第4章制造自动化技术

河南省精品课程“先进制造技术”先进制造技术AdvancedManufacturingTechnologyHenanUniversityofScience&Technology1第4章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4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology4.1概述Introduction河南省精品课程“先进制造技术”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）制造技术的自动化◆产品设计自动化4.1.1制造自动化技术的内涵◆企业管理自动化企业ERP（EnterpriseResourcePlanning）◆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）、并行工程等。制造系统的自动化4自动单机和刚性自动线；本阶段在20世纪40～50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。制造自动化技术的发展历程◆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50～70年代已成熟，但到了70~80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。4.1.1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，FMSCAD/CAM系统，MRPⅡ，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7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。8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9第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology4.2机床数控技术NCMachineToolTechnology河南省精品课程“先进制造技术”104.2.1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4-3麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室114.2.1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（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，ComputerNumericalControl）以区别于传统的NC。数控机床12图4-4数控机床组成框图4.2.2数控机床的组成13◆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。14◆PLC、机床I/O电路和装置◆机床本体4.2.2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(ProgrammableLogicController)：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；154.2.3数控机床的类型经济型数控车床车削中心164.2.3数控机床的类型立式数控铣床卧式数控铣床龙门数控铣床174.2.3数控机床的类型立式加工中心卧式加工中心184.2.4数控机床的发展历程硬线数控G1:1952~1955，电子管G2:1955~1959，晶体管G3:1959~1965，小规模集成电路194.2.4数控机床的发展历程计算机数控G4:1970s(1970~1974)，小型计算机G5:1974-微处理器(MCNC)1979超大规模集成电路(VLIC)G6:1994~基于PC-NC.20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60~120m/min，切削进给速度高达60m/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5000~8000m/min以上；主轴转数在30000r/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。特征:高生产率和刚性结构，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◆高速、高效4.2.4数控机床的发展历程21普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm；精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm，提高到±1~1.5μm，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0.01~0.05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。4.2.4数控机床的发展历程22◆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。4.2.4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。23第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology4.3工业机器人技术IndustrialRoboticTechnology河南省精品课程“先进制造技术”24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、手爪等机器人的起源◆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：4.3.1概述◆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。25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：①具有脑、手、脚等三要素的个体；②具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；③具有平衡觉和固有觉的传感器。机器人的定义◆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：4.3.1概述◆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”。26机器人的分类分类名称简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