第四章制造自动化技术

徐州工程学院教案

年至年第学期第周星期

课题名称（含教材章节）：第4章制造自动化技术_____________________

教学目的和要求：（1）了解制造自动化技术内涵及开展（2）熟悉工业机器人的组成、

分类、控制技术与编程技术⑶熟悉FMS的根本概念与组成系统________________

教学重点：工业机器人的组成、分类、控制技术与编程技术，FMS的根本概念与

组成系统____________________________________________________________________

教学难点：工业机器人控制技术与编程技术，FMS的根本概念与组成系统

教学内容（要点）

（1）制造自动化技术概述；

（2）工业机器人；

（3）柔性制造技术。

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第四章制造自动化技术

第一节概述

一、制造自动化技术内涵

1、“狭义制造”概念下：

制造自动化的含义是生产车间内产品的机械加工和装配检验过程的自动化，

包括切削加工自动化、工件装卸自动化、工件储运自动化、零件与产品清洁及检

验自动化。断屑与排屑自动化、装配自动化、机器故障诊断自动化等。

2、“广义制造”概念下：

制造自动化包含了产品设计自动化、企业管理自动化、加工过程自动化和质

量控制自动化等产品制造全过程以及各个环节综合集成自动化，以使产品制造过

程实现高效、优质、低耗、及时、洁净的目标。

二、制造自动化技术三个阶段

机械制造系统自动化技术自20世纪20年代出现以来，大致经历了刚性自动

化、柔性自动化及综合自动化三个阶段。三种自动化方式比拟见表47。

综合自动化常常与计算机辅助制造、计算机集成制造等概念相联，它是制造

技术、控制技术、现代管理技术和信息技术的综合应用，旨在全面提高制造业的

劳动生产率和对市场的响应速度。

表4-1三种自动化方式比拟

比较FI动化方式

JiiH刚性自动线柔性自动线标介自动找

产生年代20世纪20年代20世纪50年代20世纪7()年代

控制对象设瞽、工装、器材、物流设备、工装、器材、物流设备、工装、器材、信息、物流

以帔件为联础,以软件为

通过机、电、液、气等帔件不仅针对具体谶作和人的体力劳

支持，通过改变程序即可

拧点拧制方式定现,因而是刚动.而R涉及人的脑力劳动,涉及设

实现所需的控制.闪而是

性的，变化困塔的计、制造、首精、管理等各方面

柔性的.易产变动

缚电器程序控制技术,外效控技术,计算机控制技系统I：程,信息技术,成细技术，计

关键技术

典控制论术.现代控制理论算机技术,现代管理技术

自动、华自动机床.组合数控机床,抑工中心，EC.4D/CAM系统,MRPI1,柔性制造

典电装备

机床.机械浜，n动卡产业机器人,柔憔制造单元系统(FMS),计口机集成制造系统

系统

线(FMC)(CIMS)

应用范国大批H生产多品种、小批献各种生产类P

三、机械制造自动化技术的特点:

1、提高或保证产品的质量；

2、减少人的劳动强度、劳动量，改善劳动条件，减少人为因素的影响；

3、提高生产率；

4、减少生产面积、人员，降低能源消耗和产品本钱；

5、提高产品对市场的响应速度和竞争能力。

第二节工业机器人

工业机器人是近30年来在自动操作机根底上开展起来的一种能模仿人的某

些动作和控制功能，并按照可变的预定程序、轨迹和其他要求，操纵工具实现多

种操作的自动化机械系统。

它综合了精密机械、控制传感和自动按制技术等领域的最新成果。

一、机器人开展史

1、起源于文学作品：

机器人一词首先由捷克剧作家、小说家卡列尔・卡佩克使用并推荐给全世界。

然后由另一位作家在他的小说中给机器人下了“机器人学三定律”：

-机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸；

-机器人应执行人们所下达的指令，除非这些指令与第一定律相矛

盾；

-机器人应能保护自己的生存，只要这种防护行为不与第一或第二

定律相矛盾。

2、工业机器人开展：

(1)1958年，美国推出了世界上第一台工业机器人实验样机。

(2)1967年，日本引进了美国的工业机器人技术，经过消化、仿制、改良、

创新，到1980年，机器人技术在日本取得了极人的成功与普及。

(3)80年代以来，国际机器人的开展速度平均保持在25%~30%年增长率，

所生产的机器人主要用于改善恶劣的工作条件。

(4)我国机器人技术起步较晚，1987年，北京首届国际机器人展览会上，

我国展出了10余台自行研制或仿制的工业机器人。经过“七五”、“八五”

