自动化生产线和机器人技术应用

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1、智能化制造智能化制造自动化生产线与机器人技术应用自动化生产线与机器人技术应用智能化制造智能化制造智能化制造系统由于其加工工艺范围很广，涉及到很多设备。本课程主要介绍常用自动化生产线和工业机器人的类型及布局、各种自动化加工设备自动化加工设备、工件的储运系统工件的储运系统、刀具准备及储运系统刀具准备及储运系统、控制与监控系统控制与监控系统、各种辅助设备辅助设备以及自动化制造系统的控制系统自动化制造系统的控制系统。智能化制造智能化制造1 概述概述2 自动化加工设备自动化加工设备 3 工件储运设备工件储运设备4 刀具准备与储运系统刀具准备与储运系统5工业机器人工业机器人6 质量控制和运行监控系统质量控

2、制和运行监控系统7 辅助设备辅助设备8 控制系统控制系统思考题思考题 智能化制造智能化制造1 概述概述 1.1 刚性自动化生产1.刚性半自动化单机除上上、下下料料外，机床可以自动完成单个工艺过程的加工循环，这样的机床称为刚性半自动化机床。 2.刚性自动化单机 它是在刚性半自动化单机的基础上增加了自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。 智能化制造智能化制造3.刚性自动化生产线刚性自动化生产线是多工位生产过程，用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。 图1-1所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局图。该自动线年生产曲拐零

3、件17000件，毛坯是球墨铸铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面，因而采用了随行夹具随行夹具安装定位，便于工件的输送。 智能化制造智能化制造 1-1曲拐加工自动线(a)正视图；(b)俯视图智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造 刚性自动线生产率高生产率高，但柔性较差柔性较差，当加工件的变化时，需要停机、停线并对机床、夹具、刀具等工装设备进行调整或更换，如更换主铀箱，通常调整工作量大，停产时间较长。智能化制造智能化制造该曲拐加工自动线由七台组合机床和一个装卸工位组成。全线定位夹紧机构由一个泵站集中供油。工件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式传动装置驱动。 1.2 柔性制造单元

4、(FMC)柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）由单单台台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等组成。 智能化制造智能化制造1. FMC控制系统FMC控制系统一般分为两级，分别是单单元元控控制制级和设备控制设备控制级。（1）设备控制级。（2）单元控制级。 2. FMC的基本控制功能 FMC的基本控制功能包括： （1）单元中各加工设备的任务管理与调度。 （2）单元内物流设备的管理与调度。（3）刀具系统的管理。图1-2所示为一以加工回转体零件为主的柔性制造单元。 智能化制造智能化制造图1-2 柔性制造单元智能化制造智能化制造图1-3所示是加工棱体零件的柔性制造

5、单元。单元主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70把，采用双机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环形转盘，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。智能化制造智能化制造图1-3 带托盘库的柔性制造单元智能化制造智能化制造预备知识预备知识 常用的机械加工方法和设备常用的机械加工方法和设备智能化制造智能化制造金属切削加工金属切削加工是在机床机床上，利用刀具刀具切去工件工件毛坯上多余的金属层(加工余量），以获得具有一定的表面精度(形状、尺寸和位置精度)和表面质量的机械零件的机械加工力法。智能化制造智能化制造车削铣削刨削镗削磨削钻削常用机械加工方法电火花加工激光加

6、工精密及特种加工方法电解加工超声加工智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造1.3柔性制造系统(FMS)柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）由两两台台或或两两台台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现了物料流和信息流的自动化。其基本组成部分有：自自动动化化加加工工设设备备、工工件件储储运运系系统统、刀刀具具储储运运系系统统和多层计算机控制系统多层计算机控制系统等。1. 自动化加工设备组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，

7、也可能是柔性制造单元。 智能化制造智能化制造2. 工件储运系统 FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库和托盘（工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等;工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。3. 刀具储运系统FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。 智能化制造智能化制造4. 辅助设备FMS可以根据生产需要配置辅助设备。辅助设备一般包括自动清洗工作站,自动去毛刺设备,自动测量设备,集中切屑运输系统和集中冷却润滑系统等。 智能化制造智能化制造5.多层计算机控制系统FMS的控制系统采用三级控制，

8、分别是单单元元控控制制级、工工作作站站控控制制级、设设备备控控制制级。图1-4就是一个FMS控制系统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350卧式加工中心、XH714A立式加工中心和仓储设备等。（1）设备控制级。（2）工作站控制级。（3）单元控制级。 智能化制造智能化制造图1-4 FMS控制系统实例智能化制造智能化制造 图1-5是一种较典型的FMS，四台加工中心直线布置，工件储运系统由托盘站2、托盘输送车4、工件装卸工位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组成。智能化制造智能化制造图1-5 柔性制造系统的组成智能化制造智能化制造 柔性制造系统的主要特点有：柔性高，适应多品种中小批

