1第第4 4章章 制造自动化技术制造自动化技术本章要点制造自动化技术的发展数控加工技术工业机器人柔性制造系统2第第4章章 制造自动化技术制造自动化技术Manufacturing Automation Technology4.1 概述概述Introduction3计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD）计算机辅助产品工程（计算机辅助产品工程（CAECAE） 计算机产品数据管理（计算机产品数据管理（PDMPDM）制造技术的自动化制造技术的自动化 产品设计自动化产品设计自动化 4.1.1 制造自动化技术的内涵制造自动化技术的内涵企业管理自动化企业管理自动化 企业企业ERPERP（Enterprise Resource PlanningEnterprise Resource Planning）加工过程自动化加工过程自动化 包包括括各各种种计计算算机机控控制制技技术术，如如CNCCNC、DNCDNC、自自动动存存储储和和运输设备、自动检测和监控设备等运输设备、自动检测和监控设备等 质量控制自动化质量控制自动化 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPPCAPP）计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAMCAM）如如计计算算机机集集成成制制造造系系统统（CIMSCIMS）、敏敏捷捷制制造造（AMAM）、并行工程等并行工程等。制造系统的自动化制造系统的自动化 4NCNC和和CNCCNC ；本本阶阶段段的的NCNC在在2020世世纪纪50507070年年代代已已成成熟熟，但到了但到了70807080年代，年代，CNCCNC取代了取代了NCNC。 特特征征: :柔柔性性好好、加加工工质质量量高高，适适应应于于多多品品种种、中中小小批批量量( (包括单件包括单件) )产品的生产产品的生产 。 引入的新技术有数控技术、计算机编程技术等。引入的新技术有数控技术、计算机编程技术等。自自动动单单机机和和刚刚性性自自动动线线；本本阶阶段段在在2020世世纪纪40405050年年代代已已相相当成熟。当成熟。 特征特征: :高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。 引入的新技术有继电器程序控制、组合机床等。引入的新技术有继电器程序控制、组合机床等。制造自动化技术的发展历程制造自动化技术的发展历程 第一阶段第一阶段(1913-) (1913-) ：刚性自动化：刚性自动化第二阶段第二阶段(1930-) (1930-) ：数控加工：数控加工4.1.1 制造自动化技术的内涵制造自动化技术的内涵5主要技术：成组技术(GT)、计算机直接数控和分布式数控 (DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线(FML)、离散系统理论和方法、仿真技术、车间计划与控制、制造过程监控技术、计算机控制与通信网络等。 第三阶段(1965-) ：柔性制造 智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造和绿色制造。第五阶段(1991-) ：新的制造自动化模式 特征是强调制造全过程的系统性和集成性。主要技术：现代制造技术、管理技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术等。 第四阶段(1973-) ：计算机集成制造系统(CIMS) 4.1.1 制造自动化技术的内涵制造自动化技术的内涵6 表1-1 三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期 除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点 通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难 以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的 不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备 自动机床、组合机床，机械手，自动生产线 NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMS CAD/CAM系统，MRP，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术 继电器程序控制技术，经典控制论 数控技术，计算机控制，GT，现代控制论 系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术4.1.1 制造自动化技术的内涵制造自动化技术的内涵7 图4-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代4.1.1 制造自动化技术的内涵制造自动化技术的内涵8 柔性自动化50年代图4-2 焊接机器人综合自动化70年代图7-3 综合自动化4.1.1 制造自动化技术的内涵制造自动化技术的内涵9制造全球化的概念出于美日欧等发达国家的智能系统计划。近年来随着Internet技术的发展，制造全球化的研究和应用发展迅速。 制造全球化 制造网络化敏捷制造是一种面向21世纪的制造战略和现代制造模式，敏捷化是制造环境和制造过程面向21世纪制造活动的必然趋势 。制造敏捷化4.1.2 制造自动化技术的发展趋势制造自动化技术的发展趋势制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。 