2020年《先进制造技术》-第四章-制造自动化技术[88P][184MB]88
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先进制造技术_第四章制造自动化技术
（4）行进系统、感知系统和人工智能系统等。
2023/10/13
32
2. 工业机器人的分类
（1）按系统功能分
1)专用机器人：用固定的程序在固定的地点工作 的机器人。
结构简单，成本低。自动化的机械手。
2）通用机器人：具有独立的控制系统，通过改 变程序能完成多种作业的机器人。
结构复杂，工作范围大，通用性强，适用于不断 变换生产品种的柔性制造系统。
A-往复旋转；B-腕部弯曲；C-径向伸缩；D-垂直俯仰；E-手部偏摆
2023/10/13
44
（2）工作空间：是指机器人应用手爪进行工作 的空间范围。取决于机器人的结构形式和每个关节的 运动范围。
（3）提取重力：反映其负载能力的一个参数
微型机器人：10N以下； 小型机器人：10～50N； 中型机器人：50～300N； 大型机器人：300～500N； 重型机器人：500N以上。
自动地搬运代替人的体力劳动。
随着计算机技术和信息技术的发展，不仅代替人 的体力劳动，而且必须代替人的部分脑力劳动。
2023/10/13
3
狭义制造自动化：是生产车间内产品的机
械加工和装配检验过程的自动化。切削加工、工件 装卸、工件储运、零件和产品清洁和检验、装配、 机器故障诊断等自动化。
广义制造自动化：产品设计、企业管理、
2023/10/13
27
PUMA560机器人臂部结构 1-大锥齿轮；2-小锥齿轮；3-大臂；4-小臂电动机；5-驱动轴；
6、9-偏心套；7-小齿轮；8-大齿轮；10-小臂
2023/10/13
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4) 机身（立柱）：是支撑臂部的部件，扩大臂 部的活动范围。
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2. 工业机器人的组成
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2. 工业机器人的分类
（1）按系统功能分
1)专用机器人：用固定的程序在固定的地点工作 的机器人。
结构简单，成本低。自动化的机械手。
2）通用机器人：具有独立的控制系统，通过改 变程序能完成多种作业的机器人。
结构复杂，工作范围大，通用性强，适用于不断 变换生产品种的柔性制造系统。
A-往复旋转；B-腕部弯曲；C-径向伸缩；D-垂直俯仰；E-手部偏摆
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（2）工作空间：是指机器人应用手爪进行工作 的空间范围。取决于机器人的结构形式和每个关节的 运动范围。
（3）提取重力：反映其负载能力的一个参数
微型机器人：10N以下； 小型机器人：10～50N； 中型机器人：50～300N； 大型机器人：300～500N； 重型机器人：500N以上。
自动地搬运代替人的体力劳动。
随着计算机技术和信息技术的发展，不仅代替人 的体力劳动，而且必须代替人的部分脑力劳动。
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狭义制造自动化：是生产车间内产品的机
械加工和装配检验过程的自动化。切削加工、工件 装卸、工件储运、零件和产品清洁和检验、装配、 机器故障诊断等自动化。
广义制造自动化：产品设计、企业管理、
2023/10/13
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PUMA560机器人臂部结构 1-大锥齿轮；2-小锥齿轮；3-大臂；4-小臂电动机；5-驱动轴；
6、9-偏心套；7-小齿轮；8-大齿轮；10-小臂
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4) 机身（立柱）：是支撑臂部的部件，扩大臂 部的活动范围。
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2. 工业机器人的组成
先进制造技术
、集成化、智能化和网络化的现代制造技术 20世纪80年代以来，现代制造技术逐步成为加工制造 业的主要方法。随着现代加工技术的不断完善，其应用体 系与技术也正日益成熟，其中主要的发展方向有： 1）对传统制造技术的不断革新与拓展。 2）对非传统加工方法的应用。 3）朝精密化工程发展。 4）制造系统朝柔性化、集成化、智能化和网络化方向 发展。 其中，制造业各阶段的具体生产模式和经营策略，见 表1-2。
第二节 先进制造技术概述
一、概念 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology， AMT)是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与 管理科学等多学科先进技术的综合，并应用于制造工程之中所 形成的一个学科体系。 AMT是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息、 材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品 设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程， 能实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高市场的适 应能力和竞争能力，以期取得理想的技术经济效果。因此， AMT呈现出精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁 化、集成化、全球化等特点。 在以知识为基础、以创新为动力的新经济体系中，制造业 正面临着严峻的挑战与机遇。因此，研究和推广应用先进制造 技术无疑是十分重要的。
3）配以典型应用案例，加强实用性与参考性。 4）链接相关背景知识，拓宽知识面。 本课程教学共需38学时左右，学时分配可参考表0-1
第一章 绪论
学习目标：通过本章的学习，应对制造业的发展进程有一个初步的了解。
对先进制造技术的特点、发展历程、现状及其今后的发展趋势有所认识。
第一节 制造业的发展概况
一、概念 （1）制造(Manufacturing) 制造是一种将物料、能量、资金、 人力资源、信息等有关资源，按照社会的需求转变为新的、有更 高应用价值的有形物质产品和无形软件、服务等产品资源的行为 和过程。 国际生产工程研究学会(CIRP)的定义：“制造是一个涉及制造工 业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经 营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称”。 （2）制造系统(Manufacturing System) 制造过程及其所涉及 的硬件（包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置）以 及有关的软件（包括制造理论、制造工艺、制造方法和制造信息 等)，组成了一个具有特定功能的有机整体，称为制造系统。
