先进制造技术第四章25

第四章 制造自动化技术一 概述二 机床数控技术三 工业机器人四 柔性制造系统第一节 概述一、制造自动化技术内涵一、制造自动化技术内涵 自动化（Automation）是美国通用汽车公司 D.S.Harder先生于 1936年提出来的，其核心含义是“自动地去完成特定的作业”。当时 Harder先生所说的特定作业，是指零件在机器之间转移的自动搬运，自动化功能目标是代替人的体力劳动。随着技术的进步，自动化的功能目标在不断地随着自动化手段的提高、时代的进步而变化。在计算机用于自动化之前，自动化的功能目标是以省力为主要目的，以代替人的体力劳动。随着计算机和信息技术的发展，计算机和信息技术作为自动化技术的重要手段，使自动化的视野大大扩展，自动化的功能目标不再仅仅是代替人的体力劳动，而且还须代替人的部分脑力劳动。在“狭义制造狭义制造”概念下，制造自动化的含义是生产车间内产品的机械加工和装配检验过程的自动化，包括切削加工自动化、工件装卸自动化、工件储运自动化、零件与产品清洁及检验自动化、断屑与排屑自动化、装配自动化、机器故障诊断自动化等。在“广义制造广义制造”概念下，制造自动化则包含了产品设计自动化、企业管理自动化、加工过程自动化和质量控制自动化等产品制造全过程以及各个环节综合集成自动化，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时、洁净的目标。制造自动化促使制造业逐渐由劳动密集型产业向技术密集型和知识密集型产业转变。制造自动化技术是制造业发展的重要标志，代表着先进制造技术的水平，也体现了一个国家科技水平的高低。采用制造自动化技术不仅显著地提高劳动生产率、大幅度提高产品质量、降低制造成本、提高经济效益，还有效地改善劳动条件、提高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的发展，大大提高企业的市场竞争能力。二、制造自动化技术的兴起制造自动化技术的兴起及现状及现状19世纪末期，机械化生产开始出现；20世纪中叶，自动化车床开始出现；1947年，第一个机械加工自动线在美国福特汽车公司投产；20世纪50年代柔性自动化生产开始出现（以数控车床为代表）20世纪70年代诞生了柔性制造系统；20世纪80年代开始出现了计算机集成制造系统。回顾历史，可将制造自动化的发展分为 刚性自刚性自动化动化、柔性自动化柔性自动化和综合自动化综合自动化三个发展阶段。刚性自动化刚性自动化在半自动和自动机床、组合机床、组合机床自动线出现，解决了单一品种大批量生产自动化问题特点是生产效率高、加工品种单一。20世纪 50年代达到了顶峰。柔性自动化柔性自动化为满足多品种小批量甚至单件生产自动化的需要，出现了一系列柔性制造自动化技术:如数控技术（NC）、计算机数控（CNC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）等。综合自动化综合自动化随着计算机及其应用技术的迅速发展，各项单元自动化技术的逐渐成熟，为充分利用资源，发挥综合效益自 20世纪 80年代以来以计算机为中心的综合自动化得到了发展，如计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）等模式得到了发展和应用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 制造系统中的集成技术和系统技术已成为研究热点 更加注重制造自动化系统中人因作用的研究 数控单元系统的研究占有重要位置 制造过程的计划和调度研究十分活跃 柔性制造技术的研究向着深度和广度发展 现代生产模式制造环境的研究正在兴起 底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃三、制造自动化技术的发展趋势三、制造自动化技术的发展趋势纵观新世纪的制造自动化技术发展趋势，可用六化来概括，即敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、全球化、绿色化敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、全球化、绿色化。1 制造敏捷化制造敏捷化敏捷化制造环境和制造过程是新世纪制造活动的必然趋势，其核心是使企业对面临市场竞争作出快速响应，利用企业内外各方面的优势，形成动态联盟，缩短产品开发周期，尽快抢占市场。2 制造网络化制造网络化 基于 Internet的制造已成为当今制造业的重要发展趋势，包括企业制造环境的网络化和企业与企业之间的网络化。通过制造环境的网络化，实现制造过程的集成，实现企业的经营管理、工程设计和制造控制等各子系统的集成通过企业与企业间的网络化，可实现异地制造、远程协调作业。3 制造虚拟化制造虚拟化 包括设计过程的拟实技术和加工制造过程的虚拟技术。拟实技术是面向产品的结构和性能的分析，以优化产品本身性能和成本为目标；虚拟技术是面向产品生产过程的模拟和检验，检验产品的可加工性、加工工艺的合理性。制造虚拟化的核心是计算机仿真，通过仿真来模拟真实系统，发现设计与生产中可避免的缺陷和错误，保证产品的制造过程一次成功。4 制造智能化制造智能化 智能制造技术的宗旨在于扩大、延伸以及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。智能制造包含智能计算机、智能机器人、智能加工设备、智能生产线等。智能制造系统是制造系统发展的最高阶段，即从柔性制造系统、集成制造系统向智能制造系统发展。5 制造全球化制造全球化 制造网络化和敏捷化策略的实施，促进了制造全球化的研究和发展。包括市场的国际化，目前产品销售的全球网络正在形成；产品设计和开发的国际合作及产品制造的跨国化；制造企业在世界范围内的重组与集成，制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利用；全球制造的体系结构将会形成。