先进制造技术与管理第四章120

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第四章 制造自动化技术,4.1,制造自动化技术概述,4.2,机床数控技术,4.3,工业机器人,4.4,柔性制造技术,第一节,制,制造,自,自动化,技,技术概,述,述,4.1,.,.1制造自,动,动化技,术,术内涵,4.1,.,.2制造自,动,动化技,术,术的发,展,展及现,状,状,4.1,.,.3制造自,动,动化技,术,术发展,趋,趋势,自动化：自动,去,去完成,特,特定的,作,作业。,制造自,动,动化（,狭,狭义）：生产,车,车间内,产,产品机,械,械加工,和,和装配,检,检验过,程,程的自,动,动化；,制造自,动,动化（,广,广义）：包含,产,产品设,计,计、企,业,业管理,、,、加工,过,过程和,质,质量控,制,制等产,品,品制造,全,全过程,综,综合集,成,成自动,化,化。,制造自,动,动化意,义,义：显著提,高,高劳动,生,生产率,、,、提高,产,产品质,量,量、降,低,低制造,成,成本、,提,提高经,济,济效益,，,，改善,劳,劳动条,件,件、提,高,高劳动,者,者的素,质,质、有,利,利于产,品,品更新,、,、带动,相,相关技,术,术的发,展,展、提,高,高企业,的,的市场,竞,竞争能,力,力。,4.1,.,.1制造自,动,动化技,术,术内涵,刚性自,动,动化,设备-自动/半自动,机,机床、,组,组合机,床,床、组,合,合机床,自,自动线,；,；,对象-单一品,种,种大批,量,量生产,自,自动化,；,；,特点-生产效,率,率高、,加,加工品,种,种单一,。,。,柔性自,动,动化,设备-NC、CNC、FMC、FMS等。,对象-多品种,小,小批量,甚,甚至单,件,件生产,自,自动化,；,；,综合自,动,动化,经营管理、,开,开发设,计,计、加,工,工装配,、,、质量,保,保证自,动,动化，CIMS、CE、LP、AM等。,4.1,.,.2制造自,动,动化技,术,术的发,展,展及现,状,状,当前制,造,造自动,化,化技术,研,研究领,域,域和方,向,向,集成技,术,术和系,统,统技术研究(信息、,过,过程、,企,企业）,自动化,系,系统中,人,人因作,用,用的研究（人-机一体,化,化）,数控单,元,元系统,的,的研究,制造过,程,程的计,划,划和调,度,度研究（精益生,产,产）,柔性制,造,造技术,的,的研究(DNC,-,-分布式,数,数控，,信,信息流,、,、物流）,现代生,产,产模式,制,制造环,境,境的研究（CELPAMBM),底层加,工,工系统,的,的智能,化,化和集,成,成化研究,制造敏,捷,捷化:使企业面,临,临市场,竞,竞争作,出,出快速,响,响应；,制造网络化:实现制造过,程,程的集,成,成，异地制造、,远,远程协,调,调作业,；,；,制造虚,拟,拟化:保证产品和,制,制造过,程,程一次,成,成功，,发,发现设,计,计与生,产,产中可,避,避免的,缺,缺陷和,错,错误；,制造智能化:扩大、延伸,、,、部分,取,取代人,类,类专家,在,在制造,过,过程中,的,的脑力,劳,劳动，,以,以实现,优,优化的,制,制造过,程,程。,制造全球化:市场国际化,，,，产品,制,制造跨,国,国化，,制,制造资,源,源跨国,家,家的协,调,调、共,享,享和优,化,化利用,；,；,制造绿,色,色化:使产品从,设,设计、,制,制造、,使,使用到,报,报废处,理,理全生,命,命周期,中,中，对,环,环境影,响,响最小,，,，资源,利,利用率,最,最高。,4.1,.,.3制造自,动,动化技,术,术发展,趋,趋势,第二节,机,机床,数,数控技,术,术,4.2,.,.1机床数,控,控系统,4.2,.,.2机床伺,服,服系统,4.2,.,.3数控加,工,工编程,技,技术,4.2,.,.4机床数,控,控技术,发,发展趋,势,势,8,1948年，美,国,国帕森,斯,斯(Parsons)公司在,研,研制加,工,工直升,机,机叶片,轮,轮廓检,验,验用样,板,板的机,床,床时，,首,首先提,出,出了应,用,用电子,计,计算机,控,控制机,床,床来加,工,工样板,曲,曲线的,设,设想。,后,后来受,美,美国空,军,军委托,，,，帕森,斯,斯公司,与,与麻省,理,理工学,院,院（MIT）伺服,机,机构实,验,验室合,作,作进行,研,研制工,作,作，于1952年研制,成,成功世,界,界上第,一,一台三,坐,坐标立,式,式数控,铣,铣床。,数控机,床,床的诞,生,生,9,数控机床的,类,类型,经济型,数,数控车,床,床,全功能,数,数控车,床,床,10,车削中,心,心,双主轴,数,数控车,削,削中心,11,立式数,控,控铣床,卧式数,控,控铣床,龙门数,控,控铣床,12,经济型,数,数控铣,床,床,高速数,控,控铣床,13,立式加工中,心,心,卧式加工中,心,心,数控技,术,术的发,展,展,硬件数,控,控阶段NC(1952-1970,),),第一代,：,：电子,管,管；,G1:19521955,第二代,：,：晶体,管,管；,G2:19551959,第三代：,小,小规模,集,集成电,路,路；,G3:19591965,4.2,.,.1机床数,控,控系统,15,计算机,数,数控阶,段,段CNC（1970-现在),第四代,：,：小型,计,计算机,；,；,G4:1970s,(,(1970,1974),第五代,：,：微处,理,理器；,G5:1974-微处理,器,器(MCNC),1979超大规,模,模集成,电,电路(VLIC),第六代,：,：PC微机(PCNC),G6:1994,基本概,念,念,1.数字控,制,制(数控NC),(,(NumericalControl),它是指,用,用数字化,信,信号对机床,运,运动及,其,其加工,过,过程中,进,进行控,制,制的一,种,种方法,。