制制造造环环境境与与整整个个制制造造企企业业的的网网络络化化，实实现现制制造造环环境境与与企企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成。业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成。企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用。与优化利用。通过网络，实现异地制造。通过网络，实现异地制造。 10虚拟制造(VM)是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工现实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。制造虚拟化绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响(负作用)最小，资源效率最高。 制造绿色化智能制造技术的宗旨在于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，以实现制造过程的优化。制造智能化4.1.2 制造自动化技术的发展趋势制造自动化技术的发展趋势11第第4章章 制造自动化技术制造自动化技术Manufacturing Automation Technology4.2 机床数控技术机床数控技术 NC Machine Tool Technology124.2.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 1948年，美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升机叶片轮廓检验用样板的机床时，首先提出了应用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。后来受美国空军委托，帕森斯公司与麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室合作进行研制工作，于1952年研制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床。数控机床的诞生数控机床的诞生图图图图4-3 4-3 麻省理工学院（麻省理工学院（麻省理工学院（麻省理工学院（MITMIT）伺服机构实验室伺服机构实验室伺服机构实验室伺服机构实验室 134.2.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念这是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行控制的自动化方法。是用计算机通过数字信息来自动控制机械加工的机床。具体地说，数控机床是通过编制程序，即通过数字(代码)指令来自动完成机床各个坐标的协调运动，正确地控制机床运动部件的位移量，并且按加工的动作顺序要求自动控制机床各个部件的动作数字控制数字控制（NCNC） 数控技术数控技术指用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。由于计算机应用技术的成熟，数控系统均采用了计算机数控（CNC，Computer Numerical Control）以区别于传统的NC。数控机床数控机床14 图图4-4 数控机床组成框图数控机床组成框图 4.2.2 数控机床的组成数控机床的组成15数控装置数控装置伺服驱动装置检测反馈装置4.2.2 数控机床的组成数控机床的组成由硬件和软件部分组成，接受输入代码经缓存、译码、运算插补等转变成控制指令，实现直接或通过PLC对伺服驱动装置的控制。是数控装置和机床主机之间的联接环节，接受数控装置的生成的进给信号，经放大驱动主机的执行机构，实现机床运动。是通过检测元件将执行元件（电机、刀架）或工作台的速度和位移检测出来，反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统。16PLC、机床I/O电路和装置机床本体4.2.2 数控机床的组成数控机床的组成是数控机床的机械结构件（床身箱体、立柱、导轨、工作台、主轴和进给机构等PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；174.2.3 数控机床的类型数控机床的类型经济型数控车床经济型数控车床全功能数控车床全功能数控车床18 4.2.3 数控机床的类型数控机床的类型车削中心19 4.2.3 数控机床的类型数控机床的类型立式数控铣床立式数控铣床卧式数控铣床卧式数控铣床龙门数控铣床龙门数控铣床20 4.2.3 数控机床的类型数控机床的类型经济型数控铣床经济型数控铣床高速数控铣床高速数控铣床214.2.3 数控机床的类型数控机床的类型立式立式加工中心加工中心卧式卧式加工中心加工中心22 4.2.4 数控机床的发展历程数控机床的发展历程硬硬线线数数控控G1: 19521955，电子管，电子管 G2: 19551959，晶体管，晶体管G3:19591965，小规模集成电路，小规模集成电路 234.2.4 数控机床的发展历程数控机床的发展历程计计算算机机数数控控G4: 1970s (19701974)，小型，小型计算机计算机 G5: 1974-微处理器微处理器 (MCNC) 1979超大规模集成电路超大规模集成电路 (VLIC)G6: 1994 基于基于PC-NC.24高速主轴单元高速主轴单元( (电主轴，转速电主轴，转速1500015000 100000r/min)100000r/min)高速且高加高速且高加/ /减速度的进给运动部件减速度的进给运动部件( (快移速度快移速度60120m 60120m /min/min，切削进给速度高达，切削进给速度高达60 m/min)60 m/min)高性能数控和伺服系高性能数控和伺服系 统以及数控工具系统统以及数控工具系统 目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到50008000 m/min50008000 m/min以上；主轴转数在以上；主轴转数在30000 r/min(30000 r/min(有的高达有的高达1010万万r/min)r/min)以上；工以上；工 作台的移动速度作台的移动速度( (进给速度进给速度) )：在分辨：在分辨率为率为1 1微米时，在微米时，在100m/min(100m/min(有的到有的到200m/min)200m/min)以上，在分辨以上，在分辨率为率为0.10.1微米时，在微米时，在24m/min24m/min以上；以上； 自动换刀速度在自动换刀速度在1 1秒以秒以内；小线段插补进给速度达到内；小线段插补进给速度达到12m/min12m/min。