《先进制造技术》-第四章-制造自动化技术.ppt

第四章 制造自动化技术,4.1 制造自动化技术概述4.2 机床数控技术4.3 工业机器人4.4 柔性制造技术,第一节 制造自动化技术概述 4.1.1 制造自动化技术内涵 4.1.2 制造自动化技术的发展及现状 4.1.3 制造自动化技术发展趋势,自动化：自动去完成特定的作业。制造自动化（狭义）：生产车间内产品机械加工和装配检验过程的自动化；制造自动化（广义）：包含产品设计、企业管理、加工过程和质量控制等产品制造全过程综合集成自动化。制造自动化意义：显著提高劳动生产率、提高产品质量、降低制造成本、提高经济效益，改善劳动条件、提高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的发展、提高企业的市场竞争能力。,4.1.1 制造自动化技术内涵,刚性自动化 设备-自动/半自动机床、组合机床、组合机床自动线；对象-单一品种大批量生产自动化；特点-生产效率高、加工品种单一。柔性自动化 设备-NC、CNC、FMC、FMS等。对象-多品种小批量甚至单件生产自动化；综合自动化 经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化，CIMS、CE、LP、AM等。,4.1.2 制造自动化技术的发展及现状,当前制造自动化技术研究领域和方向 集成技术和系统技术研究 自动化系统中人因作用的研究 数控单元系统的研究 制造过程的计划和调度研究 柔性制造技术的研究 现代生产模式制造环境的研究 底层加工系统的智能化和集成化研究,制造敏捷化 使企业面临市场竞争作出快速响应；制造网络化 实现制造过程的集成，实现异地制造、远程协调作业；制造虚拟化 保证产品和制造过程一次成功，发现设计与生产中可避免的缺陷和错误；制造智能化 扩大、延伸、部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现优化的制造过程。制造全球化 市场国际化，产品制造跨国化，制造资源跨国家的协调、共享和优化利用；制造绿色化 使产品从设计、制造、使用到报废处理全生命周期中，对环境影响最小，资源利用率最高。,4.1.3 制造自动化技术发展趋势,第二节 机床数控技术 4.2.1 机床数控系统 4.2.2 机床伺服系统 4.2.3 数控加工编程技术 4.2.4 机床数控技术发展趋势,数控技术的发展硬件数控阶段NC(1952-1970)第一代：电子管；第二代：晶体管；第三代：小规模集成电路；计算机数控阶段CNC（1970-现在)第四代：小型计算机；第五代：微处理器；第六代：PC微机(PCNC),4.2.1 机床数控系统,机床数控系统的组成及功能CNC系统组成：数控装置、PLC、伺服驱动装置、I/O接口、控制面板、人机界面数控装置功能：控制功能-单轴、多轴联动控制；准备功能-包括移动、暂停、坐标设定、固定循环等功能；插补功能-直线插补、圆弧插补、抛物线等；辅助功能-主轴启停、冷却润滑通断、刀库的启停等；补偿功能-刀具半径/刀具、反向间隙、螺距、温度等补偿功能。PLC功能：控制面板、主轴停启与换向、刀具更换、冷却润滑启停、工件夹紧与松开、工作台分度等开关量的控制。,CNC数控系统组成原理,数控系统的硬件结构单CPU结构 通过总线使CPU与存储器和各种接口相连接，集中控制、分时处理工作方式。多CPU结构 多个CPU通过公用地址和数据总线互连，各自完成功能，系统速度高、处理能力强。PC微机CNC系统 具有微机丰富的软硬件资源、友好的人机界面、拥有多媒体和网络功能，是当前数控系统的发展方向。,基于PC微机和PMAC的CNC系统结构,数控系统的软件组成,开放式数控系统开放性：满足CNC系统快速发展和用户自主开发需要PC微机型开放式CNC系统形式：专用数控嵌入PC主板 是专用数控系统商提供的形式，仅限于PC部分开放，其专用数控部分仍处于封闭状态。PC机+运动控制卡 提供底层数控接口，支持二次开发和扩展，有上下两级开放性，如PMAC运动控制器。纯PC软件型 尚未形成商品，代表数控系统发展方向。,组成：位置控制单元、速度控制单元、伺服电机、检测反馈单元4部分组成。分类：按检测系统分 开环系统、闭环系统、半闭环系统、混合闭环系统。按有控制电机分 步进伺服、直流伺服、交流伺服。,4.2.2 机床伺服系统,半闭环伺服系统,松下交流伺服系统的总体接线图 1-交流伺服电机 2-伺服驱动器 3-控制系统 4-控制连接电缆 5-检测连接电缆 6-动力电缆 7-PLC电缆 8-PLC,交流伺服电机：异步电动机 功率大、精度稍低、多用于主轴电机；永磁同步电动机 精度要求高、价格贵，多用于容量 小的进给伺服电机。