1、第第4章章 柔性自动化制造技术与装备柔性自动化制造技术与装备4.1概述4.1.1制造自动化技术的内涵制造自动化技术的内涵1）在形式上）在形式上 a代替人的体力劳动代替人的体力劳动 b代替或辅助人的脑力劳动代替或辅助人的脑力劳动 c实现制造系统中人、机及整个系统的协实现制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。调、管理、控制和优化。2）在功能上用）在功能上用TQCSE模型描述柔性自动化制模型描述柔性自动化制造技术的目标，分别为造技术的目标，分别为Time、Quality、Cost、Service、Environment.3)在范围方面，柔性自动化涉及到产品的全生在范围方面，柔性自动化涉
2、及到产品的全生命周期的所有过程。命周期的所有过程。4.1.2柔性自动化制造技术发展历程及现柔性自动化制造技术发展历程及现状状1.发展历程发展历程1）第一阶段（）第一阶段（1913年）：刚性自动化，包括刚性年）：刚性自动化，包括刚性自动化和自动单机。自动化和自动单机。2）第二阶段（第二阶段（1930年）：数控加工，包括数控和年）：数控加工，包括数控和计算机数控。计算机数控。3）第三阶段（）第三阶段（1965年）：柔性制造年）：柔性制造4）第四阶段（）第四阶段（1973年）年）:计算机集成制造系统计算机集成制造系统5）第五阶段（）第五阶段（1991年）：智能制造系统年）：智能制造系统2.柔性自动化
3、制造技术的研究现状柔性自动化制造技术的研究现状1）集成技术与系统技术）集成技术与系统技术2）人机一体化系统）人机一体化系统3）单元系统及其技术）单元系统及其技术4）制造过程计划和调度）制造过程计划和调度5）柔性自动化制造技术的深度与广度）柔性自动化制造技术的深度与广度6）适应现代生产模式的制造环境）适应现代生产模式的制造环境7）加工系统的复合化和智能化）加工系统的复合化和智能化3.柔性自动化制造技术的发展趋势柔性自动化制造技术的发展趋势1）制造全球化）制造全球化2）制造敏捷化）制造敏捷化3）制造网络化）制造网络化4）制造虚拟化）制造虚拟化5）制造智能化）制造智能化6）制造绿色化）制造绿色化4.
4、3工业机器人工业机器人1.工业机器人的定义工业机器人的定义 是一种能够自动控制、可以重复编程、多功是一种能够自动控制、可以重复编程、多功能、多自由度的操作机、能够搬运材料、工能、多自由度的操作机、能够搬运材料、工件或操持工具。件或操持工具。操作机定义为操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功具有和人手臂相似的动作功能，可以在空间抓放物体或进行其他操作的能，可以在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置机械装置”在现代制造业的发展中，工业机器人的作用在现代制造业的发展中，工业机器人的作用及其重要性体现在三个方面：机器人化的及其重要性体现在三个方面：机器人化的工序设备和系统工序设备和系统(喷漆、焊装喷漆
5、、焊装)；机器人装；机器人装配设备和系统配设备和系统(汽车装配线汽车装配线)；机器人搬运；机器人搬运设备和系统设备和系统(自动上下料机械手、加工中心自自动上下料机械手、加工中心自动换刀系统动换刀系统)。2工业机器人的基本组成工业机器人的基本组成 工业机器人一般由操作机、驱动单元、控制工业机器人一般由操作机、驱动单元、控制系统三部分组成系统三部分组成3.工业机器人的分类工业机器人的分类工业机器人可按坐标形式、控制方式、驱动工业机器人可按坐标形式、控制方式、驱动方式和用途等进行分类。方式和用途等进行分类。4.3.2 工业机器人的驱动系统与控制系统1工业机器人的驱动系统工业机器人的驱动系统 工业机器
6、人的驱动系统按动力源可分为液压工业机器人的驱动系统按动力源可分为液压驱动、气动驱动和电动驱动三种基本类型。驱动、气动驱动和电动驱动三种基本类型。选用工业机器人驱动系统应根据工业机器人选用工业机器人驱动系统应根据工业机器人的性能要求、控制功能、运行的功耗、应用的性能要求、控制功能、运行的功耗、应用环境及作业要求、性能价格比以及其他因素环境及作业要求、性能价格比以及其他因素进行综合考虑。在充分考虑各种驱动系统特进行综合考虑。在充分考虑各种驱动系统特点的基础上，保证工业机器人的性能规范、点的基础上，保证工业机器人的性能规范、可行性和可靠性。可行性和可靠性。2工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统(
7、1)控制系统的基本功能控制系统的基本功能 控制系统是工业机器人的大脑，其基本功能包括：控制系统是工业机器人的大脑，其基本功能包括：1)记忆功能记忆功能 2)示教功能示教功能 3)与外围设备联系功能与外围设备联系功能 4)坐标设置功能坐标设置功能 5)人机接口人机接口 6)传感器接口传感器接口 7)位置伺服功能位置伺服功能 8)故障诊断与安全保护功能故障诊断与安全保护功能(2)机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成(3)机器人控制系统的分类机器人控制系统的分类机器人控制系统有五种不同的分类方式。机器人控制系统有五种不同的分类方式。1)按控制方式可分为顺序控制、程序控制、自适应按控制方式可分为顺
