《先進(jìn)制造技術(shù)》第4章 制造自動(dòng)化技術(shù)

第4章制造自動(dòng)化技術(shù)12334.1制造自動(dòng)化技術(shù)概述4.2現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)4.3工業(yè)機(jī)器人返回44.4柔性制造系統(tǒng)4.1

制造自動(dòng)化技術(shù)概述4.1.1制造自動(dòng)化技術(shù)的內(nèi)涵自動(dòng)化是美國人D.S.Harder于1936年提出的。他認(rèn)為,在一個(gè)生產(chǎn)過程中,機(jī)器之間的零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運(yùn)就是“自動(dòng)化”,這就是早期制造自動(dòng)化的概念。(1)形式方面在形式方面,制造自動(dòng)化有三層含義:一是代替人的體力勞動(dòng);二是代替或輔助人的腦力勞動(dòng);三是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)中人、機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化。(2)功能方面在功能方面,制造自動(dòng)化可用T(Time)、Q(Quality)、C(Cost)、S(Service)、E(Environment)這五個(gè)功能目標(biāo)(簡稱為TQCSE)模型來描述。其中T有兩方面的含義:一是指采用自動(dòng)化技術(shù),可縮短產(chǎn)品制造周期;二是提高生產(chǎn)率。下一頁返回4.1

制造自動(dòng)化技術(shù)概述(3)范圍方面在范圍方面,制造自動(dòng)化不僅涉及具體生產(chǎn)制造過程,而且涉及產(chǎn)品壽命周期所有過程。一般來說,制造動(dòng)化技術(shù)的內(nèi)涵是指制造技術(shù)的自動(dòng)化和制造系統(tǒng)的自動(dòng)化。4.1.2制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷程制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與制造技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。制造自動(dòng)化技術(shù)的生產(chǎn)模式經(jīng)歷的幾個(gè)發(fā)展階段如圖4.1所示。4.1.3制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.制造敏捷化制造環(huán)境和制造過程的敏捷化包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容:①柔性,如機(jī)械裝備的柔性、工藝過程的柔性、系統(tǒng)運(yùn)行的柔性等;②重構(gòu)能力,如能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速重組,組成動(dòng)態(tài)聯(lián)盟;上一頁下一頁返回4.1

制造自動(dòng)化技術(shù)概述③快速化的集成制造工藝,如快速原型制造工藝。2.制造網(wǎng)絡(luò)化基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的制造已成為當(dāng)今制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì),其主要包括:制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)化,以實(shí)現(xiàn)制造過程的集成;制造環(huán)境與整個(gè)制造企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化,以實(shí)現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)中的工程設(shè)計(jì)、管理信息系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的集成;企業(yè)與企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)化,以實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的資源共享、組合與優(yōu)化利用,通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)異地制造。3.制造全球化隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,制造全球化的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速。制造全球化的內(nèi)容主要包括:市場(chǎng)的國際化;產(chǎn)品開發(fā)的國際合作及產(chǎn)品制造的跨國化;制造企業(yè)在世界范圍內(nèi)的重組與集成;制造資源的跨地區(qū)、跨國家的協(xié)調(diào)、共享和優(yōu)化利用,形成全球制造的體系結(jié)構(gòu)。上一頁下一頁返回4.1

制造自動(dòng)化技術(shù)概述4.制造虛擬化制造虛擬化主要是指虛擬制造。虛擬制造是以制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)支持的系統(tǒng)建模技術(shù)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ),集現(xiàn)代制造工藝、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、并行工程、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多媒體技術(shù)等多種高新技術(shù)為一體,由多學(xué)科知識(shí)形成的一種綜合系統(tǒng)技術(shù)。5.制造智能化智能制造系統(tǒng)是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng),它在制造過程中能進(jìn)行諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等智能活動(dòng)。智能制造技術(shù)的目標(biāo)在于通過人與智能機(jī)器的合作,去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動(dòng),以實(shí)現(xiàn)制造過程的優(yōu)化。智能制造系統(tǒng)是制造系統(tǒng)發(fā)展的最高階段。6.制造綠色化上一頁下一頁返回4.1