9、量生产；系统内的机床在工艺能力上是相互补充和相互替代的；可混流加工不同的零件；系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；多层计算机控制，可以和上层计算机联网；可进行三班无人干预生产。智能化制造智能化制造图1-6所示是一个具有装配功能的柔性制造系统。柔性制造系统的主要特点有：柔性高，适应多品种中、小批量生产；系统内的机床工艺能力上是相互补充和相互替代的；可混流加工不同的零件；系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；多层计算机控制，可以和上层计算机联网；可进行三班无人干预生产。1.4柔性制造线(FML)柔性制造线（Flexible Manufacturing Line）由自动化加工设备、工件输送系统

10、和控制系统等组成。 智能化制造智能化制造图1-6 具有装配功能的柔性制造系统智能化制造智能化制造柔性制造线的主要优点是：具有刚性自动线的绝大部分优点；当批量不很大时，生产成本比刚性自动线低得多；当品种改变时，系统所需的调整时间又比刚性自动线少得多，但建立系统的总费用却比刚性自动线高得多。 1. 自动化加工设备;2. 工件输送系统;3. 刀具;智能化制造智能化制造图1-7为一加工箱体零件的柔性自动线示意图，它由两台对面布置的数控铣床，四台两两对面布置的转塔式换箱机床和一台循环式换箱机床组成。采用辊子传送带输送工件。这条自动线看起来和刚性自动线没有什么区别，但它具有一定的柔性。FML同时具有刚性自

11、动线和FMS的某些特征，在柔性上接近FMS，在生产率上接近刚性自动线。 智能化制造智能化制造图1-7 柔性制造线示意图智能化制造智能化制造自动化加工设备工件输送系统刀具FML数控机床、可换主轴箱机床传送带主轴箱装多把刀具，人工换刀智能化制造智能化制造1.5 柔性装配线(FAL)柔性装配线（FlexibleAssemblyLine）通常由装配站、物料输送装置和控制系统等组成。1.装配站FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人,不可编程的自动装配装置和人工装配工位。2.物料输送装置3.控制系统FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要控制物料的流向和自动装配站、装配机器人。图1-8是FAL的示意图

12、。 智能化制造智能化制造图1-8 柔性装配线示意图智能化制造智能化制造物料输送装配控制系统FAL装配机器人、装配装置、人工装配工位全线进行高度和监控装配站传送带和换向机构智能化制造智能化制造第二节第二节 自动化加工设备自动化加工设备1、组合机床、组合机床2、数控机床、数控机床智能化制造智能化制造 组合机床组合机床一般是针对某一种零件或某一组零件设计、制造的，常用于箱体、壳体和杂件类零件的平面、各种孔和孔系的加工往往能在一台机床上对工件进行多刀、多轴、多面和多工位加工。 组合机床的特点：组合机床的特点：工序集中，多刀同时切削加工，生产效率高；采用专用夹具和刀具(如复合刀具、导向套)，加工质量稳定

13、；常用液压、气动装置对工件定位、夹紧和松开，实现工件装夹自动化；常用随行夹具，方便工件装卸和输送；更换主轴箱可适应同组零件的加工，有一定的柔性；采用可编程控制器控制可与上层控制计算机通信；机床主要由通用部件组成，设计、制造周期短，建造自动化速度快。智能化制造智能化制造多工位小型组合机床喷油泵体精镗组合机床缸盖精加工组合机床智能化制造智能化制造2 数控机床数控机床 2.1 一般数控机床一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系统是非常重要的。1. 柔性高2.自动化程度高3.加工精度高且质量稳定 智能化制造智能化制造4.生产效率较高 5.具有刀具寿命管

14、理功能 6.具有通信功能现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。图3-10是数控装置的基本组成框图。智能化制造智能化制造图3-10 数控装置的基本组成框图智能化制造智能化制造CNC系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器（PC或可编程逻辑控制器PLC）、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成，如图3-11所示。 智能化制造智能化制造图3-11 CNC系统框图智能化制造智能化制造2.2 加工中心(MC)加工中心的系统基本组成与

15、一般数控机床一样，只是在此基础上增增加加了刀库和自动换刀装置而形成一类更复杂，但用途更广，效率更高的数控机床。加工中心配置有刀库和自动换刀装置，能在一台机床上完成车、铣、镗、钻、铰、攻螺纹、轮廓加工等多个工序的加工。加工中心机床具有工序集中，可以有效缩短调整时间和搬运时间，减少在制品库存，加工质量高等优点，因此常用于零件比较复杂，需要多工序加工，且生产批量中等的生产场合。加工中心通常是指镗铣加工中心，主要用于加工箱体及壳体类零件，工艺范围广。 智能化制造智能化制造加工中心加工中心通常是指镗铣加工中心，主要用于加工箱体及壳体类零件立式加工中心卧式加工中心平面零件的单面加工大型箱体零件的多面加工智

