机械制造自动化课件

机械制造自动化周水琴7/30/2005机械制造自动化周水琴1考核知识点v自动化的含义、机械制造自动化的目的v三种形式自动化的特点和适用场合v机械制造自动化包括的主要技术方面v实现机械制造自动化的步骤和关键v物流概念、基本功能和主要的物流自动化设备v信息、信息流的概念和基本功能、信息的存储设备vCIMS的概念和主要功能模块的组成vNC机床的加工原理与工作过程v数控程序的编制过程与方法vCNC装置的硬件结构及主要功能vMC、DNC、FMC、FTL、FMS的结构特征与特点v工业机器人，AGV的结构特点考核知识点自动化的含义、机械制造自动化的目的2自动化相关概念v自动化：实现作业过程的主动完成而无需或只需极少的人工参与v自动化目的：省人、省力；提高质量，降低成本；缩短开发生产周期，提高市场竞争力v三种形式：刚性自动化、柔性自动化、综合自动化v实施原则：自上而下规划和自下而上实施，追求技术先进同时，不忘讲究经济实效自动化相关概念自动化：实现作业过程的主动完成而无需或只需极少3三种自动化方式比较生产比较自动化方式项目刚性自动化柔性自动化综合自动化自动化目的省人、省力；提高质量，降低成本省人、省力；提高质量，降低成本；缩短制造周期省人、省力；提高质量，降低成本；提高工作效率和快速响应市场的能力自动化对象加工设备、工装、器械和物流加工设备、工装、器械、物流、信息加工设备、工装、器械、物流、信息流技术特点以机、电、液、气等硬件控制方式实现，变动困难，灵活性差以硬件为基础，数控软件为支持，通过改变程序软件来适应所需的控制，故具较大柔性，且易于变动以设计、制造过程自动化为基础，以计算机和网络通讯技术为手段把企业的经营、生产和工程技术诸环节集成为一体来实现，具有优质高效、快速响应市场等特点典型设备自动半自动机床、组合机床、机械手、自动线等数控机床、加工中心、工业机器人、FMC等CAD/CAM系统、MRP-II、FMS、CIMS等适用场合少品种大批量生产多品种、中小批量生产各种类型和规模生产三种自动化方式比较生产比较自动化方式项目刚性自动化柔4机械制造自动化的技术内容v加工作业自动化（设备自动化）v物流自动化v信息自动化v管理自动化机械制造自动化的技术内容加工作业自动化（设备自动化）5自动化技术1设备自动化v加工自动化内容：加工、装配、测量检测、清洗、包装和搬运、开发设计v实现步骤：简化和标准化（规范化）自动化v关键：完成作业的设备自动化设备自动化自动化设备分类刚性：自动机床、组合机床、自动线柔性：数控机床、加工中心自动化技术1设备自动化加工自动化内容：加工、装配、测量检6刚性自动化设备设备类型设备类型特点特点种类种类普通自动化机床普通自动化机床加工效率高，但调整复杂，改变加工对象和加工工艺时要重新制造凸轮和样板凸轮控制的单轴纵切自动车床、仿形铣床、非凸轮控制的卧式多轴自动车床、单轴转塔自动车床、多刀半自动车床组合机床组合机床工序集中，生产率高，自动化程度高，造价相对低廉通用部件：动力头部件、支承部件、输送部件、控制部件、辅助部件刚性自动线刚性自动线采用的加工装备专用性强，可调性低，传输装置也多具有专用性普通机床自动线、组合机床自动线、专用机床自动线、转子自动线设备自动化结论：机床专用性强，只适用于单一品种（或少品种）大批量生产刚性自动化设备设备类型特点种类普通自动化机床加工效率高，但调7柔性自动化设备v数控机床v加工中心设备自动化柔性自动化设备数控机床设备自动化8成型类切削类特种加工类成型类切削类特种加工类9数控机床组成及工作过程数控系统数控系统伺服伺服系统系统数控数控装置装置零零件件图图样样数数控控程程序序成品成品零件零件主机主机进给进给电机电机其它其它辅助辅助装置装置主轴主轴电机电机位置检测位置检测数控机床组成及工作过程数控系统伺服系统数控装置零件图样数控程10数控机床工作原理加加工工程程序序计计算算机机数数控控装装置置位置检测位置检测反馈系统反馈系统速度检测速度检测伺服驱动系统伺服驱动系统辅助控制装置辅助控制装置机机床床数控机床数控机床工作原理加工程序计算机数控装置位置检测伺服驱动系统辅11数控机床适用范围v多品种，中小批量生产，也可用于单件生产v功能强，柔性大，自动化