制造自動(dòng)化技術(shù)概述如何使制造業(yè)盡可能少地產(chǎn)生環(huán)境污染是當(dāng)前環(huán)境問題研究的一個(gè)重要課題。綠色制造是一種綜合考慮環(huán)境影響和資源利用效率的現(xiàn)代制造模式,其目標(biāo)是使得產(chǎn)品在從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品壽命周期中,對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響最小、資源利用效率最高。對(duì)制造環(huán)境和制造過程來說,綠色制造主要涉及資源的優(yōu)化利用、清潔生產(chǎn)和廢棄物的最少化及綜合利用。上一頁返回4.2

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)4.2.1數(shù)控機(jī)床1.數(shù)控機(jī)床的定義數(shù)控機(jī)床是用計(jì)算機(jī)通過數(shù)字信息來自動(dòng)控制機(jī)械加工的機(jī)床。具體地說,數(shù)控機(jī)床是通過編制程序,即通過數(shù)字(代碼)指令來自動(dòng)完成機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),正確地控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位移量,并且按加工的動(dòng)作順序要求自動(dòng)控制機(jī)床各個(gè)部件的動(dòng)作(如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、換刀、工件夾緊與放松、工件交換、冷卻液開關(guān)等)的機(jī)床。它是集計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量、微電子技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)于一體的一種具有高效率、高精度、高柔性和高自動(dòng)化的光、機(jī)、電一體化數(shù)控設(shè)備。下一頁返回4.2

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)2.數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床一般由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、強(qiáng)電控制柜、機(jī)床本體和各類輔助裝置組成。圖4.2所示為一種較典型現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成。(1)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工的核心,主要由操作系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、可編程控制器、各類I/O接口等組成。其主要功能有:多坐標(biāo)控制和多種函數(shù)的插補(bǔ)(如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等)、多種程序輸入功能以及編輯和修改功能、信息轉(zhuǎn)換功能、補(bǔ)償功能、多種加工方法選擇與顯示功能、自診斷功能、通信和聯(lián)網(wǎng)功能?？删幊炭刂破髦饕糜陂_關(guān)量的輸入與控制,如主運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停,冷卻、潤滑的啟停,工件和機(jī)床部件的松開、夾緊,選擇和交換刀具,分度工作臺(tái)的轉(zhuǎn)位等。上一頁下一頁返回4.2

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)(2)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分,主要由伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)及位置檢測(cè)反饋裝置等組成,其與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令控制執(zhí)行部件的進(jìn)給速度、方向和位移。(3)主傳動(dòng)系統(tǒng)主傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)床切削加工時(shí)傳遞扭矩的主要部件之一。一般分為齒輪有級(jí)變速和電氣無級(jí)調(diào)速兩種類型。但較高檔的數(shù)控機(jī)床都要求實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速,以滿足各種加工工藝的要求。它主要由主軸驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、主軸電動(dòng)機(jī)以及主軸機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。上一頁下一頁返回4.2

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)(4)強(qiáng)電控制裝置強(qiáng)電控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制系統(tǒng),主要由各種中間繼電器、接觸器、變壓器、電源開關(guān)、接線端子和各類電氣保護(hù)元器件等構(gòu)成。4.2.2數(shù)控機(jī)床的種類及其應(yīng)用范圍1.按工藝用途分類(1)金屬切削類數(shù)控機(jī)床金屬切削類數(shù)控機(jī)床可分成兩類:一類是普通型數(shù)控機(jī)床,如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床等;另一類是加工中心,其主要特點(diǎn)是具有刀庫和自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu),工件經(jīng)一次裝夾后,可以進(jìn)行多種工序的加工。上一頁下一頁返回4.2

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)(2)金屬成形類數(shù)控機(jī)床金屬成形數(shù)控機(jī)床是指采用沖、擠、壓、拉等成形工藝的數(shù)控機(jī)床,如數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控壓力機(jī)等。(3)特種加工類數(shù)控機(jī)床特種加工類數(shù)控機(jī)床主要有數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床等。(4)測(cè)量、繪圖類數(shù)控設(shè)備測(cè)量、繪圖類數(shù)控設(shè)備主要有數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、數(shù)控繪圖儀、數(shù)控對(duì)刀儀等。2.按運(yùn)動(dòng)軌跡分類(1)點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床上一頁下一頁返回4.2