,。,2.数控系,统,统（NCControlSystem）,数控设,备,备的数据处,理,理和控制电,路,路以及伺服机,构,构等统称,数,数控控,制,制系统,。,。它由,程,程序输,入,入、输,出,出设备,、,、计算,机,机数字,控,控制装,置,置、可,编,编程控,制,制器、,主,主轴进,给,给及驱,动,动装置,等,等组成,。,。,3.数控机,床,床（NCMachineTools）,数控机,床,床是一,种,种装有,程,程序控,制,制系统,（,（数控,系,系统）,的,的高效,自,自动化,机,机床。,它,它综合,了,了计算,机,机、自,动,动控,制、精,密,密测量、,机,机床机,构,构设计,与,与制造,等,等方面,的,的最新,成,成果。,4.分布式,数,数字控,制,制系统（DNC）,使用一台通,用,用计算,机,机直接,控,控制和,管,管理一,群,群数控,机,机床进,行,行零件,加,加工或,装,装配的,系,系统。,5.开放式,数,数控系,统,统,世界上许多,数,数控系,统,统生产,厂,厂家利,用,用PC机丰富,的,的软、,硬,硬件资,源,源开发,开,开放式,体,体系结,构,构的新,一,一代数,控,控系统,。,。开放,式,式体系,结,结构使,数,数控系,统,统有更,好,好的通,用,用性、,柔,柔性、,适,适应性,、,、可扩,展,展性，,并,并可以,较,较容易,的,的实现,智,智能化,、,、网络,化,化。,一般数,控,控系统,由,由三大,部,部分组,成,成，即:控制系,统,统，伺,服,服系统,和,和位置,测,测量系,统,统。,数控系,统,统包括,：,：用户程序、,输,输入输,出,出设备,、,、计算,机,机数字,控,控制装,置,置（CNC装置）,、,、可编,程,程控制,器,器（PLC）、主,轴,轴驱动,装,装置和,进,进给驱,动,动装置,等,等组成,。,。,计算机,数,数控系,统,统,程序,输入设备,计算机,数字控,制装置,（,CNC,装置）,可 编 程 控,制器（,PLC,）,主轴控制单元,速度控制单元,输出设备,主轴电机,进给电机,位置检测器,机,床,机床数,控,控系统的功能,控制功,能,能-单轴、,多,多轴联,动,动控制,；,；,准备功,能,能-包括移,动,动、暂,停,停、坐,标,标设定,、,、固定,循,循环等,功,功能；,插补功,能,能-直线插,补,补、圆,弧,弧插补,、,、抛物,线,线等；,辅助功,能,能-主轴启,停,停、冷,却,却润滑,通,通断、,刀,刀库的,启,启停等,；,；,补偿功,能,能-刀具半,径,径/刀具、,反,反向间,隙,隙、螺,距,距、温,度,度等补,偿,偿功能。,PLC功能：,控制面,板,板、主轴,停,停启与,换,换向、,刀,刀具更,换,换、冷,却,却润滑,启,启停、,工,工件夹,紧,紧与松,开,开、工,作,作台分,度,度等开,关,关量的,控,控制。,1.正常工,作,作前的,准,准备工,作,作,在接通电,源,源后，CNC装置将,对,对数控,系,系统及,数,数控机,床,床的各,组,组成部,分,分的工,作,作状态,进,进行检,查,查和诊,断,断，并,设,设置初,始,始状态,。,。,2.零件加,工,工控制,信,信息的,输,输入,CNC系统具,备,备了正,常,常工作,条,条件后,，,，开始,输,输入零,件,件加工,程,程序、,刀,刀具长,度,度补偿,数,数值、,刀,刀具半,径,径补偿,数,数值以,及,及工件,坐,坐标系,原,原点相,对,对机床,原,原点的,坐,坐标值。,3.数控加,工,工程序,的,的译码,和,和预处,理,理,加工控,制,制信息,输,输入后,，,，启动,加,加工运,行,行，此,时,时CNC装置在,系,系统控,制,制程序,的,的作用,下,下，对,数,数控程,序,序进行,预,预处理,，,，即进,行,行译码,和,和预计,算,算（刀,补,补计算,、,、坐标,变,变换等,）,）。,CNC系统的,主,主要工,作,作过程,4.插补计,算,算,一个程,序,序段的,加,加工控,制,制信息,预,预处理,完,完毕后,进,进行插,补,补处理,。,。所谓“,插,插补”,就,就是指,在,在一条,已,已知起,点,点和终,点,点的曲,线,线上进,行,行数据,点,点的密,化,化。插,补,补的任,务,务就是,根,根据进,给,给速度,的,的要求,，,，在一,段,段零件,轮,轮廓的,起,起点和,终,终点之,间,间，计,算,算出若,干,干个中,间,间点，,分,分别向,各,各个坐,标,标轴发,出,出方向,、,、大小,和,和速度,都,都确定,的,的运动,序,序列指,令,令。,5.位置控,制,制,各个坐,标,标轴的,伺,伺服系,统,统将插,补,补结果,作,作为各,个,个坐标,轴,轴位置,调,调节器,的,的指令,值,值，机,床,床上位,置,置检测,元,元件测,得,得的位,移,移作为,实,实际位,置,置值。,位,位置调,节,节器将,两,两者进,行,行比较,，,，经过,调,调节，,输,输出相,应,应的位,置,置和速,度,度控制,信,信号，,控,控制各,轴,轴伺服,系,系统驱,动,动机床,坐,坐标轴,运,运动。,通,通过各,个,个坐标,轴,轴运动,的,的合成,，,，产生,数,数控加,工,工程序,所,所要求,的,的工件,轮,轮廓尺,寸,寸,。,数控系,统,统的硬,件,件结构,从硬件,结,结构上,的,的角度,，,，数控,系,系统到,目,目前为,止,止可分,为,为两个,阶,阶段共,六,六代，第二个,阶,阶段为,计,计算机,控,控制阶,段,段，其,特,特征是,直,直接引,入,入计算,机,机控制,，,，依靠,软,软件计,算,算完成,数,数控的,主,主要功,能,能。包,括,括第四,代,代是小,型,型计算,机,机数控,系,系统，,第,第五代,是,是微型,计,计算机,数,数控系,统,统，第,六,六代是PC数控系,统,统。