制造自动化技术

第4章制造自动化技术本章主要内容制造自动化技术概述数控技术工业机器人柔性制造系统第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology4.1概述Introduction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）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。适合大批量生产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汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代4.1.1制造自动化技术的内涵柔性自动化50年代焊接机器人综合自动化70年代综合自动化4.1.1制造自动化技术的内涵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。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第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology4.2机床数控技术NCMachineToolTechnology课程“先进制造技术”4.2.1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。数控机床的诞生麻省理工学院伺服机构实验室4.2.1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(NCMachine)•数控系统(NCSystem)能自动阅读输入介质上记载的程序，并将其译码，控制机床运动，实现零件加工过程的程序控制系统。•计算机数控系统(ComputerizedNumericalControlSystem，CNC)由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程序控制器(PLC)、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成的一种数控系统，习惯上称为CNC系统。数控机床组成框图4.2.2数控机床的组成◆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。◆PLC、机床I/O电路和装置◆机床本体4.2.2数控机床的组成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；1．手工编程•手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即零件图样分析、工艺处理、数学处理、程序编制和输入介质准备直至程序的检验等过程，均有由人工完成。2．自动编程•使用计算机编制数控加工程序，能自动地输出零件加工程序及自动制作控制介质的过程称为自动编程。1959年美国麻省理工学院研制成功自动编程语言APT(AutomaticallyProgrammedTool，APT)系统。3．面向车间的编程(WOP)•它是介于手工编程和自动编程之间的一种编程方法。它可借助计算机完成一些复杂的数学处理工作，并提供人机交互界面，让工程人员可以方便地融入自己积累的加工经验。4．CAD／CAM集成系统数控编程•它是以待加工零件的CAD模型为基础的一种集加工工艺规程及数控编程为一体的自动编程方法。适用于数控编程的CAD模型主要有表面模型(surfaceModel)和实体模型(SolidModel)，其中表面模型应用得最为广泛。数控编程技术4.2.3数控机床的类型经济型数控车床全功能数控车床4.2.3数控机床的类型车削中心双主轴数控车削中心4.2.3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4.2.3数控机床的类型经济型数控铣床高速数控铣床4.2.3数控机床的类型立式加工中心卧式加工中心4.2.4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4.2.4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.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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◆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。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。并联机床的基本结构◆布局特点◆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。4.2.5并联运动机床4.2.5并联运动机床并联机床HexaM简图并联机床结构示意简图（6SPS机构）该机床的运动路线为:6个伺服电机的运动通过丝杠(驱动轴)、螺母和连杆传给装有电主轴的刀具夹板，从而带动刀具作任意空间曲线运动。该并联机床由运动平台、固定平台以及能伸缩的若干驱动杆组成，运动平台与固定平台由6根驱动杆（伸缩杆）相连，每个驱动杆两端都是球铰副，中间有一个移动副。驱动器驱动移动副作相对运动，改变伸缩杆的长度，便可改变运动平台的位姿，若将刀具安装在运动平台上，则通过控制六杆长度的变化，便