先進(jìn)制造與工程仿真技術(shù)課件：先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化技術(shù) -

1先進(jìn)制造與工程仿真技術(shù)2先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化技術(shù)

§3.1先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)概述§3.2逆向工程設(shè)計(jì) §3.3模塊化設(shè)計(jì)

§3.4全生命周期設(shè)計(jì)§3.5制造自動(dòng)化技術(shù)的概述 §3.6工業(yè)機(jī)器人技術(shù)§3.7柔性制造技術(shù)3教學(xué)要求：了解逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)，熟悉逆向工程的基本步驟；掌握實(shí)物反求方法。掌握曲面重構(gòu)技術(shù)，熟悉逆向工程的基本步驟；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用。模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) 熟悉模塊標(biāo)準(zhǔn)化；掌握模塊劃分的原則；模塊接口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題。領(lǐng)會(huì)模塊化設(shè)計(jì)思想；幾種模塊化設(shè)計(jì)的區(qū)別；模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用。了解并行設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)；綠色設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)；了解并行、綠色設(shè)計(jì)的特征；全生命周期設(shè)計(jì)的內(nèi)容；并行設(shè)計(jì)的應(yīng)用；綠色設(shè)計(jì)的應(yīng)用。4教學(xué)要求：了解工業(yè)機(jī)器人的控制與編程技術(shù)，工業(yè)機(jī)器人的典型控制方法；熟悉工業(yè)機(jī)器人的編程方法。掌握柔性制造的加工系統(tǒng)；柔性制造的工件與刀具運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng) 掌握柔性制造的加工系統(tǒng)；熟悉柔性制造的工件與刀具運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)；了解柔性制造系統(tǒng)的組成、分類和適用范圍；了解柔性制造控制系統(tǒng)。5章節(jié)引例作為物料裝卸和短途搬運(yùn)的叉車，在給企業(yè)生產(chǎn)帶來便利的同時(shí)，對(duì)環(huán)境造成了很多不良影響，其排氣和噪聲不但污染環(huán)境，而且有害人類健康。為了很好的解決此問題，山東合力公司推出了新一代環(huán)保型G系列叉車。該叉車采用低油耗、低排放、低噪聲、高效率的環(huán)保型發(fā)動(dòng)機(jī)，整機(jī)排放符合歐Ⅲ和美國EPA排放標(biāo)準(zhǔn)。6基于模塊化設(shè)計(jì)思想，將叉車按結(jié)構(gòu)分成若干模塊，每個(gè)模塊都有相對(duì)固定的外形和功能，但其規(guī)格可以近乎無極地微調(diào)，而且各模塊間彼此相互兼容。在模塊化設(shè)計(jì)中，運(yùn)用SolidWorks建立典型產(chǎn)品的全參數(shù)化三維實(shí)體模型，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)管理和配置圖檔文件，建立了設(shè)計(jì)庫資源。

73.1先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)概述3.1.1先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵與特點(diǎn)先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)。它是以滿足應(yīng)市產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時(shí)間、成本／價(jià)格綜合效益最優(yōu)為目的，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為主體，以知識(shí)為依托，以多種科學(xué)方法及技術(shù)為手段，研究、改進(jìn)、創(chuàng)造產(chǎn)品活動(dòng)過程所用到的技術(shù)群體的總稱其內(nèi)涵就是以市場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)，以知識(shí)為依托，以知識(shí)獲取為中心，以產(chǎn)品全生命周期為對(duì)象，人、機(jī)、環(huán)境相容的設(shè)計(jì)理念。先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1．先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法的繼承、延伸與擴(kuò)展2．先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)是多種設(shè)計(jì)技術(shù)、理論與方法的交叉與綜合3．設(shè)計(jì)手段的計(jì)算機(jī)化與設(shè)計(jì)結(jié)果的精確化4．先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的并行化、智能化5．先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了面向產(chǎn)品生命周期全過程的可信性設(shè)計(jì)6．多種設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)的綜合運(yùn)用83.1.2先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的體系先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的基本體系及其與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系如圖3-1所示

圖3-1先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)及其與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系1.基礎(chǔ)技術(shù)它是指?jìng)鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、工程數(shù)學(xué)等。這些基礎(chǔ)技術(shù)為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的源泉92.主體技術(shù)它是指計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，如計(jì)算機(jī)輔助X(X指產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、工裝設(shè)計(jì)等)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，有限元分析，模擬仿真，虛擬設(shè)計(jì)，工程數(shù)據(jù)庫等3.支撐技術(shù)它為設(shè)計(jì)信息的處理、加工、推理與驗(yàn)證提供了多種理論、方法和手段的支撐。主要包括：①現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，如模塊化設(shè)計(jì)、價(jià)值工程②設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)，如產(chǎn)品性能試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)4.應(yīng)用技術(shù)它是針對(duì)實(shí)用目的解決各類具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)，如機(jī)床、汽車、工程機(jī)械、精密機(jī)械等設(shè)計(jì)的知識(shí)和技術(shù)103.1.3

先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.繼續(xù)重視基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)理論及共性設(shè)計(jì)技術(shù)的深層次研究。2.設(shè)計(jì)過程的智能化3.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)（MDO）4.繼續(xù)開展基于網(wǎng)絡(luò)的并行設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、方法及軟件的研究5.虛擬樣機(jī)技術(shù)6.全生命周期設(shè)計(jì)7.綠色設(shè)計(jì)技術(shù)113.2逆向工程設(shè)計(jì)3.2.1逆向工程設(shè)計(jì)的概述1．逆向工程的產(chǎn)生與發(fā)展

2．逆向工程的內(nèi)涵

世界各國在其經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展過程中，都非常重視應(yīng)用逆向工程對(duì)國外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行引進(jìn)和研究工作，并都取得了較顯著的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各國70%以上的技術(shù)源于國外，逆向工程作為掌握、改進(jìn)和發(fā)展技術(shù)的一種手段，可使產(chǎn)品研制周期縮短40％以上，從而極大地提高生產(chǎn)率。

