自动化生产线和机器人技术应用

智能化制造自动化生产线与机器人技术应用智能化制造智能化制造系统由于其加工工艺范围很广，涉及到很多设备。本课程主要介绍常用自动化生产线和工业机器人的类型及布局、各种自动化加工设备、工件的储运系统、刀具准备及储运系统、控制与监控系统、各种辅助设备以及自动化制造系统的控制系统。智能化制造1概述2自动化加工设备3工件储运设备4刀具准备与储运系统5工业机器人6质量控制和运行监控系统7辅助设备8控制系统思考题智能化制造1概述1.11.刚性半自动化单机除上、下料外，机床可以自动完成单个工艺过程的加工循环，这样的机床称为刚性半自动化机床。2.刚性自动化单机它是在刚性半自动化单机的基础上增加了自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。智能化制造3.刚性自动化生产线是多工位生产过程，用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。图1-1所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局图。该自动线年生产曲拐零件17000件，毛坯是球墨铸铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面，因而采用了随行夹具安装定位，便于工件的输送。智能化制造1-1(a)正视图；(b)俯视图智能化制造智能化制造刚性自动线生产率高，但柔性较差，当加工件的变化时，需要停机、停线并对机床、夹具、刀具等工装设备进行调整或更换，如更换主铀箱，通常调整工作量大，停产时间较长。智能化制造该曲拐加工自动线由七台组合机床和一个装卸工位组成。全线定位夹紧机构由一个泵站集中供油。工件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式传动装置驱动。1.2柔性制造单元(FMC)柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）由单台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等组成。智能化制造1.FMCFMC控制系统一般分为两级，分别是单元控制级和设备控制级。（1）设备控制级。（2）单元控制级。2.FMCFMC（1）单元中各加工设备的任务管理与调度。（2）单元内物流设备的管理与调度。（3）刀具系统的管理。图1-2所示为一以加工回转体零件为主的柔性制造单元。智能化制造图1-2柔性制造单元智能化制造图1-3所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70把，采用双机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环形转盘，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。智能化制造图1-3带托盘库的柔性制造单元智能化制造预备知识常用的机械加工方法和设备智能化制造金属切削加工是在机床上，利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层(加工余量），以获得具有一定的表面精度(形状、尺寸和位置精度)和表面质量的机械零件的机械加工力法。智能化制造车削铣削刨削镗削磨削钻削常用机械加工方法电火花加工激光加工精密及特种加工方法电解加工超声加工智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造1.3柔性制造系统(FMS)柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem）由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现了物料流和信息流的自动化。其基本组成部分有：自动化加工设备、工件储运系统、刀具储运系统和多层计算机控制系统等。1.自动化加工设备组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。智能化制造2.工件储运系统FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库和托盘（工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等;工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。3.FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。智能化制造4.FMS可以根据生产需要配置辅助设备。辅助设备一般包括自动清洗工作站,自动去毛刺设备,自动测量设备,集中切屑运输系统和集中冷却润滑系统等。智能化制造5.FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、工作站控制级、设备控制级。图1-4就是一个FMS控制系统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350卧式加工中心、XH714A立式加工中心和仓储设备等。（1）设备控制级。（2）工作站控制级。（3）单元控制级。智能化制造图1-4FMS控制系统实例智能化制造图1-5是一种较典型的FMS，四台加工中心直线布置，工件储运系统由托盘站2、托盘输送车4、工件装卸工位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组成。智能化制造图1-5柔性制造系统的组成智能化制造柔性制造系统的主要特点有：①柔性高，适应多品种中小批量生产；②系统内的机床在工艺能力上是相互补充和相互替代的；③可混流加工不同的零件；④系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；⑤多层计算机控制，可以和上层计算机联网；⑥可进行三班无人干预生产。智能化制造图1-6所示是一个具有装配功能的柔性制造系统。柔性制造系统的主要特点有：柔性高，适应多品种中、小批量生产；系统内的机床工艺能力上是相互补充和相互替代的；可混流加工不同的零件；系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；多层计算机控制，可以和上层计算机联网；可进行三班无人干预生产。1.4柔性制造线(FML)柔性制造线（FlexibleManufacturingLine）由自动化加工设备、工件输送系统和控制系统等组成。