《智能裝備設計生產與運維》2025年10月14日

第三章

智能裝備生產技術3.1

引言3.2機械制造技術基礎

3.3高性能制造理論與技術

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產3.5智能機械制造技術3.6裝備制造技術

3.1引言智能裝備生產技術是一種綜合性的制造技術，核心目標是通過集成先進技術，使制造設備和生產系統(tǒng)具備更高的智能化水平，以應對市場需求的變化和提高企業(yè)的競爭力。3.1.1智能裝備生產技術概述機械設計與制造·CAD/CAM技術·機械結構優(yōu)化·3D打印技術電子工程與電氣控制·嵌入式系統(tǒng)·傳感器技術·電氣驅動與伺服控制自動化控制技術·PLC控制·SCADA系統(tǒng)·工業(yè)機器人智能算法與人工智能·機器學習·深度學習網(wǎng)絡通信技術·工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)·5G技術計算機科學與信息技術·人機界面設計·實時數(shù)據(jù)處理·云計算·專家系統(tǒng)

3.1引言智能化生產控制智能裝備制造技術的發(fā)展歷程是制造業(yè)長期發(fā)展和技術進步的產物。從工業(yè)革命以來，隨著科學技術的迅速發(fā)展和人類對生產效率、質量和智能化的需求不斷增長，智能裝備制造技術也在不斷演進和完善，經(jīng)歷了多個階段和重要轉折。3.1.2智能裝備生產技術發(fā)展歷程3.1.2智能裝備生產技術發(fā)展歷程1.傳統(tǒng)機械制造階段2.數(shù)控技術的出現(xiàn)3.計算機集成制造技術

3.1引言4.智能化制造技術的興起智能化制造技術的興起標志著制造業(yè)進入了一個全新的發(fā)展階段，其核心理念是通過引入智能算法、傳感器、云計算等先進技術，實現(xiàn)生產過程的智能化、自動化和網(wǎng)絡化。這一技術革新涵蓋了生產的各個方面，從生產計劃和設計到加工制造、質量控制和供應鏈管理，都受益于智能化制造技術的應用。智能化制造技術的特點：①靈活性和定制化②高效率和節(jié)能環(huán)保③質量控制和預測維護④數(shù)字化管理和供應鏈優(yōu)化

3.1引言5.工業(yè)4.0時代的到來工業(yè)4.0概念主要涵蓋了以智能制造為核心的第四次工業(yè)革命，或者說是革命性的生產方式。它代表了從集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，旨在建立一個高度靈活、網(wǎng)絡化、智能化、柔性化和數(shù)字化的產品與服務生產模式。在工業(yè)4.0的推動下，智能裝備制造技術快速發(fā)展，智能裝備已經(jīng)逐漸走向產業(yè)化階段。6.未來發(fā)展趨勢在未來，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術的不斷發(fā)展和應用，智能裝備生產技術將進一步深化和普及。智能裝備將更加智能化、柔性化，生產過程將更加智能化、網(wǎng)絡化，為制造業(yè)的轉型升級提供更強有力的支撐。

3.1引言智能化生產控制工業(yè)生產中的智能裝備是指集成了先進技術和智能化功能的生產設備，它們能夠自主感知、分析和響應生產環(huán)境，實現(xiàn)自動化、智能化和柔性化生產。以下是一些常見的智能裝備在工業(yè)生產中的應用：3.1.3工業(yè)生產中的智能裝備1.智能機器人2.智能傳感器3.智能監(jiān)控系統(tǒng)

3.1引言智能化生產控制工業(yè)生產中的智能裝備是指集成了先進技術和智能化功能的生產設備，它們能夠自主感知、分析和響應生產環(huán)境，實現(xiàn)自動化、智能化和柔性化生產。以下是一些常見的智能裝備在工業(yè)生產中的應用：3.1.3工業(yè)生產中的智能裝備4.自動化生產線5.智能控制系統(tǒng)6.AR和VR技術

