6.1.2 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 、CE、LP、AM等。
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； •移动技术 步行、爬行，由4足、6足、8足或更多足组成； •微型机器人 毫米级、纳米级机器人，微小位置姿态控制；微 型电池；微小生物运动机构等；
•多传感器集成与融合技术 视觉、触觉、嗅觉、味觉及其综合 ；
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
6.1.3 制造自动化技术发展趋势
• 制造敏捷化 使企业面临市场竞争作出快速响应；
FMS物料输送基本回路 •直线输送回路 沿直线路线单向或双向移动，顺序地在 各个连接点停靠； •环形输送回路 运载工具沿环形路线单向或双向移动； •网状输送回路 由多个回路相互交叉组成，可由一条环 路移动到另一回路。
自动运输小车导向
• 有轨小车 铁轨导向，速度快，负载能力大，停靠准 确，可靠好，制造成本低，线路不便更动，转角不宜 太大。 • 线导小车 电磁感应导向，柔性大、扩展性好、不怕 污染、工作可靠。
6.2.5 FMS的控制与管理系统
6.2.1 柔性制造系统基本概念
FMS定义和组成
定义：由两台以上加工设备、物料运储和控制系统组成，通 过改变软件程序适应多品种、中小批量生产自动化制造系统。 组成： 加工系统-CNC、MC、FMC机床及测量机、清洗机、动平衡机； 工件运储系统- 包括工件装卸站、自动化仓库、自动化运输 小车、机器人、托盘缓冲站、托盘交换装置等； 刀具运储系统- 包括刀具预调站、刀具装卸站、中央刀库、 机床刀库、刀具输送与交换装置等； 控制系统 -- 对 FMS 进行计划调度、运行控制、物料管理、系 统监控和网络通信等； 其他-冷却、润滑、排屑、清洗、去毛刺等附属设备。
•运动速度 运动速度影响工作效率，与所提取的重力和 位置精度有关。 •位置精度 机器人定位精度一般在±0.02-5mm范围。
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 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
FMS工件运储系统组成 • 工件装卸站 设在FMS入口，由人工完成装卸； • 托盘缓冲站 工件中间存储站，起缓冲物料作用；
• 自动化仓库 多层立体布局结构，由计算机控制，服从FMS
命令和调度； • 物料运载装置 负责在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之
间物料搬运作业。
传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损； 自动运输小车：分有轨小车、无轨小车； 搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。
• 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；
6.3.4 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。 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。
物料自动存取，仓库管理。
6.2.4 FMS的刀具运储系统
刀具运储系统的组成 • 刀具预调站 设在FMS之外，按要求对刀具进行装配和调整； • 刀具装卸站 是刀具进出FMS入口，多为排架式框架结构；
工业机器人的分类--按驱动方式分类
•气压传动机器人 •液压传动机器人 以压缩空气作为动力源，高速轻载 ； 采用液压驱动，负载能力强、
传动平稳、结构紧凑、动作灵敏； •电气传动机器人 交直流伺服电机驱动，结构简单、
响应快、精度高。
工业机器人的分类--按结构形式分 •直角坐标机器人 有三个正交平移坐标轴,各个坐标轴 运动独立（图a）； •圆柱坐标机器人 有一个旋转轴和两个平移轴（图b）； •关节机器人 类似人手臂，由各关节组成，可实现三个方 向旋转运动（图c） ； •球坐标机器人 有两个旋转轴和一个平移轴（图d）。
• 光导小车 采用带有荧光材料油漆或色带，通过光电 制导，改变线路非常容易，对环境要求严格。 • 激光灯台制导 小车顶部装有激光装置，通过固定位 置反射激光束信息，确定小车位置。
自动化仓库 • 货架 为一个个存储单元，设有地址编码，货架 之间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。 • 堆垛机 由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动 电动机以及传感器构成的三维搬运设备。 • 控制与管理系统 负责物料信息的登录、识别，
6.3.3 工业机器人的编程技术
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 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。
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 小型机器人，提取重力 中型机器人，提取重力 大型机器人，提取重力 重型机器人，提取重力 10N以下； 10-50N； 50-300N； 300-500N； 500N以上。
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。
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。
• 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。
第三节 工业机器人
6.3.1 工业机器人的组成与分类
6.3.2 工业机器人的控制技术
6.3.3 工业机器人的编程技术
6.3.4 工业机器人半个世纪发展
的回顾与展望
6.3.1 工业机器人的组成与分类
工业机器人的结构组成
FMS的特点 • 柔性高，适应多品种中小批量生产； • 系统内的机床在工艺能力上是相互补充或相互替代的；
• 可混流加工不同的零件；
• 系统局部调整或维修不中断整个系统的运作； • 递阶结构的计算机控制，可以上层计算机联网通信； • 可进行第三班无人值守生产。
不同类型的柔性制造设备 • 柔性制造模块（FMM） 相当于功能齐全的加工中心； • 柔性制造单元（FMC） 小型FMS，由1-2台机床组成，自 动更换刀具，自动上下工件； • 柔性制造系统（FMS） 控制与管理功能比FMC强，管理通 信要求高； • 柔性制造生产线（FML） 数控组合机床设备，专用性强、 生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批 量生产，为专用FMS。 • 柔性制造工厂（FMF） 全企业范围生产管理、设计开发、 加工制造和物料运储全盘自动化。
6.2.2 FMS的加工系统
加工系统的功能与要求 • • • • • • 工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数； 控制功能强、扩展性好； 高刚度、高精度、高速度； 自保护与自维护性好； 使用经济性好； 对环境的适应性与保护性好。
加工系统常用配置形式 • 棱体类零件：立式、卧式或立卧两用加工中心； • 回转体零件：数控车床或车削加工中心机床。
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 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。