制造自动化技术.ppt

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1、第5章 制造自动化技术,概述,数控加工技术,工业机器人,柔性制造系统,第5章 制造自动化技术 Manufacturing Automation Technology,3,计算机辅助设计（CAD） 计算机辅助产品工程（CAE） 计算机产品数据管理（PDM）,产品设计自动化,5.1.1 内涵,企业管理自动化,企业ERP（Enterprise Resource Planning）,加工过程自动化,包括各种计算机控制技术，如CNC、DNC、自动存储和运输设备、自动检测和监控设备等,质量控制自动化,计算机辅助工艺设计（CAPP）,计算机辅助制造（CAM）,如计算机集成制造系统（CIMS）、敏捷制造（AM

2、）、并行工程等。,自动单机和刚性自动线；本阶段在20世纪4050年代已相当成熟。 特征: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。,第一阶段(1913-) ：刚性自动化,第二阶段(1930-) ：数控加工,NC和CNC ；本阶段的NC在20世纪5070年代已成熟，但到了7080年代，CNC取代了NC。 特征:柔性好、加工质量高，适应于多品种、中小批量(包括单件)产品的生产 。 引入的新技术有数控技术、计算机编程技术等。,5.1.2 发展趋势,制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。 制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管

3、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、组合与优化利用。 通过网络，实现异地制造。,第5章 制造自动化技术 Manufacturing Automation Technology,5.2.1 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,图5-4 麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室,这是一种

4、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（NC）,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,图5-5 数控机床组成框图,5.2.2 数控机床的组成,数控装置,伺服

5、驱动装置,检测反馈装置,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。,PLC、机床I/O电路和装置,机床本体,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

6、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；,5.2.3 数控机床的类型,经济型数控车床,全功能数控车床,车削中心,双主轴数控车削中心,立式数控铣床,卧式数控铣床,龙门数控铣床,经济型数控铣床,高速数控铣床,立式加工中心,卧式加工中心,5.2.4 数控机床的发展历程,硬线数控,G1: 19521955，电子管,G2: 19551959，晶体管,G3:19591965，小规模集成电路,计算机数控,G4: 1970s (19701974)，小型计算机,G5: 1974-微处理器 (MCNC) 1979超大规模集成电路 (VLIC),G

7、6: 1994 基于PC-NC.,高速主轴单元(电主轴，转速15000 100000r/min) 高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60120m /min，切削进给速度高达60 m/min) 高性能数控和伺服系 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50008000 m/min以上；主轴转数在30000 r/min(有的高达10万r/min)以上；工 作台的移动速度(进给速度)：在分辨率为1微米时，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率为0.1微米时，在24m/min以上； 自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min。

8、特征:高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。,高速、高效,普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m； 精密级加工中心的加工精度则从35m，提高到 11.5m，甚至更高； 超精密加工精度进入纳米级(0.001微米)，主轴回转精度要求达到0.010.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面 粗糙度Ra=0.003微米等。,高精度,高可靠性,当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上。,复合化,多轴化,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，最近，国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心。,机床复合加工概念是指将工件一次装夹后

9、，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，以完成一个复杂 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。,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。,以机床框架为固定平台的若干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，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头点的加工表面轨迹。,布局特点,基本结构形式,它的结构完全不同于传统机床，看不到明显的床身、导轨、立柱和横梁

10、等结构，它的基本结构是一个活动平台。 有六杆、三杆、立式、卧式并联机床，结构形式为并联、串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。,5.2.5 并联运动机床,并联机床HexaM简图,并联机床结构示意简图（6SPS机构）,该机床的运动路线为: 6个伺服电机的运动通过丝杠(驱动轴) 、螺母和连杆传给装有电主轴的刀具夹板，从而带动刀具作任意空间曲线运动。,该并联机床由运动平台、固定平台以及能伸缩的若干驱动杆组成，运动平台与固定平台由6根驱动杆（伸缩杆）相连，每个驱动杆两端都是球铰副，中间有一个移动副。驱动器驱动移动副作相对运动，改变伸缩杆的长度，便可改变运动平台的位姿，若将刀具安装在运动平台上，则通过

11、控制六杆长度的变化，便可改变刀具在空间的位置与姿态，满足加工要求.,传统机床：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XYZ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轨迹。,Z,X,Y,传统机床,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。,机床框架,杆件,动平台,图5-6 并联机床,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 可实现高速加工：运动部件少

12、，质量轻，有利于获得高的进给速度 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 结构简单,P800M型并联运动机床,第5章 制造自动化技术 Manufacturing Automation Technology,生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、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) 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) 人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等),1886年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：,5.3.1 概述,

13、1920年捷克作家卡雷尔卡佩克的科幻剧本罗萨姆的万能机器人中 的主人公“Robota” （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。 英语的“Robot” 由此而来。,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、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。 加藤一郎提出，机器人具有：具有脑、手、脚等三要素的个体；具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；具有平衡觉和固有觉的传感器。,1967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：,1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人