第三章

智能裝備生產技術3.1

引言3.2機械制造技術基礎

3.3高性能制造理論與技術

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產3.5智能機械制造技術3.6裝備制造技術3.2機械制造技術基礎機械制造工藝涵蓋了從原材料到成品的整個生產過程，包括生產準備、毛坯制造、零件加工、裝配、試驗和產品檢驗等多個階段。（1）生產過程：指從原材料到成品的一系列相互關聯(lián)的勞動過程。（2）工藝過程：在生產中通過改變生產對象的形狀、尺寸、位置和性質，將其轉變?yōu)榘氤善坊虺善返倪^程。（3）機械工藝過程：特指使用機械加工方法改變毛坯的形狀、尺寸和表面質量，制造出零件的過程。3.2.1傳統(tǒng)機械制造工藝生產準備毛坯制造零件加工裝配試驗產品檢驗3.2機械制造技術基礎傳統(tǒng)的機械加工技術包括：①車削加工：適用于加工回轉表面，如軸和盤套類零件，具有位置精度高、生產率高等特點。②銑削加工：使用旋轉的多刃刀具切削工件，具有高效率和切削厚度變化的特點。③刨削加工：對工件進行直線切削，適用于單件和小批量生產，但生產率相對較低。④磨削加工：使用磨料或磨具高精度切除材料，表面質量好，磨具具有自礪性。⑤鉆削加工：用鉆頭加工孔，易產生引偏，排屑和散熱困難。⑥鏜削加工：使用鏜刀進行切削，適應性強，可校正孔軸線位置誤差，但效率較低。⑦拉削加工：在拉床上使用拉刀加工內外成形表面，適用于批量生產，制造成本高。⑧絞孔加工：用鉸刀提高孔的加工精度，進行微量切削。3.2.1傳統(tǒng)機械制造工藝隨著全球經(jīng)濟一體化和市場競爭的加劇，傳統(tǒng)制造技術面臨挑戰(zhàn)。市場對機械裝備的需求趨向于結構合理、自動化程度高、加工精度高、低振動和低成本的機床新產品。因此，機械制造業(yè)正朝著高精度、高效率和低成本的方向發(fā)展，以適應現(xiàn)代制造技術的發(fā)展要求。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-1.智能數(shù)控車床及車削中心設計設計智能數(shù)控車床及車削中心需要考慮到機械結構、數(shù)控系統(tǒng)、自動化功能、安全性、節(jié)能環(huán)保以及人機工程等方面。綜合考慮上述因素，設計出一臺功能完善、性能優(yōu)越的智能數(shù)控車床及車削中心，能夠滿足高精度、高效率的加工需求，提高生產率和產品質量。機械結構設計穩(wěn)固可靠的機床結構，確保在高速、高負荷下保持穩(wěn)定性。選擇適當?shù)牟牧虾图庸すに嚕源_保機床的剛性和耐磨性?？紤]工件的尺寸和重量設計合適的工作臺和夾具。數(shù)控系統(tǒng)選擇先進的數(shù)控系統(tǒng)，包括高性能的控制器、編程軟件和人機界面。確保數(shù)控系統(tǒng)具有高精度的運動控制和實時監(jiān)控功能?？紤]添加智能化功能，如自動化編程、自動換刀和自動調整功能。自動化功能設計自動化的工藝流程，包括自動化換刀、自動測量和自動補償功能。集成智能檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測加工過程中的參數(shù)并進行自動調整?？紤]添加機器視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)自動識別和定位工件。人機工程設計人性化的操作界面和操作流程，簡化編程和操作步驟。提供培訓和技術支持，確保操作人員能夠熟練操作設備。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-1.智能數(shù)控車床及車削中心設計數(shù)控車床基礎結構優(yōu)化設計的步驟（1）床身的優(yōu)化設計

床身是機床的一個重要基礎部件，合理選擇筋板的布置形式和筋板孔的尺寸不但可以提高床身的整機性能，而且可以節(jié)約材料和降低生產成本。首先根據(jù)實際情況建立有限元模型，對床身進行靜力學分析，根據(jù)結果形成優(yōu)化方案。其次是對床身內部增加加強筋板，一種是對較薄部分進行填厚，還有一種是沿著導軌方向，在導軌與床身接觸部分增加加強筋。對優(yōu)化后的結構再次進行靜力學分析，選擇綜合優(yōu)化方案。（2）主軸部件的結構優(yōu)化

高速數(shù)控機床的工作性能首先取決于高速主軸部件的性能。數(shù)控機床的高速主軸部件包括主軸動力源（電主軸）、主軸本體、軸承和主軸箱體等幾個部分，它影響加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及應用范圍，其動力性能及穩(wěn)定性對高速加工起關鍵性作用。通過對主軸箱體建模，并模擬機床的工作狀態(tài)，結合SolidWorksSimulation軟件對模型進行有限元仿真和分析，對主軸箱體的優(yōu)化設計，并在機床實際生產應用中取得了良好的效果。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-1.智能數(shù)控車床及車削中心設計數(shù)控車床基礎結構優(yōu)化設計的步驟（3）尾部部件的結構優(yōu)化

高速機床經(jīng)過一段時間的車削加工后，經(jīng)常出現(xiàn)機床尾座軸線與機床主軸軸線之間高度變化的問題，這樣，當機床加工類似長軸的工件時（此時工件采用卡盤夾緊、尾座頂尖頂緊的夾持方式），就會出現(xiàn)零件加工精度降低、機床性能不穩(wěn)定等一系列問題。為了解決此問題，經(jīng)過對原結構的分析，總結其不足之處，然后對結構進行改進和優(yōu)化。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-1.智能數(shù)控車床及車削中心設計數(shù)控車床基礎結構優(yōu)化設計的步驟（4）高速主軸單元的總體結構設計