程度高，适用范围广v购置费用较高数控机床适用范围多品种，中小批量生产，也可用于单件生产12数控程序v编程步骤v编程方法v编程代码数控程序编程步骤13数控编程步骤修改修改程程序序校校验验编编写写程程序序数数学学处处理理分析零件分析零件图样图样和和制定工艺制定工艺方案方案数控机床数控编程步骤14数控编程步骤v分析零件图样和制定加工工艺分析零件图样和制定加工工艺：明确加工部位，选择合适的数控机床，设计夹具，选择刀具，确定合理的走刀路线与加工用量v数学处理：数学处理：根据零件图样和所确定的加工路线，计算刀具运动轨迹坐标，获得刀位数据（cutterlocationpoint，简称CL）v编写程序：编写程序：根据加工路线及计算好的刀位数据，按照所选数控系统规定的程序代码和格式，逐段编写程序单v程序校验：程序校验：编写好的程序可以输入数控系统，启动机床运行。但一般来说正式加工之前要对程序进行校验。可以用计算机仿真软件进行仿真，也可直接在机床上用石蜡、石磨等易切材料进行试切，以便确认程序是否正确数控机床数控编程步骤分析零件图样和制定加工工艺：明确加工部位，选择合15编程方法手工编程编程编程手册手册刀刀具具表表机机床床表表工工艺艺规规程程夹夹具具表表工工艺艺人人员员零零件件图图样样加加工工程程序序加加工工程程序序初初稿稿编编程程人人员员修改修改数控机床编程方法手工编程编程手册16编程方法手工编程v一般对几何形状不太复杂的零件，所需的加工程序不长，计算比较简单，用手工编程比较合适。v手工编程的特点耗费时间较长，容易出现错误，无法胜任复杂形状零件的编程。数控机床编程方法手工编程一般对几何形状不太复杂的零件，所需的加工程序17编程方法自动编程v自动编程方式语言输入图形输入语音输入v自动编程的特点：编程工作效率高，可解决复杂形状零件的编程难题。数控机床编程方法自动编程自动编程方式数控机床18编程标准代码v字符与代码字符与代码字符是用来组织、控制或表示数据的一些符号，如数字、字母、标点符号、数学运算符等。数控系统只能接受二进制二进制信息，所以必须把字符转换成8BIT信息组合成的字节，用“0”和“1”组合的代码来表达。国际上广泛采用两种标准代码：（1）ISO国际标准化组织标准代码（2）EIA美国电子工业协会标准代码这两种标准的编码方法不同，在现代大多数数控机床上这两种代码都可使用。数控机床编程标准代码字符与代码字符是用来组织、控制或表示数据的19编程指令代码vG准备功能代码vM辅助功能代码vF进给功能代码vS主轴转速功能代码vT选择刀具功能代码数控机床编程指令代码G准备功能代码数控机床20G功能字含义表（功能字含义表（FANUC-0M系统）系统）G功能字含义表（功能字含义表（FANUC-0M系统）系统）G功能字功能字含义含义G功能字功能字含义含义G00快速移动点定位G70精加工循环G01直线插补G71外圆粗切循环G02顺时针圆弧插补G72端面粗切循环G03逆时针圆弧插补G73封闭切削循环G04暂停G74深孔钻循环G17XY平面选择G75外径切槽循环G18ZX平面选择G76复合螺纹切削循环G19YZ平面选择G80撤销固定循环G32螺纹切削G81定点钻孔循环G40刀具补偿注销G90绝对值编程G41刀具半径补偿左G91增量值编程G42刀具半径补偿右G92螺纹切削循环G43刀具长度补偿正G94每分钟进给量G44刀具长度补偿负G95每转进给量G49刀具长度补偿注销G96恒线速控制G50主轴最高转速限制G97恒线速取消G54G59加工坐标系设定G98返回起始平面G65用户宏指令G99返回R平面数控机床G功能字含义表（FANUC-0M系统）G功能字含义表（FA21M功能字含义表（FANUC-0M系统）M功能字功能字含含义义M00程序停止M01计划停止M02程序停止M03主轴顺时针旋转M04主轴逆时针旋转M05主轴旋转停止M06换刀M072号冷却液开M081号冷却液开M09冷却液关M30程序停止并返回开始处M98调用子程序M99返回子程序数控机床M功能字含义表（FANUC-0M系统）M功能字含义M22数控系统控制程序输入设备输出设备CNC装置可编程控制器（PC）主轴控制单元速度控制单元主轴电机机床辅助装置进给电机位置检