1、第二章 制造自动化技术 2.1 制造自动化技术概述2.2 CAD/CAM集成2.3 机床数控技术2.4 计算机集成制造2.5 柔性制造技术（FMS）2.1 制造自动化技术概论制造自动化技术概论 第一节 制造自动化技术概述 2.1.1 制造自动化技术内涵 2.1.2 制造自动化技术的发展及现状 2.1.3 制造自动化技术发展趋势2.1.1 制造自动化技术内涵自动化：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 2.1.2 制造自动化技术的发
2、展及现状刚性自动化 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。 当前制造自动化技术研究领域和方向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
3、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。2.1.3 制造自动化技术发展趋势第二节 CAD/CAM集成2.2.1 CAD/CAM的概述2.2.2 计算机辅助工艺规程设计（CAPP）2.2.3 CAD/CAM系统的组成2.2.4 CA
4、D/CAM系统在CIMS中的地位2.2.5 CAD/CAM系统集成方法2.2.6 CAD/CAM系统集成的关键技术一一 计算机辅助设计与制造CAD/CAM 1 1、计算机辅助设计、计算机辅助设计CAD概述概述 计算机辅助设计（Computer Aided Design）简称CAD，是在计算机硬件与软件的支撑下，通过对产品的描述、造型、系统分析、优化、仿真和图形处理的研究，使计算机辅助完成产品的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产品图形。 CAD的作业内容:建立产品设计数据库、建立多功能图形库、建立应用程序库。CAD系统的类型：1检索型CAD系统、2派生型CAD系统、3交互型CAD系统、4智
5、能型CAD系统。2 2、计算机辅助制造、计算机辅助制造CACAM的概述的概述计算机辅助制造（计算机辅助制造（Computer Aided ManufacturingComputer Aided Manufacturing），简称），简称CAMCAM，是指，是指计算机在产品制造方面有关应用的统称。可分为广义计算机在产品制造方面有关应用的统称。可分为广义CAMCAM和狭义和狭义CAMCAM。 计算机辅助制造计算机辅助制造CACAM的概述（续）的概述（续） 广义CAM是指应用计算机去完成与制造系统有关的生产准备和生产过程等方面的工作。如图14-1所示。 狭义CAM常指工艺准备或其中的某个活动应用计算
6、机辅助工作。如数控程序编制。 计算机辅助制造计算机辅助制造CACAM的概述（续）的概述（续）CAM的直接应用：1物流运行控制、2生产控制、3质量控制。 CAM的间接应用 ：1计算机辅助工艺过程设计、2计算机辅助数控程序编制 、3计算机辅助工装设计 、4计算机辅助作业计划 。三、三、CAD/CAM集成系统集成系统 CAD/CAM集成技术是利用计算机帮助人完成设计与制造的新技术。是将集成技术是利用计算机帮助人完成设计与制造的新技术。是将传统的设计与制造彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发，传统的设计与制造彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发，实现信息处理的一体化。实现信息处理的一体化。
7、CAM所需的信息和数据很多来自于CAD，也有许多数据和信息对CAD和CAM来说是共享的。实践证明，CAD的效率最终也多半是通过CAM体现出来的，将CAD和CAM作为一个整体来规划和开发，使这两个不同的功能模块的数据和信息相互传递和共享，这就是所谓的CAD/CAM集成系统。理想的CAD/CAM集成系统如图所示。 第二节 计算机辅助工艺规程设计（CAPP） 一、计算机辅助工艺规程设计的基本原理一、计算机辅助工艺规程设计的基本原理计算机辅助工艺规程设计（Computer Aided Process P1anning），简称CAPP，它是使用计算机来编制零件的机械加工工艺规程，能缩短生产准备时间，促进
8、工艺规程的标准化和最优化，并且还是连接计算机辅助设计与计算机辅助制造的纽带，在机械制造的高度自动化中起重要作用。按其工作原理可分为三大类型：派生型、生成型及知识基系统。 派生式CAPP系统 ：派生式工艺设计系统的工作原理是根据相似的零件具有相似的工艺过程，通过对相似零件的工艺检索，并加以筛选而编辑成一个待加工零件的工艺规程。派生式CAPP系统工作原理框图见下图。CAD 计算机绘图、有限元分析、产品造型、图像分析处理、优化设计、动态分析与仿真、物料清单（BOM）生成等； CAPP 毛坯设计、工艺方法选择、工序设计、工艺路线制定、工时定额计算等； CAM 刀具路径确定、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、
9、NC代码的生成等作业。第三节 CAD/CAM系统的组成新一代新一代CAD/CAM集成体系结构如下图所示，整集成体系结构如下图所示，整个系统分三个层次：个系统分三个层次：产品数据管理层、基本功能产品数据管理层、基本功能层、应用系统层。层、应用系统层。涉及到的软件有系统软件、管理软件、支撑软件、涉及到的软件有系统软件、管理软件、支撑软件、应用软件。应用软件。应用应用系统层系统层基本基本功能层功能层产品数据产品数据管理层管理层设计工艺规程设计数控编程分析几何造型特征造型尺寸公差处理图形编辑显示数据库管理系统系统转换器数据库内存工作格式文件工作格式管理模块STEP文件第四节CAD/CAM系统在CIMS
