一臺CNC車床、一臺CNC銑床、工件傳送帶、料倉、兩臺關(guān)節(jié)型機(jī)器人和控制計算機(jī)組成。兩臺機(jī)器人在FMS中服務(wù)，一臺機(jī)器人服務(wù)于加工設(shè)備和傳送帶之間，為車床和銑床裝卸工件；另一臺位于傳送帶和料倉之間，負(fù)責(zé)上、下料。圖3-21機(jī)器人上、下料3.其它領(lǐng)域機(jī)器人在其它領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，如工業(yè)機(jī)器人可以取代人去完成一些危險環(huán)境中的作業(yè)(如放射線、火災(zāi)、海洋、宇宙等)。例如，2004年1月4日，美國“勇氣”號火星探測機(jī)器人實現(xiàn)了人類登陸火星的夢想，圖3-22為“勇氣”號的圖片。6.1檢測與監(jiān)控原理在自動化制造系統(tǒng)的加工過程中，為了保證加工質(zhì)量和系統(tǒng)的正常運行，需要對系統(tǒng)運行狀態(tài)和加工過程進(jìn)行檢測與監(jiān)控（如圖3-23所示）。加工過程檢測與監(jiān)控檢測與監(jiān)控系統(tǒng)加工過程檢測與監(jiān)控運行狀態(tài)檢測與監(jiān)控系統(tǒng)安全監(jiān)視系統(tǒng)安全監(jiān)視加工備監(jiān)工件度檢物流監(jiān)控信精測設(shè)物流監(jiān)控信精測設(shè)控測控制息監(jiān)控刀具流夾具流工流機(jī)床刀具流夾具流工流機(jī)床循環(huán)檢測息量量器件件1.運行狀態(tài)檢測與監(jiān)控自動化制造系統(tǒng)中，需要檢測與監(jiān)控的運行狀態(tài)通（1）刀具信息。（2）機(jī)床狀態(tài)信息。（3）系統(tǒng)運行狀態(tài)信息。（4）在線尺寸測量信息。（5）系統(tǒng)安全情況信息。（6）仿真信息。仿真信息包括以下內(nèi)容：零件的數(shù)控程序是否準(zhǔn)確；有無碰撞干涉情況；仿真綜合結(jié)果情況等。2.工件尺寸精度檢測方法（1）直接測量與間接測量。（2）接觸測量和非接觸測量。（3）在線測量和離線測量。3.刀具磨損和破損的檢測方法（1）刀具、工件尺寸及相對距離測定法。（2）放射線法。（3）電阻法。（4）光學(xué)圖像法。（5）切削力法。（6）切削溫度法。（7）切削功率法。（8）振動法。（9）噪聲分析法。（11）加工表面粗糙度法。6.2檢測與監(jiān)控應(yīng)用舉例例1-1加工中心（MC）需檢測的運行狀態(tài)信息。MC需檢測的運行狀態(tài)信息如下：（1）環(huán)境參數(shù)及安全檢測。（2）刀庫狀態(tài)檢測。（3）機(jī)床負(fù)載檢測。（4）換刀機(jī)構(gòu)檢測。（5）交換工作臺檢測。（6）工作臺振動檢測。（7）冷卻與潤滑系統(tǒng)檢測。（8）CNC/PC系統(tǒng)檢測。例1-2切削力法刀具磨損和破損的檢測與監(jiān)控。切削力的變化能直接反映刀具的磨損情況，圖3-24中Ⅰ和Ⅱ所示是切削力的變化過程，曲線Ⅰ表示的是鋒利的刀具，曲線Ⅱ表示的是磨鈍了的刀具。切削力的差異ΔF是反映刀具實際磨損的標(biāo)志。如果Ⅰ切削力突然上升或突然下降，可能預(yù)示刀具的折斷。圖3-24切削力圖圖3-25所示為根據(jù)切削力的變化判別刀具磨損和破損的系統(tǒng)原理圖。當(dāng)?shù)毒咴谇邢鬟^程中磨損時，切削力會增大；如果刀具崩刃或斷裂，切削力會劇減。在系統(tǒng)中，工件加工余量的不均勻等因素也會引起切削力的變化，為了避免誤判，取切削分力的比值和比值的變化率作為判別的特征量，即在線測量三個切削分力FX、FY和FZ的相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后輸入除法器，得到分力比FX/FZ和FY/FZ，再輸入微分器得到d（FX/FZ）/dt和d（FY/FZ）/dt。工件FYFXFZFX/FZ測力儀FYFXFZFX/FZ放大器除法器微分器FY/FFY/FZ比較器比較器比較器磨損判別器破損判別器機(jī)床控制器圖3-25用切削力檢測刀具狀態(tài)原理圖例1-3聲發(fā)射法檢測刀具。固體在產(chǎn)生變形或斷裂時，以彈形波形釋放出變形能的現(xiàn)象稱為聲放射。在金屬切削過程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號的來源有：工件的斷裂，工件與刀具的摩擦，刀具的破損及工件的塑性變形等。