數控機床全套第9章新技術在數控機床中的應用9.1柔性制造系統（FMS）9.2計算機集成制造系統（CIMS）9.3工業機器人9.1柔性制造系統（FMS）9.1.1FMS的產生與發展1.計算機數控系統FMS初級階段是計算機數控系統CNCS，它用計算機通過執行其寄存器內的程序來完成數控系統的部分或全部功能，并配有接口電器、輸入輸出設備、可編程控制器（PLC）、主軸驅動驅動給驅動裝置等組成的一種專用計算機系統。如圖9-1所示。2.柔性制造單元FMC由單臺帶有多托盤系統的加工中心或三臺以下的CNC機床組成，它可以自動地加工一組工件，適用于小批量多品種加工。如圖9-2、9-3所示。下一頁返回9.1柔性制造系統（FMS）3.柔性制造生產線柔性制造生產線又稱為柔性自動線或可變自動線，它與傳統的剛性自動線的區別在于它能同時或集資加工少量不同的工件。如圖9-7所示。4.柔性制造系統FMS是由兩臺以上CNC機床組成并配備有自動化物料儲運子系統的制造系統，它是適用于中小批量、較多品種加工的高柔性、高智能的制造系統。如圖9-8所示為精密機械零件的FMS。返回上一頁下一頁9.1柔性制造系統（FMS）9.1.2FMS的定義、組成與工作原理1.FMS的定義目前對FMS還沒有統一的定義，它作為一種先進制造技術的代表，不局限于零件的加工，在與加工和裝配相關的領域里也得到越來越廣泛的應用。所以，有關FMS折定義和描述有多種。2.FMS的組成由于FMS強調制造過程的柔性和高效率，因而適應于多品種、中小批量的生產。FMS的主要硬件設備有計算機、數控機床、機器人、托盤、傳輸線、自動搬運小車和自動立體倉庫等。它實現了工廠中工程設計、制造和經營管理三大功能中的“制造”功能。如圖9-10所示。3.FMS的工作原理FMS的原理框圖如圖9-12所示。返回上一頁下一頁9.1柔性制造系統（FMS）9.1.3FMS的分類、特點與作用1.FMS的分類（1）配備互補機床的FMS（2）配備可互相替換機床的FMS（3）混合式的FMS2.FMS的特點實際上，一個普通零件逗留在工廠的全部時間中，近95%是在等待，2%用于裝卸，只有3%用于實際加工。3.FMS的作用FMS是一個計算機化的自動化制造系統，能以最少的人工干預加工任一范圍的零件組工件。FMS的加工系統包括銑削加工中心、車削加工中心、主軸箱更換式機床等設備。加工系統中所需設備的類型、數量、尺寸等均由被加工零件的類型、尺寸范圍和批量大小來決定。下一頁返回上一頁9.1柔性制造系統（FMS）9.1.4FMS自動加工系統1.FMS對加工設備的要求由于FMS是高自動化的制造系統，不是任何加工設備均可納入FMS中。所以納入FMS運行的機床必須具備三個特點，即工序集中、高柔性與高生產率和控制方便。2.加工設備選擇的原則FMS中的加工設備應該是可靠的、自動化的、高效率和高柔性的。在選擇時，需考慮到該FMS加工零件的尺寸范圍、經濟效益、零件的工藝性、加工精度和材料等。返回上一頁下一頁9.1柔性制造系統（FMS）3.典型加工設備（1）車削加工中心（TC）（2）加工中心（MC）4.自動化加工設備在FMS中的控制與集成（1）數字控制（2）自適應控制（3）控制傳感器（4）計算機數字控制（5）集成化DNC系統（6）通過網絡的通信集成返回下一頁上一頁9.1柔性制造系統（FMS）9.1.5FMS的物流系統1.零件和自動運輸零件運輸系統主要完成兩類不同的任務：一類是零件毛坯、原材料由外界搬運進系統，以及將加工好的成品從系統中搬運走；另一類是毛坯、原材料、半成品在FMS內部的搬運。在一般情況下前者是需要人工干預的，而后者可以在計算機的統一管理和控制下自動完成。2.零件運輸工具系統在FMS中，零件運輸系統執行托運的機構主要采用以下三種：有軌輸送系統、無軌輸送系統和機器人傳送系統。其選擇與生產系統的布局和運行直接相關，且要與生產流程和生產設備類型相適應，對生產系統的生產效率、復雜程度、占用資金多少和經濟效益都有較大的影響。下一頁返回上一頁9.1柔性制造系統（FMS）3.