制造自动化技术ppt课件.pptx

第4章制造自动化技术 本章要点 制造自动化技术的发展 数控加工技术 工业机器人 柔性制造系统 1 第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology 2 计算机辅助设计 CAD 计算机辅助产品工程 CAE 计算机产品数据管理 PDM 产品设计自动化 4 1 1制造自动化技术的内涵 企业管理自动化 企业ERP EnterpriseResourcePlanning 加工过程自动化 包括各种计算机控制技术 如CNC DNC 自动存储和运输设备 自动检测和监控设备等 质量控制自动化 计算机辅助工艺设计 CAPP 计算机辅助制造 CAM 如计算机集成制造系统 CIMS 敏捷制造 AM 并行工程等 3 NC和CNC 本阶段的NC在20世纪50 70年代已成熟 但到了70 80年代 CNC取代了NC 特征 柔性好 加工质量高 适应于多品种 中小批量 包括单件 产品的生产 引入的新技术有数控技术 计算机编程技术等 自动单机和刚性自动线 本阶段在20世纪40 50年代已相当成熟 特征 高生产率和刚性结构 很难实现生产产品的改变 引入的新技术有继电器程序控制 组合机床等 第一阶段 1913 刚性自动化 第二阶段 1930 数控加工 4 1 1制造自动化技术的内涵 4 4 1 1制造自动化技术的内涵 5 4 1 1制造自动化技术的内涵 6 图4 1汽车后桥齿轮箱加工自动线 4 1 1制造自动化技术的内涵 7 4 1 1制造自动化技术的内涵 8 4 1 2制造自动化技术的发展趋势 制造环境内部的网络化 实现制造过程的集成 制造环境与整个制造企业的网络化 实现制造环境与企业中工程设计 管理信息系统等各子系统的集成 企业与企业间的网络化 实现企业间的资源共享 组合与优化利用 通过网络 实现异地制造 9 虚拟制造 VM 是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础 集现代制造工艺 计算机图形学 并行工程 人工智能 人工现实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体 由多学科知识形成的一种综合系统技术 制造虚拟化 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 其目标是使得产品从设计 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 负作用 最小 资源效率最高 制造绿色化 智能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事 去扩大 延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动 以实现制造过程的优化 制造智能化 4 1 2制造自动化技术的发展趋势 10 第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology 11 4 2 1数控机床的基本概念 1948年 美国帕森斯 Parsons 公司在研制加工直升机叶片轮廓检验用样板的机床时 首先提出了应用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想 后来受美国空军委托 帕森斯公司与麻省理工学院 MIT 伺服机构实验室合作进行研制工作 于1952年研制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床 数控机床的诞生 图4 3麻省理工学院 MIT 伺服机构实验室 12 4 2 1数控机床的基本概念 这是一种借助数字 字符或其它符号对某一工作过程 如加工 测量 装配等 进行控制的自动化方法 是用计算机通过数字信息来自动控制机械加工的机床 具体地说 数控机床是通过编制程序 即通过数字 代码 指令来自动完成机床各个坐标的协调运动 正确地控制机床运动部件的位移量 并且按加工的动作顺序要求自动控制机床各个部件的动作 数字控制 NC 数控技术 指用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术 由于计算机应用技术的成熟 数控系统均采用了计算机数控 CNC ComputerNumericalControl 以区别于传统的NC 数控机床 13 图4 4数控机床组成框图 4 2 2数控机床的组成 14 数控装置 伺服驱动装置 检测反馈装置 4 2 2数控机床的组成 由硬件和软件部分组成 接受输入代码经缓存 译码 运算插补等转变成控制指令 实现直接或通过PLC对伺服驱动装置的控制 是数控装置和机床主机之间的联接环节 接受数控装置的生成的进给信号 经放大驱动主机的执行机构 实现机床运动 是通过检测元件将执行元件 电机 刀架 或工作台的速度和位移检测出来 反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统 