交流伺服驱动器：模拟式 工作速度快，系统频率宽，体积大、器件多、不易调试；数字式 控制方式改变仅需改变软件，柔性好，结构紧凑，重复性好。检测元件：旋转变压器、脉冲编码器等。,数控加工手工编程一般步骤,4.2.3 数控加工编程技术,工艺分析,数值计算,NC程序编制,输入NC程序,首件试切,修改,零件图,手工编制不足：效率低、复杂零件手工编程困难，周期长，错误率高。,计算机辅助数控编程,数控系统性能方面高速高精高效化 进给速度80-120m/min，加速度1-2g，主轴dn=(1-3)*106，换刀小于1s；加工精度0.1m，甚至0.01m。柔性化 功能覆盖面大，便于不同用户的需求；物料流和信息流自动动态调整。工艺复合化和多轴化 如FANUC15可控轴数和联动轴数均达到24轴。实时智能化 配置编程专家系统、故障诊断专家系统，实现自适应控制和模糊控制。,4.2.4 机床数控技术发展趋势,数控系统功能方面用户界面图形化 方便了用户，便于编程和图形模拟；科学计算可视化 可视化技术可用于自动编程、参数自动设定、刀具补偿和管理、加工过程仿真演示；插补和补偿方式多样化 插补：直线、圆弧、椭圆、螺纹、NURBS、多项式插补；补偿：反向间隙、垂直度、螺距、温度补偿等；内置高性能PLC 可用梯形图或高级语言编程，具有在线调试和在线帮助功能；多媒体技术应用 在实时监控和故障诊断、生产过程监测方面有重大应用价值。,体系结构的发展集成化 高度集成化芯片，提高数控系统集成度；模块化 通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统；网络化 可进行远程控制，在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、控制；开放式闭环控制模式 易于将计算机智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、动态数据管理、动态仿真等技术融于一体，构成制造过程闭环控制体系。,第三节 工业机器人4.3.1 工业机器人的组成与分类4.3.2 工业机器人的控制技术4.3.3 工业机器人的编程技术4.3.4 工业机器人半个世纪发展 的回顾与展望,4.3.1 工业机器人的组成与分类,工业机器人的结构组成,工业机器人的组成执行机构手部：用于抓取对象，有夹持式、吸附式等不同结构腕部：联接手部和手臂部件，用以调整手部姿态和方位臂部：承载负荷，改变空间位置机身：支撑臂部部件，扩大臂部活动和作业范围机座及行走机构：机器人基础件，确定或改变 机器人位置控制系统 控制机器人按给定的程序动作，记忆 示教指令，再现示教信息。驱动系统 驱动执行机构完成规定作业。位置检测装置 检测运动位置和工作状态。,工业机器人的分类-按系统功能分类专用机器人 以固定程序工作机器人，结构简单、无独立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。通用机器人 可完成多种作业，结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强。示教再现式机器人 在示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件重现示教作业。智能机器人 具有视觉、听觉、触觉功能，通过比较和识别,作出决策和规划，完成预定的动作。,工业机器人的分类-按驱动方式分类气压传动机器人 以压缩空气作为动力源，高速轻载；液压传动机器人 采用液压驱动，负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏；电气传动机器人 交直流伺服电机驱动，结构简单、响应快、精度高。,工业机器人的分类-按结构形式分直角坐标机器人 有三个正交平移坐标轴,各个坐标轴 运动独立（图a）；圆柱坐标机器人 有一个旋转轴和两个平移轴（图b）；关节机器人 类似人手臂，由各关节组成，可实现三个方 向旋转运动（图c）；球坐标机器人 有两个旋转轴和一个平移轴（图d）。,工业机器人的性能指标自由度 独立运动数，自由度数越高，完成的动作越复 杂，通用性越强，应用范围也越广。工作空间 机器人进行工作的空间范围。提取重力 微型机器人，提取重力 10N以下；小型机器人，提取重力 10-50N；中型机器人，提取重力 50-300N；大型机器人，提取重力 300-500N；重型机器人，提取重力 500N以上。运动速度 运动速度影响工作效率，与所提取的重力和 位置精度有关。