现代制造技术--第7章 制造自动化技术.ppt

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 ProgrammableController 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 ProgrammableLogicController 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 ProgrammableMachineController 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 CNC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 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 TurningCenter 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 FlexibleManufacturingModule 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 手臂 是支承手腕和手部的部件 由动力关节和连杆组成 用以承受工件或工具的负荷 改变工件或工具的空间位置 并将它们送至预定的位置 机座 包括立柱 是整个工业机器人的基础部件 起着支承和连接的作用 2 控制系统 控制系统是机器人的大脑 支配着机器人按规定的程序运动 并记忆人们给予的指令信息 如动作顺序 运动轨迹 运动速度等 同时按其控制系统的信息对执行机构发出执行指令 3 驱动系统 驱动系统是按照控制系统发来的控制指令进行信息放大 驱动执行机构运动的传动装置 常用的有液压 气压 电气和机械等四种传动形式 4 位置检测装置位置检测装置通过力 位置 触觉 视觉等传感器检测机器人的运动位置和工作状态 并随时反馈给控制系统 以便使执行机构以一定的精度达到设定的位置 3 工业机器人的分类1 按系统功能分类 1 专用机器人 在固定地点以固定程序工作的机器人 其结构简单 无独立控制系统 造价低廉 如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手 2 通用机器人 具有独立控制系统 通过改变控制程序能完成多种作业的机器人 其结构复杂 工作范围大 定位精度高 通用性强 适用于不断变换生产品种的柔性制造系统 3 示教再现式机器人 具有记忆功能 在操作者的示教操作后 能按示教的顺序 位置 条件与其他信息反复重现示教作业 4 智能机器人 采用计算机控制 具有视觉 听觉 触觉等多种感觉功能和识别功能机器人 通过比较和识别 能自主作出决策和规划 自动进行信息反馈 完成预定的动作 2 按驱动方式分类 1 气压传动机器人 以压缩空气作为动力源驱动执行机构运动的机器人 具有动作迅速 结构简单 成本低廉的特点 适用于高速轻载 高温和粉尘大的作业环境 2 液压传动机器人 采用液压元器件驱动 具有负载能力强 传动平稳 结构紧凑 动作灵敏的特点 适用于重载或低速驱动场合 3 电气传动机器人 用交流或直流伺服电动机驱动的机器人 不需要中间转换机构 机械结构简单 响应速度快 控制精度高 是近年来常用的机器人传动方式 3 按结构形式分类 1 直角坐标机器人 由三个相互正交的平移坐标轴组成 见图4 10 a 各个坐标轴运动独立 具有控制简单 定位精度高等特点 2 圆坐标机器人 由支柱和一个安状在立柱上的水平臂组成 其立柱安装座上 水平臂可以自由伸缩 并可沿立柱上下移动 该类机器人具有一个旋转轴和两个平移轴 见图4 10 b 3 球坐标机器人 由回转机座 俯仰铰链和伸缩臂组成 具有两个旋转轴和一个平移轴 见图4 10 c 可伸缩摇臂的运动结构与坦克的转塔类似 可实现旋转和俯仰运动 4 关节机器人 其运动类似人的手臂 由大小两臂和立柱等机构组成 大小臂之间用铰链连接形成肘关节 大臂和立柱连接形成肩关节 可实现三个方向的旋转运动 见图4 10 d 它能抓取靠近机座的物件 也能绕过机座和目标间的障碍物去抓取物件 具有较高的运动速度和极好的灵活性 成为最通用的机器人 工业机器人按臂部的运动形式分为四种 