第五章先进制造装备及技术

先进制造系统,河北科技大学经济管理学院,先进制造系统,第1章先进制造系统总论第2章先进制造系统基本原理第3章先进制造模式第4章先进设计技术第5章先进制造装备及技术第6章先进制造工艺技术第7章绿色设计与制造第8章典型产品的制造系统第9章制造系统展望,概述,制造装备是指能够完成制造系统“制造”功能的各类设备。是制造系统的“硬件部分”，是实施制造过程的实体，包括制造企业的各类机器和装置。先进制造装备既是先进制造技术的物化，也是先进制造模式的载体。制造系统的硬件主要包括物料处理系统（以自动加工设备和装配线为主）、物料存储系统、物料运输系统和质量控制系统。,概述,本章将扼要地介绍AMS的典型装备：数控机床、加工中心、工业机器人、虚拟轴机床、装配生产线、自动导向车、坐标测量机和柔性制造系统等。它们的结构、原理、功能、特点和布置方式对AMS功能的发挥具有决定性影响。学习本章内容，不能只是单纯认识设备的结构与原理，而应该从系统的角度考察设备的功能与应用情况。其中的数控技术是最基本的AMT，柔性制造也是最典型的AMM。,第5章先进制造装备及技术,5.1制造自动化简述5.2数控机床及技术5.3加工中心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5.8质量检测及装备5.9柔性制造系统（FMS）,5.1制造自动化简述,一、制造自动化技术的发展自动化是减轻、强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段,机械是一切技术包括自动化技术的载体制造自动化的发展: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制造自动化简述,二、制造自动化技术的内容制造自动化是指用机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的智力，以自动完成特定的作业，实现人机系统的协调和优化。包括:物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化任务:研究制造过程的规划、管理、组织、控制与操作等的自动化,5.1制造自动化简述,二、制造自动化技术的内容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,5.2数控机床及技术,一、数控技术的发展二、数控机床的组成三、CNC系统的主要工作过程四、数控机床的分类与特点五、数控加工原理六、数控加工编程技术,5.2数控机床及技术,一、数控技术的发展数字控制（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）。数控技术是指用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术。,5.2数控机床及技术,一、数控技术的发展第一代数控系统：1952年麻省理工学院研制出一台二坐标联动、利用脉冲乘法器原理的数控铣床（硬接线），使用的电子元件为电子管。第二代数控系统：1959年，晶体管元件出现，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板。1959年3月，KenneyTreckerCorp发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（MachiningCenter，MC）。第三代数控系统：1965年，出现体积小，功耗低的小规模集成电路，使数控系统的可靠性大大提高。,一、数控技术的发展第四代数控系统：1970年前后，大规模集成电路及小型计算机第五代数控系统：1974年，以微处理器为核心的数控系统第六代数控系统：1990年，基于PC(微机)的数控系统,5.2数控机床及技术,1958年开始并试制成功第一台电子管数控机床。1965年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末至70年代初成功。从20世纪80年代开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。,我国数控机床发展概况,二、数控机床的组成数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序进行机械零件的加工。数控系统是由用户程序、输入输出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,数控机床的组成,5.2数控机床及技术,1.用户程序它是零件加工程序。根据零件图纸，用手工编程或自动编程的方法编制出数控加工程序并存储在一种信息载体上。2.输入输出设备CNC系统对数控设备进行自动控制所需的各种外部控制信息及加工数据,都是通过输入设备存入CNC装置的存储器中。输入CNC装置的有零件加工程序、控制参数、补偿数据等。输出设备主要的功能为显示、打印、输出加工程序、控制参数、补偿参数等。,5.2数控机床及技术,3.CNC装置CNC装置由硬件和软件组成。