人一机一环境系统^[1]技术。将人、机器和环境作为一个系统来研究,发挥系统的最正确效益。研究的重点是:人机环境的体系结构及集成技术、人在系统中的作用及发挥、人机柔性交互技术、人机智能接口技术、清洁制造等。这些主要关键技术表达了21世纪制造技术对CAD/CAM集成系统的要求,表达了CAD/CAM集成开展的方向。

4-2 加工中心根据其加工范围可以分为哪几类?它们与普通的数控机床的最大区别是什么?

数控加工中心按主轴的方向可分为立式和卧式两种,立式加工中心的主轴是垂直的,主要用于精密加工,适合复杂型腔的加工。卧式加工中心的主轴是水平的,一般具有回转^[2]工作台,可进行四面或五面加工,特别适合于箱体零件的加工。除此之外,还有用于精密加工的门形构造加工中心。

按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用〔也称万能、五面体、复合〕加工中心。

在实际应用中,以加工棱柱体类工件为主的镗铣加工中心和以加工回转体^[3]类工件为主的车削加工中心最为多见。由于镗铣加工中心〔1958年由美国KM公司在数控铣床上加刀库〕最早出现,且名为加工中心〔Machining Center〕,所以习惯上常把“镗铣加工中心〞称为“加工中心〞。

它们与普通的数控机床的最大区别是:数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床,又称为自动换刀数控机床,其特点是工序集中和自动化程度高,能控制机床自动地更换刀具,连续地对工件各加工外表自动进行加工,可减少工件装夹次数,防止工件屡次定位所产生的累积误差,节省辅助时间,实现高质、高效加工。

4-3 试论述工业机器人的相关单元技术、分类及性能特征。

相关单元技术:工业机器人一般由执行机构^[4]、控制系统、驱动系统以及位置检测机构等几个局部组成。

〔1〕执行机构 执行机构是一种具有和人手相似的动作功能,可在空间抓放物体或执行其它操作的机械装置,通常包括如下的一些部件:

手部:又称抓取机构或夹持器,用于直接抓取工件或工具。此外,在手部安装的某些专用工具,如:焊枪、喷枪^[5]、电钻、螺钉螺帽拧紧器等,可视为专用的特殊手部。

腕部:是联接手部和手臂的部件,用以调整手部的姿态和方位。

手臂:是支承手腕和手部的部件,由动力关节和连杆^[6]组成。用以承受工件或工具的负荷,改变工件或工具的空间位置,并将它们送至预定的位置。

机座:包括立柱^[7],是整个工业机器人的根底部件,起着支承和联接的作用。

〔2〕控制系统 控制系统是机器人的大脑,支配着机器人按规定的程序运动,并记忆人们给予的指令信息〔如动作顺序、运动轨迹、运动速度等〕,同时按其控制系统的信息对执行机构发出执行指令。

〔3〕驱动系统 驱动系统是按照控制系统发来的控制指令进行信息放大,驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压、气压、电气和机械等四种传动形式。

〔4〕位置检测装置通过力、位置、触觉、视觉等传感器检测机器人的运动位置和工作状态,并随时反响给控制系统,以便使执行机构以一定的精度到达设定的位置。

工业机器人的分类:

〔1〕按系统功能分类

①专用机器人:在固定地点以固定程序工作的机器人,其结构简单、无独立控制系统、造价低廉,如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手。

②通用机器人:具有独立控制系统,通过改变控制程序能完成多种作业的机器人。其结构复杂,工作范围大,定位精度高,通用性强,适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。

③示教再现式机器人:具有记忆功能,在操作者的示教操作后,能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。

④智能机器人:采用计算机控制,具有视觉、听觉、触觉等多种感觉功能和识别功能机器人,通过比拟和识别,自主做出决策和规划,自动进行信息反响.完成预定的动作。

〔2〕按驱动方式分类

①气压传动机器人:以压缩空气作为动力源驱动执行机构运动的机器人,具有动作迅速、结构简单、本钱低廉的特点,适用于高速轻载、高温和粉尘大的环境作业。

②液压传动机器人:采用液压元器件驱动,具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点,适用于重或低速驱动场合。

