制造自动化技术1

制造自动化技术4.1制造自动化技术概述4.1.1制造自动化技术的内涵制造自动化的概念是一个动态发展过程。过去人们认为自动化是以机器代替人的体力劳动，自动完成特定的作业。随着制造技术、电子技术、控制技术、计算机技术、信息技术、管理技术等的发展，制造自动化已远远突破传统的概念。制造自动化的广义内涵至少包括以下几点：形式方面：一是代替人的体力劳动；二是代替人的脑力劳动；三是实现制造系统中的人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。功能方面，可用T(time)、Q(quality)、C(cost)、S(service)、E(environment)这五个功能目标（简称为TQCSE）模型来描述。范围方面，不仅涉及具体生产制造过程，而且涉及产品寿命周期所有过程。4.1.2制造自动化技术的发展历程第一阶段(1913-)：刚性自动化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。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。第三阶段(1965-)：柔性制造主要技术：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。第四阶段(1973-)：计算机集成制造系统(CIMS)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。第五阶段(1991-)：新的制造自动化模式智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造和绿色制造。4.1.3制造自动化技术的发展趋势制造敏捷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。制造网络化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。制造全球化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。制造虚拟化虚拟制造(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。制造智能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。制造绿色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。4.2现代数控加工技术4.2.1数控机床数控机床的诞生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。数控机床的定义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。数控机床的组成数控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。伺服驱动装置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。检测反馈装置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；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4.2.2数控机床的种类机器应用范围按工艺用途分类金属切削类数控机床金属成型类数控机床特种加工类数控机床测量、绘图类数控机床按运动轨迹分类点位控制数控机床点位直线控制数控机床轮廓控制数控机床按伺服控制方式分类开环控制数控机床闭环控制数控机床半闭环控制数控机床4.2.3并联运动机床并联机床的基本结构◆布局特点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。◆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。并联机床与传统机床的比较传统机床：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。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。并联机床的优点运动精度高：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，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4.2.4开放式计算机数控系统现代数字化装备的发展对数控系统的要求高速、高效、复合、精密、智能、环保等是世界数字化装备的发展趋势，而网络化、智能化、开放式计算机数控系统是实现高水平装备的保证。开放式体系结构使数控系统有更好的通用型、柔性、适应性、扩展性并向智能化、网络化方向发展开放式计算机数控系统特征功能模块具有可移植性；模块具有可扩展性；重新配置的可缩放性；容易实现与其他自动化设备互连的可操作性。4.2.5数控机床的发展趋势加快发展高速、高精加工技术及装备高速主轴单元(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)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。快速发展五轴联动加工和复合加工机床采用五轴联动机床加工三维曲面零件，可用具有最佳几何形状的刀具进行切削，不仅粗糙度小，而且切削效率也可得到大幅提高。电主轴的出现，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅降低，数控系统的价格差距也因此缩小，促进了复合主轴头结构类型五洲联动机床和复合加工机床的发展智能化、开放式、网络化重视新技术标准、规范的建立4.3工业机器人技术4.3.1工业机器人的基本概念工业机器人的定义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”。机器人的分类工业机器人的基本组成执行机构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。机器。控制系统包括：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。驱动系统驱动系统包括驱动器和传动机构，常和执行机构连成一体，驱动臂杆完成制定的运动。常用的驱动器有电动机、液压和气动装置等位置检测装置通过力传感器、位移传感器、触觉传感器等检测机器人的运动位置和工作状态，并随时反馈给控制系统，以便使执行机构以一定的精度和速度达到设定的位置。4.3.2工业机器人的控制系统机器人控制系统的组成及其特点机器人的控制系统通常由控制计算机、示教盒、控制面板、存储器、检测传感器、I/O结构、通信接口等部分组成。它具有以下几个特点：机器人有若干个关节，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。机器人的工作任务是要求操作机的末端操作器进行空间点位运动或轨迹运动。在机器人的控制系统中经常使用前馈、补偿、解耦、自适应等复杂控制技术。对于较高级的机器人，要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，并按给定的要求自动选择最佳控制规律。工业机器人控制系统的分类按驱动方式，可分为液动驱动、气动驱动和电动驱动控制系统。按控制方式，可分为顺序控制、程序控制、适应控制和人工智能控制系统。按机器人手部运动轨迹，可分为点位控制、连续轮廓控制系统。按控制总线标准，可分为国际标准总线控制系统和自定义总线控制系统。按编程方式，可分为物理设置编程、示教编程和离线编程控制系统。4.3.3工业机器人的编程技术用机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指示，规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容，这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。手控示教编程法离线编程法机器人语言及其分类4.3.4工业机器人的应用点焊机器人装配每台汽车车体一般大约需要完成3000～4000个焊点，其中60％是由点焊机器人完成的。◆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。喷漆机器人日本TOKICO公司生产的RPA856RP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◆