以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新思維，對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，使之成為新產(chǎn)品。這一種產(chǎn)品開發(fā)模式即稱為逆向工程，也叫反求工程。12逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shí)物模型轉(zhuǎn)化為CAD模型以進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等。對(duì)外形要求較高的零部件的設(shè)計(jì)：如在飛機(jī)、汽車、摩托車、家用電器等產(chǎn)品開發(fā)中，根據(jù)木制或油泥模型獲得產(chǎn)品CAD模型。快速生產(chǎn)一些大型設(shè)備，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)組等損壞的零部件，迅速回復(fù)生產(chǎn)?？焖僭停≧apidPrototype，RP）制造：如藝術(shù)品、考古文物的復(fù)制，人體骨骼、關(guān)節(jié)、假肢制造，特種服裝、頭盔等的制造。計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)，利用工業(yè)CT技術(shù)，可以快速發(fā)現(xiàn)、定位物體的內(nèi)部缺陷。13143.2.2逆向工程設(shè)計(jì)的基本方法1.實(shí)物反求法實(shí)物反求的研究對(duì)象往往是引進(jìn)的比較先進(jìn)的設(shè)備或產(chǎn)品實(shí)物，通過對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)、材料、精度、制造工藝、包裝、使用等方面進(jìn)行分析研究和再創(chuàng)造，最終研制出與原型產(chǎn)品相近或更佳的新產(chǎn)品。實(shí)物反求設(shè)計(jì)是一個(gè)認(rèn)識(shí)產(chǎn)品—再現(xiàn)產(chǎn)品—超越原產(chǎn)品的過程。其一般過程如圖3-2所示。圖3-2實(shí)物反求設(shè)計(jì)過程

152．軟件反求法軟件反求是以產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊(cè)等為研究對(duì)象的反求工程技術(shù)。

軟件反求一般是由產(chǎn)品規(guī)劃反求、原理方案反求和結(jié)構(gòu)方案反求等幾個(gè)基本部分組成，如圖3-3所示圖3-3軟件反求設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

軟件反求的一般設(shè)計(jì)步驟為：①分析需求，明確反求設(shè)計(jì)的目的；②對(duì)所反求的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析與結(jié)構(gòu)分析；③分析并驗(yàn)證產(chǎn)品性能參數(shù)；④調(diào)研國內(nèi)外同類產(chǎn)品，從中吸取有益成分；⑤撰寫反求設(shè)計(jì)論證書

163．影像反求法

影像反求是以產(chǎn)品照片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫面等為參考資料進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的。

影像反求的主要內(nèi)容包括方案分析和結(jié)構(gòu)分析。其中方案分析的重點(diǎn)是技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)分析，而結(jié)構(gòu)分析主要是確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)材料，如圖3-4所示

圖3-4影像反求設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容影像反求的一般設(shè)計(jì)步驟為：①廣泛收集參考資料，并對(duì)其進(jìn)行多方面的分析、研究；②產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)；③方案評(píng)價(jià)；④反求技術(shù)設(shè)計(jì)。

173.2.3逆向工程設(shè)計(jì)的基本步驟和關(guān)鍵技術(shù)1.逆向工程設(shè)計(jì)的基本步驟圖3-5逆向工程設(shè)計(jì)的基本步驟

（1）分析階段該階段的主要任務(wù)是對(duì)反求對(duì)象的功能原理、結(jié)構(gòu)形狀、材料性能、加工工藝等方面進(jìn)行全面深入地了解，明確其關(guān)鍵功能及關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和不足之處做出評(píng)估。逆向工程設(shè)計(jì)分為三個(gè)設(shè)計(jì)階段：18逆向工程設(shè)計(jì)分為三個(gè)設(shè)計(jì)階段：該階段的具體任務(wù)是：①根據(jù)分析結(jié)果，確定零件的測(cè)量方法、手段、順序和精度等；②由于在測(cè)量過程中難免會(huì)有測(cè)量誤差，需要對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。修正的內(nèi)容包括剔除測(cè)量數(shù)據(jù)中的疵點(diǎn)、修正測(cè)量值中明顯不合理的數(shù)據(jù)、按照拓?fù)潢P(guān)系的定義修正幾何元素的空間位置與關(guān)系等；③利用CAD系統(tǒng)重構(gòu)反求對(duì)象的幾何模型；④進(jìn)一步分析反求對(duì)象的功能，對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)

（3）制造階段擬訂反求新產(chǎn)品的制造工藝，完成新產(chǎn)品的制造，并對(duì)制造后的產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能檢測(cè)。（2）再設(shè)計(jì)階段（1）分析階段192.逆向工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

（1）逆向工程中的測(cè)量技術(shù)

逆向工程中，快速、準(zhǔn)確地獲取實(shí)物的三維幾何數(shù)據(jù)，即對(duì)實(shí)物的三維幾何形面進(jìn)行三維離散數(shù)字化處理，是實(shí)施逆向工程的重要步驟之一常見的三維幾何形狀的測(cè)量方法主要有圖3-6所示的幾種形式。圖3-6三維幾何參數(shù)測(cè)量方法

20①三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CoordinateMeasuringMachine，CMM）

圖3-7三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)外觀圖

CMM是一種大型精密的三坐標(biāo)測(cè)量儀器，如圖3-7所示，其主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，對(duì)被測(cè)物的材質(zhì)和無特殊要求，適應(yīng)性強(qiáng)。通過三維掃描測(cè)量實(shí)物表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)集，得到的大量坐標(biāo)點(diǎn)的集合稱為點(diǎn)云（PointCloud)。1）接觸式測(cè)量方法

接觸式測(cè)量是通過傳感測(cè)量頭與樣件的接觸而記錄樣件表面的坐標(biāo)位置，可以細(xì)分為點(diǎn)接觸式和連續(xù)式數(shù)據(jù)采集方法。21②自動(dòng)斷層掃描法

它是將待測(cè)零件原型用專用樹脂材料完全封裝，帶樹脂固化后，把它裝到銑床上，采用逐層銑削和逐層光掃描相結(jié)合的方法獲取零件原型不同位置截面的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)，并將其組合起來獲得零件的三維數(shù)據(jù)。方法的優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)任意形狀、任意結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)外輪廓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度較高，片層最小可達(dá)0.01mm。

222）非接觸式測(cè)量方法

這種方法有光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁測(cè)量等。

①激光線結(jié)構(gòu)掃描法

這種測(cè)量方法根據(jù)光學(xué)三角形測(cè)量原理，將一束激光線結(jié)構(gòu)光投射到被測(cè)物體表面，利用CCD攝像機(jī)攝取物面上的二維變形線圖像，即可解算出相應(yīng)的三維坐標(biāo)。23②投影光柵法

這種測(cè)量方法通常采用普通白光將正弦光柵或矩形光柵條紋投射到被測(cè)物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，利用數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測(cè)物體表面的三維信息。③計(jì)算機(jī)斷層掃描法

這種測(cè)量方法對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行斷層截面掃描，以X射線的衰減系數(shù)為依據(jù)，經(jīng)處理后重建斷層截面圖像，再根據(jù)不同位置的斷層圖像建立物體的三維信息。

④立體視差法

所謂視差就是物體表面同一個(gè)點(diǎn)在左右圖像中成像點(diǎn)的位置差異，根據(jù)左右圖像成像點(diǎn)的位置就可解算出物體上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。243.2.4逆向工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用舉例—發(fā)動(dòng)機(jī)氣道曲面反求1.氣道模型的數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理氣道砂芯如圖3-9所示采用德國SteinbichlerOptotenchnik公司的光學(xué)測(cè)量設(shè)備，通過多次在不同方向上對(duì)測(cè)量對(duì)象的整體或局部進(jìn)行大量密集的數(shù)據(jù)采集，最后通過數(shù)據(jù)疊加，以獲得最完整數(shù)據(jù)。圖3-10為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后氣道砂芯模型的完整點(diǎn)云圖。圖3-9氣道砂芯模型