测数控机床数控系统控制程序输入设备输出设备CNC装置可编程控制器（PC23CNC装置vCNC装置是数控系统的核心v结构组成硬件：单微处理机和多微处理机两类软件：控制软件和管理软件vCPU是CNC装置的核心数控机床CNC装置CNC装置是数控系统的核心数控机床24单微处理机结构框图EPROMRAMPC接口总线CPU纸带阅读机接口I/O接口MDI/CRT接口位置控制纸带阅读机机床操作面板显示器速度控制单元M数控机床单微处理机结构框图EPROMRAMPC接口总线CPU纸带阅读25CNC装置的功能（基本）v控制功能可控轴数及最大可控轴数v准备功能G功能，指令机床动作方式v插补功能粗插补和精插补v固定循环加工典型加工工序预先存储v进给功能F功能v主轴功能S功能v辅助功能M功能v补偿功能刀具长度和直径补偿v刀具功能和第二辅助功能选择刀具数控机床CNC装置的功能（基本）控制功能可控轴数及最大可控轴数数26CNC装置的功能（选择功能）v图形显示v自诊断v通讯和人机对话数控机床CNC装置的功能（选择功能）图形显示数控机床27加工中心v加工中心是在一般数控机床基础上增添了刀库和自动换刀机械手装置的数控自动化设备。v分类车削加工中心镗、铣削加工中心磨削加工中心冲压加工中心v特点：工件毛坯一次装夹，可连续自动加工对多个加工面进行多工序加工，中间的换刀及检测均自动完成设备自动化加工中心加工中心是在一般数控机床基础上增添了刀库和自动换刀机28自动化技术2物流自动化v物流概念指物料从输入制造自动化系统起，随着制造过程逐步变成最终产品（或制成品），并由系统输出的整个流动过程v物流系统组成物流自动化设备控制软件物流自动化自动化技术2物流自动化物流概念物流自动化29自动化技术2物流自动化v基本功能：上、下料/装卸功能传输/搬运功能存储功能v其它功能：识别功能和定向定位功能物流自动化自动化技术2物流自动化基本功能：物流自动化30自动化技术2物流自动化v物流自动化设备（按工作原理分）机械式气动式液压式电动式v物流自动化设备（按功能分）上、下料/装卸自动化设备传输搬运自动化设备存储自动化设备物流自动化自动化技术2物流自动化物流自动化设备（按工作原理分）物流31上、下料/装卸自动化设备物流自动化设备类型设备类型特特 点点使使 用用起重和托盘交换装置大件上、下料/装卸用设备较重、大的工件上、下料/装卸用机械手只作一个自由度运动的机械夹持器中小型尺寸的圆柱形零件和具有统一尾部结构的刀具等装卸工业机器人具有很大灵活性，可作多坐标运动柔性加工、装配线的中小件的装卸自动供料器多轴自动车的数控帮料送进器用于多轴自动车的数控帮料送进器振动上料器利用振动能量移动物体原理将物料定向送入所需工位多用于自动装配线的标准小件的上料上、下料/装卸自动化设备物流自动化设备类型特点使用32工业机器人2、控制装置1、机座3、操作机工业机器人是一种能自动定位控制，可重复编程的，多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业工业机器人不同于机械手。物流自动化工业机器人2、控制装置1、机座3、操作机工业机器人是一种能自33工业机器人分类1、直角坐标式2、圆柱坐标式3、球坐标式4、关节坐标式物流自动化工业机器人分类1、直角坐标式2、圆柱坐标式3、球坐标式4、关34传输/搬运自动化设备v机械传输装置装置类型：链式、滚筒式、吊挂式作用：用于加工和装配线上传输搬运大件及小的散件集装传输布局形式：直线型、回旋型、平面型、立体型v自动导向小车（AGV）物流自动化传输/搬运自动化设备机械传输装置自动导向小车（AGV）物流自35AGV（自动导向小车）v分类：根据其导向方式分为有轨导向、感应式（电磁）导向和光学（激光）导向v电磁和激光导向原理：预设引导线或反光带作为行走路线，AGV偏离路线时，相应传感器通过控制系统发出信号，控制导向轮正确行走物流自动化AGV（自动导向小车）分类：根据其导向方式分为有轨导向、感应36物流自动化物流自动化37存储自动化设备v分类自动化立体仓库物料临时存储库（如刀库、托盘库等）自动堆垛机物流自动化存储自动化设备分类物流自动化38信息涵义、信息流框图v信息：人们对客观世界的认识并能传送被