1、第四章制造自動(dòng)化技術(shù)4.1概述4.2工業(yè)機(jī)器人4.3柔性制造系統(tǒng)4.1概述4.1制造自動(dòng)化技術(shù)內(nèi)涵隨著技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化的功能目標(biāo)隨著自動(dòng)化手段的提高和時(shí)代的進(jìn)步而不斷變化。在計(jì)算機(jī)用于自動(dòng)化之前，自動(dòng)化的主要目的是節(jié)省勞動(dòng)力而不是體力勞動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)作為自動(dòng)化技術(shù)的重要手段，極大地拓展了自動(dòng)化的視野。自動(dòng)化的功能目標(biāo)不僅僅是取代人類(lèi)的體力勞動(dòng)，也是取代人類(lèi)的部分腦力勞動(dòng)。制造自動(dòng)化是人類(lèi)在長(zhǎng)期生產(chǎn)活動(dòng)中追求的目標(biāo)。在“狹義制造”的概念下，制造自動(dòng)化是指生產(chǎn)車(chē)間產(chǎn)品加工和裝配檢驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化，包括切割自動(dòng)化、工件裝卸自動(dòng)化、工件儲(chǔ)存和運(yùn)輸自動(dòng)化、零件和產(chǎn)品的清

2、洗和檢驗(yàn)。下頁(yè)，返回，4.1概述，自動(dòng)化，斷屑和卸屑自動(dòng)化，裝配自動(dòng)化，機(jī)器故障診斷自動(dòng)化等。在“廣義制造”的概念下，制造自動(dòng)化包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化、企業(yè)管理自動(dòng)化、加工過(guò)程自動(dòng)化和質(zhì)量控制自動(dòng)化等。以及所有環(huán)節(jié)的集成和自動(dòng)化，使產(chǎn)品制造過(guò)程能夠達(dá)到高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、及時(shí)和清潔的目標(biāo)。制造自動(dòng)化使制造業(yè)逐漸從勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)密集型和知識(shí)密集型產(chǎn)業(yè)。制造自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志，代表先進(jìn)制造技術(shù)的水平，反映一個(gè)國(guó)家的科技水平。制造自動(dòng)化技術(shù)的采用不僅顯著提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了制造成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，而且有效改善了工作條件，提高了工人素質(zhì)，有利于產(chǎn)品更新，帶動(dòng)

3、了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，大大提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。制造自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)狀制造自動(dòng)化的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，如表4-1所示?；仡櫄v史，制造自動(dòng)化的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：剛性自動(dòng)化、柔性自動(dòng)化和集成自動(dòng)化。剛性自動(dòng)化：主要表現(xiàn)在半自動(dòng)和自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床和組合機(jī)床自動(dòng)線(xiàn)的出現(xiàn)，解決了單一品種批量生產(chǎn)的自動(dòng)化問(wèn)題，其主要特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、加工品種單一。這一階段在20世紀(jì)50年代達(dá)到頂峰。柔性自動(dòng)化：為了滿(mǎn)足多品種、小批量甚至單件生產(chǎn)自動(dòng)化的需要，出現(xiàn)了一系列柔性制造自動(dòng)化技術(shù)，如數(shù)控技術(shù)、上一頁(yè)、下一頁(yè)、后頁(yè)、4.1概述(NC)、計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)

4、等。綜合自動(dòng)化：隨著計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，各種單元自動(dòng)化技術(shù)逐漸成熟。為了充分利用資源，發(fā)揮綜合效益，20世紀(jì)80年代以來(lái)，以計(jì)算機(jī)為中心的集成自動(dòng)化得到了發(fā)展，如計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、并行工程(ce)、精益生產(chǎn)(LP)、敏捷制造(AM)等模式得到了發(fā)展和應(yīng)用。制造自動(dòng)化技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，也是當(dāng)今制造工程中廣泛涉及和活躍的技術(shù)。綜上所述，當(dāng)前對(duì)制造自動(dòng)化技術(shù)的研究主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。上一頁(yè)、下一頁(yè)、下一頁(yè)、上一頁(yè)、4.1概述、1制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，而計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助