直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动 圆柱坐标型的臂部可作升降 回转和伸缩动作 球坐标型的臂部能回转 俯仰和伸缩 关节型的臂部有多个转动关节 图4 10工业机器人的基本结构形式和工作空间 a 直角坐标机器人 b 圆坐标机器人 c 球坐标机器人 d 关节机器人 工业机器人按执行机构运动的控制机能 又可分点位型和连续轨迹型 点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位 适用于机床上下料 点焊和一般搬运 装卸等作业 连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动 适用于连续焊接和涂装等作业 工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类 编程输入型工业机器人通过穿孔卡 穿孔带或磁带等信息载体输入已编好的程序 示教输入型机器人的示教方法有两种 一种由操作者手动操作控制器 示教操纵盒 如图4 11所示 将指令信号传给驱动系统 使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍 另一种由操作者直接控制执行机构 按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍 4 工业机器人的性能特征工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性 在设计和选用机器人时应考虑如下几个性能指标 1 自由度 自由度是衡量机器人技术水平的主要指标 所谓自由度 是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动 每个自由度需要一个伺服轴进行驱动 因而自由度数越高 机器人可以完成的动作越复杂 通用性越强 应用范围也越广 但相应地带来的技术困难也越大 一般情况下 通用工业机器人有3 6个自由度 2 工作空间 工作空间是指机器人应用手爪进行工作的空间范围 机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围 图4 10中分别画出了各类机器人的工作空间 其中直角坐标机器人的工作空间是一个矩形空间 圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱体 而球坐标机器人的工作空间是一个球体 3 提取重力 机器人提取的重力是反映其负载能力的一个参数 根据提取重力的不同 可将机器人大致分为 微型机器人 提取重力在10N以下 小型机器人 提取重力为10 50N 中型机器人 提取重力为50 300N 大型机器人 提取重力为300 500N 重型机器人 提取重力在500N以上 目前实际应用机器人一般为中 小型机器人 4 运动速度 运动速度影响机器人的工作效率 它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系 运动速度高 机器人所承受的动载荷增大 必将在加减速时承受较大的惯性力 影响机器人的工作平稳性和位置精度 就目前的技术水平而言 通用机器人的最大直线运动速度大多在1000mm s以下 5 位置精度 位置精度是衡量机器人工作质量的又一技术指标 位置精度的高低取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度 此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系 5 工业机器人的机械结构1 工业机器人的手部结构工业机器人的手部是直接用于抓取和握紧 或吸附 工件或夹紧专用工具进行操作的部件 它安装在机器人手臂的前端 具有模仿人手动作的功能 由于被握持工件的形状 尺寸 质量 材料性能以及表面形状不同 故工业机器人的手部结构多种多样 大部分手部结构都是根据特定的工作要求而专门设计的 它们不仅结构形式不完全相同 其工作原理也并不一样 如按握持工件的原理分 机器人的手部可大致分为夹持式和吸附式两大类 夹持式手部是利用夹钳的开闭来夹紧和抓取工件的 按其结构又分为两指或多指 回转和平移 外夹和内撑等多种形式 吸附式手部又分为气吸式和磁吸式 气吸式手部利用真空吸力及负压吸力吸持工件 它适用于抓取薄片工件 