15 PLC 机床I O电路和装置 机床本体 4 2 2数控机床的组成 是数控机床的机械结构件 床身箱体 立柱 导轨 工作台 主轴和进给机构等 PLC ProgrammableLogicController 用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I O控制 它由硬件和软件组成 机床I O电路和装置 实现I O控制的执行部件 由继电器 电磁阀 行程开关 接触器等组成的逻辑电路 16 4 2 3数控机床的类型 经济型数控车床 全功能数控车床 17 4 2 3数控机床的类型 车削中心 18 4 2 3数控机床的类型 立式数控铣床 卧式数控铣床 龙门数控铣床 19 4 2 3数控机床的类型 经济型数控铣床 高速数控铣床 20 4 2 3数控机床的类型 立式加工中心 卧式加工中心 21 4 2 4数控机床的发展历程 硬线数控 G1 1952 1955 电子管 G2 1955 1959 晶体管 G3 1959 1965 小规模集成电路 22 4 2 4数控机床的发展历程 计算机数控 G4 1970s 1970 1974 小型计算机 G5 1974 微处理器 MCNC 1979超大规模集成电路 VLIC G6 1994 基于PC NC 23 高速主轴单元 电主轴 转速15000 100000r min 高速且高加 减速度的进给运动部件 快移速度60 120m min 切削进给速度高达60m min 高性能数控和伺服系统以及数控工具系统目前 在超高速加工中 车削和铣削的切削速度已达到5000 8000m min以上 主轴转数在30000r min 有的高达10万r min 以上 工作台的移动速度 进给速度 在分辨率为1微米时 在100m min 有的到200m min 以上 在分辨率为0 1微米时 在24m min以上 自动换刀速度在1秒以内 小线段插补进给速度达到12m min 特征 高生产率和刚性结构 很难实现生产产品的改变 高速 高效 4 2 4数控机床的发展历程 24 普通级数控机床的加工精度已由 10 m提高到 5 m 精密级加工中心的加工精度则从 3 5 m 提高到 1 1 5 m 甚至更高 超精密加工精度进入纳米级 0 001微米 主轴回转精度要求达到0 01 0 05微米 加工圆度为0 1微米 加工表面粗糙度Ra 0 003微米等 高精度 高可靠性 当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上 驱动装置达30000小时以上 4 2 4数控机床的发展历程 25 复合化 多轴化 5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点 最近 国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心 4 2 4数控机床的发展历程 机床复合加工概念是指将工件一次装夹后 机床便能按照数控加工程序 自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工 以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车 铣 钻 镗 磨 攻丝 铰孔和扩孔等多种加工工序 智能化 智能加工是一种基于神经网络控制 模糊控制 数字化网络技术和理论的加工 它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动 以解决加工过程许多不确定性的 要由人工干预才能解决的问题 26 以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联机构 主轴部件安装在并联机构的动平台上 改变杆件的长度或移动杆件的支点 按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹 布局特点 基本结构形式 它的结构完全不同于传统机床 看不到明显的床身 导轨 立柱和横梁等结构 它的基本结构是一个活动平台 有六杆 三杆 立式 卧式并联机床 结构形式为并联 串联和混合结构 可采用直线电机和电主轴 4 2 5并联运动机床 27 4 2 5并联运动机床 并联机床HexaM简图 并联机床结构示意简图 6SPS机构 该机床的运动路线为 6个伺服电机的运动通过丝杠 驱动轴 螺母和连杆传给装有电主轴的刀具夹板 从而带动刀具作任意空间曲线运动 该并联机床由运动平台 固定平台以及能伸缩的若干驱动杆组成 运动平台与固定平台由6根驱动杆 伸缩杆 相连 每个驱动杆两端都是球铰副 中间有一个移动副 驱动器驱动移动副作相对运动 改变伸缩杆的长度 便可改变运动平台的位姿 若将刀具安装在运动平台上 则通过控制六杆长度的变化 便可改变刀具在空间的位置与姿态 满足加工要求 28 传统机床 以床身 立柱 横梁等作为支撑部件 主轴部件和工作台沿支撑部件上的直线导轨移动 按照XYZ坐标运动叠加的串联运动学原理 