5、工程等)等單元技術(shù)則是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。)，數(shù)控技術(shù)、過(guò)程控制和監(jiān)控技術(shù)不斷發(fā)展，制造系統(tǒng)集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)的研究已成為制造業(yè)的研究熱點(diǎn)集成技術(shù)包括制造系統(tǒng)信息集成技術(shù)(如CIMS)、過(guò)程集成技術(shù)(如并行工程)、企業(yè)集成技術(shù)(如敏捷制造)等。系統(tǒng)技術(shù)包括制造系統(tǒng)分析技術(shù)、制造系統(tǒng)建模技術(shù)、制造系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)、制造系統(tǒng)管理技術(shù)和制造系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。上一頁(yè)，下一頁(yè)，上一頁(yè)，4.1概述，2重視制造自動(dòng)化系統(tǒng)中人的因素的研究在過(guò)去的一段時(shí)間里，人們?cè)?jīng)認(rèn)為整個(gè)自動(dòng)化工廠(chǎng)是制造自動(dòng)化發(fā)展的目標(biāo)。隨著一些無(wú)人化工廠(chǎng)的實(shí)踐和實(shí)施失敗，人們重新思考了無(wú)人化制造自動(dòng)化的問(wèn)題，重新認(rèn)識(shí)了人在制造自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要作用

6、，提出了“人機(jī)一體化制造系統(tǒng)”和“以人為本的制造系統(tǒng)”等新理念，其內(nèi)涵是發(fā)揮人的核心作用，將人視為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有機(jī)組成部分，使人和機(jī)器處于協(xié)同優(yōu)化的地位，實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)中人機(jī)一體化的決策機(jī)制。上一篇，下一篇，返回，4.1概述，3數(shù)控單元系統(tǒng)的研究仍然占有重要地位。以一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控加工設(shè)備和物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)為主體的數(shù)控單元系統(tǒng)，可以在計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制和管理下，實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量零件的自動(dòng)化加工和生產(chǎn)。它是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)的重要組成部分，是車(chē)間作業(yè)計(jì)劃的分解決策層和具體執(zhí)行機(jī)制。國(guó)內(nèi)外制造業(yè)在數(shù)控單元系統(tǒng)的理論和技術(shù)研究上投入了大量的人力和物力，軟硬件發(fā)展迅速。近年來(lái)，基于多智能體的單元制造

7、系統(tǒng)的研究方興未艾。上一頁(yè)，下一頁(yè)，返回，4.1概述，4關(guān)于制造過(guò)程的計(jì)劃和調(diào)度的研究在從原材料進(jìn)入工廠(chǎng)到產(chǎn)品離開(kāi)工廠(chǎng)的制造過(guò)程中非常活躍。只有5倍的機(jī)械零件在機(jī)床上加工，而其余95倍的零件在不同的地方和不同的機(jī)床之間運(yùn)輸或等待。減少95的時(shí)間是提高生產(chǎn)效率的一個(gè)重要方向。優(yōu)化制造過(guò)程的計(jì)劃和調(diào)度是減少95小時(shí)的主要手段。鑒于此，國(guó)內(nèi)外對(duì)制造過(guò)程規(guī)劃與調(diào)度的研究非?；钴S，并發(fā)表了大量的研究論文和成果。然而，由于制造過(guò)程的復(fù)雜性和隨機(jī)性，能夠投入實(shí)際應(yīng)用的研究成果很少，尤其是那些應(yīng)用范圍較大的研究成果，還有大量的研究需要進(jìn)一步深化。上一頁(yè)，下一頁(yè)，上一頁(yè)，4.1概述，5柔性制造技術(shù)的研究正在向深

8、度和廣度發(fā)展。柔性制造系統(tǒng)的研究歷史悠久，但仍有大量學(xué)者在研究。目前，對(duì)柔性制造系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制、管理和優(yōu)化運(yùn)行方面。DNC技術(shù)近年來(lái)取得了很大的進(jìn)步。數(shù)控有兩種不同的含義：一是直接數(shù)控，即計(jì)算機(jī)直接數(shù)控；另一種是分布式數(shù)控，即分布式數(shù)控。分布式數(shù)控強(qiáng)調(diào)信息的集成和信息流的自動(dòng)化，物流的控制和執(zhí)行涉及到大量的人機(jī)交互。與柔性制造系統(tǒng)相比，柔性制造系統(tǒng)具有投資少、見(jiàn)效快、靈活性好、可靠性高等特點(diǎn)，因此近年來(lái)對(duì)柔性制造系統(tǒng)的研究非?；钴S。前，下，后，4.1概述，6適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)模式的制造環(huán)境研究正在興起。目前，并行工程、精益生產(chǎn)、敏捷制造和仿生制造等現(xiàn)代制造模式的提出和研究，促進(jìn)了

