先进制造技术 第四章

第四章制造自动化技术4.1制造自动化技术概述4.2机床数控技术4.3工业机器人4.4柔性制造技术第一节制造自动化技术概述4.1.1制造自动化技术内涵4.1.2制造自动化技术的发展及现状4.1.3制造自动化技术发展趋势自动化：自动去完成特定的作业。制造自动化（狭义）：生产车间内产品机械加工和装配检验过程的自动化；制造自动化（广义）：包含产品设计、企业管理、加工过程和质量控制等产品制造全过程综合集成自动化。制造自动化意义：显著提高劳动生产率、提高产品质量、降低制造成本、提高经济效益，改善劳动条件、提高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的发展、提高企业的市场竞争能力。4.1.1制造自动化技术内涵•刚性自动化设备--自动/半自动机床、组合机床、组合机床自动线；对象--单一品种大批量生产自动化；特点--生产效率高、加工品种单一。•柔性自动化设备--NC、CNC、FMC、FMS等。对象--多品种小批量甚至单件生产自动化；•综合自动化经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化，CIMS、CE、LP、AM等。4.1.2制造自动化技术的发展及现状当前制造自动化技术研究领域和方向•集成技术和系统技术研究•自动化系统中人因作用的研究•数控单元系统的研究•制造过程的计划和调度研究•柔性制造技术的研究•现代生产模式制造环境的研究•底层加工系统的智能化和集成化研究•制造敏捷化使企业面临市场竞争作出快速响应；•制造网络化实现制造过程的集成，实现异地制造、远程协调作业；•制造虚拟化保证产品和制造过程一次成功，发现设计与生产中可避免的缺陷和错误；•制造智能化扩大、延伸、部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现优化的制造过程。•制造全球化市场国际化，产品制造跨国化，制造资源跨国家的协调、共享和优化利用；•制造绿色化使产品从设计、制造、使用到报废处理全生命周期中，对环境影响最小，资源利用率最高。4.1.3制造自动化技术发展趋势第二节机床数控技术4.2.1机床数控系统4.2.2机床伺服系统4.2.3数控加工编程技术4.2.4机床数控技术发展趋势数控技术的发展硬件数控阶段NC(1952-1970)第一代：电子管；第二代：晶体管；第三代：小规模集成电路；计算机数控阶段CNC（1970-现在)第四代：小型计算机；第五代：微处理器；第六代：PC微机(PCNC)4.2.1机床数控系统机床数控系统的组成及功能CNC系统组成：数控装置、PLC、伺服驱动装置、I/O接口、控制面板、人机界面数控装置功能：控制功能-单轴、多轴联动控制；准备功能-包括移动、暂停、坐标设定、固定循环等功能；插补功能-直线插补、圆弧插补、抛物线等；辅助功能-主轴启停、冷却润滑通断、刀库的启停等；补偿功能-刀具半径/刀具、反向间隙、螺距、温度等补偿功能。PLC功能：控制面板、主轴停启与换向、刀具更换、冷却润滑启停、工件夹紧与松开、工作台分度等开关量的控制。CNC数控系统组成原理数控系统的硬件结构•单CPU结构通过总线使CPU与存储器和各种接口相连接，集中控制、分时处理工作方式。•多CPU结构多个CPU通过公用地址和数据总线互连，各自完成功能，系统速度高、处理能力强。•PC微机CNC系统具有微机丰富的软硬件资源、友好的人机界面、拥有多媒体和网络功能，是当前数控系统的发展方向。基于PC微机和PMAC的CNC系统结构数控系统的软件组成开放式数控系统开放性：满足CNC系统快速发展和用户自主开发需要PC微机型开放式CNC系统形式：•专用数控嵌入PC主板是专用数控系统商提供的形式，仅限于PC部分开放，其专用数控部分仍处于封闭状态。•PC机+运动控制卡提供底层数控接口，支持二次开发和扩展，有上下两级开放性，如PMAC运动控制器。•纯PC软件型尚未形成商品，代表数控系统发展方向。组成：位置控制单元、速度控制单元、伺服电机、检测反馈单元4部分组成。分类：•按检测系统分开环系统、闭环系统、半闭环系统、混合闭环系统。•按有控制电机分步进伺服、直流伺服、交流伺服。