通常吸盘由橡胶或塑料制成 磁吸式手部利用电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具有磁性物质的小五金工件 除此之外 在机器人腕部可直接安装被视为特殊手部的专用工具 如焊枪 喷枪 电动扳手 电钻等 2 手臂的机械结构手臂是机器人机械结构的重要部件 它具有前后伸缩 上下升降 左右摆动或左右回转等运动功能 机器人手臂由大臂和小臂组成 小臂只完成伸缩运动 大臂完成回转 升降或上下摆动运动 机器人的大臂与机座连在一起 小臂前端装有手腕和手部 若没有手腕 可在手臂前端直接安装手部 手臂是支持手指和手腕部分的机构 它不仅承受被抓取工件的物重 而且承受手部 手腕和手臂自身的重量 它的结构性能 工作范围 承载能力和动作精度直接影响机器人的工作性能 因此 必须根据机器人的抓取物重 运动方式 自由度数和运动速度等要求来设计选择手臂的结构形式 机器人手臂有不同的结构形式和驱动方法 常见的驱动方式有气压驱动 液压驱动 电力驱动以及复合驱动方式等 常用的运动形式和传动机构有 1 直线运动机构包括直线运动液 气 压缸 丝杆螺母机构 直线电动机 链传动 直线液 气 压缸加齿轮齿条机构 丝杆螺母加花键导向机构等 2 回转运动机构包括叶片式摆动液 气 压缸 直线液 气 压缸加齿轮齿条机构 回转液 气 压缸加行星机构 直线液 气 压缸加链条链轮机构 摆动直线液 气 压缸加摆杆机构等 3 手腕的机械结构手腕是连接手部和手臂的部件 起着调整和改变手部方位的作用 见图4 13 然而不是所有的机器人都有手腕部分 手腕的设置增加了手臂的负荷 影响机器人的抓取能力和惯性矩 在设计机器人手腕时应考虑如下的两个原则 1 凡是能由臂部完成的动作 尽量不选取腕部 以使机器人结构简单 制造方便 降低成本且减轻重量 改善机器人的动力学性能 2 在不得不使用手腕时 应使腕部的结构在保证动作要求下尽量简单 紧凑和小巧 机器人手腕的设计首先应确定所要求的运动和动作 手腕动作一般是在手臂动作确定之后 根据工件的上下料要求进行确定的 手臂完成不了的动作由手腕来完成 或同时考虑和分配手臂 手腕共同担负的动作 手腕的机械结构是根据它的运动要求来确定的 对于手腕的回转运动 多采用回转液 气 压缸或直线液 气 压缸加齿条的结构形式 6 工业机器人的控制系统1 机器人控制系统的组成机器人控制系统的组成如图4 14所示 1 控制计算机 控制系统的调度指挥机构 一般为微型机 微处理器有32位 64位等 如奔腾系列CPU以及其他类型的CPU 2 示教盒 设定示教机器人的工作轨迹和参数以及所有人机交互操作 拥有自己独立的CPU及存储单元 与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互 3 操作面板 由各种操作按键 状态指示灯构成 只完成基本操作功能 4 存储设备 存储机器人工作程序的外围存储器 分为硬盘和软盘两大类 5 数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令的输入或输出设备 6 打印机接口 记录需要输出的各种信息 7 传感器接口 用于信息的自动检测 实现机器人柔性控制 一般为力觉 触觉和视觉传感器 8 轴控制器 完成机器人各关节位置 速度和加速度的控制 9 辅助控制设备 用于配合机器人工作的辅助控制设备 如手爪变位器等 10 通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换 一般分为串行接口和并行接口 11 网络接口 通过网络连接实现更多扩展功能 2 机器人的编程语言及其分类描述机器人运动的语言叫做机器人语言 RobotLanguage 以机器人语言为线索 利用机器人语言对机器人编程 可实现对机器人及其周边装置的控制 机器人是一种在人与机器人之间记录信号或交换信息的程序语言 从不同的方面考虑 机器人语言有多种分类方法 通常人们根据作业描述水平将其分为三级 1 动作级 动作级语言以机器人的运动作为描述的中心 由一系列命令组成 一般一个命令对应一个动作 语言简单 易于编程 其缺点是不能进行复杂的数学运算 2 对象级 对象级语言是以描写操作物之间的关系为中心的语言 3 任务级 任务级语言是比较高级的机器人语言 这类语言允许使用者对工作任务要求达到的目标直接下命令 不需要规定机器人所做的每一个动作的细节 只要按某种原则给出最初的环境模型和最终的工作状态 