攻关，我国研制和生产的工业机器人已到达了工业应用水平。

二、工业机器人的定义

工业机器人（IndustrialRobot,简称Robot）是一种自动的、位置可控的、

具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来

处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。

三、工业机器人的结构

1、工业机器人的结构

（1）从体系结构来看，机器人分为三大局部六个系统，分别是：

•三大局部：机械局部〔用于实现各种动作）、传感局部（用于感知内部和

外部的信息）、控制局部（控制机器人完成各种动作）。

•六个系统：

A.驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的原动力。

B.机械结构系统：完成各种动作。

C.感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。

D.机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备的联系和协调并构成

功能单元。

E.人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单元。

F.控制系统：是根据程序和反响信息控制机器人动作的中心。分为开环

系统和闭环系统。

（2）机器人的机械结构

工业机器人一般有以下几局部构成：

•机身局部：如同机床的床身结构一样，机器人机身构成机器人的根底支

撑。有的机身底部安装有机器人行走机构；有的机身可以绕轴线回转，

构成机器人的腰。

­手臂局部：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。

•末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各种作业工具，如焊

枪、喷漆枪等。

•关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各局部、末端操作器

之间的相对运动。

四、工业机器人的分类

1、按系统功能分类：

专用机器人、通用机器人、示教再现机器人、智能机器人

2、按结构形式分类：

直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人。

3、按驱动方式分类：

气压传动机器人、液压传动机器人、电力传动机器人。

4、按承当工作任务性质可分为：

搬运机器人和作'业机器人。

虽然工业机器人品种繁多，但从设计与使用角度出发，工业机器人的主要技术性

能参数包括：运动自由度、工作空间、工作负荷、运动速度、位置精度。

五、工业机器人的主要技术参数

1、自由度

指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。

2、工作精度

包括定位精度和重复定位精度。可以用精密度、正确度、和准确度三个参数

来衡量。

定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。

重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。

3、工作范围

指机器人末端操作器所能到达的区域。

4、工作速度

指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同。

5、承载能力

指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。

六、机器人应用的现状与未来

1、机器人应用的现状

(1)焊接：主要是指利用机器人进行点焊和弧焊。

点焊时要求机器人手腕握持焊接工具准确地对准所要求的焊点，焊枪不与部

件的其它部位接触。通常，这些机器人所夹持的焊接工具大而重，同时还要求机

器人有一个比拟大的活动范围。

弧焊是对材料进行连续焊接，焊接前首先要将复杂的运行轨迹示教给机器

人，在需耍处理较宽的焊缝时，可以编程使机器人作编织状的横搜运动。汽车工

业运用这种类型的机器人最多。

(2)喷漆：喷漆易引发火灾，同时有害于身体健康，因此，喷漆作业是机器人

特有的用途。使用喷漆机器人的另一个优点是涂层比人工喷涂的更加均匀。

(3)磨削：利用工业机器人对焊缝或工作外表进行磨削。

(4)零部件装卸和传送：常用于生产线上。将零件从一个位置移至工作区的另