10、中的地位对一个制造企业来说，设计和制造部门是重要的技术部门，从信息流的角度看，设计部门向经营决策部门提供产品性能、设计和制造信息，向管理及质检部门提供产品结构、工艺过程、资源需求和检验信息，向制造车间提供工艺和加工信息。 CAD/CAM /CAPP集成系统是CIMS的重要组成部分，实现CAD/CAM /CAPP的信息是实现CIMS的基础和核心。第五节 CAD/CAM系统集成方法信息集成是CAD/CAM /CAPP集成的核心，主要有三种实现方法。1.通过专用格式文件的集成方法2.通过标准格式文件的集成方法3.利用公共工程数据库进行系统的集成第六节 CAD/CAM系统集成的关键技术1.产品建模技术
11、基于特征的产品定义模型2.集成的数据管理技术3.产品数据交换接口技术4.集成的执行控制程序第二节 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4.2.1 机床数控系统 数控技术数控技术 ：指用：指用数字化信号数字化信号对设备运行及其加对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术。数控技术是工过程进行控制的一种自动化技术。数控技术是实现实现制造过程自动化的基础制造过程自动化的基础，是，是自动化柔性系统的核心自动化柔性系统的核心，是是现代集成制造系统的重要组成部分。现代集成制造系统的重要组成部分。机床数控系统的组
12、成及功能机床数控系统的组成及功能CNCCNC系统组成：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：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、刀具长度、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。数控系统的硬件结构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
13、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。 数控系统的软件组成数控系统的软件组成组成：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 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
14、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计算机辅助数控编程 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 工业机器人的应用4.3.1 4.3.1 工业机
15、器人工业机器人1. 1. 工业机器人的定义工业机器人的定义1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制、可以重复编程、多功能、多自由度的操作机。” 工业机器人(通用及专用)一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作。如汽车制造、摩托车制造、舰船制造，某些家电产品(电视机、电冰箱、洗衣机)、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配，以及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。下图分别示出了搬运机器人、涂料机器人和焊接机器人。 图 机器人(a) 搬运机器人；(b) 涂料机器人；(c) 焊接机器人 2. 2. 工业机器人的组成工
16、业机器人的组成如图4-9所示，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。 (1) (1) 执行机构。执行机构是一种具有和人手相似的动作功能，可执行机构。执行机构是一种具有和人手相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其它操作的机械装置，通常包括如下一些部件：在空间抓放物体或执行其它操作的机械装置，通常包括如下一些部件：手部手部：又称：又称抓取机构或夹持器抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。此外，用于直接抓取工件或工具。此外，在手部安装的某些专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器在手部安装的某些专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器等，可视为专用
17、的特殊手部。等，可视为专用的特殊手部。腕部腕部：是连接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。：是连接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。手臂手臂：是支承手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成，用以：是支承手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成，用以承受工件或工具的负荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们送至承受工件或工具的负荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们送至预定的位置。预定的位置。 机身机身：支撑臂部部件，扩大臂部活动和作业范围：支撑臂部部件，扩大臂部活动和作业范围(2) (2) 控制系统控制系统。控制系统是机器人的大脑，支配着机器人。控制系统是机器人的大脑，支配着机器人