机器人即可自动进行推理计算 最后生成机器人的动作 7 工业机器人的应用1 在摩托车行业中的应用海南新大洲摩托车厂用4台弧焊机器人工作站完成新大洲50系列摩托车的车架焊接 该生产线自1998年3月投入运行以来 运行良好 性能稳定 南京金城机械有限公司在其125 7D车架的生产线上使用了7台机器人用于焊接和切割 提高了产品的一致性 2 在电子 家电行业中的应用机器人的应用改变了韵声集团八音琴全靠手工装配的历史 提高了企业形象 积累了经验 培养了人才 为企业的下一步发展打下了基础 3 在石化行业中的应用哈工大博实公司自主开发的 自动包装机器人码垛生产线 应用于大庆石化公司10万吨 年聚丙烯生产装置 全线实现了自动运行 动作平稳可靠 运行速度快 称重精度高 缝口位置准确 码垛垛形整齐 4 在采矿业中的应用采矿业是一种劳动条件相当恶劣的生产行业 根据井下作业的特殊条件和特点 机器人主要应用在以下几个方面 1 特殊煤层采掘机器人目前 一般煤矿都用综合机械化采煤机采煤 但对于薄煤层这类特殊情况 运用综合机械化采煤机采煤就很不方便 有时甚至是不可能的 而人工采煤作业又十分艰苦和危险 但如果舍弃薄煤层 又会造成资源的极大浪费 因此 采用遥控机器人进行特殊煤层的采掘是最佳的方法 这种采掘机器人应该能拿起各种工具 比如高速转机 电动机和其它采爆器械等 并且能操作这些工具 这种机器人的肩部应装有强光源和视觉传感器 这样能及时将采区前方的情况传 送给操作人员 2 凿岩机器人 这种机器人可以利用传感器来确定巷道的上缘 这样就可以自动瞄准巷道缝 然后把钻头按规定的间隔布置好 钻孔过程用微机控制 随时根据岩石硬度调整钻头的转速 力的大小以及钻孔的形状 这样可以大大提高生产率 人只要在安全的地方监视整个作业过程就行了 3 井下喷浆机器人 井下喷浆作业是一项繁重且危害人体健康的作业 目前这种作业主要由人操作机械装置来完成 缺陷很多 采用喷浆机器人不仅可以提高喷涂质量 也可以将人从恶劣和繁重的作业环境中解放出来 4 瓦斯 地压检测机器人 瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素 一旦发生突然事故 则相当危险 后果十分严重 瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前都会表现出种种迹象 如岩石破裂等 采用带有专用新型传感器的移动式机器人连续监视采矿状态 可以及早发现突发事故的先兆 采取相应的预防措施 此外 在食品工业 核工业等行业中也已经开始广泛使用机器人来代替一些手工作业 4 3CAD CAPP CAM 体化技术4 3 1CAD CAM基本概念从计算机科学的角度看 设计与制造过程是有关产品的信息产生 处理 交换和管理的过程 CAD CAM技术不是传统设计 制造流程方法的简单映像 也不会局限于在个别步骤或环节中部分使用计算机作为工具 它将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的 智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来 在设计 制造的全过程中各尽所长 尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高 劳动量大 计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作 辅助而非代替工程技术人员完成整个过程 以获得最佳效果 而广义的CAD CAM集成系统还应包括生产规划 管理 质量控制等方面的功能 4 3 2计算机辅助工艺设计CAPP技术1 CAPP基本概念CAPP的开发 研制是从20世纪60年代末开始的 在制造自动化领域 CAPP的发展是最迟的 世界上最早研究CAPP的国家是挪威 始于1969年 并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS 1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统 在CAPP发展史上 具有里程碑意义的是CAM I于1976年推出的CAM I sAutomatedProcessPlanning系统 取每个单词的首字母 称其为CAPP系统 目前对CAPP这个缩写虽然还有不同的解释 