零件的自動儲存零件的自動儲存設備主要有：托盤緩沖站、工件裝卸站和自動化倉庫。4.自動上下料裝置在FMS中，自動上下料裝置是完成加工設備之間、加工設備與自動化倉庫之間的輸送和搬運等。另外，FMS中的所有機床必須接受同一形式的托盤。若在同一系統中，使用不同廠家的機床，必須設計統一標準的接口，以便托盤交換。自動上下料裝置通常有托盤交換器、多反射角盤庫運載交換器、機器人等。返回上一頁下一頁9.1柔性制造系統（FMS）9.1.6FMS的信息流系統1.FMS的信息流模型要保證FMS的各種設備裝置與物流系統能自動協調工作并具有充分的柔性，能迅速響應系統內外部的變化，及時調整系統的運行狀態，關鍵就是要準確地規劃信息流，使各個子系統之間的信息有效、合理的流動，從而保證系統的計劃、管理、控制和監視功能有條不紊地進行。2.FMS的信息流要素、聯系和特征（1）FMS的信息流要素FMS系統中共有三種不同類型的數據，分別是基本數據、控制數據和狀態數據。返回上一頁下一頁9.1柔性制造系統（FMS）（2）FMS的信息流間的聯系在FMS系統運行過程中，這些數據相互之間有著各種聯系，主要表現為以下三種形式。①數據聯系②決策聯系③組織聯系（3）FMS信息流的特征FMS管理和控制的信息流程，是由作業計劃、加工準備、過程控制與監控等功能模塊組成。3.FMS的控制結構FMS的控制系統負責控制整個系統協調、優化、高效的運行。對于FMS這樣復雜的自動化制造系統，FMS通常采用遞階控制結構，如圖9-30所示。返回下一頁上一頁9.1柔性制造系統（FMS）4.開放式單元控制器的功能模型開放式單元控制器應具有下列四個特征。（1）時間和空間上具有開放性（2）功能結構上具有柔性（3）敏捷制造的反應能力（4）遵守ISO/OSI開放式系統參考模型在接口、服務和支持方式上充分采用規范和標準。返回上一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）9.2.1CIMS的產生與發展1.CIMS的產生計算機集成制造最早是由美國約瑟夫。哈林頓博士于1973所提出的。2.CIMS技術內涵的發展我國CIMS主題研究和實施技術的核心是現代集成制造其中集成分為三個階段：信息集成、過程集成和企業集成。而目前，我國技術發展路線是加強設計和管理，并實現企業的信息集成。這是我國CIMS的一個特點。返回下一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）9.2.2CIMS的基本概念與組成1.CIM和CIMS的基本概念CIM是組織現代生產的一種哲理，是一種指導思想，CIMS是這種哲理的實現。CIM作為制造型企業生產組織管理的一種新理念，其內涵是：借助以計算機為核心的信息技術，將企業中各種與制造有關的技術系統集成起來，使企業內的種類功能得到整體優化，從而提高企業適應市場競爭的能力。2.CIMS的組成從系統的功能角度考慮，一般認為CIMS可由經營管理信息系統、工程設計自動化系統、制造自動化系統和質量保證信息系統四個功能分系統，以及計算機網絡和數據庫管理兩個支撐系統組成，如圖9-34所示。下一頁返回上一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）3.CIMS的控制結構CIMS是一個復雜龐大的工程系統，通常采用遞階控制體系結構。所謂遞階控制，即將一個復雜的控制系統按照其功能分解成若干層次，各層次進行獨立的控制處理，完成各自的功能；層志層之間保持信息交換，上層對下層發出命令，下層向上層回送命令執行結果，通過通信聯系構成一個完整的控制系統。這種控制模式減小了系統的開發和維護難度，已成為當今復雜系統的主流控制模式。如圖9-35所示。4.CIMS技術集成關系CIMS的關鍵是集成，集成是指將基于信息技術的資源及應用、集聚成一個協同工作的整體。集成包含功能交互、信息共享及數據通信，如圖9-36所示。