為滿足主軸高速旋轉，傳遞大轉矩及運轉平穩(wěn)性的要求，機床通常采用內置電動機非接觸驅動的傳動方式，即電主軸單元。電主軸單元是一種智能型功能部件，采用無外殼電動機，將帶有冷卻套的電動機定子裝配在主軸單元的殼體內，轉子和機床主軸的旋轉部件做成一體工作時，通過改變電流頻率來實現(xiàn)增減速度。電主軸的優(yōu)點：結構簡單緊湊、質量小、慣性小、振動小、噪聲低、響應快、轉速高、功率大，同時具有一系列主軸溫升與振動控制等。電主軸的機械結構雖然比較簡單，但制造工藝的要求卻非常嚴格。電動機的內置也帶來了一系列問題，諸如電動機的散熱、高速主軸的動平衡、主軸支承及潤滑方式的合理設計等，這些問題必須得到妥善的解決，才能確保電主軸穩(wěn)定可靠地高速運轉，實現(xiàn)高效精密加工。為保證電主軸有足夠的剛度來實現(xiàn)較高的加工精度和加工質量，選用電主軸置于前、后軸承之間，采用兩支承結構，支承受力方式為外撐式。在主軸單元設計中，一般可以選用滾動軸承，用于主軸的常用滾動軸承主要有圓柱滾子軸承、雙向推力角接觸球軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承等。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-1.智能數(shù)控車床及車削中心設計數(shù)控車床基礎結構優(yōu)化設計的步驟（5）電主軸單元主要技術參數(shù)的確定

1）主傳動系統(tǒng)的功率和轉矩特性。主軸輸出的最大轉矩：式中，Mn為主軸輸出的最大轉矩（N·m）；P為主軸電動機最大輸出功率（kW）；η為主軸的傳動功率系數(shù)，對于高速數(shù)控機床，η=0.85；n為主軸計算轉速（r/min）。2）主軸直徑確定?，F(xiàn)代數(shù)控機床越來越傾向于高速化，各個企業(yè)大都根據(jù)自己的相關經(jīng)驗，在剛度、速度、承載能力等方面取得平衡來確定主軸直徑。數(shù)控機床因為裝配的需要，主軸直徑通常是自前往后逐步減小的前軸頸直徑D1大于后軸頸直徑D2。對于數(shù)控車床，一般取D2=D1×（0.7~0.9）。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-1.智能數(shù)控車床及車削中心設計數(shù)控車床基礎結構優(yōu)化設計的步驟（6）主軸剛度的有限元分析

主軸單元的剛度是綜合剛度，是主軸、軸承等剛度的綜合反映，對加工精度和機床性能有直接影響。采用SolidWorksSimulation軟件對主軸進行有限元仿真和分析來確定主軸的剛度值，具體分析步驟為：①主軸力學模型的建立；②主軸箱體有限元網(wǎng)格模型的建立；③載荷的施加及邊界約束；④材料的定義；⑤有限元分析；⑥計算結果的分析。（7）主軸單元的冷卻系統(tǒng)

高速機床在高速加工時，主軸單元的發(fā)熱是機床運行中的主要熱源之一，其傳熱、溫度場和熱變形在影響加工精度的諸多因素中占有十分重要的地位。為此，需對主軸單元進行冷卻結構設計。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-1.智能數(shù)控車床及車削中心設計數(shù)控車床基礎結構優(yōu)化設計的步驟（8）主軸單元潤滑系統(tǒng)

當前主軸單元的軸承主要采用脂潤滑和油潤滑。各種潤滑方式的比較見表3-1。作為機床傳送動力及定位的關鍵部件，滾珠絲杠是機床性能的重要保證。目前“旋轉電動機+滾珠絲杠”的進給方式在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中得到了廣泛應用。下面以X向進給系統(tǒng)為例進行討論。進行X向高速驅動進給研究前，對整機的主要功能部件進行了動態(tài)性能的優(yōu)化和輕量化設計，經(jīng)過以上設計首先確定了X向高速驅動進給系統(tǒng)的使用條件。工作臺質量：m=180kg；最大行程：L=165mm；快進速度：vmax=42m/min；摩擦系數(shù)：μ=0.003；加速時間：t=0.05s；最大切削力：F=1900N，F(xiàn)x=0.5F=950N，F(xiàn)z=0.4F=760N。因本機床為45°

斜床身結構，所以滑動阻力為Fr=mgsina+μmgsina=1251N，g=9.8m/s21）初選滾珠絲杠的精度等級為C3級精度，確定滾珠絲杠安裝部位的精度。2）確定滾珠絲杠的軸向間隙，并對滾珠絲杠的預緊力進行計算。因為對滾珠絲杠施加預緊，螺栓部位的剛度就會增加，但是預緊負荷過大時，對壽命、發(fā)熱等會產生惡劣影響。因此，根據(jù)以往的設計經(jīng)驗，取最大預緊力為基本額定動載荷的8%。3）根據(jù)數(shù)控機床一般使用情況，擬定X向高速驅動進給系統(tǒng)的運轉條件和負載條件。4）確定滾珠絲杠的導程、軸徑和絲杠軸的安裝方法等，最后確定初選X向絲杠型號。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-1.智能數(shù)控車床及車削中心設計數(shù)控車床基礎結構優(yōu)化設計的步驟（9）滾珠絲杠的選擇