16、能化制造智能化制造刀具库刀具自动交换机构普通数控机床加工中心的特点：复杂工作台机械手顺序存取随机存取多面加工工件自动交换智能化制造智能化制造加工中心的刀具库通常位于远离主轴的机床侧面或顶部。 加工中心刀具的存取方式有顺序方式和随机方式，刀具随机存取是最主要的方式。正确安放刀具是成功执行数控程序的基本条件。回转工作台是卧式加工中心实现主轴运动的部件，主轴的运动可作为分度运动或进给运动。回转工作台有两种结构形式：仅用于分度的回转工作台用鼠齿盘定位，分度前工作台抬起，使上、下鼠齿盘分离，分度后落下定位，上、下鼠齿盘啮合，实现机械刚性连接；用于进给运动的回转工作台用伺服电机驱动，用回转式感应同步器检测

17、及定位，并控制回转速度，也称数控工作台。数控工作台和X、Y、Z轴及其它附加运动构成45轴轮廓控制，可加工复杂轮廓表面。 智能化制造智能化制造车削中心车削中心车削中心比数控车床工艺范围宽，工件一次安装，几乎能完成所有表面的加工，如内、外圆表面，端面，沟槽，内、外圆及端面上的螺旋槽，非回转轴心线上的轴向孔和径向孔等。车削中心回转刀架上可安装如钻头、铣刀、铰刀、丝锥等回转刀具，它们由单独的电动机驱动，也称自驱动刀具。在车削中心上用自驱动刀具对工件的加工分为两种情况：一种是主轴分度定位后固定，对工件进行钻、铣、攻螺纹等加工；另一种是主轴运动作为一个控制轴（C轴），C轴运动和X、Z轴运动合成为进给运动，

18、即三坐标联动，铣刀在工件表面上铣削各种形状的沟槽、凸台、平面等。智能化制造智能化制造车削中心12工位动力刀架动力头对刀仪智能化制造智能化制造车削中心回转刀架通常可装刀具1216把，这对无人看管柔性加工来说是不够的。因此，有的车削中心装备有刀具库，刀库有筒形或链形，刀具更换和存储系统位于机床一侧，刀库和刀架间的刀具交换由机械手或专门机构进行。车削中心采用可快速更换的卡盘和卡爪，普通卡爪更换时间为510min，而快速更换卡盘、卡爪的时间可控制在2min以内。卡盘有35套快速更换卡爪，以适应不同直径的工件。如果工件直径变化很大，则需要更换卡盘。有时也采用人工在机床外部用卡盘夹持好工件，用夹持有新工件

19、的卡盘更换已加工的工件卡盘的方法，工件-卡盘系统更换常采用自动更换装置。智能化制造智能化制造工件储运系统工件储运系统是自动化制造系统的重要组成部分，它将工件毛坯或半成品及时准确地送到指定加工位置，并将加工好的成品送进仓库或装卸站。工件储运系统为自动化加工设备服务使自动化制造系统得以正常运行，以发挥出系统的整体效益。第三节第三节 工件储运系统工件储运系统1、工件储运系统的组成、工件储运系统的组成2、工件输送设备、工件输送设备3、工件储存系统、工件储存系统智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造传送带运输小车工业机器人托盘及托盘交换装置智能化制造智能化制造步代式传送带摆杆步代式传送带链板履带式传送

20、带辊道式传送带智能化制造智能化制造有轨小车（RGV）自动导向小车（AGV）智能化制造智能化制造 3.1 有轨小车（RGV）有轨小车（RailGuideVehicle）是一种沿着铁轨行走的运输工具，有自驱和它驱两种驱动方式。自驱动有轨小车通过车上的小齿轮和安装在铁轨一侧的齿条啮合，利用交、直流伺服电动机驱动。它驱式有轨小车由外部链索牵引，在小车底盘的前、后各装一导向销，地面上修有一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟槽内，保证小车行进时沿着沟槽移动。 智能化制造智能化制造前面的销杆除作定向用外，还作为链索牵动小车的推杆。推杆是活动的，可在套筒中上下滑动。链索每隔一定距离有一个推头，小车前面的推杆可灵活

21、地插入或脱开链索的推头，由埋设在沟槽内适当地点的接近开关和限位开关控制。推杆脱开链索的推头，小车就停止。采用空架导轨和悬挂式机械手或机器人作为运输工具也是一种发展趋势，其主要优点是充分利用空间，适合于运送中、大型工件，如汽车车架、车身等。有轨小车的特点是：加速和移动速度都比较快，适合运送重型工件；导轨固定，行走平稳，停车位置比较准确；控制系统简单，可靠性好，制造成本低，便于推广应用；行走路线不便改变，转弯角度不能太小；噪声较大，影响操作工监听加工状况及保护自身安全。 智能化制造智能化制造3.2 自动导向小车（AGV）1.AGV的结构在自动化制造系统中使用的AGV大多数是磁感应式AGV。图1-1