但把CAPP称为计算机辅助工艺过程设计已经成为公认的释义 CAPP ComputerAidedProcessPlanning 计算机辅助工艺过程设计 的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制定 把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件 它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息 形状 尺寸等 和工艺信息 材料 热处理 批量等 由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程 由于计算机集成制造系统 ComputerIntegratedManufacturingSystem CIMS 的出现 CAPP上与计算机辅助设计 ComputerAidedDesign CAD 相接 下与计算机辅助制造 ComputerAidedManufacturing CAM 相连 是连接设计与制造之间的桥梁 设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息 设计只能通过工艺设计才能实现功能和信息的集成 由此可见 CAPP在实现生产自动化中具有重要地位 传统上 工艺设计应由具有丰富生产经验的工程师负责 作为一个好的工艺设计工程师 必须具有丰富的生产经验 熟知企业内各种设备的使用情况 熟知企业内的各种生产工艺方法 熟知企业内各种与生产加工有关的规范 熟知与生产管理有关的各种规章制度 能与有关各方保持友好协作 传统的工艺设计都是由人工进行的 这就不可避免地存在以下一些缺点 1 对工艺设计人员要求高 2 工作量大 效率低下 3 无法利用CAD的图形和数据 4 难以保证数据的准确性 5 信息不能共享 2 CAPP的功能 1 接受输入或生成零件图上的几何及拓扑信息 工艺信息和测量信息 2 检索标准工艺文件 3 选择加工方法 4 安排加工路线 5 选择机床 刀具 夹具等 6 选择切削用量 7 计算切削参数 加工时间和监工费用等 8 进行工艺流程的优化及多工序 单工序切削用量的优化 9 确定工序尺寸和公差 选择毛坯等 10 绘制工序图 11 产生刀具运动轨迹 自动进行NC编程 12 模拟加工过程 显示刀具的运动轨迹 3 CAPP的结构组成CAPP系统的构成与其开发环境 产品对象 规模大小有关 图4 15所示的系统结构是根据CAD CAPP CAM集成的要求而拟定的 其基本模块如下 1 控制模块 协调各模块的运行 实现人机之间的信息交流 控制零件信息的获取方式 2 零件信息获取模块 零件信息输入可以有下列几种方式 人工交互输入 从CAD系统直接获取 来自集成环境下统一的产品数据模型 3 工艺过程设计模块 进行加工工艺过程的决策 生成工艺过程卡 4 工序决策模块 生成工序卡 5 工步决策模块 生成工步卡并提供形成NC指令所需的刀位文件 6 NC加工指令生成模块 根据刀位文件生成控制数控机床的NC加工指令 7 输出模块 可输出工艺过程卡 工序和工步卡 工序图等各类文档 并可利用编辑工具对现有文件进行修改后得到所需的工艺文件 8 加工过程动态仿真模块 可检查工艺过程及NC指令的正确性 图4 15CAPP系统的构成 4 CAPP的基础技术 1 成组技术 我国CAPP系统的开发与成组技术密切相关 早期开发的CAPP系统一般是以GT为基础的变异CAPP系统 2 零件信息的描述与获取 CAPP与CAD CAM一样 其单元技术都是按照自己的特点而各自发展的 因此 即使在集成化 智能化的CAD CAPP CAM系统中 零件信息的生成与获取也是一项关键问题 3 工艺设计决策机制其核心为特征型面加工方法的选择 零件加工工序及工步的安排及组合 故其主要的决策内容如下 工艺流程决策 工序决策 工步决策 工艺参数决策 为保证工艺设计达到全局最优化 系统把这些内容集成在一起 进行综合分析 动态优化 交叉设计 4 工艺知识的获取及表示工艺设计随设计人员 资源条件 技术水平 工艺习惯而变 要使工艺设计在企业内得到广泛而有效的应用 就应总结出适应本企业零件加工的典型工艺及工艺决策方法 按所开发CAPP系统的要求 用不同的形式表达这些经验及决策逻辑 5 工序图及其他文档的自动生成 6 NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真 7 工艺数据库的建立 5 CAPP系统的类型 1 派生式CAPP系统 又称为变异型CAPP系统 派生式CAPP系统建立在成组技术 GT 的基础上 其基本原理是零件的相似性 即相似零件有相似的工艺规程 一个新零件的工艺规程是通过检索系统中已有的相似零件的工艺规程并加以筛选或编辑而成的 计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准工序 从设计角度看 这种设计方法与常规工艺设计的类比设计相同 即用计算机模拟人工设计的方式 其继承和应用的是标准工艺 2 创成式CAPP系统创成式CAPP系统的工艺规程是根据程序中所反映的决策逻辑和制造工程数据信息生成的 这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和对象 各种设备及刀具的适用范围等一系列基本知识 工艺决策中的各种决策逻辑存入相对独立的工艺知识库中 供主程序调用 向创成式系统输入待加工零件的信息后 系统能自动生成各种工艺规程文件 用户不需或略加修改即可 创成式系统不需要派生法中的样板工艺文件 在创成系统中只有决策逻辑与规则 系统必须读取零件的全面信息 在此基础上按照程序所规定的逻辑规则自动生成工艺文件 3 综合式CAPP系统 又称半创成型CAPP系统 综合式CAPP系统是将派生式 创成式CAPP系统与人工智能结合在一起综合而成的 沿用以派生式CAPP系统为主的 检索 编辑 原理 当零件不能归入系统已存在的零件族时 则转向创成式工艺规程设计 或在工艺编辑时引入创成式CAPP系统的决策逻辑原理 这种CAPP方式将变异型与创成式CAPP系统结合起来 如工序设计用变异型系统的设计方法 工步设计用创成式系统的设计方法 具有两种系统的优点 克服了它们的部分缺点 因此应用十分广泛 我国自行开发的CAPP系统多采用这种类型 4 交互型CAPP它以人机对话的方式完成工艺规程的设计 实际上是按 变异型 创成式 人工干预 方式开发的一种系统 它将一些经验性强 模糊难定的问题留给设计人员去完成 这就简化了系统的开发难度 使其更灵活 方便 但系统的运行效率低且对人的依赖性较大 5 智能型CAPP 它是将人工智能技术应用在CAPP系统中形成的CAPP专家系统 智能型CAPP与创成式系统的不同性在于 创成式CAPP采用逻辑算术规则进行决策 而智能型CAPP则以推理加知识的专家系统技术来解决工艺设计中经验性强 模糊和不确定的若干问题 它更加完善和方便 是CAPP的发展方向 也是当今国内外研究的热点之一 目前 国内商品化的CAPP系统可分为以下几种 1 使用Word Excel AutoCAD或再开发的CAPP系统 此类CAPP系统所生成的工艺文件是以文本文件的形式存在的 无法生成工艺数据 更谈不上工艺数据的管理 2 常规的数据库管理系统 使用Form Report或在AutoCAD上绘制工艺卡片的CAPP系统 此类CAPP系统所生成的工艺卡片是由程序设计生成的 工艺卡片的填写无法实现所见 即所得 如果企业的卡片形式需要更新的话 就需要更改原程序 3 注重卡片的生成 但工艺数据的管理功能较弱的CAPP系统 此类CAPP系统的工艺数据是分散在各个工艺卡片当中的 很难做到对工艺数据的集中管理 4 采用 所见即所得 的交互式填表方式 工艺数据管理 集成的综合式CAPP系统 此类系统的填表方式更符合工艺设计人员的工作习惯 便于与企业的PDM系统集成 管理产品的工艺数据 并为MRP MIS等系统提供有效的生产和管理用工艺数据 6 成组技术1 零件分类编码系统零件的分类编码系统是用数字和字母对零件特征进行标识和描述的一套特定的规则和依据 目前 国内外已有100多种编码系统在工业中使用 每个工业部门可以根据本企业的产品特点选择其中一种 或在某种编码系统基础上加以改进 以适应本单位的要求 一个较好的零件分类编码系统应满足如下的要求 1 各特征代码应有明确含义 不能含糊不清和相互混淆 2 系统的信息容量与特征项目足够 应能覆盖企业内所有产品零件的有关特征信息 并留有余地 满足产品更新和工艺技术发展的需要 3 系统所描述的特征应尽量具有永久性 不致因产品更换或生产条件变化而变得不适用 4 能满足企业内各有关部门的要求 5 结构紧凑 便于掌握使用 并能适合于计算机处理 OPITZ编码系统是由德国OPITZ教授提出的 