制造自动化技术概述(PDF 88页)
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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
4.1.1 制造自动化技术内涵
自动化：自动去完成特定的作业。 制造自动化（狭义）：生产车间内产品机械加工和装 配检验过程的自动化； 制造自动化（广义）：包含产品设计、企业管理、加 工过程和质量控制等产品制造全过程综合集成自动化。 制造自动化意义：显著提高劳动生产率、提高产品质 量、降低制造成本、提高经济效益，改善劳动条件、提 高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的发 展、提高企业的市场竞争能力。
• 制造敏Biblioteka Baidu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；
4.1.2 制造自动化技术的发展及现状
•刚性自动化 设备--自动/半自动机床、组合机床、组合机床自动线； 对象--单一品种大批量生产自动化； 特点--生产效率高、加工品种单一。
•柔性自动化 设备--NC、CNC、FMC、FMS等。 对象--多品种小批量甚至单件生产自动化；
•综合自动化 经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化，CIMS
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
•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；
CNC数控系统组成原理
数控系统的硬件结构
•单CPU结构 通过总线使CPU与存储器和 各种接口相连接，集中控制、分时处理工 作方式。
•多CPU结构 多个CPU通过公用地址和数 据总线互连，各自完成功能，系统速度高 、处理能力强。
•PC微机CNC系统 具有微机丰富的软硬件 资源、友好的人机界面、拥有多媒体和网 络功能，是当前数控系统的发展方向。
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。
• 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)
、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
•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；
交流伺服电机： •异步电动机 功率大、精度稍低、多用于主轴电机； •永磁同步电动机 精度要求高、价格贵，多用于容量 小的进给伺服电机。
交流伺服驱动器： •模拟式 工作速度快，系统频率宽，体积大、 器件多、不易调试； •数字式 控制方式改变仅需改变软件，柔性好， 结构紧凑，重复性好。
检测元件： 旋转变压器、脉冲编码器等。
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。
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。
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
4.1.1 制造自动化技术内涵
自动化：自动去完成特定的作业。 制造自动化（狭义）：生产车间内产品机械加工和装 配检验过程的自动化； 制造自动化（广义）：包含产品设计、企业管理、加 工过程和质量控制等产品制造全过程综合集成自动化。 制造自动化意义：显著提高劳动生产率、提高产品质 量、降低制造成本、提高经济效益，改善劳动条件、提 高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的发 展、提高企业的市场竞争能力。
• 制造敏Biblioteka Baidu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；
4.1.2 制造自动化技术的发展及现状
•刚性自动化 设备--自动/半自动机床、组合机床、组合机床自动线； 对象--单一品种大批量生产自动化； 特点--生产效率高、加工品种单一。
•柔性自动化 设备--NC、CNC、FMC、FMS等。 对象--多品种小批量甚至单件生产自动化；
•综合自动化 经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化，CIMS
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
•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；
CNC数控系统组成原理
数控系统的硬件结构
•单CPU结构 通过总线使CPU与存储器和 各种接口相连接，集中控制、分时处理工 作方式。
•多CPU结构 多个CPU通过公用地址和数 据总线互连，各自完成功能，系统速度高 、处理能力强。
•PC微机CNC系统 具有微机丰富的软硬件 资源、友好的人机界面、拥有多媒体和网 络功能，是当前数控系统的发展方向。
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。
• 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)
、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
•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；
交流伺服电机： •异步电动机 功率大、精度稍低、多用于主轴电机； •永磁同步电动机 精度要求高、价格贵，多用于容量 小的进给伺服电机。
交流伺服驱动器： •模拟式 工作速度快，系统频率宽，体积大、 器件多、不易调试； •数字式 控制方式改变仅需改变软件，柔性好， 结构紧凑，重复性好。
检测元件： 旋转变压器、脉冲编码器等。
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。
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。