8.1概述8.2數控機應酬8.3工件儲運設備8.4工業機器人8.5檢測與監控系統8.6輔助設備思考題自動化制造系統是指在較少的人工直接或間接干預下，將原材料加工成零件或將零件組裝成產品，在加工過程中實現管理過程和工藝過程的自動化。管理過程包括產品的優化設計,程序的編制及工藝的生成,設備的組織及協調,材料的計劃與分配,環境的監控等。工藝過程包括工件的裝卸、儲存和輸送,刀具的裝配、調整、輸送和更換,工件的切削加工、排屑、清洗和測量,切屑的輸送，切削液的凈化處理等。8.1概述自動化制造系統包括剛性制造和柔性制造。“剛性”的含義是指該生產線只能生產某種或生產工藝相近的某類產品，表現為生產產品的單一性。剛性制造包括組合機床、專用機床、剛性自動化生產線等?！叭嵝浴笔侵干a組織形式和生產產品及工藝的多樣性和可變性，可具體表現為機床的柔性、產品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。柔性制造包括柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(FMS)、柔性制造線(FML)、柔性裝配線(FAL)、計算機集成制造系統(CIMS)等。下面依據自動化制造系統的生產能力和智能程度進行分類介紹。8.1.1剛性自動化生產

1.剛性半自動化單機

除上、下料外，機床可以自動完成單個工藝過程的加工循環，這樣的機床稱為剛性半自動化機床。這種機床一般是機械或電液復合控制式組合機床和專用機床，可以進行多面、多軸、多刀同時加工，加工設備按工件的加工工藝順序依次排列，切削刀具由人工安裝、調整，實行定時強制換刀，如果出現刀具破損、折斷，可進行應急換刀，例如單臺組合機床、通用多刀半自動車床、轉塔車床等。從復雜程度講，剛性半自動化單機實現的是加工自動化的最低層次，但是投資少，見效快，適用于產品品種變化范圍和生產批量都較大的制造系統；缺點是調整工作量大，加工質量較差，工人的勞動強度也大。

2.剛性自動化單機

它是在剛性半自動化單機的基礎上增加了自動上、下料等輔助裝置而形成的自動化機床。其輔助裝置包括自動工件輸送、上料,下料、自動夾具、升降裝置和轉位裝置等；切屑處理一般由刮板器和螺旋傳送裝置完成。這種機床實現的也是單個工藝過程的全部加工循環。這種機床往往需要定做或改裝，常用于品種變化很小但生產批量特別大的場合,主要特點是投資少,見效快，但通用性差，是大量生產最常見的加工裝備。

3.剛性自動化生產線

剛性自動化生產線是多工位生產過程，用工件輸送系統將各種自動化加工設備和輔助設備按一定的順序連接起來，在控制系統的作用下完成單個零件加工的復雜大系統。在剛性自動線上，被加工零件以一定的生產節拍順序通過各個工作位置，自動完成零件預定的全部加工過程和部分檢測過程。因此，與剛性自動化單機相比，它的結構復雜，任務完成的工序多，因此生產效率也很高，是少品種、大量生產必不可少的加工裝備。除此之外，剛性自動生產線還具有可以有效縮短生產周期，取消半成品的中間庫存，縮短物料流程，減少生產面積，改善勞動條件，便于管理等優點。

它的主要缺點是投資大，系統調整周期長，更換產品不方便。為了消除這些缺點，人們發展了組合機床自動線，可以大幅度縮短建線周期，更換產品后只需更換機床的某些部件即可(例如可更換主軸箱)，大大縮短了系統的調整時間，降低了生產成本，并能得到較好的使用效果和經濟效益。組合機床自動線主要用于箱體類零件和其它類型非回轉體的

鉆、擴、鉸、鏜、攻螺紋和銑削等工序的加工。剛性自動化生產線目前正在向剛柔結合的方向發展。

圖8-1所示為加工曲拐零件的剛性自動線總體布局圖。該自動線年生產曲拐零件17000件，毛坯是球墨鑄鐵件。由于工件形狀不規則，沒有合適的輸送基面，因而采用了隨行夾具安裝定位，便于工件的輸送。圖8-1曲拐加工自動線(a)正視圖；(b)俯視圖該曲拐加工自動線由七臺組合機床和一個裝卸工位組成。全線定位夾緊機構由一個泵站集中供油。工件的輸送采用步伐式輸送帶，輸送帶用鋼絲繩牽引式傳動裝置驅動。毛坯在隨行夾具上定位需要人工找正，沒有采用自動上、下料裝置。在機床加工工位上采用壓縮空氣噴吹方式排除切屑，全線集中供給壓縮空氣。切屑運送采用鏈板式排屑裝置，從機床中間底座下方運送切屑。自動線布局采用直線式，工件輸送帶貫穿各工位，工件裝卸臺4設在自動線末端。隨行夾具連同工件毛坯經工件升降機5提升，從機床上方送到自動線的始端，輸送過程中沒有切屑撒落到機床、輸送帶和地面上。切屑運送方向與工件輸送方向相反，斗式切屑提升機1設在自動線始端。中央控制臺6設在自動線末端。

剛性自動線生產率高，但柔性較差，當加工工件變化時，需要停機、停線并對機床、夾具、刀具等工裝設備進行調整或更換(如更換主軸箱、刀具、夾具等)，通常調整工作量大，停產時間較長。8.1.2柔性制造單元(FMC)

柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell)由單臺數控機床、加工中心、工件自動輸送及更換系統等組成。它是實現單工序加工的可變加工單元，單元內的機床在工藝能力上

通常是相互補充的，可混流加工不同的零件。系統對外設有接口，可與其它單元組成柔性制造系統。

1.FMC控制系統

FMC控制系統一般分為兩級，分別是單元控制級和設備控制級。

(1)設備控制級。這一級針對各種設備，如機器人、機床、坐標測量機、小車、傳送裝置等進行單機控制。這一級的控制系統向上與單元控制系統用接口連接，向下與設備連接。設備控制器的功能是把工作站控制器命令轉換成可操作的、有次序的簡單任務，并通過各種傳感器監控這些任務的執行。設備控制級一般采用具有較強控制功能的微型計算機、總線控制機或可編程控制器等工控機。

(2)單元控制級。這一級控制系統指揮和協調單元中各設備的活動，處理由物料儲運系統交來的零件托盤，并通過控制工件調整、零件夾緊、切削加工、切屑清除、加工過

程中檢驗、卸下工件以及清洗工件等功能對設備級各子系統進行調度。單元控制系統一般采用具有有限實時處理能力的微型計算機或工作站。單元控制級通過RS-232接口與設備控制級之間進行通信，并可以通過該接口與其它系統組成FMS。

2.FMC的基本控制功能

FMC的基本控制功能包括：

(1)單元中各加工設備的任務管理與調度。其中包括制定單元作業計劃，計劃的管理與調度，設備和單元運行狀態的登錄與上報。

(2)單元內物流設備的管理與調度。這些設備包括傳送帶、有軌或無軌物料運輸車、機器人、托盤系統、工件裝卸站等。

(3)刀具系統的管理。其中包括向車間控制器和刀具預調儀提出刀具請求，將刀具分發至需要它的機床等。

圖8-2所示為一以加工回轉體零件為主的柔性制造單元。它包括一臺數控車床，一臺加工中心，兩臺運輸小車用于在工件裝卸工位3、數控車床1和加工中心2之間輸送工件，龍門式機械手4用來為數控車床裝卸工件和更換刀具，機器人5進行加工中心刀具庫和機外刀庫間的刀具交換?？刂葡到y由車床數控裝置7、龍門式機械手控制器8、小車控制器9、加工中心控制器10、機器人控制器11和單元控制器12等組成。單元控制器負責對單元組成設備進行控制、調度、信息交換和監視。圖8-2柔性制造單元圖8-3所示是加工棱體零件的柔性制造單元。單元主機是一臺臥式加工中心，刀庫容量為70把，采用雙機械手換刀，配有8工位自動交換托盤庫。托盤庫為環形轉盤，托盤庫臺面支承在圓柱環形導軌上，由內側的環鏈拖動而回轉，鏈輪由電機驅動。托盤的選擇和定位由可編程控制器控制，托盤庫具有正反向回轉、隨機選擇及跳躍分度等功能。托盤的交換由設在環形臺面中央的液壓推拉機構實現。托盤庫旁設有工件裝卸工位，機床兩側設有自動排屑裝置。圖8-3帶托盤庫的柔性制造單元8.1.3柔性制造系統(FMS)