硬件主要由微处理器、存储器、位置控制、输入/输出接口、可编程控制器、图形控制、电源等模块组成。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件系指零件加工程序的输入输出、系统的显示功能和诊断功能。控制软件则包括译码处理、刀具补偿、插补运算、位置控制和速度控制。,5.2数控机床及技术,4.可编程控制器(PLC)数控设备用可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。数控设备用PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC从属于CNC装置，PLC硬件电路可与CNC装置其它电路制作在同一块印刷板上，也可以作成独立的电路板。独立型PLC独立CNC装置，本身具有完备的硬、软件功能，可以独立完成所规定的控制任务。,5.2数控机床及技术,5.伺服系统伺服系统包括驱动部分和执行机构两大部分。伺服系统主要指数控设备的主轴驱动和进给驱动，是CNC系统的执行部分。伺服系统的作用是把来自CNC装置的各种指令（脉冲信号），转换成数控设备移动部件的运动。在数控机床的伺服驱动机构中，常用的驱动元件有功率步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机，后二者都带有感应同步器、编码器等位置检测元件。,5.2数控机床及技术,6.主机与普通机床相比，NC机床的主机有三点不同：由于采用了主轴与进给伺服驱动可控系统，使NC机床的主机机械传动系统传动链缩短、传动机构简化；有高的机械结构刚度、阻尼、精度和耐磨性，较小的热变形；多采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、滚动导轨等。,5.2数控机床及技术,7.测量反馈装置：由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈回来，构成闭环控制。它可以包含在伺服系统中。常用的测量元件有脉冲编码器、光栅、感应同步器、磁尺等。,三、CNC系统的主要工作过程1.正常工作前的准备工作在接通电源后，CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。2.零件加工控制信息的输入CNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。3.数控加工程序的译码和预处理加工控制信息输入后，启动加工运行，此时CNC装置在系统控制程序的作用下，对数控程序进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。,5.2数控机床及技术,三、CNC系统的主要工作过程4.插补计算一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理。所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的运动序列指令。5.位置控制各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,四、数控机床的分类与特点1。数控机床的分类（1）按工艺用途分为：金属切削类数控机床金属成形类数控机床数控特种加工机床,四、数控机床的分类与特点（2）按伺服控制系统分为：开环控制数控机床闭环控制数控机床半闭环控制数控机床,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,四、数控机床的分类与特点开环控制数控机床其运动部件的位移没有检测反馈装置，数控装置发出的信号是单向的，通常采用功率步进电动机作位移的伺服机构。,5.2数控机床及技术,四、数控机床的分类与特点闭环控制数控机床这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制，其控制框图如下图所示。,5.2数控机床及技术,四、数控机床的分类与特点半闭环控制数控机床半闭环控制系统是将检测元件安装在电机或丝杠端头上，检测角位移。由于闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可以获得比较稳定的控制特性。,（3）按数控系统的功能水平分为：低档数控机床分辨率为510m，进给速度在815m/min，采用开环、步进电机进给系统中档数控机床分辨率为1m,进给速度在1524m/min，采用半闭环的伺服系统高档数控机床分辨率为0.11m，进给速度在15100m/min，采用闭环的伺服系统,5.2数控机床及技术,2.数控机床的特点高精度高效率高柔性高自动化高效益,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理1。运动控制（1）点位控制（2）直线控制（3）轮廓控制,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理1。运动控制（1）点位控制（2）直线控制（3）轮廓控制,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理1。