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先进制造技术（第3版）北京理工大学出版社第4章制造自动化技术4.1概述4.2工业机器人（IndustrialRobot)4.3柔性制造系统（FMS）4.1概述4.1.1制造自动化技术内涵狭义制造：生产车间内产品的机械加工和装配过程的自动化，包括切削加工自动化、工件装卸自动化、工件储运自动化、零件与产品清洁及检验自动化、断屑与排屑自动化、装配自动化、机器故障诊断自动化等。广义制造：制造自动化包含了产品设计自动化、企业管理自动化、加工过程自动化和质量控制自动化等产品制造全过程以及各个环节综合集成自动化，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时、洁净的目标。下一页返回4.1概述4.1.2制造自动化技术的现状制造自动化的发展过程，见表4-1。将制造自动化的发展历程分为三个发展阶段：刚性自动化：表现在半自动和自动机床、组合机床、组合机床自动线的出现。特点：生产效率高、加工品种单一。柔性自动化：数控技术（NC）、计算机数控（CNC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）等。特点：能满足多品种小批量甚至单件生产自动化的需要。综合自动化：计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）等模式的发展和应用。特点：充分利用资源，发挥综合效应。上一页下一页返回4.1概述制造自动化技术目前的研究主要表现在以下几个方面：1．制造系统中的集成技术和系统技术已成为研究热点集成技术包括制造系统的信息集成技术（如CIMS）、过程集成技术（如并行工程CE）、企业集成技术（如敏捷制造AM）等；系统技术包括制造系统分析技术、制造系统建模技术、制造系统运筹技术、制造系统管理技术和制造系统优化技术等。2．更加注重制造自动化系统中人因作用的研究“人机一体化制造系统”、“以人为中心的制造系统”等新思想。3．数控单元系统的研究仍然占有重要的位置上一页下一页返回4.1概述4．制造过程的计划和调度研究十分活跃优化制造过程的计划和调度是减少95％时间的主要手段。5．柔性制造技术的研究向着深度和广度发展DNC有两种不同的含义：一是DirectedNumericalControl，即计算机直接数控；另一是DistributedNumericalControl，即分布式数控。6．适应现代生产模式制造环境的研究正在兴起围绕敏捷制造模式的研究，主要包括敏捷制造模式下的制造自动化系统体系结构、高效柔性制造系统的建模与重构、制造能力测量、评价与控制和制造加工过程的虚拟制造等。7．底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃HMS是由智能完备单元复合而成，其底层设备具有开放、自律、合作、可知、适应柔性、易集成等特性。上一页下一页返回4.1概述4.1.3制造自动化技术发展趋势（1）制造敏捷化其核心是使企业对面临市场竞争作出快速反应，利用企业内外各方面的优势，形成动态联盟，缩短产品的开发周期，尽快抢占市场。（2）制造网络化包括企业制造环境的网络化和企业与企业之间的网络化。（3）制造虚拟化包括设计过程的拟实技术和加工制造过程的虚拟技术。（4）制造智能化包含智能计算机、智能机器人、智能加工设备及生产线等。（5）制造全球化包括市场的国际化和制造企业在世界范围内的重组与集成。（6）制造绿色化一个考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）4.2.1工业机器人的定义工业机器人是一种可重复编程的多自由度的自动控制操作机，是涉及机械学、控制技术、传感技术、人工智能、计算机科学等多学科技术为一体的现代制造业的基础设备。其研究和应用水平是衡量一个国家制造业及其工业自动化水平的标志之一。4.2.2工业机器人的组成与分类1．工业机器人的组成图4-1所示是一个典型的关节型工业机器人。工业机器人一般由执行机构、控制系统、驱动系统以及位置检测机构等几个部分组成。下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）（1）执行机构是一组具有与人手脚功能相似的机械机构，又俗称操作机，通常包括如下的组成部分：1）手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。2）腕部：是联接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。3）臂部：是支撑手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成，用以承受工件或工具负荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们送至预定的位置。4）机身：又称立柱，是支撑臂部的部件，用以扩大臂部活动和作业范围。5）机座及行走机构：是支撑整个机器人的基础件，用以确定或改变机器人的位置。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）（2）控制系统控制系统是机器人的大脑，控制与支配机器人按给定的程序动作，并记忆人们示教的指令信息，如动作顺序、运动轨迹、运动速度等，可再现控制所存储的示教信息。（3）驱动系统是机器人执行作业的动力源，按照控制系统发来的控制指令驱动执行机构完成规定的作业。常用的驱动系统有机械式、液压式、气动式以及电气驱动等不同的驱动形式。（4）位置检测装置通过附设的力、位移、触觉、视觉等不同的传感器，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，以便执行机构以一定的精度和速度达到设定的位置。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）2．工业机器人的分类（1）按系统功能分类1）专用机器人：在固定地点以固定程序工作的机器人，其结构简单、工作对象单一、无独立控制系统、造价低廉。2）通用机器人：具有独立控制系统，通过改变控制程序能完成多种作业的机器人。其结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。3）示教再现式机器人：具有记忆功能，在操作者的示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。