第三篇 智能制造关键技术 第一章 智能装备及应用（丁林曜）

智能制造技术与项目化应用

（第三篇）目录1概述2自动识别与传感技术3增材制造技术4工业机器人5数控机床及设备6工业物联网第一节概述智能装备，指具有感知、分析、推理、决策、控制功能的制造装备，它是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合。一个智能装备大概由感知系统、决策系统、运动控制系统和执行系统组成。一、智能感知系统。感知是智能的输入和起点，也是智能发挥作用的基础。第一节概述二、机械执行系统装备的执行系统，也就是机械执行机构，是机械工具的进一步延伸。现阶段的装备机械执行系统，是包括产生特定运动的机构和驱动机构运动的电机、发动机、气动马达等驱动设备。三、运动控制系统控制系统是智能发挥作用的桥梁。控制系统可以使执行系统按照给定的指令进行复杂的操作。使人类从繁琐的人机交互中脱离从来，极大的提高了效率和降低了出错的可能性。控制系统为智能提供了基础，通过感知系统进行反馈控制为装备提供了初级的“智能”。工业上用的精密控制，除了各种感知技术外，主要依靠计算机的计算、存储能力，在已知的抽象和逻辑(算法)下，为执行机构提供“智能”的指令。运动控制系统示意图四、智能决策系统决策系统使真正的智能。决策系统根据各种感知系统收集的信息，进行复杂的决策计算，优化出合理的指令，指挥控制系统来驱动执行系统，从而最终实现复杂的智能行为。五、智能装备的关键技术智能装备技术主要包括识别与传感、人机交互系统、控制系统、增材制造、工业机器人、数控机床及设备、智能工艺装备等内容。第二节自动识别与传感技术一、自动识别技术自动识别技术(AutomaticIdentificationandDataCapture，AIDC)是将信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段，它是以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术。按照国际自动识别技术的分类标准，自动识别技术可以有两种分类方法：一种是按照采集技术进行分类，另一种是按照特征提取技术进行分类。自动识别技术具有如下共同的特点：准确性——自动数据采集，彻底消除人为错误；高效性——信息交换实时进行；兼容性——自动识别技术以计算机技术为基础，可与信息管理系统无缝联结。二、自动识别技术分类1.条码识别技术一维条码是由平行排列的宽窄不同的线条和间隔组成的二进制编码。二维条码能够在横向和纵向两个方向同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息。2．生物识别技术声音识别技术人脸识别技术指纹识别技术3.磁卡识别技术4.IC卡识别技术5.视觉识别技术6.射频识别技术（RFID）三、常用自动识别技术1.视觉识别技术视觉识别主要指在抓取或放置物品时的物品识别视觉识别系统配置模式视觉识别导航控制流程AGV图像识别算法流程2.射频识别技术射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。它的基本原理是利用射频信号和空间称合或雷达反射的传输特性,从一个贴在商品或者物品上叫做电子标签或者RFID标签中读取数据,从而实现对物品或者商品的自动识别。RFID系统架构RFID射频技术原理电子标签门禁控制系统智能卡智能制造中，主要用于物流系统快速扫描体积小型化、形状多样化坑污染能力和耐久性可重复使用穿透性和无屏障阅读数据的记忆容量大安全性好NegativePositiveRFID射频技术应用射频识别的特点物流管理中的RFID系统四、智能检测技术智能检测包含测量、检验、信息处理、判断决策和故障诊断等多种内容；是检测设备模仿人类智能，将计算机技术、信息技术和人工智能等相结合而发展的检测技术。具有测量过程软件化、测量速度快、精度高、灵活性高，含智能反馈和控制子系统，能实现多参数检测和数据融合，智能化、功能强等特点。智能检测系统工作原理智能检测系统组成结构智能检测系统硬件结构典型的智能检测系统由主机（包括计算机、工控机）、分机（以单片机为核心、带有标准接口的仪器）和相应的软件组成。分机根据主机命令，实现传感器测量采样、初级数据处理以及数据传送。主机负责系统的工作协调，输出对分机的命令，对分机传送的测量数据进行分析处理，输出智能检测系统的测量、控制和故障检测结果，供显示、打印、绘图和通信。智能检测系统的软件包括应用软件和系统软件，如图17所示。应用软件与被测对象直接有关，贯穿整个测试过程，由智能检测系统研究人员根据系统的功能和技术要求编写它包括测试程序、控制程序、数据处理程序、系统界面生成程序等。智能检测系统的软件组成智能视频监控技术光电检测技术太赫兹检测技术智能超声检测技术按被检测对象分类在线实时智能检测系统离线智能检测系统按标准接口总线分类计算机通用总线系统、IEC-625系统、CAMAC系统、HP-IL系统、RS-232C系统、CAN系统、I2C系统等。