第二节 先进制造技术概述
一、概念 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology， AMT)是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与 管理科学等多学科先进技术的综合，并应用于制造工程之中所 形成的一个学科体系。 AMT是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息、 材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品 设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程， 能实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高市场的适 应能力和竞争能力，以期取得理想的技术经济效果。因此， AMT呈现出精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁 化、集成化、全球化等特点。 在以知识为基础、以创新为动力的新经济体系中，制造业 正面临着严峻的挑战与机遇。因此，研究和推广应用先进制造 技术无疑是十分重要的。
3）配以典型应用案例，加强实用性与参考性。 4）链接相关背景知识，拓宽知识面。 本课程教学共需38学时左右，学时分配可参考表0-1
第一章 绪论
学习目标：通过本章的学习，应对制造业的发展进程有一个初步的了解。
对先进制造技术的特点、发展历程、现状及其今后的发展趋势有所认识。
第一节 制造业的发展概况
一、概念 （1）制造(Manufacturing) 制造是一种将物料、能量、资金、 人力资源、信息等有关资源，按照社会的需求转变为新的、有更 高应用价值的有形物质产品和无形软件、服务等产品资源的行为 和过程。 国际生产工程研究学会(CIRP)的定义：“制造是一个涉及制造工 业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经 营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称”。 （2）制造系统(Manufacturing System) 制造过程及其所涉及 的硬件（包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置）以 及有关的软件（包括制造理论、制造工艺、制造方法和制造信息 等)，组成了一个具有特定功能的有机整体，称为制造系统。
先进制造技术04章节
第四章 物流域活动的先进技术
生产计划（Production Planning） 在当前生产计划与物流的关系越 来越密切。事实上，生产计划往往依赖于物流的能力及效率。
订单处理（Order Processing） 订单处理的效率直接影响到备货周 期，进而影响到企业的客户服务质量与承诺。 包装（Packaging） 包装分为运输包装（亦即工业包装）和零售包 装 （亦即商业包装）两大类。 客户服务（Customer Service） 客户服务水平与物流领域的各项活 动有关，存货、运输、仓储的决策等在很程度上取决于客户服务要求。 存货预测（Stock Forecasting） 准确的存货预测是有效存货控制的 基础，尤其是使用零库存（JIT-Just In Time）和物料需求计划（MRPMaterial Requiring Plan）方法控制存货的企业。
第四章 物流域活动的先进技术
2. 企业物流系统
企业物流是指在企业生产经营过程中，物品从原材料供应，经过生产加工， 到产成品销售，及伴随生产消费过程所产生的废旧物资的回收和再利用的完整循 环活动，如图所示。
供应物流 生产物流 销售物流 产成品的库存管 理，订货处理， 仓储发货运输， 顾客服务。 物料流 信息流
先进制造技术
先进制造技术
第四章 物流域活动的先进技术
第四章 目录
★第一节 企业物流系统概论 ★第二节 工业机器人 ★第三节 自动导向小车
★第四节 自动化立体仓库
★第五节 物料自动识别及数据获取 ★第六节 柔性制造系统（FMS）的运储系统
第一节 企业物流系统概论
实际上，物流在人类发展的早期就已出现。社会分工的发展导致了生产与消 费在时间和场所上的不一致，物流活动的出现，将生产与消费连接了起来。现代 物流的概念是1962年4月美国管理学大师Peter Drucker在Fortune杂志上发表的 “经济领域的黑暗大陆”一文中，首次提出的。企业物流理念从提出到发展为相 对成熟与完善，经历了近40年的时间。
先进制造技术基础 第4章 制造自动化技术
2）向模块化、集成化方向发展
先
3）单项技术性能与系统性能不断提高
进
4）重视人的因素
制
5）应用范围逐步扩大
造 技
术
基
础
第4章 制造自动化技术
柔性制造技术是在自动化技术、信息技术及制造技
术的基础上,将以往企业中相互独立的工程设计、生产制
造及经营管理等过程,在计算机及其软件的支撑下,构成
一个覆盖整个企业的完整而有机的系统,以实现全局动态
◎处理异常情况
先 进
◎人机交互
制
◎接受上级控制与管理系统下发的计划和任务，并控制执
造 技
行机构去完成
术
基
础
第4章 制造自动化技术
3.控制与管理系统
它由计算机、工业控制机、可编程序控制器、通信
网络、数据库和相应的控制与管理软件等组成，它是 FMS的神经中枢和命脉，也是各子系统之间的联系纽 带。
先
进
制
基
础
第4章 制造自动化技术
2. PDM技术 （Product Data Management 产品数据管理）
是以软件为基础的技术，它将所有与产品相关 的信息和所有与产品开发相关的过程集成在一起。
组成要素：
先
进
1）一个电子仓库或数据仓库
制
2）一组用户功能
造 技
3）一组应用功能
术
基
础
3. 数据仓库和数据挖掘技术
果不多；
先 进 制
5．柔性制造技术的研究向着深度和广义发展；
造
6．适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起； 技
7．底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃。 术
基
先进制造技术与管理第四章120
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先进制造技术与管理第四章120
8
数控机床的类型
经济型数控车床
全功能数控车床
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先进制造技术与管理第四章120
9
双主轴数控车削中心
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车削中心
先进制造技术与管理第四章120
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立式数控铣床
卧式数控铣床
龙门数控铣床
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先进制造技术与管理第四章120
使用一台通用计算机直接控制和管理一群数 控机床进行零件加工或装配的系统。
5.开放式数控系统
