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制造自动化技术标准ppt

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  4.3.2 工业机器人的控制系统 工业机器人控制系统的组成 (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CPU。 (2)示教盒?示教机器人的工作轨迹和参数设定,以及所有人▲●…△机交互操作,拥有自己独 立的CPU以及存储单元,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,只完成基本功能操作。?? (4)硬盘和软盘存储存?储机器人工作程序的外围存储器。?? (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。?? (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,实现机器人柔顺控制,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、速度和加速度控制。?? (9)辅助设备控制?用于和机器人配合的辅助设备控制,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,一般有串行接口、并行接口等 机器人控制系统分类 ·程序控制系统:给每一个自由度施加一定规律的控制作用,机器人就可实现要 求的空间轨迹。 ·自适应控制系统:当外界条件变化时,为保证所要求的品质或为了随着经验的 积累而自行改善控制品质,其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察,再调整 非线性模型的参数,一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件 自动改变。 人工智能系统:事先无法编制运动程序,而是要求在运动过程中根据所获得的 周围状态信息,实时确定控制作用。 驱动方式:参见工业机器人驱动系统。 运动方式: ·点位式。要求机器人准确控制末端执行器的位姿,而与路径无关; ◁☆●•○△·轨迹式。要求机器人按示教的轨迹和速度运动 4.3.3 工业机器人的编程技术 1. 示教方式编程(手把手示教) 目前大多数机器人还是采用示教方式编程。示教方式是一项成熟的技术, 易于被熟悉工作任务的人员所掌握, 而且用简单的设备和控制装置即可进行。示教过程进行得很快,示教过后,马上即可应用。在对机器人进行示教时, 将机器人的轨迹和各种操作存入其控制系统的存储器。如果需要,过程还可以重复多次。在某些系统中, 还可以用与示教时不同的速度再现。 2. 脱机编程或预编程 脱机编程和预编程的含意相同, 是指用机器人程序语言预先进行程序设计,而不是用示教的方法编程。脱机编程有以下几个方面的优点: (1) ◆●△▼●编程时可以不使用机器人, 以腾出机器人去做其他工作。 (2) 可预先优化操作方案和运行周期。 (3) 以前完成的过程或子程序可结合到待编的程序中去。 (4) 可用传感器探测外部信息, 从而使机器人作出相应的响应。这种响应使机器人可以工作在自适应的方式下。 3.机器人语言及其分类 面向点位控制的机器语言(如T3、funky等)、面向运动的机器人语言(如VAL)、 结构化编程语言(如AL)、面向任务的机器人语言(如AUTOPASS等) 4.3.4 工业机器人的应用 点焊机器人 焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等 焊接机器人 特点,焊接质量明显优于人工焊接,大大提高了点焊作业的生产率。 点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作,生产过程由各大汽车主机厂负责完成。 国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系,向各大型汽车生产企业提 供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国,在该领 域占据市场主导地位。 弧焊机器人 弧焊机器人主要应用于各类汽车▪▲□◁零部件的焊接生产。在该领域,国际大 型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。 真空机器人 真空机器人是一种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。真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强,其成为制约了半 导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。而且国外对中国买家严加审查, 归属于禁运产品目录,真空机械手已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖 子”问题。直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。 * 第4章 制造自动化技术 Manufacturing Automation Technology 4.4 柔性制造系统 4.4.1 柔性制造技术概述 本世纪初,出现了专用机床与传送带相结合的生产方式,加工与装配均以单一化 作业为基础,从而极大的提高了生产效率。之后,又出现了大型多工位自动机床和自 动生产线。这一时期自动化技术的特点是:加工实现了部分或全部“自动化”,但完成 某一项具体的加工任务,其工艺路径、加工尺◆▼寸、工具设置等,均需事先由人设定调 试。而一旦设定调试完毕,整个工艺过程和工艺参数便不再变化,只能加工某一种固 定的产品。因此,这种自动化技术可以称之为“刚性自动比技术”。 随着计算机技术的出现,产生了“柔性自动化技术”。采用“柔性自动化技术”的生产 线不仅能够自动的“做”,而且一旦加工目标确定,就知道应该“怎么做”。柔性自动化技 术是当今机械制造业适应市场动态需求,加速产品更新的主要手段。采用柔性自动化 技术,不仅能够提高生产效率、减轻劳动强度,还能提高产品质量、缩短制造周期和 交货期、大幅度降低成本,因而是各国机械制造业发展的重要趋势。 4.4.2 柔性制造技术 1.柔性制造系统的定义和特征 定义 (1)美国国家标准局把FMS定义为:“由一个传输系统联系起来的一些设备,传输装置把工 件放在其他联结装置上送到各加工设备,使工件加工准确、迅速和自动化。中央计算机 控制机床和传输系统,柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。 (2)国际生产工程研究协会指出“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统,在最少人的 干预下,能够生产任何范围的产品族,系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。 特征 (1)高柔性:在不停机调整的情况下,能对多种不同工艺要求的零件加工; (2)高效率:能够采用最合理的切削用量,实现高效加工 (3)高度自动化:柔性制造系统可自动更换工件、刀具、夹具,实现自动装夹和输 送、自动监测加工过程。 2.系统的组成:(1)中央管理和控制计算机 (2)物流控制装置 (3)自动化仓库 (4)无人输送台 (5)制造单元 (6)中央刀具库(7)夹具站 (8)信息传输网络 (9)随行工作台 * 3.柔性制造系统的类型和适用范围 ◆柔性制造单元(FMC) 这是一种简单的柔性制造系统,通常由加工中心(MC)与自动交换工件(AW,APC)的装置所组成,同时数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。图4-31所示为一柔性制造单元的示意图。 图4-31 柔性制造单元 * ◆柔性制造系统 较大的柔性制造系统有两个以上柔性制造单元或多台数控机床、加工中心组成,并用一个物料输送系统将机床联系起来。工件被装在夹具和托盘上,自动的按加工顺序在机床间逐个输送。 ◆柔性生产线(FTL) 在零件生产批量较大而品种较少的情况下,柔性制造系统的机床可以完全按照工件加工顺序排列成生产线的形式,这种生产线与传统的刚性生产线的不同之处在于能同时或依次加工少量不同的零件。当零件更换时,其生产节拍可作相应的调整。各机床的主轴箱也可自动进行调整。这种生产线称为柔性生产线。 柔性制造系统的特点与应用 4.4.3 柔性制造系统的加工系统 加工系统在FMS中好像人的手脚,是实际完成改变物性任务的执行系统。加工系统主要 由数▼▼▽●▽●控机床、加工中心等加工设备(有的还带有工件清洗、在线检测等辅助与检测设备) 构成,系统中的加工设备在工件、刀具和控制三个方面都具有可与其他子系统相连接的 标准接口。从柔性制造系统的各项柔性含义中可知,加工系统的性能直接影响着FMS的 性能,且加工系统在FMS中又是耗资最多的部分,因此恰当地选用加工系统是FMS成功 与否的关键。加工系统中的主要设备是实际执行切削等加工,把工件从原材料转变为产 品的机床。 FMS的加工系统原则上应是可靠的、自动化的、高效的、易控制的,其实用性、匹配性 和工艺性好,能满足加工对象的尺寸范围、精度。材质等要求。因此在选用时应考虑: 1)工序集中。如选用多功能机床、加工中心等,以减少工位数和减轻物流负担,保证加 工质量。 2)▲=○▼控制功能强、扩展性好。如选用模块化结构,外部通信功能和内部管理功能强,有内 装可编程序控制器,有用户宏程序的数控系统,以易于与上下料、检测等辅助装置连接和 增加各种辅助功能,方便系统调整与扩展,以及减轻通信网络和上级控制器的负载。 3)高刚度、高精度、高速度。选用切削功能强,加工质量稳定,生产效率高的机床。 4)使用经济性好。如导轨油可回收,断、排屑•☆■▲处理快速、彻底等,以延长刀具使用寿命。 节省系统运行费用,保证系统能安全、稳定、长时间无人值守而自动运行。 5)自保护性、自维护性好。如设有切削力过载保护、功率过载保护、行程与工作区域限 制等。导轨和各相对运动件等无须润滑或能自动加注润滑,有故障诊断和预警功能。 6)对环境的适应性与保护性好。对工作环境的温度、湿度、噪声、粉尘等▼▲要求不高,各 种密封件性能可靠、无渗漏,冷却液不外溅,能及时排除烟雾、异味,噪声、振动小,能 保护良好的生产环境。 * * 第4章 制造自动化技术 本章要点 制造自动化技术概述 现代数控加工技术 工业机器人技术 柔性制造技术 自动检测与监控技术 * 第4章 制造自动化技术 Manufacturing Automation Technology 4.1 制造自动化技术概述 制造自动化系统的定义 1936年,通用公司D. S. Harder提出自动化的概念。 狭义:用机器代替人的体力和脑力劳动 广义:制造自动化系统是由一定范围的被加工对象、一定柔性和自动化水平的各种设备和高素质的人组成的一个有机整体,它接受外部信息、能源、资金、配套件和原材料等,在人和计算机控制系统的共同作用下,实现一定程度的柔性制造自动化 制造自动化系统的概念 2.制造自动化的内涵 1.形式方面具有三个方面的含义 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 代替人的体力和脑力劳动是制造业自动化功能的一部分。目前,其完整的目标体系模型为TQCSE: T—时间,表明采用自动化技术可以缩短产品制造周期,提高生产率; Q—质量; C—成本; S—服务,一是为市场服务,一是通过减轻劳动强度的方式为员工服务; E—环境,资源利用充分,环境污染少,绿色制造 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,而是涉及产品生明周期所有过程。 * 自动单机和刚性自动线年代已相当成熟。 特征:高生产率和刚性结构,很难实现生产产品的改变。 引入的新技术有继电器程序控制、组合机床等。 制造自动化技术的发展历程 ◆第一阶段(1913-) :刚性自动化 ◆第二阶段(1930-) :数控加工 NC和CNC ;本阶段的NC在20世纪50~70年代已成熟,但到了70~80年代,CNC取代了NC。 特征:柔性好、加工质量高,适应于多品种、中小批量(包括单件)产品的生产 。 引入的新技术有数控技术、计算机编程技术等。 4.1.2 制造自动化技术的发展历程 * 主要技术:成组技术(GT)、计算机直接数控和分布式数控 (DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线(FML)、离散系统理论和方法、仿真技术、车间计划与控制、制造过程监控技术、计算机控制与通信网络等。 ◆ 第三阶段(1965-) :柔性制造 智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造和绿色制造。 ◆第五阶段(1991-) :新的制造自动化模式 特征是强调制造全过程的系统性和集成性。主要技术:现代制造技术、管理技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术等。 ◆ 第四阶段(1973-) :计算机集成制造系统(CIMS) * 制造全球化的概念出于美日欧等发达国家的智能系统计划。近年来随着Internet技术的发展,制造全球化的研究和应用发展迅速。 ◆ 制造全球化 ◆制造网络化 敏捷制造是一种面向21世纪的制造战略和现代制造模式,敏捷化是制造环境和制造过程面向21世纪制造活动的必然趋势 。 ◆制造敏捷化 4.1.3 制造自动化技术的发展趋势 制造环境内部的网络化,实现制造过程的集成。 制造环境与整个制造企业的网络化,实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成。 企业与企业间的网络化,实现企业间的资源共享、组合与优化利用。 通过网络,实现异地制造。 * 虚拟制造(VM)是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础,集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工现实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体,由多学科知识形成的一种综合系统技术。 ◆制造虚拟化 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式,其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中,对环境的影响(负作用)最小,资源效率最高。 ◆制造绿色化 智能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事,去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动,以实现制造过程的优化。 ◆制造智能化 4.1.3 制造自动化技术的发展趋势 数控机床技术 工业机器人 * 第4章 制造自动化技术 Manufacturing Automation Technology 4.2 数控机床技术 课程“先进制造技术” * 4.2.1 数控机床 是用计算机通过数字信息来自动控制机械加工的机床。具体地说,数控机床是通过编制程序,即通过数字(代码)指令来自动完成机床各个坐标的协调运动,正确地控制机床运动部件的位移量,并且按加工的动作顺序要求自动控制机床各个部件的动作的机床 数控机床 它是集计算机应用技术、自动控制、精密测量、微电子技术、机械加工技术于一体的一种具有高效率、高精度、高柔性和高度自动化的光机电一体化数控设备。 * 图4-4 数控机床组成框图 4.2.1 数控机床 1.?数控系统 数控系统是机床实现自动加工的核心,是整个数控机床的灵魂所在。主要由◇=△▲输人 装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各类输人/输出接口等组成。主控制系 统主要由?CPU?、存储器、控制器等组成。数控系统的主要控制对象是位置、角度、 速度等机械量,以及温度、压力、流量等物理量.其控制方式又可分为数据运算处理 控制和时序逻辑控制两大类。其中主控制器内的擂补模块就是根据所读入的零件程序, 通过译码、编译等处理后,进行相应的刀具轨迹插补运算,并通过与各坐标伺服系统 的位置、速度反馈信号的比较,从而控制机床各坐标轴的位移。而时序逻辑控制通常 由可编程控制器?PI?尤来完成,它根据机床加工过程中各个动作要求进行协调,按各 检测信号进行逻辑判别,从而控制机床各个部件有条不紊地按顺序工作。 2.?伺服系统? 伺服系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节.主要由伺服电动机、驱动 控制系统和位置检测与反馈装置等组成.伺服电动机是系统的执行元件,驱动控制系 统则是伺服电动机的动力源.数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位 移指令,再经过驱动系统的功率放大后,驱动电动机运转,通过机械传动装置带动工作 台或刀架运动。 4. 强电控制装置 强电控制柜主要用来安装机床强电控制的各种电气元器件,除了提供数控、伺服等 一类弱电控制系统的输入电源,以及各种短路、过载、欠压等电气保护外,主要在?PLC ?的输出接口与机床各类辅助装置的电气执行元件之间起桥梁连接作用,控制机床辅助装 置的各种交流电动机、液压系统电磁阀或电磁离合器等。此外.它也与机床操作台有关 手动按钮连接。强电控制柜由各种中间继电器、接触器、变压器、电源开关、接线端子 和各类电气保护元器件等构成.它与一般普通机床的电气类似,但为了提高对弱电控制 系统的抗干扰性,要求各类频繁启动或切换的电动机、接触器等电磁感应器件中均必须 并接?RC?阻容吸收器;对各种检测信号的输人均要求用屏蔽电缆连接。? 3. 主传动系统 它是机床切削加工时传动扭矩的主要部件之一,一般分为齿轮有级变速和电气无级调速两种类型。但较高级的数控机床都要求实现无极调速,以满足各种加工工艺的要求。它主要由主轴驱动控制系统、主轴电动机以及主轴机械传动机构等组成。 5. ?辅助装置? 辅助装置主要包括自动换刀装置?ATC?(?Automatlc?Tool?Changer?)、 自动交换工作台机构?APc? (?Automatic?Pallet?changer?)、工件夹紧放松机构、 回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、过载和保护装置等。? ⑹?机床本体? 数控机床的本体指其机械结构实体.它与传统的普通机床相比较,同样由主传动△▪▲□△ 系统、进给传动机构、工作台、床身以及立柱等部分组成,但数控机床的整休布局、 外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。为了满足数 控技术的要求和充分发挥数控机床的特点,归纳起来包括以下几个方面的变化。 采用高性能主传动及主轴部件 ,进给传动采用高效传动件 ,具有完善的刀具自动交 换和管理系统 ,在加工中心上一般具有工件自动交换、工件夹紧和放松机构 ,机床本 身具有很高的动、静刚度 ,采用全封闭罩壳 。 4.2.2 数控机床的种类及应用范围 (1) 一般数控机床。这类机床和传统的通用机床种类一样,有数控的车、铣、 镗、 钻、磨床等等, 而且每一种又有很多品种,例如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、 龙门铣等。这类机床的工艺可能性和通用机床相似,所不同的是它能加工复杂形状的零件。 (2) 数控加工中心机床。这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的。它是在一般 数控机床上加装一个刀库(可容纳10-100多把刀具)和自动换刀装置而构成的△▪▲□△一种带自动换 刀装置的数控机床(又称多工序数控机床或镗铣类加工中心,习惯上简称为加工中心这使数 控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展 。 另外还有一类加工中心,是在车床基础上发展起来的,以轴类零件为主要加工对象。除可 进行车削、镗削外,还可以进行端面和周面上任意部位的钻削、铣削和攻丝加工。这类加 工中心也设有刀库,可安装4-12把刀具,习惯上称此类机床为车削中心 1.按工艺用途分类 a.金属切削类数控机床 b.金属成型类数控机床 这类机床是指采用冲、挤、压、拉等成形工艺的数控机床,如数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。 c.