位置精度 机器人定位精度一般在0.02-5mm范围。,机器人的工作空间,a)圆柱坐标机器人 b)球坐标机器人 c)关节机器人,4.3.2 工业机器人的控制技术,工业机器人控制系统的组成框图,工业机器人控制系统的分类按控制回路：开环系统和闭环系统按控制硬件：机械控制、液压控制、顺序控制和计算机控制按自动化程度：顺序控制、程序控制、自适应控制、智能控制按编程方式：物理设置编程-由设置固定限位开关，实现启动/停机操作 示教编程-示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程 离线编程-通过机器人语言进行编程控制按控制轨迹：点位控制-不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标 精确控制 轮廓控制-没有插补器，按离散点坐标及速度完成轮廓控制,工业机器人的位置伺服控制位置伺服控制类型：关节伺服控制-以每个关节作为单输入/单输出系统；坐标伺服控制-以手臂末端位置矢量作为控制目标值。,刚性臂控制系统的构成,关节伺服控制,关节伺服控制的构成,qdi:各关节位移指令目标值qi,qi:各关节位置和速度反馈信号,工业机器人的自适应控制,模型参考自适应控制,自校正适应控制系统,示教编程示教阶段:拨动示教盒按钮或手握机器人手臂，使之按需要 姿势和路线进行工作，示教信息存储在记忆装置中。工作再现:从记忆装置调用存储信息，再现示教阶段动作。点位控制示教：逐一使每个轴达到需要编程点位置。轮廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通过所给路线。特点：通过示教直接产生控制程序，无须手工编程，简单 方便，适用于大批量生产。不足：轨迹精确度不高，需要存储容量大。,4.3.3 工业机器人的编程技术,示教再现式控制系统工作原理,机器人示教臂,离线编程,HOLPSS离线编程与仿真系统总体结构框图,机器人编程语言动作级语言 每一个命令对应一个动作，语句格式为：MOVE TO 语句简单，易于编程；不能进行复杂计算，通信能力差，代表性语言：VAL。对象级语言 有与动作语言类似功能，能处理传感器信息；通信和数字运算功能强，代表性语言有AML、AUTOPASS。任务级语言 操作者直接下命令，不需要规定机器人每个动作细节，自动推理规划，自动生成机器人的动作。,工业机器人发展回顾50年代-萌芽期 58年第一台工业机器人在美国问世。60年代-黎明期 推出圆柱坐标、球坐标机器人，日本引进美国机器人技术。70年代-实用化期 计算机控制机器人、关节型机器人问世，推出VAL编程语言、视觉力觉传感器；72年中国第一台机器人诞生；70年代末全世界拥有万台以上机器人；日本成为机器人王国。80年代-普及期 80年代末机器人总数已达45万台。90年代-扩展渗透期 具有感觉机器人实用化，智能机器人相继出现并开始走向应用；1997年底，机器人总量达95万台。,4.3.4 工业机器人发展回顾与展望,工业机器人发展展望执行机构 具有柔性感、灵巧性手爪和手臂；驱动机构 采用形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴等新型驱动器；移动技术 步行、爬行，由4足、6足、8足或更多足组成；微型机器人 毫米级、纳米级机器人，微小位置姿态控制；微型电池；微小生物运动机构等；多传感器集成与融合技术 视觉、触觉、嗅觉、味觉及其综合；新型智能技术 模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等；仿生机构 模仿生物体构造、移动模式、运动机理、能量分配等，人工肌肉、蛇形移动机构、仿象鼻柔性臂、人造关节。,第四节 柔性制造技术4.4.1 柔性制造系统基本概念4.4.2 FMS的加工系统4.4.3 FMS的工件运储系统4.4.4 FMS的刀具运储系统4.4.5 FMS的控制与管理系统,FMS定义和组成定义：由两台以上加工设备、物料运储和控制系统组成，通过改变软件程序适应多品种、中小批量生产自动化制造系统。组成：加工系统-CNC、MC、FMC机床及测量机、清洗机、动平衡机；工件运储系统-包括工件装卸站、自动化仓库、自动化运输小车、机器人、托盘缓冲站、托盘交换装置等；刀具运储系统-包括刀具预调站、刀具装卸站、中央刀库、机床刀库、刀具输送与交换装置等；控制系统-对FMS进行计划调度、运行控制、物料管理、系统监控和网络通信等；其他-冷却、润滑、排屑、清洗、去毛刺等附属设备。