世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰 富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数 控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用 性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实 现智能化、网络化。
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经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自 动化，CIMS、CE、LP、AM等。
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先进制造技术与管理第四章120
当前制造自动化技术研究领域和方向
• 集成技术和系统技术研究(信息、过程、企业） • 自动化系统中人因作用的研究（人-机一体化） • 数控单元系统的研究 • 制造过程的计划和调度研究（精益生产） • 柔性制造技术的研究(DNC-分布式数控，信息流、 物流） • 现代生产模式制造环境的研究（CE\LP\AM\BM) • 底层加工系统的智能化和集成化研究
构等统称数控控制系统。它由程序输入、输出设备
、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴进给
及驱动装置等组成。
3. 数控机床（NC Machine Tools）
数控机床是一种装有程序控制系统（数控
系统）的高效自动化机床。它综合了计算机、自动
先进制造技术试题库(附答案)
先进制造技术复习题一、填空题1．先进制造技术包含主体技术群、支撑技术群和制造技术环境三个技术群。
2．先进制造根底技术的特点除了保证优质、高效、低耗外，还应包括无污染。
3．微细加工中的三束加工是指电子束，离子束，激光束。
4. 绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、本钱的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。
5.超高速机床主轴的结构常采用交流伺服电动机内置式集成结构，这种主轴通常被称为空气轴承主轴。
光固化成形，叠层实体制造，选择性激光烧结，熔融沉积制造。
是以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以作出前瞻性的决策与优化实施方案。
外延生长，氧化，光刻，选择扩散，真空镀膜。
以数学规划为理论根底，以计算机为根底。
热塑性材料。
11.优化设计的三要素是：目标函数，设计变量，约束条件。
12.绿色设计的主要内容包括：绿色产品设计的材料选择与管理，产品的可拆卸性设计，可维修设计，产品的可回收性设计，绿色产品的本钱分析，和绿色产品设计数据库。
绿色产品设计的材料选择与管理；产品的可拆卸性设计；产品的可回收性设计。
13.LIGA技术的工艺过程分为：(1)深层同步辐射X射线光刻；(2) 电铸成型；(3)模铸成型。
14.微细加工工艺方法主要有：三束加工技术，光刻加工，体刻蚀加工技术，面刻蚀加工技术，LIGA技术，牺牲层技术和外延生长技术。
机械系统，控制系统，驱动系统和智能系统等几个局部组成。
16.柔性制造系统的组成包括：加工系统，物流系统，信息控制系统和一套计算机控制系统。
物料需求方案和制造资源方案，而ERP是指企业资源方案，其核心思想是完全按用户需求制造。
18.高速切削通常使用的刀具材料有：1)硬质合金涂层刀具2〕超细晶粒硬质合金3)立方氮化硼4)氮化硅聚晶金刚石19.工业机器人的按系统功能分：1)专用机器人2)通用机器人3)示教再现机器人4)智能机器人20.工业机器人的性能特征：通用性，柔性，灵活性，智能化21.PDM四层体系结构分别为：第一层用户界面层、第二层核心功能、第三层框架核心层、第四层系统支持层。
《先进制造技术》制造自动化技术共90页文档
我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
《先进制造技术》制造自动化技术
61、辍学如磨刀之石，不见其损，日 有所亏 。 62、奇文共欣赞，疑义相与析。
63、暧暧远人村，依依墟里烟，狗吠 深巷中 ，鸡鸣 桑树颠 。 64、一生复能几，倏如流电惊。 65、少无适俗韵，性本爱丘山。
谢谢你的阅读
《先进制造技术》制造自动化技术
61、辍学如磨刀之石，不见其损，日 有所亏 。 62、奇文共欣赞，疑义相与析。
63、暧暧远人村，依依墟里烟，狗吠 深巷中 ，鸡鸣 桑树颠 。 64、一生复能几，倏如流电惊。 65、少无适俗韵，性本爱丘山。
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先进制造技术_第4章_制造自动化技术
◆机床本体
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
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4.2.3 数控机床的类型
经济型数控车床
全功能数控车床
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4.2.3 数控机床的类型
双主轴数控车削中心
车削中心
18
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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
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。
图4-3 麻省理工学院（MIT） 伺服机构实验室
◆ 第四阶段(1973-) ：计算机集成制造系统(CIMS) 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。
◆第五阶段(1991-) ：新的制造自动化模式 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。
5
12
13/182
4.2.1 数控机床的基本概念
数字控制（NC）
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。
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， Computer Numerical Control）以区别于传统的NC。
◆ 第三阶段(1965-) ：柔性制造 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。
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
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4.2.3 数控机床的类型
经济型数控车床
全功能数控车床
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4.2.3 数控机床的类型