4）智能机器人：采用计算机控制，具有视觉、听觉、触觉等多种感觉功能和识别功能的机器人，通过比较和识别，自主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）（2）按驱动方式分类1）气压传动机器人：以压缩空气作为动力源驱动执行机构运动的机器人，具有动作迅速、结构简单、成本低廉的特点，适用于高速轻载、高温和粉尘大的环境作业。2）液压传动机器人：采用液压元器件驱动，具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于重载、低速驱动场合。3）电气传动机器人：用交流或直流伺服电动机驱动的机器人，不需要中间转换机构，机械结构简单、响应速度快、控制精度高，是近年来常用的机器人传动结构。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）（3）按结构形式分1）直角坐标机器人：由三个相互正交的平移坐标轴组成，如图4-2a）所示。2）圆柱坐标机器人：由立柱和一个安装在立柱上的水平臂组成，其立柱安装在回转机座上，水平臂可以自由伸缩，并可沿立柱上下移动。该类机器人具有一个旋转轴和两个平移轴，如图4-2b）所示。3）球坐标机器人：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成，具有两个旋转轴和一个平移轴，如图4-2d）所示。4）关节机器人：关节机器人的运动类似人的手臂、由大小两臂和立柱等机构组成。大小臂之间用铰链联接形成肘关节，大臂和立柱联接形成肩关节，可实现三个方向旋转运动，如图4-2c）所示。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）在机器人设计和选用时应考虑如下几个性能指标：（1）自由度自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。通用工业机器人有3～6个自由度。（2）工作空间是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。如图4-3a）、b）、c）分别为圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人的工作空间。（3）提取重力机器人提取的重力反映其负载能力的一个参数。根据提取重力的不同，可将机器人分为：①微型机器人；②小型机器人；③中型机器人；④大型机器人；⑤重型机器人。（4）运动速度运动速度影响机器人的工作效率。（5）位置精度它是衡量机器人工作质量的又一项技术指标。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）4.2.3工业机器人的控制技术如图4-4所示，机器人控制系统通常包括控制计算机、示教盒、操作面板、存储器、检测传感器、输入输出接口、通信接口等。1．工业机器人控制系统的分类（1）按照控制回路的不同分开环系统和闭环系统。（2）按照控制系统的硬件分机械控制、液压控制、射流控制、顺序控制和计算机控制等。（3）按自动化控制程度分顺序控制系统、程序控制系统、自适应控制系统、人工智能系统。（4）按编程方式分物理设置编程控制系统、示教编程控制系统、高线编程控制系统。（5）按机器人末端运动控制轨迹分有点位控制和连续轮廓控制之分。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）2．工业机器人的位置伺服控制图4-5给出了机器人位置伺服控制系统的构成示意图。机器人的位置伺服控制，大体上可分为关节伺服和坐标伺服两种类型。（1）关节伺服控制关节伺服控制是以大多数非直角坐标机器人为控制对象。图4-6给出了关节伺服控制的构成，它把每一个关节作为单独的单输入单输出系统来处理。（2）坐标伺服控制这种伺服控制系统是将机器人手臂末端位置姿态矢量rd固定于空间内某一个作业坐标系来描述的。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）3．工业机器人的自适应控制（1）模型参考自适应控制其作用是使得系统的输出响应趋近于某指定的参考模型，因而必须设计相应的参数调节机构，如图4-7所示。（2）自校正适应控制如图4-8所示，这种方法由表现机器人动力学离散时间模型各参数的估计机构与用其结果来决定控制器增益或控制输入的部分组成，采用输入输出数与机器人自由度相同的模型。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）4.2.4工业机器人半个世纪发展的回顾与展望1．工业机器人发展回顾（1）20世纪50年代——萌芽期（2）20世纪60年代——黎明期（3）20世纪70年代——实用化期（中国：萌芽期）（4）20世纪80年代——普及期（中国：开发期）（5）20世纪90年代至本世纪初——扩展渗透期（中国：实用化期）上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）2．工业机器人发展展望（1）执行机构新型轻质、高强度和高刚性的结构材料；快速准确、结构紧凑；多自由度、灵活柔顺。（2）动力和驱动机构质量轻、体积小、出力大。（3）移动技术由1足、4足、6足、8足或更多足组成。（4）微型机器人直接进入人体器官进行各种疾病诊断和治疗，而不伤害人的健康。（5）多传感器集成与融合技术采用多传感器集成和融合技术，利用各种传感信息。（6）新型智能技术形状记忆合金（SMA）。（7）仿生机构由于生物体构造、移动模式、运动机理、能量分配、信息处理与综合，以及感知和认识等方面已开展仿生机构的研究。上一页下一页返回4.2工业机器人（IndustrialRobot）4.2.5工业机器人在我国工业生产中的应用工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业。我国的工业机器人经“863”计划的研究和攻关，取得了长足的进展，如图4-9，使我国机器人研究进入实用化阶段。北京自动化研究所开发生产的PJ系列喷涂机器人广泛用于汽车及电机、电器、陶瓷等行业；大连组合机床研究所开发的R系列弧焊、搬运机器人，用于机械、轻工等行业；北京机床研究所开发的GJR系列搬运、点焊、弧焊机器人，用于汽车、摩托车、自行车等行业。上一页下一页返回4.3柔性制造系统（FMS）4.3.1柔性制造系统概述广义概念：由若干台数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成，并能根据制造任务或生产品种的变化迅速进行调整，以适应多品种、中小批量生产的自动化制造