22、3是一种能同时运送两个工件的AGV，它由运输小车、地下电缆和控制器三部分组成。 智能化制造智能化制造图1-13 磁感应AGV自动导向原理图智能化制造智能化制造2.AGV的自动导向;图1-13是磁感应AGV自动导向原理图，小车底部装有弓形天线3，跨设于以感应线4为中心且与感应线垂直的平面内。感应线通以交变电流，产生交变磁场。当天线3偏离感应线任何一侧时，天线的两对称线圈中感应电压有差值，误差信号经过放大，驱动左、右电动机2;左、右电动机有转速差，经驱动轮1使小车转向，使感应线重新位于天线中心，直至误差信号为零。 智能化制造智能化制造3.路径寻找;路径寻找就是自动选取岔道，AGV在车间的行走路线比

23、较复杂，有很多分岔点和交汇点。地面上有中央控制计算机负责车辆调度控制，AGV小车上带有微处理器控制板，AGV的行走路线以图表的格式存储在计算机内存中。3.3 自动化立体仓库自动化立体仓库的主要特点有：利用计算机管理，物资库存账目清楚，物料存放位置准确，对自动化制造系统物料需求响应速度快；与搬运设备（如AGV、有轨小车、传送带）衔接,能可靠、及时地供给物料；减少库存量，加速资金周转；充分利用空间，减少厂房面积；减少工件损伤和物料丢失；可存放的物料范围宽；减少管理人员，降低管理费用；耗资较大，适用于一定规模的生产。 智能化制造智能化制造1. 自动化立体仓库的组成 自动化立体仓库主要由库房、货架、堆

24、垛起重机、外围输送设备、自动控制装置等组成。图3-14所示为自动化立体仓库，高层货架成对布置，货架之间有巷道，随仓库规模大小可以有一到若干条巷道。 智能化制造智能化制造图3-14 自动化立体仓库智能化制造智能化制造2.堆垛起重机堆垛起重机是立体仓库内部的搬运设备。堆垛起重机可采用有轨或无轨方式，其控制原理与运输小车相似。仓库高度很高的立体仓库常采用有轨堆垛起重机。为增加稳定性，采用两条平行导轨，即天轨和地轨（如图3-15所示）。 智能化制造智能化制造图3-15 堆垛起重机智能化制造智能化制造自动化立体仓库的控制与管理仓库管理自动化出入库作业自动化帐目、货箱、货位及其他信息的计算机管理。货箱零件

25、的自动识别、自动认址、货格状态的自动检测以及堆垛机各种动作的自动控制等。智能化制造智能化制造货物的自动化识别与存取计算机管理计算机控制条形码编码技术物资管理、帐目管理、货位管理及信息管理堆垛起重机的控制智能化制造智能化制造第四节第四节 刀具准备及储运系统刀具准备及储运系统1、概述、概述2、组成、组成3、刀具预调仪、刀具预调仪4、中央刀库结构、中央刀库结构智能化制造智能化制造刀具准备与储运系统为各加工设备及时提供所需要的刀具，实现刀具供给自动化，使自动化制造系统的自动化程度进一步提高。定义刚性自动线中人工定时强制换刀，FMS中则非常复杂。智能化制造智能化制造刀具组装刀具预调刀具进出站机床刀库及换

26、刀机械手刀具输送装置和交换机构中央刀库模块化的组合刀具使刀具几何参数与名义值一致，并测量刀具补偿值。刀库与外部的界面中央刀库通过刀具自动输送装置与机床刀库连接起来，构成自动刀具供给系统。机床刀库有固定式和可换式。机械手分为单臂臂式和双臂式。为各种机床刀库及时提供所需要的刀具，并将磨损、破损的刀具送出系统。智能化制造智能化制造刀柄定位机构测量头Z、X轴测量机构测量数据处理智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造第五节第五节 工业机器人工业机器人5.1 工业机器人概况工业机器人是一种可编程的智能型自动化设备，是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。 机器人是从初级到高级逐步完善起来的

27、，它的发展过程可以分为三代。第一代机器人是目前工业中大量使用的示教再现型机器人，它主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器组成。 智能化制造智能化制造 工业机器人工业机器人是一种可编程的多功能操作器，用于搬运物料、工件和工具，或者通过不同的编程以完成各种任务的设备。机器人和机械手的主要区别是机器人和机械手的主要区别是：机械手是没有自主能力，不可重复编程，只能完成定位点不变的简单的重复动作；机器人是由计算机控制的，可重复编程，能完成任意定位的复杂运动。智能化制造智能化制造第二代机器人是带感觉的机器人，它具有一些对外部信息进行反馈的能力，诸如力觉、触觉、视觉等。5.2工业机器人的结构工业机器人一般由主构