,单CPU结构:通过总,线,线使CPU与存储,器,器和各,种,种接口,相,相连，,集中控,制,制、分,时,时处理工作方,式,式。,多CPU结构:多个CPU通过公,用,用地址,和,和数据,总,总线互,连,连，各,自完成,功,功能，系统速,度,度高、,处,处理能,力,力强。,PC微机CNC系统:,具有微机丰,富,富的软、硬,件,件资源、,友,友好的,人,人机界,面,面、拥,有,有多媒,体,体和网,络,络功能,，,，是当,前,前数控,系,系统的,发,发展方,向,向。全部采,用,用PC平台的,软,软硬件,资,资源,仅增加,与,与伺服,驱,驱动及I/O设备通,信,信所必,需,需的现,场,场总线,接,接口，,从,从而实,现,现非常,简,简洁硬,件,件体系,结,结构。,典型的,产,产品包,括,括:西门子840DSL，海德,汉,汉,TNC620,国内:,大连光,洋,洋的GDS09，GNC60，GNC61，,华中数,控,控的华,中,中8型等产,品,品。,软件结,构,构,（1）输入,数,数据处,理,理程序,它接收,输,输入的,零,零件加,工,工程序,，,，将标,准,准代码,表,表示的,加,加工指,令,令和数,据,据进行,译,译码、,数,数据处,理,理，并,按,按规定,的,的格式,存,存放。,（2）插补,计,计算程,序,序,CNC系统是,一,一边插,补,补进行,运,运算，,一,一边进,行,行加工,，,，是一,种,种典型,的,的实时,控,控制方,式,式。,（3）管理,程,程序,管理程,序,序负责,对,对数据,输,输入、,数,数据处,理,理、插,补,补运算,等,等为加,工,工过程,服,服务的,各,各种程,序,序进行,调,调度管,理,理。,（4）诊断,程,程序,诊断程,序,序的功,能,能是在,程,程序运,行,行中及,时,时发现,系,系统的,故,故障，,并,并指出,故,故障的,类,类型。,数控系,统,统的软,件,件组成,开放式,数,数控系,统,统,开放性,：,：满足CNC系统快,速,速发展,和,和用户,自,自主开,发,发需要,PC微机型,开,开放式CNC系统形,式,式：,专用数,控,控嵌入PC主板:是专用数,控,控系统,商,商提供的，仅限于PC部分开,放,放，其,专,专用数,控,控部分,仍,仍处于,封,封闭状,态,态。,PC机+运动控,制,制卡:提供底层数,控,控接口,，,，支持,二,二次开,发,发和扩,展,展，有,上,上下两,级,级开放,性,性，如PMAC运动控,制,制器。,纯PC软件型:代表数控系,统,统发展,方,方向。,组成：位置控,制,制单元,、,、速度,控,控制单,元,元、伺,服,服电机、检测反馈单,元,元4部分组,成,成。,分类：,按检测,系,系统分,开环系,统,统、闭,环,环系统,、,、,半闭环,系,系统、,混,混合闭,环,环系统,。,。,按有控,制,制电机,分,分,步进伺,服,服、直,流,流伺服,、,、交流,伺,伺服。,4.2,.,.2机床伺,服,服系统,1 开,环,环控制,数,数控机,床,床,开环数,控,控系统,的,的结构,图,图,2、闭环,控,控制数,控,控机床,闭环数,控,控系统,的,的结构,图,图,3 半,闭,闭环控,制,制数控,机,机床,半闭环,数,数控系,统,统结构,图,图,松下交,流,流伺服,系,系统的,总,总体接,线,线图,1-交流伺,服,服电机2-伺服驱,动,动器3-控制系,统,统4-控制连,接,接电缆5-检测连,接,接电缆6-动力电,缆,缆7-PLC电缆8-PLC,交流伺,服,服电机,：,：,异步电,动,动机:功率大、精,度,度稍低,、,、多用,于,于主轴,电,电机；,永磁同,步,步电动,机,机:精度要求高,、,、价格,贵,贵，多,用,用于容量,小的进给,伺,伺服电,机,机。,交流伺,服,服驱动,器,器：,模拟式:工作速度快,，,，系统,频,频率宽,，,，体积,大,大、器件,多、不易,调,调试；,数字式:控制方式改,变,变仅需,改,改变软,件,件，柔,性,性好，结,构紧凑，,重,重复性,好,好。,检测元,件,件：,旋转变,压,压器、脉冲,编,编码器,等,等。,数控加,工,工手工,编,编程一,般,般步骤,4.2,.,.3数控加,工,工编程,技,技术,工艺分,析,析,数值计,算,算,NC程序编,制,制,输入NC程序,首件试,切,切,修改,零件图,手工编,制,制不足,：,：效率,低,低、复,杂,杂零件,手,手工编,程,程困难,，,，周期,长,长，错,误,误率高。,计算机,辅,辅助数,控,控编程,数控系,统,统性能,方,方面,高速高,精,精高效,化,化进给速,度,度80-120m/min，加速,度,度1-2g，主轴dn=,(,(1-3)*106，换刀,小,小于1s；加工,精,精度0.1m，甚至0.01m。,高速主,轴,轴单元(电主轴,，,，转速15000100000r/min。,柔性化功能覆,盖,盖面大,，,，便于,不,不同用,户,户的需,求,求；物,料,料流和,信,信息流,自,自动动,态,态调整,。,。,工艺复,合,合化和,多,多轴化如FANUC15可控轴,数,数和联,动,动轴数,均,均达到24轴。,实时智,能,能化配置编,程,程专家,系,系统、,故,故障诊,断,断专家,系,系统，,实,实现自,适,适应控,制,制和模,糊,糊控制,。,。,4.2,.,.4机床数,控,控技术,发,发展趋,势,势,数控系,统,统功能,方,方面,用户界,面,面图形化:方便用,户,户，便于,编,编程和,图,图形模,拟,拟；,科学计,算,算可视化:可视化技术可,用,用于自,动,动编程,、,、参数,自,自动设,定,定、刀,具,具补偿,和,和管理,、,、加工,过,过程仿,真,真演示,；,；,插补和,补,补偿方,式,式多样,化,化,插补：,直,直线、,圆,圆弧、,椭,椭圆、,螺,螺纹、NURBS、多项,式,式插补,；,；,补偿：,反,反向间,隙,隙、垂,直,直度、,螺,螺距、,温,温度补,偿,偿等；,内置高,性,性能PLC可用梯,形,形图或,高,高级语,言,言编程,，,，具有,在,在线调,试,试和在,线,线帮助,功,功能；,多媒体,技,技术应,用,用在实时,监,监控和,故,故障诊,断,断、生,产,产过程,监,监测方,面,面有重,大,大应用,价,价值。