特种加工类数控机床 这种机床主要有数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床 d.测量、绘图类数控设备 这类设备主要有数控三坐标测量机、数控绘图仪等。 2、按数控机床的运动轨迹分类 按照能够控制的刀具与工件间相对运动的轨迹,可将数控机床分为点位控▷•●制数控机床、点位直线控制数控机床、轮廓控制数控机床等。 (1) 点位控制数控机床。 这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置 ( 点 ) 精确地移动到另一个位置 ( 点 ) ,即仅控制行程终点的坐标值,在移动过程中不进行任何切削加工,至于两相关点之间的移动速度及路线则取决于生产率。为了在精确定位的基础上有尽可能高的生产率,所以两相关点之间的移动先是以快速移动到接近新的位置,然后降速 1-3 级,使之慢速趋近定位点,以保证其定位精度。 这类机床主要 数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床和数控测量机等,其相应的数控装置称之为点位控制装置。 (2) 点位直线控制数控机床。 这类机床工作时,不仅要控制两相关点之间的位置 (即距离),还要控制两相关点之间的移动速度和路线(即轨迹)。其路线一般都由和各轴线平行的直线段组成。它和点位控制数控机床的区别在于:当机床的移动部件移动时,可以沿一个坐标轴的方向(一般地也可以沿45°斜线进行切削,但不能沿任意斜率的直线切削)进行切削加工,而且其辅助功能比点位控制的数控机床多,例如,要增加主轴转速控制、循环进给加工、刀具选择等功能。 这类机床主要有简易数控车床、数控镗铣床和数控加工中心等。相应的数控装置称之为点位直线) 轮廓控制数控机床。这类机床的控制装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点,还要控制整个加工过程中每点的速度和位置,使机床加工出符合图纸要求的复杂形状的零件。它的辅助功能亦比较齐全。 这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控磨床和电加工机床等。其相应的数控装置称之为轮廓控制装置(或连续控制装置) 。 4.2.3 并联运动机床 1.并联运动机床的概述 并联运动机床是以空间并联机构为基础,充分利用计算机数字控制的潜力,以软 件取代部分硬件,以电气装置和电子器件取代部分机械传动,使将近两个世纪以来以 笛卡儿坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。? 2.并联运动机床的特点 a.并联机构仅有6个关节,10个自由度,刚性、动态性能及高速性能大幅提高。 b.提出了最新并联机床校准和标定技术:能够校准并联机床所有参数,是世界第一个 在误差补偿方面现数控机床相同的并联机床。 c.并联机床下平台主轴无论处于加工范围的任何位置,其动态特性都保持高度一致, 为最佳切削参数的选择提供了保证。 d.机床加工效率更高,加工产品尺寸范围更大。机床在有效工作空间内可实现5~6面 及全部复合角度的位置加工,适合用于敏捷加工;需一次装夹即可完成5~6面的复杂异 型件及复合角度孔和曲面的加工等,可广泛用于航天航空、船舶、国防、汽车、大型模 具、发电设备等大型复杂零件的自由曲面加工。用该机床组成的生产线,可大幅度的减 少机床台数,减少辅助时间。 4.2.4 开放式计算技术控系统 1.现代数字化装备的发展对数控系统的要求 从1952年世界上第一台数控机床诞生以来,数控技术经过几十年的发展日趋完善, 已由最出的硬件数控(NC)经过计算机数控(CNC),发展到以微型计算机为基础 的数控(MNC)、直接数控(DNC)和柔性制造系统(FMS)等,并朝着更高的水平发 展。但随着市场全球化的发展,市场竞争空前激烈,对制造商所生产的产品不但要求 价格低,质量好,而且要求交货时间短,售后服务好,好要满足用户特殊的需要,即要 求产品具有个性化。而传统的数控系统是一种专用封闭式系统,它越来越不能满足市 场发展的需要。新的环境要求CNC进一步向开放式控制系统转化。 2.开放式计算机数控系统的概念与特征 IEEE(国际电气电子工程师协会)是这样定义开放式数控系统的:“符合系统规 范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上,可以与其它系统的应用进行互操 作,并且具有一致风格的用户交互界面。”通俗地说,就是数控系统提供给用户(机床 或机械制造商)一个平台,使他们能够在这个平台上,根据设备所需的特定功能,开 发与之相应的软件和硬件,并与系统软件集成为一个新的应用系统,使该设备具有较高 的性价比,并大大缩短开发周期。 开放式数控系统的特征 1.模块化 具有高举模块化的特征。采用分布式控制原则。采用系统、子系统和模块 分级式的控制结构,其构造是可移植和透明的。 2.标准化 “开放”是在一定规范下的开放,并非毫无约束的开放。需要制定一个标准 来约束各类机床控制器的研发。 3.可在此开发应当允许用户进行第二次开发。根据需要可方便地实现重构、编辑,以便 实现一个系统多种用途。 4.平台无关性 ?