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)3.按伺服控制方式分類(1)開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)沒有位置檢測(cè)反饋裝置,其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)只能采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖4.3所示為典型的開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制的最大特點(diǎn)是控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜,但機(jī)床的速度和精度都較低。(2)閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床圖4.4所示為典型的閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng),其位置檢測(cè)裝置安裝在進(jìn)給系統(tǒng)末端的執(zhí)行部件上,以實(shí)測(cè)執(zhí)行部件的位置或位移量。(3)半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床如果將位置檢測(cè)裝置安裝在伺服電動(dòng)機(jī)或絲杠的端部,間接測(cè)量執(zhí)行部件的實(shí)際位置或位移,這種系統(tǒng)就是半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng),如圖4.5所示。與閉環(huán)系統(tǒng)相比,其大部分機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)都未包括在系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi),故易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都廣泛采用這種半閉環(huán)控制方式。上一頁下一頁返回4.2

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)4.2.3并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床1.并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床概述并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床是20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的新概念機(jī)床,它以空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ),充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的潛力,以軟件取代部分硬件,以電氣裝置和電子器件取代部分機(jī)械傳動(dòng)件,使將近兩個(gè)世紀(jì)以來以笛卡兒坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理發(fā)生了根本變化。該機(jī)床以全新的結(jié)構(gòu)、奇異的造型、獨(dú)特的工作方式和極高的輪廓加工速度,引起了整個(gè)機(jī)床制造業(yè)人士的廣泛關(guān)注。2.并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的比較并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖4.6所示。4.2.4數(shù)控技術(shù)及裝備的發(fā)展趨勢(shì)上一頁下一頁返回4.2

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)1.高速化發(fā)展新趨勢(shì)隨著數(shù)控系統(tǒng)核心處理器性能的進(jìn)步,目前高速加工中心進(jìn)給速度最高可達(dá)80m/min,空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心所組成的生產(chǎn)線來部分替代組合機(jī)床。2.精密化加工發(fā)展新趨勢(shì)隨著伺服控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步,在數(shù)控系統(tǒng)的控制下,機(jī)床可以執(zhí)行亞微米級(jí)的精確運(yùn)動(dòng)。在加工精度方面,近10年來,普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級(jí)加工中心則從3~5μm,提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。3.開放化發(fā)展新趨勢(shì)由于計(jì)算機(jī)硬件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化以及軟件模塊化、開放化技術(shù)的日益成熟,數(shù)控技術(shù)開始進(jìn)入開放化的階段,有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性。上一頁返回4.2

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)4.復(fù)合化發(fā)展新趨勢(shì)產(chǎn)品外觀曲線的復(fù)雜化致使模具加工技術(shù)必須不斷升級(jí),對(duì)數(shù)控系統(tǒng)提出了新的需求。機(jī)床五軸加工、六軸加工已日益普及,機(jī)床加工的復(fù)合化已是不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。新日本工機(jī)的五面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭,可實(shí)現(xiàn)四個(gè)垂直平面的加工和任意角度的加工,使得五面加工和五軸加工可在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn),還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出的DMUVoution系列加工中心,可在一次裝夾下五面加工和五軸聯(lián)動(dòng)加工,并可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。返回4.3