一个位置，有码放和卸货两种操作，或在金属加工中，将零件从一个工作区送至

另一个工作区。

2、未来机器人的应用

•水下机器人：用于海底矿物探测、打捞沉船、在海上或干式船坞中修理

船舶等。

•军用机器人：海军和空军对移动式消防机器人感兴趣，由于配有红外传

感器，在紧急关头，能够作出比人更快的反响。还有装炮弹机器人等。

•发电厂机器人：在核发电厂，由于核燃料有放射作用，很多工作更适合

于机器人操作。如：给活动筛附属装置上润滑油：阀门密封件的检修等。

•家用机器人：

•组装机器人：

•自开工厂中的机器人：机港人的未来用途是成为全自动化工厂或加工车

间的一个组成局部。

第三节柔性制造技术

柔性制造系统又称FMS(FlexibleManufacturingSystem)系统，是一

种臬多种高新技术于一体的现代化制造系统，涉及的领域包括机床、电子技术、

液压传动、机器人技术、控制技术、计算机技术及系统工程等，是CIMS不可缺

少的重要的制造单元。

一、FMS的起源

1.大批量、少品种产品的生产：

对于大批量、少品种的生产，一般采用自动流水线制造设备，包括物流设备和相

对固定的加工工艺，形成刚性自动化生产方式。具有如下特点：

•主要适合于大批量、少品种的产品生产；

•生产效率高，设备利用率高，产品本钱低；

•流水线设备昂贵，不灵活，只能加工儿个指定的工件。如果要改变加工品种，

流水线变动较大，在时间和资金方面消耗大。

2.单件、小批量产品的生产：

一般采用单台数控机床，它具有灵活加工一族产品系列的能力。其特点是：

•从一种类型的工件转换到另一种类型的工件，不需要改变机床硬件，只需要改

变加工程序和相应的夹具和刀具，灵活性大。

•加工产品生产率低，本钱高。

3.中等批量、中等规模品种的产品生产：

在金属品制造中，这类生产情况是最主要的，在加工工业中约占75%。如果

采用上面两种加工方法，会出现下面一些弊端：

•机床利用率太低；

•加工时间长；

•中间缓冲库存大；

・刀具利用率太低；

・车间空间利用率低。

以上这些都导致了加工本钱的提高。结合自动流水线和CNC机床的特点，将

CNC机床和物料输送设备通过计算机联系起来形成一个系统，用来解决中等批量、

中等规模品种的生产问题，就形成了所谓的柔性制造系统。

二、柔性制造系统的定义、分类及特点

1.定义：

柔性制造系统是由数控加工设备、物流贮运装置和计算机控制系统组成的自

动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅

速进行调整，适用与多品种、中小批量的生产。

RI2-14精密机械军竹的卜MS

2.分类：

FMS具有良好的柔性，但并不意味着一条FMS就能生产各种类型的产品。事

实上，现有的柔性制造系统都只能制造一定种类的产品，且大多数属于加工箱体

件或回转体工件类型。FMS可分为三种类型：

•专用型：以一定产品配件为加工对象组成的专用FMS,如底盘柔性加工系统。

•监视型：具有自我检测和校正功能的FMS。其监视系统的主要功能包括：工作

进度监视、运动状态监视、精度监视、故障监视、平安监视等。

•随机任务型：可同时加工多种相似工件的FMS。

3.特点：

•从硬件形式看：

a.有两台以上的数控机床或加工中心以及其它设备，包括测量机、清洗机、平

衡机、各种特种加工设备。

b.有一套能自动装卸的运输系统，包括刀具的贮运和工件及原材料的贮运。包

括传输带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘工作站等。

c.有一套计算机控制及信息通信网络控制系统。

•从软件内容看：

a.FMS的运行控制系统；

b.FMS的质量保证系统；

c.FMS的数据管理和通信系统。

•从FMS的功能看：

a.自动管理工件的生产过程，自动控制质量，自动进行故障诊断及处理，自动

进行信息的收集及传输。

b.简单地改变软件或系统参数，可制造出多种工件。

C.物料的运输及贮存必须是自动的。

d.能进行工件的混流加工，提高设备的利用率。

e.具有优化调度管理功能，能实现无人化或少人化加工。

三、FMS的一般组成及其作用

1.一般组成：

柔性制造系统由三局部组成：多共位的数控加工系统、自动化的物料贮运系

柔性制造系统

----------1

加工系统物流系统信息流系统

[1]

贮存输送布送过程栉制过程监视

以任意顺序自

动加工各种工自动地自动地加工系加工系实现在

件并能自动更任意存按可变统与输统和物线数据

换工件和刀具取加工节拍连送系统流系统的自动