,体系结,构,构的发,展,展,集成化:高度集成化,芯,芯片，,提,提高数,控,控系统,集,集成度,；,；,模块化:通过积木方,式,式进行,功,功能裁,剪,剪和模,块,块数量,的,的增减,，,，构成,不,不同档,次,次的数,控,控系统,；,；,网络化:可进行远,程,程控制,，,，在任,何,何一台,机,机床上,对,对其它,机,机床进,行,行编程,、,、设定,、,、操作,、,、控制,；,；,开放式,闭,闭环控,制,制模式:易于将计算,机,机智能,技,技术、,网,网络技,术,术、多,媒,媒体技,术,术、CAD,/,/CAM、伺服,控,控制、,动,动态数,据,据管理,、,、动态,仿,仿真等,技,技术融,于,于一体,，,，构成,制,制造过,程,程闭环,控,控制体,系,系。,第三节,工,工业,机,机器人,4.3,.,.1工业机,器,器人的,组,组成与,分,分类,4.3,.,.2工业机,器,器人的,控,控制技,术,术,4.3,.,.3工业机,器,器人的,编,编程技,术,术,4.3,.,.4工业机,器,器人半,个,个世纪,发,发展,的回顾,与,与展望,39,森政弘,与,与合田,周,周平：,“,“机器人,是,是一种,具,具有移,动,动性、,个,个体性,、,、智能,性,性、通,用,用性、,半,半机械,半,半人性,、,、自动,性,性、奴,隶,隶性等7个特征,的,的柔性,机,机器”。,加藤一,郎,郎提出,，,，机器,人,人具有,：,：具有,脑,脑、手,、,、脚等,三,三要素,的,的个体,；,；具,有,有非接,触,触传感,器,器（用,眼,眼、耳,接,接受远,方,方信息,）,）和接,触,触传感,器,器；,具,具有平,衡,衡觉和,固,固有觉,的,的传感,器,器。,机器人的定义,1967年日本,召,召开的,第,第一届,机,机器人,学,学术会,议,议上，,就,就提出,了,了两个,有,有代表,性,性的定,义,义：,1987年国际,标,标准化,组,组织对,工,工业机,器,器人进,行,行了定,义,义：“工业,机,机器人,是,是一种,具,具有自,动,动控制,的,的操作,和,和移动,功,功能，,能,能完成,各,各种作,业,业的可,编,编程操,作,作机。,”,”,我国科,学,学家对,机,机器人,的,的定义,是,是：“机器人,是,是一种,自,自动化,的,的机器,，,，所不,同,同的是,这,这种机,器,器具备,一,一些与,人,人或生,物,物相似,的,的智能,能,能力，,如,如感知,能,能力、,规,规划能,力,力、动,作,作能力,和,和协同,能,能力，,是,是一种,具,具有高,度,度灵活,性,性的自,动,动化机,器,器”。,4.3,.,.1工业机,器,器人的,组,组成与,分,分类,工业机,器,器人的,结,结构组,成,成,工业机,器,器人的,组,组成,执行机,构,构,手部：用于,抓,抓取对,象,象，有,夹,夹持式,、,、吸附,式,式等不,同,同结构,腕部：联接,手,手部和,手,手臂部,件,件，用,以,以调整,手,手部姿,态,态和方,位,位,臂部：承载,负,负荷，,改,改变空,间,间位置,机身：支撑,臂,臂部部,件,件，扩,大,大臂部,活,活动和,作,作业范,围,围,机座及,行,行走机,构,构：机器,人,人基础,件,件，确,定,定或改,变,变,机器人,位,位置,控制系,统,统控制机,器,器人按,给,给定的,程,程序动,作,作，记,忆,忆,示教指,令,令，再,现,现示教,信,信息。,驱动系,统,统驱动执,行,行机构,完,完成规,定,定作业,。,。,位置检,测,测装置检测运,动,动位置,和,和工作,状,状态。,工业机,器,器人的,分,分类-按系统,功,功能分,类,类,专用机器人:以固定程,序,序工作,机,机器人,，,，结构,简,简单、,无,无独立,控,控制系,统,统、造,价,价低廉,，,，如自,动,动换刀,机,机械手,。,。,通用机器人:可完成多,种,种作业,，,，结构,复,复杂，,工,工作范,围,围大，,定,定位精,度,度高，,通,通用性,强,强。,示教再,现,现式机,器,器人:示教操作后,，,，能按,示,示教的,顺,顺序、,位,位置、,条,条件重,现,现示教,作,作业。,智能机,器,器人:具有视觉、,听,听觉、,触,触觉功,能,能，通,过,过比较,和,和识别,作出决,策,策和规,划,划，完,成,成预定,的,的动作,。,。,工业机,器,器人的,分,分类-按驱动,方,方式分,类,类,气压传,动,动机器人:以压缩空,气,气作为,动,动力源，,高速轻,载,载；,液压传,动,动机器人:采用液压驱,动,动，负,载,载能力,强、传,动,动平稳、,结,结构紧,凑,凑、,动作灵敏；,电气传,动,动机器人:交直流伺,服,服电机,驱,驱动，结构,简单、,响,响应快、精,度,度高。,工业机,器,器人的,分,分类-按结构,形,形式分,直角坐,标,标机器,人,人有三个,正,正交平,移,移坐标,轴,轴,各个坐,标,标轴,运动独,立,立（图a）；,圆柱坐,标,标机器,人,人有一个,旋,旋转轴,和,和两个,平,平移轴,（,（图b）；,关节机,器,器人类似人,手,手臂，,由,由各关,节,节组成,，,，可实,现,现三个,方,方,向旋转,运,运动（,图,图c） ；,球坐标,机,机器人有两个,旋,旋转轴,和,和一个,平,平移轴,（,（图d）。,工业机,器,器人的,性,性能指,标,标,自由度独立运,动,动数，,自,自由度,数,数越高,，,，完成,的,的动作,越复杂，通用,性,性越强,，,，应用,范,范围也,越,越广。