28、架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。图3-16是工业机器人的典型结构。 智能化制造智能化制造图3-16 工业机器人的典型结构智能化制造智能化制造工业机器人的运动由主构架和手腕完成。主构架具有三个自由度，其运动由两种基本运动组成，即沿着坐标轴的直线移动和绕坐标轴的回转运动。不同运动的组合形成各种类型的机器人，如图3-17所示。图3-17所示的工业机器人的基本结构形式有：直角坐标型（图3-17(a)中有三个直线坐标轴）；圆柱坐标型（图3-17(b)中有两个直线坐标轴和一个回转轴）；球坐标型（图3-17(c)中有一个直线坐标轴和两个回转轴）；关节型（图3-17(d)中有三个回

29、转轴关节，图3-17(e)中有三个平面运动关节）。 智能化制造智能化制造图3-17工业机器人的基本结构形式(a）直角坐标型；(b）圆柱坐标型；(c）球坐标型；(d）多关节型；(e）平面关节型智能化制造智能化制造图3-17工业机器人的基本结构形式(a）直角坐标型；(b）圆柱坐标型；(c）球坐标型；(d）多关节型；(e）平面关节型智能化制造智能化制造图3-17工业机器人的基本结构形式(a）直角坐标型；(b）圆柱坐标型；(c）球坐标型；(d）多关节型；(e）平面关节型智能化制造智能化制造图3-17工业机器人的基本结构形式(a）直角坐标型；(b）圆柱坐标型；(c）球坐标型；(d）多关节型；(e）平面关

30、节型智能化制造智能化制造图3-17工业机器人的基本结构形式(a）直角坐标型；(b）圆柱坐标型；(c）球坐标型；(d）多关节型；(e）平面关节型智能化制造智能化制造5.3工业机器人的应用目前，工业机器人主要应用于汽车制造、机械制造、电子器件、集成电路、塑料加工等较大规模生产企业。下面介绍几种机器人的典型应用。1.汽车制造领域图3-19是一个焊接机器人系统的示意图。焊接机器人还分成采用点位控制的点焊机器人和采用轨迹控制的焊接机器人两种。 智能化制造智能化制造图3-18 喷漆工业机器人系统示意图智能化制造智能化制造图3-19 焊接工业机器人系统示意图智能化制造智能化制造2.机械制造领域机械制造企业的

31、柔性制造系统采用搬运机器人搬运物料、工件和工具，装配机器人完成设备的零件装配，测量机器人进行在线或离线测量。图3-20所示是两台机器人用于自动装配的情况，主机器人是一台具有三个自由度且带有触觉传感器的直角坐标机器人，它抓取第1号(No.1)零件，并完成装配动作；辅助机器人仅有一个回转自由度，它抓取第2号(No.2)零件，第1号和第2号零件装配完成后，再由主机械手完成与第3号(No.3)零件的装配工作。智能化制造智能化制造图3-20 机器人用于零件装配智能化制造智能化制造图3-21所示是一教学型FMS，由一台CNC车床、一台CNC铣床、工件传送带、料仓、两台关节型机器人和控制计算机组成。两台机器

32、人在FMS中服务，一台机器人服务于加工设备和传送带之间，为车床和铣床装卸工件；另一台位于传送带和料仓之间，负责上、下料。智能化制造智能化制造图3-21 机器人上、下料智能化制造智能化制造3.其它领域机器人在其它领域的应用也非常广泛，如工业机器人可以取代人去完成一些危险环境中的作业(如放射线、火灾、海洋、宇宙等)。例如，2004年1月4日，美国“勇气”号火星探测机器人实现了人类登陆火星的梦想，图3-22为“勇气”号的图片。 智能化制造智能化制造图3-22 “勇气”号火星探测器智能化制造智能化制造第六节第六节 质量控制和运行监控系统质量控制和运行监控系统1、概述、概述2、坐标测量机、坐标测量机CM

33、M3、利用数控机床进行测量、利用数控机床进行测量4、测量机器人、测量机器人5、刀具磨损和破损的检测与监控、刀具磨损和破损的检测与监控6、环境及安全监测、环境及安全监测智能化制造智能化制造6.1检测与监控原理在自动化制造系统的加工过程中，为了保证加工质量和系统的正常运行，需要对系统运行状态和加工过程进行检测与监控（如图3-23所示）。 智能化制造智能化制造1. 运行状态检测与监控自动化制造系统中，需要检测与监控的运行状态通常包括：（1）刀具信息。（2）机床状态信息。（3）系统运行状态信息。 （4）在线尺寸测量信息。（5）系统安全情况信息。 （6）仿真信息。仿真信息包括以下内容：零件的数控程序是否