圖3-10預(yù)處理后的氣道點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖25完成數(shù)據(jù)點(diǎn)云的預(yù)處理以后，要對(duì)其進(jìn)行三角網(wǎng)格化處理。點(diǎn)云進(jìn)行三角網(wǎng)格化處理，處理后如圖3-11所示。

圖3-11三角網(wǎng)格化處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)2.曲面建模的步驟與原則向曲面模型的設(shè)計(jì)流程如圖3-12所示。曲面建模的大致步驟：首先從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出“特征線”。特征線是產(chǎn)品的外觀流線，或者是邊界線與裝配約束線，換句話說，是曲面模型的“骨架”，應(yīng)該首先建構(gòu)好；然后建構(gòu)出決定產(chǎn)品外觀的基礎(chǔ)大曲面，并將精度和光順程度調(diào)整到最佳狀態(tài)。其次再補(bǔ)充基礎(chǔ)曲面的過渡曲面，經(jīng)過適當(dāng)?shù)牡箞A和裁剪后就完成了曲面模型。26圖3-12逆向曲面重構(gòu)的設(shè)計(jì)流程3.氣道的曲面重構(gòu)

對(duì)氣道實(shí)物樣件進(jìn)行觀察和比較，根據(jù)基礎(chǔ)曲面、過渡曲面、依附曲面的分類原則，把曲面大體分成三塊：導(dǎo)向部分、螺旋氣道部分和氣道與氣缸的連接部分，如圖3-13所示。圖3-13分塊構(gòu)建的曲面

27構(gòu)造出曲面后，必須對(duì)各曲面片進(jìn)行拼接。曲面拼接要解決邊界連續(xù)問題，就是要使相連曲面在邊界上具有一階或二階幾何連續(xù)。通過擬合誤差分析和曲面修正，完成氣道自由曲面整體模型的重構(gòu)，如圖3-14所示。圖3-14重構(gòu)出的曲面模型

283.3模塊化設(shè)計(jì)3.3.1模塊化設(shè)計(jì)的基本概念和方法

模塊化設(shè)計(jì)（ModularDesign，MD）是通過對(duì)一定范圍內(nèi)不同功能或者功能相同而不同性能和規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，從而劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求的設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的變化，有利于提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度，有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于產(chǎn)品維修、升級(jí)和再利用，便于工廠和產(chǎn)品的重組，相對(duì)延長產(chǎn)品的生命周期。采用模塊化設(shè)計(jì)可以以大批量生產(chǎn)的成本實(shí)現(xiàn)多品種、小批量個(gè)性化生產(chǎn)。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品而言，模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的前提。293.3.2機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)的分類按機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在系列產(chǎn)品中所覆蓋的形式和程度分為：1．橫系列模塊化設(shè)計(jì)橫系列模塊化設(shè)計(jì)是指在某一基型品種的基礎(chǔ)上，通過變換、增加或減少某些可互換的特定模塊而形成變型產(chǎn)品，它的特點(diǎn)是不改變基型產(chǎn)品的主參數(shù)，而改變部分主要體現(xiàn)在某些功能、結(jié)構(gòu)、布局、控制系統(tǒng)或操縱方式等方面。

2．縱系列模塊化設(shè)計(jì)縱系列模塊化設(shè)計(jì)是指在同一類型中對(duì)不同規(guī)格的基型產(chǎn)品進(jìn)行變型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是要改變基型產(chǎn)品主參數(shù)。由于主參數(shù)不同的產(chǎn)品，其動(dòng)力參數(shù)往往也不同，這就導(dǎo)致產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式及尺寸等發(fā)生變化。3．跨系列模塊化設(shè)計(jì)跨系列模塊化設(shè)計(jì)是指針對(duì)總體結(jié)構(gòu)相差不大的產(chǎn)品所進(jìn)行的變型設(shè)計(jì)。它的特點(diǎn)是在基本相同的基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)上選用不同模塊而構(gòu)成跨系列產(chǎn)品。

303.3.3模塊化設(shè)計(jì)過程機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)過程如圖3-15所示。圖3-15機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)流程框圖4．全系列模塊化設(shè)計(jì)

全系列模塊化設(shè)計(jì)與跨系列模塊化設(shè)計(jì)有很大區(qū)別。跨系列模塊化設(shè)計(jì)只是橫系列兼顧部分縱系列或是縱系列兼顧部分橫系列的模塊化設(shè)計(jì)，而全系列模塊化設(shè)計(jì)指的是某類產(chǎn)品的全部橫、縱系列范圍內(nèi)的模塊化設(shè)計(jì)。31（1）用戶需求分析

這是模塊化設(shè)計(jì)成功的前提（2）確定產(chǎn)品系列型譜理確定產(chǎn)品的主參數(shù)范圍和產(chǎn)品系列型譜（即產(chǎn)品種類和規(guī)格）是模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。（3）確定參數(shù)范圍及主參數(shù)產(chǎn)品的參數(shù)（如尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)等）須合理確定，過高過寬會(huì)造成浪費(fèi)，過低過窄不能滿足要求。（4）模塊劃分與設(shè)計(jì)模塊劃分的合理性直接影響到模塊化產(chǎn)品的性能、外觀、模塊的通用戶程度和產(chǎn)品成本。323.3.4模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)1．模塊標(biāo)準(zhǔn)化模塊標(biāo)準(zhǔn)化主要指模塊結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，特別是模塊接口的標(biāo)準(zhǔn)化，為了保證不同功能模塊的組合和相同功能模塊的互換，模塊應(yīng)具有可組合性和可互換性兩個(gè)基本特征，而這兩個(gè)特征主要體現(xiàn)在接口上。2．模塊的劃分

模塊化設(shè)計(jì)的原則是盡可能少的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品，并在滿足要求的基礎(chǔ)上使產(chǎn)品精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。①盡量減少產(chǎn)品包含的模塊總數(shù)，并最大限度地簡(jiǎn)化模塊自身的結(jié)構(gòu)，以避免模塊組時(shí)產(chǎn)生混亂；②以有限的模塊數(shù)獲得盡可能多的實(shí)用組合方案，滿足用戶的多方面需求；③劃分的模塊應(yīng)具有功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)完整性；④充分注意模塊間的接口要素，以便于模塊的組合和分離；⑤要考慮模塊的劃分對(duì)產(chǎn)品精度和剛度的影響；⑥要考慮經(jīng)濟(jì)性。333.3.5模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用舉例－成形磨齒機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)