柔性制造系統(FlexibleManufacturingSystem)由兩臺或兩臺以上加工中心或數控機床組成，并在加工自動化的基礎上實現了物料流和信息流的自動化。其基本組成部分有：

自動化加工設備、工件儲運系統、刀具儲運系統和多層計算機控制系統等。

1.自動化加工設備

組成FMS的自動化加工設備有數控機床、加工中心、車削中心等，也可能是柔性制造單元。這些加工設備都是計算機控制的，加工零件的改變一般只需要改變數控程序，因此具有很高的柔性。自動化加工設備是自動化制造系統最基本，也是最重要的設備。

2.工件儲運系統

FMS工件儲運系統由工件庫、工件運輸設備和更換裝置等組成。工件庫包括自動化立體倉庫和托盤(工件)緩沖站。工件運輸設備包括各種傳送帶、運輸小車、機器人或機械手等;工件更換裝置包括各種機器人或機械手、托盤交換裝置等。

3.刀具儲運系統

FMS的刀具儲運系統由刀具庫、刀具輸送裝置和交換機構等組成。刀具庫有中央刀庫和機床刀庫;刀具輸送裝置有不同形式的運輸小車、機器人或機械手;刀具交換裝置通常是指機床上的換刀機構，如換刀機械手。

4.輔助設備

FMS可以根據生產需要配置輔助設備。輔助設備一般包括自動清洗工作站,自動去毛刺設備,自動測量設備,集中切屑運輸系統和集中冷卻潤滑系統等。圖8-4

FMS控制系統實例

5.多層計算機控制系統

FMS的控制系統采用三級控制，分別是單元控制級、工作站控制級、設備控制級。圖8-4就是一個FMS控制系統實例，系統包括自動導向小車(AGV)、TH6350臥式加工中心、XH714A立式加工中心和倉儲設備等。

(1)設備控制級。設備控制級針對各種設備，如機器人、機床、坐標測量機、小車、傳送裝置以及儲存/檢索設備等進行單機控制。這一級的控制系統向上與工作站控制系統用接口連接，向下與設備連接。設備控制器的功能是把工作站控制器命令轉換成可操作的、有次序的簡單任務，并通過各種傳感器監控這些任務的執行。

(2)工作站控制級。FMS工作站一般分成加工工作站和物流工作站。加工工作站完成各工位的加工工藝流程、刀具更換、檢驗等管理；物流工作站完成原料、成品及半成品的儲存、運輸、工位變換等管理。這一級控制系統指揮和協調單元中一個設備小組的活動，處理由物料儲運系統交來的零件托盤，并通過控制工件調整、零件夾緊、切削加工、切屑清除、加工過程中檢驗、卸下工件以及清洗工件等功能對設備級各子系統進行調度。設備控制級和工作站控制級等控制系統一般采用具有較強控制功能的，可進行實時控制的微型計算機、總線控制機或可編程控制器等工控機。

(3)單元控制級。單元控制級作為FMS的最高一級控制，是全部生產活動的總體控制系統，同時它還是承上啟下、與上級(車間)控制器信息聯系的橋梁。因此，單元控制器

對實現底三層有效的集成控制，提高FMS的經濟效益，特別是生產能力，具有十分重要的意義。單元控制級一般采用具有較強實時處理能力的小型計算機或工作站。圖8-5柔性制造系統的組成圖8-5是一種較典型的FMS，四臺加工中心直線布置，工件儲運系統由托盤站2、托盤輸送車4、工件裝卸工位3和布置在加工中心前面的托盤交換裝置12等組成。刀具儲運系統由刀具庫8、刀具進出站6、機器人移動車7和刀具預調儀5等組成。單元控制器9、工作站控制器(圖中未標出)和設備控制裝置組成三級計算機控制。切屑運輸系統沒有采用集中運輸方式，每臺加工中心均配有切屑運輸裝置。圖8-6所示是一個具有裝配功能的柔性制造系統。圖的右部是柔性加工系統，有一臺鏜銑加工中心10和一臺車削加工中心8。9是多坐標測量儀，7是立體倉庫，14是裝夾站。圖

的左部是一個柔性裝配系統，其中有一個裝載機器人12，三個裝夾具機器人3、4、13，一個雙臂機器人5，一個手工工位2和傳送帶。柔性加工和柔性裝配兩個系統由一個自動導向小車15作為運輸系統連接。測量設備也集成在總控系統范圍內。圖8-6具有裝配功能的柔性制造系統柔性制造系統的主要特點有：柔性高，適應多品種中、小批量生產；系統內的機床工藝能力上是相互補充和相互替代的；可混流加工不同的零件；系統局部調整或維修不中斷整個系統的運作；多層計算機控制，可以和上層計算機聯網；可進行三班無人干預生產。8.1.4柔性制造線(FML)

柔性制造線(FlexibleManufacturingLine)由自動化加工設備、工件輸送系統和控制系統等組成。柔性制造線FML與柔性制造系統之間的界限也很模糊，兩者的重要區別是前者像剛性自動線一樣，具有一定的生產節拍，工作沿一定的方向順序傳送；后者則沒有一定的生產節拍，工件的傳送方向也是隨機的。柔性制造線主要適用于品種變化不大的中批量和大批量生產，線上的機床主要是多軸主軸箱的換箱式和轉塔式加工中心。在工件變換以后，各機床的主軸箱可自動進行更換，同時調入相應的數控程序，生產節拍也會作相應的調整。柔性制造線的主要優點是：具有剛性自動線的絕大部分優點；當批量不很大時，生產成本比剛性自動線低得多；當品種改變時，系統所需的調整時間又比剛性自動線少得多，但建立系統的總費用卻比剛性自動線高得多。有時為了節省投資，提高系統的運行效率，柔性制造線常采用剛柔結合的形式，即生產線的一部分設備采用剛性專用設備(主要是組合機床)，另一部分采用換箱或換刀式柔性加工機床。

1.自動化加工設備

組成FML的自動化加工設備有數控機床、可換主軸箱機床?？蓳Q主軸箱機床是介于加工中心和組合機床之間的一種中間機型。可換主軸箱機床周圍有主軸箱庫，可根據加工工件的需要更換主軸箱。主軸箱通常是多軸的，可換主軸箱機床對工件進行多面、多軸、多刀同時加工，是一種高效機床。

2.工件輸送系統

FML的工件輸送系統與剛性自動線類似，采用各種傳送帶輸送工件，工件的流向與加工順序一致，工件依次通過各加工站。

3.刀具

可換主軸箱上裝有多把刀具，主軸箱本身起著刀具庫的作用。刀具的安裝、調整一般由人工進行，采用定時強制換刀。

圖8-7為一加工箱體零件的柔性自動線示意圖，它由兩臺對面布置的數控銑床，四臺兩兩對面布置的轉塔式換箱機床和一臺循環式換箱機床組成。采用輥子傳送帶輸送工件。這條自動線看起來和剛性自動線沒有什么區別，但它具有一定的柔性。FML同時具有剛性自動線和FMS的某些特征，在柔性上接近FMS，在生產率上接近剛性自動線。圖8-7柔性制造線示意圖8.1.5柔性裝配線(FAL)

柔性裝配線(FlexibleAssemblyLine)通常由裝配站、物料輸送裝置和控制系統等組成。

1.裝配站

FAL中的裝配站可以是可編程的裝配機器人,不可編程的自動裝配裝置和人工裝配工位。

2.物料輸送裝置

在FAL中，物料輸送裝置根據裝配工藝流程為裝配線提供各種裝配零件，使不同的零件和已裝配成的半成品合理地在各裝配點間流動，同時還要將成品部件(或產品)運離現場。輸送裝置由傳送帶和換向機構等組成。

3.控制系統

FAL的控制系統對全線進行調度和監控，主要控制物料的流向和自動裝配站、裝配機器人。

圖8-8是FAL的示意圖，由無人駕駛輸送裝置1、傳送帶2、雙臂裝配機器人3、裝配機器人4、擰螺紋機器人5、自動裝配站6、人工裝配工位7和投料工作站8等組成。投料工作站中有料庫和取料機器人。料庫有多層重疊放置的盒子，這些盒子可以抽出，也稱之為抽屜，待裝配的零件存放在這些盒子中。取料機器人有各種不同的夾爪，它可以自動將零件從盒子中取出，并擺放在一個托盤中。盛有零件的托盤由傳送帶自動送往裝配機器人或裝配站。