工業(yè)機(jī)器人4.3.1工業(yè)機(jī)器人概述1.工業(yè)機(jī)器人的定義機(jī)器人(Robot)這個(gè)名詞起源于捷克作家卡里洛·奇別克于1920年發(fā)表的一部名為《羅薩姆的萬能機(jī)器人》的科幻劇本。作者把劇本中主人公的名字“Robota”(捷克語意為苦力、勞役)寫成了“Robot”,現(xiàn)在其已被人們作為機(jī)器人的專用名詞。2.工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展概況工業(yè)機(jī)器人這支“鐵領(lǐng)”工人隊(duì)伍進(jìn)入人類歷史舞臺(tái)從事各類生產(chǎn)活動(dòng)已近半個(gè)世紀(jì),在這半個(gè)世紀(jì)內(nèi),經(jīng)歷了示教再現(xiàn)型第一代機(jī)器人、具有感覺功能的第二代機(jī)器人和智能型第三代機(jī)器人的發(fā)展過程,已從機(jī)械制造應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到電子、電器、冶金、化工、輕工、建筑、電力、郵電、軍事、海洋、醫(yī)療、家庭及服務(wù)等行業(yè)。下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人(4)20世紀(jì)80年代———普及期(中國:開發(fā)期)隨著制造業(yè)FMS和CIMS的發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人在發(fā)達(dá)國家走向普及,并向高速、高精度、輕量化、成套系統(tǒng)化和智能化發(fā)展,以滿足多品種、少批量的需要。(5)20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初———擴(kuò)展?jié)B透期(中國:實(shí)用化期)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,第二代具有一定感覺功能的機(jī)器人已經(jīng)變得實(shí)用化并開始得以推廣,具有視覺、觸覺、高靈巧手指、能行走的第三代智能機(jī)器人相繼出現(xiàn)并開始走向應(yīng)用。3.工業(yè)機(jī)器人的組成圖4.7所示為一個(gè)典型的關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人。從圖47可知,工業(yè)機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)等幾個(gè)部分組成。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一組具有與人手、腳功能相似的機(jī)械機(jī)構(gòu),又俗稱操作機(jī),通常包括如下的組成部分:(2)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦,控制與支配機(jī)器人按給定的程序動(dòng)作,并記憶人們示教的指令信息,如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等,可再現(xiàn)控制所存儲(chǔ)的示教信息。(3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人執(zhí)行作業(yè)的動(dòng)力源,按照控制系統(tǒng)發(fā)來的控制指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的作業(yè)。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有機(jī)械式、液壓式、氣動(dòng)式以及電氣驅(qū)動(dòng)等不同的驅(qū)動(dòng)形式。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人(4)位置檢測(cè)裝置通過附設(shè)的力、位移、觸覺、視覺等不同的傳感器,檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置和工作狀態(tài),并隨時(shí)反饋給控制系統(tǒng),以便執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度和速度達(dá)到設(shè)定的位置。4.工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5.工業(yè)機(jī)器人的分類機(jī)器人分類方法很多,這里僅按機(jī)器人的系統(tǒng)功能、驅(qū)動(dòng)方式以及機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。(1)按系統(tǒng)功能分類1)專用機(jī)器人2)通用機(jī)器人3)示教再現(xiàn)式機(jī)器人上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人4)智能機(jī)器人(2)按驅(qū)動(dòng)方式分類1)氣壓傳動(dòng)機(jī)器人以壓縮空氣作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人,具有動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的特點(diǎn),適用于高速輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境作業(yè)。2)液壓傳動(dòng)機(jī)器人采用液壓元器件驅(qū)動(dòng),具有負(fù)載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏的特點(diǎn),適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。3)電氣傳動(dòng)機(jī)器人用交流或直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人,不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、控制精度高,是近年來常用的機(jī)器人傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人(3)按結(jié)構(gòu)形式分1)直角坐標(biāo)機(jī)器人直角坐標(biāo)機(jī)器人由三個(gè)相互正交的平移坐標(biāo)軸組成,如圖4.8(a)所示,各個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)獨(dú)立,具有控制簡單、定位精度高的特點(diǎn)。2)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人圓柱坐標(biāo)機(jī)器人由立柱和一個(gè)安裝在立柱上的水平臂組成,其立柱安裝在回轉(zhuǎn)機(jī)座上,水平臂可以自由伸縮,并可沿立柱上下移動(dòng)。