34、准确；有无碰撞干涉情况；仿真综合结果情况等。 智能化制造智能化制造2.工件尺寸精度检测方法（1）直接测量与间接测量。（2）接触测量和非接触测量。 （3）在线测量和离线测量。 3.刀具磨损和破损的检测方法（1）刀具、工件尺寸及相对距离测定法。（2）放射线法。 （3）电阻法。 （4）光学图像法。 智能化制造智能化制造（5）切削力法。 （6）切削温度法。（7）切削功率法。（8）振动法。 （9）噪声分析法。 （11）加工表面粗糙度法。 6.2 检测与监控应用举例例1-1加工中心（MC）需检测的运行状态信息。MC需检测的运行状态信息如下： （1）环境参数及安全检测。 智能化制造智能化制造（2）刀库状态检

35、测。（3）机床负载检测。（4）换刀机构检测。（5）交换工作台检测。（6）工作台振动检测。 （7）冷却与润滑系统检测。（8）CNC/PC系统检测。 智能化制造智能化制造例1-2切削力法刀具磨损和破损的检测与监控。切削力的变化能直接反映刀具的磨损情况，图3-24中和所示是切削力的变化过程，曲线表示的是锋利的刀具，曲线表示的是磨钝了的刀具。切削力的差异F是反映刀具实际磨损的标志。如果切削力突然上升或突然下降，可能预示刀具的折断。智能化制造智能化制造图3-24 切削力图智能化制造智能化制造图3-25所示为根据切削力的变化判别刀具磨损和破损的系统原理图。当刀具在切削过程中磨损时，切削力会增大；如果刀具崩

36、刃或断裂，切削力会剧减。在系统中，工件加工余量的不均匀等因素也会引起切削力的变化，为了避免误判，取切削分力的比值和比值的变化率作为判别的特征量，即在线测量三个切削分力FX、FY和FZ的相应电信号，经放大后输入除法器，得到分力比FX/FZ和FY/FZ，再输入微分器得到d（FX/FZ）/dt和d（FY/FZ）/dt。智能化制造智能化制造图3-25 用切削力检测刀具状态原理图智能化制造智能化制造例1-3声发射法检测刀具。固体在产生变形或断裂时，以弹形波形释放出变形能的现象称为声放射。在金属切削过程中产生声发射信号的来源有：工件的断裂，工件与刀具的摩擦，刀具的破损及工件的塑性变形等。声放射在切削过程中

37、产生频率范围很宽的声发射信号，从几十千赫兹至几兆赫兹不等。声发射信号可分为突发型和连续型两种。突发型声发射信号在表面开裂时产生，其信号幅度较大，各声发射事件之间间隔时间较长；连续型声发射信号幅值较低，事件的频率较高，以致难以分为单独事件。 智能化制造智能化制造正常切削时，声发射信号是小幅值的连续信号。刀具破损时，声发射信号幅值远大于正常切削，它与刀具破损面积有关，增长幅度为37倍。因此，声发射信号产生阶跃突变是识别刀具破损的重要特征。图3-26所示为声发射钻头破损检测装置系统图。6.3检测设备1.坐标测量机（CMM）坐标测量机（Coordinate Measuring Machine）又叫做三

38、坐标测量机，是一种检测工件尺寸误差、形位误差以及复杂轮廓形状的自动化制造系统的基本测量设备。 智能化制造智能化制造图3-26 声发射钻头破损检测装置系统图智能化制造智能化制造（1）坐标测量机结构的特点。CMM和数控机床一样，其结构布局有立式和卧式两类，立式CMM有时是龙门式结构，卧式CMM有时是悬臂式结构。两种结构形式的CMM都有不同的尺寸规格，从小型台式到大型落地式。图3-27是一悬臂式CMM，由安放工件的工作台、立柱、三维测量头、位置伺服驱动系统、计算机控制装置等组成。 （2）坐标测量机的工作原理。 智能化制造智能化制造图3-27 悬臂式坐标测量机智能化制造智能化制造智能化制造智能化制造2

39、.利用数控机床进行测量三坐标测量机的测量精度很高，但它对地基和工作环境的要求也很高，它的安装必须远离机床。如果零件的检测需要在几个不同的阶段进行，零件就需要反复搬运几次，这对于质量控制要求不是特别精确的零件显然是不经济的。由于数控机床和CMM在工作原理上没有本质区别，且三坐标测量机上用的三维测量头的柄部结构与刀杆一样，因此可将其直接安装在机床（如加工中心）上。需要检测工件时，将测量头安装在机床主轴或刀架上，测量工作原理与CMM相同；测量完成再由换刀机械手将测量头放入刀库。为了保证测试精度和保护测试头，工件在数控机床上加工结束后，必须经高压冷却液冲洗，并用压缩空气吹干后方可进行检验测量。智能化制