是世界上最早的一种适用于设计和工艺的多功能系统 其基本结构如图4 16所示 该系统分为主码和辅码 用9位数字码表示 前5位为主码 主要用来描述零件的基本形状元素 其中第 位是零件类别码 用来区分回转体零件与非回转体零件两大类 第 位是针对类别码所确定的零件形状及加工码 分别描述外部和内部形状及要素 平面加工和辅助加工 图4 16OPITZ系统的基本结构 系统的第 位是辅助码 表示零件的主要尺寸 材料及热处理性质 毛坯形状和精度要求 2 零件的分类成组方法所谓零件的分类成组 是指按照一定的相似准则 将产品中品种繁多的零件归并成为几个具有相似特征的零件族 这是成组技术的核心 零件分类成组的方法很多 但大致可分为编码分类法和生产流程分析法两大类 1 编码分类法根据编码系统编制的零件代码代表了零件一定的特征 因此 利用零件代码就能方便地找到相同或相似特征的零件 形成零件族 原则上讲 代码完全相同的零件便可组成一个零件族 但这样做会使得零件族数很多 而每个族内零件种类数都不多 达不到扩大批量 提高效率的目的 为此 应适当放宽相似性程度 做到合理分类 目前 常用的编码分类方法有 特征码位法此法以对某种目的影响最大的码位作为特征码位来划分零件族 例如 零件的形状 尺寸 材质等特征对制造工艺影响较大 在采用OPITZ系统时 将第 码位作为特征码位 特征码位相同 不论其他码位如何 都认为属同一零件族 码域法此法将分类编码系统中各码位数值规定一个范围作为零件分组的依据 特征位码域法该法是由特征码位法与码域法结合而成的一种分组方法 选取若干特征性较强的码位 并在这些码位上规定允许的特征项数据的变化范围 来作为分组的依据 2 生产流程分析法零件的分类编码系统一般是以零件的结构开头和几何特征为依据建立的 对于零件加工 工艺信息它不可能描述得非常精细 采用编码分类成组方法来划分零件族 不能很好地将之与加工工艺和加工设备联系起来 而生产流程分析法是以生产过程或以加工工艺过程为主要依据的零件分类成组方式 它通过相似的物料流找出相似的零件集合 并以生产实施或设备的对应关系来确定零件族 同时也能得到加工该族零件的生产工艺流程 和设备组 生产流程分析通常包含如下4方面内容 工厂流程分析 建立车间与零件的对应关系 车间流程分析 建立制造单元与零件的对应关系 单元流程分析 建立加工设备与零件的对应关系 单台设备流程分析 建立工艺装备与零件的对应关系 根据这些对应关系 编制出各类关系中最佳的作 业顺序 找出各个设备组与零件族 4 3 3CAM技术1 数控加工与编程数控机床是数字控制机床的简称 数控机床的运动参数和各种动作是由机床配置的数控系统以数字量的形式进行控制的 这些动作和运动参数是由零件的加工程序详细规定好的 数控加工是指利用数控机床或计算机代替人工操纵机床自动选择加工工具 生成加工路径 消除加工干涉 配置加工驱动等 从而完成零件的加工 为了在数控机床上进行加工 首先必须根据零件图样得到一个控制纸带 数控零件加工程序的编制是数控加工的基础 程序编制的好坏将直接影响到数控机床的加工质量和经济效益 国内外数控加工统计表明 造成数控加工设备空闲大约有20 30 的情况是编程不当造成的 因此理想的加工程序不仅应保证加工出符合设计要求的合格零件 同时应能使数控机床的功能得到合理的应用及充分的发挥 且能安全高效地工作 用普通机床加工零件 事先需要根据生产计划和零件图纸的要求编制工艺规程 其中包括确定工艺路线 选择加工机床 设计零件装夹方式 计算工序尺寸和规定切削用量等 应用数控机床加工时 大体也要经历这些步骤 这时的工作流程可以简略地用图4 17表示 图4 17数控编程的步骤 图中数控编程的内容与步骤如下 1 分析零件图样 进行工艺处理 2 数学处理 3 编写零件加工程序 4 控制介质及输入程序 5 程序校核及试切 2 数控编程的方法1 手工编程手工编程从分析零件 制定工艺规程 计算刀具运动轨迹 编写零件加工程序单 制作控制介质直到程序校核 整个过程都是由人工完成的 数控加工程序应按固定的格式编写 一般按下列顺序书写 即N G XYZRF S T M CR 其中N 为程序号 G 为准备功能 用地址G后面的2位数值代码来表示一个指令方式的准备功能地址 如G41表示刀具偏左 X Y Z表示要移动的轴 字母后注有方向 可省略 及移动量 单位为mm R及其后数值为圆弧插补参数 F 为刀具每分钟进给量 如F1为1mm min S T M为主轴功能 