他人所感知的物质表示（文字数据形式和图形形式）信息自动化信息源应用采集输入信息处理信息传输信息存储信息输出信息系统信息流/系统框图信息涵义、信息流框图信息：人们对客观世界的认识并能传送被他人39机械制造信息源v静态信息设计图样、CAD、CAPP、CAM图样、各种程序介质v动态信息制造过程本身（机械物理现象）机械制造信息源静态信息40语音识别器，电、光扫描仪，数字化仪，数码相机，电容，电感，热电传感器信息采集/输入v人工采集/输入法v自动采集/输入法通过各种声、光、电原理工作的专门仪器，将所需的文字和图形图像信息从信息载体上采集输入刀信息系统的计算机中语音识别器，电、光扫描仪，数字化仪，数码相机，电容，电感，热41信息处理v前置处理v算术运算和逻辑运算v科学运算v图形、图像和语音处理v后置处理信息处理前置处理42信息传输与交换v机内传输铜阻导线和标准总线v机外/地区内或企业内部之间传输LANv异地远程传输无线电波v传输时必须遵守MAP通信协议、TOP通信协议、IGES、PDES信息传输与交换机内传输铜阻导线和标准总线43信息存储v指程序和数据的存储v存储器分类高速缓冲存储器主存储器辅助存储器信息存储指程序和数据的存储44管理含义及自动化基础v管理职能：计划、组织、领导、控制v管理内容：计划目标、信息和资源（人员、资金、设备和物资）v管理自动化核心管理信息自动化v管理信息自动化基础基层作业自动化v基层作业自动化包括软件（DSS和MRP-II）和硬件（计算机、传真机、打印机、复印机等通讯设备和CAD/CAPP/CAM等设计专用设备）两方面管理自动化管理含义及自动化基础管理职能：计划、组织、领导、控制管理自动45MRP、MRP和和ERP简介简介v三者是企业管理信息系统发展的不同阶段vMPRmaterialrequirementplanning物料需求计划vMRPmanufacturingresourceplanning制造企业资源计划vERPenterpriseresourceplanning企业资源计划管理自动化MRP、MRP和ERP简介三者是企业管理信息系统发展的不同46MRP定义定义v定义：物流信息同资金流信息的集成。v五个计划层次：管理自动化宏观决策层：宏观决策层：经营规划（企业长远规划）生产与运作计划（企业年度规划）计划层：计划层：主生产计划（出厂产品计划）物料需求计划（加工和采购计划）执行层：执行层：车间控制（控制计划的执行）MRP定义定义：物流信息同资金流信息的集成。管理自动化宏观47v系统采用Delphi+MSSQL大型数据库开发而成，由16个子系统构成v面向离散制造型企业的管理信息系统系统采用Delphi+MSSQL大型数据库开发而成，由16个48MRP地位vMRP与其他子系统联系密切v管理与设计、制造相联系的重要枢纽vCIMS信息集成的核心环节管理自动化MRP地位MRP与其他子系统联系密切管理自动化49常见机械制造柔性自动化系统vMC(加工中心)vDNC（直接数控系统）vFMC（柔性制造单元）vFTL（柔性生产线）vFMS（柔性制造系统）vCIMS（计算机集成制造系统）常见机械制造柔性自动化系统MC(加工中心)50DNC系统结构v一台计算机通过接口装置直接控制多台数控机床工作的系统，也叫“群控系统”DNC主计算机12345工厂主干网通信网DNC接口NC机床DNC系统结构一台计算机通过接口装置直接控制多台数控机床工作51DNC系统优点v较高的机床开动率和工作可靠性v管控一体v开放式系统v可独立使用，也可构成FMS或CIMS的一部分DNC系统优点较高的机床开动率和工作可靠性52FMCvFMC是由12台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，具有适应加工多品种产品的灵活性。