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1、.,4.1 制造自动化技术概论 4.1.1 制造自动化技术的定义、内涵 最初“自动化(Automation)”是美国人D.S.Harder于1936年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是自动化。这是早期制造自动化的概念。,第六章 制造自动化技术,.,随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。今天，制造自动化已远远突破了上述传统的概念，具有更加宽广和深刻的内涵。制造自动化的广义内涵至少包括以下几点。,.,(1) 在形式方面，制造自动化有三个方面的
2、含义： 代替人的体力劳动。 代替或辅助人的脑力劳动。 制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。,.,(2) 在功能方面，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系的一部分。制造自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。此体系可用功能目标模型描述。功能目标模型简称TQCSE模型，其中T表示时间(Time)，Q表示质量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服务(Service)，E表示环境友善性(Environment)。,.,(3) 在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体的生产制造过程，而且涉及产品生命周期的所有过程。 4.1.2 制造自动化技术
3、的发展历程及进展 随着科学技术的进步，机械制造自动化技术也由最初的主要依靠机械结构加上继电器等组成的刚性自动化机床和生产线发展到现今依靠,.,信息技术和先进的生产管理方法形成的高柔性化设备技术。 如表4-1所示，其发展历程及典型产品大致经历了4个阶段。,.,表4-1机械制造自动化发展的四个阶段,.,国内外对制造自动化技术的研究非常重视，已经进行了大量研究，主要表现在以下7个方面。 1. 制造系统中的集成技术和系统技术已成为制造自动化技术研究中的热点问题； 2. 更加注重研究制造自动化系统中人的作用的发挥； 3. 单元系统的研究仍然占有重要的位置,.,4. 制造过程的计划和调度研究十分活跃，但实
4、用化的成果还不多见； 5. 柔性制造技术的研究向着深度和广义发展； 6. 适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起； 7. 底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃；,.,4.1.3 制造自动化技术的关键技术 实现21世纪制造自动化所涉及的关键技术主要有： （1）集成化技术。 （2）智能化技术。 （3）网络技术。 （4）分布式并行处理技术。 （5）多学科、多功能综合产品开发技术。,.,(6) 虚拟现实技术。 (7) 人机环境系统技术。 4.2 自动化制造装备 4.2.1 数控机床 1.CNC数控机床的组成 数控机床一般由输入/输出设备、CNC装置(或称CNC单元)、伺服单元、驱动装置(或称执
5、行机构)、可编程控制器(PLC)及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。,.,图4-1是数控机床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为计算机数控(CNC)系统。,图4-1 数控机床组成框图,.,1) 机床本体 CNC机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加之在加工中是自动控制，不能像在普通机床上那样由人工进行调整、补偿，因而其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。,.,2) CNC装置 CNC装置是CNC系统的核心，主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成
6、部分联系的接口等。数控机床的CNC系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性化，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。,.,3) 输入/输出设备 键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。此外，还可以用串行通信的方式输入数字信息。数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形。操作人员通过显示器获得必要的信息。常见数控系统操作面板如图4-2所示。,.,4) 伺服单元 伺服单元是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按
7、电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。,.,5) 驱动装置 驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。,.,伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，因此，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。,.,6) 可编程控制器 可编程控制器(Programmabl
8、e Controller，PC)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计。由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制，故称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。,.,当PLC用于控制机床顺序动作时，也称之为编程机床控制器(Programmable Machine Controller，PMC)。 PLC已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。用于数控机床的PLC一般分为两类：,.,一类是CNC的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起