4.2.2机床伺服系统半闭环伺服系统松下交流伺服系统的总体接线图1-交流伺服电机2-伺服驱动器3-控制系统4-控制连接电缆5-检测连接电缆6-动力电缆7-PLC电缆8-PLC交流伺服电机：•异步电动机功率大、精度稍低、多用于主轴电机；•永磁同步电动机精度要求高、价格贵，多用于容量小的进给伺服电机。交流伺服驱动器：•模拟式工作速度快，系统频率宽，体积大、器件多、不易调试；•数字式控制方式改变仅需改变软件，柔性好，结构紧凑，重复性好。检测元件：旋转变压器、脉冲编码器等。数控加工手工编程一般步骤4.2.3数控加工编程技术工艺分析数值计算NC程序编制输入NC程序首件试切修改零件图手工编制不足：效率低、复杂零件手工编程困难，周期长，错误率高。计算机辅助数控编程数控系统性能方面•高速高精高效化进给速度80-120m/min，加速度1-2g，主轴dn=(1-3)*106，换刀小于1s；加工精度0.1µm，甚至0.01µm。•柔性化功能覆盖面大，便于不同用户的需求；物料流和信息流自动动态调整。•工艺复合化和多轴化如FANUC15可控轴数和联动轴数均达到24轴。•实时智能化配置编程专家系统、故障诊断专家系统，实现自适应控制和模糊控制。4.2.4机床数控技术发展趋势数控系统功能方面•用户界面图形化方便了用户，便于编程和图形模拟；•科学计算可视化可视化技术可用于自动编程、参数自动设定、刀具补偿和管理、加工过程仿真演示；•插补和补偿方式多样化插补：直线、圆弧、椭圆、螺纹、NURBS、多项式插补；补偿：反向间隙、垂直度、螺距、温度补偿等；•内置高性能PLC可用梯形图或高级语言编程，具有在线调试和在线帮助功能；•多媒体技术应用在实时监控和故障诊断、生产过程监测方面有重大应用价值。体系结构的发展•集成化高度集成化芯片，提高数控系统集成度；•模块化通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统；•网络化可进行远程控制，在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、控制；•开放式闭环控制模式易于将计算机智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、动态数据管理、动态仿真等技术融于一体，构成制造过程闭环控制体系。第三节工业机器人4.3.1工业机器人的组成与分类4.3.2工业机器人的控制技术4.3.3工业机器人的编程技术4.3.4工业机器人半个世纪发展的回顾与展望4.3.1工业机器人的组成与分类工业机器人的结构组成工业机器人的组成•执行机构手部：用于抓取对象，有夹持式、吸附式等不同结构腕部：联接手部和手臂部件，用以调整手部姿态和方位臂部：承载负荷，改变空间位置机身：支撑臂部部件，扩大臂部活动和作业范围机座及行走机构：机器人基础件，确定或改变机器人位置•控制系统控制机器人按给定的程序动作，记忆示教指令，再现示教信息。•驱动系统驱动执行机构完成规定作业。•位置检测装置检测运动位置和工作状态。工业机器人的分类--按系统功能分类•专用机器人以固定程序工作机器人，结构简单、无独立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。•通用机器人可完成多种作业，结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强。•示教再现式机器人在示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件重现示教作业。•智能机器人具有视觉、听觉、触觉功能，通过比较和识别,作出决策和规划，完成预定的动作。工业机器人的分类--按驱动方式分类•气压传动机器人以压缩空气作为动力源，高速轻载；•液压传动机器人采用液压驱动，负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏；•电气传动机器人交直流伺服电机驱动，结构简单、响应快、精度高。工业机器人的分类--按结构形式分•直角坐标机器人有三个正交平移坐标轴,各个坐标轴运动独立（图a）；•圆柱坐标机器人有一个旋转轴和两个平移轴（图b）；•关节机器人类似人手臂，由各关节组成，可实现三个方向旋转运动（图c）；•球坐标机器人有两个旋转轴和一个平移轴（图d）。工业机器人的性能指标•自由度独立运动数，自由度数越高，完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广。