該類機(jī)器人具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和兩個(gè)平移軸,如圖4.8(b)所示。3)球坐標(biāo)機(jī)器人球坐標(biāo)機(jī)器人由回轉(zhuǎn)機(jī)座、俯仰鉸鏈和伸縮臂組成,具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)平移軸,如圖4.8(c)所示?？缮炜s搖臂的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與坦克的轉(zhuǎn)塔類似,可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人4)關(guān)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)類似人的手臂、由大小兩臂和立柱等機(jī)構(gòu)組成。4.3.2工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)1.機(jī)器人的臂部結(jié)構(gòu)機(jī)器人的臂部一般要求具有前后伸縮、上下升降、左右回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)功能。機(jī)器人的臂部由大臂和小臂組成,大臂完成回轉(zhuǎn)、升降或上下擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),而小臂完成伸縮運(yùn)動(dòng)。大臂與基座相連,小臂前段裝有腕部和手部(有時(shí)也可以沒有腕部)。圖4.9所示為一種比較典型的手臂機(jī)構(gòu),圖410所示為一種手臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。2.機(jī)器人的腕部結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人的腕部是小臂(上臂)和手部(末端執(zhí)行器)之間的連接部件,起著支撐手部、調(diào)整和改變手方位的作用,故腕部也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。機(jī)器人的腕部結(jié)構(gòu)按自由度數(shù)目可分為單自由度、二自由度和三自由度手腕。圖4.11所示為一種單自由度手腕,該手腕機(jī)構(gòu)只有一個(gè)繞垂直旋轉(zhuǎn)的自由度,手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的目的在于調(diào)整裝配配件的方位,適合于電子線路板的插件作業(yè)。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人圖4.12所示為匯交式二自由度手腕,其中鏈輪5由后置的驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng),與錐齒輪3相連,通過齒輪帶動(dòng)末桿(與末端執(zhí)行器相連接的桿)Ln自轉(zhuǎn);鏈輪7與殼10相連,由后置的驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng),使末桿擺動(dòng),從而形成兩個(gè)自由度。3.機(jī)器人的手部結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的手部(末端執(zhí)行器)是裝在手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。手部與手腕相連處一般可以拆卸,以適應(yīng)不同的作業(yè)需要。常見的機(jī)器人末端執(zhí)行器有夾持式、吸附式和擬手指式等幾種形式。圖4.13所示為一種夾持式末端執(zhí)行器,圖414所示為一種氣流負(fù)壓吸附式末端執(zhí)行器,圖415所示為一種3指手爪的擬手指式末端執(zhí)行器。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人4.3.3工業(yè)機(jī)器人的控制與驅(qū)動(dòng)1.工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分,可以使機(jī)器人按照指令要求去完成所希望的作業(yè)任務(wù)。如圖4.16所示,機(jī)器人控制系統(tǒng)通常由控制計(jì)算機(jī)、示教盒、操作面板、存儲(chǔ)器、檢測(cè)傳感器、輸入輸出接口、通信接口等部分組成。(1)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類由于機(jī)器人的類型較多,其控制系統(tǒng)的形式也是多種多樣。1)按照控制回路的不同分類2)按照控制系統(tǒng)的硬件分類3)按自動(dòng)化控制程度分類上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人4)按編程方式分類5)按機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)控制軌跡分類按照機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)控制軌跡的不同有點(diǎn)位控制和連續(xù)輪廓控制之分。在點(diǎn)位控制中,機(jī)器人每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸單獨(dú)驅(qū)動(dòng),不對(duì)機(jī)器人末端操作的速度和運(yùn)動(dòng)軌跡作出要求,僅要求實(shí)現(xiàn)各個(gè)坐標(biāo)的精確控制。機(jī)器人的輪廓控制與CNC系統(tǒng)有所不同,在機(jī)器人控制系統(tǒng)中沒有插補(bǔ)器,在示教編程時(shí)要求將機(jī)器人輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)中的各個(gè)離散坐標(biāo)點(diǎn)以及運(yùn)動(dòng)速度同時(shí)存儲(chǔ)于控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器,再現(xiàn)時(shí)按照存儲(chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)和速度控制機(jī)器人完成規(guī)定的動(dòng)作。(2)工業(yè)機(jī)器人的位置伺服控制上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人圖4.17所示為機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng),常關(guān)注的是手臂末端的運(yùn)動(dòng),而末端運(yùn)動(dòng)往往又是以各關(guān)節(jié)的合成來實(shí)現(xiàn)的,因而必須關(guān)注手臂末端的位置和姿態(tài)與各關(guān)節(jié)位移的關(guān)系。