圖8-8柔性裝配線示意圖8.1.6計算機集成制造系統(CIMS)

計算機集成制造系統CIMS(ComputerIntergratedManufacturingSystem)是一種集市場分析、產品設計、加工制造、經營管理、售后服務于一體，借助于計算機的控制與信息處理功能，使企業運作的信息流、物質流、價值流和人力資源有機融合，實現產品快速更新、生產率大幅提高、質量穩定、資金有效利用、損耗降低、人員合理配置、市場快速反饋和良好服務的全新的企業生產模式。

1.CIMS的功能構成

CIMS的功能構成包括下列內容(參考圖8-9)：

(1)管理功能。CIMS能夠對生產計劃、材料采購、倉儲和運輸、資金和財務以及人力資源進行合理配置和有效協調

(2)設計功能。CIMS能夠運用CAD、CAE、CAPP(計算機輔助工藝規程編制)、NCP(數控程序編制)等技術手段實現產品設計、工藝設計等。圖8-9CIMS的組成

(3)制造功能。CIMS能夠按工藝要求，自動組織協調生產設備(CNC、FMC、FMS、FAL、機器人等)、儲運設備和輔助設備(送料、排屑、清洗等設備)完成制造過程。

(4)質量控制功能。CIMS運用CAQ(計算機輔助質量管理)來完成生產過程的質量管理和質量保證，它不僅在軟件上形成質量管理體系，在硬件上還參與生產過程的測試與監控。

(5)集成控制與網絡功能。CIMS采用多層計算機管理模式，例如工廠控制級、車間控制級、單元控制級、工作站控制級、設備控制級等，各級間分工明確，資源共享，并依賴網絡實現信息傳遞。CIMS還能夠與客戶建立網絡溝通渠道，實現自動定貨、服務反饋、外協合作等。

從上述介紹可知，CIMS是目前最高級別的自動化制造系統，但這并不意味著CIMS是完全自動化的制造系統。事實上，目前意義上CIMS的自動化程度甚至比柔性制造系統還要低。CIMS強調的主要是信息集成，而不是制造過程物流的自動化。CIMS的主要特點是系統十分龐大，包括的內容很多，要在一個企業完全實現難度很大，但可以采取部分集成的方式，逐步實現整個企業的信息及功能集成。

2.CIMS的關鍵技術

CIMS是傳統制造技術、自動化技術、信息技術、管理科學、網絡技術、系統工程技術綜合應用的產物，是復雜而龐大的系統工程。CIMS的主要特征是計算機化、信息化、智能化和高度集成化。目前，CIMS在各個國家都處于局部集成和較低水平的應用階段。CIMS所需解決的關鍵技術主要有信息集成、過程集成和企業集成等。

(1)信息集成。針對設計、管理和加工制造的不同單元，實現信息正確、高效地共享和交換，是改善企業技術和管理水平必須首先解決的問題。信息集成的首要問題是建立企業的系統模型。利用企業的系統模型來科學地分析和綜合企業各部分的功能關系、信息關系和動態關系，解決企業的物質流、信息流、價值流、決策流之間的關系，這是企業信息集成的基礎。另外，由于系統中包含了不同的操作系統、控制系統、數據庫和應用軟件，且各系統間可能使用不同的通信協議，因此信息集成還要處理好信息間的接口問題。

(2)過程集成。企業為了提高T(效率)、Q(質量)、C(成本)、S(服務)、E(環境)等目標，除了信息集成這一手段外，還必須處理好過程間的優化與協調。過程集成要求將產品開發、工藝設計、生產制造、供應銷售中的各串行過程盡量轉變為并行過程，如在產品設計時就考慮到下游工作中的可制造性、可裝配性、可維護性等，并預見產品的質量、售后服

務內容等。過程集成還包括快速反應和動態調整，即當某一過程出現未預見偏差時，相關過程應及時調整規劃和方案。

(3)企業集成。充分利用全球的物質資源、信息資源、技術資源、制造資源、人才資源和用戶資源，滿足以人為核心的智能化和以用戶為中心的產品柔性化是CIMS的全球化目標，企業集成就是解決資源共享、資源優化、信息服務、虛擬制造、并行工程、網絡平臺等方面的關鍵技術。數控機床(NumericalControlTools)是采用數字化信號，通過可編程的自動控制工作方式，實現對設備運行及其加工過程產生的位置、角度、速度、力等信號進行控制的新型自動化機床。數控機床的計算機信息處理及控制的內容主要包括：基本的數控數據輸入/輸出，直線和圓弧的插補運算，刀具補償，間隙補償，螺距誤差補償和位置伺服控制等。一些先進的數控機床甚至還具有某些智能的功能，如螺旋線插補、刀具監控、在線測量、自適應控制、故障診斷、軟鍵(SoftKey)菜單、會話型編程、圖形仿真等。數控機床的大部分功能對實時性要求很強，信息處理量也較大，因此許多數控機床都采用多微處理器數控方式。

8.2數控機床8.2.1一般數控機床

一般數控機床通常是指數控車床、數控銑床、數控鏜銑床等，它們的下述特點對其組成自動化制造系統是非常重要的。

1.柔性高

數控機床按照數控程序加工零件，當加工零件改變時，一般只需要更換數控程序和配備所需的刀具，不需要靠模、樣板、鉆鏜模等專用工藝裝備。數控機床可以很快地從加工一種零件轉變為加工另一種零件，生產準備周期短，適合于多品種,小批量生產。

2.自動化程度高

數控程序是數控機床加工零件所需的幾何信息和工藝信息的集合。幾何信息包括走刀路徑、插補參數、刀具長度和半徑補償；工藝信息包括刀具、主軸轉速、進給速度、冷卻液開/關等。

在切削加工過程中，自動實現刀具和工件的相對運動，自動變換切削速度和進給速度，自動開/關冷卻液，數控車床自動轉位換刀。操作者的任務是裝卸工件，換刀，操作按鍵，監視加工過程等。

3.加工精度高且質量穩定

現代數控機床裝備有CNC數控裝置和新型伺服系統，具有很高的控制精度，普遍達到1μm，高精度數控機床可達到0.2μm。數控機床的進給伺服系統采用閉環或半閉環控制，對反向間隙和絲杠螺距誤差以及刀具磨損進行補償，因此數控機床能達到較高的加工精度。對中、小型數控機床，其定位精度普遍可達到0.03mm，重復定位精度可達到0.01mm。數控機床的傳動系統和機床結構都具有很高的剛度和穩定性，制造精度也比普通機床高。當數控機床有3～5軸聯動功能時，可加工各種復雜曲面，并能獲得較高的精度。由于按照數控程序自動加工，避免了人為的操作誤差，因而同一批加工零件的尺寸一致性好，加工質量穩定。

4.生產效率較高

零件加工時間由機動時間和輔助時間組成，數控機床加工的機動時間和輔助時間比普通機床明顯減少。數控機床主軸轉速范圍和進給速度范圍比普通機床大，主軸轉速范圍通常在10～6000r/min，高速切削加工時可達15000r/min;進給速度范圍上限可達到10～12m/min，高速切削加工進給速度甚至超過30m/min，快速移動速度超過30～60m/min。主運動和進給運動一般為無級變速，每道工序都能選用最有利的切削用量，空行程時間明顯減少。數控機床的主軸電動機和進給驅動電動機的驅動能力比同規格的普通機床大，機床的結構剛度高，有的數控機床能進行強力切削，有效地減少了機動時間。

5.具有刀具壽命管理功能

構成FMC和FMS的數控機床具有刀具壽命管理功能，可對每把刀的切削時間進行統計，當達到給定的刀具耐用度時，自動換下磨損刀具并換上備用刀具。

6.具有通信功能

現代數控機床一般都具有通信接口，可以實現上層計算機與數控機床之間的通信，也可以實現幾臺數控機床之間的數據通信，同時還可以直接對幾臺數控機床進行控制。通信功能是實現DNC、FMC、FMS的必備條件。圖8-10是數控裝置的基本組成框圖。其中1為加工零件的圖紙，作為數控裝置工作的原始數據；2為程序編制部分；3為控制介質，也稱為信息載體，通常用穿孔紙帶、磁帶

