第7章制造自动化技术知识课件

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1、第六章 制造自动化技术,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。,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含义： 代替

2、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。,(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

3、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

4、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

5、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。,图4-2常见数

6、控系统操作面板,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

7、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(Programmable 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

8、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

9、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。 2、数控机床的类别 数控机床的品种很多，根据其控制原理、功能和组成，可以从几个不同的角度进行分类：,1）按运动方式分类 点位控制系统 只控制刀具从一点移到另一点的位置，而在移动过程中不进行切削加工，如坐标镗床、钻床和冲床等。,直线控制系统

10、 直线控制系统是控制刀具或基础工作台以一定速度，沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一位置的精确移动。也称点位直线移动控制系统。,轮廓控制系统 是对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制(二轴、二轴半、三轴、四轴、五轴联动)，它不仅要控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且要控制整个加工过程的每一点的速度、方向和位移量，即要控制加工的轨迹，加工出要求的轮廓。 运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。,这类机床的数控装置的功能是最齐全的，能够进行两坐标甚至多坐标联动的控制，也能够进行点位和直线控制。 除了少数专用的数控机床，如数控钻床、冲床等以外，现代的数控机床都具有轮廓控制功能。 2）按控制方式

11、分类： 开环数控机床 指不带反馈的控制系统，系统内没有位置反馈,元件，通常采用步进电机作为执行机构。输入的数据经过数控系统的运算，发出指令脉冲，通过环形分配器和驱动电路，使步进电机转过一个步距角，再经过传动机构带动工作台移动一个脉冲当量的距离。移动部件的移动速度和位移由输入脉冲的频率和脉冲个数决定的。 半闭环数控机床,在驱动电机端部或在传动丝杠端部安装角位移检测装置（光电编码器或感应同步器），通过检测电机或丝杠的转角间接测量执行部件的实际位置或位移，然后反馈到数控系统中。获得比开环系统更高的精度，但它的位移精度比闭环系统的要低，与闭环系统相比，易于实现系统的稳定性。现在大多数数控机床都广泛采用

12、这种半闭环进给伺服系统。 惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围,内。 闭环数控机床 在机床移动部件上直接接有检测装置，将测得的结果直接反馈到数控系统中。实际上是将位移指令值与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，实时进行比较，根据其差值进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位。 3）按加工方式分类：,金属切削类：如数控车、钻、镗、铣、磨加工机床或加工中心。 金属成形类：如数控折弯机、弯管机、压力机等。 特殊加工类：如数控线切割、电火花、激光切割机等。 其它类：如数控火焰切割机、三坐标测量机等。 3）按控制的坐标轴分类：,两坐标轴数控机床 两轴联动，用于加工各种曲线轮廓的回转体，

13、如数控车床。 三坐标数控机床 三轴联动，多用于加工曲面零件，如数控铣床，数控磨床。 多坐标数控机床 四轴、五轴联动，多用于加工形状复杂的零件。 3CNC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，得到友好的人机界面。,(3) PLC数控：PC既作为人机界面，

14、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，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

15、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。,图4-3 加工中心外观图 (a) 卧式加工中心； (b) 立式加工中心,1. 镗铣加工中心

16、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 Manufact