特征。特征: :高生产率和高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。刚性结构，很难实现生产产品的改变。 世界数控技术及其装备的发展特征世界数控技术及其装备的发展特征 高速、高效高速、高效 4.2.4 数控机床的发展历程数控机床的发展历程25普通级数控机床的加工精度已由普通级数控机床的加工精度已由10m10m提高到提高到5m5m；精精密密级级加加工工中中心心的的加加工工精精度度则则从从35m35m，提提高高到到 11.5m11.5m，甚至更高；，甚至更高；超超精精密密加加工工精精度度进进入入纳纳米米级级(0.001(0.001微微米米) )，主主轴轴回回转转精精度度要要求求达达到到0.010.050.010.05微微米米，加加工工圆圆度度为为0.10.1微微米米，加加工工表表面面 粗粗糙度糙度Ra=0.003Ra=0.003微米等。微米等。高精度高精度高可靠性高可靠性 当前国外数控装置的当前国外数控装置的MTBFMTBF值已达值已达60006000小时以上，驱动小时以上，驱动装置达装置达3000030000小时以上。小时以上。4.2.4 数控机床的发展历程数控机床的发展历程26复合化复合化多轴化多轴化 5 5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，最近，国外还在研究最近，国外还在研究6 6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心。轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心。4.2.4 数控机床的发展历程数控机床的发展历程 机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂以完成一个复杂 形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。 智能化智能化 智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的 智能活动，以智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。 27以以机机床床框框架架为为固固定定平平台台的的若若干干杆杆件件组组成成空空间间并并联联机机构构，主主轴轴部部件件安安装装在在并并联联机机构构的的动动平平台台上上，改改变变杆杆件件的的长长度度或或移移动动杆杆件件的的支支点点，按按照照并并联联运运动动学学原原理理形形成成刀刀头头点点的的加工表面轨迹。加工表面轨迹。并联机床的基本结构并联机床的基本结构布局特点布局特点基本结构形式基本结构形式它它的的结结构构完完全全不不同同于于传传统统机机床床，看看不不到到明明显显的的床床身身、导导轨、立柱和横梁等结构，它的基本结构是一个活动平台。轨、立柱和横梁等结构，它的基本结构是一个活动平台。有有六六杆杆、三三杆杆、立立式式、卧卧式式并并联联机机床床，结结构构形形式式为为并并联联、串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。4.2.5 并联运动机床并联运动机床284.2.5 并联运动机床并联运动机床并联机床并联机床HexaM简图简图并联机床结构示意简图（并联机床结构示意简图（6SPS机构机构）该机床的运动路线为该机床的运动路线为: 6个伺服电机的运动个伺服电机的运动通过丝杠通过丝杠(驱动轴驱动轴) 、螺母和连杆传给装有螺母和连杆传给装有电主轴的刀具夹板，电主轴的刀具夹板，从而带动刀具作任意从而带动刀具作任意空间曲线运动空间曲线运动。该并联机床由运动平台、固定平台以及能伸缩该并联机床由运动平台、固定平台以及能伸缩的若干驱动杆组成的若干驱动杆组成，运动平台与固定平台由运动平台与固定平台由6根驱动杆（伸缩杆）相连根驱动杆（伸缩杆）相连，每个驱动杆两端都每个驱动杆两端都是球铰副是球铰副，中间有一个移动副中间有一个移动副。驱动器驱动移驱动器驱动移动副作相对运动动副作相对运动，改变伸缩杆的长度改变伸缩杆的长度，便可改便可改变运动平台的位姿变运动平台的位姿，若将刀具安装在运动平台若将刀具安装在运动平台上上，则通过控制六杆长度的变化则通过控制六杆长度的变化，便可改变刀便可改变刀具在空间的位置与姿态具在空间的位置与姿态，满足加工要求满足加工要求.29传统机床：传统机床：传统机床：传统机床：以床身、立柱、横梁等作为支撑部件，主轴部以床身、立柱、横梁等作为支撑部件，主轴部件和工作台沿支撑部件上的直线导轨移动，按照件和工作台沿支撑部件上的直线导轨移动，按照XYZXYZ坐标运坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀具相对于加工工件的运动动叠加的串联运动学原理，形成刀具相对于加工工件的运动轨迹。轨迹。