,工作空,间,间:机器人进行工,作,作的空,间,间范围,。,。,提取重力:,微型机,器,器人，,提,提取重,力,力10N以下；,小型机器人,，,，提取,重,重力10-50N；,中型机器人,，,，提取,重,重力50-300N；,大型机器人,，,，提取,重,重力300,-,-500N；,重型机器人,，,，提取,重,重力500N以上。,运动速度:运动速度影,响,响工作,效,效率，,与,与所提,取,取的重,力和位,置,置精度有,关,关。,位置精度:机器人定位精,度,度一般,在,在0.02-5mm范围,机器人,的,的工作,空,空间,a)圆柱坐,标,标机器,人,人b)球坐标,机,机器人c)关节机,器,器人,4.3,.,.2工业机,器,器人的,控,控制技,术,术,工业机,器,器人控,制,制系统,的,的组成,框,框图,工业机,器,器人控,制,制系统,的,的分类,按控制,回,回路：开环系,统,统和闭,环,环系统,按控制,硬,硬件：机械控,制,制、液,压,压控制,、,、顺序,控,控制和,计,计算机,控,控制,按自动,化,化程度,：,：顺序控,制,制、程,序,序控制,、,、自适,应,应控制,、,、智能,控,控制,按编程,方,方式：,物理设,置,置编程-由设置,固,固定限,位,位开关,，,，实现,启,启动/停机操,作,作,示教编,程,程-示教完,成,成操作,信,信息记,忆,忆，然,后,后再现,示,示教过,程,程,离线编,程,程-通过机,器,器人语,言,言进行,编,编程控,制,制,按控制,轨,轨迹：,点位控,制,制-不要求,末,末端操,作,作速度,和,和运动,轨,轨迹，,仅,仅要求,各,各坐标,精确控制,轮廓控,制,制-没有插,补,补器，,按,按离散,点,点坐标,及,及速度,完,完成轮,廓,廓控制,工业机,器,器人的,位,位置伺,服,服控制,位置伺,服,服控制,类,类型：,关节伺,服,服控制-以每个,关,关节作,为,为单输,入,入/单输出,系,系统；,坐标伺,服,服控制-以手臂,末,末端位,置,置矢量,作,作为控,制,制目标,值,值。,刚性臂,控,控制系,统,统的构,成,成,关节伺,服,服控制,关节伺,服,服控制,的,的构成,qdi:各关节,位,位移指,令,令目标,值,值,qi,qi:各关节,位,位置和,速,速度反,馈,馈信号,工业机,器,器人的,自,自适应,控,控制,模型参,考,考自适,应,应控制,自校正,适,适应控,制,制系统,示教编,程,程,示教阶,段,段:拨动示,教,教盒按,钮,钮或手,握,握机器,人,人手臂,，,，使之,按,按需要,姿势和,路,路线进,行,行工作,，,，示教,信,信息存,储,储在记,忆,忆装置,中,中。,工作再,现,现:从记忆,装,装置调,用,用存储,信,信息，,再,再现示,教,教阶段,动,动作。,点位控,制,制示教,：,：逐一使,每,每个轴,达,达到需,要,要编程,点,点位置,。,。,轮廓控,制,制示教：握住,示,示教臂,，,，以要,求,求速度,通,通过所,给,给路线,。,。,特点：通过示,教,教直接,产,产生控,制,制程序,，,，无须,手,手工编,程,程，简,单,单,方便，,适,适用于,大,大批量,生,生产。,不足：轨迹精,确,确度不,高,高，需,要,要存储,容,容量大,。,。,4.3,.,.3工业机,器,器人的,编,编程技,术,术,示教再,现,现式控,制,制系统,工,工作原,理,理,机器人,示,示教臂,离线编,程,程,HOLPSS离线编,程,程与仿,真,真系统,总,总体结,构,构框图,机器人,编,编程语,言,言,动作级,语,语言每一个,命,命令对,应,应一个,动,动作，,语,语句格,式,式为：,MOVE TO ,语句简,单,单，易,于,于编程,；,；不能,进,进行复,杂,杂计算,，,，通信,能,能力差,，,，代表,性,性语言,：,：VAL。,对象级,语,语言有与动,作,作语言,类,类似功,能,能，能,处,处理传,感,感器信,息,息；通,信,信和数,字,字运算,功,功能强,，,，代表,性,性语言,有,有AML、AUTOPASS。,任务级,语,语言操作者,直,直接下,命,命令，,不,不需要,规,规定机,器,器人每,个,个动作,细,细节，,自,自动推,理,理规划,，,，自动,生,生成机,器,器人的,动,动作。,工业机,器,器人发,展,展回顾,50年代-萌芽期58年第一,台,台工业,机,机器人,在,在美国,问,问世。,60年代-黎明期推出圆,柱,柱坐标,、,、球坐,标,标机器,人,人，日,本,本引进,美,美国机,器,器人技,术,术。,70年代-实用化,期,期计算机,控,控制机,器,器人、,关,关节型,机,机器人,问,问世，,推,推出VAL编程语,言,言、视,觉,觉力觉,传,传感器,；,；72年中国第一台,机,机器人,诞,诞生；70年代末,全,全世界,拥,拥有万台以上机,器,器人；,日,日本成,为,为机器,人,人王国,。,。,80年代-普及期80年代末,机,机器人,总,总数已,达,达45万台。,90年代-扩展渗,透,透期具有感,觉,觉机器,人,人实用,化,化，智,能,能机器,人,人相继,出,出现并,开,开始走,向,向应用,；,；1997年底，,机,机器人,总,总量达95万台。,4.3,.,.4工业机,器,器人发,展,展回顾,与,与展望,工业机,器,器人发,展,展展望,执行机,构,构-具有柔性感,、,、灵巧,性,性手爪,和,和手臂,；,；,驱动机,构,构-采用形状记,忆,忆合金,、,、人工,肌,肌肉、,压,压电元,件,件、挠,性,性轴等,新,新型驱,动,动器；,移动技术-步行、爬行,，,，由4足、6足、8足或更,多,多足组,成,成；,微型机器人-毫米、纳米级,机,机器人,，,，微小,位,位置姿,态,态控制,；,；微型,电,电池；,微,微小生,物,物运动,机,机构等,；,；,多传感,器,器集成,与,与融合技术-视觉、触觉,、,、嗅觉,、,、味觉,及,及其综,合,合；,新型智,能,能技术-模糊逻,辑,辑、神经,网,网络、,专,专家系,统,统、遗,传,传算法,等,等；,仿生机,构,构模仿生,物,物体构,造,造、移,动,动模式,、,、运动,机,机理、,能,能量分,配,配等，,人,人工肌,肉,肉、蛇,形,形移动,机,机构、,仿,仿象鼻,柔,柔性臂,、,、人造关节,59/181,点焊机器人：装配每,台,台汽车,车,车体一,般,般大约,需,需要完,成,成30004000个焊点,，,，其中60是由,点,点焊机,器,器人完,成,成的。