刀具功能和辅助功能 用S和其后的数值表示主轴每分钟的转速 刀具功能是由T后的两位数字表示的 至于哪个代码对应于什么刀具 则由机床厂家来决定 地址M后指定的两位数用于送出BCD两位代码信号和脉冲选通信号 以便控制机床的开 关 如M02表示主程序结束 M03表示主轴启动 CR表示程序段结束 一般用分号 表示 例如在数控镗床上钻一个如图4 18所示的孔的程序为N001G81X 70F600T01 N002Z174R148F110S880 N003G80X0Y0 N004M02 图4 18手工编程实例 2 自动编程由于手工编程既烦琐又枯燥 并影响和限制了NC机床的发展和应用 因而在NC机床出现不久 人们就开始了对自动编程方法的研究 自动编程就是指利用计算机编制数控加工程序 因而又称为计算机辅助编程 自动编程具有编程速度快 周期短 质量高 使用方便等一系列优点 与手工编程相比 可提高编程效率数倍乃至数十倍 零件越是复杂 自动编程的技术经济效果越是显著 特别是它能编制用手工编程无法完成的程序 自动编程根据编程信息输入与计算机对信息处理方式的不同 主要有如下三种 1 数控语言自动编程 数控语言自动编程就是利用计算机以专门的数控编程语言编写零件的源程序来实现自动编制零件数控加工程序 编程人员选用合适的数控语言来描述零件图样上的几何形状及刀具相对零件运动的轨迹 顺序和其他工艺参数等 所编制的程序称为零件的源程序 将编好的源程序全部输入给计算机进行处理 得到可以用于数控加工的NC指令 2 计算机辅助图形自动编程 编程人员不需要懂任何数控编程语言 其工作主要是对零件图样进行工艺分析 确定构图方案后 利用自动编程软件本身的自动绘图功能 在CRT显示器上以人机对话的方式构建出零件几何图形 然后利用软件的CAM功能制作出NC加工程序 这种自动编程主要是以人机交互方式进行的 所以又称为图形交互式自动编程 3 CAD CAM集成编程 在CAD CAM集成环境中 数控加工程序的生成直接提取了CAD的零件信息和CAPP的工艺设计结果 自动生成刀位文件 经过后置处理 刀位文件转换成NC加工程序 集成环境下NC自动编程系统如图4 19所示 这种编程过程达到了很高的自动化水平 生成的NC程序可以人工由键盘输入数控系统 或通过串行通信线路传输至数控系统 图4 19集成环境下NC自动编程系统 3 数控语言自动编程技术1 数控语言自动编程过程数控加工程序编制过程如图4 20所示 可分为源程序编制和目标程序编制两个阶段 1 源程序编制 源程序是使用专门的数控语言 如APT FAPT EXAPT EAPT等 所指定的方式写出所需加工零件的形状 尺寸 加工该工件的刀具的动作 指定的切削条件 图4 20数控加工程序编制过程 机床的辅助功能等内容的程序 零件程序语言一般都是公开的 编程人员按照一定自动编程系统的说明书就能编写出零件源程序 若在计算机集成制造系统中 零件图可由计算机辅助设计输入 零件工艺过程可由计算机辅助工艺过程设计输入 则可自动编制用数控语言表示的源程序 2 目标程序编制 零件源程序并不能被数控系统所识别 因此不能直接控制机床 零件源程序编好后 要输入给计算机 由编译程序 数控软件 翻译成机器语言 通过前置处理和后置处理 输出机床数控系统所需的加工程序 称之为目标程序或结果程序 目标程序是用国际标准化组织颁布的数控代码来编写的 通常所说的数控程序就是指目标程序 手工编程时 可直接编制目标程序 但工作量大 易出错 自动编程时 可以手工编制源程序 再通过计算机从源程序自动产生目标程序 这样做简单方便 工作量大为减小 编译程序是针对加工对象事先编好存放在计算机中的系统软件 包括前置处理程序和后置处理程序两大模块 大多是用高级语言 FORTRAN 开发的 前置处理程序对源程序中表示零件的几何信息 刀具运动轨迹语句等进行编译 得到刀具位置数据文件 由于这部分处理不涉及具体NC机床的指令形式和辅助功能 因此具有通用性 后置处理程序将刀具位置数据再编译成特定的机床数控指令 因为不同的机床功能不同 所以后置处理程序是不通用的 由此可见 经过数控程序系统处理后输出的程序才是控制NC机床的零件加工程序 整个NC自动编程的过程如图4 20所示 从图4 20中可见 为实现自动编程 数控自动编程语言和数控程序系统是两个重要的组成部分 2 数控语言及源程序的编写 1 APT语言系统的特点 用APT语言编写的零件源程序接近英语自然语言 具有和英语相类似的词汇