4.2.5 并联运动机床并联运动机床并联机床与传统机床的比较并联机床与传统机床的比较ZXY 图图4-5 传统机床传统机床30并联运动机床：并联运动机床：并联运动机床：并联运动机床：以机床框架为固定平台的若干个杆件组成以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，工作空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，工作台与机床框架连接在一起，改变杆件的长度或移动杆件的支台与机床框架连接在一起，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀具相对于加工零件的运动轨点，按照并联运动学原理形成刀具相对于加工零件的运动轨迹。迹。4.2.5 并联运动机床并联运动机床机机床床框框架架杆件杆件动平台动平台 图图4-6 并联机床并联机床31并联机床的优点并联机床的优点4.2.5 并联运动机床并联运动机床运动精度高：运动精度高：有效地减少了运动链的长度，将支撑与传动功能集成一体有效地减少了运动链的长度，将支撑与传动功能集成一体可实现高速加工：可实现高速加工：运动部件少，质量轻，有利于获得高的进给速度运动部件少，质量轻，有利于获得高的进给速度机床刚性好：机床刚性好：消除了悬臂结构，没有横梁、立柱等承受弯曲的载荷部件消除了悬臂结构，没有横梁、立柱等承受弯曲的载荷部件结构简单结构简单P800M型并联运动机床32第第4章章 制造自动化技术制造自动化技术Manufacturing Automation Technology4.3 工业机器人技术工业机器人技术 Industrial Robotic Technology33生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）调节运动等）造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态种形态 人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等手爪等机器人的起源机器人的起源18861886年法国作家利尔亚当在他的小说年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃未来夏娃中将外表中将外表像人的机器起名为像人的机器起名为“ “安德罗丁安德罗丁” ”（androidandroid），它由），它由4 4部分组成：部分组成：4.3.1 概述概述19201920年捷克作家卡雷尔年捷克作家卡雷尔 卡佩克的科幻剧本卡佩克的科幻剧本罗萨姆的万能罗萨姆的万能机器人机器人中中 的主人公的主人公“ “Robota” Robota” （在捷克语中是奴隶的意思）（在捷克语中是奴隶的意思）是一个具有人的外表、特征与功能，并为人服务的机器人。是一个具有人的外表、特征与功能，并为人服务的机器人。 英语的英语的“ “Robot” Robot” 由此而来。由此而来。 34森政弘与合田周平：森政弘与合田周平： “ “机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7 7个特征的柔性机器个特征的柔性机器” ”。加藤一郎提出，机器人具有：加藤一郎提出，机器人具有：具有脑、手、脚等三要素的个体；具有脑、手、脚等三要素的个体；具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；具有平具有平衡觉和固有觉的传感器。衡觉和固有觉的传感器。 机器人的定义机器人的定义19671967年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义：个有代表性的定义： 4.3.1 概述概述19871987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“ “工业机工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。的可编程操作机。” ”我国科学家对机器人的定义是：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种具有高度灵活性的自动化机器” ”。 35机器人的分类机器人的分类分分类名称名称简要解要解释操作型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。示教再现型机器人通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。适应控制型机器人机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。学习控制型机器人机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。智能机器人以人工智能决定其行动的机器人。4.3.1 概述概述36工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人机器人 特种机器人用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，特种机器人用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。农业机器人、机器人化机器等。 工业机器人技术概念工业机器人技术概念机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。 工业机器人由操作机工业机器人由操作机( (机械本体机械本体) )、控制器、伺服驱动系统和检、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。个国家工业自动化水平的重要标志。