双主轴数控车削中心
车削中心
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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
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。
图4-3 麻省理工学院（MIT） 伺服机构实验室
◆ 第四阶段(1973-) ：计算机集成制造系统(CIMS) 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。
◆第五阶段(1991-) ：新的制造自动化模式 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。
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4.2.1 数控机床的基本概念
数字控制（NC）
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。
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， Computer Numerical Control）以区别于传统的NC。
◆ 第三阶段(1965-) ：柔性制造 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。
《先进制造技术》第四章制造自动化技术
工业机器人控制系统的组《成先进框制造图技术》第四章制造自动化 技术
工业机器人控制系统的分类 •按控制回路：开环系统和闭环系统 •按控制硬件：机械控制、液压控制、顺序控制和计算机控制 •按自动化程度：顺序控制、程序控制、自适应控制、智能控 制 •按编程方式：
物理设置编程-由设置固定限位开关，实现启动/停机操作 示教编程-示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程 离线编程-通过机器人语言进行编程控制 •按控制轨迹： 点位控制-不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标
机床数控系统的组成及功能 CNC系统组成：数控装置、PLC、伺服驱动装置、I/O接口、
控制面板、人机界面 数控装置功能：
控制功能-单轴、多轴联动控制； 准备功能-包括移动、暂停、坐标设定、固定循环等功能； 插补功能-直线插补、圆弧插补、抛物线等； 辅助功能-主轴启停、冷却润滑通断、刀库的启停等； 补偿功能-刀具半径/刀具、反向间隙、螺距、温度等补偿功能。 PLC功能：控制面板、主轴停启与换向、刀具更换、冷却润滑 启停、工件夹紧与松开、工作台分度等开关量的控制。
姿势和路线进行工作，示教信息存储在记忆装置中。 工作再现:从记忆装置调用存储信息，再现示教阶段动作。 点位控制示教：逐一使每个轴达到需要编程点位置。 轮廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通过所给路线。 特点：通过示教直接产生控制程序，无须手工编程，简单
示教指令，再现示教信息。 • 驱动系统 驱动执行机构完成规定作业。 • 位置检测装置 检测运动位置和工作状态。
《先进制造技术》第四章制造自动化 技术
工业机器人的分类--按系统功能分类 •专用机器人 以固定程序工作机器人，结构简单、无独 立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。 •通用机器人 可完成多种作业，结构复杂，工作范围大 ，定位精度高，通用性强。 •示教再现式机器人 在示教操作后，能按示教的顺序、 位置、条件重现示教作业。 •智能机器人 具有视觉、听觉、触觉功能，通过比较和 识别,作出决策和规划，完成预定的动作。
工业机器人控制系统的分类 •按控制回路：开环系统和闭环系统 •按控制硬件：机械控制、液压控制、顺序控制和计算机控制 •按自动化程度：顺序控制、程序控制、自适应控制、智能控 制 •按编程方式：
物理设置编程-由设置固定限位开关，实现启动/停机操作 示教编程-示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程 离线编程-通过机器人语言进行编程控制 •按控制轨迹： 点位控制-不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标
机床数控系统的组成及功能 CNC系统组成：数控装置、PLC、伺服驱动装置、I/O接口、
控制面板、人机界面 数控装置功能：
控制功能-单轴、多轴联动控制； 准备功能-包括移动、暂停、坐标设定、固定循环等功能； 插补功能-直线插补、圆弧插补、抛物线等； 辅助功能-主轴启停、冷却润滑通断、刀库的启停等； 补偿功能-刀具半径/刀具、反向间隙、螺距、温度等补偿功能。 PLC功能：控制面板、主轴停启与换向、刀具更换、冷却润滑 启停、工件夹紧与松开、工作台分度等开关量的控制。
姿势和路线进行工作，示教信息存储在记忆装置中。 工作再现:从记忆装置调用存储信息，再现示教阶段动作。 点位控制示教：逐一使每个轴达到需要编程点位置。 轮廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通过所给路线。 特点：通过示教直接产生控制程序，无须手工编程，简单
示教指令，再现示教信息。 • 驱动系统 驱动执行机构完成规定作业。 • 位置检测装置 检测运动位置和工作状态。
《先进制造技术》第四章制造自动化 技术
工业机器人的分类--按系统功能分类 •专用机器人 以固定程序工作机器人，结构简单、无独 立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。 •通用机器人 可完成多种作业，结构复杂，工作范围大 ，定位精度高，通用性强。 •示教再现式机器人 在示教操作后，能按示教的顺序、 位置、条件重现示教作业。 •智能机器人 具有视觉、听觉、触觉功能，通过比较和 识别,作出决策和规划，完成预定的动作。
先进制造技术 第2版 第四章 先进制造自动化
SIEMENS
MITSUBISHI
FANUC
4.3 数控机床及加工中心
常见的数控系统
广州数控
4.3 数控机床及加工中心
常见的数控系统
华中数控
4.3 数控机床及加工中心
常见的数控系统
华中数控
4.3 数控机床及加工中心
（4）数控机床
采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的机床。
4.3 数控机床及加工中心
2.发展趋势 1）高速化 2）高精度化 3）多功能化 4）智能化 5）高可靠性 6）综合自动化、集成化
4.3 数控机床及加工中心
二、数控加工中心
1. 数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。 2. 工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制 机床按不同加工工序，自动选择及更换刀具，自动改变机 床主轴转速、进给速度和刀具相对工件的运动轨迹及其它 副辅助功能，一次完成工件多个面上多工序的加工。 3.按控制轴数分类：三轴加工中心、四轴、五轴….