,工业机,器,器人的应用,案,案例,喷漆机,器,器人,日本TOKICO公司生,产,产的RPA856RP关节式,喷,喷漆机,器,器人。,该,该机器,人,人由操,作,作机、,控,控制箱,、,、修正,盘,盘和液,压,压源四,部,部分组,成,成；有6个自由,度,度，可,连,连接工,件,件传送,装,装置做,到,到同步,操,操作。,手,手腕为,伺,伺服控,制,制型。,末,末端接,口,口可安,装,装两个,喷,喷枪同,时,时工作,1-小臂2-大臂3-转台4-基座,装配机,器,器人,搬运机,器,器人,该机器人,是,是用来,抓,抓取、,搬,搬运来,自,自输送,带,带或输,送,送机上,流,流动的,物,物品的,自,自动化,装,装置。,主,主要由,搬,搬人机,械,械部件,、,、机器,主,主体部,件,件、搬,出,出机械,部,部件和,系,系统控,制,制等基,本,本部分,组,组成。,1-装卸运,输,输机,2-极式输,送,送机,3-极式分配器,4-横进给,式,式输送,机,机,5-操作台,6-控制台,7-多工位,式,式输送,机,机,焊接机,器,器人,钣金机,器,器人,堆放机,器,器人,行走机器人2009年1月8日，北,京,京郊区农民在自家附,近,近操作,由,由他自,制,制的行,走,走机器,人,人拉着,的,的人力,车,车溜达,。,。这款,机,机器人,是,是热衷,于,于发明,创,创造的,吴,吴玉禄,制,制造的,最,最新、,最,最大的,机,机器人,。,。他用,从,从垃圾,堆,堆捡来,的,的金属,丝,丝、金,属,属片、,螺,螺丝钉,和,和钉子,等,等为材,料,料，从1986年就开,始,始制造,机,机器人。,奏乐机,器,器人2008年5月4日，丰,田,田汽车,公,公司的,机,机器人,在,在陈列,室,室中正,在,在演奏,乐,乐器。,人形握手机,器,器人2009年2月17日，在,伦,伦敦科,学,学博物,馆,馆里，,一,一名观,众,众在和,名,名叫“,贝,贝尔蒂,”,”（Berti）的机,器,器人握,手,手。它,是,是跟真,人,人一样,大,大的人,形,形机器,人,人，设,计,计师制,造,造它的,目,目的是,模,模仿人,类,类手势,。,。,“大狗,”,”机器人2009年2月4日，泰,国,国和美,国,国士兵,在,在金色,眼,眼镜蛇,联,联合军,事,事演习,开,开幕式,，,，观看,了,了一个,名,名叫“,大,大狗”,机,机器人,（,（BigDog）的精,彩,彩表演,。,。,手术机,器,器人,第四节,柔,柔性,制,制造技,术,术,4.4,.,.1柔性制,造,造系统,基,基本概,念,念,4.4,.,.2FMS的加工,系,系统,4.4,.,.3FMS的工件,运,运储系,统,统,4.4,.,.4FMS的刀具,运,运储系,统,统,4.4,.,.5FMS的控制,与,与管理,系,系统,FMS定义和组成,定义：由两台,以,以上加,工,工设备,、,、物料,运,运储和,控,控制系,统,统组成,，,，通过,改,改变软,件,件程序,适,适应多,品,品种、,中,中小批,量,量生产,自,自动化,制,制造系,统,统。,组成：,加工系,统,统-CNC、MC、FMC机床及,测,测量机,、,、清洗,机,机、动,平,平衡机,；,；,工件运,储,储系统-包括工,件,件装卸,站,站、自,动,动化仓,库,库、自,动,动化运,输,输小车,、,、机器,人,人、托,盘,盘缓冲,站,站、托,盘,盘交换,装,装置等；,4.4,.,.1柔性制,造,造系统,基,基本概,念,念,刀具运,储,储系统-包括刀,具,具预调,站,站、刀,具,具装卸,站,站、中,央,央刀库,、,、机床,刀,刀库、,刀,刀具输,送,送与交,换,换装置,等,等；,控制系,统,统-对FMS进行计,划,划调度,、,、运行,控,控制、,物,物料管,理,理、系,统,统监控,和,和网络,通,通信等,；,；,其他-冷却、,润,润滑、,排,排屑、,清,清洗、,去,去毛刺,等,等附属,设,设备。,FMS基本组,成,成,典型的,柔,柔性制,造,造系统,柔性高，适应,多,多品种,中,中小批,量,量生产,；,；,系统内,的,的机床,在,在工艺,能,能力上,是,是相互补,充,充或相互替,代,代的；,可混流加,工,工不同的,零,零件；,系统局,部,部调整,或,或维修不中断整个系,统,统的运,作,作；,递阶结,构,构的计算,机,机控制,，,，可以,上,上层计,算,算机联,网,网通信,；,；,可进行,第,第三班无人值,守,守生产。,FMS的特点,柔性制,造,造单元,1-加工中,心,心机床2-托盘3-托盘站,4-环形工,作,作台5-工件交,换,换台,不同类,型,型柔性,设,设备的,适,适用范,围,围,加工系,统,统的功,能,能与要,求,求,工序集,中,中，减,轻,轻物流,负,负担，,减,减少装,夹,夹次数,；,；,控制功,能,能强、,扩,扩展性,好,好；,高刚度,、,、高精,度,度、高,速,速度；,自保护,与,与自维,护,护性好,；,；,使用经,济,济性好,；,；,对环境,的,的适应,性,性与保,护,护性好,。,。,4.4,.,.2FMS的加工,系,系统,加工系,统,统常用,配,配置形,式,式,棱体类,零,零件：立式、,卧,卧式或,立,立卧两,用,用加工,中,中心；,回转体,零,零件：数控车,床,床或车,削,削加工,中,中心机,床,床。