18、按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息( (如动作顺序、如动作顺序、运动轨迹、运动速度等运动轨迹、运动速度等) )，同时按其控制系统的信息对执行机，同时按其控制系统的信息对执行机构发出执行指令。构发出执行指令。(3) (3) 驱动系统。驱动系统是按照控制系统发来的控制指令驱动系统。驱动系统是按照控制系统发来的控制指令进行信息放大，驱动执行机构运动的传动装置，常用的有液压、进行信息放大，驱动执行机构运动的传动装置，常用的有液压、气压、电气和机械等四种传动形式。气压、电气和机械等四种传动形式。(4) (4) 位置检测装置。位置检测装置通过力、位置、触觉
19、、位置检测装置。位置检测装置通过力、位置、触觉、视觉等传感器检测机器人的运动位置和工作状态，并随时反馈视觉等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，以便使执行机构以一定的精度达到设定的位置。给控制系统，以便使执行机构以一定的精度达到设定的位置。 机座及行走机构机座及行走机构：机器人基础件，确定或改变机器人位置：机器人基础件，确定或改变机器人位置3. 3. 工业机器人的分类工业机器人的分类1) 1) 按系统功能分类按系统功能分类(1) (1) 专用机器人专用机器人：在固定地点以固定程序工作的机器人。：在固定地点以固定程序工作的机器人。其结构简单，无独立控制系统，造价低廉，如附
20、设在加工中心其结构简单，无独立控制系统，造价低廉，如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手。机床上的自动换刀机械手。(2) (2) 通用机器人通用机器人：具有独立控制系统，通过改变控制程序：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。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) (3) 示教再现式机器人示教再现式机器人：具有记忆功能，在操作者的示教：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
21、示操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。教作业。(4) 智能机器人智能机器人：采用计算机控制，具有视觉、听觉、触：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机器人，通过比较和识别，能自觉等多种感觉功能和识别功能机器人，通过比较和识别，能自主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。 2) 2) 按驱动方式分类按驱动方式分类(1) (1) 气压传动机器人气压传动机器人：以：以压缩空气压缩空气作为动力源驱动执行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、成本低廉的机构运动的机器人，
22、具有动作迅速、结构简单、成本低廉的特点，适用于高速轻载、高温和粉尘大的作业环境。特点，适用于高速轻载、高温和粉尘大的作业环境。(2) (2) 液压传动机器人液压传动机器人：采用：采用液压元器件液压元器件驱动，具有负载驱动，具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于重能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于重载或低速驱动场合。载或低速驱动场合。(3) 电气传动机器人电气传动机器人：用：用交流或直流伺服电动机交流或直流伺服电动机驱动的机驱动的机器人，不需要中间转换机构，机械结构简单，响应速度快，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
23、机器人传动方式。控制精度高，是近年来常用的机器人传动方式。 3）按结构形式分直角坐标工业机器人直角坐标工业机器人只具有移动关节。圆柱坐标工业机器人圆柱坐标工业机器人 具有一个转动关节、其余为移动关节的机器人。球坐标型工业机器人球坐标型工业机器人 具有两个转动关节、其余为移动关节的机器人。关节型工业机器人关节型工业机器人 具有三个转动关节的机器人称为关节型机器人。4. 4. 工业机器人的性能特征工业机器人的性能特征工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性。工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性。在设计和选用机器人时应考虑如下几个性能指标：在设计和选用机器人时应考虑如下几个性
24、能指标：(1) (1) 自由度自由度。自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。所谓所谓自由度自由度，是指，是指运动件运动件相对于相对于固定坐标系固定坐标系所具有的独立运动。所具有的独立运动。每个自由度需要一个伺服轴进行驱动每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，因而自由度数越高，机，因而自由度数越高，机器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但相应地带来的技术困难也越大。一般情况下，通用工业机器但相应地带来的技术困难也越大。一般情况下，通用工业机器人有人有3 36 6个自由度。个自由度。 (2)