运动控制（1）点位控制（2）直线控制（3）轮廓控制,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理2。坐标系（1）数控机床坐标轴系及运动方向,五、数控机床的加工原理2。坐标系坐标轴方向：为了编程的方便和统一，不论在加工中是刀具移动，还是被加工工件移动，一般都假定工件相对静止不动，而刀具移动。并同时规定刀具远离工件的方向作为坐标轴的正方向。附加坐标轴：X、Y、Z为主坐标系，称第一坐标系。若除了第一坐标系，还有平行于基本坐标系轴的第二直线运动时，称第二坐标系，用U.V.W表示。第三坐标系用P、Q、R表示。,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理2。坐标系Z坐标标准规定：Z坐标主轴轴线的进给轴。刀具旋转的机床，旋转刀具的轴线为Z轴工件旋转的机床，工件的轴线为Z轴若没有主轴(牛头刨床)或者有多个主轴，则选择垂直于工件装夹面的方向为Z坐标Z坐标正方向的规定：刀具远离工件的方向。,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理2。坐标系X坐标一般是水平的，平行于工件的装夹面且与Z轴垂直。在工件旋转的机床上（车床、磨床等），X轴的运动方向是工件的径向并平行于横向拖板，且刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向。在刀具旋转的机床上（铣床、钻床、镗床等）。Z轴水平（卧式），则从刀具(主轴)向工件看时，X坐标的正方向指向右边。Z轴垂直（立式）：单立柱机床，从刀具向立柱看时，X的正方向指向右边；双立柱机床(龙门机床)，从刀具向左立柱看时，X轴的正方向指向右边。,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理2。坐标系Y坐标利用已确定的X.Z坐标的正方向，用右手定则或右手螺旋法则，确定Y坐标的正方向。右手定则：大姆指指向+X，中指指向+Z，则+Y方向为食指指向。右手螺旋法则：在XZ平面，从Z至X，姆指所指的方向为+y。,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理2。坐标系（2）机床坐标系与工件坐标系机床原点与机床坐标系机床原点机床坐标系的零点。这个原点是在机床调试完成后便确定了，是机床上固有的点。机床原点的建立：用回零方式建立。机床原点建立过程实质上是机床坐标系建立过程机床坐标系以机床原点为坐标系原点的坐标系，是机床固有的坐标系，它具有唯一性。机床坐标系是数控机床中所建立的工件坐标系的参考坐标系。注意：机床坐标系一般不作为编程坐标系，仅作为工件坐标系的参考,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理2。坐标系（2）机床坐标系与工件坐标系机床原点与机床坐标系,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理2。坐标系（2）机床坐标系与工件坐标系工件原点与工件坐标系工件原点：为编程方便在零件、工装夹具上选定的某一点或与之相关的点。该点也可以是对刀点重合。工件坐标系：以工件原点为零点建立的一个坐标系，编程时，所有的尺寸都基于此坐标系计算。工件原点偏置：工件随夹具在机床上安装后，工件原点与机床原点间的距离。现代数控机床均可设置多个工件坐标系，在加工时通过G指令进行变换。,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理2。坐标系（2）机床坐标系与工件坐标系工件原点与工件坐标系,五、数控机床的加工原理2。坐标系（2）机床坐标系与工件坐标系绝对坐标和相对坐标定义绝对坐标编程：工件所有点的坐标值基于某一坐标系（机床或工件）零点计量的编程方式。相对坐标编程：运动轨迹的终点坐标值是相对于起点计量的编程方式（增量坐标编程）。表达方式：G90/G91；X.Y.Z绝对，U.V.W相对选用原则：主要根据具体机床的坐标系，考虑编程的方便(如图纸尺寸标注方式等)及加工精度的要求，选用坐标的类型。注意：在机床坐标系和工件坐标系中均可用绝对坐标编程；而在使用相对坐标编程时，上述两个坐标系是无意义的。,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,五、数控机床的加工原理2。坐标系（2）机床坐标系与工件坐标系绝对坐标和相对坐标,六、数控加工编程技术1编程的方法手动编程：整个编程过程由人工完成。对编程人员的要求高（不仅要熟悉数控代码和编程规则，而且还必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力）自动编程：编程人员只要根据零件图纸的要求，按照某个自动编程系统的规定，将零件的加工信息用较简便的方式送入计算机，由计算机自动进行程序的编制，编程系统能自动打印出程序单和制备控制介质。