40、造智能化制造特点：不需要昂贵的CMM，然而损失机床的切削加工时间；可以针对尺寸偏差自动进行机床及刀具补偿，加工精度高；不需要工件来回运输和等待。数控机床测量头智能化制造智能化制造另外，数控机床用于测试时，必须为数控机床配置专门的外围设备，如各种测量头和统计分析处理软件等。在数控机床上进行测量有如下特点：不需要昂贵的CMM，但会损失机床的切削加工时间；可以针对尺寸偏差自动进行机床及刀具补偿，加工精度高；不需要工件来回运输和等待。 智能化制造智能化制造3.测量机器人随着工业机器人的发展，机器人在测量中的应用也越来越受到重视。机器人测量具有在线、灵活、高效等特点，可以实现对零件100的测量,因此特别

41、适合于自动化制造系统中的工序间测量和过程测量。同坐标测量机相比，机器人测量造价低，使用灵活。4.专用的主动测量装置在大规模生产条件下，常将专用的自动检测装置安装在机床上，不必停机就可以在加工过程中自动检测工件尺寸的变化，并能根据测得的结果发出相应的信号，控制机床的加工过程（如变换切削用量、刀具补偿、停止进给、退刀和停机等）。例如,图3-28所示为磨床上工件外径自动测量及反馈控制装置的原理图。 智能化制造智能化制造图3-28 磨床上工件外径自动测量原理智能化制造智能化制造电网监测火灾监测人员安全监视电网监测传感器空气离化装置、热检测、火焰检测、可燃气体检测图像检测、超声波检测、红外线检测智能化制

42、造智能化制造第七节第七节 辅助设备辅助设备1、清洗站、清洗站2、去毛刺设备、去毛刺设备3、切屑和冷却液处理、切屑和冷却液处理智能化制造智能化制造7.1清洗站清洗机有许多种类、规格和结构，一般按其工作是否连续分为间歇式间歇式（批处理式）和连续通过式连续通过式（流水线式）。批处理式清洗站用于清洗质量和体积较大的零件，属中、小批量清洗；流水线式清洗机用于零件通过量大的场合。批处理式清洗机有倾斜封闭式清洗机、工件摇摆式清洗机和机器人式清洗机。 智能化制造智能化制造高压洗清站待清洗的工件干净工件洗清液回收洗清液铁屑等杂质沉淀过滤智能化制造智能化制造间歇式（批处理式）连续通过式（流水线式）大型零件，中小批

43、量大批量生产倾斜封闭式工件摇摆式机器人式辊子传送带洗清站高压清洗吹风智能化制造智能化制造机器人式清洗机用机器人操作喷头，工件固定不动。有些大型批处理式清洗站内部有悬挂式环形有轨车，工件托盘安放在环形有轨车上，绕环形轨道做闭环运行。流水式清洗站用辊子传送带运送工件，零件从清洗站的一端送入，在通过清洗站的过程中被清洗，在清洗站的另一端送出，再通过传送带与托盘交接机构进入零件装卸区。清洗机有高压喷嘴，喷嘴的大小、安装位置和方向应考虑到零件的清洗部位，保证零件的内部和难清洗的部位均能清洗干净。 智能化制造智能化制造批处理式清洗站的操作过程如下：（1）将工件托盘送到清洗站前。（2）打开进入清洗站的门，将

44、托盘送入清洗工作区，并将其固定在有轨吊车上，关闭站门。（3）托盘随吊车绕轨道运行时，高压、大流量冷却液从喷嘴喷向工件托盘，使切屑、污物、油脂等落入排污系统。（4）冲洗一定时间后，冷却液关闭，开始吹热空气进行干燥。（5）吹风干燥一段时间后，有轨吊车返回其初始位置。（6）从有轨吊车上取下工件托盘，打开清洗站大门，运走工件托盘。 智能化制造智能化制造7.2 去毛刺设备1.机械法去毛刺2.振动法去毛刺3.热能法去毛刺4.电化学法去毛刺7.3 切屑和冷却液的处理1.切屑排除从加工区域清除切屑有下列几种方法：智能化制造智能化制造手工去毛刺自动去毛刺机械法振动法热能法电化学法智能化制造智能化制造（1）靠重力