25、(2) 工作空间工作空间。工作空间是指。工作空间是指机器人机器人应用应用手爪进手爪进行工作的行工作的空间范围。机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个空间范围。机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。图关节的运动范围。图4-104-10中分别画出了各类机器人的工作空间，中分别画出了各类机器人的工作空间，其中直角坐标机器人的工作空间是一个矩形空间，圆柱坐标机其中直角坐标机器人的工作空间是一个矩形空间，圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱体，而球坐标机器人的工作空间是一器人的工作空间是一圆柱体，而球坐标机器人的工作空间是一个球体。个球体。(3) (3) 提取重力提取重力。机器人
26、提取的重力是反映其负载能力的一。机器人提取的重力是反映其负载能力的一个参数，根据提取重力的不同，可将机器人大致分为：个参数，根据提取重力的不同，可将机器人大致分为： 微微型机器人，提取重力在型机器人，提取重力在10 N以下；以下； 小型机器人，提取重力小型机器人，提取重力为为1050 N； 中型机器人，提取重力为中型机器人，提取重力为50300 N； 大型大型机器人，提取重力为机器人，提取重力为300500 N； 重型机器人，提取重力重型机器人，提取重力在在500 N以上。目前实际应用机器人一般为中、小型机器人。以上。目前实际应用机器人一般为中、小型机器人。 工业机器人的基本结构形式和工作空间
27、工业机器人的基本结构形式和工作空间(a) 直角坐标机器人；直角坐标机器人；(b) 圆坐标机器人；圆坐标机器人；(c) 球坐标机器人；球坐标机器人；(d) 关节机器人关节机器人 (4) (4) 运动速度运动速度。运动速度影响机器人的工作效率，它与。运动速度影响机器人的工作效率，它与机机器人所提取的重力器人所提取的重力和和位置精度位置精度均有密切的关系。运动速度高，均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将在加减速时承受较大的惯性机器人所承受的动载荷增大，必将在加减速时承受较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。就目前的技术水平力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。就目前的
28、技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000 mm/s1000 mm/s以下。以下。(5) 位置精度位置精度。位置精度是衡量机器人工作质量的又一技。位置精度是衡量机器人工作质量的又一技术指标。术指标。位置精度的高低位置精度的高低取决于取决于位置控制方式位置控制方式以及以及机器人运动机器人运动部件本身的精度和刚度部件本身的精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。有密切的关系。 4.3.2 4.3.2 工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统1) 1) 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成机
29、器人控制系统的组成如图机器人控制系统的组成如图4-14所示。所示。 (1) (1) 控制计算机控制计算机：控制系统的调度指挥机构，一般为微型：控制系统的调度指挥机构，一般为微型机，微处理器有机，微处理器有3232位、位、6464位等，如奔腾系列位等，如奔腾系列CPU以及其他类型以及其他类型的的CPU。 (2) 示教盒示教盒：设定示教机器人的工作轨迹和参数以及所有：设定示教机器人的工作轨迹和参数以及所有人机交互操作，拥有自己独立的人机交互操作，拥有自己独立的CPU及存储单元，与主计算机及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。之间以串行通信方式实现信息交互。 (3) (3) 操作面板
30、操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本操作功能。完成基本操作功能。(4) (4) 存储设备存储设备：存储机器人工作程序的外围存储器，分：存储机器人工作程序的外围存储器，分为硬盘和软盘两大类。为硬盘和软盘两大类。(5) (5) 数字和模拟量输入输出数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输：各种状态和控制命令的输入或输出设备。入或输出设备。(6) (6) 打印机接口打印机接口：记录需要输出的各种信息。：记录需要输出的各种信息。(7) 传感器接口传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔性：用于信息的自动检测，实现机器人柔性控制，一般为力觉、触
31、觉和视觉传感器。控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 (8) (8) 轴控制器轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度：完成机器人各关节位置、速度和加速度的控制。的控制。(9) (9) 辅助控制设备辅助控制设备：用于配合机器人工作的辅助控制设：用于配合机器人工作的辅助控制设备，如手爪变位器等。备，如手爪变位器等。(10) (10) 通信接口通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一：实现机器人和其他设备的信息交换，一般分为串行接口和并行接口。般分为串行接口和并行接口。(11) 网络接口网络接口：通过网络连接实现更多扩展功能。：通过网络连接实现更多扩展功能。 工业机器人控制系统的组成框图工