3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-1.智能數(shù)控車床及車削中心設計數(shù)控車床基礎結構優(yōu)化設計的步驟（10）X向聯(lián)軸器的選擇大多情況下，聯(lián)軸器是按照最大傳遞轉矩選用的，選用的聯(lián)軸器最大轉矩應大于系統(tǒng)的最大轉矩，聯(lián)軸器所需轉矩的計算為式中，TKN為聯(lián)軸器最大轉矩；TAS為系統(tǒng)最大轉矩。根據(jù)計算結果可在聯(lián)軸器具體參數(shù)表中選擇聯(lián)軸器型號。（11）高速驅動進給系統(tǒng)的精度分析為了滿足高速驅動進給系統(tǒng)的定位精度和重復定位精度，在X向加裝了測量絕對位置的光柵尺，使高速進給驅動系統(tǒng)形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，以保證機床的定位精度和重復定位精度以及其他工作精度。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-2.智能數(shù)控系統(tǒng)（1）數(shù)控機床的機電匹配與參數(shù)優(yōu)化技術采用數(shù)控系統(tǒng)集成在線伺服調試、伺服軟件自整定算法，開發(fā)伺服驅動器調試軟件，使機床數(shù)控系統(tǒng)的伺服參數(shù)與機械特性達到最佳匹配，提高了數(shù)控系統(tǒng)伺服控制的響應速度和跟隨精度，達到機床數(shù)控系統(tǒng)環(huán)路的最終三個控制目標，即穩(wěn)（穩(wěn)定性）、準（精確性）、快（快速性）。伺服參數(shù)優(yōu)化的本質是對位置環(huán)（NC參數(shù)）、速度環(huán)（驅動參數(shù)），甚至電流環(huán)（驅動參數(shù)，特殊情況才優(yōu)化）的參數(shù)進行修改，以武漢華中數(shù)控系統(tǒng)機電匹配與參數(shù)優(yōu)化技術為例進行介紹。1）技術方案。①

建立網(wǎng)絡連接。華中數(shù)控伺服調整工具SSTT軟件是一款國產數(shù)控機床調試和診斷的軟件，SSTT軟件通過以太網(wǎng)和數(shù)控系統(tǒng)建立連接，建立連接之前，需要保證PC的IP和數(shù)控系統(tǒng)的IP處于同一網(wǎng)絡C段，確認網(wǎng)絡狀態(tài)連通后，在數(shù)控系統(tǒng)面板上，打開數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡。打開SSTT軟件，在“通信設置”窗口，填入目標數(shù)控系統(tǒng)IP和通信端口，如果和數(shù)控系統(tǒng)通信成功，則會彈出“連接成功”的提示框。②

采樣設置。連接完成后，先設置采樣通道。目前SSTT軟件支持6種采樣類型，分別是指令位置、實際位置、跟蹤誤差、指令速度、實際速度、力矩電流。逐步調整參數(shù)，直到機床的加速性能達到一個比較理想的狀態(tài)。2）結論。①

通過采樣，用量化的機床數(shù)據(jù)作為調試依據(jù)，能提高調試的可靠性。②

可通過采樣數(shù)據(jù)觀察調節(jié)參數(shù)的效果。③

能夠直接在便攜式計算機上修改、備份數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅動參數(shù)，提高調試效率。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-2.智能數(shù)控系統(tǒng)（2）數(shù)控機床智能化編程與優(yōu)化技術當前，以傳統(tǒng)M代碼語言為基礎的數(shù)控系統(tǒng)的輸入編程制約了數(shù)控技術的進一步發(fā)展。智能化編程系統(tǒng)作為NC代碼的產生平臺，也像數(shù)控系統(tǒng)一樣有著自己獨立的發(fā)展軌跡，數(shù)控編程系統(tǒng)的智能化也是數(shù)控機床行業(yè)不斷追求的目標之一。采用這種編程方式可以真正實現(xiàn)企業(yè)制造知識和經(jīng)驗的再用，實現(xiàn)工藝和數(shù)控編程的標準化、智能化，進而提高制造質量和競爭能力，為實現(xiàn)加工系統(tǒng)的自動化提供技術基礎。（3）基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機床遠程故障監(jiān)測和診斷1）技術方案。①

有線方式。通過網(wǎng)線連接數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)控機床、路由器DNC（分布式數(shù)控）采集客戶端組成車間網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)存儲到DNC服務器中。②Wi-Fi方式。通過無線客戶端連接數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)控機床、無線客戶端、無線AP和DNC采集客戶端組成車間網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)存儲到DNC服務器中。③2G/3G/4G工業(yè)無線路由器方式。通過2G/3G/4G工業(yè)無線路由器連接到數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控機床、2G/3G/4G工業(yè)無線路由器組成車間網(wǎng)絡，DNC采集客戶端直接設置到DNC服務器中進行數(shù)據(jù)采集，通過2G/3G/4G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。3.2機械制造技術基礎3.2.2數(shù)控加工技術-2.智能數(shù)控系統(tǒng)2）遠程故障監(jiān)測和診斷采集數(shù)據(jù)傳輸流程。①

有線方式。車間數(shù)控機床→車間服務器運行“數(shù)控系統(tǒng)廠家采集軟件”→數(shù)據(jù)存儲到中心服務器數(shù)據(jù)庫→終端計算機運行數(shù)控機床遠程故障監(jiān)測和診斷軟件，實現(xiàn)故障監(jiān)測和診斷。②Wi-Fi方式。車間數(shù)控機床（配裝Wi-Fi路由器）→車間服務器運行“數(shù)控系統(tǒng)廠家采集軟件”→數(shù)據(jù)存儲到中心服務器數(shù)據(jù)庫→終端計算機運行數(shù)控機床遠程故障監(jiān)測和診斷軟件，實現(xiàn)故障監(jiān)測和診斷。③2G/3G/4G工業(yè)無線路由器方式。車間數(shù)控機床（配裝2G/3G/4G工業(yè)無線路由器）→中心服務器運行“數(shù)控系統(tǒng)廠家采集軟件”，數(shù)據(jù)存儲到服務器數(shù)據(jù)庫→終端計算機運行數(shù)控機床遠程故障監(jiān)測和診斷軟件，實現(xiàn)故障監(jiān)測和診斷。3）三種采集數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)缺點。①