开放时体系结构中各模块相互独立,系统厂、机床厂及最终用户都能 够很容易地独立开发一系列专用功能和其★△◁◁▽▼他有个性的模块。为此要有方便的支持工具, 控制程序设计按系统—子系统—模块三级进行,各模块接口协议要明确。 5.适应网络操作方式作为开放式控制器应当考虑到迅速发展的网络技术及其在工业生产 领域的应用。要具有一种较好的通信和接口协议,一边各相对独立的功能模块通过通信 实现信息交换,满足实时控制需要。 3.基于pc的开放式计算机数控体系结构 (1)PC嵌入NC型 这种系统的基本结构为CNC+PC主板,即把一块PC主板插入传统的CNC控制 器中。CNC控制器完成插补、位置控制、PLC时序逻辑控制等实时控制任务。 PC板完成一些非实时控制的任务如网络通讯等,作为用户与控制器的人机接口平台, 利用PC板可以享用到PC机丰富的软件资源。典型系统有FANUC18i、16i 系统、SIEMENS840系统、Num1060系统、AB9/360系统。这种 体系结构的数控系统虽然也具有一定的开放性,但由于它的NC部分依然是传统的数控 系统,其体系结构仍然是封闭的。用户并不能够介入到数控系统的核心。这类数控系统 的结构复杂、功能强大但价格昂贵。 (2)NC嵌入PC NC嵌入PC结构的开放式数控系统数控系统中的PC将实现用户接口、文件管 理以及通信等功能而将数控系统的实时控制功能由运动控制卡来实现,运动控制卡可 以通过标准的ISA接口或PCI接口插入到PC机的主板上。运动控制卡通常选用 高速DSP作为CPU,具有很强的运动控制和PLC控制能力,它本身就是一个数 控系统,可以单独使用,用以完成机床的运动控制和○▲-•■□时序逻辑控制。运动控制卡开放 的函数库供用户在Windows平台下自行开发构造所需的控制系统。目前这种结 构的开放式数控系统已经成为开放式数控系统的主流结构,应用十分广泛,如美国D eltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统, 日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATRO L640数控系统等 (3)纯PC型(全软件型) 全软件型开放式数控系统是一种最新的开放式体系结构的数控系统。它提供给用户最 大的选择和灵活性。它的CNC软件全部装在PC机中,而硬件部分仅仅是PC机与 伺服驱动和外部I/O之间的接口板卡。在这种数控系统中,PC机不仅能够完成文 件管理、人机接口、网络通信等非实时任务,同时在实时操作系统的管理下,还可以 以软件控制的方式完成插补运算、伺服进给控制以及PLC控制等实时性任务。用户 可以在WindowsNT平台上,利用开放的CNC内核,开发所需的各种功能, 构成各种类型的高性能数控系统。这种结构的优点是编辑处理灵活、软件通用性强、 数控系统容易升级。与前几种数控系统相比,全软件型开放式数控系统具有最高的性 能价格比,因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德 国PowerAutomation公司的PA800NT等。 4.2.5 机床数控技术的发展趋势 1?高速度与超精度化? 速度和精度是数控机床的两个重要指标,它直接关系到加工效率和产品的质量。高速度、 超精度加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场 竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一,国际生产工程学会 (CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。特别是在超高速切削、超精密加工技术 又是相互制约的,也就是说要求位移速度越高,定位精度就越难提高。?目前,在超高速 加工中,车削和铣削的切削速度已达到5000~8000m/min以上;主轴转数在30000转/分 (有的高达10万转/分)以上;工作台的移动速度(进给速度):在分辨率为l微米时, 在100m/min?(有的到200m/min)?以上,在分辨率为0.1um时,在24m/min以上;自动换刀 速度在1秒以内;小线m/min。?在加工精度方面,近10年来,普 通级数控机床的加工精度已由10um?提高到5um,精密级加工中心则从3~5um,提高到 1~1.5um,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01um)。? 2?高可靠性? 随着数控机床网络化应用的发展,数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控 机床制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言,如果要求在l6小时内连续 正常工作,无故障率在P(t)99%以上,则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须 大于3000小时。我们只对一台数控机床而言, 如主机与数控系统的失效率之比为◆■l0:1(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系 统的MTBF就要大于33333.3小时,而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须 大于l0万小时。