32、业机器人控制系统的组成框图 2 2）工业机器人控制系统的分类工业机器人控制系统的分类按控制回路：按控制回路：开环系统和闭环系统开环系统和闭环系统按控制硬件：按控制硬件：机械控制、液压控制、顺序控制和计算机控制机械控制、液压控制、顺序控制和计算机控制按自动化程度：按自动化程度：顺序控制、程序控制、自适应控制、智能控顺序控制、程序控制、自适应控制、智能控制制按编程方式：按编程方式： 物理设置编程物理设置编程- -由设置固定限位开关，实现启动由设置固定限位开关，实现启动/ /停机操作停机操作 示教编程示教编程- -示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程 离线编程
33、离线编程- -通过机器人语言进行编程控制通过机器人语言进行编程控制按控制轨迹按控制轨迹： 点位控制点位控制- -不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标 精确控制精确控制 轮廓控制轮廓控制- -按离散点坐标及速度完成轮廓控制按离散点坐标及速度完成轮廓控制3 3）工业机器人的位置伺服控制）工业机器人的位置伺服控制刚性臂控制系统的构成 位置伺服控制类型：位置伺服控制类型： 关节伺服控制关节伺服控制-以每个关节作为单输入以每个关节作为单输入/单输出系统；单输出系统； 坐标伺服控制坐标伺服控制-以手臂末端位置矢量作为控制目标值以手臂末端位置矢量作为控制目标值
34、。关节伺服控制关节伺服控制 关节伺服控制的构成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4.3.3 工业机器人的编程技术1)1)示教编程示教编程示教阶段: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。2)2)离线编程离线编程3)3)机器人编程语言机器人
35、编程语言动作级语言动作级语言 每一个命令对应一个动作，语句格式为：每一个命令对应一个动作，语句格式为： MOVE TO MOVE TO 语句简单，易于编程；不能进行复杂计算，通信能力差，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：代表性语言：VAL VAL 。对象级语言对象级语言 有与动作语言类似功能，能处理传感器信息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；通信和数字运算功能强，代表性语言有AMLAML、AUTOPASSAUTOPASS。任务级语言任务级语言 操作者直接下命令，不需要规定机器人每个操作者直接下命令，不需要规定机器人每个动作细
36、节，自动推理规划，自动生成机器人的动作。动作细节，自动推理规划，自动生成机器人的动作。4.3.44.3.4工业机器人的应用工业机器人的应用1) 1) 在摩托车行业中的应用在摩托车行业中的应用海南新大洲摩托车厂用海南新大洲摩托车厂用4 4台弧焊机器人工作站完成新大洲台弧焊机器人工作站完成新大洲5050系列摩托车的车架焊接。该生产线自系列摩托车的车架焊接。该生产线自19981998年年3 3月投入运行以月投入运行以来，运行良好，性能稳定。来，运行良好，性能稳定。南京金城机械有限公司在其南京金城机械有限公司在其125-7D车架的生产线上使用车架的生产线上使用了了7台机器人用于焊接和切割，提高了产品的
37、一致性。台机器人用于焊接和切割，提高了产品的一致性。 2) 在电子、家电行业中的应用机器人的应用改变了韵声集团八音琴全靠手工装配的历史，提高了企业形象，积累了经验，培养了人才，为企业的下一步发展打下了基础。3) 在石化行业中的应用哈工大博实公司自主开发的“自动包装机器人码垛生产线”应用于大庆石化公司10万吨/年聚丙烯生产装置，全线实现了自动运行，动作平稳可靠，运行速度快，称重精度高，缝口位置准确，码垛垛形整齐。 4) 在采矿业中的应用采矿业是一种劳动条件相当恶劣的生产行业，根据井下作业的特殊条件和特点，机器人主要应用在以下几个方面：(1) 特殊煤层采掘机器人。目前，一般煤矿都用综合机械化采煤机
38、采煤，但对于薄煤层这类特殊情况，运用综合机械化采煤机采煤就很不方便，有时甚至是不可能的，而人工采煤作业又十分艰苦和危险，但如果舍弃薄煤层，又会造成资源的极大浪费。因此，采用遥控机器人进行特殊煤层的采掘是最佳的方法。这种采掘机器人应该能拿起各种工具，比如高速转机、电动机和其它采爆器械等，并且能操作这些工具。这种机器人的肩部应装有强光源和视觉传感器，这样能及时将采区前方的情况传送给操作人员。 (2) 凿岩机器人。这种机器人可以利用传感器来确定巷道的上缘，这样就可以自动瞄准巷道缝，然后把钻头按规定的间隔布置好，钻孔过程用微机控制，随时根据岩石硬度调整钻头的转速、力的大小以及钻孔的形状，这样可以大大提
39、高生产率，人只要在安全的地方监视整个作业过程就行了。(3) 井下喷浆机器人。井下喷浆作业是一项繁重且危害人体健康的作业，目前这种作业主要由人操作机械装置来完成，缺陷很多。采用喷浆机器人不仅可以提高喷涂质量，也可以将人从恶劣和繁重的作业环境中解放出来。 (4) 瓦斯、地压检测机器人。瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素，一旦发生突然事故，则相当危险，后果十分严重。瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前都会表现出种种迹象，如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动式机器人连续监视采矿状态，可以及早发现突发事故的先兆，采取相应的预防措施。此外，在食品工业、核工业等行业中也已经开始广泛使用机器人