6 制造绿色化制造绿色化 制造业是创造人类财富的支柱产业，但同时又是环境污染的主要源第二节第二节 机床数控技术机床数控技术一、机床数控系统一、机床数控系统1、机床数控系统的组成及功能原理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系统的组成原理2、数控系统的硬件结构数控系统从硬件结构上可分为单单CPUCPU结构、多结构、多CPUCPU结构、直接采用结构、直接采用PCPC计算机的系统结构计算机的系统结构。单单CPUCPU结构结构：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多CPUCPU结构结构：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 直接采用直接采用PCPC计算机的系统结构计算机的系统结构：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3、数控系统的软件组成4、开放式数控系统数控系统越来越广泛的应用到各种控制领域，同时也不断地对数控系统软件硬件提出了新的要求其中较为突出的是要求系统具有开放性开放性，以满足CNC系统快速发展和用户自主开发需要实现基于PC微机开放式数控系统有如下三种途径：专用数控嵌入专用数控嵌入PCPC主板主板 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。PCPC机机+运动控制卡运动控制卡 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。纯纯PCPC软件型软件型 尚未形成商品，代表数控系统发展方向二、机床伺服系统二、机床伺服系统1、机床进给伺服系统一般是由位置控制单元、速度控制单元、伺服电机、置控制单元、速度控制单元、伺服电机、检测单元检测单元四部分组成，通常将位置控制单元与数控装置做在一起，习惯上所称的伺服单元或驱动单元仅包含速度控制单元。机床伺服系统的分类:按照私服系统的结构特点分为：开环系统、闭环系统、半闭环系统、混合闭环系统。应用最广泛的是半闭环结构按照驱动电机分为：步进伺服、直流伺服、交流伺服半闭环控制系统半闭环控制系统目前交流伺服系统的交流电机主要采用异步电动机异步电动机和永磁同步电动机永磁同步电动机两种。异步电动机异步电动机 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有模拟式模拟式和数字式数字式之分。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、脉冲编码器旋转变压器、脉冲编码器等旋转变压器是一种输出的电压与角位移量成连续函数关系的感应式微型电动机。脉冲编码器是机床上应用最多的传感器，可分为增量式、绝对式、混合式三种，其中增量式较为普遍。三、数控加工编程技术三、数控加工编程技术1、数控加工编程一般步骤，数控加工编程就是将零件的工艺过程、工艺参数、刀具位移量、位移方向以及其他辅助动作按照运动顺序和所用数控系统规定得坐标系和指令代码及格式来编程加工程序单，经校核、试切无误后制备在储存介质上，然后再由相应的阅读器将程序输入数控装置，从而控制数控设备的运行。一般可分为工艺处理、数值计算、编制零件加工程序单、输入数控程序、程序校验。手工编程只能编制那些几何形状不复杂、计算量不是很大、加工程序不多的简单零件，对于一些复杂零件，如带有非圆曲面、自由曲面的轮廓、模具型腔等，手工编程则变得极为困难。2、计算机辅助数控加工编程、计算机辅助数控加工编程快速而准确的编制数控加工程序就成为数控技术发展和应用中德一个重要环节，计算机辅助数控加工编程技术正是针对这一问题而产生和发展起来的。计算机辅助数控数控加工程序分为两种不同的形式：一是借助于数控语言进行自动编程数控语言进行自动编程，二是利用CAD/CAM软件工具完成数控加工程序软件工具完成数控加工程序的编制。与数控语言自动编程比较，利用CAD/CAM软件系统进行数控编程具有以下特点：将零件数控加工编程过程中的几何造型、刀位计算、图形显示和后置处理等作业过程结合在一起，有效解决了编程的数据来源、图形显示、加工模拟和交互修改问题。编程是在计算机上直接面向零件的三维实体图形进行，不需要用户编制零件加工源程序，用户界面友好，使用简洁、直观、准确，便于检查。有利于实现系统的集成，不仅能够实现产品的设计与数控编程的集合，还便于工艺设计、刀具量具设计等其他生产过程的集成。CAD/CAM系统数控编程，它是利用CAD造型所生成的三维几何实体，采用人机交互的方式、有操作者在计算机屏幕上指定三维实体被加工的部位，输入适合的切削参数和刀具参数，交互选择走刀方式，然后由系统自动进行刀具轨迹计算和处理，生成刀为位文件。计算机辅助数控编程四、机床数控技术发展趋势四、机床数控技术发展趋势从三个方面讨论机床数控技术的发展趋势性能发展方面性能发展方面1 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0.01m2 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3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4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数控系统功能方面数控系统功能方面1 用户界面图形化 方便了用户，便于编程和图形模拟2 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3 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4 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1 集成化 高度集成化芯片，提高数控系统集成度；2 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；3 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；4 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。