NegativePositive现代智能检测技术及应用智能检测系统的分类第三节增材制造技术增材制造技术（AdditiveManufacturing,AM）是相对于传统的机械加工等“减材制造”技术而言的，该技术基于离散/堆积原理，以粉末或丝材为原材料，采用激光、电子束等高能束进行原位冶金熔化/快速凝固或分层切割，逐层堆积叠加形成所需要的零件，也称作3D打印、直接数字化制造、快速原型等，是20世纪90年代初期涌现的一项新兴制造技术。一、增材制造工艺及分类增材制造技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节：构造三维模型、模型近似处理、切片处理、后处理等。增材制造过程“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系；而“广义”增材制造则是以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。如果按照加工材料的类型和方式分类，可以分为金属成型、非金属成型、生物材料成型等广义增材制造类型累积技术基本材料挤压熔融沉积式(FDM）热塑性塑料，共晶系统金属、可食用材料线电子束自由成形制造(EBF)几乎任何合金粒状直接金属激光烧结（DMLS）几乎任何合金电子束熔化成型（EBM）钛合金选择性激光熔化成型(SLM)钛合金，钴铬合金，不锈钢，铝选择性热烧结（SHS）热塑性粉末选择性激光烧结（SLS）热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末粉末层喷头3D打印石膏3D打印(PP)石膏层压分层实体制造（LOM）纸、金属膜、塑料薄膜光聚合立体平板印刷（SLA）光硬化树脂数字光处理(DLP)光硬化树脂增材制造技术分类二、增材制造技术应用实例近20年来，增材制造技术发展成熟，在生产方面已有突出的贡献。目前，美国和欧洲知名龙头企业正不断收购中小企业，开发新材料、新工艺，发展零部件的快速制造技术。而在我国，几所高校和相关企业也在进行材料、工艺和设备的研究生产，成果已部分产业化，应用范围已覆盖航空航天、汽车、生物医疗和装备制造等各个重要领域。1.航天科技2.医学领域3．汽车行业4.装备制造工业领域第四节工业机器人一、工业机器人定义及特点工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行。移动机器人点焊机器人弧焊机器人激光加工机器人真空机器人洁净机器人可编程拟人化通用性涉及的学科相当广泛NegativePositive工业机器人种类工业机器人特点1.移动机器人2.点焊机器人：性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强3.弧焊机器人：主要应用于各类汽车零部件的焊接生产4．激光加工机器人将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。激光加工机器人可以通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。5．真空机器人在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。是制约半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。6．洁净机器人是一种在洁净环境中使用的工业机器人。三、应用案例1.输送线系统某公司生产的一机三线自动码垛系统输送线2.机器人焊接工作站机器人焊接工作站可广泛地应用于铁路、航空航天、军工、冶金、汽车、电器等各个行业。3.自动装箱系统是一种集成化的系统，它包括工业机器人、控制器、编程器、机器人手爪、自动拆叠盘机、托盘输送及定位设备和码垛模式软件等。第五节数控机床及设备数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作。数控机床是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。高档数控机床在传统数控机床的基础上，能完成一个自动化生产线的工作效率，是科技速度发展的产物，而对于国家来讲这是机床制造行业本质上的一种进步。高档数控机床集多种高端技术于一体，应用于复杂的曲面和自动化加工，在航空航天、船舶、机械制造、高精密仪器、军工、医疗器械产业等领域有着非常重要的核心作用。一、数控机床特点1.具有高度柔性加工主要取决于加工程序，不必制造，更换许多模具、夹具，不需要经常重新调整机床。适用于所加工的零件频繁更换的场合，亦即适合单件，小批量产品的生产及新产品的开发。2.可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；数控加工不受工件形状复杂程度的影响，应用范围广。3.加工精度高数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一脉冲信号，则机床移动部件移动一具脉冲当量（一般为0.001MM），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杆螺距平均误差可由数控装置进行曲补偿。