,5.2数控机床及技术,自动编程又称计算机辅助零件程序编制（ComputerAssistedPartProgramming），由计算机或编程机自动完成数值计算和零件加工程序单编写。零件源程序输入计算机以后，由数控程序系统将其自动地处理成程序单、信息载体和零件图形。1955年，美国麻省理工学院宣布研制出程序自动编制系统(APT)，1959年开始用于生产。1961年,美国航空空间工业协会(AIA)发展了APT-。70年代初期,计算机年代起，西欧地区和苏联、日本、中国等国也发展各自的自动编程系统。,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术1编程的方法手工编程适用于：几何形状不太复杂的零件自动编程适用于：形状复杂的零件，虽不复杂但编程工作量很大的零件（如有数千个孔的零件）虽不复杂但计算工作量大的零件（如轮廓加工时，非圆曲线的计算）,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术1编程的方法据国外统计：用手工编程时，一个零件的编程时间与机床实际加工时间之比，平均约为30：1。数控机床不能开动的原因中，有2030%是由于加工程序不能及时编制出造成的编程自动化是当今的趋势！,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术2、手动编程的内容和步骤图纸工艺分析这一步与普通机床加工零件时的工艺分析相同，即在对图纸进行工艺分析的基础上，选定机床、刀具与夹具；确定零件加工的工艺线路、工步顺序及切削用量等工艺参数等,5.2数控机床及技术,计算运动轨迹根据零件图纸上尺寸及工艺线路的要求，在选定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动轨迹的坐标值，并且按NC机床的规定编程单位（脉冲当量）换算为相应的数字量，以这些坐标值作为编程尺寸。,5.2数控机床及技术,编制程序及初步校验根据制定的加工路线、切削用量、刀具号码、刀具补偿、辅助动作及刀具运动轨迹，按照数控系统规定指令代码及程序格式，编写零件加工程序，并进行校核、检查上述两个步骤的错误。,5.2数控机床及技术,制备控制介质将程序单上的内容，经转换记录在控制介质上，作为数控系统的输入信息，若程序较简单，也可直接通过键盘输入。,5.2数控机床及技术,程序的校验和试切所制备的控制介质，必须经过进一步的校验和试切削，证明是正确无误，才能用于正式加工。如有错误，应分析错误产生的原因，进行相应的修改。,常用的校验和试切方法：对于平面轮廓零件可在机床上用笔代替刀具、坐标纸代替工件进行空运转空运行绘图。对于空间曲面零件，可用蜡块、塑料或木料或价格低的材料作工件，进行试切，以此检查程序的正确性。在具有图形显示功能的机床上，用静态显示（机床不动）或动态显示（模拟工件的加工过程）的方法，则更为方便。上述方法只能检查运动轨迹的正确性，不能判别工件的加工误差。首件试切(在允许的条件下)方法不仅可查出程序单和控制介质是否有错，还可知道加工精度是否符合要求。当发现错误时，应分析错误的性质，或修改程序单，或调整刀具补偿尺寸，直到符合图纸规定的精度要求为止。,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制(1)数控加工程序的结构一个完整的数控加工程序由程序名、程序体和程序结束三部分组成%01LF程序名N010G92X50.0Y20.0LFN020LFN030LF程序体N040LFN050LFM02LF程序结束,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制程序名程序名是一个程序必需的标识符。组成：由地址符后带若干位数字组成。地址符常见的有：“%”、“O”、“P”等，视具体数控系统而定。示例：国产华中I型系统“%”，日本FANUC系统“O”。后面所带的数字一般为48位。如：%2000程序体它表示数控加工要完成的全部动作，是整个程序的核心。组成：它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成。程序结束它是以程序结束指令M00、M02或M30，结束整个程序的运行。,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制(2)程序段程序段标号指令地址符N后带若干数字组成；程序段是由按一定顺序和规定排列的“功能字”（简称“字”）所组成，每个字是一个控制机床的具体指令，由表示地址的英文字母或特殊文字开头，其后跟着几个数字构成程序段结束指令每一个程序段都应有结束符，它是数控系统编译程序的标志。常用的有：“*”、“；”、“LF”、“NL”、“CR”等，视具体数控系统而定。,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,表示地址符的英文字母的含义,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制(2)程序段最常用的是字地址格式：NGX.FSTMLFN03G91G01X50Y60F200S400M03M08LF,5.2数控机床及技术,程序段号,G指令,尺寸指令,进给速度指令,主轴转速指令,M指令,程序段结束符,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令1）准备功能指令：由字符G和其后的2位数字组成功能：规定机床运动线型、坐标系、坐标平面、刀具补偿、暂停等操作。