有線方式。數(shù)據(jù)傳輸速度快、可靠性高，但需要在用戶車間設置網(wǎng)線和車間服務器、交換機，用戶生產現(xiàn)場組網(wǎng)難度較大、成本較高，用戶接受程度和方案實施可操作性較差。②Wi-Fi方式。數(shù)據(jù)傳輸速度較快、可靠性較高，但需要在用戶車間設置無線設備和車間服務器、交換機，用戶生產現(xiàn)場組網(wǎng)難度較大、成本較高，用戶接受程度和方案實施可操作性較差。③2G/3G/4G工業(yè)無線路由器方式。只需在用戶車間數(shù)控機床上設置工業(yè)無線路由器，用戶生產現(xiàn)場組網(wǎng)難度較小、成本較低，用戶接受程度和方案實施可操作性較高，但數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性在一定程度上受工業(yè)無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)時信號強弱的影響。3.2機械制造技術基礎3.2.3智能車削生產線-1.智能車削生產線總體布局（1）總控系統(tǒng)與檢測單元車削生產線由生產線總控系統(tǒng)、在線檢測單元、工業(yè)機器人單元、加工機床單元、毛坯倉儲單元、成品倉儲單元和RGV（軌道導向車輛）小車物流單元組成。以CK系列智能機床為例，從總控系統(tǒng)與檢測單元、工業(yè)機器人與車削機床單元以及物流與成品倉儲單元三部分對智能車削生產線的組成和設計進行介紹。典型總控系統(tǒng)，由室內和現(xiàn)場終端兩部分組成。室內終端配備多臺顯示器及數(shù)據(jù)庫，負責接收整個生產車間傳輸過來的制造生產大數(shù)據(jù)，顯示器用于用戶車間現(xiàn)場各項狀態(tài)的顯示，包括設備運行狀態(tài)、零件加工狀態(tài)、物流情況、人員狀況以及用戶車間現(xiàn)場溫度、濕度等環(huán)境信息。在用戶生產車間中，配備現(xiàn)場終端，通過顯示器可以清晰方便地查看用戶車間中的各項狀態(tài)，包括設備監(jiān)控生產統(tǒng)計、故障統(tǒng)計、設備分布、報警分析和工藝知識庫等，同時現(xiàn)場終端可以與室內終端進行數(shù)據(jù)交互。典型的在線檢測單元，由工業(yè)機器人、末端執(zhí)行器和多源傳感器等組成。物流系統(tǒng)將成品運輸?shù)街付ㄎ恢弥螅I(yè)機器人將整個檢測單元移動到指定工位上，通過視覺相機進行待檢測零件的拍照識別和定位，工業(yè)機器人再次調整自身位置，使整個檢測單元對準待檢測部位。識別與定位完成之后，由末端執(zhí)行器負責待檢測零件的抓取，通過工業(yè)機器人將零件轉移到檢測臺上的指定位置，由檢測臺上預先配備的多源傳感器對待檢測零件的孔徑、窩深、曲率、表面粗糙度、齊平度等精度指標進行在線檢測，也可通過智能算法對零件進行自動測量和自動分類，將不同類型的零部件轉移到不同的物流線上，完成零件的自動分類操作。通過互聯(lián)網(wǎng)檢測單元可以將檢測結果返回給總控系統(tǒng)，操作人員通過室內總控系統(tǒng)或者現(xiàn)場總控系統(tǒng)的終端計算機和顯示器，可直接觀看到零件的檢測結果。符合檢測要求的，直接進行下一工位操作；不符合要求的，在顯示器上顯示不合格提醒，由操作人員根據(jù)零件的不合格程度進行判定與決策。檢測完成后，末端執(zhí)行器抓取已檢測零件，工業(yè)機器人將已檢測零件轉移到物流系統(tǒng)上，由物流系統(tǒng)運送到下一工位進行處理。3.2機械制造技術基礎3.2.3智能車削生產線-1.智能車削生產線總體布局（2）工業(yè)機器人和車削機床單元加工模塊由工業(yè)機器人和車削機床兩部分組成。工業(yè)機器人負責待加工零件的移動和抓取，車削機床為智能機床。一個工業(yè)機器人負責為一臺或者兩臺車削機床進行零件的取放和裝夾。物流配送系統(tǒng)將毛壞零件或者半成品零件運輸?shù)街付üの恢?，由工業(yè)機器人抓取毛坯零件或半成品零件，將其放入智能車削機床中，輔助機床完成待加工零件的裝夾。車削機床配備智能健康保障功能、熱溫度補償功能、智能斷刀檢測功能、智能工藝參數(shù)優(yōu)化功能、專家診斷功能、主軸動平衡分析和智能健康管理功能、主軸振動主動避讓功能和智能云管家功能。智能機床可以根據(jù)自身需要增加或減少相應的智能化功能，以組成最適合企業(yè)生產需求的車削生產線。（3）物流與成品倉儲單元典型物流單元由工業(yè)機器人、末端執(zhí)行器、RGV小車、零件托運工裝和行走軌道組成，主要實現(xiàn)機床加工零件的轉移運輸工作。根據(jù)生產任務的需求，智能生產線可以選擇配備單條或者多條物流生產線。機床較少或加工任務較為簡單的智能車削生產線，可以采用單物流線模式，機床任務較多或者加工任務較為復雜的情況，可配備兩條或者多條物流線。根據(jù)加工場景的復雜程度配備移動機器人，各工位之間的零件轉移由自動編程的RGV小車完成，RGV小車上配備不同零件托運工裝，完成相應的上料、轉運和下料工作。典型成品倉儲單元由倉儲柜、工業(yè)機器人、末端執(zhí)行器、行走軌道組成。倉儲柜由大小相同的獨立小柜構成，各小柜之間可以快速拼接和拆分。根據(jù)工業(yè)機器人的選擇調整大小。根據(jù)倉儲柜的個數(shù)，行走軌道可以根據(jù)需求，設置為直線形或者環(huán)形，提高工作效率。3.2機械制造技術基礎3.2.3智能車削生產線-2.生產線系統(tǒng)集成1）設備集成集成控制系統(tǒng)技術的迅速發(fā)展正推動自動化生產線向更高水平的自動化和集成化邁進。生產線集成控制的核心在于通過特定的網(wǎng)絡技術將多個設備連接起來，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，實現(xiàn)內部信息的集成與交互，以達到更高效控制的目的。集成控制主要分為設備集成和信息集成兩大類。通過網(wǎng)絡技術，將各種具備獨立控制功能的設備整合成一個協(xié)調一致的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不僅具有獨立性，還能做到相互關聯(lián)，并且可以根據(jù)生產需求進行靈活的配置和調整。2）信息集成采用模塊化設計思想，規(guī)劃并配置資源，實現(xiàn)動態(tài)分配、設備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集處理和質量控制等功能。通過構建包含獨立控制功能的基本功能模塊，確保這些模塊能夠按照規(guī)范進行互聯(lián)，使用特定的控制模式和調度策略，實現(xiàn)預定目標，從而完成集成控制。3.2機械制造技術基礎3.2.3智能車削生產線-2.生產線系統(tǒng)集成系統(tǒng)通信生產線集成控制結合了通信、計算機和自動化技術，形成了一個高效的工作整體。為了確保生產線中不同設備和子系統(tǒng)的有效協(xié)同，系統(tǒng)采用PLC及其分布式遠程I/O模塊，實現(xiàn)生產單元的集中管理與分散控制。PLC同時響應來自上層MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的管理指令，涉及操作人員驗證、產品控制和物料管理等信息。系統(tǒng)利用PROFINET網(wǎng)絡與現(xiàn)場I/O設備進行通信，這些設備包括具備以太網(wǎng)功能的模塊，如IM151-3PN現(xiàn)場模塊、ET200ecoPN輸入輸出模塊和RF180C通信模塊。為了實現(xiàn)與車間其他單元PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，控制系統(tǒng)還裝備了工業(yè)級PN/PN耦合器。通自動生產線可以與車間內的其他PLC系統(tǒng)進行信息交換。為了保證生產的可靠性和連續(xù)性，各單元控制器之間采用光纖環(huán)網(wǎng)連接。這樣的設計意味著即使MES出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)也能夠獨立于MES繼續(xù)正常運行，從而確保生產線的穩(wěn)定和高效。