14、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。”,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，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，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。,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 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、农业机器人、机器人化机器等。,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（机械本体）、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

15、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。,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。,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。,包括：人-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、PLC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置、速度、位置伺服

16、驱动系统（交、直流PWM、电-液伺服系统或其他继电驱动系统等）与外部设备、传感器、离线编程设备等通信的输入/输出接口以及各种电源装置等。,5.3.2 工业机器人的基本组成,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； 功率/质量比大，结构紧凑； 易漏油，对环境有污染； 适用于重载、低速传动，如喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人。,液压驱动,气压驱动,输出功率大，可标准化，易实现直接驱动； 功率/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； 适用于中小负载、精度要求较低的机器人，如冲压机器人。,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

17、； 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； 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、弧焊机器人和装配机器人。,电动驱动,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； 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。,装配每台汽车车体一般大约需要完成30004000个焊点，其中60是由点焊机器人完成的。,点焊机器人,5.3.3 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

18、 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,点焊机器人,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。,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,焊接机器人,喷漆机器人,日本TOKICO公司生产的RPA 856RP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6个自由度，可连接工件传送装置做到同步

19、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,1-小臂 2-大臂 3-转台 4-基座,装配机器人,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,钣金机器人,堆放机器人,行走机器人2009年1月8日，北京郊区农民吴玉禄（音译）在自家附近操作由他自制的行走机器人拉着的人力车溜达。这款机器人是热衷于发明创造的吴玉禄制造的最新、最大的机器人。他用从垃圾堆捡来的金属丝、金属片、

20、螺丝钉和钉子等为材料，从1986年就开始制造机器人。,其他机器人,奏乐机器人2008年5月4日，丰田汽车公司的机器人在陈列室中正在演奏乐器。,人形握手机器人2009年2月17日，在伦敦科学博物馆里，一名观众在和名叫“贝尔蒂”（Berti）的机器人握手。它是跟真人一样大的人形机器人，设计师制造它的目的是模仿人类手势。,“大狗”机器人2009年2月4日，泰国和美国士兵在金色眼镜蛇联合军事演习开幕式，观看了一个名叫“大狗”机器人（Big Dog）的精彩表演。,手术机器人,第5章 制造自动化技术 Manufacturing Automation Technology,由一个传输系统联接起来的一些设备(

21、通常是具有自动换刀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。,美国国家标准局定义：,日本国际贸易与工业部定义：,北京机械工业自动化研究所 定义：,5.4.1 FMS的定义与特征,由2台或更多NC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型的柔性化系统。,高柔性 高效率 高度自动化,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

22、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，能在不停机调整的情况下，自动地向另一种工件转换。其主要特征是：,FMS的组成,典型的FMS主要由以下三个子系统组成： （1）加工系统 （2）运储系统 （3）计算机控制系统,FMS的组成框图及功能特征,工业现场需要的技术,计算机技术,传感器技术,液压技术,电子技术,PLC技术,气动技术,机器人技术,6、RV-2AJ 5自由度机器人,CNC 铣床编程,3、图像处理工作单元,库存控制,PLC 编程,F M S 总配置图,8、存储工作单元,11、传输带系统,1、供料工作单元 2、检测工作单元,9、操作手工作单元,7、装配工作单元

23、,4、操作手工作单元,10、成品分装工作单元,5.4.2 柔性制造系统的组成,FMS结构框图,加工单元,设备运行状态监控与检测,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。,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

24、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）, 传输装置, 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4-8 自动引导小车(AGV),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

25、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。,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）,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

26、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）, 切屑处理系统, 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。,计算机控制系统, JCS-FMS-1控制级结构,柔性制造单元（FMC）,这是一种简单的柔性制造系统，通常由加工中心（MC）与自

27、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4-31 柔性制造单元,5.4.2 柔性制造系统的分类,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

28、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。,4.5.3 柔性制造系统的特点与应用,FMS特点,以GT为基础 ,具有较大柔性 ,高度自动化 ,控制与管理相结合可自动实现系统内的计划、调度,FMS应用,典型的柔性制造系统示意图1,典型的柔性制造系统示意图2,典型的柔性制造系统示意图3,典型的柔性制造系统示意图4,FMS实例,FMS-FF107 配置,供料工作单元（Distribution） 检测工作单元（Testing） 机器人工作单元（Robot） 4. 装配工作单元（Assembly） 5. 数控铣床工作单元（CNC） 6. 存储工作单元（ AS/RS） 7. 传输带系统 （Conveyor System）,3、RV-2AJ 5自由度机器人,CNC 铣床编程,库存控制,PLC编程,6、存储工作单元,7、传输带系统,1、供料工作单元 2、检测工作单元,4、装配工作单元,FMS-FF107 配置图,