,配置形,式,式：,互替式-是并联,配,配置，,各,各机床,功,功能可,互,互相代,替,替，具有好,的,的工艺柔,性,性和较,宽,宽的工,艺,艺范围,。,。,互补式-是串联,配,配置，,功,功能互,相,相补充,，,，各自,完,完成特,定,定的加,工,工任务,，,，生产,率,率高，,降,降低了,可,可靠性,。,。,混合式-互替式,与,与互补,式,式结合,。,。,卧式加,工,工中心,1-主轴头2-刀库3-刀库4-立柱底,座,座,5-回转工,作,作台、6-工作台,底,底座,车削加,工,工中心,1-刀库2-回转刀,架,架,3-换刀机,械,械手4-上下工,件,件机器,人,人5-工件存,储,储站,a)互替式b)互补式c)混合式,FMS机床配,置,置形式,加工系,统,统的辅,助,助装置,机床夹,具,具,组合夹,具,具：利,用,用标准,化,化夹具,零,零部件,快,快速拼,装,装所需,夹,夹具；,柔性夹,具,具：一,部,部夹具,能,能为多,个,个加工,对,对象服,务,务。,托盘（Pallet）承载工,件,件和夹,具,具完成,加,加工任,务,务，是,各,各加工,单,单元间,的,的硬件,接,接口。,自动上,下,下料装,置,置,托盘交,换,换器：,联,联接加,工,工系统,和,和物料,运,运储系,统,统桥梁,；,；,工业机,器,器人：,具,具有较,大,大的柔,性,性度。,组合夹,具,具,柔性夹,具,具,ISO标准规,定,定的托,盘,盘基本,形,形状,1-托盘导,向,向面2-侧面定,位,位面3-安装螺,孔,孔,4-工件安,装,装面5-中心孔6-托盘搁,置,置面7底面,8-工件固,定,定孔9-托盘夹,紧,紧面10-托盘定,位,位面,回转式,托,托盘交,换,换器,往复式,托,托盘交,换,换器,4.4,.,.3FMS的工件,运,运储系,统,统,工件装,卸,卸站设在FMS入口，,由,由人工,完,完成装,卸,卸；,托盘缓,冲,冲站工件中,间,间存储,站,站，起,缓,缓冲物,料,料作用,；,；,自动化,仓,仓库多层立,体,体布局,结,结构，,由,由计算,机,机控制,，,，服从FMS命令和,调,调度；,物料运,载,载装置负责在,机,机床、,自,自动化,仓,仓库和,托,托盘缓,冲,冲站之,间,间物料,搬,搬运作,业,业。,传送带：用于,小,小零件,短,短程传,送,送，占,据,据空间,大,大、易,磨,磨损；,自动运,输,输小车：分有,轨,轨小车,、,、无轨,小,小车；,搬运机,器,器人：具有,较,较高柔,性,性和控,制,制水平,。,。,FMS工件运,储,储系统,组,组成,FMS物料输,送,送基本,回,回路,直线输,送,送回路沿直线,路,路线单,向,向或双,向,向移动，,顺序地在各个连接点,停,停靠；,环形输,送,送回路运载工,具,具沿环,形,形路线,单,单向或双,向移动；,网状输,送,送回路由多个,回,回路相,互,互交叉,组,组成，可,由一条环路移动到,另,另一回,路,路。,运输小,车,车,结构：,车体,安装平,台,台,托盘交,换,换装置,蓄电池,控制系,统,统,自动运,输,输小车,导,导向,有轨小,车,车铁轨导,向,向，速,度,度快，,负,负载能,力,力大，,停,停靠准,确,确，可,靠,靠好，,制,制造成,本,本低，,线,线路不,便,便更动,，,，转角,不,不宜太,大,大。,线导小,车,车电磁感,应,应导向,，,，柔性,大,大、扩,展,展性好,、,、不怕,污,污染、,工,工作可,靠,靠。,光导小,车,车采用带,有,有荧光,材,材料油,漆,漆或色,带,带，通,过,过光电,制,制导，,改,改变线,路,路非常,容,容易，,对,对环境,要,要求严,格,格。,激光灯,台,台制导小车顶,部,部装有,激,激光装,置,置，通,过,过固定,位,位置反,射,射激光,束,束信息,，,，确定,小,小车位,置,置。,AGV电磁感,应,应制导,原,原理,激光灯,台,台制导,原,原理,自动化,仓,仓库,货架为一个,个,个存储,单,单元，,设,设有地,址,址编码,，,，货架,之,之间有,巷,巷道，,每,每个巷,道,道配有,专,专用堆,垛,垛机。,堆垛机由托架,、,、货叉,、,、支柱,、,、上下,导,导轨、,移,移动电,动,动机以,及,及传感,器,器构成,的,的三维,搬,搬运设,备,备。,控制与,管,管理系,统,统负责物,料,料信息,的,的登录,、,、识别,，,，物料,自,自动存,取,取，仓,库,库管理,。,。,自动化,仓,仓库示,意,意图,堆垛机,结,结构示,意,意图,1-上导轨,2-支柱,3-物料,4-托架,5-移动电,动,动机,6-传感器,4.4,.,.4FMS的刀具,运,运储系,统,统,刀具运,储,储系统,的,的组成,刀具预,调,调站设在FMS之外，,按,按要求,对,对刀具,进,进行装,配,配和调,整,整；,刀具装,卸,卸站是刀具,进,进出FMS入口，,多,多为排,架,架式框,架,架结构,；,；,刀具库,系,系统存放当,前,前加工,所,所需的机床刀,库,库，容量,小,小；存,放,放各加,工,工单元,共,共享的中央刀,库,库，容量,大,大；,刀具运,载,载交换,装,装置负责刀,具,具运输,和,和交换,，,，适时,向,向加工,单,单元提,供,供所需,刀,刀具；,计算机,控,控制管,理,理系统-控制刀,具,具运输,、,、存储,和,和管理,，,，监控,管,管理刀,具,具的使,用,用，及,时,时取走,已,已报废,或,或寿命,已,已耗尽,的,的刀具,。,。,刀具运,储,储系统,作,作业过,程,程,刀具刃,磨,磨,人工组,装,装,刀具,预调,刀具,装卸站,中央,刀具库,需重磨,或,或报废,刀,刀具,加工单,元,元刀库,加工单,元,元刀库,加工单,元,元刀库,刀具运,载,载交换,装,装置,FMS中刀具,交,交换内,容,容：,机床刀,库,库与机,床,床主轴,刀,刀具交,换,换-由机床,换,换刀装,置,置完成,；,；,刀具装,卸,卸站、,中,中央刀,库,库、各,机,机床刀,库,库间刀,具,具交换,；,；,AGV运载刀,架,架与机,床,床刀库,间,间刀具,交,交换。