在控制裝置中,手臂末端運(yùn)動(dòng)的指令值與手臂的反饋信息作為伺服系統(tǒng)的輸入,不論機(jī)器人采用什么樣的結(jié)構(gòu)形式,其控制裝置都是以各關(guān)節(jié)當(dāng)前位置q和速度q′作為檢測(cè)反饋信號(hào),直接或間接地決定伺服電動(dòng)機(jī)的電壓或電流向量,通過各種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到位置矢量τ控制的目的。2.機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)器的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連。間接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置后與關(guān)節(jié)軸相連。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng),通常其驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要的力矩,所以必須使用減速器。另外,由于手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu),所以多自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)上安裝減速器會(huì)使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷增大。目前,中、小型機(jī)器人一般采用普通的直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行電機(jī)。4.3.4工業(yè)機(jī)器人的編程技術(shù)1.手控示教編程法示教編程是一種最簡單、最常用的機(jī)器人編程方法。點(diǎn)位控制機(jī)器人與輪廓控制機(jī)器人有著不同的示教方法。對(duì)點(diǎn)位控制機(jī)器人編程時(shí),須通過示教盒上的按鈕,逐一使機(jī)器人的每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸動(dòng)作,相關(guān)運(yùn)動(dòng)軸到達(dá)需要編程點(diǎn)的位置后,操作者就將這一點(diǎn)的位置信息存儲(chǔ)在機(jī)器人的存儲(chǔ)器內(nèi)。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人而對(duì)輪廓控制機(jī)器人的示教編程則由操作者握住機(jī)器人的手部,以要求的速度通過需要的路線進(jìn)行示教,同時(shí)存儲(chǔ)器記錄下每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的連續(xù)位置。2.離線編程法部分或完全脫離機(jī)器人,借助計(jì)算機(jī)來編制機(jī)器人程序,稱為離線編程。機(jī)器人離線編程,是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境模型,通過對(duì)圖形的控制和操作,在離線的情況下進(jìn)行機(jī)器人的軌跡規(guī)劃,完成編程任務(wù)。4.3.5工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用1.工業(yè)機(jī)器人在焊接方面的應(yīng)用(1)點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人在汽車制造生產(chǎn)線和裝配工序中較為常見,廣泛應(yīng)用于焊接薄板材料。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人裝配每臺(tái)汽車車體一般大約需要完成3000~4000個(gè)焊點(diǎn),其中60%是由點(diǎn)焊機(jī)器人完成的。點(diǎn)焊機(jī)器人采用的是點(diǎn)位控制系統(tǒng),點(diǎn)焊所要求的位置精度一般在1mm左右,一般的機(jī)器人都可以滿足。圖4.18所示為德國產(chǎn)IR662/100型點(diǎn)焊機(jī)器人。(2)弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人用于完成金屬件的連續(xù)焊接,絕大多數(shù)弧焊機(jī)器人可以完成自動(dòng)送絲、熔化電極和在氣體保護(hù)下的焊接工作?；『笝C(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣,除汽車行業(yè)外,在通用機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)等許多行業(yè)中也都有應(yīng)用。圖4.19所示為日本汽車工業(yè)使用的一種曲柄式弧焊機(jī)器人,其驅(qū)動(dòng)方式采用交、直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),用于焊接車架的側(cè)梁或雙輪機(jī)動(dòng)管結(jié)構(gòu)車架等。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人2.工業(yè)機(jī)器人在裝配方面的應(yīng)用裝配是機(jī)械產(chǎn)品制造過程中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。目前,整個(gè)機(jī)械制造過程中自動(dòng)化程度最低的是裝配工藝。隨著市場(chǎng)競爭的加劇,多品種、小批量產(chǎn)品的裝配自動(dòng)化問題顯得越來越迫切,在裝配生產(chǎn)中使用機(jī)器人將有助于加速產(chǎn)品裝配自動(dòng)化的進(jìn)程。圖4.20所示為一種具有反饋裝置的精密裝配機(jī)器人裝配作業(yè)示意圖,該機(jī)器人系統(tǒng)由主機(jī)器人、輔助機(jī)器人、零件輸送機(jī)構(gòu)、電視攝像機(jī)視覺系統(tǒng)、觸覺傳感器反饋機(jī)構(gòu)等組成,圖4-20中機(jī)器人正在將基座、連接套和小軸這三個(gè)零件組裝起來。3.工業(yè)機(jī)器人在物料儲(chǔ)運(yùn)方面的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)和現(xiàn)代物流技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。上一頁下一頁返回4.3