1.模塊劃分

（1）機(jī)床功能分析

機(jī)床的主要功能是實(shí)現(xiàn)硬齒面內(nèi)、外齒輪的成形磨削，可以加工具有直廓、漸開線齒廓、凸齒的直齒、斜齒輪。

（2）機(jī)床模塊劃分與接口設(shè)計(jì)

按照前述的模塊劃分原則，把該數(shù)控成型磨齒機(jī)劃分成5個(gè)基本功能模塊，如圖3-16所示。圖3-16數(shù)控成形磨齒機(jī)功能模塊3．模塊的接口設(shè)計(jì)

模塊化產(chǎn)品多數(shù)模塊之間的連接屬于剛性連接。剛性連接又有固定連接和活動(dòng)連接之分。模塊接口設(shè)計(jì)直接影響模塊化產(chǎn)品的性能（精度、剛度、經(jīng)濟(jì)性等）和模塊組合的方便性與快捷性342.采用參數(shù)化三維造型技術(shù)建立模塊庫

參數(shù)化建模采用尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以約束造型為核心。圖3-17所示為數(shù)控成形磨齒機(jī)通用件設(shè)計(jì)模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖3-17通用件設(shè)計(jì)模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）通用件模塊圖形庫的建立

通用件模塊圖形庫包括各種通用件的參數(shù)化三維模型，是機(jī)床模塊化CAD系統(tǒng)的基礎(chǔ)。（2）數(shù)據(jù)庫接口程序

選用MicrosoftAccess建立數(shù)據(jù)庫，并使用其中的ADO.net技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的連接和訪問。353.用WAVE技術(shù)控制模塊內(nèi)部裝配結(jié)構(gòu)WAVE技術(shù)是建立各零件間參數(shù)關(guān)系的技術(shù)。UGWAVE通過零件間建模來實(shí)現(xiàn)部件間的相關(guān)，即在同一裝配體中，不同零部件或同一零部件內(nèi)部在建模時(shí)共享連接幾何體。圖3-19所示為利用本系統(tǒng)生成的成形磨齒機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。用戶只需輸入主要參數(shù)即可得到所需的三維模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。

1、10-底座；2-回轉(zhuǎn)工作臺(tái)；3-伺服電動(dòng)機(jī)；4-夾具；5-磨削頭架；

6-交流電動(dòng)機(jī)；7、11-數(shù)控滑臺(tái)；8-立柱；9-動(dòng)柱滑座。圖3-19數(shù)控成形磨齒機(jī)363.4.1全生命周期設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與特點(diǎn)1、全生命周期設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

（1）全生命周期

產(chǎn)品的全生命周期與產(chǎn)品的壽命是不同的概念。產(chǎn)品的全生命周期包括產(chǎn)品的孕育期(產(chǎn)品市場(chǎng)需求的形成、產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計(jì))、生產(chǎn)期(材料選擇制備、產(chǎn)品制造、裝配)、儲(chǔ)運(yùn)銷售期(存儲(chǔ)、包裝、運(yùn)輸、銷售、安裝調(diào)試)、服役期(產(chǎn)品運(yùn)行、檢修、待工)和轉(zhuǎn)化再生期(產(chǎn)品報(bào)廢、零部件再用、廢件的再生制造、原材料回收再利用、廢料降解處理等)的整個(gè)閉環(huán)周期。而產(chǎn)品的壽命往往指產(chǎn)品出廠或投入使用后至產(chǎn)品報(bào)廢不再使用的一段區(qū)間，僅是全生命周期內(nèi)服役期的一部分。如圖3-20所示，機(jī)械的全生命周期涵蓋全壽命期，全壽命期涵蓋經(jīng)濟(jì)使用壽命和安全使用壽命。37圖3-20全生命周期與全壽命期（2）全生命周期設(shè)計(jì)

全生命周期設(shè)計(jì)的概念從并行工程思想發(fā)展而來，它同時(shí)考慮從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中的所有階段，包括需求識(shí)別、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、回收處理等階段，以確保縮短新產(chǎn)品上市時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、改進(jìn)服務(wù)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)化發(fā)展。382.全生命周期設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1）集成性

這是全壽命周期設(shè)計(jì)最重要的特點(diǎn)，它要求各部門工作人員分工協(xié)作。要想使工作能快速、協(xié)作完成，必須有完善的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和分布式知識(shí)庫保證工作人員彼此之間的信息傳遞。（2）以人為中心，強(qiáng)調(diào)人的作用全壽命周期設(shè)計(jì)可以促進(jìn)人與人的相互理解，提高協(xié)同作戰(zhàn)能力，塑造良好的企業(yè)文化。這也正是其先進(jìn)性所在。（3）面向制造，力求一次成功在設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮產(chǎn)品功能、造型復(fù)雜程度等基本的設(shè)計(jì)特性，而且要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可制造性、可裝配性、可回收性等。3.全生命周期設(shè)計(jì)的內(nèi)容

全生命周期設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容就是面向制造的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，所借助的手段是并行設(shè)計(jì)，而順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。全生命周期設(shè)計(jì)的技術(shù)有：并行設(shè)計(jì)、面向X的設(shè)計(jì)（X可以是裝配、制造、拆卸、回收等)、協(xié)同設(shè)計(jì)等。

394.2并行設(shè)計(jì)的概念、特征與關(guān)鍵技術(shù)1.并行設(shè)計(jì)的概念

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程就像接力賽一樣，產(chǎn)品總是從一個(gè)部門遞交到下一個(gè)部門，每次都根據(jù)各自需要進(jìn)行修改。這種“扔過墻”（ThrowItOverTheWall）式的開發(fā)模式如圖3-21所示。

圖3-21“扔過墻”式的產(chǎn)品開發(fā)模式并行設(shè)計(jì)工作模式如圖3-22所示。它是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮其相關(guān)過程，包括加工工藝、裝配、檢測(cè)、質(zhì)量保證、銷售、維護(hù)等

40圖3-22并行設(shè)計(jì)工作模式2.并行設(shè)計(jì)的特征（1）并行性

即把時(shí)間上有先后的作業(yè)活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)考慮和盡可能同時(shí)處理和并行處理的活動(dòng)。（2）整體性

主要表現(xiàn)在：①制造過程是一個(gè)有機(jī)的整體，在空間中似乎互相獨(dú)立的各個(gè)制造過程和知識(shí)處理單元之間，實(shí)質(zhì)上都存在看不可分割的內(nèi)在聯(lián)系；②強(qiáng)調(diào)全局性地考慮問題，即產(chǎn)品研制者從一開始就考慮到產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的所有因素；③追求整體最優(yōu)，把產(chǎn)品開發(fā)的各種活動(dòng)作為一個(gè)集成的過程進(jìn)行管理和控制，以達(dá)到整體最優(yōu)的目的41（3）協(xié)同性

