先进制造技术制造自动化技术.ppt

*,*,*,先进制造技术_制造自动化技术,2,第,4,章,制造自动化技术,Manufacturing Automation Technology,4,.1,概述,Introduction,课程,“,先进制造技术,”,3,计算机辅助设计（,CAD,）,计算机辅助产品工程（,CAE,）,计算机产品数据管理（,PDM,）,制造技术的自动化,产品设计自动化,4.1.1,制造自动化技术的内涵,企业管理自动化,企业,ERP,（,Enterprise Resource Planning,）,加工过程自动化,包括各种计算机控制技术，如,CNC,、,DNC,、自动存储和运输设备、自动检测和监控设备等,质量控制自动化,计算机辅助工艺设计（,CAPP,）,计算机辅助制造（,CAM,）,如计算机集成制造系统（,CIMS,）、敏捷制造（,AM,）、并行工程等,。,制造系统的自动化,4,自动单机和刚性自动线；本阶段在,20,世纪,40,50,年代已相当成熟。,特征,:,高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。,引入的新技术有继电器程序控制、组合机床等。,制造自动化技术的发展历程,第一阶段,(1913-),：刚性自动化,第二阶段,(1930-),：数控加工,NC,和,CNC,；本阶段的,NC,在,20,世纪,50,70,年代已成熟，但到了,7080,年代，,CNC,取代了,NC,。,特征,:,柔性好、加工质量高，适应于多品种、中小批量,(,包括单件,),产品的生产。,引入的新技术有数控技术、计算机编程技术等。,4.1.1,制造自动化技术的内涵,5,主要技术：成组技术,(GT),、计算机直接数控和分布式数控,(DNC),、柔性制造单元,(FMC),、柔性制造系统,(FMS),、柔性加工线,(FML),、离散系统理论和方法、仿真技术、车间计划与控制、制造过程监控技术、计算机控制与通信网络等。,第三阶段,(1965-),：柔性制造,智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造和绿色制造。,第五阶段,(1991-),：新的制造自动化模式,特征是强调制造全过程的系统性和集成性。主要技术：现代制造技术、管理技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术等。,第四阶段,(1973-),：计算机集成制造系统,(CIMS),4.1.1,制造自动化技术的内涵,6,表,1-1,三种自动化形式比较,比较项目,刚性自动化,柔性自动化,综合自动化,实现目标,减轻工人劳动强,度，节省劳动力，,保证加工质量，降,低生产成本,减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，,缩短产品制造周期,除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，,提高对市场的响应能力,控制对象,物流,物流,物流，,信息流,特点,通过机、电、液,气等,硬件控制,方式,实现，因而是刚性,的，变动困难,以,硬件为基础，以软件为支持,，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的,不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且,涉及脑力劳动以及设计、经营管理,等各方面,典型系统,与装备,自动机床、组合,机床，机械手，,自,动生产线,NC,机床，加工中心，工业机器人，,DNC,，,FMC,，,FMS,CAD/CAM,系统，,MRP,，,CIMS,应用范围,大批大量生产,多品种、中小批量生产,各种生产类型,关键技术,继电器程序控制技术，,经典控制论,数控技术，计算机控制，,GT,，,现代控制论,系统工程，信息技术，,计算机技术，管理技术,4.1.1,制造自动化技术的内涵,7,图,4-1,汽车后桥齿轮箱加工自动线,刚性自动化,20,年代,4.1.1,制造自动化技术的内涵,8,柔性自动化,50,年代,图,4-2,焊接机器人,综合自动化,7,0,年代,图,7-3,综合自动化,4.1.1,制造自动化技术的内涵,9,制造全球化的概念出于美日欧等发达国家的智能系统计划。近年来随着,Internet,技术的发展，制造全球化的研究和应用发展迅速。,制造全球化,制造网络化,敏捷制造是一种面向,21,世纪的制造战略和现代制造模式，敏捷化是制造环境和制造过程面向,21,世纪制造活动的必然趋势。,制造敏捷化,4,.1.2,制造自动化技术的发展趋势,制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。,制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成。,企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用。,通过网络，实现异地制造。,10,虚拟制造,(VM),是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工现实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。,制造虚拟化,绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响,(,负作用,),最小，资源效率最高。,制造绿色化,智能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现制造过程的优化。,制造智能化,4,.1.2,制造自动化技术的发展趋势,数控机床技术,工业机器人,11,第,4,章,制造自动化技术,Manufacturing Automation Technology,4,.2,数控机床技术,NC Machine Tool Technology,课程,“,先进制造技术,”,12,4,.2.1,数控机床的基本概念,1948,年，美国帕森斯,(Parsons),公司在研制加工直升机叶片轮廓检验用样板的机床时，首先提出了应用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。后来受美国空军委托，帕森斯公司与麻省理工学院（,MIT,）伺服机构实验室合作进行研制工作，于,1952,年研制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床。