返回上一頁下一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）9.2.3CIMS的體系結構1.CIMS體系功能構成一個制造企業從功能看，可以簡單地分為設計、制造、經營管理三個方面。由于產品質量對一個制造企業的競爭和生存越來越重要，因此，常常也把質量保證系統作為企業功能的主要方面之一。為了實現企業功能的集成，還需要有一個支撐環境，包括網絡、數據庫和集成方法。如圖9-38所示。2.CIMS體系分系統根據CIMS的功能構成，CIMS是由4個功能分系統和兩個支撐分系統組成。即CIMS通常是由管理信息系統、產品設計與工程設計自動化系統、制造自動化系統、計算機輔助質量保證系統以及計算機網絡和數據管理系統等6個部分有機地集成起來的。如圖9-39所示為6個分系統的框圖及其與外部信息的聯系。返回下一頁上一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）3.面向功能和控制的體系結構按系統工程原理，一CIMS在結構上要求有合理的“水平”分解與集成，即對CIMS進行正確、合理、精簡而又充分的分解。另一方面要求有合理的“垂直”分解與集成，即確定合理的遞階控制層數。在保證有效控制的前提下，晝減少遞階控制的層數。如圖9-43所示為美國制造工程學會提出的輪式結構。4.面向生命周期的體系結構每一類產品的出現和存在都會經歷“構思-開發-制造-使用”4個階段。我們把從“構思”到“使用”的過程稱為產品的生命周期。與此類似，制造系統也有反映為“系統需求分析與定義-系統設計-系統實施-系統運行”的生命周期。如圖9-44所示為CIMOSA開放體系結構。下一頁返回上一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）5.面向集成平臺的體系結構“集成平臺”是指面向應用的集成開發和運行環境。通過集成平臺，可將數據結構不同的應用系統緊密地集成而構成CIMS，以此減少系統集成復雜程度，提高系統開放性及標準化水平。9.2.4CIMS中的先進制造模式1.并行工程（CE）（1）并行工程的定義與目標并行工程又稱同期工程，始于20世紀80年代。關于并行工程的定義目前國際上有多種提法，其中已被普遍接受的是美國國防研究所在1988年12月給出的定義：“并行工程是一種對產品及其相關過程進行并行的、一體化設計的工作模式，這種模式可使產品開發人員一開始就能考慮到從產品概念設計到產品消亡的整個產品生命周期中的所有因素，包括質量、成本、進度和用戶需求。”返回上一頁下一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）（2）并行工程的運行工作模式如圖9-45所示為串、并行工程時序的比較。所謂串行工程是在前一工作環節完成之后才開始一工作環節的工作各個工作環節的作業時序上沒有重疊和反饋，即使有反饋，也是事后的的反饋。（3）并行工程的特征并行工程是企業組織生產的一種哲理和方法，并行工程不是某種現成的系統或結構。并行工程與傳統的串行工程比較具有如下的工作特征。（4）并行工程關鍵技術并行工程是一種以空間換取時間來處理系統復雜性的系統化方法，它以信息論、控制論和系統論為基礎，在數據共享、人-機交互等工具支持下，按多學科、多層次協同一致的組織方式工作。返回上一頁下一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）（5）并行工程的支持工具并行工程是一種群體設計團隊的工作模式，需要有協同的工作環境和工具的支持。2.精良生產（LP）（1）精良生產的定義與目標精良生產起源于20世紀50年代日本豐田汽車公司的一種生產管理方法，又稱為精益生產，它集單件生產與大批量生產方式的優點于一體。精良生產追求的目標是：盡善盡美、精益求精，實現無庫存、無廢品、低成本的生產。（2）精良生產方式與特征精良生產方式綜合了單件生產與大量生產的優點，既避免了高成本，又避免了僵化。