聲放射在切削過程中產(chǎn)生頻率范圍很寬的聲發(fā)射信號，從幾十千赫茲至幾兆赫茲不等。聲發(fā)射信號可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。突發(fā)型聲發(fā)射信號在表面開裂時產(chǎn)生，其信號幅度較大，各聲發(fā)射事件之間間隔時間較長；連續(xù)型聲發(fā)射信號幅值較低，事件的頻率較高，以致難以分為單獨事件。正常切削時，聲發(fā)射信號是小幅值的連續(xù)信號。刀具破損時，聲發(fā)射信號幅值遠(yuǎn)大于正常切削，它與刀具破損面積有關(guān)，增長幅度為3～7倍。因此，聲發(fā)射信號產(chǎn)生階躍突變是識別刀具破損的重要特征。圖3-26所示為聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖。6.3檢測設(shè)備1.坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）坐標(biāo)測量機(jī)（CoordinateMeasuringMachine）又叫做三坐標(biāo)測量機(jī)，是一種檢測工件尺寸誤差、形位誤差以及復(fù)雜輪廓形狀的自動化制造系統(tǒng)的基本測量設(shè)備。 折斷聲發(fā)射傳感器 折斷鉆頭破損檢測器破損信號換刀信號破損信號機(jī)床控制器圖3-26聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖（1）坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)的特點。CMM和數(shù)控機(jī)床一樣，其結(jié)構(gòu)布局有立式和臥式兩類，立式CMM有時是龍門式結(jié)構(gòu)，臥式CMM有時是懸臂式結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)形式的CMM都有不同的尺寸規(guī)格，從小型臺式到大型落地式。圖3-27是一懸臂式CMM，由安放工件的工作臺、立柱、三維測量頭、位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機(jī)控制裝置等組成。（2）坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理。開關(guān)放大器三維測量頭開關(guān)放大器被測工件刻線尺尺刻線尺刻線YYXZXZ計數(shù)器圖3-27懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)2.利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測量三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度很高，但它對地基和工作環(huán)境的要求也很高，它的安裝必須遠(yuǎn)離機(jī)床。如果零件的檢測需要在幾個不同的階段進(jìn)行，零件就需要反復(fù)搬運幾次，這對于質(zhì)量控制要求不是特別精確的零件顯然是不經(jīng)濟(jì)的。由于數(shù)控機(jī)床和CMM在工作原理上沒有本質(zhì)區(qū)別，且三坐標(biāo)測量機(jī)上用的三維測量頭的柄部結(jié)構(gòu)與刀桿一樣，因此可將其直接安裝在機(jī)床（如加工中心）上。需要檢測工件時，將測量頭安裝在機(jī)床主軸或刀架上，測量工作原理與CMM相同；測量完成再由換刀機(jī)械手將測量頭放入刀庫。為了保證測試精度和保護(hù)測試頭，工件在數(shù)控機(jī)床上加工結(jié)束后，必須經(jīng)高壓冷卻液沖洗，并用壓縮空氣吹干后方可進(jìn)行檢驗測量。特點：特點：①不需要昂貴的CMM，然而損失機(jī)床的切削加工時間；②可以針對尺寸偏差自動進(jìn)行機(jī)床及刀具補償，加工精度高；③不需要工件來回運輸和等待。帶有自動測量功能的加工中心另外，數(shù)控機(jī)床用于測試時，必須為數(shù)控機(jī)床配置專門的外圍設(shè)備，如各種測量頭和統(tǒng)計分析處理軟件等。