vFMC可视为一个规模最小的FMSv特点：实现单机柔性化及自动化FMCFMC是由12台加工中心、工业机器人、数控机床及53FMC特点类型有无物料暂存储库、自动上下料装置有无通讯功能是否可无人看管CNC无无否MC除刀库外，其余无无一次装夹可连续加工多个加工面FMC有有是FMC特点类型有无物料暂存储库、自动上下料装置有无通讯功能是54FML(柔性线生产)v组成：具有自动更换多轴头或更换刀具的数控组合机床为核心的多台设备组成，由计算机统一控制并实现固定节拍加工的系统类型类型机床数量机床数量传送系统传送系统加工效率加工效率柔性程度柔性程度FMC12台CNC或MC灵活多样（直线、圆弧、环形）低高FML1020台数控组合机床固定不变的直线型布局高低FMC与FTL比较FML(柔性线生产)组成：具有自动更换多轴头或更换刀具的数控55FMSv组成加工制造系统：以加工中心、车削中心或CNC机床为核心，辅之相应的上下料、加工清洗和检测设备物料储运系统：一般由装卸站、运输设备和物料存储库组成计算机控制系统：FMS的核心部分。主要由控制系统、监测系统及控制和管理软件组成柔性自动化制造系统的典型代表FMS组成柔性自动化制造系统的典型56机械制造自动化课件57FMS控制系统结构机器人铣床零件存储器检验机机器人零件存储器机器人小车托盘库机器人铣销工作站检验工作站物料贮运工作站1虚拟单元n虚拟单元加工车间装配车间工厂工厂级车间级FMS主控计算机单元级工作站级（PLC）设备级FMS控制系统结构机器人铣床零件存储器检验机机器人零件存储器58机床控制物料储运控制监控系统检测设备控制自动化仓库控制其他控制作业计划静态调度，过程管理动态调度质量管理库存管理工具管理其他FMS的控制与管理应用软件体系控制软件计划管理软件工程软件数据库检索软件仿真软件通信软件其他机床控制物料储运控制监控系统检测设备控制自动化仓库控制其他控59FMS主要特征v实现了信息流和物料的自动化处理并协同工作v由三个自动化系统（加工自动化、物料自动化、信息控制自动化）组成的柔性自动化整体v可实现多品种小批量乃至单件混流的经济加工v可实现长时间（1648小时）的无人看管加工FMS主要特征实现了信息流和物料的自动化处理并协同工作60CIMS(计算机集成制造系统)v定义：CIMS是以相对独立的生产经营实体企业为对象，以市场需求及资源为输入，以投放市场的产品为输出，以整体动态优化为目标，在系统科学的指导下，以计算机和网络通讯技术为手段，在作业过程简化，标准化和自动化的集成上，把企业的经营、生产和工程技术诸环节集成为一体的开放式闭环系统CIMS(计算机集成制造系统)定义：CIMS是以相对独立的生61CIM的功能模块设计与工艺模块（TIS）制造模块（MAS）管理模块（MIS）信息技术模块数据库管理硬件网络软件CADCAE成组技术CAPP数控程序MRP-II分布式管理仿真成本管理预防性维护单元控制器质量检测与控制AGV和传输系统CNC/RC自动化仓库FMSCIM的功能模块设计与工艺模块（TIS）制造模块（MAS）管62CIMS层次结构机器人铣床零件存储器检验机机器人零件存储器机器人小车托盘库机器人铣销工作站检验工作站物料贮运工作站1虚拟单元n虚拟单元加工车间装配车间工厂工厂级车间级FMS主控计算机单元级工作站级（PLC）设备级CIMS层次结构机器人铣床零件存储器检验机机器人零件存储器机63CIMS各层的主要功能和特征层级别层级别 主要功能主要功能特征特征信息信息时间层次时间层次不确定性不确定性工工厂厂计划抽象长远大车车间间管理单单元元支持工作站工作站协调设设备备执行具体实时小CIMS各层的主要功能和特征层级别主要功能特征信息时间层次不64CIMS四大活动体系v工程体系CAD、CAPP、CAMv制造体系CNC、FMS、物料、信息流v管理体系MRP-基础上的改进v质量体系质量信息采集、管理、反馈和控制CIMS四大活动体系工程体系CAD、CAPP、CAM65v与FMS相比，CIMS的规模更大v增加了产品设计与工艺设计的工程功能模块和活动的内容vCIMS可成为未来机械制造柔性自动化工厂的模型与FMS相比，CIMS的规模更大66练习题v实施机械制造自动化的基本原则是什么？v说明NC、MC、FMC、FMS间最明显的差别。v试述实现机械制造自动化的目的和意义。练习题实施机械制造自动化的基本原则是什么？67几种柔性自动化系统的经济适用范围100010010101000100品种数产品数低柔性高高生产率低自动线FMLFMSFMCMC普通或NC机床几种柔性自动化系统的经济适用范围1000100101010068