返回上一頁下一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）（3）精良生產的體系結構如果將精良生產體系看成一幢大廈，如圖9-50所示。大廈的基礎就是在計算機信息網絡支持下的群體小組工作方式和并行工程大廈的支柱就是及時生產、成組技術和全面質量管理，精良生產是大廈的屋頂。三根支柱代表著三個本質方面，缺一不可，它們之間還須相互配合。3.敏捷制造（AM）(1)敏捷制造的定義與目標敏捷制造又被稱為靈活制造，是1991所由美國國防部根據國會的指令，委托里海大學的亞科爾研究所對美國制造業進行戰略研究后提出的。敏捷制造就是在不斷變化與不可預測的環境中，企業贏得成功的一種技能與方法，如圖9-51所示為敏捷制造概念示意圖。返回上一頁下一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）（2）敏捷制造的特點①敏捷制造企業不僅能迅速設計、試制全新的產品，而且還易于吸收實際經驗和工藝改革建議，不斷改進老產品。②敏捷制造企業能在整個生命周期中滿足用戶要求。③敏捷制造企業的生產成本與生產批量無關，其戰略著眼點在于長期獲取經濟效益，做到完全按訂單生產，充分把握市場中的每一個獲利時機，使企業長期獲取經濟效益。④敏捷制造企業采用多變的動態組織結構。⑤敏捷制造企業通過所建立的基礎機構，充分利用先進的柔性可重組制造技術，實現企業經營目標。⑥敏捷制造企業把最大限度地調動、發揮人的作用作為最大的競爭武器。返回上一頁下一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）4.虛擬制造（VM）（1）虛擬制造的定義虛擬制造是利用仿真與虛擬顯示技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，采用群組協同工作，通過模型來模擬和預估產品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題，實現產品制造的本質過程，包括產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗、并進行過程管理與控制。（2）虛擬公司①虛擬公司的定義與策略②虛擬公司的形式與特征返回上一頁下一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）（3）虛擬產品①虛擬產品與開發。虛擬產品是一種數字產品模型，是將產品開發過程中所需的各種信息數字化的載體。如圖9-53所示，虛擬產品包含產品開發過程中所必需的用于產品商討的CAD模型、產品分析的CAE模型、工藝規劃的CAPP模型、數控加工和模擬的NC模型和用于質量保證的CAD模型等。②虛擬產品開發過程與特點。虛擬產品開發有“三要素”：產品定義數據、環境定義數據、產品與環境的交互作用規律。5.智能制造系統（IMS）（1）智能制造系統的定義所謂智能制造系統就是智能制造模式展現的載體，它是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化系統，突出了在制造環節中，以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機模擬人類專家的智能活動進行分析、判斷、推理、構思和決策，取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動。返回上一頁下一頁9.2計算機集成制造系統（CIMS）（2）智能制造系統的特征①自律能力②人機一體化③虛擬現實技術④自組織與超柔性⑤學習能力與自我維護能力6.綠色制造（GM）綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式，其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環境的影響最小，資源效率最高。