形成刀具相对于加工工件的运动轨迹 4 2 5并联运动机床 Z X Y 图4 5传统机床 29 并联运动机床 以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机构 主轴部件安装在并联机构的动平台上 工作台与机床框架连接在一起 改变杆件的长度或移动杆件的支点 按照并联运动学原理形成刀具相对于加工零件的运动轨迹 4 2 5并联运动机床 机床框架 杆件 动平台 图4 6并联机床 30 4 2 5并联运动机床 运动精度高 有效地减少了运动链的长度 将支撑与传动功能集成一体可实现高速加工 运动部件少 质量轻 有利于获得高的进给速度机床刚性好 消除了悬臂结构 没有横梁 立柱等承受弯曲的载荷部件结构简单 P800M型并联运动机床 31 第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology 32 生命系统 平衡 步行 发声 身体摆动 感觉 表情 调节运动等 造型解质 关节能自由运动的金属覆盖体 一种盔甲人造肌肉 在上述盔甲上有肉体 静脉 性别等身体的各种形态人造皮肤 含有肤色 机理 轮廓 头发 视觉 牙齿 手爪等 1886年法国作家利尔亚当在他的小说 未来夏娃 中将外表像人的机器起名为 安德罗丁 android 它由4部分组成 4 3 1概述 1920年捷克作家卡雷尔 卡佩克的科幻剧本 罗萨姆的万能机器人 中的主人公 Robota 在捷克语中是奴隶的意思 是一个具有人的外表 特征与功能 并为人服务的机器人 英语的 Robot 由此而来 33 森政弘与合田周平 机器人是一种具有移动性 个体性 智能性 通用性 半机械半人性 自动性 奴隶性等7个特征的柔性机器 加藤一郎提出 机器人具有 具有脑 手 脚等三要素的个体 具有非接触传感器 用眼 耳接受远方信息 和接触传感器 具有平衡觉和固有觉的传感器 1967年日本召开的第一届机器人学术会议上 就提出了两个有代表性的定义 4 3 1概述 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的操作和移动功能 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 34 4 3 1概述 35 工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人特种机器人用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人 包括 服务机器人 水下机器人 娱乐机器人 军用机器人 农业机器人 机器人化机器等 机器人分为两大类 即工业机器人和特种机器人 工业机器人由操作机 机械本体 控制器 伺服驱动系统和检测传感装置构成 是一种仿人操作 自动控制 可重复编程 能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备 机器人技术是综合了计算机 控制论 机构学 信息和传感技术 人工智能 仿生学等多学科而形成的高新技术 是当代研究十分活跃 应用日益广泛的领域 机器人应用情况 是一个国家工业自动化水平的重要标志 4 3 1概述 36 通常是由安装在机体上的若干个回转 或移动 关节与杆件相互联接构成的多自由度主动机构组成 人们力图把它设计成具有拟人的手臂或动物肢体动作功能的一种固定式或移动式的机器 包括 人 机接口装置 键盘 示教盒 操纵杆等 具有存贮记忆功能的电子控制装置 计算机 PLC或其他可编程逻辑控制装置 各种传感器的信息放大传输及信息处理装置 速度 位置伺服驱动系统 交 直流PWM 电 液伺服系统或其他继电驱动系统等 与外部设备 传感器 离线编程设备等通信的输入 输出接口以及各种电源装置等 4 3 2工业机器人的基本组成 37 4 3 2工业机器人的基本组成 38 输出功率大 可无级调速 控制精度较高 可标准化 易实现直接驱动 功率 质量比大 结构紧凑 易漏油 对环境有污染 适用于重载 低速传动 如喷涂机器人 点焊机器人和托运机器人 液压驱动 4 3 2工业机器人的基本组成 气压驱动 输出功率大 可标准化 易实现直接驱动 功率 质量比大 结构紧凑 噪声大 难以实现高速 高精度的连续轨迹控制 适用于中小负载 精度要求较低的机器人 如冲压机器人 39 输出功率大 控制精度较高 可实现高速 高精度的连续轨迹控制 伺服电机可标准化 结构性能好 噪声低 无密封问题 一般需配置减速装置 控制系统复杂 适用于中小负载 要求具有较高位置控制精度和轨迹控制精度 速度较高的机器人 如喷涂机器人 点焊机器人 弧焊机器人和装配机器人 电动驱动 4 3 2工业机器人的基本组成 用于测量机器人自身运动速度 位置及加速度的传感器 称内部传感器 用于感受和测量外部环境信息和作业对象工况的传感器 称外部传感器 40 装配每台汽车车体一般大约需要完成3000 4000个焊点 其中60 是由点焊机器人完成的 点焊机器人 4 3 3工业机器人的应用案例 1 手臂及手腕2 臂架3 橡皮缓冲器4 