9、制造自動(dòng)化技術(shù)的研究和應(yīng)用，以滿(mǎn)足現(xiàn)代制造模式應(yīng)用的需要。敏捷制造模式的研究主要包括敏捷制造模式下的制造自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)、高效柔性制造系統(tǒng)的建模與重構(gòu)、制造能力的度量HMS由智能的完整單元組成，其底層設(shè)備具有開(kāi)放性、自律性、協(xié)作性、可知性、適應(yīng)性和靈活性、易集成性等特點(diǎn)。此外，近年來(lái)引進(jìn)的虛擬軸機(jī)床改變了傳統(tǒng)機(jī)床的工作原理，其性能具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別有利于實(shí)現(xiàn)虛擬軸機(jī)床在車(chē)間的控制和集成。例如，快速原型制造是一種有利于實(shí)現(xiàn)集成制造的新技術(shù)。近年來(lái)，各種新型快速成型技術(shù)的研究非?；钴S。展望新世紀(jì)制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，可以概括為六個(gè)方面，即敏捷性、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、全球化和綠色化。(1

10、)敏捷制造環(huán)境和制造過(guò)程是新世紀(jì)制造活動(dòng)的必然趨勢(shì)。其核心是使企業(yè)能夠快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，利用企業(yè)內(nèi)外的各種優(yōu)勢(shì)，形成動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，盡快占領(lǐng)市場(chǎng)。(2)基于互聯(lián)網(wǎng)/內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的制造網(wǎng)絡(luò)化制造已經(jīng)成為制造業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，包括企業(yè)制造環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化和企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)化。通過(guò)制造環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化，上一頁(yè)、下一頁(yè)、返回、4.1概述，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理、工程設(shè)計(jì)、制造控制等各子系統(tǒng)的集成；通過(guò)企業(yè)間的聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制造和遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)。(3)制造虛擬化包括設(shè)計(jì)過(guò)程虛擬技術(shù)和制造過(guò)程虛擬技術(shù)。前者面向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能分析，旨在優(yōu)化產(chǎn)品性能和成本；后者面向產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的模擬和檢驗(yàn)，檢驗(yàn)產(chǎn)品的可

11、加工性和加工工藝的合理性。制造虛擬化的核心是計(jì)算機(jī)仿真，它通過(guò)仿真模擬真實(shí)的系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中可以避免的缺陷和錯(cuò)誤，保證產(chǎn)品制造過(guò)程一次成功。智能制造技術(shù)的目的是擴(kuò)展、延伸和部分替代人類(lèi)專(zhuān)家在制造過(guò)程中的腦力勞動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的優(yōu)化。智能制造包括智能計(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人、智能加工設(shè)備、智能生產(chǎn)線(xiàn)等。智能制造系統(tǒng)是制造系統(tǒng)發(fā)展的最高階段，即從柔性制造系統(tǒng)和集成制造系統(tǒng)發(fā)展到智能制造系統(tǒng)。(5)制造全球化、制造網(wǎng)絡(luò)和敏捷戰(zhàn)略的實(shí)施促進(jìn)了制造全球化的研究和發(fā)展。這包括市場(chǎng)的國(guó)際化，目前全球產(chǎn)品銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)正在形成；產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的國(guó)際合作以及產(chǎn)品制造的跨國(guó)化；世界制造企業(yè)的重組和整合，跨地區(qū)和國(guó)家

12、制造資源的協(xié)調(diào)、共享和優(yōu)化利用；全球制造業(yè)的架構(gòu)將會(huì)形成。上一頁(yè)，下一頁(yè)，返回，概述4.1，(6)制造業(yè)綠色制造是創(chuàng)造人類(lèi)財(cái)富的支柱產(chǎn)業(yè)，但它也是環(huán)境污染的主要來(lái)源，從而產(chǎn)生了綠色制造的新概念。綠色制造是一種綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。其目標(biāo)是使從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到廢料處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期對(duì)環(huán)境的影響最小，資源利用效率最高。綠色制造已經(jīng)成為制造業(yè)全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的具體要求和體現(xiàn)。上一頁(yè)，返回，4.2工業(yè)機(jī)器人)，4.2.1工業(yè)機(jī)器人的定義工業(yè)機(jī)器人是一種可重編程的多自由度自動(dòng)控制機(jī)械手，它是現(xiàn)代制造業(yè)的基本設(shè)備，涉及機(jī)械、控制4.2.2工業(yè)機(jī)器人的組成和分類(lèi)1工業(yè)