綠色制造是可持續發展戰略在制造業中的體現，或者說綠色制造是現代制造業的可持續發展模式。返回上一頁9.3工業機器人9.3.1工業機器人的發展史1.工業機器人發展歷程（1）20世紀50年代—萌芽期（2）20世紀60年代—黎明期（3）20世紀70年代—實用化期（中國：萌芽期）（4）20世紀80年代—普及期（中國：開發期）（5）20世紀90年代—擴展滲透期（中國：實用化期）2.我國工業機器人發展現狀我國的工業機器人從20世紀80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵無器件。返回下一頁9.3工業機器人3.工業機器人主要研究內容（1）示教再現型工業機器人產業化技術研究（2）智能機器人開發研究（3）機器人化機械研究開發（4）以機器人為基礎的重組裝配系統（5）多傳感器信息融合與配置技術4.工業機器人的應用領域經過四十多年的發展，工業機器人已在越來越多的領域得到了應用。5.國內外主要的工業機器人生產廠商6.工業機器人的發展趨勢工業機器人技術正在向智能化、模塊化和系統化的方向發展。返回上一頁下一頁9.3工業機器人9.3.2工業機器人的組成與分類1.工業機器人的組成工業機器人一般由執行機構、控制系統、驅動系統以及位置檢測機構等幾個部分組成。如圖9-56所示為關節型工業機器人。2.工業機器人的種類工業機器人的類型很多，可以按機器人的系統功能、是否移動、驅動方式以及機器人的結構形式進行分類。（1）按系統功能分類①專用機器人②通用機器人③示教再現式機器人④智能機器人返回上一頁下一頁9.3工業機器人（2）按是否移動分類①固定式機器人如圖9-57所示②移動式機器人如圖9-58所示（3）按驅動方式分類①氣壓傳動機器人②液壓傳動機器人③電氣傳動機器人（4）按結構形式分類①直角坐標機器人如圖9-59所示②圓柱坐標機器人如圖9-60所示③球坐標機器人如圖9-61所示④關節機器人如圖9-62所示返回上一頁下一頁9.3工業機器人3.工業機器人的性能特征（1）自由度自由度是衡量機器人技術水平的主要指標之一。（2）工作空間工作空間是選用機器人時應考慮的一個重要參數。（3）提取重力提取重力是反映機器人負載能力的一個參數。（4）運動速度運動速度影響機器人的運動周期和工作效率，它與機器人所提取的重力和位置精度都有密切的關系。（5）位置精度位置精度是衡量機器人工作質量的又一項重要指標。返回上一頁下一頁9.3工業機器人9.3.3工業機器人的控制技術控制系統是機器人的重要組成部分，使機器人按照指令要求去完成相應的作業任務。如圖9-63所示。1.工業機器人控制系統的分類（1）按照控制回路和不同分類可將機器人控制系統分為開環系統和閉環系統。（2）按照控制系統的硬件分類主要有機械控制、液壓控制、射流控制、順序控制和計算機控制等。（3）按照自動化程度分類機器人控制系統分為順序控制系統、程序控制系統、自適應控制系統和人工智能系統。返回上一頁下一頁9.3工業機器人（4）按照編程方式分類主要有物理設置編程控制系統、示教編程控制系統和離線編程控制系統。（5）按照機器人末端運動控制軌跡分類主要有點位控制和輪廓控制。2.工業機器人的位置伺服控制如圖9-64所示剛性臂控制系統的構成示意圖。3.工業機器人電動伺服驅動系統機器人電動伺服驅動系統是利用各種電動機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執行機構。返回上一頁下一頁9.3工業機器人4.工業機器人的自適應控制（1）模型參考自適應控制其控制器的作用是使得系統的輸出響應趨近于某指定的參考模型。因而必須設計相應的參數調節機構，如圖9-65所示。（2）自校正適應控制如圖9-66所示的自校正適應控制，是由表現機器人動力學離散時間模型各參數的估計機構與用其結果來決定控制器增益或控制輸入的部分組成，采用輸入輸出數與機器人自由度相同的模型，把自校正適應控制法用于機器人。返回上一頁下一頁9.3工業機器人5.機器人的軟件結構（1）機器人的系