先进制造技术

,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,4,章 制造自动化技术,4.1,概述,4.2,工业机器人（,Industrial Robot),4.3,柔性制造系统（,FMS,）,4.1,概述,4.1.1,制造自动化技术内涵,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。,制造自动化是人类在长期的生产活动中不断追求的目标。在“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,下一页,返回,4.1,概述,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。而在“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。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,4.1.2,制造自动化技术的现状,制造自动化的发展经历了一个漫长的发展过程，见,表,4-1,。回顾历史，可将制造自动化的发展历程分为刚性自动化、柔性自动化和综合自动化三个发展阶段。,刚性自动化：主要表现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，其主要特点是生产效率高、加工品种单一。这个阶段于,20,世纪,50,年代达到了顶峰。,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,上一页,下一页,返回,4.1,概述,（,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：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。,制造自动化技术是先进制造技术中的重要组成部分，也是当今制造工程中涉及面广、研究十分活跃的技术。综合而言，制造自动化技术目前的研究主要表现在以下几个方面。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,1,制造系统中的集成技术和系统技术已成为研究热点,近年来，在单元技术如计算机辅助技术（,CAD,、,CAPP,、,CAM,、,CAE,等）、数控技术、过程控制与监控技术等继续发展的同时，制造系统中的集成技术和系统拄术的研究已成为制造自动化研究的热点。集成技术包括制造系统的信息集成技术（如,CIMS,）、过程集成技术（如并行工程,CE,）、企业集成技术（如敏捷制造,AM,）等；系统技术包括制造系统分析技术、制造系统建模技术、制造系统运筹技术、制造系统管理技术和制造系统优化技术等。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,2,更加注重制造自动化系统中人因作用的研究,在过去一段时期，人们曾经认为全盘自动化工厂是制造自动化发展的目标。随着一些无人化工厂的实践和实施的失败，人们对无人化制造自动化问题进行了反思，并对人在制造自动化系统中的重要作用进行了重新认识，提出了“人机一体化制造系统”、“以人为中心的制造系统”等新思想，其内涵就是要发挥人的核心作用，将人作为系统结构中的有机组成部分，使人与机器处于合作优化的地位，实现制造系统中人与机器一体化的人机集成的决策机制，以取得制造系统的最佳效益。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,3,数控单元系统的研究仍然占有重要的位置,以一台或多台数控加工设备和物料储运系统为主体的数控单元系统，在计算机统一控制管理下，可进行多品种、中小批量零件自动化加工生产，它是现代集成制造系统（,CIMS,）的重要组成部分，是车间作业计划的分解决策层和具体执行机构。国内外制造业在数控单元系统的理论和技术研究方面投入了大量的人力物力，无论是软件还是硬件均有迅速的发展。近年来，基于多主体（,MultiAgent,）的单元制造系统的研究正在兴起。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,4,制造过程的计划和调度研究十分活跃,在制造厂从原材料进厂到产品出厂的制造过程中，机械零件只有,5,的时间是在机床上加工，而其余的,95,时间零件是在不同地点和不同机床之间运输或等待。减少这,95,的时间是提高制造生产率的重要方向。优化制造过程的计划和调度是减少,95,时间的主要手段。有鉴于此，国内外对制造过程的计划和调度的研究非常活跃，发表了大量的研究论文和成果。但由于制造过程的复杂性和随机性，使得能进入实用化、特别是适用面较大的研究成果很少，大量的研究还有待于进一步深化。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,5,柔性制造技术的研究向着深度和广度发展,FMS,的研究已有较长历史，但至今仍有大量学者对此进行研究。目前的研究主要是围绕,FMS,系统结构、控制、管理和优化运行等方面进行。,DNC,技术近年来得到了很大发展。,DNC,有两种不同的含义：一是,Directed Numerical Control,，即计算机直接数控；另一是,Distributed Numerical Control,，即分布式数控。分布式数控强调信息的集成与信息流的自动化，物流的控制与执行可大量介入人机交互。相对,FMS,来说，,DNC,具有投资小、见效快、柔性好和可靠性高的特点，因而近年来对,DNC,的研究非常活跃。