组成：G后带二位数字组成，共有100种（G00G99）有模态（续效）指令与非模态指令之分。,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,G指令准备功能快速点定位指令（G00）直线插补指令（G01）圆弧插补指令（G02，G03）刀具半径补偿指令（G40、G41、G42）,5.2数控机床及技术,G00指令快速定位指令编程格式：G00X_Y_Z_*功能：指令刀具从当前点，以数控系统预先调定的快进速度，快速移动到程序段所指令的下一个定位点。主要用于空移刀具位置和点位控制的钻镗多孔加工。注意：G00的运动轨迹不一定是直线，若不注意则容易干涉。,5.2数控机床及技术,G00X(U)_Z(W)_LF,快速点定位指令（G00）,5.2数控机床及技术,050100150200250300,50100150,起点,终点,Z,X,N010G92X150Z250LFN020G00X50Z100LF,G01指令直线插补指令编程格式：G01XaYbZcFfLF功能：指令多坐标（2、3坐标）以联动的方式，按程序段中规定的合成进给速度f，使刀具相对于工件按直线方式，由当前位置移动到程序段中规定的位置（a、b、c）。当前位置是直线的起点，为已知点，而程序段中指定的坐标值即为终点坐标。,5.2数控机床及技术,G01X(U)_Z(W)_F_LF,5.2数控机床及技术,N010G92X15Z45LFN020G01X30Z15F150LF,G01指令直线插补指令,5.2数控机床及技术,G02,G03指令圆弧插补指令G02：顺时针圆弧插补。G03：逆时针圆弧插补。顺、逆方向判别规则：沿垂直于圆弧所在平面的坐标轴的负方向观察，来判别圆弧的顺、逆时针方向。,G02,G03指令圆弧插补指令,5.2数控机床及技术,编程格式：XY平面：G17X_a_Y_b_()F_f_*XZ平面：G18X_a_Z_c_()F_f_*YZ平面：G19Y_b_Z_c_()F_f_*,G02X(U)_Z(W)_I_K_F_LFG03X(U)_Z(W)_I_K_F_LF,G02,G03指令圆弧插补指令圆弧的终点坐标，由a、b、c后的数值指定。,5.2数控机床及技术,由起点指向圆心的向量在X,Y,Z轴上的分量用I,J,K表示,X,Y,I,J,起点,Z,X,起点,I,K,O,终点,5.2数控机床及技术,绝对方式：G02X60Z-25I0K-10LF相对方式：G02U20W-10I0K-10LF,绝对方式：G03X60Z-25I10K0LF相对方式：G03U20W-10I10K0LF,自动回零（返回程序原点）G26G27G29,G26先X轴后Z轴回零，返回时按P24单元设定值进行。G27X轴回零，其余功能和G26相同。G29Z轴回零，其余功能和G26相同。,5.2数控机床及技术,刀具半径补偿指令（G40、G41、G42）G40刀具半径补偿撤销指令G41左偏刀具半径补偿指令G42右偏刀具半径补偿指令,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令2）辅助功能指令亦称M代码指令功能：控制机床及其辅助装置的通断的指令。如开、停冷却泵；主轴正反转、停转；程序结束等组成：M后带二位数字组成，共有100种（M00M99）。有模态（续效）指令与非模态指令之分。示例：M00，M02，M03等,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令2）辅助功能指令亦称M代码指令常用的M指令如下：程序结束M00该指令执行结果为主轴和冷却泵停止。程序闭合时显示第一个程序段号。程序暂停M01该指令执行结果主轴继续转动，按压编辑功能键后可做相应键盘处理；如果没有键盘操作，则按压程序启动键后程序继续运行。程序循环M02该指令执行结果为主轴和冷却泵停止，程序闭合时自动返回程序的第一个程序段，返回一段时间后继续运行该程序。,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令2）辅助功能指令亦称M代码指令常用的M指令如下：主轴正转指令M03主轴按逆时针方向旋转主轴反转指令M04主轴按顺时针方向旋转,5.2数控机床及技术,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令3）F、S、T、D指令F指令指定（合成）进给速度指令组成：F后带若干位数字，如F150、F3500等。其中数字表示实际的合成速度值。它是模态指令。单位：mm/min（公制）或inch/min（英制）。视用户选定的编程单位而定，若为公制单位，则上述两个指令分别表示：F=150mm/min；F=3500mm/min。