4.4 工业机器人
三、工业机器人的组成
4.4 工业机器人
三、工业机器人的技术参数 1）自由度
也称坐标轴数，是指独立运动数，自由度数越 高，完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也 越广；手指的开、合，以及手指关节的自由度一般 不包括在机器人的自由度内。
1. 数控程序的编制方法有两种：手工编程与自动编程。 2. 自动编程：
自动编程是指在计算机及相应的软件系统的支持下，自动生成 数控加工程序的过程。其特点是采用简单、习惯的语言对加工对象 的几何形状、加工工艺、切削参数及辅助信息等内容按规则进行描 述，再由计算机自动地进行数值计算、刀具中心运动轨迹计算、后 置处理，生成零件加工程序单，并且对加工过程进行模拟。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
•模块化 通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增 减，构成不同档次的数控系统；
•网络化 可进行远程控制，在任何一台机床上对其它 机床进行编程、设定、操作、控制；
•开放式闭环控制模式 易于将计算机智能技术、网络 技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、动态数据管 理、动态仿真等技术融于一体，构成制造过程闭环控制 体系。
4.2.3 数控加工编程技术
数控加工手工编程一般步骤
NC NC
零件图
工 艺 分 析
数 值 计 算
程 序 编 制
输 入 程 序
首 件 试 切
修改
手工编制不足：效率低、复杂零件手工 编程困难，周期长，错误率高。
计算机辅助数控编程
4.2.4 机床数控技术发展趋势
数控系统性能方面
•高速高精高效化 进给速度80-120m/min，加速度1-2g， 主轴dn=(1-3)*106，换刀小于1s；加工精度0.1µm，甚至 0.01µm。
80年代-普及期 80年代末机器人总数已达45万台。
90年代-扩展渗透期 具有感觉机器人实用化，智能机器人相 继出现并开始走向应用；1997年底，机器人总量达95万台。
工业机器人发展展望
•执行机构 具有柔性感、灵巧性手爪和手臂；
•驱动机构 采用形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴 等新型驱动器；
• 制造敏捷化 使企业面临市场竞争作出快速响应；
• 制造网络化 实现制造过程的集成，实现异地制造、 远程协调作业；
• 制造虚拟化 保证产品和制造过程一次成功，发现设 计与生产中可避免的缺陷和错误；
• 制造智能化 扩大、延伸、部分取代人类专家在制造 过程中的脑力劳动，以实现优化的制造过程。
• 制造全球化 市场国际化，产品制造跨国化，制造资 源跨国家的协调、共享和优化利用；
•插补和补偿方式多样化
插补：直线、圆弧、椭圆、螺纹、NURBS、多项式插补；
补偿：反向间隙、垂直度、螺距、温度补偿等；
•内置高性能PLC 可用梯形图或高级语言编程，具有在线调 试和在线帮助功能；
•多媒体技术应用 在实时监控和故障诊断、生产过程监测 方面有重大应用价值。
ห้องสมุดไป่ตู้
体系结构的发展
•集成化 高度集成化芯片，提高数控系统集成度；
•示教再现式机器人 在示教操作后，能按示教的顺序、 位置、条件重现示教作业。
•智能机器人 具有视觉、听觉、触觉功能，通过比较和 识别,作出决策和规划，完成预定的动作。
工业机器人的分类--按驱动方式分类
•气压传动机器人 以压缩空气作为动力源，高速轻载 ；
•液压传动机器人 采用液压驱动，负载能力强、 传动平稳、结构紧凑、动作灵敏；
• 制造绿色化 使产品从设计、制造、使用到报废处理 全生命周期中，对环境影响最小，资源利用率最高。
第二节 机床数控技术
4.2.1 机床数控系统 4.2.2 机床伺服系统 4.2.3 数控加工编程技术 4.2.4 机床数控技术发展趋势
4.2.1 机床数控系统
数控技术的发展 硬件数控阶段NC(1952-1970)
基于PC微机和PMAC的CNC系统结构
数控系统的软件组成
开放式数控系统 开放性：满足CNC系统快速发展和用户自主开发需要 PC微机型开放式CNC系统形式：
•专用数控嵌入PC主板 是专用数控系统商提供的形式， 仅限于PC部分开放，其专用数控部分仍处于封闭状态。 •PC机+运动控制卡 提供底层数控接口，支持二次开发和 扩展，有上下两级开放性，如PMAC运动控制器。 •纯PC软件型 尚未形成商品，代表数控系统发展方向。
、CE、LP、AM等。
当前制造自动化技术研究领域和方向 • 集成技术和系统技术研究 • 自动化系统中人因作用的研究 • 数控单元系统的研究 • 制造过程的计划和调度研究 • 柔性制造技术的研究 • 现代生产模式制造环境的研究 • 底层加工系统的智能化和集成化研究
4.1.3 制造自动化技术发展趋势
方便，适用于大批量生产。 不足：轨迹精确度不高，需要存储容量大。
示教再现式控制系统工作原理
机器人示教臂
离线编程 HOLPSS离线编程与仿真系统总体结构框图