在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行測量有如下特點：不需要昂貴的CMM，但會損失機(jī)床的切削加工時間；可以針對尺寸偏差自動進(jìn)行機(jī)床及刀具補償，加工精度高；不需要工件來回運輸和等待。3.測量機(jī)器人隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人在測量中的應(yīng)用也越來越受到重視。機(jī)器人測量具有在線、靈活、高效等特點，可以實現(xiàn)對零件100％的測量,因此特別適合于自動化制造系統(tǒng)中的工序間測量和過程測量。同坐標(biāo)測量機(jī)相比，機(jī)器人測量造價低，使用靈活。4.專用的主動測量裝置在大規(guī)模生產(chǎn)條件下，常將專用的自動檢測裝置安裝在機(jī)床上，不必停機(jī)就可以在加工過程中自動檢測工件尺寸的變化，并能根據(jù)測得的結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的信號，控制機(jī)床的加工過程（如變換切削用量、刀具補償、停止進(jìn)給、退刀和停機(jī)等）。例如,圖3-28所示為磨床上工件外徑自動測量及反饋控制裝置的原理圖。尺寸變化信號轉(zhuǎn)換放大器控制部分電信號位移信號信號轉(zhuǎn)換放大器控制部分電信號位移信號執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖3-28磨床上工件外徑自動測量原理器空氣離化裝置、熱檢測、火焰檢測、可燃?xì)怏w檢測器空氣離化裝置、熱檢測、火焰檢測、可燃?xì)怏w檢測圖像檢測、超聲波檢測、紅外線檢測火災(zāi)監(jiān)測火災(zāi)監(jiān)測人員安全監(jiān)視人員安全監(jiān)視清洗機(jī)有許多種類、規(guī)格和結(jié)構(gòu)，一般按其工作是否連續(xù)分為間歇式（批處理式）和連續(xù)通過式（流水線式）。批處理式清洗站用于清洗質(zhì)量和體積較大的零件，屬中、小批量清洗；流水線式清洗機(jī)用于零件通過量大的場合。批處理式清洗機(jī)有傾斜封閉式清洗機(jī)、工件搖擺式清洗機(jī)和機(jī)器人式清洗機(jī)。洗清液洗清液干凈工件高壓洗清站待清洗的工件干凈工件高壓洗清站待清洗的工件沉淀沉淀鐵屑等雜質(zhì)鐵屑等雜質(zhì)大批量生產(chǎn)大批量生產(chǎn)大型零件，中小批量傾斜封閉式工件搖擺式機(jī)器人式傾斜封閉式工件搖擺式機(jī)器人式輥子傳送帶輥子傳送帶洗清站洗清站高壓清洗高壓清洗機(jī)器人式清洗機(jī)用機(jī)器人操作噴頭，工件固定不動。有些大型批處理式清洗站內(nèi)部有懸掛式環(huán)形有軌車，工件托盤安放在環(huán)形有軌車上，繞環(huán)形軌道做閉環(huán)運行。流水式清洗站用輥子傳送帶運送工件，零件從清洗站的一端送入，在通過清洗站的過程中被清洗，在清洗站的另一端送出，再通過傳送帶與托盤交接機(jī)構(gòu)進(jìn)入零件裝卸區(qū)。清洗機(jī)有高壓噴嘴，噴嘴的大小、安裝位置和方向應(yīng)考慮到零件的清洗部位，保證零件的內(nèi)部和難清洗的部位均能清洗干凈。批處理式清洗站的操作過程如下：（1）將工件托盤送到清洗站前。（2）打開進(jìn)入清洗站的門，將托盤送入清洗工作區(qū)，并將其固定在有軌吊車上，關(guān)閉站門。（3）托盤隨吊車?yán)@軌道運行時，高壓、大流量冷卻液從噴嘴噴向工件托盤，使切屑、污物、油脂等落入排污系統(tǒng)。（4）沖洗一定時間后，冷卻液關(guān)閉，開始吹熱空氣進(jìn)行干燥。（5）吹風(fēng)干燥一段時間后，有軌吊車返回其初始位置。（6）從有軌吊車上取下工件托盤，打開清洗站大門，運走工件托盤。走工件托盤。7.2去毛刺設(shè)備1.機(jī)械法去毛刺2.振動法去毛刺3.熱能法去毛刺7.3切屑和冷卻液的處理從加工區(qū)域清除切屑有下列幾種方法：手工去毛刺手工去毛刺機(jī)械法機(jī)械法振動法振動法熱能法熱能法（1）靠重力或刀具回轉(zhuǎn)離心力將切屑甩出，切屑靠自重落到機(jī)床下面的切屑輸送帶上。床身結(jié)構(gòu)應(yīng)易于排屑(例如傾斜床身或?qū)C(jī)床安置在傾斜的基座上)，并利用切屑擋板或保護(hù)板使加工空間完全密閉，防止切屑飛散，使之容易聚集和便于清除，同時也使環(huán)境安全、整潔。（2）用大流量冷卻液沖洗加工部位，將切屑沖走，然后用過濾器把切屑從冷卻液中分