,刀具交,换,换运载,工,工具：,换刀机,器,器人-有地轨,和,和高架,导,导轨形,式,式；,刀具运,载,载小车-在小车,上,上放置,一,一个装,载,载刀架,，,，并附,设,设小,型机器,人,人，负,责,责刀具,交,交换。,高架导,轨,轨式的,换,换刀机,器,器人,1-纵向导,轨,轨2-横梁3-滑台4-换刀机,器,器人,高架导,轨,轨式的,换,换刀机,器,器人,1-AGV2,-,-装载刀,架,架3-机器人4-机床刀,库,库,刀具破,损,损的监,控,控,监测方法,传 感 原 理,传 感 器,直接法,光学图像,光发射、折射、,TV,摄像,光敏、激光、光纤、,CCD,、摄像管,接触,电阻，开关量，磁力线,电阻电路，开关电路，磁间隙传感器,间接法,切削力,切削力，切削分力比例,应变片，力传感器,扭矩,主轴或进给系统扭矩,应变片，电流表,功率,主轴或进给系统功率消耗,功率传感器,振动,切削过程振动及其变化,加速度计，振动传感器,超声波,接受超声波的反射波,超声波换能器与接受器,噪声,切削区环境噪声探测,拾音器,声发射,刀具破损时声发射信号,声发射传感器,刀具的,信,信息管,理,理,静态刀,具,具信息,：,：固定不,变,变的信,息,息，如,刀,刀具类,型,型、编,码,码、几,何,何,形状、,结,结构参,数,数等。,动态刀,具,具信息,：,：随时间,不,不断变,化,化的刀,具,具参数,，,，如刀,具,具寿命,、,、,实际参,与,与切削,时,时间、,工,工作直,径,径和长,度,度等。,四层结,构,构的刀,具,具信息,管,管理系,统,统：,第1层-实时动,态,态文件,，,，每把,在,在线刀,具,具都拥,有,有独立,文,文件，,记载刀,具,具实时,动,动态数,据,据；,第2层-静态刀,具,具类型,文,文件，,每,每一类,刀,刀具拥,有,有一个,文,文件；,第3层-刀具组,件,件文件,；,；,第4层-刀具元,件,件文件,。,。,FMS刀具信,息,息的管,理,理,4.4,.,.5FMS的控制,与,与管理,系,系统,FMS控制与,管,管理系,统,统的体,系,系结构,递阶控,制,制结构,：,：将复杂,系,系统分,层,层分模,块,块设置,，,，各层,相,相对独,立,立，便,于,于系统,的,的开发,和,和维护,。,。,递阶控,制,制特点,：,：愈往底,层,层，实,时,时性愈,强,强；愈,到,到上层,，,，处理,信,信息量,愈,愈大，,实,实时性,要,要求愈,小,小。,FMS三层递,阶,阶控制,结,结构,系统管,理,理与控,制,制层（,单,单元控,制,制层）-接受上,级,级任务,，,，制,定系统,作,作业计,划,划，进,行,行任务,分,分配，,监,监控系,统,统执行,；,；,过程协,调,调与监,控,控层（,工,工作站,层,层）-加工程,序,序分配,、,、协调,工件流,动,动、运,行,行状态,采,采集监,控,控、向,上,上层反,馈,馈信息,；,；,设备控,制,制层-控制设,备,备工作,循,循环，,执,执行上,层,层控制,指,指令，,反馈现,场,场数据,。,。,单元控,制,制器,铣削工,作,作站,车削工,作,作站,物流管,理,理工作,站,站,CNCNo1,CNCNo2,PLC,自动化,仓,仓库,AGV,ROBOT,刀具管,理,理,.,FMS递阶控,制,制结构,CNCNo1,CNCNo2,PLC,.,单元层,工作站,层,层,设备层,Win,-,-AC,CP5613,(一类主,站,站),P4微机,Win,-,-CC,(二类主,站,站),ET200,I/O接口,工业,机器人,数控,铣床,加工,中心,成品库,毛坯库,RGV,缓冲库,CAD,/,/,CAM,MIS,Profibus接口,FMS单元控,制,制器功,能,能,通信管,理,理与运,行,行控制-实现上,下,下层信,息,息通讯,，,，控制,内,内部模,块,块运行,；,；,系统信,息,息管理-对单元,信,信息进,行,行存储,、,、管理,和,和维护,；,；,作业计,划,划制定-根据上,级,级下达,任,任务制,定,定本单,元,元作业,计,计划，,并,并进行,计,计划调,整,整；,系统作,业,业调度-具有系,统,统仿真,、,、静/动态调,度,度、系,统,统资源,调,调度等,功,功能；,系统过,程,程监控-监控系,统,统状态,变,变化，,故,故障处,理,理，其,结,结果传,送,送至系,统,统信息,管,管理模,块,块和上,级,级控制,器,器。,FMS单元控,制,制器的,功,功能模,型,型,FMS控制系,统,统的信,息,息流,本章小,结,结,数控系,统,统发展,经,经历了,硬,硬件数,控,控NC和计算,机,机数控两个阶,段,段CNC,电子管,、,、晶体,管,管、小,规,规模集,成,成电路,、,、小型,计,计算机,、,、微处,理,理器、PC微机数,控,控系统6代；,开放式,数,数控系,统,统是当,前,前数控,系,系统发,展,展的主流，有专,用,用数控,嵌,嵌入PC主板、PC机+运动控,制,制卡、,纯,纯PC软件型,三,三种常,见,见类型,；,；,目前全,世,世界机,器,器人拥,有,有量已,超,超过100万台，具有,感,感觉机,器,器人实,用,用化，,智,智能机,器,器人相,继,继出现,并,并开始,走,走向应,用,用；,FMS由两台,以,以上机,床,床、自,动,动化物,料,料运储,系,系统和,一,一套计,算,算机控,制,制系统,所,所组成,的,的制造,系,系统,FMS控制系,统,统由系,统,统管理,与,与控制,层,层（单元控,制,制层）、过,程,程协调,与,与监控,层,层（工作站,层,层）、设备控,制,制层组成,