,4.4.1 柔性制造系统基本概念,FMS基本组成,典型的柔性制造系统,柔性高，适应多品种中小批量生产；系统内的机床在工艺能力上是相互补充或相互替代的；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；递阶结构的计算机控制，可以上层计算机联网通信；可进行第三班无人值守生产。,FMS的特点,不同类型的柔性制造设备 柔性制造模块（FMM）相当于功能齐全的加工中心；柔性制造单元（FMC）小型FMS，由1-2台机床组成，自动更换刀具，自动上下工件；柔性制造系统（FMS）控制与管理功能比FMC强，管理通信要求高；柔性制造生产线（FML）数控组合机床设备，专用性强、生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用FMS。柔性制造工厂（FMF）全企业范围生产管理、设计开发、加工制造和物料运储全盘自动化。,柔性制造单元 1-加工中心机床 2-托盘 3-托盘站 4-环形工作台 5-工件交换台,不同类型柔性设备的适用范围,加工系统的功能与要求 工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数；控制功能强、扩展性好；高刚度、高精度、高速度；自保护与自维护性好；使用经济性好；对环境的适应性与保护性好。,4.4.2 FMS的加工系统,加工系统常用配置形式 棱体类零件：立式、卧式或立卧两用加工中心；回转体零件：数控车床或车削加工中心机床。配置形式：互替式-是并联配置，各机床功能可互相代替，具有 好的工艺柔性和较宽的工艺范围。互补式-是串联配置，功能互相补充，各自完成特定的加工任务，生产率高，降低了可靠性。混合式-互替式与互补式结合。,卧式加工中心 1-主轴头 2-刀库 3-刀库 4-立柱底座 5-回转工作台、6-工作台底座,车削加工中心 1-刀库 2-回转刀架 3-换刀机械手 4-上下工件机器人 5-工件存储站,a)互替式 b)互补式 c)混合式FMS机床配置形式,加工系统的辅助装置 机床夹具 组合夹具：利用标准化夹具零部件快速拼装所需夹具；柔性夹具：一部夹具能为多个加工对象服务。托盘（Pallet）承载工件和夹具完成加工任务，是各加工单元间的硬件接口。自动上下料装置 托盘交换器：联接加工系统和物料运储系统桥梁；工业机器人：具有较大的柔性度。,组合夹具,柔性夹具,ISO标准规定的托盘基本形状 1-托盘导向面 2-侧面定位面 3-安装螺孔4-工件安装面 5-中心孔 6-托盘搁置面 7底面8-工件固定孔 9-托盘夹紧面 10-托盘定位面,回转式托盘交换器,往复式托盘交换器,4.4.3 FMS的工件运储系统,工件装卸站 设在FMS入口，由人工完成装卸；托盘缓冲站 工件中间存储站，起缓冲物料作用；自动化仓库 多层立体布局结构，由计算机控制，服从FMS命令和调度；物料运载装置 负责在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间物料搬运作业。传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损；自动运输小车：分有轨小车、无轨小车；搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。,FMS工件运储系统组成,FMS物料输送基本回路直线输送回路 沿直线路线单向或双向移动，顺序地在 各个连接点停靠；环形输送回路 运载工具沿环形路线单向或双向移动；网状输送回路 由多个回路相互交叉组成，可由一条环 路移动到另一回路。,运输小车,结构：车体安装平台托盘交换装置蓄电池控制系统,自动运输小车导向 有轨小车 铁轨导向，速度快，负载能力大，停靠准确，可靠好，制造成本低，线路不便更动，转角不宜太大。线导小车 电磁感应导向，柔性大、扩展性好、不怕污染、工作可靠。光导小车 采用带有荧光材料油漆或色带，通过光电制导，改变线路非常容易，对环境要求严格。激光灯台制导 小车顶部装有激光装置，通过固定位置反射激光束信息，确定小车位置。,AGV电磁感应制导原理,激光灯台制导原理,自动化仓库 货架 为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。堆垛机 由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动电动机以及传感器构成的三维搬运设备。控制与管理系统 负责物料信息的登录、识别，物料自动存取，仓库管理。