40、来代替一些手工作业。 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4.4.1 柔性制造系统基本概念柔性制造系统基本概念1 1FMSFMS的产生和发展的产生和发展柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)是为解决多品种、中小批量生产中生产效率低、周期长、成本高及质量差等问题而出现的。它是集数控技术、计算机技术、机器人技术及现代生产管理技术为一体的现代制造技术。随着社会经济的发展和科技水平的提高，柔性自动化制造技术得到了迅速的
41、发展。2.FMS定义和组成定义和组成定义：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。3.FMS3.FMS的特点的特点 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
42、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。4.FMS适用范围适用范围不同类型的柔性制造设备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
43、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4.4.2 FMS的加工系统1. 加工系统的功能与要求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。2.2.加工系统常用配置形式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
44、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 3.3.加工系统的辅助装置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
45、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-托盘定位面往复式托盘交换器 4.4.3 FMS的工件运储系统1.FMS1.FMS工件运储系统组成工件运储系统组成 工件运储系统工件运储系统，是柔性制造系统的一个重要组成部分。，是柔性制造系统的一个重要组成部分。一个工件从毛坯到成品的整个生产过程中，只有相当小的一一个工件从毛坯到成品的整个生产过程中，只有相当小的一部分时间在机床上进行切削加工，大部分时间都消耗于物料部分时间在机床上
46、进行切削加工，大部分时间都消耗于物料的储运过程中。合理地选择的储运过程中。合理地选择FMS的物料储运系统，可以大大的物料储运系统，可以大大减少物料的运送时间，提高整个制造系统的柔性和效率。减少物料的运送时间，提高整个制造系统的柔性和效率。 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。 2 FMS2
47、 FMS物料输送基本回路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。3.运输小车（1）运输小车的结构结构：车体安装平台托盘交换装置蓄电池控制系统(2)(2)自动运输小车导向自动运输小车导向 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
48、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 4.4.自动化仓库自动化仓库 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 1. 高层货架（高层货架（High-rise Rack） 由于传统平面仓储方式占地面积大，空间利用率底，货品取放不便，现在高由于传统平面仓储方式占地面积大，空间利用率底，货品取放不便，现在高层货架已经成为仓库的
49、主体和标志。层货架已经成为仓库的主体和标志。 （1）单元式货架）单元式货架 货架沿长度方向分若干列，货架沿长度方向分若干列，沿宽度方向分若干排，沿高度沿宽度方向分若干排，沿高度方向分若干层。货架的每一个方向分若干层。货架的每一个货位可以用唯一的坐标确定。货位可以用唯一的坐标确定。 （2）贯通式货架 货架沿宽度方向将几排货贺并到一起，且每层货架的横梁适当倾斜，货物从高端入库。 （3）旋转式货架 货架的每一层可以绕垂直轴在水平面内回转。 （4）悬臂式货架 沿货架长度方向在立柱或货架片上联结悬臂短梁，用于存储长大物品。 2. 巷道堆垛机（巷道堆垛机（narrow-aside stacker cran
50、e） 堆垛机是立体仓库的主要作业机械，是一种专用起重机。堆垛机是立体仓库的主要作业机械，是一种专用起重机。 （1）巷道堆垛机分类按结构形式分单立柱型双主柱型由一根立柱和上、下横梁组成自重较轻、刚性较差由两根立柱和上、下横梁组成刚性好但自重较单立柱大按支承形式分地面支承型悬挂型由地面上的轨道支承,下部驱动上部设有水平导向轮悬挂于屋架下的吊轨上,上部驱动下部设有导向轮货架支承型支承于货格顶部的轨道上,上部驱动下部设有导向轮按作业方式分单元型拣选型以整个货箱为单元出/入库能实现自动控制由人工拣货出库多为手动或半自动化控制 （2）巷道堆垛机的组成堆垛机起升机构运行机构货叉伸缩机构金属结构载货台是堆垛机