9、来设计的PLC产品，称为内装型(或集成型)PLC，内装型PLC是CNC装置的一部分； 另一类是以独立、专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为独立型(或外装型)PLC。,.,7) 测量装置 测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。,.,按有无检测装置，CNC系统可分为开环与闭环数控系统，而按测量装置的安装位置又可分为闭环与半闭环数控系统。 开环数控系统的控制精度取决于步进电机和丝杠的精度， 闭环数控系统的控制精
10、度取决于检测装置的精度。,.,因此，测量装置是高性能数控机床的重要组成部分。此外，由测量装置和显示环节构成的数显装置，可以在线显示机床移动部件的坐标值，大大提高机床工作效率和工件的加工精度。 2CNC系统的研究与发展 目前，数控系统发展主要有如下趋势： (1) 总线式、模块化结构的CNC装置：,.,采用多微处理机、多主总线体系结构，可以提高系统的计算能力和响应速度；模块化有利于满足用户需要，构成最小至最大系统。 (2) 在PC机基础上开发CNC装置： 充分利用通用PC机丰富的软件资源，随PC机硬件的升级而升级；适当配置高分辨率的彩色显示器；通过图像、多窗口、菜单驱动以及多媒体等方式，得到友好的
11、人机界面。,.,(3) PLC数控：PC既作为人机界面，利用其容量大、存储能力强和通信能力强的优点，又可进行机床控制，实现PC数控。 (4) 大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能，使其具备通信联网能力，支持多种通用和专用的网络操作系统，为工厂自动化提供基础设备。,.,(5) 将多种控制功能(如刀具破损检测、物料搬运、机械手控制等)集成到数控系统中，使系统实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力。 (6) 面向车间编程技术和智能化：系统能提供会话编程、蓝图编程和CAD/CAM等面向车间的编程技术
12、，实现二三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制智能机制。,.,4.2.2 加工中心 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数控机床。它的最大特点是工序集中，自动化程度高，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，实现高质、高效加工。,.,常见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、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用(也称万能、五面体、复合)加工中心。图4-3给出了卧式加工中心和立式加工中心的外观图。,.,1. 镗铣加工中心
13、镗铣加工中心可完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作，它与普通数控镗床和数控铣床的区别之处主要在于它附有刀库和自动换刀装置。衡量加工中心刀库和自动换刀装置的指标有刀具存储量、刀具(加刀柄和刀杆等)最大尺寸与重量、换刀重复定位精度、安全性、可靠性、可扩展性、选刀方法和换刀时间等。,.,加工中心的刀库有链式、盘式和转塔式等基本类型，如图4-4所示。,图4-4 加工中心刀库的基本类型 (a) 转塔式；(b) 链式；(c) 盘式,.,2车削加工中心 车削加工中心简称为车削中心(Turning Center)，它是在数控车床的基础上为扩大其工艺范围而逐步发展起来的。车削中心目前尚无比较权威性的明确定义，但一般都认
14、为车削中心应具有如下特征：带刀库和自动换刀装置，带动力回转刀具，联动轴数大于2 (见图4-7)。,.,由于有这些特征，车削中心在一次装夹下除能完成车削加工外，还能完成钻削、攻螺纹、铣削等加工。车削中心的工件交换装置多采用机械手或行走式机器人。随着机床功能的扩展，多轴、多刀架以及带机内工件交换器和带棒料自动输送装置的车削中心在FMS中发展较快，这类车削中心也被称为车削FMM(Flexible Manufacturing Module)。,.,如对置式双主轴箱、双刀架的车削中心可实现自动翻转工件，在一次装夹下完成回转体工件的全部加工。,图4-5 几种双臂式机械手示意图 (a) 双机械手；(b) 双
15、臂往复交叉式机械手；(c) 双臂端面夹紧式机械手,.,图4-6 双臂式机械手的手爪结构示意图 (a) 钩手；(b) 抱手；(c) 伸缩手；(d) 叉手,.,图4-7 车削中心,.,4.2.3 工业机器人 1. 工业机器人的定义 “机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小说家、剧作家恰佩克在他写的科学幻想戏剧罗素姆万能机器人中第一次使用了机器人一词，此后该词被欧洲各国语言所吸收而成为专有名词。,.,1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。” 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动
16、化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。,.,工业机器人(通用及专用)一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造，某些家电产品(电视机、电冰箱、洗衣机)、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配，以及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。图4-8分别示出了搬运机器人、涂料机器人和焊接机器人。,.,2. 工业机器人的组成 如图4-9所示，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。,.,图4-9 工业机器人的结构组成及运动方式,.,(1) 执行机构 执行机构是一种具有和人手相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其它操作的机械装置，通常包括如下一些部件： 手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。此外，在手部安装的某些专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器等，可视为专用的特殊手部。,.,腕部：是连接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。