当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以▲★-●上,驱动装置达30000小 时以上,但是,可以看到距理想的目标还有差距 3?多功能化? 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴 的升、降速上,为了尽可能降低这些无用时间,人们希望将不同的加工功能整合在同一 台机床上,因此数控机床实现了一机多能,以最大限度地提高设备利用率。另外前台加 工、后台编辑的前后台功能,充分提高其工作效率和机床利用率。数控机床还具有更高 的通讯功能,现代数控机床除具有通信口,DNC功能外,还具有网络功能。? 4?多轴化? 随着5轴联动数控系统和编程软件的普及,5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为 当前的一个开发热点,由于在加工自由曲面时,5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较 简单,并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速,从而显着改善加 工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率,而在3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零 的球头铣刀端部参与切削,因此,5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机 床厂家积极开发和竞争的焦点。 5?网络化? 数控机床的网络化,主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或上位计 算机进行网络连接和网络控制。数控机床一般首先面向生产现场和企业内部的局域网, 然后再经由因特网通向企业外部,这就是所谓Internet/Intranet技术。随着网络技术的成 熟和发展,最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造,是机械制造企业现代化的标 志之一,也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。? 6?柔性化、智能化? 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点向面向体的方向发展,另一方面向注重应 用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主 要手段,是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系 统的可靠性、实用化为前提,以易于联网和集成为目标;注重加强单元技术的开拓、完善; CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展;数控机床及其构成柔性制造系统能方便地 与CAD、CAM、CAPP、MTS联结,向信息集成方向发展;☆△◆▲■网络系统向开放、集成和智能 化方向发展。? 智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控 制、数字化网络技术和理论的加工,它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动,以解 决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。智能化的内容包括在数控系 统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量的智能化,如自适应控制,工艺参数自动生 成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自 动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作的智能化,如智能化的自动编 程,智能化的人机界面等;智能诊断、智能监控,方便系统的诊断及维修等。世界上正在 进行研究的智能化切削加工系统很多,其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加 工方案具有代表性。? 7?绿色化? 21世纪的金切机床必须把环保和节能放在重要位置,即要实现切削加工工艺的绿色化。 目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上,这主要是因为切削液既污染环境和 危害工人健康,又增加资源和能源的消耗。干切削一般是在大气氛围中进行,但也包括 在特殊气体氛围中(氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术)不使用切削液进行的切削。 