8、序控制、程序控制、自适应控制和人工智能控制系统。控制和人工智能控制系统。2)按驱动方式可分为液压驱动、气动驱动和电动驱按驱动方式可分为液压驱动、气动驱动和电动驱动控制系统。动控制系统。3)按运动方式可分为点位控制、轨迹控制系统。按运动方式可分为点位控制、轨迹控制系统。4)按控制总线标准可分为国际标准总线控制、自定按控制总线标准可分为国际标准总线控制、自定义总线控制系统。义总线控制系统。5)按编程方式可分为物理设置编程、在线编程以及按编程方式可分为物理设置编程、在线编程以及离线编程控制系统。离线编程控制系统。(4)机器人控制系统的结构机器人控制系统的结构按机器人控制方式可将其系统结构分为三类。按
9、机器人控制方式可将其系统结构分为三类。1)集中控制方式：采用一台计算机实现全部控集中控制方式：采用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展。难以扩展。2)主从控制方式：主从控制方式：采用主从两级处理器实现系统的全部控制功采用主从两级处理器实现系统的全部控制功能，主能，主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动实现所有关节的动作控制。作控制。3)分散控制方式：按系统的性质和方式将系分散控制方式：按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同
10、统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模块之间可以是的控制任务和控制策略，各模块之间可以是主从关系，也是平等关系。这种方式实时性主从关系，也是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，实现智能控制，是目前流行的方式，实现智能控制，是目前流行的方式，4.3.3工业机器人的应用案例工业机器人的应用案例1弧焊机器人弧焊机器人2装配机器人装配机器人3搬运机器人搬运机器人工业机器人工业机器人一汽一汽大众公司焊装车间的机器人大众公司焊装车间的机器人5.其他用途机器人娱乐机器人：机器人演奏家娱乐机器人：机器人演奏家娱乐机器
11、人世界上两个赛事：微机器人世界杯 和机器人世界杯 1999年11月举行首届中国机器人足球锦标赛 服务机器人：清扫机器人服务机器人：清扫机器人保姆机器人保姆机器人军用机器人：机器人战车军用机器人：机器人战车军用侦察机器人军用侦察机器人世界上最轻的机器人世界上最轻的机器人1997年的NASA第一个成功登陆火星的Sojourney实验机人形机器人人形机器人仿人型机器人仿人型机器人 壁虎机器人壁虎机器人 世界上最灵巧的机械手世界上最灵巧的机械手45 柔性制造系统柔性制造系统(FMS)4.5.1 概述概述1FMS的定义的定义美国制造工程师协会的计算机辅助统和应用美国制造工程师协会的计算机辅助统和应用协会
12、把柔性制造系统定义为协会把柔性制造系统定义为:使用计算机控制使用计算机控制柔性工作站和物料运储装置来完成零件族中柔性工作站和物料运储装置来完成零件族中某一工序或一系列工序的一种集成制造统。某一工序或一系列工序的一种集成制造统。“中华人民共和国国家军用标准中华人民共和国国家军用标准”有关有关“武武器装备柔性制造系统术语器装备柔性制造系统术语”的定义是：的定义是：FMS是数控加工设备、物料运储装置和计算是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统。机控制系统组成的自动化制造系统。FMS包包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅
13、速进行调整，适用于多品种、产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中等批量生产。中等批量生产。2FMS的基本组成的基本组成（1）FMS的硬件组成的硬件组成1）加工系统：两台以上数控或加工中心以及）加工系统：两台以上数控或加工中心以及其其 他设备。他设备。2）自动化运输系统：工件和刀具运储系统）自动化运输系统：工件和刀具运储系统3）计算机控制系统）计算机控制系统 （2）FMS的软件组成的软件组成 软件功能：软件功能：FMS的计划调度、运行控制、系的计划调度、运行控制、系统管理和网络通信、质量保证等。统管理和网络通信、质量保证等。3.FMS的主要特征的主要特征1）自动进行批量生产）自动进行批量生产
14、2）通过设置工艺流程及相关参数，便制造出）通过设置工艺流程及相关参数，便制造出相关零件族的任何零件相关零件族的任何零件3）自动进行物料的运输和储存）自动进行物料的运输和储存4）具有多台设备状态下的零件混合化）具有多台设备状态下的零件混合化4.FMS中机床的配置形式中机床的配置形式（1）机床功能互补式）机床功能互补式（2）机床功能互换式）机床功能互换式（3）机床功能混合式）机床功能混合式5.柔性制造系统柔性制造系统FMS的类型的类型柔性制造单元柔性制造单元(FMC)FMC由单台带多托盘系统的加工中心或由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的台以下的CNC机床组成机床组成,具有适应加工多品具有适应
