第5章_先进制造装备及技术

5 1制造自动化概述5 2数控机床及技术5 4虚拟轴机床5 5工业机器人5 6装配线5 7自动导向车 AGV 5 8质量检测及装备 第5章先进制造装备及技术 自动化是减轻 强化 延伸 取代人的有关劳动的技术或手段制造自动化的发展 单机自动化自动线数控机床加工中心柔性制造系统计算机集成制造系统发展方向 柔性化 集成化 智能化 5 1制造自动化概述 制造自动化按对象可以分为 单机自动化制造过程自动化制造系统管理自动化制造自动化技术包括 数控技术工业机器人柔性制造系统 FMS 自动检测及信号识别技术过程设备工况监测与控制 5 1制造自动化概述 数字控制 NumericalControl 是 种借助数字 字符或其他符号对某一工作过程 如加工 测量 装配等 进行可编程控制的自动化方法 简称数控 NC 5 2数控机床及技术 数控机床的分类 5 2数控机床及技术 参考程序 N10G54S600M3M42F0 2T1N20G0X65Z0 2N30G1X 1N40G0X80Z50N50 CNAME CLX1 R105 1R106 0 2R108 4R109 0R110 1R111 0 3N60LCYC95N70G0X100Z150N80G96S100LIMS 2500F0 15T2N90G0X15Z0N100G1X 1N110Z1N120G0X80Z50N130 CNAME CLX1 R105 5R112 0 15N140LCYC95N150G0X100Z150N160M2 5 2数控机床及技术 CLX1 SPFN10G1X10Z0N20G3X20Z 5CR 5N30G1Z 20N40X35Z 26N50Z 40N60X42N70X45Z 41 5N80R1 7 5 TAN 40 70N90G1Z R1N100X60Z 70N110M2 加工中心加工中心 也称为可自动换刀的数控机床 是一种带有自动换刀装置 刀库和自动交换刀具的机械手 能进行铣削 钻削 镗削加工的复合型数控机床 加工中心的特点 工件一次装夹可完成多道工序 为进一步提高生产率 有的加工中心使用双工作台 一面加工 一面装卸 工作台可自动交换 5 2数控机床及技术 虚拟轴机床 VirtualAxisMachineTool 实际上是一种数控机床 也称为并联机床 ParallelMachineTool 并联运动学机器 ParallelKinematicsMachine Stewart机床 六条腿 Hexapod 机床20世纪90年代发展起来的一种新型机床 被誉为 机床结构的重大革命 2l世纪机床 问世后引起了世界各国制造业的广泛关注 5 4虚拟轴机床 虚拟轴机床工作原理 5 4虚拟轴机床 虚拟轴机床主要由机床上方的固定平台和下方的活动平台及连接两个平台的六个可变长度连杆构成 如图5 14所示 工件安装在工作台上 工作台固定不动 各连杆的两端通过球副分别与固定平台和动平台连接 每个连杆由一个独立的伺服电机驱动 连杆长度通过精密滚珠丝杠传动改变 机床的主轴部分和刀具安装在活动平台中心 进行加工时 数控系统控制各连杆长度彼此协调地变化 使带有刀具的动平台的空间位置和姿态发生变化 形成所需的刀具运动轨迹 主轴带动刀具旋转进行切削加工 形成加工零件的表面 1954年 美国戴沃尔提出 工业机器人 IndustrialRobot 的概念 1959年美国UNIMATION公司推出第一台工业机器人 60年代 工业机器人进入成长期 并被用于焊接和喷涂作业中 70年代 进入实用化 出现了配有视觉和触觉系统的工业机器人 80年代 进入普及时代 机器人发展成为具有各种移动机构 通过传感器控制的机器 90年代 生产与需求进入了高潮期 还出现了具有感知 决策 动作能力的智能机器人 5 5工业机器人 工业机器人发展经历了三个阶段 形成了通常所说的三代机器人 第一代机器人示教再现型机器人第二代机器人具有感觉的机器人第三代机器人智能机器人 5 5工业机器人 