、軟磁盤或光盤等作為記載控制指令的介質?？刂平橘|上存儲了加工零件所需要的全部操作信息，是數控系統用來指揮和控制設備進行加工運動的惟一指令信息。但在現代CAD/CAM系統中，可不經控制介質，而將計算機輔助設計的結果及自動編制的程序經后置處理直接輸入數控裝置。

圖8-10數控裝置的基本組成框圖圖8-10中的4為數控系統，它是數控機床的核心環節。數控系統的作用是按照接收介質輸入的信息，經處理運算后去控制機床運行。按數控系統的軟、硬件構成特征來分類，可分為硬件數控與軟件數控。傳統的數控系統(即系統的核心數字控制裝置)是由各種邏輯元件、記憶元件組成的隨機邏輯電路，采用固定接線的硬件結構，數控功能是由硬件來實現的，這類數控系統稱之為硬件數控。隨著半導體技術、計算機技術的發展，微處理器和微型計算機功能增強，價格下降，數字控制裝置已發展成為計算機數字控制(ComputerNumericalControl)裝置，即所謂的CNC裝置，它由軟件來實現部分或全部數控功能。CNC系統由程序、輸入輸出設備、計算機數字控制裝置、可編程控制器(PC或可編程邏輯控制器PLC)、主軸控制單元及速度控制單元等部分組成，如圖8-11所示。CNC系統中，可編程控制器PC是一種專為在工業環境下應用而設計的工業計算機。它采用可編程序的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等特定功能的用戶操作指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出控制

各種類型的機械或生產過程。PC已成為數控機床不可缺少的控制裝置。CNC和PC(PLC)協調配合，共同完成數控機床的控制。其中CNC主要完成與數字運算和管理有關的功能，如零件程序的編輯、插補運算、譯碼、位置伺服控制等；PC主要完成與邏輯運算有關的一些動作，沒有軌跡上的具體要求，它接收CNC的控制代碼M(輔助功能)、S(主軸轉速)、T(選刀、換刀)等順序動作信息，對其進行譯碼并轉換成對應的控制，控制輔助裝置完成機床相應的開關動作，如工件的裝夾、刀具的更換、切削液的開關等一些輔助動作。PC還接收機床操作面板的指令，一方面直接控制機床的動作，另一方面將一部分指令送往CNC用于控制加工過程。圖8-11CNC系統框圖圖8-10中5為伺服驅動系統，它包括伺服驅動電路(伺服控制線路、功率放大線路)和伺服電動機等驅動執行機構。它們與工作本體上的機械部件組成數控設備的進給系統，其作用是把數控裝置發來的速度和位移指令(脈沖信號)轉換成執行部件的進給速度、方向和位移。

數控裝置可以以足夠高的速度和精度進行計算并發出足夠小的脈沖信號，關鍵在于伺服系統能以多高的速度與精度去響應執行，整個系統的精度與速度主要取決于伺服系統。伺服驅動電路把數控裝置發出的微弱電信號(5V左右，毫安級)放大成強電的驅動電信號(幾十、上百伏，安培級)去驅動執行元件。伺服系統執行元件主要有步進電動機、電液脈沖馬達、直流伺服電動機和交流伺服電動機等，其作用是將電控信號的變化轉換成電動機輸出軸的角速度和角位移的變化，從而帶動機械本體的機械部件做進給運動。圖8-10中6為坐標軸或執行機構的測量裝置。前者用以測量坐標軸(如工作臺)的實際位置，并將測量結果反饋到數控系統(或伺服驅動系統)，形成全閉環控制；后者用以測量

執行伺服電動機軸的位置，并予以反饋，形成半閉環控制。測量反饋裝置的引入，有效地改善了系統的動態特性，大大提高了零件的加工精度。

圖8-10中7為輔助控制單元，用于控制其它部件的工作，如主軸的啟停、刀具交換等。

圖8-10中8為坐標軸，如平面運動工作臺的X、Y軸。數控系統的工作本體是加工運動的實際執行部件，主要包括主運動部件、進給運動執行部件、工作臺及床身立柱等支撐部件，此外還有冷卻、潤滑、轉位和夾緊等輔助裝置，存放刀具的刀架、刀庫或交換刀具的自動換刀機構等。對工作本體的要求是，應有足夠的剛度和抗振性，要有足夠的精度，熱變形小，傳動系統結構要簡單，便于實現自動控制。8.2.2加工中心(MC)

加工中心的系統基本組成與一般數控機床一樣，只是在此基礎上增加了刀庫和自動換刀裝置而形成一類更復雜，但用途更廣，效率更高的數控機床。加工中心配置有刀庫和自動換刀裝置，能在一臺機床上完成車、銑、鏜、鉆、鉸、攻螺紋、輪廓加工等多個工序的加工。加工中心機床具有工序集中，可以有效縮短調整時間和搬運時間，減少在制品庫存，加工質量高等優點，因此常用于零件比較復雜，需要多工序加工，且生產批量中等的生產場合。

加工中心通常是指鏜銑加工中心，主要用于加工箱體及殼體類零件，工藝范圍廣。加工中心除配備有刀具庫及自動換刀機構外，還配備有回轉工作臺或交換工作臺等，有的加工中心還具有可交換式主軸頭或臥-立式主軸。加工中心目前已成為一類廣泛應用的自動化加工設備，它們可作為單機使用，也可作為FMC、FMS中的單元加工設備。加工中心有立式和臥式兩種基本形式，前者適合于平面形零件的單面加工，后者特別適合于大型箱體零件的多面加工。加工中心的刀具庫通常位于遠離主軸的機床側面或頂部。刀具庫遠離工作主軸的優點是少受切削液的污染，使操作者在加工時調換庫中刀具免受傷害。FMC和FMS中的加工中心通常需要大量刀具，除了滿足不同零件的加工外，還需要后備刀具，以實現在加工過程中實時更換破損刀具和磨損刀具，因此要求刀庫的容量較大。換刀機械手有單臂機械手和雙臂機械手，回轉180°的雙臂機械手應用最普遍。加工中心刀具的存取方式有順序方式和隨機方式，刀具隨機存取是最主要的方式。隨機存取就是在任何時候可以取用刀庫中的任一把刀，選刀次序是任意的，可以多次選取同一把刀；從主軸卸下的刀允許放在不同于先前所在的刀座上，CNC可以記憶刀具所在的位置。采用順序存取方式時，刀具嚴格按數控程序調用刀具的次序排列。程序開始時，刀具按照排列次序一個接著一個取用，用過的刀具仍放回原刀座上，以保持確定的順序不變。正確安放刀具是成功執行數控程序的基本條件?；剞D工作臺是臥式加工中心實現主軸運動的部件，主軸的運動可作為分度運動或進給運動?；剞D工作臺有兩種結構形式：僅用于分度的回轉工作臺用鼠齒盤定位，分度前工作臺抬起，使上、下鼠齒盤分離，分度后落下定位，上、下鼠齒盤嚙合，實現機械剛性連接；用于進給運動的回轉工作臺用伺服電機驅動，用回轉式感應同步器檢測及定位，并控制回轉速度，也稱數控工作臺。數控工作臺和X、Y、Z軸及其它附加運動構成4～5軸輪廓控制，可加工復雜輪廓表面。

臥式加工中心可對工件進行4面加工，帶有臥-立式主軸的加工中心可對工件進行5面加工。臥-立式主軸采用正交的主軸頭附件，可以改變主軸角度方位90°，因此得到用戶的普遍認可和歡迎。另外，它還減少了機床的非加工時間和單件工時，可以提高機床的利用率。

加工中心的交換工作臺和托盤交換裝置配合使用，實現了工件的自動更換，從而縮短了消耗在更換工件上的輔助時間。8.2.3車削中心

車削中心比數控車床工藝范圍寬，工件一次安裝，幾乎能完成所有表面的加工，如內、外圓表面，端面，溝槽，內、外圓及端面上的螺旋槽，非回轉軸心線上的軸向孔和徑向孔等。

車削中心回轉刀架上可安裝如鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐等回轉刀具，它們由單獨的電動機驅動，也稱自驅動刀具。在車削中心上用自驅動刀具對工件的加工分為兩種情況：一種是主軸分度定位后固定，對工件進行鉆、銑、攻螺紋等加工；另一種是主軸運動作為一個控制軸(C軸)，C軸運動和X、Z軸運動合成為進給運動，即三坐標聯動，銑刀在工件表面上銑削各種形狀的溝槽、凸臺、平面等。在很多情況下，工件無需專門安排一道工序單獨進行鉆、銑加工，消除了二次安裝引起的同軸度誤差，縮短了加工周期。車削中心回轉刀架通?？裳b刀具12～16把，這對無人看管柔性加工來說是不夠的。因此，有的車削中心裝備有刀具庫，刀庫有筒形或鏈形，刀具更換和存儲系統位于機床一側，刀庫和刀架間的刀具交換由機械手或專門機構進行。