15、加工多品种产品的灵活性。种产品的灵活性。FMC的柔性最高的柔性最高,可视为柔可视为柔性制造系统性制造系统FMS的基本单元的基本单元,是柔性制造系统是柔性制造系统FMS向廉价、小型化方向发展的产物。向廉价、小型化方向发展的产物。FMC问世并应用于生产比问世并应用于生产比FMS晚晚68年年,现已进入现已进入普及应用阶段。普及应用阶段。柔性自动制造线柔性自动制造线(FML)柔性制造线柔性制造线FML是处于非柔性自动线和是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线之间的生产线,对物料系统的柔性要求低对物料系统的柔性要求低于于FMS，但生产效率更高。，但生产效率更高。FML采用的机床采用的机床大多为多轴主轴箱
16、的换箱式或转塔式组合加大多为多轴主轴箱的换箱式或转塔式组合加工中心，能同时或依次加工少量不同的零件。工中心，能同时或依次加工少量不同的零件。FML技术已日趋成熟技术已日趋成熟,进入实用阶段。进入实用阶段。柔性制造工厂柔性制造工厂(FMF)FMF是将多个是将多个FMS连接起来，配置自动连接起来，配置自动化立体仓库，用计算机进行集成控制，实现化立体仓库，用计算机进行集成控制，实现从订货、设计、加工、装配、检验、运送至从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整生产过程。发货的完整生产过程。4.5.2 FMS中的加工系统中的加工系统1.加工系统的配置与要求加工系统的配置与要求 加工回转体与非回转
17、体两大类。加工回转体与非回转体两大类。2.加工系统的遵循原则：加工系统的遵循原则：1）工序的集中性）工序的集中性2）功能的扩展性）功能的扩展性3）刚度、精度和速度）刚度、精度和速度4）运行经济性）运行经济性5）操作性、可靠性和可维修性）操作性、可靠性和可维修性6）自保护和自维护性）自保护和自维护性7）环境的适应性和保护性）环境的适应性和保护性2常用的加工设备常用的加工设备加工中心是一种备有刀库并能按预定程序自加工中心是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。其最大特点是工序集中和自动化数控机床。其最大特点是工序集中和自动
18、化程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。实现高质、高效加工。加工中心按工艺用途可分为镗铣加工中心、加工中心按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。中心及磨削加工中心等。(1)加工中心加工中心 加工中心完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作，加工中心完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作，与普通数控镗床和数控铣床的区别是，加工与普通数控镗床和数控铣床的区别是，加工中心附有刀库和自动换刀装置。中心附
19、有刀库和自动换刀装置。加工中心的刀库类型有链式、盘式和转塔式加工中心的刀库类型有链式、盘式和转塔式等。链式刀库的特点是存刀量多、扩展性好、等。链式刀库的特点是存刀量多、扩展性好、在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。盘式和转塔式刀库的特点是构造简单，适当盘式和转塔式刀库的特点是构造简单，适当选择刀库位置还可省略换刀机械手，但刀库选择刀库位置还可省略换刀机械手，但刀库容量有限。根据用途，加工中心刀库的存刀容量有限。根据用途，加工中心刀库的存刀量可为几把到数百把，最常见的是量可为几把到数百把，最常见的是2080把。把。加工中心的自动换刀装置常采用公用换刀机
20、加工中心的自动换刀装置常采用公用换刀机械手。公用换刀机械手有单臂式、双臂式、械手。公用换刀机械手有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等。回转式和轨道式等。(2)车削加工中心车削加工中心 (3)数控组合机床数控组合机床4.5.3 FMS中的物流系统中的物流系统 在在FMS中流动的物料主要包括工件、刀具、中流动的物料主要包括工件、刀具、夹具、切屑以及切削液。物流系统是夹具、切屑以及切削液。物流系统是FMS从从进口到出口，实现对上述物料自动识别、存进口到出口，实现对上述物料自动识别、存储、分配、输送、交换和管理的系统。由于储、分配、输送、交换和管理的系统。由于工件和刀具的流动频率较高，故工件和刀具的流动
21、频率较高，故FMS中的物中的物流系统主要由工件流系统和刀具流系统两部流系统主要由工件流系统和刀具流系统两部分组成。物流系统主要包括输送装置、交换分组成。物流系统主要包括输送装置、交换装置、缓冲装置和存储装置等基本装置。装置、缓冲装置和存储装置等基本装置。1物流系统的输送装置物流系统的输送装置 (1)对对FMS输送装置的基本要求输送装置的基本要求1)通用性通用性2)变更性变更性3)扩展性扩展性4)灵活性灵活性5)可靠性可靠性6)安全性安全性(2)FMS输送装置的工作路径输送装置的工作路径输送装置的工作路径有直线运行、环线运行输送装置的工作路径有直线运行、环线运行和网线运行三种方式。和网线运行三种方式。（3）FMS输送装置及其分类输送装置及其分类1）输送带）输送带2）自动小车）自动小车2.物流系统的物料装卸与交换装置物流系统的物料装卸与交换装置常见的装卸与交换装置有箱体类零件的托盘常见的装卸与交换装置有箱体类零件的托盘交换器、加工中心的换刀机械手、自动仓库交换器、加工中心的换刀机械手、自动仓库的堆垛机、输送系统与工件装卸站的装卸设的堆垛机、输送系统与工件装卸站的装卸设备等。备等。