13、機(jī)器人的組成，下頁(yè)，返回，4.2工業(yè)機(jī)器人，如圖4-1所示，是典型的鉸接式工業(yè)機(jī)器人。從圖4-1可以看出，工業(yè)機(jī)器人通常由執(zhí)行器、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成。(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一組機(jī)械機(jī)構(gòu)，其功能類(lèi)似于人的手和腳，也稱(chēng)為機(jī)械手，通常包括以下部件：1)手：也稱(chēng)為抓取機(jī)構(gòu)或抓手，用于直接抓取工件或工具。如果將焊槍、電鉆、電動(dòng)螺絲擰緊器等專(zhuān)用工具安裝在手上，就構(gòu)成了一只專(zhuān)用手。工業(yè)機(jī)器人手有不同的結(jié)構(gòu)形式，如機(jī)械夾緊、真空吸附和磁吸附。上一頁(yè)，下一頁(yè)，返回，圖4-1工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和組成，返回，4.2工業(yè)機(jī)器人，2)手腕：它是連接手和手臂的部件，用于調(diào)整手的姿勢(shì)和方向。3)手臂：是支撐手腕和

14、手的部件，由動(dòng)力關(guān)節(jié)和連桿組成，用于承受工件或刀具的載荷，改變工件或刀具的空間位置，并將其送至預(yù)定位置。4)機(jī)身：也稱(chēng)為立柱，是支撐手臂的部件，以擴(kuò)大手臂的活動(dòng)和操作范圍。5)機(jī)座和行走機(jī)構(gòu)：它們是支撐整個(gè)機(jī)器人的基本部件，用于確定或改變機(jī)器人的位置?？刂葡到y(tǒng)是機(jī)器人的大腦，它根據(jù)給定的程序控制和命令機(jī)器人動(dòng)作，并存儲(chǔ)由人教授的指令信息，如動(dòng)作序列、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等。并且可以再現(xiàn)存儲(chǔ)的教學(xué)信息。(3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人執(zhí)行工作的動(dòng)力源，根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指定的工作。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括機(jī)械、液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。(4)位置檢測(cè)裝置通過(guò)附著的力、位移、觸摸、視覺(jué)等不同傳感

15、器檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置和工作狀態(tài)，并隨時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，使執(zhí)行器能夠以一定的精度和速度到達(dá)設(shè)定位置。上一個(gè)，下一個(gè)，上一個(gè)，4.2工業(yè)機(jī)器人，2工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人有很多分類(lèi)方法，這里只對(duì)機(jī)器人的系統(tǒng)功能、驅(qū)動(dòng)模式和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類(lèi)。(1)按系統(tǒng)功能分類(lèi)(1)專(zhuān)用機(jī)器人：一種在固定地點(diǎn)工作，有固定程序的機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作對(duì)象單一，沒(méi)有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，成本低，如加工中心機(jī)床上的自動(dòng)換刀機(jī)械手。2)通用機(jī)器人：具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)器人，可以通過(guò)改變控制程序來(lái)完成各種任務(wù)。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于生產(chǎn)品種不斷變化的柔性制造系統(tǒng)。上一頁(yè)，下一頁(yè)，上一頁(yè)，4.2工業(yè)機(jī)器人，3

16、)示教再現(xiàn)機(jī)器人：具有記憶功能，在操作員示教操作后，可根據(jù)示教順序、位置、條件等信息重復(fù)再現(xiàn)示教操作。4)智能機(jī)器人：由計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人，具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感官功能和識(shí)別功能?？梢酝ㄟ^(guò)比較和識(shí)別獨(dú)立地做出決策和計(jì)劃，自動(dòng)反饋信息，并完成預(yù)定的動(dòng)作。(2)按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)(1)氣動(dòng)傳動(dòng)機(jī)器人：一種使用壓縮空氣作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。它具有動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，適用于高速輕載、高溫和重塵環(huán)境。前、后、后、4.2工業(yè)機(jī)器人、2)液壓傳動(dòng)機(jī)器人：由液壓元件驅(qū)動(dòng)，具有承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈敏的特點(diǎn)，適用于重載、低速行駛場(chǎng)合。3)電驅(qū)動(dòng)機(jī)器人：由交流或DC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，控制精度高，是近年來(lái)常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。(3)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，分為1)直角坐標(biāo)機(jī)器人：由三個(gè)正交的平移坐標(biāo)軸組成，如圖4-2a