机器人编程语言 •动作级语言 每一个命令对应一个动作，语句格式为：
MOVE TO <destination>
语句简单，易于编程；不能进行复杂计算，通信能力差， 代表性语言：VAL 。 •对象级语言 有与动作语言类似功能，能处理传感器信息 ；通信和数字运算功能强，代表性语言有AML、AUTOPASS。 •任务级语言 操作者直接下命令，不需要规定机器人每个 动作细节，自动推理规划，自动生成机器人的动作。
物理设置编程-由设置固定限位开关，实现启动/停机操作 示教编程-示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程 离线编程-通过机器人语言进行编程控制 •按控制轨迹： 点位控制-不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标
精确控制 轮廓控制-没有插补器，按离散点坐标及速度完成轮廓控制
工业机器人的位置伺服控制 位置伺服控制类型：
4.2.2 机床伺服系统
组成：位置控制单元、速度控制单元、伺服电机、 检测反馈单元4部分组成。
分类： • 按检测系统分 开环系统、闭环系统、 半闭环系统、混合闭环系统。 •按有控制电机分 步进伺服、直流伺服、交流伺服。
半闭环伺服系统
松下交流伺服系统的总体接线图
1-交流伺服电机 2-伺服驱动器 3-控制系统 4-控制连接电缆 5-检测连接电缆 6-动力电缆 7-PLC电缆 8-PLC
机器人位置 • 控制系统 控制机器人按给定的程序动作，记忆
示教指令，再现示教信息。 • 驱动系统 驱动执行机构完成规定作业。 • 位置检测装置 检测运动位置和工作状态。
工业机器人的分类--按系统功能分类
•专用机器人 以固定程序工作机器人，结构简单、无独 立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。
•通用机器人 可完成多种作业，结构复杂，工作范围大 ，定位精度高，通用性强。
第一代：电子管； 第二代：晶体管； 第三代：小规模集成电路； 计算机数控阶段CNC（1970-现在) 第四代：小型计算机； 第五代：微处理器； 第六代：PC微机(PCNC)
机床数控系统的组成及功能 CNC系统组成：数控装置、PLC、伺服驱动装置、I/O接口、
控制面板、人机界面 数控装置功能：
控制功能-单轴、多轴联动控制； 准备功能-包括移动、暂停、坐标设定、固定循环等功能； 插补功能-直线插补、圆弧插补、抛物线等； 辅助功能-主轴启停、冷却润滑通断、刀库的启停等； 补偿功能-刀具半径/刀具、反向间隙、螺距、温度等补偿功能。 PLC功能：控制面板、主轴停启与换向、刀具更换、冷却润滑 启停、工件夹紧与松开、工作台分度等开关量的控制。
关节伺服控制-以每个关节作为单输入/单输出系统； 坐标伺服控制-以手臂末端位置矢量作为控制目标值。
刚性臂控制系统的构成
关节伺服控制
qdi:各关节位 移指令目标值 qi,qi’:各关节 位置和速度反 馈信号
关节伺服控制的构成
工业机器人的自适应控制
模型参考自适应控制
自校正适应控制系统
4.3.3 工业机器人的编程技术
4.3.4 工业机器人发展回顾与展望
工业机器人发展回顾
50年代-萌芽期 58年第一台工业机器人在美国问世。
60年代-黎明期 推出圆柱坐标、球坐标机器人，日本引进美 国机器人技术。
70年代-实用化期 计算机控制机器人、关节型机器人问世， 推出VAL编程语言、视觉力觉传感器；72年中国第一台机器 人诞生；70年代末全世界拥有万台以上机器人；日本成为机 器人王国。
第三节 工业机器人
4.3.1 工业机器人的组成与分类 4.3.2 工业机器人的控制技术 4.3.3 工业机器人的编程技术 4.3.4 工业机器人半个世纪发展
的回顾与展望
4.3.1 工业机器人的组成与分类
工业机器人的结构组成
工业机器人的组成 • 执行机构
手部：用于抓取对象，有夹持式、吸附式等不同结构 腕部：联接手部和手臂部件，用以调整手部姿态和方位 臂部：承载负荷，改变空间位置 机身：支撑臂部部件，扩大臂部活动和作业范围 机座及行走机构：机器人基础件，确定或改变
工业机器人的性能指标
•自由度 独立运动数，自由度数越高，完成的动作越复
杂，通用性越强，应用范围也越广。
•工作空间 机器人进行工作的空间范围。
•提取重力
微型机器人，提取重力 10N以下； 小型机器人，提取重力 10-50N； 中型机器人，提取重力 50-300N； 大型机器人，提取重力 300-500N； 重型机器人，提取重力 500N以上。
示教编程 示教阶段:拨动示教盒按钮或手握机器人手臂，使之按需要
姿势和路线进行工作，示教信息存储在记忆装置中。 工作再现:从记忆装置调用存储信息，再现示教阶段动作。 点位控制示教：逐一使每个轴达到需要编程点位置。 轮廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通过所给路线。 特点：通过示教直接产生控制程序，无须手工编程，简单
•柔性化 功能覆盖面大，便于不同用户的需求；物料 流和信息流自动动态调整。
•工艺复合化和多轴化 如FANUC15可控轴数和联动轴数 均达到24轴。