,数控机床的诞生,图,4-3,麻省理工学院（,MIT,）伺服机构实验室,13,4,.2.1,数控机床的基本概念,这是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行控制的自动化方法。,是用计算机通过数字信息来自动控制机械加工的机床。具体地说，数控机床是通过编制程序，即通过数字,(,代码,),指令来自动完成机床各个坐标的协调运动，正确地控制机床运动部件的位移量，并且按加工的动作顺序要求自动控制机床各个部件的动作,数字控制,（,NC,）,数控技术,指用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。由于计算机应用技术的成熟，数控系统均采用了计算机数控（,CNC,，,Computer Numerical Control,）以区别于传统的,NC,。,数控机床,14,图,4-4,数控机床组成框图,4.2.2,数控机床的组成,15,数控装置,伺服驱动装置,检测反馈装置,4.2.2,数控机床的组成,由硬件和软件部分组成，接受输入代码经缓存、译码、运算插补等转变成控制指令，实现直接或通过,PLC,对伺服驱动装置的控制。,是数控装置和机床主机之间的联接环节，接受数控装置的生成的进给信号，经放大驱动主机的执行机构，实现机床运动。,是通过检测元件将执行元件（电机、刀架）或工作台的速度和位移检测出来，反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统。,16,PLC,、机床,I/O,电路和装置,机床本体,4.2.2,数控机床的组成,是数控机床的机械结构件（床身箱体、立柱、导轨、工作台、主轴和进给机构等,PLC(Programmable Logic Controller),：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的,I/O,控制，它由硬件和软件组成；,机床,I/O,电路和装置：实现,I/O,控制的执行部件,(,由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等,),组成的逻辑电路；,17,4.2.3,数控机床的类型,经济型数控车床,全功能数控车床,18,4.2.3,数控机床的类型,车削中心,双主轴数控车削中心,19,4.2.3,数控机床的类型,立式数控铣床,卧式数控铣床,龙门数控铣床,20,4.2.3,数控机床的类型,经济型数控铣床,高速数控铣床,21,4.2.3,数控机床的类型,立式,加工中心,卧式,加工中心,22,4.2.4,数控机床的发展历程,硬线数控,G1:19521955,，电子管,G2,:,19551959,，晶体管,G3:19591965,，小规模集成电路,23,4.2.4,数控机床的发展历程,计算机数控,G4:1970s(19701974),，小型计算机,G5:1974-,微处理器,(MCNC),1979,超大规模集成电路,(VLIC),G6:1994,基于,PC-NC.,24,高速主轴单元,(,电主轴，转速,15000,100000r/min),高速且高加,/,减速度的进给运动部件,(,快移速度,60120m/min,，切削进给速度高达,60 m/min),高性能数控和伺服系 统以及数控工具系统,目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到,50008000 m/min,以上；主轴转数在,30000 r/min(,有的高达,10,万,r/min),以上；工 作台的移动速度,(,进给速度,),：在分辨率为,1,微米时，在,100m/min(,有的到,200m/min),以上，在分辨率为,0.1,微米时，在,24m/min,以上；自动换刀速度在,1,秒以内；小线段插补进给速度达到,12m/min,。特征,:,高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。,世界数控技术及其装备的发展特征,高速、高效,4.2.4,数控机床的发展历程,25,普通级数控机床的加工精度已由,10m,提高到,5m,；,精密级加工中心的加工精度则从,35m,，提高到,11.5m,，甚至更高；,超精密加工精度进入纳米级,(0.001,微米,),，主轴回转精度要求达到,0.010.05,微米，加工圆度为,0.1,微米，加工表面 粗糙度,Ra=0.003,微米等。,高精度,高可靠性,当前国外数控装置的,MTBF,值已达,6000,小时以上，驱动装置达,30000,小时以上。,4.2.4,数控机床的发展历程,26,复合化,多轴化,5,轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，最近，国外还在研究,6,轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心。,4.2.4,数控机床的发展历程,机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂 形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。,智能化,智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的 智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题,。,27,以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。,并联机床的基本结构,布局特点,基本结构形式,它的结构完全不同于传统机床，看不到明显的床身、导轨、立柱和横梁等结构，它的基本结构是一个活动平台。,有六杆、三杆、立式、卧式并联机床，结构形式为并联、串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。,4.2.5,并联运动机床,28,4.2.5,并联运动机床,并联机床,HexaM,简图,并联机床结构示意简图（,6SPS,机构,）,该机床的运动路线为,:6,个伺服电机的运动通过丝杠,(,驱动轴,),、螺母和连杆传给装有电主轴的刀具夹板，从而带动刀具作任意空间曲线运动,。,该并联机床由运动平台、固定平台以及能伸缩的若干驱动杆组成,，,运动平台与固定平台由,6,根驱动杆（伸缩杆）相连,，,每个驱动杆两端都是球铰副,，,中间有一个移动副,。