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,6,适应现代生产模式制造环境的研究正在兴起,当前，并行工程（,CE,）、精益生产（,LP,）、敏捷制造（,AM,）、仿生制造（,BM,）等现代制造模式的提出和研究，推动了制造自动化技术研究和应用的发展，以适应现代制造模式应用的需要。围绕敏捷制造模式的研究，主要包括敏捷制造模式下的制造自动化系统体系结构、高效柔性制造系统的建模与重构、制造能力测量、评价与控制和制造加工过程的虚拟制造等。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,7,底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃,目前，在世界上智能制造系统,(IMS),计划中提出了智能完备制造系统（,Holonic,Manufacturing System,，,HMS),。,HMS,是由智能完备单元复合而成，其底层设备具有开放、自律、合作、可知、适应柔性、易集成等特性。另外，近年来推出的虚拟轴机床，变革了传统机床的工作原理，其性能上有许多独特优势，特别有利于实现车间内各虚拟轴机床的控制和集成。如快速原型制造（,RPM,）是一种有利于实现集成制造的新技术，近年来各种快速原型新工艺的研究非常活跃。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,4.1.3,制造自动化技术发展趋势,纵观新世纪的制造自动化技术发展趋势，可用六个方面来概括，即敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、全球化、绿色化。,（,1,）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 基于,Internet/Intranet,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，,上一页,下一页,返回,4.1,概述,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 包括设计过程的拟实技术和加工制造过程的虚拟技术，前者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；后者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。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,（,4,）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。这其中包括市场的国际化，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。,上一页,下一页,返回,4.1,概述,（,6,）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头，因而产生了绿色制造的新概念。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响最小、资源利用效率最高。绿色制造已成为全球可持续发展战略对制造业的具体要求和体现。,上一页,返回,4.2,工业机器人 （,Industrial Robot),4.2.1,工业机器人的定义,工业机器人是一种可重复编程的多自由度的自动控制操作机，是涉及机械学、控制技术、传感技术、人工智能、计算机科学等多学科技术为一体的现代制造业的基础设备。当前国内外对机器人的研究十分活跃，应用领域日益广泛，机器人的研究和应用水平也是衡量一个国家制造业及其工业自动化水平的标志之一。,4.2.2,工业机器人的组成与分类,1,工业机器人的组成,下一页,返回,4.2,工业机器人 （,Industrial Robot),图,4-1,所示是一个典型的关节型工业机器人。从图,4-1,可知，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,）执行机构 是一组具有与人手脚功能相似的机械机构，又俗称操作机，通常包括如下的组成部分：,1,）手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。若在手部安装专用工具，如焊枪、电钻、电动螺钉拧紧器等，就构成了专用的特殊手部。工业机器人手部有机械夹持式、真空吸附式、磁性吸附式等不同的结构形式。,上一页,下一页,返回,图,4-1,工业机器人的结构组成,返回,4.2,工业机器人 （,Industrial Robot),2,）腕部：是联接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。,3,）臂部：是支撑手腕和手部的部件，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。,4,）机身：又称立柱，是支撑臂部的部件，用以扩大臂部活动和作业范围。,5,）机座及行走机构：是支撑整个机器人的基础件，用以确定或改变机器人的位置。,上一页,下一页,返回,4.2,工业机器人 （,Industrial Robot),（,2,）控制系统 控制系统是机器人的大脑，控制与支配机器人按给定的程序动作，并记忆人们示教的指令信息，如动作顺序、运动轨迹、运动速度等，可再现控制所存储的示教信息。,（,3,）驱动系统 是机器人执行作业的动力源，按照控制系统发来的控制指令驱动执行机构完成规定的作业。常用的驱动系统