③电气传动机器人:用交流或直流伺服电动机驱动的机器人,不需要中间转换机构,机械结构简单、响应速度快、控制精度高,是近年来常用的机器人传动结构。

〔3〕按结构形式分类

①直角坐标机器人:由三个相互正交的平移坐标轴组成〔图4—12a〕,可沿三个直角坐标移动,各个坐标轴运动独立,具有控制简单、定位精度高的特点。

②圆柱坐标机器人;由支柱和一个安装在立柱上的水平臂组成,其立柱安装在回转机座上,水平臂可以自由伸缩^[8],并可沿立柱上下移动。该类机器人具有一个旋转轴和两个平移轴〔图4—12b〕。

③球坐标机器人:由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂^[9]组成,具有两个旋转轴和一个平移轴〔图4—12c〕。可伸缩摇臂^[10]的运动结构与坦克的转塔类似,可实现旋转和俯仰运动。

④关节机器人:关节机器人的运动类似人的手臂,由大小两臂和立柱等机构组成。大小臂之间用铰链联接形成肘关节,大臂和立柱联接形成肩关节,可实现三个方向旋转运动〔图4—12d〕。它能抓取靠近底座的物件,也能绕过机体和目标间的障碍物去抓取物件,具有较高的运动速度和极好的灵活性,成为最通用的机器人。

〔4〕按执行机构运动的控制机能分类

可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位,适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业;连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动,适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人的性能特征:

工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率相可靠性,在机器人设计和选用时应考虑如下几个性能指标:

〔1〕自由度 自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。所谓自由度是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动。每个自由度需要一个伺服轴进行驱动,因而自由度数越高,机器人可以完成的动作越复杂,通用性越强,应用范围也越广,但相应地带来的技术难度也越大。一般情况下,通用工业机器人有3—6个自由度。

〔2〕工作空间 是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。如图4-12a、b、c、d分别为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人的工作空间,而直角坐标机器人的工作空间那么是一个矩形空间。圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱体,而球坐标机器人是一球体。所以,工作空间是选用机器人时应考虑的一个重要因素。

〔3〕特种加工技术。特种加工技术是指那些不属于常规加工范畴的加工,如高能束流〔电子束、离子束、激光束〕加工、电加工〔电解和电火花加工〕、超声波加工、高压水加工以及多种能源的组合加工。

〔4〕外表改性、制膜和涂层技术。外表改性、制膜和涂层技术是采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合技术对产品外表进行改性、制膜和涂层,赋予产品耐磨、耐蚀、耐〔隔〕热、抗疲劳、耐辐射以及光、热、磁、电等特殊功能,从而到达提高产品质量、延长使用寿命和赋予新性能的新技术统称,是外表工程的重要组成局部。

3、自动化技术

制造自动化是指用机电设备取代或放大人的体力,甚至取代和延伸人的局部智力,自动完成特定的作业,包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。其目的在于减轻劳动强度、提高生产效率、减少在制品数量、节省能源消耗以及降低生产本钱。

自动化技术主要包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技术、传感技术。自动检测及信号识别技术和过程设备工况监测^[11]与控制技术等。

4、系统管理技术

系统管理技术是指企业在市场开发、产品设计、生产制造、质量控制到销售效劳等一系列的生产经营活动中,为了使制造资源〔材料、设备、能源、技术、信息以及人力〕得到总体配置优化和充分利用,使企业的综合效益〔质量、本钱、交货期〕得到提高而采取的各种方案、组织、控制及协调的方法和技术的总称。它是现代制造技术体系中的重要组成局部,对企业的最终效益提高起着重要的作用。

系统管理技术包括工程管理、质量管理、管理信息系统等,以及现代制造模式〔如精益生产、CIMS、敏捷制造、智能制造等〕、集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。

1-3先进制造的关键技术。

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