第三章

智能裝備生產技術3.1

引言3.2機械制造技術基礎

3.3高性能制造理論與技術

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產3.5智能機械制造技術3.6裝備制造技術3.3高性能制造理論與技術精密加工中心優(yōu)化設計精密主軸結構優(yōu)化設計：基于數(shù)字化虛擬設計的機床主軸系統(tǒng)誤差分析和主軸實時動態(tài)檢測相結合的模式，優(yōu)化了零件設計參數(shù)和裝配工藝方法，滿足精密主軸的設計要求。精密回轉工作臺結構優(yōu)化設計：連續(xù)分度回轉工作臺采用高精度圓柱滾子組合軸承支持回轉軸系，并采用高精度圓光柵實現(xiàn)全閉環(huán)檢測，確保連續(xù)分度定位精度。此外，液壓剎緊機構可適應工件的強力銑削。精密加工中心整體結構設計：機床X、Y、Z軸進給機構采用伺服電動機、直線滾動導軌副和精密級滾珠絲杠副，可在60m/min以上條件下實現(xiàn)快速移動和準確定位，無爬行現(xiàn)象，并采用集中定時潤滑，減少導軌磨損，保證機床精度穩(wěn)定。托盤定位采用四錐銷過定位方式，配置清潔吹氣裝置，保證定位可靠性。3.3高性能制造理論與技術精密加工中心誤差智能補償技術熱誤差補償技術幾何誤差補償技術溫度傳感器分布圖五點式位移傳感器示意圖3.3高性能制造理論與技術精密加工中心伺服驅動優(yōu)化離線伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化：對于單軸伺服驅動優(yōu)化，關鍵在于通過頻率響應測試的Bode圖結果來優(yōu)化機械濾波器和速度環(huán)參數(shù)，同時利用直線運動和點位運動的速度、力矩波形進行加減速時間參數(shù)的優(yōu)化。在線伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化：伺服優(yōu)化軟件需控制數(shù)控機床起動，通過添加繼電器觸點信號和FOCAS軟件包實現(xiàn)對機床起動的控制。另外，通過讀取球桿儀的測試報告文件，確定上次調整后的調試效果，并利用FOCAS連接以太網(wǎng)，獲取機床伺服優(yōu)化的相關參數(shù)，將修改值寫入機床的數(shù)控系統(tǒng)中。手動優(yōu)化流程圖3.3高性能制造理論與技術精密加工中心可靠性技術精密臥式加工中心運行狀態(tài)監(jiān)控精密加工中心可靠性監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)可靠性驅動的裝配工藝設計監(jiān)控系統(tǒng)的功能樹監(jiān)控系統(tǒng)的功能流程圖3.3高性能制造理論與技術柔性制造系統(tǒng)集成控制技術基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的柔性制造集成控制技術