4.3.1 概述概述37通常是由安装在机体上的若干个回转（或移动）关节与杆通常是由安装在机体上的若干个回转（或移动）关节与杆件相互联接构成的多自由度主动机构组成，人们力图把它设件相互联接构成的多自由度主动机构组成，人们力图把它设计成具有拟人的手臂或动物肢体动作功能的一种固定式或移计成具有拟人的手臂或动物肢体动作功能的一种固定式或移动式的机器。动式的机器。 包括：人包括：人- -机接口装置（键盘、示教盒、操纵杆等），具有机接口装置（键盘、示教盒、操纵杆等），具有存贮记忆功能的电子控制装置（计算机、存贮记忆功能的电子控制装置（计算机、PLCPLC或其他可编程或其他可编程逻辑控制装置），各种传感器的信息放大传输及信息处理装逻辑控制装置），各种传感器的信息放大传输及信息处理装置、速度、位置伺服驱动系统（交、直流置、速度、位置伺服驱动系统（交、直流PWMPWM、电、电- -液伺服液伺服系统或其他继电驱动系统等）与外部设备、传感器、离线编系统或其他继电驱动系统等）与外部设备、传感器、离线编程设备等通信的输入程设备等通信的输入/ /输出接口以及各种电源装置等。输出接口以及各种电源装置等。 操作机（执行系统）操作机（执行系统）4.3.2 工业机器人的基本组成工业机器人的基本组成控制装置控制装置384.3.2 工业机器人的基本组成工业机器人的基本组成39输出功率大，可无级调速，控制精度较高；输出功率大，可无级调速，控制精度较高；可标准化，易实现直接驱动；可标准化，易实现直接驱动；功率功率/ /质量比大，结构紧凑；质量比大，结构紧凑；易漏油，对环境有污染；易漏油，对环境有污染；适用于重载、低速传动，如喷涂机器人、点焊机器人和托适用于重载、低速传动，如喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人。运机器人。驱动系统驱动系统液压驱动液压驱动4.3.2 工业机器人的基本组成工业机器人的基本组成气压驱动气压驱动输出功率大，可标准化，易实现直接驱动；输出功率大，可标准化，易实现直接驱动；功率功率/ /质量比大，结构紧凑；质量比大，结构紧凑；噪声大，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制；噪声大，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制；适用于中小负载、精度要求较低的机器人，如冲压机器人。适用于中小负载、精度要求较低的机器人，如冲压机器人。40输出功率大，控制精度较高，可实现高速、高精度的连续输出功率大，控制精度较高，可实现高速、高精度的连续轨迹控制；轨迹控制；伺服电机可标准化，结构性能好，噪声低，无密封问题；伺服电机可标准化，结构性能好，噪声低，无密封问题；一般需配置减速装置，控制系统复杂；一般需配置减速装置，控制系统复杂；适用于中小负载、要求具有较高位置控制精度和轨迹控制适用于中小负载、要求具有较高位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如喷涂机器人、点焊机器人、弧精度、速度较高的机器人，如喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人和装配机器人。焊机器人和装配机器人。电动驱动电动驱动4.3.2 工业机器人的基本组成工业机器人的基本组成用于测量机器人自身运动速度、位置及加速度的传感器，用于测量机器人自身运动速度、位置及加速度的传感器，称内部传感器；称内部传感器；用于感受和测量外部环境信息和作业对象工况的传感器，用于感受和测量外部环境信息和作业对象工况的传感器，称外部传感器。称外部传感器。 传感器传感器41装配每台汽车车体一般大约需要完成装配每台汽车车体一般大约需要完成3000300040004000个焊点，个焊点，其中其中6060是由点焊机器人完成的。是由点焊机器人完成的。焊接机器人焊接机器人点焊机器人点焊机器人4.3.3 工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例 1-手臂及手腕 2-臂架 3-橡皮缓冲器 4-肘形节杆 5-回转台 6-基座 7-连接电缆 8-转台缓冲器 9-第一轴(转台)电动机(M1) 10、14-平衡气缸 11-第二轴(臂架)电动机(M2)12-第三轴螺杆 15-驱动臂架 16-电动机组(M4、M5、M6) 17-控制柜42点焊机器人点焊机器人4.3.3 工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例 43弧焊机器人弧焊机器人日本汽车工业使用的一种曲柄式弧焊机器人，其驱动方式采日本汽车工业使用的一种曲柄式弧焊机器人，其驱动方式采用交、直流伺服电动机系统，用于焊接车架的侧粱或双轮机用交、直流伺服电动机系统，用于焊接车架的侧粱或双轮机动管结构车架。动管结构车架。1-焊接电源 2-显示器 3一机器人控制装置 4-夹具控制装置 5-工件 6-焊接夹具 7-机器人4.3.3 工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例 44喷漆机器人喷漆机器人日本日本TOKICOTOKICO公司生产的公司生产的RPA 856RPRPA 856RP关节式喷漆机器人。该关节式喷漆机器人。该机器人由操作机、控制箱、修正盘和液压源四部分组成；有机器人由操作机、控制箱、修正盘和液压源四部分组成；有6 6个自由度，可连接工件传送装置做到同步操作。手腕为伺个自由度，可连接工件传送装置做到同步操作。手腕为伺服控制型。末端接口可安装两个喷枪同时工作服控制型。末端接口可安装两个喷枪同时工作 1-小臂 2-大臂 3-转台 4-基座4.3.3 工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例 45装配机器人装配机器人4.3.3 工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例 464.3.3 工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例 搬运机器人搬运机器人该机器人是用来抓取、搬运来自输送带或输送机上流动的物品的自动化装置。