,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令3）F、S、T、D指令S指令（切削速度）指定主轴转速指令组成：S后带若干位数字，如S500、S3500等。其中数字表示实际的主轴转速值。它是模态指令。单位：r/min。上述两个指令分别表示主轴转速：500r/min；3500r/min。,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令3）F、S、T、D指令T、D指令指定刀具号和刀具长度、半径存放寄存器号指令。组成：T、D后跟两位数字，如T11、D02等。其中数字分别表示存放的在库中的刀具号和刀具长度、半径补偿寄存器号。上述两个指令分别表示后续加工将选择刀库中11号刀具和采用D02寄存器中的数值进行补偿。,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令4）尺寸指令指定的刀具沿坐标轴移动方向和目标位置的指令X、Y、Z、U、V、W指令指定沿直线坐标轴移动方向和目标位置指令组成：后带符号的数字组成。如X100、Y-340等，其中数字表示沿由字母指定的坐标轴运动的目标位置值,符号表示运动的方向。单位：mm、m（公制）或inch（英制）。视用户选定的编程单位而定.,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令5）I、J、K、R指令圆弧插补圆心位置和半径指定指令组成：后带符号的数字组成。如I10、J-34、R30等，其中带符号数字表示圆心位置和半径值。单位：mm、m（公制）或inch（英制）。视用户选定的编程单位而定.,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术3。数控加工程序的编制（3）数控加工程序常用的编程指令6）子程序名和子程序调用指令用于给子程序命名和在主程序中调用该子程序，该指令的标准化程度不高，不同系统有不同的规定。组成：子程序名指令地址符（字母或符号，如O、%等）后带若干数字组成；子程序调用指令地址符+调用子程序名部分+调用次数部分。示例：M98P08L12（FANUC、华中数控系统）,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术4。案例,5.2数控机床及技术,六、数控加工编程技术4。案例,5.2数控机床及技术,%1LFN010M03LFN020G01U-42W0F100LFN030G01U20W0LFN040G01U0W-15LFN050G01U8W-11LFN060G01U0W-10LFN070G01U12W0LFN080G26LFN090M00LF,圆珠笔造型实验报告要求：一、造型图要求以1：1或2：1的比例作图工具：铅笔、直尺、圆规二、加工程序计算部分要求注明。三、实验结果分析将实际加工结果和设计图进行对比，并说明产生误差的原因。,5.2数控机床及技术,一、加工中心的工作原理加工中心是在普通机床的基础上，增加了自动换刀装置和刀库，并带有自动分度回转工作台或主轴箱（可自动改变角度）及其他辅助功能，从而使工件在一次装夹后，可以连续、自动的完成多个平面或多个角度位置的钻、扩、铰、镗、攻丝、铣削等工序的加工，工序高度集中。加工中心能自动的改变机床的主轴转速，进给量和刀具相对于工件的运动轨迹。有的加工中心带有双工作台，一个工作台上的工件在加工的同时，另一个工件可在处于装卸位置的工作台上进行装卸，然后交换加工（装卸）位置，因而节省总加工时间。,5.3加工中心,一、加工中心的工作原理由于加工中心具有上述功能，因而可以明显减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件的周转、搬运和存储时间，大大提高生产率，尤其是对于加工形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁的零件，更具有良好的经济性。,5.3加工中心,5.3加工中心,二、加工中心的组成加工中心的外形结构各异，但大体都由基础部件、主轴部件、数控系统、自动换刀系统（含刀库）和辅助装置等组成。,1数控柜2刀库和换刀机构3立柱4主轴5操作面板6工作台装置7床身,1,2,3,4,5,6,7,5.3加工中心,自动对刀仪,刀库,三、加工中心的分类1.加工中心的分类（1）按工艺用途分为：镗铣加工中心车削加工中心钻削加工中心（2）按主轴特征分立式镗铣加工中心卧式镗铣加工中心,5.3加工中心,五轴立式加工中心,卧式加工中心,一、虚拟轴机床的发展二、虚拟轴机床的结构与原理三、虚拟轴机床的特点,5.4虚拟轴机床,一、虚拟轴机床的发展虚拟轴机床（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,二、虚拟轴机床的结构与原理,左图表示虚拟轴机床的外观。它实质上是机器人技术与机床结构技术相结合的产物。其原型是采用并联机构的Stewart型并联机器人操作机。下图是虚拟轴机床的主轴头结构。,虚拟轴机床外观图,二、虚拟轴机床的结构与原理,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。