工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人可用于零件加工過程中物料、工輔量具的裝卸和儲(chǔ)運(yùn),即將零件從一個(gè)輸送裝置傳送到另一個(gè)輸送裝置或從一臺(tái)機(jī)床上將加工完的零件取下再安裝到另一臺(tái)機(jī)床上去。圖4.21所示為一種搬運(yùn)機(jī)器人布局示意圖,該機(jī)器人主要由搬入/搬出機(jī)械部件、機(jī)器人主體部件和控制系統(tǒng)等幾部分組成,用于抓取、搬運(yùn)來自輸送帶或輸送機(jī)上流動(dòng)的物品。其可根據(jù)被搬運(yùn)物品的形狀、材料和大小等,按照給定的堆列模式,自動(dòng)地完成物品的堆列和搬運(yùn)操作。上一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)4.4.1柔性制造系統(tǒng)概述隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多樣化、低制造成本及短制造周期等需求日趨迫切,伴隨微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械與控制設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展,制造技術(shù)已經(jīng)向以信息密集的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)方式及知識(shí)密集的智能自動(dòng)化方向發(fā)展。柔性制造技術(shù)是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)過程及其裝備上的應(yīng)用,是將微電子技術(shù)、智能化技術(shù)等與傳統(tǒng)加工技術(shù)融合在一起,具有先進(jìn)性、柔性化、自動(dòng)化、效率高的現(xiàn)代制造技術(shù)。柔性制造技術(shù)的發(fā)展還進(jìn)一步推動(dòng)了生產(chǎn)模式的變革,是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)、智能制造(IM)精良生產(chǎn)(LP)、敏捷制造(AM)等先進(jìn)制造生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)。4.4.2柔性制造系統(tǒng)的組成及主要功能1.柔性制造系統(tǒng)的定義及基本組成下一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)在我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中,FMS(FlexibleManufacturingSystem)被定義為:柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物流儲(chǔ)運(yùn)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。它包括多個(gè)柔性制造單元,能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境變化迅速進(jìn)行調(diào)整,適用于多品種與中、小批量生產(chǎn)。FMS是一種由計(jì)算機(jī)集中管理和控制的靈活多變的高度自動(dòng)化加工系統(tǒng),從定義可以看出,FMS主要由多工位的數(shù)控加工系統(tǒng)、自動(dòng)化的物流系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制信息系統(tǒng)三部分組成,其構(gòu)成如圖4.22所示。(1)加工系統(tǒng)加工系統(tǒng)由兩臺(tái)以上的CNC機(jī)床、加工中心或柔性制造單元(FMC)以及其他的加工設(shè)備所組成,例如測(cè)量機(jī)、清洗機(jī)、動(dòng)平衡機(jī)和各種特種加工設(shè)備等。其功能是以任意順序自動(dòng)加工各種工件,并能自動(dòng)地更換工件和刀具。上一頁下一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)(2)物流系統(tǒng)在FMS中,工件、工具流統(tǒng)稱為物流,物流系統(tǒng)即物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng),是柔性制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。物流系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)工件及工裝夾具的自動(dòng)供給和裝卸,以及完成工序間的自動(dòng)傳送、調(diào)運(yùn)和存貯工作,包括各種傳送帶、自動(dòng)導(dǎo)引小車、工業(yè)機(jī)器人及專用起吊運(yùn)送機(jī)等。(3)信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)包括過程控制及過程監(jiān)視兩個(gè)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)FMS的運(yùn)行控制、刀具監(jiān)控和管理、質(zhì)量控制,以及FMS的數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)通信。圖4.23所示是一個(gè)典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖,該系統(tǒng)由4臺(tái)臥式加工中心、3臺(tái)立式加工中心、2臺(tái)平面磨床、2臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸車、2臺(tái)檢驗(yàn)機(jī)器人組成,此外還包括自動(dòng)倉庫、托盤站和裝卸站等。上一頁下一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)2.柔性制造系統(tǒng)的功能常見的FMS一般具有以下功能:(1)自動(dòng)制造功能由計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床群來實(shí)現(xiàn)(包括自動(dòng)更換刀具、自動(dòng)安裝工件、冷卻液的自動(dòng)供應(yīng)和切屑的自動(dòng)處理等)自動(dòng)完成多品種多工序零件的制造加工任務(wù)。(2)自動(dòng)輸送和儲(chǔ)料功能由各種自動(dòng)輸送設(shè)備(如環(huán)形輸送拖板、傳輸裝置、無軌小車、工業(yè)機(jī)器人等)和自動(dòng)化儲(chǔ)料倉庫(如毛坯倉庫、中間倉庫、零件倉庫和夾具、刀具倉庫等)完成物料的自動(dòng)運(yùn)輸和儲(chǔ)存。上一頁下一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)4.4.3柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及效益(1)柔性高,適應(yīng)多品種和中、小批量生產(chǎn)由于FMS備有較多的刀具、夾具以及數(shù)控加工程序,因而能接受各種不同的零件加工,柔性度很高,有的企業(yè)將多至400種不同的零件安排在一個(gè)FMS中加工。