主要由搬人机械部件、机器主体部件、搬出机械部件和系统控制等基本部分组成。 1-装卸运输机 2-极式输送机 3-极式分配器 4-横进给式输送机 5-操作台 6-控制台 7-多工位式输送机 47焊接机器人焊接机器人4.3.3 工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例 48钣金机器人钣金机器人4.3.3 工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例 49堆放机器人堆放机器人4.3.3 工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例 50第第4章章 制造自动化技术制造自动化技术Manufacturing Automation Technology4.4 柔性制造系统柔性制造系统Flexible Manufacturing System51由一个传输系统联接起来的一些设备由一个传输系统联接起来的一些设备( (通常是具有自动换刀通常是具有自动换刀装置的加工中心机床装置的加工中心机床) )组成，传输装置把工件放在托盘或其他组成，传输装置把工件放在托盘或其他联接装置上送到各加工设备，加工设备和传输系统在中央计联接装置上送到各加工设备，加工设备和传输系统在中央计算机控制下，使工件加工准确、迅速和自动化。算机控制下，使工件加工准确、迅速和自动化。 FMSFMS的定义的定义美国国家标准局定义：美国国家标准局定义： 日本国际贸易与工业部定义：日本国际贸易与工业部定义： 北京机械工业自动化研究所北京机械工业自动化研究所 定义：定义：4.4.1 FMS的定义与特征的定义与特征由由2 2台或更多台或更多NCNC机床组成的系统，这些机床与自动物料管机床组成的系统，这些机床与自动物料管理设备一一连接，在计算机或类似设备控制下完成自动加工理设备一一连接，在计算机或类似设备控制下完成自动加工或处理操作，从而可加工多个不同形状和尺寸的工件。或处理操作，从而可加工多个不同形状和尺寸的工件。将自动化生产系统从少品种大批量生产型转向多品种生产将自动化生产系统从少品种大批量生产型转向多品种生产型的柔性化系统。型的柔性化系统。 52高柔性高柔性高效率高效率高度自动化高度自动化FMSFMS的特征的特征柔性制造系统是利用计算机控制系统和物料输送系统，把柔性制造系统是利用计算机控制系统和物料输送系统，把若干台设备联系起来，形成没有固定加工顺序和节拍的自动若干台设备联系起来，形成没有固定加工顺序和节拍的自动化制造系统。它在加工完一批某种工件后，能在不停机调整化制造系统。它在加工完一批某种工件后，能在不停机调整的情况下，自动地向另一种工件转换。其主要特征是：的情况下，自动地向另一种工件转换。其主要特征是：4.4.1 FMS的定义与特征的定义与特征534.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成图4-4 FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信 息 传 输 网 络工夹具站544.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成FMS结构框图结构框图 55q 加工单元CNC（MC）机床工作台架（暂存工件）机器人或托盘交换装置检测、监控装置设备运行状态监控与检测（图4-5） 传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出图4-5 设备运行状态监控与检测框图4.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成56钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。 加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。图4-6为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。钻头破损检测器图4-6 声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号4.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成57q 物料传输系统又称立体仓库或自动化仓库系统（Automated Storage and Retrieva1 System一ASRS），由高层料架 、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小等优点。 自动仓库（图4-7）图4-7 自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架4.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成584.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成 传输装置 滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线电磁式（图7-8）光电式（图7-9）传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人594.