智能化制造图1-6具有装配功能的柔性制造系统智能化制造柔性制造线的主要优点是：具有刚性自动线的绝大部分优点；当批量不很大时，生产成本比刚性自动线低得多；当品种改变时，系统所需的调整时间又比刚性自动线少得多，但建立系统的总费用却比刚性自动线高得多。1.自动化加工设备;2.工件输送系统;3.刀具;智能化制造图1-7为一加工箱体零件的柔性自动线示意图，它由两台对面布置的数控铣床，四台两两对面布置的转塔式换箱机床和一台循环式换箱机床组成。采用辊子传送带输送工件。这条自动线看起来和刚性自动线没有什么区别，但它具有一定的柔性。FML同时具有刚性自动线和FMS的某些特征，在柔性上接近FMS，在生产率上接近刚性自动线。智能化制造图1-7柔性制造线示意图智能化制造自动化加工设备工件输送系统刀具FML数控机床、可换主轴箱机床传送带主轴箱装多把刀具，人工换刀钣金柔性加工线1钣金柔性加工线2智能化制造1.5柔性装配线(FAL)柔性装配线（FlexibleAssemblyLine）通常由装配站、物料输送装置和控制系统等组成。1.FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人,不可编程的自动装配装置和人工装配工位。2.3.FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要控制物料的流向和自动装配站、装配机器人。图1-8是FAL的示意图。智能化制造图1-8柔性装配线示意图智能化制造物料输送装配控制系统FAL装配机器人、装配装置、人工装配工位全线进行高度和监控装配站定时器自动装配线传送带和换向机构智能化制造第二节自动化加工设备1、组合机床2、数控机床智能化制造组合机床一般是针对某一种零件或某一组零件设计、制造的，常用于箱体、壳体和杂件类零件的平面、各种孔和孔系的加工．往往能在一台机床上对工件进行多刀、多轴、多面和多工位加工。组合机床的特点：①工序集中，多刀同时切削加工，生产效率高；②采用专用夹具和刀具(如复合刀具、导向套)，加工质量稳定；③常用液压、气动装置对工件定位、夹紧和松开，实现工件装夹自动化；④常用随行夹具，方便工件装卸和输送；⑤更换主轴箱可适应同组零件的加工，有一定的柔性；⑥采用可编程控制器控制可与上层控制计算机通信；⑦机床主要由通用部件组成，设计、制造周期短，建造自动化速度快。智能化制造多工位小型组合机床喷油泵体精镗组合机床缸盖精加工组合机床智能化制造2数控机床2.1一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系统是非常重要的。1.2.自动化程度高3.加工精度高且质量稳定智能化制造4.生产效率较高5.6.现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。图3-10是数控装置的基本组成框图。智能化制造图3-10数控装置的基本组成框图智能化制造CNC系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器（PC或可编程逻辑控制器PLC）、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成，如图3-11所示。智能化制造图3-11CNC系统框图智能化制造2.2加工中心(MC)加工中心的系统基本组成与一般数控机床一样，只是在此基础上增加了刀库和自动换刀装置而形成一类更复杂，但用途更广，效率更高的数控机床。加工中心配置有刀库和自动换刀装置，能在一台机床上完成车、铣、镗、钻、铰、攻螺纹、轮廓加工等多个工序的加工。加工中心机床具有工序集中，可以有效缩短调整时间和搬运时间，减少在制品库存，加工质量高等优点，因此常用于零件比较复杂，需要多工序加工，且生产批量中等的生产场合。加工中心通常是指镗铣加工中心，主要用于加工箱体及壳体类零件，工艺范围广。智能化制造加工中心通常是指镗铣加工中心，主要用于加工箱体及壳体类零件立式加工中心卧式加工中心平面零件的单面加工大型箱体零件的多面加工智能化制造刀具库刀具自动交换机构普通数控机床加工中心的特点：复杂工作台机械手顺序存取随机存取多面加工工件自动交换智能化制造加工中心的刀具库通常位于远离主轴的机床侧面或顶部。加工中心刀具的存取方式有顺序方式和随机方式，刀具随机存取是最主要的方式。正确安放刀具是成功执行数控程序的基本条件。回转工作台是卧式加工中心实现主轴运动的部件，主轴的运动可作为分度运动或进给运动。回转工作台有两种结构形式：仅用于分度的回转工作台用鼠齿盘定位，分度前工作台抬起，使上、下鼠齿盘分离，分度后落下定位，上、下鼠齿盘啮合，实现机械刚性连接；用于进给运动的回转工作台用伺服电机驱动，用回转式感应同步器检测及定位，并控制回转速度，也称数控工作台。数X、Y、Z轴及其它附加运动构成4～5轴轮廓控制，可加工复杂轮廓表面。智能化制造车削中心比数控车床工艺范围宽，工件一次安装，几乎能完成所有表面的加工，如内、外圆表面，端面，沟槽，内、外圆及端面上的螺旋槽，非回转轴心线上的轴向孔和径向孔等。车削中心回转刀架上可安装如钻头、铣刀、铰刀、丝锥等回转刀具，它们由单独的电动机驱动，也称自驱动刀具。在车削中心上用自驱动刀具对工件的加工分为两种情况：一种是主轴分度定位后固定，对工件进行钻、铣、攻螺纹等加工；另一种是主轴运动作为一个控制轴（C轴），C轴运动和X、Z轴运动合成为进给运动，即三坐标联动，铣刀在工件表面上铣削各种形状的沟槽、凸台、平面等。智能化制造车削中心12工位动力刀架动力头对刀仪智能化制造车削中心回转刀架通常可装刀具12～16把，这对无人看管柔性加工来说是不够的。因此，有的车削中心装备有刀具库，刀库有筒形或链形，刀具更换和存储系统位于机床一侧，刀库和刀架间的刀具交换由机械手或专门机构进行。车削中心采用可快速更换的卡盘和卡爪，普通卡爪更换时间为5～10min，而快速更换卡盘、卡爪的时间可控制在2min以内。卡盘有3～5套快速更换卡爪，以适应不同直径的工件。如果工件直径变化很大，则需要更换卡盘。有时也采用人工在机床外部用卡盘夹持好工件，用夹持有新工件的卡盘更换已加工的工件卡盘的方法，工件-卡盘系统更换常采用自动更换装置。智能化制造工件储运系统是自动化制造系统的重要组成部分，它将工件毛坯或半成品及时准确地送到指定加工位置，并将加工好的成品送进仓库或装卸站。工件储运系统为自动化加工设备服务．使自动化制造系统得以正常运行，以发挥出系统的整体效益。第三节工件储运系统1、工件储运系统的组成2、工件输送设备3、工件储存系统智能化制造智能化制造传送带运输小车工业机器人托盘及托盘交换装置智能化制造步代式传送带摆杆步代式传送带链板履带式传送带辊道式传送带智能化制造有轨小车（RGV）自动导向小车（AGV）智