45、或刀具回转离心力将切屑甩出，切屑靠自重落到机床下面的切屑输送带上。床身结构应易于排屑(例如倾斜床身或将机床安置在倾斜的基座上)，并利用切屑挡板或保护板使加工空间完全密闭，防止切屑飞散，使之容易聚集和便于清除，同时也使环境安全、整洁。（2）用大流量冷却液冲洗加工部位，将切屑冲走，然后用过滤器把切屑从冷却液中分离出来。（3）采用压缩空气吹屑。（4）采用真空吸屑，此方法最适合于干式磨削工序和铸铁等脆性材料在加工时形成的粉末状切屑。在每一加工工位附近，安装与主吸管相通的真空吸管。 智能化制造智能化制造切屑排除切屑输送切屑分离智能化制造智能化制造2. 切屑输送 （1）平板链式切屑输送机。图3-29所示为

46、平板链式切屑输送机，以滚轮链轮牵引的钢质平板链带在封密箱中运转，加工中的切屑落到链带上被带出机床，由AGV将切屑仓斗运送到切屑收集区，将切屑压制成块，以便运走。一般为每台机床配置一台这种切屑输送机。 （2）刮板式切屑输送机。图3-30所示为敷设在地沟内的刮板式切屑输送机，封闭式链条3装在两个链轮5和6上。 智能化制造智能化制造图3-29 平板链式切屑输送机智能化制造智能化制造图3-30 刮板式切屑输送机智能化制造智能化制造（3）螺旋式切屑输送机。图3-31所示为螺旋式切屑输送机，电动机经减速装置驱动安装在排屑槽中的螺旋杆。螺杆转动时，槽中的切屑由螺旋杆推动连续向前运动，最终排入切屑收集箱内。螺

47、旋杆有两种形式：一种用扁型钢条卷成螺旋弹簧状；另一种是在轴上焊接紧密贴合的螺旋片。 智能化制造智能化制造图3-31 螺旋式切屑输送机智能化制造智能化制造3.切屑分离（1）将切屑连同冷却液一起排送到冷却站。通过孔板或漏网时，冷却液漏入沉淀池中，通过迷宫式隔板及过滤器进一步清除悬浮杂物后被泵重新送入压力主管路。留在孔板上的切屑可用刮板式排屑、输屑装置将其排出并集中起来。（2）切屑和冷却液一起直接送入沉淀池，然后用输屑装置将切屑运出池外。这种方法适用于冷却液冲洗切屑的自动排屑场合。图3-32所示为带刮板式输屑装置的单独冷却站。 智能化制造智能化制造图3-32 带刮板式输屑装置的单独冷却站智能化制造智

48、能化制造第八节第八节 自动化制造系统的自动化制造系统的控制系统控制系统1、可编程序控制器、可编程序控制器PLC2、计算机数字控制、计算机数字控制CNC3、分布式数字控制、分布式数字控制DNC4、多层计算机控制系统、多层计算机控制系统智能化制造智能化制造PLC的特点1控制程序可变，具有很好的柔性;2工作可靠性高，适用于工业环境;3功能完善；4易于掌握、便于维修；5体积小、省电； 6价格低廉。智能化制造智能化制造多处理器总线大容量存储器强大功能智能化制造智能化制造 二、计算机数字控制 CNC 是用一台中央计算机对多台数控机床进行集中控制的自动化制造系统，主要实现信息流自动化。智能化制造智能化制造数

49、控数据分配数控数据管理数据匹配和通信功能：智能化制造智能化制造多层计算机控制系统的基本思想基本思想是将一个复杂的系统划分成若干层次，各层次分别独立完成各自的功能，层与层之间保持信息交换，上层向下层发送命令下层向上层回送执行结果，通过信息联系，构成完整的控制系统。多层计算机控制系统的工作原理工作原理是通过计算机网络将各层计算机互联起来，建立信息通信联系，彼此传递信息。三、多层计算机控制系统智能化制造智能化制造工厂层车间层单元层设备层FMS控制系统智能化制造智能化制造四、自动化制造系统的通信协议四、自动化制造系统的通信协议7应用层6表示层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1 物理层物理层智能化制

50、造智能化制造思考题思考题 1 柔性制造系统和柔性制造单元的本质区别是什么？ 2 简述加工中心和组合机床在零件制造方面的共同点和区别。 3 请分析加工中心和数控车床所适宜加工零件的特征。 4 请分析数控车床和车削中心在工作原理方面的差别。 5 各举出一个接触测量和非接触测量的实例，并绘出测量原理框图。智能化制造智能化制造6 构思一个车间货物运输用的柔性小车，内容包括小车机械运动、路径导向、岔口选择、动力补给、紧急防范和货物装卸等。7 查阅相关资料，叙述立体汽车车库（可以自动存取和停放多辆汽车）的工作原理，并绘制出原理示意图。8 科幻世界中对机器人赋予了神话般的能力，甚至有人认为将来的机器人会控制和主宰人类世界。请用科学的逻辑分析推测其可行性。