4.加工质量稳定、可靠加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。5.生产率高数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的主轴声速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削。数控机床正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，极大地提高了生产率。另外，与加工中心的刀库配合使用，可实现在一台机床上进行多道工序的连续加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产率。6.自动化程度高，改善劳动条件7.利用生产管理现代化数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，对所使用的刀具、夹具可进行规范化，现代化管理，易于实现加工信息的标准化，已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机地结合起来，是现代化集成制造技术的基础。二、国内外高档数控机床发展现状美、德、日三国事当今世上在数控机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。美国的特点是:政府器重机床工业，美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和供给充分的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，重视基础科研。哈斯自动化公司是全球最大的数控机床制造商之一，在北美洲的市场占有率大约为40%德国数控机床在传统设计制造技术和先进工艺基础上，不断采用先进电子信息技术，在加强科研的基础上自行创新开发。德国数控机床主机配套件，机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统等各种功能部件在质量、性能上居世界前列。如代表大型龙门加工中心最高水平的是德国瓦德里希•科堡公司（WALDRICHCOBURG）的产品。日本政府通过规划和制订法规以及提供充足研发经费，鼓励科研机构和企业大力发展数控机床。在机床部件配套方面，日本学习德国；在数控技术和数控系统的开发研究方面，学习美国，改进和发展了两国的成果取得很大成效。日本机床也应为日本精密制造而闻名世界。国内产品与国外产品在结构上的差别并不大，采用的新技术也相差无几，但在先进技术应用和制造工艺水平上与世界先进国家还有一定差距。新产品开发能力和制造周期还满足不了国内用户需要，零部件制造精度和整机精度保持性、可靠性尚需很大提高，尤其是在与大型机床配套的数控系统、功能部件，如刀库、机械手和两坐标铣头等部件，还需要境外厂家配套满足。三、国内外数控系统发展现状在数控技术研究应用领域主要有两大阵营:一个是以发那科(FANUC)、西门子(SIEMENS)为代表的专业数控系统厂商；另一个是以山崎马扎克(MAZAK)、德玛吉(DMG)为代表，自主开发数控系统的大型机床制造商。四、国内外高档数控机床发展趋势1.高速化指标速度主轴转速机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；进给率在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；运算速度微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度；换刀速度目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。部件应用特点高频电主轴高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用直线电动机虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。电滚珠丝杆电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。数控机床新型功能部件应用特点2.高可靠性平均无故障时间长内部具有多种的报警措施能够使操作者及时处理问题拥有超级安全的防护措施3.高精度高档数控机床不但能够高速度、高效率、最重要的是加工精度由丝级精度进化为微米级精度，其特有的往复运动单元能够极其细致的加工凹槽处理;采用光、电化学等能源的特种加工精度可达到纳米级。同时，再进行结构的改进和优化后，还能将五轴联动数控机床的加工精度进入亚微米甚至是纳米的超精时代。4.复合化对机床的要求不只进行单件的大批量生产，更要能够完成小批量多品种的生产，这对机床的要求更高，机械化生产更个性。开发出复合程度更高的复合机床，使其能够生产多种大、小批量的类似生产机型，这是对高档数控机床的一种新式要求5.加工过程绿色化第六节工业物联网一、物联网的定义物联网