車削中心采用可快速更換的卡盤和卡爪，普通卡爪更換時間為5～10min，而快速更換卡盤、卡爪的時間可控制在2min以內?？ūP有3～5套快速更換卡爪，以適應不同直徑的

工件。如果工件直徑變化很大，則需要更換卡盤。有時也采用人工在機床外部用卡盤夾持好工件，用夾持有新工件的卡盤更換已加工的工件卡盤的方法，工件-卡盤系統更換常采用自動更換裝置。由于工件裝卸在機床外部，實現了輔助時間和機動時間的重合，因而幾乎沒有停機時間。

現代車削中心工藝范圍寬，加工柔性高，人工介入少，加工精度、生產效率和機床利用率都很高。8.2.4電火花加工

電火花加工設備屬于數控機床的范疇。電火花加工是在一定的液體介質中，利用脈沖放電對導體材料的電蝕現象來蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和表面質量達到預定技術要求的一種加工方法。在機械加工中，電火花加工的應用非常廣泛，尤其在模具制造業、航空航天等領域有著極為重要的地位。圖8-12電火花加工原理圖

1.電火花加工的原理與特點

電火花加工是在如圖8-12所示的加工系統中進行的。加工時，脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極，兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質(常用煤油或礦物油或去離子水)中。工具電極由自動進給調節裝置控制，以保證工具與工件在正常加工時維持一很小的放電間隙(0.01～0.05mm)。當脈沖電壓加到兩極之間時，便將當時條件下極間最近點的液體介質擊穿，形成放電通道。由于通道的截面積很小，放電時間極短，致使能量高度集中(106～107W／mm2)，放電區域產生的瞬時高溫足以使材料熔化甚至蒸發，以致形成一個小凹坑。第一次脈沖放電結束之后，經過很短的間隔時間，第二個脈沖又在另一極間最近點擊穿放電。如此周而復始高頻率地循環下去，工具電極不斷地向工件進給，它的形狀最終就復制在工件上，形成所需要的加工表面。與此同時，總能量的一小部分也釋放到工具電極上，從而造成工具損耗。

從上面的敘述中可以看出，進行電火花加工必須具備三個條件：必須采用脈沖電源；必須采用自動進給調節裝置，以保持工具電極與工件電極間微小的放電間隙；火花放電必須在具有一定絕緣強度(103～107Ω·m)的液體介質中進行。

電火花加工具有如下特點：可以加工任何高強度、高硬度、高韌性、高脆性以及高純度的導電材料；加工時無明顯機械力，適用于低剛度工件和微細結構的加工；脈沖參數可依據需要調節；可在同一臺機床上進行粗加工、半精加工和精加工；電火花加工后的表面呈現的凹坑有利于儲油和降低噪聲；生產效率低于切削加工；放電過程有部分能量消耗在工具電極上，導致電極損耗，影響成形精度。

2.電火花加工的應用

電火花加工主要用于模具生產中的型孔、型腔加工，已成為模具制造業的主導加工方法，推動了模具行業的技術進步。電火花加工零件的數量在3000件以下時，比模具沖壓零件在經濟上更加合理。按工藝過程中工具與工件相對運動的特點和用途不同，電火花加工可大體分為電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花磨削加工、電火花展成加工、非

金屬電火花加工和電火花表面強化等。

(1)電火花成形加工。該方法通過工具電極相對于工件做進給運動，將工件電極的形狀和尺寸復制在工件上，從而加工出所需要的零件。它包括電火花型腔加工和穿孔加工兩種。電火花型腔加工主要用于加工各類熱鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模和膠木膜的型腔。電火花穿孔加工主要用于型孔(圓孔、方孔、多邊形孔、異形孔)、曲線孔(彎孔、螺旋

孔)、小孔和微孔的加工。近年來，為了解決小孔加工中電極截面小、易變形、孔的深徑比大、排屑困難等問題，在電火花穿孔加工中發展了高速小孔加工，取得了良好的社會經濟效益。

(2)電火花線切割加工。該方法利用移動的細金屬絲作工具電極，按預定的軌跡進行脈沖放電切割。按金屬絲電極移動的速度大小分為高速走絲和低速走絲線切割。我國普遍采用高速走絲線切割，近年來正在發展低速走絲線切割。高速走絲時，金屬絲電極是直徑為0.02～0.3mm的高強度鉬絲，往復運動速度為8～10m／s。低速走絲時，多采用銅絲

，線電極以小于0.2m/s的速度做單方向低速運動。線切割時，電極絲不斷移動，其損耗很小，因而加工精度較高。其平均加工精度可達0.01mm，大大高于電火花成形加工。表面粗糙度Ra值可達1.6μm或更小。國、內外絕大多數數控電火花線切割機床都采用了不同水平的微機數控系統，基本上實現了電火花線切割數控化。目前電火花線切割廣泛用于加工各種沖裁模(沖孔和落料用)、樣板以及各種形狀復雜的型孔、型面和窄縫等。

3.電火花加工機床的發展趨勢

電火花加工機床在提高精度和自動化程度的同時，也在向結構的小型化方向發展。為提高零件加工精度，類似于加工中心的精密多功能微細電火花加工機床受到青睞。在這種機床上，從微細電極的制作到微細零件的加工，電極只需一次裝夾，因此減小了多次裝夾電極所帶來的誤差，并且可以通過對電極的重加工來修正被損耗電極的形狀，從而提高了零件加工精度。

在這種機床上，可實現電火花線電極磨削加工、電火花復雜形狀微細孔加工及電火花銑削加工等功能，并有望實現微細電火花三維形體加工。目前先進的多軸聯動電火花數控機床發展趨勢是集多種功能于一體，這些功能包括旋轉分度、自動交換電極、自動放電間隙補償、電流自適應控制以及加工規準的實時智能選擇等，從而實現從加工規準的選擇到零件的加工全過程自動化。夏米爾公司、阿奇公司、三菱電機公司、沙迪克公司等國外著名的電火花機床廠商都有成熟產品，國內的漢川機床廠、北京迪蒙公司和成都無線電專用設備廠也在生產這類產品。電極直接驅動的小型電火花加工系統是20世紀90年代才出現的一門新興技術，它能在電極上附加軸向小振幅快速振動，并利用多電極同時加工。日本東京大學的方谷克司和豐田工業大學的毛利尚武等人已經研制出蠕動式、沖擊式和利用橢圓運動驅動的三種利用壓電陶瓷的逆壓電效應來直接驅動電極的小型電火花加工裝置，我國哈爾濱工業大學、南京航空航天大學分別利用蠕動式原理和沖擊式原理制造出了樣機。在自動化制造系統的制造過程中，離不開工件運輸設備和存儲設備來完成各種物料的流動和倉儲。存儲是指將工件毛坯、在制品或成品在倉庫中暫時保存起來，以便根據需要取出，投入制造過程。立體倉庫是典型的自動化倉儲設備。運輸是指工件在制造過程中的流動，例如工件在倉庫或托盤站與工作站之間的輸送以及在各工作站之間的輸送等。廣泛應用的自動輸送設備有傳送帶、運輸小車等。8.3工件儲運設備8.3.1有軌小車(RGV)