•工作空间机器人进行工作的空间范围。•提取重力微型机器人，提取重力10N以下；小型机器人，提取重力10-50N；中型机器人，提取重力50-300N；大型机器人，提取重力300-500N；重型机器人，提取重力500N以上。•运动速度运动速度影响工作效率，与所提取的重力和位置精度有关。•位置精度机器人定位精度一般在±0.02-5mm范围。机器人的工作空间a)圆柱坐标机器人b)球坐标机器人c)关节机器人4.3.2工业机器人的控制技术工业机器人控制系统的组成框图工业机器人控制系统的分类•按控制回路：开环系统和闭环系统•按控制硬件：机械控制、液压控制、顺序控制和计算机控制•按自动化程度：顺序控制、程序控制、自适应控制、智能控制•按编程方式：物理设置编程-由设置固定限位开关，实现启动/停机操作示教编程-示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程离线编程-通过机器人语言进行编程控制•按控制轨迹：点位控制-不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标精确控制轮廓控制-没有插补器，按离散点坐标及速度完成轮廓控制工业机器人的位置伺服控制位置伺服控制类型：关节伺服控制-以每个关节作为单输入/单输出系统；坐标伺服控制-以手臂末端位置矢量作为控制目标值。刚性臂控制系统的构成关节伺服控制关节伺服控制的构成qdi:各关节位移指令目标值qi,qi’:各关节位置和速度反馈信号工业机器人的自适应控制模型参考自适应控制自校正适应控制系统示教编程示教阶段:拨动示教盒按钮或手握机器人手臂，使之按需要姿势和路线进行工作，示教信息存储在记忆装置中。工作再现:从记忆装置调用存储信息，再现示教阶段动作。点位控制示教：逐一使每个轴达到需要编程点位置。轮廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通过所给路线。特点：通过示教直接产生控制程序，无须手工编程，简单方便，适用于大批量生产。不足：轨迹精确度不高，需要存储容量大。4.3.3工业机器人的编程技术示教再现式控制系统工作原理机器人示教臂离线编程HOLPSS离线编程与仿真系统总体结构框图机器人编程语言•动作级语言每一个命令对应一个动作，语句格式为：MOVETOdestination语句简单，易于编程；不能进行复杂计算，通信能力差，代表性语言：VAL。•对象级语言有与动作语言类似功能，能处理传感器信息；通信和数字运算功能强，代表性语言有AML、AUTOPASS。•任务级语言操作者直接下命令，不需要规定机器人每个动作细节，自动推理规划，自动生成机器人的动作。工业机器人发展回顾50年代-萌芽期58年第一台工业机器人在美国问世。60年代-黎明期推出圆柱坐标、球坐标机器人，日本引进美国机器人技术。70年代-实用化期计算机控制机器人、关节型机器人问世，推出VAL编程语言、视觉力觉传感器；72年中国第一台机器人诞生；70年代末全世界拥有万台以上机器人；日本成为机器人王国。80年代-普及期80年代末机器人总数已达45万台。90年代-扩展渗透期具有感觉机器人实用化，智能机器人相继出现并开始走向应用；1997年底，机器人总量达95万台。4.3.4工业机器人发展回顾与展望工业机器人发展展望•执行机构具有柔性感、灵巧性手爪和手臂；•驱动机构采用形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴等新型驱动器；•移动技术步行、爬行，由4足、6足、8足或更多足组成；•微型机器人毫米级、纳米级机器人，微小位置姿态控制；微型电池；微小生物运动机构等；•多传感器集成与融合技术视觉、触觉、嗅觉、味觉及其综合；•新型智能技术模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等；•仿生机构模仿生物体构造、移动模式、运动机理、能量分配等，人工肌肉、蛇形移动机构、仿象鼻柔性臂、人造关节。第四节柔性制造技术4.4.1柔性制造系统基本概念4.4.2FMS的加工系统4.4.3FMS的工件运储系统4.4.4FMS的刀具运储系统4.4.5FMS的控制与管理系统FMS定义和组成定义：由两台以上加工设备、物料运储和控制系统组成，通过改变软件程序