1）系統(tǒng)集成架構設計方面2）通信協(xié)議與標準方面3）分布式控制系統(tǒng)方面基于國產數(shù)控系統(tǒng)的柔性制造系統(tǒng)應用柔性制造系統(tǒng)集成控制技術的拓撲結構3.3高性能制造理論與技術柔性制造系統(tǒng)在線監(jiān)控技術基于數(shù)控系統(tǒng)的在線檢測技術1）工件測量技術

2）刀具信息及磨損監(jiān)控技術基于數(shù)控系統(tǒng)的在線監(jiān)控技術在線監(jiān)控模型3.3高性能制造理論與技術柔性制造系統(tǒng)刀具管理系統(tǒng)刀具多參數(shù)動態(tài)管理及刀具柔性編碼1）刀具多參數(shù)管理2）刀具參數(shù)設置流程

3）參數(shù)繼承性基于多參數(shù)的刀具柔性編碼技術

1）傳統(tǒng)刀具編碼方法

2）改進的刀具編碼方法

3）編碼方案的繼承及設計流程刀具識別柔性制造系統(tǒng)性能測評技術柔性制造系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測柔性制造系統(tǒng)精度檢測技術

1）激光干涉儀技術

2）球桿儀技術

3）動態(tài)誤差檢測

4）機器視覺技術柔性制造系統(tǒng)評價方法

1）模糊參數(shù)隨機Petri網(wǎng)的應用

2）模糊參數(shù)下的系統(tǒng)性能評價方法

3）模糊參數(shù)評價理論的可靠性分析

3.3高性能制造理論與技術刀具參數(shù)管理流程圖刀具編碼流程圖

第三章

智能裝備生產技術3.1

引言3.2機械制造技術基礎

3.3高性能制造理論與技術

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產3.5智能機械制造技術3.6裝備制造技術

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產設計原理功能性要求分析：①具體功能定義，即明確每個核心部件的功能，確保其滿足裝備整體需求；②性能指標確定，即定義性能指標，如精度、速度、響應時間等，以量化核心部件的設計目標。集成和互聯(lián)性：協(xié)同作用和系統(tǒng)的高效運作依賴于核心部件之間的良好集成與互聯(lián)性。高效能耗比設計：在智能裝備中，高效的能源利用至關重要。設計方法與技術先進材料應用：采用先進材料是提高核心部件性能和壽命的關鍵。結構優(yōu)化設計：結構優(yōu)化是確保部件在各種條件下都能發(fā)揮最佳性能的關鍵。模擬與仿真技術：模擬與仿真技術是在設計階段進行虛擬測試和問題排查的有效工具。設計原理設計方法與技術設計過程原型制作與測試：原型制作與測試是設計階段的實質性工作。周期性更新與優(yōu)化：隨著技術的不斷發(fā)展，設計需保持與時俱進。周期性的更新與優(yōu)化是確保智能裝備持續(xù)提升性能的關鍵。智能裝備核心部件的設計是整個裝備系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產設計原理高精密制造技術應用：在智能裝備核心部件的生產中，高精密制造技術是確保部件達到設計規(guī)格的關鍵。智能化生產線的建設：建設智能化生產線是提高生產率和產品一致性的重要步驟。高效的精密加工中心：設立高效的精密加工中心是確保部件質量和生產率的關鍵。柔性制造系統(tǒng)的設計與應用：柔性制造系統(tǒng)的設計可以提高生產線的靈活性和適應性，以滿足不同產品和訂單的需求。質量控制與測試：整個生產過程中，質量控制與測試是確保部件符合設計要求的重要步驟。可持續(xù)制造與綠色生產：智能裝備核心部件的生產需考慮可持續(xù)性和環(huán)保性。設計方法與技術涉及的生產工藝智能裝備核心部件的生產是設計理念和方法的實際應用

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產智能傳感器是智能裝備關鍵的組成部分。1.智能傳感器設計（1）傳感器信號數(shù)字化（2）增加智能（3）實現(xiàn)通信（4）連接組件：1）含有用于測量一個或多個物理量的敏感元件；2）具有用于分析敏感元件所測結果的運算元件；3）與外界相連的通信接口