工业机器人的组成执行机构末端执行器手腕手臂驱动系统控制系统检测装置支承系统 5 5工业机器人 图5 15工业机器人的组成1 控制系统2 驱动系统3 大臂4 小臂5 腕部6 立柱7 机身a 臂部摆动b 肩关节旋转c 肘关节旋转d 腕摆动e 腕扭转f 腕俯仰 工业机器人的分类 5 5工业机器人 一 装配线的产生与作用1913年 美国亨利 福特发明流水装配线装配线的原理可归纳为如下三点 生产标准化原理作业单纯化原理移动装配法原理 5 6装配线 二 装配线的基本概念装配是指按规定的技术要求 将若干零件或部件组合连接起来 使之成为半成品或成品的过程 可分为部件装配和总装配 5 6装配线 三 装配线的分类及特点 1 手工装配线通过若干个技术熟练的装配工人完成装配线上的各种装配操作任务 特点 投资成本低 装配灵活性即柔性强 可适应各种复杂的装配操作任务 但容易导致装配工作的低效性 操作具有不稳定性 5 6装配线 2 自动化装配线通过专用的机械装置或自动化装置完成各种装配操作任务 刚性线特点 初期投资成本高 装配设备为生产专门产品而设计 生产率高 装配质量能够得到保证 柔性差 柔性线特点 初期投资成本更高 包含了装配机器人 生产率比刚性自动装配线低 装配质量同样能够得到保证 柔性好 当产品品种变化时需要对生产线进行重新设计和安装 5 6装配线 3 混合装配线装配工人 专用自动化装配设备和 或 装配机器人分别承担一部分装配操作任务 并且彼此相互协调配合 共同完成产品的装配 特点 投资成本介于手工和自动化装配线之间 手工装配的灵活性和自动化装配的高生产率高质量都能得到发挥 影响产品生产率和质量主要因素是装配工人 设备则对投资成本的高低起主要作用 5 6装配线 3 混合装配线装配工人 专用自动化装配设备和 或 装配机器人分别承担一部分装配操作任务 并且彼此相互协调配合 共同完成产品的装配 特点 投资成本介于手工和自动化装配线之间 手工装配的灵活性和自动化装配的高生产率高质量都能得到发挥 影响产品生产率和质量主要因素是装配工人 设备则对投资成本的高低起主要作用 5 6装配线 四 装配线的组成及原理1 手工装配线的组成 线体 各种工装夹具 装配工具和工作台 线体以各种输送机最为常见 2 刚性自动化装配线的组成 1 机械系统给料部分传送部分装配部分 5 6装配线 四 装配线的组成及原理2 刚性自动化装配线的组成 1 机械系统给料部分 5 6装配线 图5 21振动给料盘 四 装配线的组成及原理2 刚性自动化装配线的组成 1 机械系统传送部分 5 6装配线 四 装配线的组成及原理2 刚性自动化装配线的组成 1 机械系统装配部分 5 6装配线 四 装配线的组成及原理2 刚性自动化装配线的组成 2 控制系统 核心通常采用可编程序控制器 单片机 微处理器或计算机 3 检测传感系统 一些重要环节安装传感器 将有关信息传送给控制系统以便随时进行分析处理 4 质量检验系统 按规定对各种质量指标进行检验 如装配精度 装配件是否安装到位 绝缘性 密封性等 5 动力系统 5 6装配线 四 装配线的组成及原理3 柔性自动化装配线的组成装配机器人系统物料输送系统零件自动供料系统工具 手爪 自动更换装置及工具库传感系统基础件系统控制系统质量检验系统计算机管理系统 5 6装配线 装配线的柔性通过装配机器人来实现 四 装配线的组成及原理3 柔性自动化装配线的组成装配机器人的结构及技术指标主要技术指标 最大抓取重量定位精度重复定位精度速度和工作范围 5 6装配线 四 装配线的组成及原理4 自动化装配与产品设计在产品设计阶段就应当对产品的可装配性予以充分考虑 例如装配过程中零件输送 定位 识别 抓取 装配操作等方面的问题 可装配性设计原则自动化输送过程中 零件的设计应避免零件间在输送过程中发生缠结 搭叠 相互套入等影响装配的问题 尽量采用自定位零件 保证零件和子装配在装配中便于抓取而且不易受损 设计中应考虑零件插装方向 路径对装配难度的影响 5 6装配线 四 装配线的组成及原理4 