肘形节杆5 回转台6 基座7 连接电缆8 转台缓冲器9 第一轴 转台 电动机 M1 10 14 平衡气缸11 第二轴 臂架 电动机 M2 12 第三轴螺杆15 驱动臂架16 电动机组 M4 M5 M6 17 控制柜 41 点焊机器人 4 3 3工业机器人的应用案例 42 弧焊机器人 日本汽车工业使用的一种曲柄式弧焊机器人 其驱动方式采用交 直流伺服电动机系统 用于焊接车架的侧粱或双轮机动管结构车架 1 焊接电源2 显示器3一机器人控制装置4 夹具控制装置5 工件6 焊接夹具7 机器人 4 3 3工业机器人的应用案例 43 喷漆机器人 日本TOKICO公司生产的RPA856RP关节式喷漆机器人 该机器人由操作机 控制箱 修正盘和液压源四部分组成 有6个自由度 可连接工件传送装置做到同步操作 手腕为伺服控制型 末端接口可安装两个喷枪同时工作 1 小臂2 大臂3 转台4 基座 4 3 3工业机器人的应用案例 44 装配机器人 4 3 3工业机器人的应用案例 45 4 3 3工业机器人的应用案例 搬运机器人 该机器人是用来抓取 搬运来自输送带或输送机上流动的物品的自动化装置 主要由搬人机械部件 机器主体部件 搬出机械部件和系统控制等基本部分组成 1 装卸运输机2 极式输送机3 极式分配器4 横进给式输送机5 操作台6 控制台7 多工位式输送机 46 焊接机器人 4 3 3工业机器人的应用案例 47 钣金机器人 4 3 3工业机器人的应用案例 48 堆放机器人 4 3 3工业机器人的应用案例 49 第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology 50 由一个传输系统联接起来的一些设备 通常是具有自动换刀装置的加工中心机床 组成 传输装置把工件放在托盘或其他联接装置上送到各加工设备 加工设备和传输系统在中央计算机控制下 使工件加工准确 迅速和自动化 美国国家标准局定义 日本国际贸易与工业部定义 北京机械工业自动化研究所定义 4 4 1FMS的定义与特征 由2台或更多NC机床组成的系统 这些机床与自动物料管理设备一一连接 在计算机或类似设备控制下完成自动加工或处理操作 从而可加工多个不同形状和尺寸的工件 将自动化生产系统从少品种大批量生产型转向多品种生产型的柔性化系统 51 高柔性高效率高度自动化 柔性制造系统是利用计算机控制系统和物料输送系统 把若干台设备联系起来 形成没有固定加工顺序和节拍的自动化制造系统 它在加工完一批某种工件后 能在不停机调整的情况下 自动地向另一种工件转换 其主要特征是 4 4 1FMS的定义与特征 52 4 4 2柔性制造系统的组成 53 4 4 2柔性制造系统的组成 FMS结构框图 54 加工单元 设备运行状态监控与检测 图4 5 4 4 2柔性制造系统的组成 55 钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号 与检测信号进行比较 当钻头破损被确认后 发出换刀信号 加工过程监控与检测重点是刀具磨损 破损监控与检测 图4 6为声发射钻头破损检测装置示意图 加工过程中 一旦钻头破损 声发射传感器检测到钻头破损信号 将其送至钻头破损检测器进行处理 4 4 2柔性制造系统的组成 56 物料传输系统 又称立体仓库或自动化仓库系统 AutomatedStorageandRetrieva1System一AS RS 由高层料架 堆垛机 控制计算机和物料识别装置等组成 具有自动化程度高 料位空间尺寸和额定存放重量大 料位总数可根据实际需求扩展 占地面积小等优点 自动仓库 图4 7 4 4 2柔性制造系统的组成 57 4 4 2柔性制造系统的组成 传输装置 58 4 4 2柔性制造系统的组成 无轨小车 又称自动引导小车 AGV AutomatedGuideVehicle 图4 21 a 为其示意图 小车上有托盘交换台3 工作台1与托盘2由交换台推上机床的工作台进行加工 加工好的工件连同托盘拉回到小车的交换台上 送装卸工位 由人工卸下并装上新的待加工工件 小车的行车路线常用电缆或光电引导 图4 21 b 为电缆引导的原理图 在地面 6 下埋设有导向电缆8 通以低频电流 在电缆周围形成磁场7 固定在小车车身内的两个19感应线圈5中即产生电压 当小车运行偏离电缆时 两线圈的电压不相等 转向电机4即正向或反向旋转以校正小车的位置 使小车总是沿电缆引导的路线行走 光电引导方式是在地面上铺设反光的不锈钢带 利用光的反射使小车上的一排光电管产生信号 以引导小车沿反光带运动 59 4 4 2柔性制造系统的组成 图4 8自动引导小车 AGV 60 4 4 2柔性制造系统的组成 在地面上埋设引导电缆 并通以5 10kHz的低压电流 小车上装有对称的一组信号拾取线圈 当小车偏向右方时 右方的感应信号减弱 左方的增强 控制器根据这些信号的强弱 控制小车的舵轮 电磁导向方式原理 图4 8 61 7 1 2自动化加工技术 沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光