并行設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)群體的協(xié)同工作（Teamwork）。這就需要根據(jù)任務(wù)和項(xiàng)目去組織多功能的協(xié)同組織機(jī)構(gòu)，以協(xié)同的設(shè)計(jì)思想使各個(gè)相關(guān)部門協(xié)調(diào)一致地工作，利用群體的力量提高整體效益。

（4）集成性

主要表現(xiàn)為：①管理者、設(shè)計(jì)者、制造者、支持者以至用戶集成為一個(gè)協(xié)調(diào)的整體；②產(chǎn)品全生命周期中的各類信息的獲取、表示、表現(xiàn)和操作工具的集成和統(tǒng)一管理；③產(chǎn)品全生命周期中企業(yè)內(nèi)各部門功能集成，以及產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)與外部協(xié)作企業(yè)間功能的集成。3.并行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)（1）并行設(shè)計(jì)的建模與仿真（2）集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)（3）協(xié)同工作環(huán)境（4）數(shù)字化產(chǎn)品建模與CAx/DFx使能工具423.4.3綠色設(shè)計(jì)的概念、特征與關(guān)鍵技術(shù)1.綠色設(shè)計(jì)的概念（1）綠色設(shè)計(jì)的產(chǎn)生的背景（2）綠色設(shè)計(jì)的產(chǎn)生的概念傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)僅涉及到產(chǎn)品生命周期中的市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造和銷售以及售后服務(wù)等幾個(gè)環(huán)節(jié)，如圖3-23所示綠色設(shè)計(jì)的基本流程及設(shè)計(jì)目標(biāo)如圖3-24所示。圖3-23傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的目標(biāo)及流程

圖3-24綠色設(shè)計(jì)的目標(biāo)及流程

432.綠色設(shè)計(jì)的特征（1）環(huán)境友好性（2）最大限度地利用材料資源（3）最大限度地節(jié)約能源3.綠色設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)（1）綠色產(chǎn)品的描述與建模（2）綠色材料的選擇（3）面向拆卸性設(shè)計(jì)（4）面向回收的設(shè)計(jì)（5）綠色產(chǎn)品的成本分析（6）綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)制造回收使用

綠色設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)清潔生產(chǎn)及相關(guān)技術(shù)綠色產(chǎn)品

回收再利用工藝及技術(shù)

綠色供應(yīng)鏈及生態(tài)工業(yè)園技術(shù)

整體與各階段評(píng)價(jià)與決策443.4.4全生命周期設(shè)計(jì)的應(yīng)用舉例

汽車的全生命周期設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性和安全舒適性。1.可靠性：可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的使用期限內(nèi)發(fā)生故障或失效的概率。

2.維修性：維修性是指產(chǎn)品在發(fā)生故障時(shí)排除故障和恢復(fù)功能的難易程度。衡量維修性好壞的主要指標(biāo)是完成維修的時(shí)間和概率。

3.保障性：良好的保障性主要是指設(shè)計(jì)的汽車應(yīng)易于駕駛、易于維修；備件貨源充足、價(jià)格合適且互換性好；為保障汽車安全行駛，對(duì)路況、天氣等環(huán)境要求不高等。

4.測(cè)試性：汽車產(chǎn)品的測(cè)試性對(duì)降低汽車零部件的維修費(fèi)用，保持汽車良好的工作狀況具有十分重要的作用。

5.安全、舒適性：汽車全生命周期設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)階段必須考慮安全性，以保證汽車在以后的試驗(yàn)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用直到報(bào)廢階段對(duì)操作人員、產(chǎn)品本身和環(huán)境都是安全的。453.5.1制造自動(dòng)化技術(shù)的內(nèi)涵和形式制造自動(dòng)化的廣義內(nèi)涵至少包括以下幾點(diǎn)：

（1）在形式方面，制造自動(dòng)化有三層含義，①代替人的體力勞動(dòng)；②代替或輔助人的腦力勞動(dòng)；③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）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)模型來描述。

（3）在范圍方面，制造自動(dòng)化不僅涉及到具體生產(chǎn)制造過程，而且涉及到產(chǎn)品生命周期所有過程。一般來說，制造自動(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。制造自動(dòng)化主要有三種形式：剛性自動(dòng)化、柔性自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化。三者的比較見表3-1。46

表3-1

三種自動(dòng)化形式比較比較項(xiàng)目剛性自動(dòng)化柔性自動(dòng)化綜合自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力，保證加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本

減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力，保證加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品制造周期

除左外，提高設(shè)計(jì)工作與管理工作效率和質(zhì)量，提高對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)能力控制對(duì)象物流物流物流，信息流特點(diǎn)

通過機(jī)、電、液氣等硬件控制方式實(shí)現(xiàn)，因而是剛性的，變動(dòng)困難

以硬件為基礎(chǔ)，以軟件為支持，改變程序即可實(shí)現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)變，因而是柔性的

不僅針對(duì)具體操作和工人的體力勞動(dòng)，而且涉及腦力勞動(dòng)以及設(shè)計(jì)、經(jīng)營管理等各方面典型系統(tǒng)與裝備

自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床，機(jī)械手，自動(dòng)生產(chǎn)線

NC機(jī)床，加工中心，工業(yè)機(jī)器人，DNC，F(xiàn)MC，F(xiàn)MS

CAD/CAM系統(tǒng)，MRPⅡ，CIMS應(yīng)用范圍大批大量生產(chǎn)多品種、中小批量生產(chǎn)各種生產(chǎn)類型關(guān)鍵技術(shù)

繼電器程序控制技術(shù)，經(jīng)典控制論

數(shù)控技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制，GT，現(xiàn)代控制論

系統(tǒng)工程，信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，管理技術(shù)473.5.2制造自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)狀7．底層加工系統(tǒng)的智能化和集成化研究越來越活躍6．適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)模式制造環(huán)境的研究正在興起5．柔性制造技術(shù)的研究向著深度和廣度發(fā)展4．制造過程的計(jì)劃和調(diào)度研究十分活躍3．?dāng)?shù)控單元系統(tǒng)的研究仍然占有重要的位置2．更加注重制造自動(dòng)化系統(tǒng)中人因作用的研究制造自動(dòng)化技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，目前的研究有以下幾個(gè)方面：1．制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)483.5.3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三個(gè)方面的內(nèi)容：①柔性，如機(jī)械裝備柔性、工藝過程柔性、系統(tǒng)運(yùn)行柔性等；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；③快速化的集成制造工藝：如快速原型制造RPM。6．制造綠色化5．制造智能化4．制造虛擬化2．制造網(wǎng)絡(luò)化3．制造全球化49經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床全功能數(shù)控車床50車削中心雙主軸數(shù)控車削中心5151