自动化装配与产品设计 1 可装配性设计原则应用示例将图5 25a中零件的端面改为图5 25b所示的球面 可使其在传送中易于定向 有利于自动传送 将图5 25c中光轴装入再用紧固螺钉固定改为图5 25d 将轴的一端滚花再做成过盈配合 可简化装配 有利于自动装配作业 5 6装配线 c d 图5 25面向自动化装配产品设计示例 a b 自动导向车 AutomatedGuidedVehicle AGV 是一种无人驾驶的自动化运输设备 能承载一定的重物在出发地和目的地之间自主行进 AGV是自动化物流运输系统 柔性生产组织系统的关键设备 1953年 美国BarrettElectric公司制造出世界上第一台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的AGV 20世纪70年代中期 具有载货功能的AGV在欧洲得到了应用并被引入到美国 这些AGV主要用于自动化仓贮系统和柔性装配系统的物料运输 80年代初 AGV的应用领域扩大而且工作条件也变得多样化 目前国外投入运行的AGV达几十万台 在近20年里 AGV在机械工业 自动仓库和物流中心等各个领域得到了广泛应用 汽车制造业是AGV的主要应用领域 5 7自动导向车 AGV 1 AGV的定义自动导向车 AGV 是采用自动或人工方式装载货物 按设定的路线自动行驶或牵引着载货台车至指定地点 再用自动或人工方式装卸货物的工业车辆 5 7自动导向车 AGV 2 AGV的组成AGV的组成有8部分 导向系统 AGV的核心部分车体蓄电池及充电装置驱动装置转向装置移载装置控制与通信系统安全装置 5 7自动导向车 AGV 2 AGV的组成图5 31a是工件输送AGV 其上部为一平台 平台上装备有托盘交换装置 以便与机床或装卸站之间进行自动连接 图5 31b是刀具运载AGV 它与工件输送AGV相同 只是在上部放置了一个装载刀架和一个小型机器人 刀架可容纳5 20把刀具 由该车在刀具装卸站 各加工机床与中央刀库之间搬运刀具 当小车到达一个目标时 由附设的机器人进行刀具交换 5 7自动导向车 AGV 2 AGV的组成 5 7自动导向车 AGV 3 AGV的特点运行路径和目的地可以由管理程序控制 机动能力强 工位识别能力和定位精度高 具有与各种加工设备协调工作的能力 载物平台可以采用不同的安装结构和装卸方式 能满足不同产品运送和加工的需要 可装备多种声光报警系统 能通过车载障碍探测系统在碰撞到障碍物之前自动停车 AGV组成的物流系统不是永久性的 而是在给定的区域内设置 与其他物料输送方式相比 初期投资大 但可以大幅度降低运行费用 5 7自动导向车 AGV 4 AGV的导向原理 1 电磁导向 5 7自动导向车 AGV 4 AGV的导向原理 2 光学导向 5 7自动导向车 AGV 4 AGV的导向原理 3 激光导向 5 7自动导向车 AGV 4 AGV的导向原理 4 视觉导向 5 7自动导向车 AGV 1 检测量与检测传感器传感器是指能将物理量或化学量转变为电量 或电磁量 的器件或元件 制造系统中用于检测与监控的量主要有 1 状态量如工件 设备的运动部件是否到位 常见传感器有接近开关 行程开关等 5 8质量检测及装备 行程开关 接近开关 1 检测量与检测传感器制造系统中用于检测与监控的量主要有 2 几何量常见的传感器有三坐标测量机的三维测头 3 机械量如位移 角度 速度 加速度 应力 力矩 振动 噪声 计数等 常见的传感器 5 8质量检测及装备 电涡流传感器旋转编码器压电加速度传感器应变片 1 检测量与检测传感器制造系统中用于检测与监控的量主要有 5 光学量经常采用的是机器视觉和激光干涉技术 6 电量主要包括电压 电流 电功率和频率等 常见的传感器有各种电压传感器 电流传感器 功率传感器 电频率传感器等 5 8质量检测及装备 2 坐标测量机 1 功能能在空间三个坐标上测量长度 角度 倾斜度以及各种复杂的几何形状和空间曲面 例如 汽车外