•实时智能化 配置编程专家系统、故障诊断专家系统 ，实现自适应控制和模糊控制。
数控系统功能方面
•用户界面图形化 方便了用户，便于编程和图形模拟；
•科学计算可视化 可视化技术可用于自动编程、参数自动 设定、刀具补偿和管理、加工过程仿真演示；
第四章 制造自动化技术
4.1 制造自动化技术概述 4.2 机床数控技术 4.3 工业机器人 4.4 柔性制造技术
第一节 制造自动化技术概述
4.1.1 制造自动化技术内涵 4.1.2 制造自动化技术的发展及现状 4.1.3 制造自动化技术发展趋势
•网络化 可进行远程控制，在任何一台机床上对其它 机床进行编程、设定、操作、控制；
•开放式闭环控制模式 易于将计算机智能技术、网络 技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、动态数据管 理、动态仿真等技术融于一体，构成制造过程闭环控制 体系。
4.2.3 数控加工编程技术
数控加工手工编程一般步骤
NC NC
零件图
工 艺 分 析
数 值 计 算
程 序 编 制
输 入 程 序
首 件 试 切
修改
手工编制不足：效率低、复杂零件手工 编程困难，周期长，错误率高。
计算机辅助数控编程
4.2.4 机床数控技术发展趋势
数控系统性能方面
•高速高精高效化 进给速度80-120m/min，加速度1-2g， 主轴dn=(1-3)*106，换刀小于1s；加工精度0.1µm，甚至 0.01µm。
80年代-普及期 80年代末机器人总数已达45万台。
90年代-扩展渗透期 具有感觉机器人实用化，智能机器人相 继出现并开始走向应用；1997年底，机器人总量达95万台。
工业机器人发展展望
•执行机构 具有柔性感、灵巧性手爪和手臂；
•驱动机构 采用形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴 等新型驱动器；
• 制造敏捷化 使企业面临市场竞争作出快速响应；
• 制造网络化 实现制造过程的集成，实现异地制造、 远程协调作业；
• 制造虚拟化 保证产品和制造过程一次成功，发现设 计与生产中可避免的缺陷和错误；
• 制造智能化 扩大、延伸、部分取代人类专家在制造 过程中的脑力劳动，以实现优化的制造过程。
• 制造全球化 市场国际化，产品制造跨国化，制造资 源跨国家的协调、共享和优化利用；
•插补和补偿方式多样化
插补：直线、圆弧、椭圆、螺纹、NURBS、多项式插补；
补偿：反向间隙、垂直度、螺距、温度补偿等；
•内置高性能PLC 可用梯形图或高级语言编程，具有在线调 试和在线帮助功能；
•多媒体技术应用 在实时监控和故障诊断、生产过程监测 方面有重大应用价值。
ห้องสมุดไป่ตู้
体系结构的发展
•集成化 高度集成化芯片，提高数控系统集成度；
•示教再现式机器人 在示教操作后，能按示教的顺序、 位置、条件重现示教作业。
•智能机器人 具有视觉、听觉、触觉功能，通过比较和 识别,作出决策和规划，完成预定的动作。
工业机器人的分类--按驱动方式分类
•气压传动机器人 以压缩空气作为动力源，高速轻载 ；
•液压传动机器人 采用液压驱动，负载能力强、 传动平稳、结构紧凑、动作灵敏；
• 制造绿色化 使产品从设计、制造、使用到报废处理 全生命周期中，对环境影响最小，资源利用率最高。
第二节 机床数控技术
4.2.1 机床数控系统 4.2.2 机床伺服系统 4.2.3 数控加工编程技术 4.2.4 机床数控技术发展趋势
4.2.1 机床数控系统
数控技术的发展 硬件数控阶段NC(1952-1970)
基于PC微机和PMAC的CNC系统结构
数控系统的软件组成
开放式数控系统 开放性：满足CNC系统快速发展和用户自主开发需要 PC微机型开放式CNC系统形式：
•专用数控嵌入PC主板 是专用数控系统商提供的形式， 仅限于PC部分开放，其专用数控部分仍处于封闭状态。 •PC机+运动控制卡 提供底层数控接口，支持二次开发和 扩展，有上下两级开放性，如PMAC运动控制器。 •纯PC软件型 尚未形成商品，代表数控系统发展方向。
、CE、LP、AM等。
当前制造自动化技术研究领域和方向 • 集成技术和系统技术研究 • 自动化系统中人因作用的研究 • 数控单元系统的研究 • 制造过程的计划和调度研究 • 柔性制造技术的研究 • 现代生产模式制造环境的研究 • 底层加工系统的智能化和集成化研究
4.1.3 制造自动化技术发展趋势
方便，适用于大批量生产。 不足：轨迹精确度不高，需要存储容量大。
示教再现式控制系统工作原理
机器人示教臂
离线编程 HOLPSS离线编程与仿真系统总体结构框图
机器人编程语言 •动作级语言 每一个命令对应一个动作，语句格式为：
MOVE TO <destination>
语句简单，易于编程；不能进行复杂计算，通信能力差， 代表性语言：VAL 。 •对象级语言 有与动作语言类似功能，能处理传感器信息 ；通信和数字运算功能强，代表性语言有AML、AUTOPASS。 •任务级语言 操作者直接下命令，不需要规定机器人每个 动作细节，自动推理规划，自动生成机器人的动作。
