制造自动化技术ppt课件.ppt

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1,第4章制造自动化技术,本章要点,制造自动化技术的发展,数控加工技术,工业机器人,柔性制造系统,2,第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology,3,计算机辅助设计（CAD）计算机辅助产品工程（CAE）计算机产品数据管理（PDM）,产品设计自动化,4.1.1制造自动化技术的内涵,企业管理自动化,企业ERP（EnterpriseResourcePlanning）,加工过程自动化,包括各种计算机控制技术，如CNC、DNC、自动存储和运输设备、自动检测和监控设备等,质量控制自动化,计算机辅助工艺设计（CAPP）,计算机辅助制造（CAM）,如计算机集成制造系统（CIMS）、敏捷制造（AM）、并行工程等。

4,NC和CNC；本阶段的NC在20世纪5070年代已成熟，但到了7080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。

自动单机和刚性自动线；本阶段在20世纪4050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。

第一阶段（1913-）：

刚性自动化,第二阶段（1930-）：

数控加工,4.1.1制造自动化技术的内涵,5,4.1.1制造自动化技术的内涵,6,4.1.1制造自动化技术的内涵,7,图4-1汽车后桥齿轮箱加工自动线,4.1.1制造自动化技术的内涵,8,4.1.1制造自动化技术的内涵,9,4.1.2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。

10,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,4.1.2制造自动化技术的发展趋势,11,第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology,12,4.2.1数控机床的基本概念,1948年，美国帕森斯（Parsons）公司在研制加工直升机叶片轮廓检验用样板的机床时，首先提出了应用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。

后来受美国空军委托，帕森斯公司与麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室合作进行研制工作，于1952年研制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床。

数控机床的诞生,图4-3麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室,13,4.2.1数控机床的基本概念,这是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行控制的自动化方法。

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,数字控制（NC）,数控技术,指用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。

由于计算机应用技术的成熟，数控系统均采用了计算机数控（CNC，ComputerNumericalControl）以区别于传统的NC。

数控机床,14,图4-4数控机床组成框图,4.2.2数控机床的组成,15,数控装置,伺服驱动装置,检测反馈装置,4.2.2数控机床的组成,由硬件和软件部分组成，接受输入代码经缓存、译码、运算插补等转变成控制指令，实现直接或通过PLC对伺服驱动装置的控制。

是数控装置和机床主机之间的联接环节，接受数控装置的生成的进给信号，经放大驱动主机的执行机构，实现机床运动。

是通过检测元件将执行元件（电机、刀架）或工作台的速度和位移检测出来，反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统。

16,PLC、机床I/O电路和装置,机床本体,4.2.2数控机床的组成,是数控机床的机械结构件（床身箱体、立柱、导轨、工作台、主轴和进给机构等,PLC（ProgrammableLogicController）：

用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：

实现I/O控制的执行部件（由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；,17,4.2.3数控机床的类型,经济型数控车床,全功能数控车床,18,4.2.3数控机床的类型,车削中心,19,4.2.3数控机床的类型,立式数控铣床,卧式数控铣床,龙门数控铣床,20,4.2.3数控机床的类型,经济型数控铣床,高速数控铣床,21,4.2.3数控机床的类型,立式加工中心,卧式加工中心,22,4.2.4数控机床的发展历程,硬线数控,G1:

19521955，电子管,G2:

19551959，晶体管,G3:

19591965，小规模集成电路,23,4.2.4数控机床的发展历程,计算机数控,G4:

1970s（19701974），小型计算机,G5:

1974-微处理器（MCNC）1979超大规模集成电路（VLIC）,G6:

1994基于PC-NC.,24,高速主轴单元（电主轴，转速15000100000r/min）高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min）高性能数控和伺服系统以及数控工具系统目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到50008000m/min以上；主轴转数在30000r/min（有的高达10万r/min）以上；工作台的移动速度（进给速度）：

在分辨率为1微米时，在100m/min（有的到200m/min）以上，在分辨率为0.1微米时，在24m/min以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min。

特征:

高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。

高速、高效,4.2.4数控机床的发展历程,25,普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m；精密级加工中心的加工精度则从35m，提高到11.5m，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.010.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。

高精度,高可靠性,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。

4.2.4数控机床的发展历程,26,复合化,多轴化,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，最近，国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心。

4.2.4数控机床的发展历程,机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。

智能化,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。

27,以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。

布局特点,基本结构形式,它的结构完全不同于传统机床，看不到明显的床身、导轨、立柱和横梁等结构，它的基本结构是一个活动平台。

有六杆、三杆、立式、卧式并联机床，结构形式为并联、串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。

4.2.5并联运动机床,28,4.2.5并联运动机床,并联机床HexaM简图,并联机床结构示意简图（6SPS机构）,该机床的运动路线为:

6个伺服电机的运动通过丝杠（驱动轴）、螺母和连杆传给装有电主轴的刀具夹板，从而带动刀具作任意空间曲线运动。

该并联机床由运动平台、固定平台以及能伸缩的若干驱动杆组成，运动平台与固定平台由6根驱动杆（伸缩杆）相连，每个驱动杆两端都是球铰副，中间有一个移动副。

驱动器驱动移动副作相对运动，改变伸缩杆的长度，便可改变运动平台的位姿，若将刀具安装在运动平台上，则通过控制六杆长度的变化，便可改变刀具在空间的位置与姿态，满足加工要求.,29,传统机床：

以床身、立柱、横梁等作为支撑部件，主轴部件和工作台沿支撑部件上的直线导轨移动，按照XYZ坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀具相对于加工工件的运动轨迹。

4.2.5并联运动机床,Z,X,Y,图4-5传统机床,30,并联运动机床：

以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，工作台与机床框架连接在一起，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀具相对于加工零件的运动轨迹。

4.2.5并联运动机床,机床框架,杆件,动平台,图4-6并联机床,31,4.2.5并联运动机床,运动精度高：

有效地减少了运动链的长度，将支撑与传动功能集成一体可实现高速加工：

运动部件少，质量轻，有利于获得高的进给速度机床刚性好：

消除了悬臂结构，没有横梁、立柱等承受弯曲的载荷部件结构简单,P800M型并联运动机床,32,第4章制造自动化技术ManufacturingAutomationTechnology,33,生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等,1886年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：

4.3.1概述,1920年捷克作家卡雷尔卡佩克的科幻剧本罗萨姆的万能机器人中的主人公“Robota”（在捷克语中是奴隶的意思）是一个具有人的外表、特征与功能，并为人服务的机器人。

英语的“Robot”由此而来。

34,森政弘与合田周平：

“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”。

加藤一郎提出，机器人具有：

具有脑、手、脚等三要素的个体；具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；具有平衡觉和固有觉的传感器。

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：

4.3.1概述,1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：

“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。

”,我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”。

35,4.3.1概述,36,工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人特种机器人用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：

服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。

机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广