有軌小車(RailGuideVehicle)是一種沿著鐵軌行走的運輸工具，有自驅和它驅兩種驅動方式。自驅動有軌小車通過車上的小齒輪和安裝在鐵軌一側的齒條嚙合，利用交、直流伺服電動機驅動。它驅式有軌小車由外部鏈索牽引，在小車底盤的前、后各裝一導向銷，地面上修有一組固定路線的溝槽，導向銷嵌入溝槽內，保證小車行進時沿著溝槽移動。前面的銷桿除作定向用外，還作為鏈索牽動小車的推桿。推桿是活動的，可在套筒中上下滑動。鏈索每隔一定距離有一個推頭，小車前面的推桿可靈活地插入或脫開鏈索的推頭，由埋設在溝槽內適當地點的接近開關和限位開關控制。推桿脫開鏈索的推頭，小車就停止。采用空架導軌和懸掛式機械手或機器人作為運輸工具也是一種發展趨勢，其主要優點是充分利用空間，適合于運送中、大型工件，如汽車車架、車身等。有軌小車的特點是：加速和移動速度都比較快，適合運送重型工件；導軌固定，行走平穩，停車位置比較準確；控制系統簡單，可靠性好，制造成本低，便于推廣應用；行走路線不便改變，轉彎角度不能太?。辉肼曒^大，影響操作工監聽加工狀況及保護自身安全。8.3.2自動導向小車(AGV)

自動導向小車(AutomaticGuideVehicle)是一種無人駕駛的，以蓄電瓶驅動的物料搬運設備，其行駛路線和停靠位置是可編程的。20世紀70年代以來，電子技術和計算機技術

推動了AGV技術的發展，如具有了磁感應、紅外線、激光、語言編程、語音等功能等。AGV技術仍在發展中，目前有些語音控制的AGV能識別4000個詞匯。

1.AGV的結構

在自動化制造系統中使用的AGV大多數是磁感應式AGV。圖8-13是一種能同時運送兩個工件的AGV，它由運輸小車、地下電纜和控制器三部分組成。小車由蓄電池提供動力，沿著埋設在地板槽內的用交變電流勵磁的電纜行走。地板槽埋設在地下4cm左右深處，地溝用環氧樹脂灌封，形成光滑的地表，以便清掃和維護。導向電纜敷設的路線和車間工件的流動路線及倉庫的布局相適應，AGV行走的路線一般可分為直線、分支、環路或網狀。圖8-13磁感應AGV自動導向原理圖小車驅動電動機由安裝在車上的工業級蓄電池供電，通常供電周期為20h左右，因此必須定期到維護區充電或更換。蓄電池的更換一般是手工進行的，充電可以是手工的或者自動的，有些小車能按照程序自動接上電插頭進行充電。

為了實現工件的自動交接，小車裝有托盤交換裝置，以便與機床或裝卸站之間進行自動連接。交換裝置可以是輥輪式的，利用輥輪與托盤間的摩擦力將托盤移進或移出，這種裝置一般與輥式傳送帶配套。交換裝置也可以是滑動叉式的，它利用往復運動的滑動叉將托盤推出或拉入，兩邊的支承滾子可以減少移動時的摩擦力。升降臺式交換裝置利用升降臺將托盤升高，物料托架上的托物叉伸入托盤底部；升降臺下降，托物叉回縮，將托盤移出。托盤移入的工作過程相反。小車還裝有升降對齊裝置，以便消除工件交接時的高度差。

AGV小車上設有安全防護裝置，小車前、后有黃色警視信號燈，當小車連續行走或準備行走時，黃色信號燈閃爍。每個驅動輪都帶有安全制動器，斷電時，制動器自動接上。小車每一面都有急停按鈕和安全保險杠，其上有傳感器，當小車輕微接觸障礙物時，保險杠受壓，小車停止。

2.AGV的自動導向

圖8-13是磁感應AGV自動導向原理圖，小車底部裝有弓形天線3，跨設于以感應線4為中心且與感應線垂直的平面內。感應線通以交變電流，產生交變磁場。當天線3偏離感應線任何一側時，天線的兩對稱線圈中感應電壓有差值，誤差信號經過放大，驅動左、右電動機2;左、右電動機有轉速差，經驅動輪1使小車轉向，使感應線重新位于天線中心，直至誤差信號為零。

3.路徑尋找

路徑尋找就是自動選取岔道，AGV在車間的行走路線比較復雜，有很多分岔點和交匯點。地面上有中央控制計算機負責車輛調度控制，AGV小車上帶有微處理器控制板，AGV的行走路線以圖表的格式存儲在計算機內存中。給定起點和目標點位置后，控制程序自動選擇AGV行走的最佳路線。小車在岔道處方向的選擇多采用頻率選擇法。在決策點處，地板槽中同時有多種不同的頻率信號；當AGV接近決策點(岔道口)時，通過編碼裝置確定小車目前所在的位置，AGV在接近決策點前作出決策，確定應跟蹤的頻率信號，從而實現自動路徑尋找。

自動導向小車的行走路線是可編程的，FMS控制系統可根據需要改變作業計劃，重新安排小車的路線，具有柔性特征。AGV小車工作安全、可靠，?？慷ㄎ痪瓤梢赃_到±3mm，能與機床、傳送帶等相關設備交接傳遞貨物，運輸過程中對工件無損傷，噪聲低。8.3.3自動化立體倉庫

自動化立體倉庫的主要特點有：利用計算機管理，物資庫存賬目清楚，物料存放位置準確，對自動化制造系統物料需求響應速度快；與搬運設備(如AGV、有軌小車、傳送帶)銜接,能可靠、及時地供給物料；減少庫存量，加速資金周轉；充分利用空間，減少廠房面積；減少工件損傷和物料丟失；可存放的物料范圍寬；減少管理人員，降低管理

費用；耗資較大，適用于一定規模的生產。

1.自動化立體倉庫的組成

自動化立體倉庫主要由庫房、貨架、堆垛起重機、外圍輸送設備、自動控制裝置等組成。圖8-14所示為自動化立體倉庫，高層貨架成對布置，貨架之間有巷道，隨倉庫規模大小可以有一到若干條巷道。入庫和出庫一般都布置在巷道的某一端，有時也可以設計成由巷道的兩端入庫和出庫。每條巷道都有巷道堆垛起重機。巷道的長度一般有幾十米，貨架的高度視廠房高度而定，一般有十幾米。貨架通常由一些尺寸一致的貨格組成。貨架的材料一般采用金屬型材，貨架上的托板用金屬板或木板(輕型零件)制成，多采用金屬板。進入高倉位的零件通常先裝入標準的貨箱內，然后再將貨箱裝入高倉位的貨格中。每個貨格存放的零件或貨箱的重量一般不超過1T，其體積不超過1m3，大型和重型零件因提升困難，一般不存入立體倉庫中。圖8-14自動化立體倉庫圖8-15堆垛起重機

2.堆垛起重機

堆垛起重機是立體倉庫內部的搬運設備。堆垛起重機可采用有軌或無軌方式，其控制原理與運輸小車相似。倉庫高度很高的立體倉庫常采用有軌堆垛起重機。為增加穩定性，采用兩條平行導軌，即天軌和地軌(如圖8-15所示)。堆垛起重機的運動有沿巷道的水平移動、升降臺的垂直上下升降和貨叉的伸縮。堆垛起重機上有檢測水平移動和升降高度的傳感器，辨認貨物的位置，一旦找到需要的貨位，在水平和垂直方向上制動，貨叉將貨物自動推入貨格或將貨物從貨格中取出。

堆垛起重機上有貨格狀態檢測器，采用光電檢測方法，利用零件表面對光的反射作用探測貨格內有無貨箱，防止取空或存貨干涉。

3.自動化立體倉庫的管理與控制

自動化立體倉庫實現倉庫管理自動化和出入庫作業自動化。倉庫管理自動化包括對賬目、貨箱、貨位及其它信息的計算機管理。出入庫作業自動化包括貨箱零件的自動識別、自動認址，貨格狀態的自動檢測以及堆垛起重機各種動作的自動控制等。

(1)貨物的自動識別與存取。貨物的自動識別是自動化倉庫運行的關鍵，貨物的自動識別通常采用編碼技術，對貨格和貨箱進行編碼，條形碼貼在貨箱或托盤的適當部位。當貨箱通過入庫傳送滾道時，用條形碼掃描器自動掃描條形碼及譯碼，將貨箱零件的有關信息自動錄入計算機。