,三、虚拟轴机床的特点,刚度高精度高速度快加工适应性强机床重组性好,5.5工业机器人,一、工业机器人的发展二、工业机器人的定义与组成三、工业机器人的性能与分类四、案例：工业机器人在制造业的应用,一、工业机器人的发展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,一、工业机器人的发展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,二、工业机器人的定义与组成1定义定义一：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。（1987年国际标准化组织ISO）定义二：工业机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。（美国机器人协会RIA）定义三：工业机器人是自动控制的、可对三个或三个以上轴进行编程并可重复编程的多用途的在工业自动化中使用的操作机。（GB/T12643-1997）操作机是指由一系列相互铰接或相对滑动的构件所组成的、具有若干个自由度的、用于抓取或移动物体（工具或工件）的一种机器。,5.5工业机器人,5.5工业机器人,二、工业机器人的定义与组成2。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,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,三、工业机器人的性能与分类1.工业机器人的坐标系直角坐标系圆柱坐标系球坐标系关节坐标系,5.5工业机器人,5.5工业机器人,三、工业机器人的性能与分类2.工业机器人的性能指标1)自由度：工业机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能少于6个自由度，也可能多于6个自由度。2)精度：包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人的手部重复定位于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示。3)工作范围：是指工业机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。4)其它：提取重力（抓重或臂力），运动速度等,5.5工业机器人,三、工业机器人的性能与分类3.工业机器人的分类,5.5工业机器人,四、案例：工业机器人在制造业的应用物料传输与装卸处理或加工作业装配和检测汽车制造、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、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业,5.5工业机器人,物料传输与装卸,5.5工业机器人,处理或加工作业,5.5工业机器人,120公斤点焊机器人是以一汽红旗车身焊装生产线为应用背景，瞄准国际上典型机器人产品技术性能开发的一种具有先进性、可靠性的实用机器人产品。该机器人具有工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点。机器人设计结构紧凑，外观宜人，运动平稳快捷，大大地提高了点焊作业的生产率。用户对国产机器人给予了这样的评价：机器人运行良好，操作、维修方便，提高了生产效率,5.5工业机器人,CLOOS公司的机器人正在焊接工件,焊接中的大阪变压器公司的机器人,铆接机器人,KUKA公司的机器人正在涂漆,5.5工业机器人,5.5工业机器人,KUKA公司的机器人在给铸件打毛刺,机器人汽车焊接生产线,机器人在为汽车喷漆,5.5工业机器人,5.5工业机器人,装配和检测为测量机或检测装备完成上下料工作由机器人操作检测装置完成零件上下料、多种装配作业、装配检查和自动分类作业,汽车装配机器人，利用反射式传感器给汽车装玻璃,两台KUKA机器人在连接运动的悬吊的传送带上给汽车装前后车轮,5.5工业机器人,电线安装机器人,建筑用蜘蛛机器人,码垛机器人,5.5工业机器人,川田工业机器人HRP-2的外形尺寸为高154cm，质量为58kg，与真人相仿。全身共有30个自由度，能够很均衡地双足步行。此外，该机器人还可以与工人一起用”手”抓住起建筑材料进行搬运。,5.5工业机器人,5.5工业机器人,会下国际象棋的工业机器人,2000年3月，在德国汉诺威工业品博览会上，来自65个国家的7250家公司展示了他们的一些最新科技产品。,一、装配线的发展与概念二、装配线的组成与原理,5.6装配线,一、装配线的发展与概念1.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在工业化国家中，用于产品装配的时间约占全部生产时间的53%，用于产品装配的成本超过生产成本的40%，而且，大约三分之一的人力在从事与装配的有关的活动，因此对装配过程进行改进，是增强企业竞争力的重要环节。,5.6装配线,一、装配线的发展与概念2.