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成 无轨小车 又称自动引导小车（AGV, Automated Guide Vehicle）。图4-21（a）为其示意图，小车上有托盘交换台3，工作台1与托盘2由交换台推上机床的工作台进行加工，加工好的工件连同托盘拉回到小车的交换台上，送装卸工位，由人工卸下并装上新的待加工工件。小车的行车路线常用电缆或光电引导。图4-21（b）为电缆引导的原理图，在地面（6）下埋设有导向电缆8，通以低频电流，在电缆周围形成磁场7。固定在小车车身内的两个19感应线圈5中即产生电压，当小车运行偏离电缆时，两线圈的电压不相等，转向电机4即正向或反向旋转以校正小车的位置，使小车总是沿电缆引导的路线行走。光电引导方式是在地面上铺设反光的不锈钢带，利用光的反射使小车上的一排光电管产生信号，以引导小车沿反光带运动。 604.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成图图4-8 自动引导小车自动引导小车(AGV) 614.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆图4-8 电磁引导原理在地面上埋设引导电缆，并通以510kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号的强弱，控制小车的舵轮。电磁导向方式原理（图4-8）627.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带（铝带或尼龙带），小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。 光学引导方式原理（图4-9）信号孔感光元件光道光源反光带图4-9 光学引导原理634.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成 切屑处理系统断屑 加工部位封闭排屑 机床、工夹具设计要便于排屑 冷却液冲，或压缩空气吹切屑输送（通常采用地下输送管道）切屑再处理（打包）644.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成 工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划； 对中央计算机和物流计算机进行控制。 单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监 视与控制。 中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加工 单元进行监视与控制。 信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。q 计算机控制系统654.4.2 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成 JCS-FMS-1控制级结构中央管理计算机FM-11AD2+物流控制计算机局域网络LAN文件库自动编程机单元控制机CNC车床CNC磨床单元控制机立式MC卧式MC单元控制机CNC车床管理级单元级设备级图图7-10 7-10 JCS-FMS-1JCS-FMS-1控制级结构控制级结构664.4.2 柔性制造系统的分类柔性制造系统的分类柔性制造单元（柔性制造单元（FMCFMC） 这是一种简单的柔性制造系统，通常由加工中心（MC）与自动交换工件（AW，APC）的装置所组成，同时数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。图4-31所示为一柔性制造单元的示意图。 图图4-31 柔性制造单元柔性制造单元 674.4.2 柔性制造系统的分类柔性制造系统的分类柔性制造系统柔性制造系统 较大的柔性制造系统有两个以上柔性制造单元或多台数控机床、加工中心组成，并用一个物料输送系统将机床联系起来。工件被装在夹具和托盘上，自动的按加工顺序在机床间逐个输送。柔性柔性生产线（FTL） 在零件生产批量较大而品种较少的情况下，柔性制造系统的机床可以完全按照工件加工顺序排列成生产线的形式，这种生产线与传统的刚性生产线的不同之处在于能同时或依次加工少量不同的零件。当零件更换时，其生产节拍可作相应的调整。各机床的主轴箱也可自动进行调整。这种生产线称为柔性生产线。684.4.3 柔性制造系统的特点与应用柔性制造系统的特点与应用q FMS特点除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换24小时运行，只一班有人以以GTGT为基础为基础 生产零件的品种由4至100种不等（2030种居多）生产零件的批量由40至2000件不等（50200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别例外）具有较大柔性具有较大柔性 可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）高度自动化高度自动化 控制与管理相结合控制与管理相结合可自动实现系统内的计划、调度694.4.3 柔性制造系统的特点与应用柔性制造系统的特点与应用q FMS应用品种图7-11 零件品种、批量与自动化加工方式010 100 1000 批量10,000 1000 100 10FMLFMCFMS数控机床通用机床刚性线生产柔性产量704.4.3 柔性制造系统的特点与应用柔性制造系统的特点与应用图7-12 飞机零件加工FMS（ Cincinnati ）1装卸站 2运输小车 3MC 4切屑处理站 5清洗站 6检测站 7手工检测站 8计算机室 9 小车维修站 10 包装站q FMS实例（1）714.4.3 柔性制造系统的特点与应用柔性制造系统的特点与应用冲床图7-13 冲压FMSq FMS实例（2）