(2)計算機管理。自動化倉庫的計算機管理包括物資管理、賬目管理、貨位管理及信息管理。入庫時將貨箱合理分配到各個巷道作業區，出庫時按“先進先出”原則或其它排

隊原則。系統可定期或不定期地打印報表，并可隨時查詢某一零件存放的位置。

(3)計算機控制。自動化倉庫的控制主要是對堆垛起重機的控制。堆垛起重機的主要工作是入庫、搬庫和出庫。從控制計算機得到作業命令后，屏幕上顯示作業的目的地址、運行地址、移動方向和速度等，并顯示伸叉方向及堆垛機的運行狀態?？刂葡到y具有貨叉占位報警、取箱無貨報警、存貨占位報警等功能。工業機器人是一種可編程的智能型自動化設備，是應用計算機進行控制的替代人進行工作的高度自動化系統。最近，聯合國標準化組織采用的機器人的定義是“一種可以反復編程的多功能的,用來搬運材料、零件、工具的操作機”。在無人參與的情況下，工業機器人可以自動按不同軌跡、不同運動方式完成規定動作和各種任務。機器人和機械手的主要區別是：

機械手沒有自主能力，不可重復編程，只能完成定位點不變的簡單的重復動作；機器人是由計算機控制的，可重復編程，能完成任意定位的復雜運動。8.4工業機器人機器人是從初級到高級逐步完善起來的，它的發展過程可以分為三代。

第一代機器人是目前工業中大量使用的示教再現型機器人，它主要由夾持器、手臂、驅動器和控制器組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存儲信息，工作時讀出這些信息，向執行機構發出指令，執行機構按指令再現示教的操作。

第二代機器人是帶感覺的機器人，它具有一些對外部信息進行反饋的能力，諸如力覺、觸覺、視覺等。其控制方式較第一代機器人要復雜得多，這種機器人自1980年以來已進入實用階段。第三代機器人是智能機器人，目前還沒有一個統一和完善的智能機器人定義。國外文獻中對“智能”的解釋是“可動自治裝置，能理解指示命令，感知環境，識別對象，計劃其操作程序以完成任務”。這個解釋基本上反映了現代智能機器人的特點。近年來，智能機器人發展非常迅速，如機器人競技、機器人探險等。8.4.2工業機器人的結構

工業機器人一般由主構架(手臂)、手腕、驅動系統、測量系統、控制器及傳感器等組成。

圖8-16是工業機器人的典型結構。機器人手臂具有三個自由度(運動坐標軸)，機器人作業空間由手臂運動范圍決定。手腕是機器人工具(如焊槍、噴嘴、機加工刀具、夾爪)與主構架的連接機構，它具有三個自由度。驅動系統為機器人各運動部件提供力、力矩、速度、加速度。測量系統用于機器人運動部件的位移、速度和加速度的測量?？刂破?RC)用于控制機器人各運動部件的位置、速度和加速度，使機器人手爪或機器人工具的中心點以給定的速度沿著給定軌跡到達目標點。通過傳感器可獲得搬運對象和機器人本身的狀態信息，如工件及其位置的識別，障礙物的識別，抓舉工件的重量是否過載等。圖8-16工業機器人的典型結構圖8-17工業機器人的基本結構形式(a)直角坐標型；(b)圓柱坐標型；(c)球坐標型；(d)多關節型；(e)平面關節型工業機器人的運動由主構架和手腕完成。主構架具有三個自由度，其運動由兩種基本運動組成，即沿著坐標軸的直線移動和繞坐標軸的回轉運動。不同運動的組合形成各種類型的機器人，如圖8-17所示。圖8-17所示的工業機器人的基本結構形式有：直角坐標型(圖8-17(a)中有三個直線坐標軸)；圓柱坐標型(圖8-17(b)中有兩個直線坐標軸和一個回轉軸)；球坐標型(圖8-17(c)中有一個直線坐標軸和兩個回轉軸)；關節型(圖8-17(d)中有三個回轉軸關節，圖8-17(e)中有三個平面運動關節)。8.4.3工業機器人的應用

目前，工業機器人主要應用于汽車制造、機械制造、電子器件、集成電路、塑料加工等較大規模生產企業。下面介紹幾種機器人的典型應用。

1.汽車制造領域

汽車制造生產線中的點焊和噴漆工作量極大，且要求有較高的精度和質量。由于采用傳送帶流水作業，速度快，上下工序要求嚴格，因而采用焊接機器人和噴漆機器人作業可保證質量和提高效率。圖8-18是一個噴漆機器人系統示意圖。噴漆機器人的運動采用空間軌跡運動控制方式。圖8-19是一個焊接機器人系統的示意圖。焊接機器人還分成采用點位控

制的點焊機器人和采用軌跡控制的焊接機器人兩種。圖8-18噴漆工業機器人系統示意圖圖8-19焊接工業機器人系統示意圖

2.機械制造領域

機械制造企業的柔性制造系統采用搬運機器人搬運物料、工件和工具，裝配機器人完成設備的零件裝配，測量機器人進行在線或離線測量。

圖8-20所示是兩臺機器人用于自動裝配的情況，主機器人是一臺具有三個自由度且帶有觸覺傳感器的直角坐標機器人，它抓取第1號(No.1)零件，并完成裝配動作；輔助機器

人僅有一個回轉自由度，它抓取第2號(No.2)零件，第1號和第2號零件裝配完成后，再由主機械手完成與第3號(No.3)零件的裝配工作。圖8-20機器人用于零件裝配圖8-21所示是一教學型FMS，由一臺CNC車床、一臺CNC銑床、工件傳送帶、料倉、兩臺關節型機器人和控制計算機組成。兩臺機器人在FMS中服務，一臺機器人服務于加工設備和傳送帶之間，為車床和銑床裝卸工件；另一臺位于傳送帶和料倉之間，負責上、下料。圖8-21機器人上、下料在電路板生產流水線中，一般使用插裝機器人完成器件的查找、搬運和裝配。圖8-17(e)所示就是插裝機器人的典型結構，它主要有搬運器件的手臂的擺動和抓取插裝過程的上下運動兩個動作。

3.其它領域

機器人在其它領域的應用也非常廣泛，如工業機器人可以取代人去完成一些危險環境中的作業(如放射線、火災

、海洋、宇宙等)。例如，2004年1月4日，美國“勇氣”號火星探測機器人實現了人類登陸火星的夢想，圖8-22為“勇氣”號的圖片。圖8-22“勇氣”號火星探測器8.5.1檢測與監控原理

在自動化制造系統的加工過程中，為了保證加工質量和系統的正常運行，需要對系統運行狀態和加工過程進行檢測與監控(如圖8-23所示)。運行狀態檢測監控功能主要是檢測

與收集自動化制造系統各基本組成部分與系統運行狀態有關的信息，把這些信息處理后傳送給監控計算機，對異常情況作出相應處理，保證系統正常運行。加工過程檢測與監控功

能主要是對零件加工精度的檢測和對加工過程中刀具的磨損和破損情況的檢測與監控。8.5檢測與監控系統圖8-23檢測與監控系統的組成

1.運行狀態檢測與監控

自動化制造系統中，需要檢測與監控的運行狀態通常包括：

(1)刀具信息。刀具信息包括以下內容：刀具是否損壞；刀具屬于哪臺機床；刀具型號；損壞的形式；有無備用刀具；是否已處理；刀具使用情況統計等。

(2)機床狀態信息。機床狀態信息包括以下內容：機床是否在正常使用；機床主軸的工作情況；機床工作臺的工作情況；換刀機構的工作情況；影響加工質量的振動情況；主要繼電器的情況；停機時間等。

(3)系統運行狀態信息。系統運行狀態信息包括以下內容：小車的位置狀態；小車空閑情況；托盤位置；托盤

空閑情況；托盤站空閑情況；工件的位置；機器人的工作狀態；清洗站是否有工件；中央刀具庫中刀具的情況等。(4)在線尺寸測量信息。在線尺寸測量信息包括以下內容：合格信息；不合格信息(包括可返工、報廢、尺寸變化趨勢、工件質量綜合信息等)。

(5)系統安全情況信息。系統安全情況信息包括以下內容：電網電壓情況；火災情況；溫度情況；濕度情況；人員情況等。

(6)仿真信息。仿真信息包括以下內容：零件的數控程序是否準確；有無碰撞干涉情況；仿真綜合結果情況等。

2.工件尺寸精度檢測方法

工件尺寸精度是直接反映產品質量的指標，因此在許多自動化制造系統中都采用測量工件尺寸的方法來保證產品質量和系統的正常運行。

(1)直接測量與間接測量。直接測量的測得值及其測量誤差直接反映被測對象及測量誤差(如工件的尺寸大小及其測量誤差)。在某些情況下，由于測量對象的結構特點或測量

條件的限制，采用直接測量有困難，只能通過測量另外一個與它有一定關系的量來得到所需的測量值(如通過測量刀架位移量控制工件尺寸)，這稱為間接測量。

(2)接觸測量和非接觸測量。測量器具的量頭直接與被測對象的表面接觸，量頭的移動量直接反映被測參數的變化，這稱為接觸測量。量頭不直接與工件接觸，而借助電磁感應、光束、氣壓或放射性同位素射線等強度的變化來反映被測參數的變化，這稱為非接觸測量。