,自动化仓库示意图,堆垛机结构示意图 1-上导轨 2-支柱 3-物料 4-托架 5-移动电动机 6-传感器,4.4.4 FMS的刀具运储系统,刀具运储系统的组成刀具预调站 设在FMS之外，按要求对刀具进行装配和调整；刀具装卸站 是刀具进出FMS入口，多为排架式框架结构；刀具库系统 存放当前加工所需的机床刀库，容量小；存放各加工单元共享的中央刀库，容量大；刀具运载交换装置 负责刀具运输和交换，适时向加工单元提供所需刀具；计算机控制管理系统-控制刀具运输、存储和管理，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或寿命已耗尽的刀具。,刀具运储系统作业过程,刀具刃磨人工组装,刀具预调,刀具装卸站,中央刀具库,需重磨或报废刀具,加工单元刀库,加工单元刀库,加工单元刀库,刀具运载交换装置FMS中刀具交换内容：机床刀库与机床主轴刀具交换-由机床换刀装置完成；刀具装卸站、中央刀库、各机床刀库间刀具交换；AGV运载刀架与机床刀库间刀具交换。刀具交换运载工具：换刀机器人-有地轨和高架导轨形式；刀具运载小车-在小车上放置一个装载刀架，并附设小 型机器人，负责刀具交换。,高架导轨式的换刀机器人 1-纵向导轨 2-横梁 3-滑台 4-换刀机器人,高架导轨式的换刀机器人 1-AGV 2-装载刀架 3-机器人 4-机床刀库,刀具破损的监控,刀具的信息管理静态刀具信息：固定不变的信息，如刀具类型、编码、几何 形状、结构参数等。动态刀具信息：随时间不断变化的刀具参数，如刀具寿命、实际参与切削时间、工作直径和长度等。四层结构的刀具信息管理系统：第1层-实时动态文件，每把在线刀具都拥有独立文件，记载刀具实时动态数据；第2层-静态刀具类型文件，每一类刀具拥有一个文件；第3层-刀具组件文件；第4层-刀具元件文件。,FMS刀具信息的管理,4.4.5 FMS的控制与管理系统,FMS控制与管理系统的体系结构递阶控制结构：将复杂系统分层分模块设置，各层相对独立，便于系统的开发和维护。递阶控制特点：愈往底层，实时性愈强；愈到上层，处理信息量愈大，实时性要求愈小。FMS三层递阶控制结构系统管理与控制层（单元控制层）-接受上级任务，制 定系统作业计划，进行任务分配，监控系统执行；过程协调与监控层（工作站层）-加工程序分配、协调 工件流动、运行状态采集监控、向上层反馈信息；设备控制层-控制设备工作循环，执行上层控制指令，反馈现场数据。,单元控制器,铣削工作站,车削工作站,物流管理工作站,CNC No1,CNC No2,PLC,自动化仓库,AGV,ROBOT,刀具管理,.,FMS递阶控制结构,CNC No1,CNC No2,PLC,.,单元层,工作站层,设备层,Win-ACCP5613(一类主站),P4微机Win-CC(二类主站),ET200I/O接口,工业机器人,数控铣床,加工中心,成品库,毛坯库,RGV,缓冲库,CAD/CAM,MIS,Profibus接口,FMS单元控制器功能通信管理与运行控制-实现上下层信息通讯，控制内部模块运行；系统信息管理-对单元信息进行存储、管理和维护；作业计划制定-根据上级下达任务制定本单元作业计划，并进行计划调整；系统作业调度-具有系统仿真、静/动态调度、系统资源调度等功能；系统过程监控-监控系统状态变化，故障处理，其结果传送至系统信息管理模块和上级控制器。,FMS单元控制器的功能模型,FMS控制系统的信息流,本章小结 数控系统发展经历了硬件数控NC和计算机数控两个阶段CNC,电子管、晶体管、小规模集成电路、小型计算机、微处理器、PC微机数控系统6代；开放式数控系统是当前数控系统发展的主流，有专用数控嵌入PC主板、PC机+运动控制卡、纯PC软件型三种常见类型；目前全世界机器人拥有量已超过100万台，具有感觉机器人实用化，智能机器人相继出现并开始走向应用；FMS由两台以上机床、自动化物料运储系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统 FMS控制系统由系统管理与控制层（单元控制层）、过程协调与监控层（工作站层）、设备控制层组成,本章小结 数控系统发展经历了硬件数控NC和计算机数控两个阶段CNC,电子管、晶体管、小规模集成电路、小型计算机、微处理器、PC微机数控系统6代；开放式数控系统是当前数控系统发展的主流，有专用数控嵌入PC主板、PC机+运动控制卡、纯PC软件型三种常见类型；目前全世界机器人拥有量已超过100万台，具有感觉机器人实用化，智能机器人相继出现并开始走向应用；FMS由两台以上机床、自动化物料运储系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统 FMS控制系统由系统管理与控制层（单元控制层）、过程协调与监控层（工作站层）、设备控制层组成,