FMS的這一“柔性”特點(diǎn)對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)特別有利。(2)提高設(shè)備利用率在FMS中,工件是安裝在托盤上輸送的,并通過托盤能夠快速地在機(jī)床上進(jìn)行定位與夾緊,節(jié)省了工件裝夾時(shí)間。此外,因借助計(jì)算機(jī)管理而使加工不同零件時(shí)的準(zhǔn)備時(shí)間大為減少,有很多準(zhǔn)備工作可在機(jī)床工作時(shí)間內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。因而,零件在加工過程中其等待時(shí)間大大減少,從而可使機(jī)床的利用率提高到75%~90%。上一頁下一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)4.4.4柔性制造系統(tǒng)的類型及關(guān)鍵技術(shù)1.柔性制造系統(tǒng)的類型如果按柔性制造系統(tǒng)的規(guī)模和投資強(qiáng)度,可將柔性自動(dòng)化制造設(shè)備分為如下5個(gè)不同的類型:(1)柔性制造模塊(FlexibleManufacturingModule,FMM)柔性制造模塊指一臺(tái)擴(kuò)展了自動(dòng)化功能的數(shù)控機(jī)床,如刀具庫、自動(dòng)換刀裝置、托盤交換器等,FMM相當(dāng)于功能齊全的加工中心。(2)柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell,FMC)柔性制造單元指由1~2臺(tái)數(shù)控機(jī)床組成,除了能夠自動(dòng)更換刀具之外,還配有存儲(chǔ)工件的托盤站和自動(dòng)上下料的工件交換臺(tái),它可以作為FMS中的基本單元,也可視為小規(guī)模的FMS。上一頁下一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)它的自動(dòng)化程度略低于FMS,但其投資比FMS少得多,而經(jīng)濟(jì)效益卻相接近。這是中、小型企業(yè)優(yōu)先發(fā)展的機(jī)型,當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大時(shí),FMC可以重組和擴(kuò)展,以適應(yīng)生產(chǎn)規(guī)模的需求。如圖4.24所示,FMC自成體系,占地面積小、成本低、功能善、有廉價(jià)小型FMS之稱。(3)柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性制造系統(tǒng)由兩臺(tái)以上的CNC機(jī)床、加工中心或柔性制造單元(FMC)以及其他的加工設(shè)備所組成,其控制與管理功能比FMC強(qiáng),規(guī)模比FMC大,對(duì)數(shù)據(jù)管理與通信網(wǎng)絡(luò)要求高。(4)柔性制造生產(chǎn)線(FlexibleManufacturingLine,FML)(5)柔性制造工廠(FlexibleManufacturingFactory,FMF)上一頁下一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)柔性制造工廠指將柔性制造自動(dòng)化由FMS擴(kuò)展到全企業(yè)范圍,通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有機(jī)聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)在全企業(yè)范圍內(nèi)的生產(chǎn)經(jīng)營管理過程、設(shè)計(jì)開發(fā)過程、加工制造過程和物料運(yùn)儲(chǔ)過程的全盤自動(dòng)化,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工廠(FactoryAutomation,FA)的目標(biāo)。2.柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)(1)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)未來CAD技術(shù)發(fā)展將會(huì)引入專家系統(tǒng),使之具有智能化,可處理各種復(fù)雜的問題。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)有助于加快開發(fā)新產(chǎn)品和研制新結(jié)構(gòu)的速度。(2)模糊控制技術(shù)模糊數(shù)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用是模糊控制器。最近開發(fā)出的高性能模糊控制器具有自學(xué)習(xí)功能,可在控制過程中不斷獲取新的信息并自動(dòng)地對(duì)控制量作調(diào)整,使系統(tǒng)性能大為改善,其中尤其以基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)方法更為引人關(guān)注。上一頁下一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)(3)人工智能、專家系統(tǒng)及智能傳感器技術(shù)FMS中所采用的人工智能大多指基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)利用專家知識(shí)和推理規(guī)則進(jìn)行推理,求解各類問題(如解釋、預(yù)測(cè)、診斷、查找故障、設(shè)計(jì)、計(jì)劃、監(jiān)視、修復(fù)、命令及控制等)。(4)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬智能生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息進(jìn)行并行處理的一種方法,故人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是一種人工智能工具。在自動(dòng)控制領(lǐng)域,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不久將并列于專家系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng),成為現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。.4.5柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展1.柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用上一頁下一頁返回4.4

柔性制造系統(tǒng)對(duì)于多品種、小批量的生產(chǎn)方式,如采用數(shù)控機(jī)床、加工中心等進(jìn)行加工,雖然有較好的適應(yīng)性柔性,但生產(chǎn)率低,成本高;對(duì)于少品種、大批量的生產(chǎn)方式,如采用專用設(shè)備的流水線(剛