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装配过程中常见的连接：可拆卸连接不可拆卸连接装配线是指工件以一定的速率连续均匀地通过一系列装配工作站，并按照一定要求在各装配工作站完成相应装配工作的生产线工作站是指装配线中的一个工作地对于大量生产的产品，装配的组织形式一般可分为固定式装配和移动式装配。,5.6装配线,5.6装配线,一、装配线的发展与概念3.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,图5-18手工装配线,一、装配线的发展与概念3.装配线的分类及特点（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。适用于具有多个品种的产品的大量生产。,5.6装配线,图5-19压缩机活塞自动化装配线,5.6装配线,一、装配线的发展与概念3.装配线的分类及特点（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,二、装配线的组成与原理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。,5.6装配线,5.6装配线,二、装配线的组成与原理2.刚性自动化装配线的组成（1）机械系统给料部分图5-20传送部分装配部分,5.6装配线,2.刚性自动化装配线的组成（1）机械系统给料部分,图5-21振动给料盘,图5-22直线送料器,5.6装配线,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,2.刚性自动化装配线的组成（1）机械系统装配部分,2.刚性自动化装配线的组成（1）机械系统（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）动力系统为装配线提供各种动力的电源、气源和液压源,5.6装配线,5.6装配线,3。柔性自动化装配线（1）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,3。柔性自动化装配线2）柔性自动化装配线的组成与原理组成：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,5.7自动导向车（AGV）,一、AGV的发展二、AGV的原理三、案例：视觉导向AGV,5.7自动导向车（AGV）,一、AGV的发展自动导向车（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）,二、AGV的原理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）,二、AGV的原理2.AGV的组成导向系统-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,二、AGV的原理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AGV有多种导向方法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）,驱动装置,计算回路,检测回路,光电传感器,光电传感器,光源,色带,4.AGV的导向原理3）激光导向,5.7自动导向车（AGV）,4）视觉导向,5.7自动导向车（AGV）,三、案例：视觉导向AGV,5.7自动导向车（AGV）,1载货平台2CCD摄像机3防滑橡胶4转向灯5工控机6驱动电动机7驱动轮8承重角轮9避障传感器10电控箱11减速器12测速传感器13蓄电池组14仪表盘,一、自动检测与监控技术二、坐标测量机,5.8质量检测及装备,一、自动检测与监控技术检测与监控技术是先进制造系统的重要组成部分1检测与监控的分类按检测与监控对象的不同可分为两大类：1）产品质量。目的是控制产品质量，降低废品率，为质量保证系统提供必要信息。质量检测可分为在线检测和离线检测。2）产品的制造过程、加工状态、设备的运行状况。目的是保证制造过程的正常和连续进行。监控的主要内容：设备工作状态的检测和监控（如主电机的输出功率、刀具的破损和磨损、机床运动部件的工作状态等），工艺过程的监控（如工件是否到位、是否准确定位和夹紧等）、物流系统的监控,5.8质量检测及装备,2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,接近开关,行程开关,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,5.8质量检测及装备,4）热工量主要包括温度和流量常见的传感器：,电磁流量计涡轮流量计热敏电阻温度传感器,热电偶温度传感器,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,3检测与监控过程实例（1）数控外圆磨床工件直径在线测量。目前许多数控磨床都配有专用测量装置。在加工过程中，当工件需要检测时，装有传感器的测量头自动与工件接触并将位置信号发给数控系统，然后退回。数控系统经过计算可确定出工件的直径尺寸，从而控制磨削过程，直至达到最终尺寸要求，发出结束指令