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產智能傳感器制造制造工藝：1）微納加工技術；2）表面微結構技術；3）材料選擇與優(yōu)化制造流程：1）傳感器元件制造；2）集成電路制造；3）組裝與封裝測試與質量控制：1）功能測試；2）性能測試；3）質量控制

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產隨著科技的不斷發(fā)展，AI和自動化技術在制造業(yè)中的應用變得更加重要。智能工廠布局與規(guī)劃AI優(yōu)化生產流程自動化物流系統(tǒng)智能制造工藝與質量控制AI輔助設計與優(yōu)化智能監(jiān)控與預測性維護自動化質量檢測自動化制造設備與智能機器人數(shù)字孿生技術協(xié)作機器人智能生產數(shù)據(jù)分析與決策支持大數(shù)據(jù)分析實時生產監(jiān)控智能制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）

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智能裝備生產技術3.1

引言3.2機械制造技術基礎

3.3高性能制造理論與技術

3.4關鍵基礎智能部件的設計生產3.5智能機械制造技術3.6裝備制造技術

3.5智能機械制造技術——智能機械制造加工基礎智能制造系統(tǒng)物質基礎、理論基礎、特征及框架結構物質基礎智能制造系統(tǒng)的物質基礎和技術支撐由多個核心部分組成，這些部分共同構成了智能制造的框架，并推動了機械制造業(yè)的技術革命。數(shù)控機床和加工中心CAD/CAM工業(yè)控制技術與微電子技術的結合制造系統(tǒng)的智能化CIMS理論基礎智能制造的理論基礎是建立在制造系統(tǒng)整體的“智能化”和“自組織能力”上的，它強調個體的“自主性”和在整個制造過程中智能活動的融合。特征多信息感知與融合知識表達、獲取、存儲和處理聯(lián)想記憶與智能控制功能自治性自相似、自學習、自適應、自組織、自維護機器智能的演繹與歸納容錯能力框架結構中心層管理層計劃層生產層

3.5智能機械制造技術——智能機械制造加工基礎數(shù)控機床加工制造數(shù)控機床基礎知識數(shù)控機床，全稱為數(shù)字控制機床（NumericalControlMachineTools，NCMT），是一種集成了數(shù)字計算技術用于機床控制的先進設備。它通過將機械加工過程中的控制信息轉換為編碼數(shù)字，并利用這些數(shù)字信息控制機床的動作，從而實現(xiàn)零件的自動加工?？刂圃砑庸つ芰夹g特點適用范圍經(jīng)濟效益發(fā)展趨勢數(shù)控機床特點高精度與穩(wěn)定性復雜零件加工能力高生產率適應性強自動化發(fā)展方向監(jiān)控與故障診斷改善勞動條件

3.5智能機械制造技術——智能機械制造加工基礎數(shù)控加工中心制造技術數(shù)控加工中心概述數(shù)控加工中心是一種集高效、自動化和復雜零件加工能力于一體的機械設備。它起源于數(shù)控銑床，但與數(shù)控銑床的主要區(qū)別在于加工中心具備自動換刀的功能，能根據(jù)加工需求在刀庫中選擇和更換刀具，實現(xiàn)多樣化的加工功能。數(shù)控加工中心能夠執(zhí)行銑削、鉆削、鏜削以及攻螺紋等多種加工方式。加工中心分類按主軸位置分類

①臥式加工中心②立式加工中心③復合式加工中心按加工工序分類①鏜銑加工中心②車銑加工中心按加工精度分類①普通加工中心②高精度加工中心加工中心特點高生產率高精度加工加工復雜性加工中心結構及功能基礎部件主軸部件數(shù)控系統(tǒng)自動換刀系統(tǒng)輔助裝置加工對象箱體類零件復雜曲面異形件盤或板類零件

3.5智能機械制造技術——新型制造加工技術增材制造增材制造定義增材制造（AM），通常被稱為3D打印，是一種創(chuàng)新的制造技術。它結合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，通過數(shù)字模型文件指導，使用專用材料（包括金屬、非金屬和生物醫(yī)用材料）逐層堆積，形成實體物品。與傳統(tǒng)的原材料去除加工模式不同，AM技術采用“自下而上”的方法，從無到有構建零件，使得復雜結構件的制造成為可能。AM的組成快速原型制造三維打印實體自由制造快速成型技術快速成型技術，也稱為快速原型制造，允許直接從CAD數(shù)字模型通過特定材料逐層累積制作三維物理模型。具有以下優(yōu)點：縮短制造周期降低成本提高靈活性加速產品上市支持多功能應用快速成型技術的分類光固化成形法疊層實體制造法選擇性激光燒結法熔融沉積制造法

3.5智能機械制造技術——新型制造加工技術虛擬制造虛擬制造技術虛擬制造技術（VMT），又稱擬實制造技術。通過信息技術、仿真技術、計算機技術的結合，對實際制造活動中的人力、物資、信息以及生產流程進行全面的虛擬仿真。其目的是在產品實際投入生產前，通過模擬來識別可能出現(xiàn)的問題，并采取預防措施，以期