立式數(shù)控銑床臥式數(shù)控銑床龍門數(shù)控銑床52

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床高速數(shù)控銑床5353立式加工中心臥式加工中心543.6工業(yè)機(jī)器人技術(shù)3.6.1工業(yè)機(jī)器人的組成與分類1．工業(yè)機(jī)器人的定義工業(yè)機(jī)器人是一種可以搬運(yùn)物料、零件、工具或完成多種操作功能的專用機(jī)械裝置。2．工業(yè)機(jī)器人的基本組成工業(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,如圖3-25所示。圖3-25工業(yè)機(jī)器人的基本組成1-執(zhí)行機(jī)構(gòu)2-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3-控制系統(tǒng)

它由計(jì)算機(jī)控制，是無人參與的自主自動(dòng)化控制系統(tǒng)；它是可編程具有柔性的自動(dòng)化系統(tǒng)，可以允許人機(jī)聯(lián)系。55（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)，也稱操作機(jī)，通常由手部、腕部、臂部、機(jī)身、機(jī)座及行走機(jī)構(gòu)組成。（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)器人按給定的程序運(yùn)動(dòng)，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，同時(shí)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行指令。（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿完成指定的運(yùn)動(dòng)。（4）位置檢測(cè)裝置

通過力、位移、觸覺等傳感器檢測(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)，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度和速度達(dá)到設(shè)定的位置。563．工業(yè)機(jī)器人的分類（1）按作業(yè)用途

工業(yè)機(jī)器人可分為焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人等。（2）按操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)

工業(yè)機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)式機(jī)器人，極(球)坐標(biāo)式機(jī)器人，圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人和關(guān)節(jié)式機(jī)器人（3）按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能

機(jī)器人可分為點(diǎn)位控制機(jī)器人和連續(xù)軌跡控制機(jī)器人。前者只控制到達(dá)某此指定點(diǎn)的位置精度，而不控制其運(yùn)動(dòng)過程；后者則對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的全部軌跡進(jìn)行控制。（4）按程序輸入方式

工業(yè)機(jī)器人可分為編程輸入型機(jī)器人和示教再現(xiàn)型機(jī)器人。573.6.2工業(yè)機(jī)器人的控制與編程技術(shù)1．工業(yè)機(jī)器人的控制（1）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，使機(jī)器人按照指令要求去完成所規(guī)定的作業(yè)。機(jī)器人的控制系統(tǒng)通常包括控制計(jì)算機(jī)、示教盒、控制面板、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?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3-26所示。圖3-26工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成框圖58（2）工業(yè)機(jī)器人的典型控制方法1）工業(yè)機(jī)器人的位置伺服控制。

圖3-27所示為機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。對(duì)于機(jī)器人控制，常關(guān)注的是手臂末端運(yùn)動(dòng)。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，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)到位置矢量控制的目的。

圖3-27剛性臂控制系統(tǒng)的構(gòu)成59圖3-28關(guān)節(jié)伺服控制的構(gòu)成圖3-28所示為關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖，它把每一個(gè)關(guān)節(jié)作為單獨(dú)的單輸入單輸出系統(tǒng)來處理。①關(guān)節(jié)空間的伺服控制是以大多數(shù)非直角坐標(biāo)機(jī)器人為控制對(duì)象。60②作業(yè)空間伺服控制

在關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)中，各個(gè)關(guān)節(jié)是獨(dú)立進(jìn)行控制的，所以難以預(yù)測(cè)由各關(guān)節(jié)實(shí)際控制結(jié)果所得到的末端位姿的響應(yīng)，也難以調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的增益。2）工業(yè)機(jī)器人的自適應(yīng)控制

20世紀(jì)80年代中期，在機(jī)器人控制領(lǐng)域基本形成了模型參考自適應(yīng)控制和自校正適應(yīng)控制兩種形式

在這種方法中，控制器的作用是使得系統(tǒng)的輸出響應(yīng)趨近于某指定的參考模型，因而必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖3-29所示。

圖3-29模型參考自適應(yīng)控制

①模型參考自適應(yīng)控制61②自校正適應(yīng)控制。

圖3-30所示為自校正適應(yīng)控制系統(tǒng)，它由表現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)離散時(shí)間模型各參數(shù)的估計(jì)機(jī)構(gòu)與用其結(jié)果來決定控制器增益或控制輸入的部分組成，采用輸人輸出數(shù)與機(jī)器人自由度相同的模型，把自校正適應(yīng)控制法應(yīng)用于機(jī)器人。圖3-30自校正適應(yīng)控制系

2．工業(yè)機(jī)器人的編程技術(shù)

常用的編程方法有示教編程法和離線編程法等。

（1）手控示教編程法示教編程是一種最簡(jiǎn)單、最常用的機(jī)器人編程方法62（2）離線編程法

部分地或完全脫離機(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。離線編程的優(yōu)點(diǎn)在于：①減少機(jī)器人停機(jī)時(shí)間；②讓程序員脫離潛在的危險(xiǎn)環(huán)境；③一套編程系統(tǒng)可給多臺(tái)機(jī)器人編程。（3）機(jī)器人語言及其分類機(jī)器人軟件的類型大致有三種：①伺服控制級(jí)軟件；②機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制級(jí)軟件，用于對(duì)機(jī)器人軌跡控制插補(bǔ)和坐標(biāo)變換等；③周邊裝置的控制軟件633.6.3工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用案例1．在汽車焊接方面的應(yīng)用（1）點(diǎn)焊機(jī)器人

（2）弧焊機(jī)器人

圖3-31所示為汽車工業(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?；『笝C(jī)器人用于完成金屬件的連續(xù)焊接，絕大多數(shù)機(jī)器人可以完成自動(dòng)送絲、熔化電極和氣體保護(hù)下的焊接工作。

圖3-31弧焊機(jī)器人

1-焊接電源2-顯示器

3一機(jī)器人控制裝置4-夾具控制裝置

5-工件6-焊接夾具7-機(jī)器人

點(diǎn)焊機(jī)器人屬于點(diǎn)位控制，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。

642．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。圖3-32所示為一種具有反饋裝置的精密裝配機(jī)器人作業(yè)示意圖。該機(jī)器人系統(tǒng)具有主機(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，將基座、連接套和小軸這三個(gè)零件組裝起來。

圖3-32精密插人裝配機(jī)器人的裝配作業(yè)

1-主機(jī)器人2-柔性手腕3、5-觸覺傳感器（應(yīng)變片）

8-聯(lián)套供料機(jī)構(gòu)9-小軸供料機(jī)構(gòu)4-彈簧片6-基座零件的傳送、定位7-輔助機(jī)器人

653．在物料儲(chǔ)運(yùn)方面的應(yīng)用圖3-33所示為一種搬運(yùn)機(jī)器人。該機(jī)器人用于抓取、搬運(yùn)來自輸送帶或輸送機(jī)上流動(dòng)的物品。圖3-33搬運(yùn)機(jī)器人布局示意圖1-裝卸運(yùn)輸機(jī)2-極式輸送機(jī)3-極式分配器