由于非接觸測量方式的量頭不與測量對象發生磨損或產生過大的測量力，因而有利于在對象的運動過程中測量和提高測量精度，故在現代制造系統中，非接觸測量方式的自動檢測和監控方法具有明顯的優越性。

(3)在線測量和離線測量。在加工過程或加工系統運行過程中對被測對象進行檢測稱為在線檢測或在線檢驗。有時還對測得的數據進行分析和處理，然后通過反饋控制系統調整加工過程以確保加工質量。如果在被測加工對象加工后脫離加工系統再進行檢測，即為離線測量。離線測量的結果往往要通過人工干預才能輸入控制系統用以調整加工過程。在線測量又可分為工序間(循環內)檢測和最終工序檢測。工序間檢測可實現加工精度的在線檢測及實時補償，而最終工序檢測實現對產品質量的最終檢驗與統計分析。

3.刀具磨損和破損的檢測方法

(1)刀具、工件尺寸及相對距離測定法。測量刀具和工件尺寸一般采用接觸式測頭，測頭的安裝方式有兩種：一種是安裝在機床床身上測量刀具的尺寸，稱為刀具測頭；一種是相當于一個特殊刀具，安裝在機床主軸或刀架上測量工件的尺寸，稱為工件測頭。通過在線測量刀具的位移量和工件新表面的位移量確定刀具的磨損量。

(2)放射線法。在刀刃的磨損部分滲入部分同位素，通過測量同位素的輻射量的大小來確定刀具的磨損量(或破損量)。

(3)電阻法。其基本原理是：隨著刀具磨損量的增加，刀具與工件的接觸面增大，因而刀具與工件之間的接觸電阻減少；或把一種精密的電阻材料均勻地涂在刀具的后表面上，隨著磨損量的增加，電阻材料不斷減少，電阻逐漸下降。

(4)光學圖像法。光學圖像法利用磨損區比未磨損區具有更強的光發射能力的原理，把一束強光照射在后刀面上，根據發射光的強度來判定刀具的使用情況。

(5)切削力法。測力儀的安裝根據加工條件而定。一般情況下，在車床上將測力儀安裝在刀架或刀桿上；在銑床、鉆床等機床上，則將其安裝在工作臺上。利用切削力監測刀具狀態有多種實施方案，利用主切削力FX,FY之比FX/FY或FY/FX及其變化率d(FY/FX)/dt

綜合地監測刀具的磨損和破損。此外，還可用機床的主軸扭矩和軸承力來監測刀具的切削狀態。

(6)切削溫度法。測量切削溫度主要有三種方法：熱化學反應法、磁輻射法、熱電勢法。應用較多的是熱電勢法，它以熱電偶作為測量元件，把熱電偶嵌入刀具中可以測量切削溫度，以監測刀具的磨損。切削溫度法不適用于斷續切削的情況，且不能用來監測刀具的破損。

(7)切削功率法。磨損刀具消耗的功率比鋒利刀具大，切削功率(主電動機功率、進給電動機功率)反映了切削力的大小。功率的測量可以采用交流互感器、直流互感器、霍耳

功率計、分流分壓器等。功率法的優點是信號獲取簡單、可靠，傳感器便于安裝，便于在生產中推廣；但功率信號中的刀具磨損及破損信息較弱，靈敏度低。

(8)振動法。將加速度傳感器安裝在機床工作臺或刀架上，測量機床的振動信號，然后對其進行時域和頻域分析，得出刀具的狀態信息。

(9)噪聲分析法。測量并分析機床的噪聲信號可以監測刀具的狀態。一般來說，利用噪聲信號中某一頻段的能量來監測刀具狀態更為有效，但此方法受環境干擾大。

(10)聲發射法。在材料發生塑性變形或破裂時，會釋放出瞬時的彈性能，并以超聲頻率的聲脈沖波強度變化形式表現出來。聲發射信號的頻率范圍為幾萬赫茲到幾十萬赫茲，當刀具差不多破損時，聲發射強度增加到正常值的3～7倍。

(11)加工表面粗糙度法。在切削過程中，當加工表面的表面粗糙度超差時，就認為刀具已不能再使用。表面粗糙度的測量可以采用光干涉法和接觸探針法。

目前，各國對刀具的磨損和破損的監測仍處于研究階段，實用的商品還比較少。普遍認為有發展前景的監測方法有：切削力(扭矩)法、振動法、功率(電流)法和聲發射法

等。8.5.2檢測與監控應用舉例

例8-1

加工中心(MC)需檢測的運行狀態信息。

MC需檢測的運行狀態信息如下：

(1)環境參數及安全檢測。環境參數檢測是指檢測加工前后及加工過程中的生產環境(包括溫度、濕度、油壓、電壓等)是否滿足加工的要求；安全檢測主要檢測火災、觸電和

生產過程中是否有非法物進入生產環節。

(2)刀庫狀態檢測。刀庫狀態檢測主要檢測刀庫中刀具的位置、類別、型號是否準確。

(3)機床負載檢測。機床負載檢測主要檢測機床的主軸負載和進給負載，以防機床過載而損壞工件、刀具和機床系統。

(4)換刀機構檢測。換刀機構檢測主要檢測換刀機構的動作是否正確。

(5)交換工作臺檢測。交換工作臺檢測主要檢測工作臺的交換動作是否完成，工作臺上的工件是否夾緊。

(6)工作臺振動檢測。工作臺振動檢測主要檢測加工過程中機床工作臺的振動大小，

它直接影響工件的質量，是機床運行狀態的重要標志之一。(7)冷卻與潤滑系統檢測。冷卻與潤滑系統檢測主要檢測機床的冷卻與潤滑系統，使機床的運動部件處于良好的潤滑狀態，并使機床不致過熱而影響加工精度。

(8)CNC/PC系統檢測。一般數控機床、加工中心的控制器均有自診斷功能，將這些功能進行集成就可以檢測CNC／PC系統的運行狀態。圖8-24切削力圖

例8-2

切削力法刀具磨損和破損的檢測與監控。切削力的變化能直接反映刀具的磨損情況，圖8-24中Ⅰ和Ⅱ所示是切削力的變化過程，曲線Ⅰ表示的是鋒利的刀具，曲線Ⅱ表示的是磨鈍了的刀具。切削力的差異ΔF是反映刀具實際磨損的標志。如果Ⅰ切削力突然上升或突然下降，可能預示刀具的折斷。

圖8-25所示為根據切削力的變化判別刀具磨損和破損的系統原理圖。當刀具在切削過程中磨損時，切削力會增大；如果刀具崩刃或斷裂，切削力會劇減。在系統中，工件加工余量的不均勻等因素也會引起切削力的變化，為了避免誤判，取切削分力的比值和比值的變化率作為判別的特征量，即在線測量三個切削分力FX、FY和FZ

的相應電信號，經放大后輸入除法器，得到分力比FX/FZ和FY/FZ，再輸入微分器得到d(FX/FZ)/dt和d(FY/FZ)/dt。將這些數據再輸入相應的比較器中，與設定值進行比較。這個設定值是經過一系列試驗后得出的，說明刀具尚能正常工作或已磨損(破損)的閾值。當各參量超過設定值時，比較器輸出高電平信號，這些信號輸入由邏輯電路構成的判別器中，判別器根據輸入電平值的高低可得出是否磨損或破損的結論。測力傳感器(例如應變片)安放在刀桿上測量效果最好，但由于刀具經常需要更換，因而在結構上難以實現。因此，將測力傳感器安放在主軸前端的軸承外圈上，一方面不受換刀的影響；另一方面此處離刀具切削工件處較近，對直接監測切削力的變化比較敏感，測量過程是連續的。這種檢測方法實時性較好，具有一定的抗干擾能力，但需要通過實驗確定刀具磨損及破損的閾值。

圖8-25用切削力檢測刀具狀態原理圖

例8-3

聲發射法檢測刀具。

固體在產生變形或斷裂時，以彈形波形釋放出變形能的現象稱