不过,对于某些加工方式和工件组合,完全不使用切削液的干切削目前尚难与实际应用, 故又出现了使用极微量润滑(MQL)的准干切削。对于面向多种加工方法/工件组合的加工 中心之类的机床来说,主要是采用准干切削,通常是让极微量的切削油与压缩空气的混 合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。在各类金切机床中,采用干切削最 多的是滚齿机。? * 第4章 制造自动化技术 Manufacturing Automation Technology 4.3 工业机器人技术 4.3.1 工业机器人的基本概念 中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”。 1967年日本召开的第一届机器人学术会议上,就提出了两个有代表性的定义。一是森政 弘与合田周平提出的:“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半 人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发,森政弘又提出了用自动 性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性 等10个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为 机器人: 1,具有脑、手、脚等三要素的个体; 2,具有非接触传感器(用眼、耳接受远方信息)和接触传感器; 3,具有平衡觉和固有觉的传感器。 ? 所以工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械 装置;由计算机控制,是无人参与的自主自动化控制系统;他是可编程、具有柔性的自 动化系统,可以允许进行人机联系。可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别, 它能以其动作复现人的动作和职能;它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多 目的用途,可以反复调整以执行不同的功能。” * 机器人的分类 分类名称 简要解释 操作型机器人 能自动控制,可重复编程,多功能,有几个自由度,可固定或运动,用于相关自动化系统中。 程控型机器人 按预先要求的顺序及条件,依次控制机器人的机械动作。 示教再现型机器人 通过引导或其它方式,先教会机器人动作,输入工作程序,机器人则自动重复进●行作业。 数控型机器人 不必使机器人动作,通过数值、语言等对机器人进行示教,机器人根据示教后的信息进行作业。 感觉控制型机器人 利用传感器获取★◇▽▼•的信息控制机器人的动作。 适应控制型机器人 机器人能适应环境的变化,控制其自身的行动。 学习控制型机器人 机器人能“体会”工作的经验,具有一定的学习功能,并将所“学”的经验用于工作中。 智能机器人 以人工智能决定其行动的机器人。 工业机器人的基本组成 工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行 机构,包括臂部、腕部和手部,有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3~6 个运动自由度,其中腕部通常有1~3个运动自由度;驱动系统包括动力装置和传动机 构,用以使执行机构产生相应的动作;控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行 机构发出指令信号,并进行控制。 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: 自由度。工业机器人的运动自由度是指各关节在三维空间对于固定坐标系具有 的独立运动。各关节自由度的总和就是工业机器人的自由度数。 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。 每个自由度需要一个伺服轴进行驱动,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。 机器人的工作空间主要取决于臂部的自由度 和每个关节的运动范围。 腕部的自由度主要用来调整手部在空间的方位。 手指的开闭动作,仅用于夹放工件或工夹具,它不改变工件或工夹具的空间位置和方位,所一般不计入机器人的自由度数 (3) 提取重力。提取的重力是反映机器人负载能力的一个参数,根据提取重力的不同,可将机器人分为: ① 微型机器人,提取重力在10 N以下; ② 小型机器人, 提取重力为10~50 N; ③ 中型机器人, 提取重力为50~300 N; ④ 大型机器人, 提取重力为300~500 N; ⑤ 重型机器人,提取重力在500N以上 (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。 目前的技术水平而言,通用机器人的最大直线) 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。 * * * *

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