4-橫進(jìn)給式輸送機(jī)5-操作臺(tái)6-控制臺(tái)7-多工位式輸送機(jī)主要由搬入/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。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。663.7柔性制造技術(shù)3.7.1柔性制造系統(tǒng)概述1．FMS的定義和特征FMS就是由若干臺(tái)數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，并能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)品種的變化迅速進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。2．FMS的特征（1）柔性高，適合于多品種中小批量零件的生產(chǎn)。（2）系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)床可以相互補(bǔ)充或相互替代。（3）可混流加工不同的零件。（4）整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)因局部維修或調(diào)整而中斷。（5）采用遞階結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)控制，可以與上層計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。67圖3-34FMS結(jié)構(gòu)框圖圖3-34所示是一種較典型的FMS結(jié)構(gòu)框圖，它由以下九個(gè)部分組成3.柔性制造系統(tǒng)的組成68（1）中央管理和控制計(jì)算機(jī)。它接收來自工廠主計(jì)算機(jī)的指令，對(duì)整個(gè)FMS實(shí)行計(jì)劃調(diào)度、運(yùn)行控制、物料管理、系統(tǒng)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)通信等（2）物流控制裝置。對(duì)自動(dòng)化倉庫、無人輸送臺(tái)車、加工毛坯、半成品和成品、夾具、刀具等實(shí)現(xiàn)集中管理和控制（3）自動(dòng)化倉庫。將毛坯、半成品和成品等進(jìn)行自動(dòng)調(diào)用或存儲(chǔ)（4）無人輸送臺(tái)車。工件、刀具、夾具等都由此臺(tái)車來完成運(yùn)輸任務(wù)，行走于各機(jī)床之間、機(jī)床與自動(dòng)化倉庫之間、機(jī)床與中央刀具庫之間，可以是有軌的或無軌的（5）制造單元。它由多臺(tái)不同類型的CNC機(jī)床MT及工業(yè)機(jī)器人Robot組成。其中CNC機(jī)床也包括加工中心MC或FMC（6）中央刀具庫。刀具的集中存儲(chǔ)區(qū)（7）夾具站。實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具的調(diào)整、維護(hù)及其存儲(chǔ)（8）信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。FMS中通信系統(tǒng)（9）FMS隨行工作臺(tái)。實(shí)現(xiàn)從無人輸送臺(tái)車到制造單元之間的傳送緩沖功能69圖3-35所示是一個(gè)典型的FMS布局圖。圖3-35典型的FMS704．FMS的類型和適用范圍（1）柔性制造單元（FMC）

柔性制造單元的問世并在生產(chǎn)中使用約比FMS晚6～8年,它可被視為一個(gè)規(guī)模最小的FMS。圖3-36所示為一柔性制造單元的示意圖。圖3-36柔性制造單元（2）柔性制造系統(tǒng)（FMS）（3）柔性制造自動(dòng)線（FML）

它與傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)線的不同之處在于能同時(shí)或依次加工少量不同的零件。

71圖3-37柔性制造系統(tǒng)的適用范圍（4）柔性制造工廠(FMF)

它是將多條FMS連接起來，配以自動(dòng)化立體倉庫，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。723.7.2柔性制造的加工系統(tǒng)1．加工系統(tǒng)的功用與要求加工系統(tǒng)承擔(dān)著把原材料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的任務(wù)，是FMS最基本的組成部分。它主要由數(shù)控機(jī)床、加工中心等加工設(shè)備（有的還帶有工件清洗、在線檢測(cè)等輔助設(shè)備）構(gòu)成。它應(yīng)具備以下性能要求。

（1）工序集中（2）控制功能強(qiáng)，擴(kuò)展性好（3）高剛度、高精度、高速度（4）自保護(hù)與自維護(hù)性好（5）運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好（6）具有環(huán)境適應(yīng)性與友好性

2．加工系統(tǒng)常用配置形式對(duì)于加工棱柱體類零件的FMS，其機(jī)床設(shè)備一般選用立式、臥式或立臥兩用的加工中心。73圖3-38臥式加工中心圖3-39車削加工中心1－主軸頭2－刀庫3－立住4立柱底座5－回轉(zhuǎn)工作臺(tái)6－工作臺(tái)底座l一刀庫2－回轉(zhuǎn)刀架3－換刀機(jī)械手4－上下工件機(jī)器人5－工件存儲(chǔ)站74在FMS中，機(jī)床設(shè)備的配置有互替式、互補(bǔ)式以及混臺(tái)式等多種形式，表4-2列出了幾種配置形式的簡(jiǎn)圖及其特征。表4-2機(jī)床配置形式與特征比較特征（a）互替式（b）互補(bǔ)式（c）混合式簡(jiǎn)圖生產(chǎn)柔性低中高生產(chǎn)率低高中技術(shù)利用率低中高系統(tǒng)可靠性高低中投資強(qiáng)度比高低中75（1）互替式機(jī)床配置

機(jī)床布局呈并聯(lián)關(guān)系，各機(jī)床功能可以互相代替，工件可以隨機(jī)輸送到任何一臺(tái)恰好空閑的機(jī)床上加工。若某臺(tái)機(jī)床出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能維持正常的工作，具有較大的工藝柔性和較寬的工藝范圍。

（2）互補(bǔ)式配置

在FMS中的各機(jī)床功能是互相補(bǔ)充的，各自完成特定的加工任務(wù)，工件在一定程度上必須按順序經(jīng)過各臺(tái)加工機(jī)床。其特點(diǎn)是生產(chǎn)率較高。但因機(jī)床布局呈串聯(lián)關(guān)系，一旦某臺(tái)機(jī)床發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)，故系統(tǒng)的可靠性較低

（3）混合式配置

在FMS中，有些機(jī)床按互替形式布置，有些則按互補(bǔ)形式布置，以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。763．加工系統(tǒng)的輔助裝置加工系統(tǒng)的輔助裝置包括機(jī)床夾具、托盤、自動(dòng)上下料裝置等。（1）機(jī)床夾具

目前，用于FMS的夾具有兩個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)：一是大量使用組合夾具（圖3-40），使夾具零部件標(biāo)準(zhǔn)化，可針對(duì)不同的加工對(duì)象快速拼裝出所需的夾具，提高夾具的重復(fù)利用率；二是開發(fā)柔性夾具（圖3-41），使一個(gè)夾具能為多個(gè)加工對(duì)象服務(wù)。圖3-40組合夾具