物理设置编程-由设置固定限位开关，实现启动/停机操作 示教编程-示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程 离线编程-通过机器人语言进行编程控制 •按控制轨迹： 点位控制-不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标
精确控制 轮廓控制-没有插补器，按离散点坐标及速度完成轮廓控制
工业机器人的位置伺服控制 位置伺服控制类型：
4.2.2 机床伺服系统
组成：位置控制单元、速度控制单元、伺服电机、 检测反馈单元4部分组成。
分类： • 按检测系统分 开环系统、闭环系统、 半闭环系统、混合闭环系统。 •按有控制电机分 步进伺服、直流伺服、交流伺服。
半闭环伺服系统
松下交流伺服系统的总体接线图
1-交流伺服电机 2-伺服驱动器 3-控制系统 4-控制连接电缆 5-检测连接电缆 6-动力电缆 7-PLC电缆 8-PLC
机器人位置 • 控制系统 控制机器人按给定的程序动作，记忆
示教指令，再现示教信息。 • 驱动系统 驱动执行机构完成规定作业。 • 位置检测装置 检测运动位置和工作状态。
工业机器人的分类--按系统功能分类
•专用机器人 以固定程序工作机器人，结构简单、无独 立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。
•通用机器人 可完成多种作业，结构复杂，工作范围大 ，定位精度高，通用性强。
第一代：电子管； 第二代：晶体管； 第三代：小规模集成电路； 计算机数控阶段CNC（1970-现在) 第四代：小型计算机； 第五代：微处理器； 第六代：PC微机(PCNC)
机床数控系统的组成及功能 CNC系统组成：数控装置、PLC、伺服驱动装置、I/O接口、
控制面板、人机界面 数控装置功能：
控制功能-单轴、多轴联动控制； 准备功能-包括移动、暂停、坐标设定、固定循环等功能； 插补功能-直线插补、圆弧插补、抛物线等； 辅助功能-主轴启停、冷却润滑通断、刀库的启停等； 补偿功能-刀具半径/刀具、反向间隙、螺距、温度等补偿功能。 PLC功能：控制面板、主轴停启与换向、刀具更换、冷却润滑 启停、工件夹紧与松开、工作台分度等开关量的控制。
关节伺服控制-以每个关节作为单输入/单输出系统； 坐标伺服控制-以手臂末端位置矢量作为控制目标值。
刚性臂控制系统的构成
关节伺服控制
qdi:各关节位 移指令目标值 qi,qi’:各关节 位置和速度反 馈信号
关节伺服控制的构成
工业机器人的自适应控制
模型参考自适应控制
自校正适应控制系统
4.3.3 工业机器人的编程技术
4.3.4 工业机器人发展回顾与展望
工业机器人发展回顾
50年代-萌芽期 58年第一台工业机器人在美国问世。
60年代-黎明期 推出圆柱坐标、球坐标机器人，日本引进美 国机器人技术。
70年代-实用化期 计算机控制机器人、关节型机器人问世， 推出VAL编程语言、视觉力觉传感器；72年中国第一台机器 人诞生；70年代末全世界拥有万台以上机器人；日本成为机 器人王国。
第三节 工业机器人
4.3.1 工业机器人的组成与分类 4.3.2 工业机器人的控制技术 4.3.3 工业机器人的编程技术 4.3.4 工业机器人半个世纪发展
的回顾与展望
4.3.1 工业机器人的组成与分类
工业机器人的结构组成
工业机器人的组成 • 执行机构
手部：用于抓取对象，有夹持式、吸附式等不同结构 腕部：联接手部和手臂部件，用以调整手部姿态和方位 臂部：承载负荷，改变空间位置 机身：支撑臂部部件，扩大臂部活动和作业范围 机座及行走机构：机器人基础件，确定或改变
工业机器人的性能指标
•自由度 独立运动数，自由度数越高，完成的动作越复
杂，通用性越强，应用范围也越广。
•工作空间 机器人进行工作的空间范围。
•提取重力
微型机器人，提取重力 10N以下； 小型机器人，提取重力 10-50N； 中型机器人，提取重力 50-300N； 大型机器人，提取重力 300-500N； 重型机器人，提取重力 500N以上。
示教编程 示教阶段:拨动示教盒按钮或手握机器人手臂，使之按需要
姿势和路线进行工作，示教信息存储在记忆装置中。 工作再现:从记忆装置调用存储信息，再现示教阶段动作。 点位控制示教：逐一使每个轴达到需要编程点位置。 轮廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通过所给路线。 特点：通过示教直接产生控制程序，无须手工编程，简单
•柔性化 功能覆盖面大，便于不同用户的需求；物料 流和信息流自动动态调整。
•工艺复合化和多轴化 如FANUC15可控轴数和联动轴数 均达到24轴。
•实时智能化 配置编程专家系统、故障诊断专家系统 ，实现自适应控制和模糊控制。
数控系统功能方面
•用户界面图形化 方便了用户，便于编程和图形模拟；
•科学计算可视化 可视化技术可用于自动编程、参数自动 设定、刀具补偿和管理、加工过程仿真演示；
第四章 制造自动化技术
4.1 制造自动化技术概述 4.2 机床数控技术 4.3 工业机器人 4.4 柔性制造技术
第一节 制造自动化技术概述
4.1.1 制造自动化技术内涵 4.1.2 制造自动化技术的发展及现状 4.1.3 制造自动化技术发展趋势