（2）托盤（Pallet）

托盤一般都是帶有較大倒角的棱邊和T形槽以及用于夾具定位的凸榫的正方形部件。

77（3）托盤交換裝置

圖3-42所示為回轉(zhuǎn)式托盤交換裝置，其上有兩條平行的導(dǎo)軌以供托盤移動(dòng)導(dǎo)向之用，托盤的移動(dòng)和交換裝置的回轉(zhuǎn)由液壓驅(qū)動(dòng)。這是一種兩工位的托盤交換置，機(jī)床加工完畢后，交換裝置從機(jī)床工作臺(tái)上移出裝有已加工零件的托盤，然后旋轉(zhuǎn)180°，將裝有待加工零件的托盤再送到機(jī)床的加工位置。圖3-42回轉(zhuǎn)式托盤交換器

圖3-41柔性夾具

78圖3-43往復(fù)式托盤交換器1－加工中心2－工作臺(tái)3－托盤庫4－托盤

圖3-43所示為多托盤的往復(fù)式托盤交換裝置。它由一個(gè)托盤庫和一個(gè)托盤交換裝置組成。當(dāng)工件加工完畢后，工作臺(tái)橫向移動(dòng)到卸料位置，將裝有加工好的工件托盤移至托盤庫的空位上，然后工作臺(tái)橫移至裝料位置，托盤交換裝置再將待加工的工件移至工作臺(tái)上793.7.3柔性制造的工件與刀具運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)1.柔性制造的工件運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)（1）工件運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)的組成

1）工件裝卸站。工件裝卸站設(shè)在FMS的入口處，通常由人工完成對(duì)毛坯和已加工工件的裝卸

2）托盤緩沖站。由于FMS各加工機(jī)床不會(huì)像剛性自動(dòng)線那樣有完全相等的生產(chǎn)節(jié)拍，因而免不了會(huì)在某些加工單元前產(chǎn)生排隊(duì)現(xiàn)象，為此設(shè)置了托盤緩沖站，起著緩沖物料的作用。

3）自動(dòng)化倉庫。自動(dòng)化倉庫一般采用多層立體布局結(jié)構(gòu)形式，由計(jì)算機(jī)控制。4）物料運(yùn)輸裝置。物料運(yùn)輸裝置直接擔(dān)負(fù)著工件、刀具以及其他物料的運(yùn)輸，包括物料在加工機(jī)床之間、自動(dòng)倉庫與托盤存儲(chǔ)站之間以及托盤存儲(chǔ)站與機(jī)床之間的輸送與搬運(yùn)（2）物料運(yùn)輸基本線路FMS中物料運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)有如下三種基本回路形式：801)直線輸送回路。運(yùn)輸工具沿直線路線單向或雙向移動(dòng)，順序地在各個(gè)連接點(diǎn)停靠。2)環(huán)形輸送回路。運(yùn)輸工具沿環(huán)形路線單向或雙向移動(dòng)，無論沿哪一方向行進(jìn)均可返回到起始點(diǎn)。3)網(wǎng)狀輸送回路。這是由多個(gè)回路相互交叉組成，運(yùn)載工具可以由一個(gè)環(huán)路移動(dòng)到另一回路。（3）自動(dòng)導(dǎo)引小車自動(dòng)導(dǎo)引小車（AutomaticGuidedVehicle，AGV）是一種由計(jì)算機(jī)控制、按照一定程序或軌道自動(dòng)完成運(yùn)輸任務(wù)的運(yùn)輸工具。圖3-44自動(dòng)導(dǎo)引小車

1－托盤裝卸機(jī)構(gòu)2－裝夾工件的托盤

81按導(dǎo)向方法的不同可將AGV分為四種類型。1）有軌小車

一般概念的有軌小車（RailGuidedVehicle，RGV）是通過鋪設(shè)的鐵軌進(jìn)行導(dǎo)向，由小車上的電動(dòng)機(jī)牽引。有軌小車有以下特點(diǎn)：

①其加速過程和移動(dòng)速度都比較快，適合搬運(yùn)重型零件；②行走平穩(wěn)，機(jī)動(dòng)性能比較好，停靠準(zhǔn)確；③控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，制造成本低；2）線導(dǎo)小車

線導(dǎo)小車是利用電磁感應(yīng)制導(dǎo)原理進(jìn)行導(dǎo)向的，如圖3-45所示。

圖3-45電磁引導(dǎo)原理

④控制技術(shù)成熟，可靠性高；⑤缺點(diǎn)是：軌道鋪設(shè)好后不易改動(dòng)，且轉(zhuǎn)彎半徑不能太小。適合近距離直線運(yùn)輸

82線導(dǎo)小車具有下列優(yōu)點(diǎn)：①柔性好

計(jì)算機(jī)可采用不同頻率的交變電流同時(shí)控制多臺(tái)小車運(yùn)行，而每一臺(tái)小車只響應(yīng)一種頻率的信號(hào)。②擴(kuò)展性好當(dāng)需要增加其他加工單元時(shí)，僅需在溝槽內(nèi)再裝入一組導(dǎo)線，操作簡(jiǎn)單，投資較少。③抗干擾性好

導(dǎo)線埋設(shè)在地溝內(nèi)不易被破壞，對(duì)環(huán)境要求不嚴(yán)格3）光導(dǎo)小車這種小車采用光學(xué)導(dǎo)向（圖3-46），發(fā)出的光經(jīng)反光帶反射后由受光器接受，并將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)控制小車的舵輪，使小車沿著繪制的線路運(yùn)行。圖3-46

光學(xué)引導(dǎo)原理834）遙控小車

這種小車沒有傳遞信息的電纜，而是以無線電發(fā)送接收設(shè)備，傳送命令和信息。其活動(dòng)范圍和路線基本上不受限制，故柔性較大。當(dāng)然，其控制系統(tǒng)和操縱機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。目前正處于實(shí)驗(yàn)研究階段。（3）自動(dòng)化倉庫自動(dòng)化倉庫具有以下幾種職能：1）實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)存儲(chǔ)與檢索。2）形成FMS的物料信息網(wǎng)3）支持物料需求計(jì)劃（MRP）的執(zhí)行自動(dòng)化倉庫主要由貨架、堆垛機(jī)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成。圖3-47所示為一自動(dòng)化倉庫的布局示意圖。841－自動(dòng)輸送起重機(jī)；2－自動(dòng)分類貨架；3－托盤收發(fā)站；4－工作安裝準(zhǔn)備站；5—數(shù)控車床；6－刀具預(yù)調(diào)處；7－加工中心；8－檢查室圖3-47自動(dòng)化倉庫851）貨架

貨架是倉庫的主體結(jié)構(gòu)，是存放物料的場(chǎng)所2）堆垛機(jī)

堆垛機(jī)一般由托架、升降臺(tái)、電動(dòng)機(jī)及位置傳感器等組成3）計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)

①物料信息的登錄和識(shí)別②物料自動(dòng)存?、蹅}庫管理

2．柔性制造的刀具運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)