,驱动器驱动移动副作相对运动,，,改变伸缩杆的长度,，,便可改变运动平台的位姿,，,若将刀具安装在运动平台上,，,则通过控制六杆长度的变化,，,便可改变刀具在空间的位置与姿态,，,满足加工要求,.,29,传统机床：,以床身、立柱、横梁等作为支撑部件，主轴部件和工作台沿支撑部件上的直线导轨移动，按照,XYZ,坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀具相对于加工工件的运动轨迹。,4.2.5,并联运动机床,并联机床与传统机床的比较,Z,X,Y,图,4-5,传统机床,30,并联运动机床：,以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，工作台与机床框架连接在一起，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀具相对于加工零件的运动轨迹。,4.2.5,并联运动机床,机床框架,杆件,动平台,图,4-6,并联机床,31,并联机床的优点,4.2.5,并联运动机床,运动精度高：,有效地减少了运动链的长度，将支撑与传动功能集成一体,可实现高速加工：,运动部件少，质量轻，有利于获得高的进给速度,机床刚性好：,消除了悬臂结构，没有横梁、立柱等承受弯曲的载荷部件,结构简单,P800M,型并联运动机床,工业机器人技术,32,第,4,章,制造自动化技术,Manufacturing Automation Technology,4,.3,工业机器人技术,Industrial Robotic Technology,课程,“,先进制造技术,”,33,生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）,造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲,),人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态,),人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等,),机器人的起源,1886,年法国作家利尔亚当在他的小说,未来夏娃,中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（,android,），它由,4,部分组成：,4.3.1,概述,1920,年捷克作家卡雷尔,卡佩克的科幻剧本,罗萨姆的万能机器人,中 的主人公“,Robota”,（在捷克语中是奴隶的意思）是一个具有人的外表、特征与功能，并为人服务的机器人。英语的“,Robot”,由此而来。,34,森政弘与合田周平：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等,7,个特征的柔性机器”。,加藤一郎提出，机器人具有：具有脑、手、脚等三要素的个体；具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；具有平衡觉和固有觉的传感器。,机器人的定义,1967,年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义：,4.3.1,概述,1987,年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：,“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”,我国科学家对机器人的定义是：,“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。,35,机器人的分类,分类名称,简要解释,操作型机器人,能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。,程控型机器人,按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。,示教再现型机器人,通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。,数控型机器人,不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。,感觉控制型机器人,利用传感器获取的信息控制机器人的动作。,适应控制型机器人,机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。,学习控制型机器人,机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。,智能机器人,以人工智能决定其行动的机器人。,4.3.1,概述,36,37,工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人,特种机器人用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。,工业机器人技术概念,机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。,工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。,机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。,4.3.1,概述,38,通常是由安装在机体上的若干个回转（或移动）关节与杆件相互联接构成的多自由度主动机构组成，人们力图把它设计成具有拟人的手臂或动物肢体动作功能的一种固定式或移动式的机器。,包括：人,-,机接口装置（键盘、示教盒、操纵杆等），具有存贮记忆功能的电子控制装置（计算机、,PLC,或其他可编程逻辑控制装置），各种传感器的信息放大传输及信息处理装置、速度、位置伺服驱动系统（交、直流,PWM,、电,-,液伺服系统或其他继电驱动系统等）与外部设备、传感器、离线编程设备等通信的输入,/,输出接口以及各种电源装置等。,操作机（执行系统）,4.3.2,工业机器人的基本组成,控制装置,39,4.3.2,工业机器人的基本组成,40,输出功率大，可无级调速，控制精度较高；,可标准化，易实现直接驱动；,功率,/,质量比大，结构紧凑；,易漏油，对环境有污染；,适用于重载、低速传动，如喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人。,驱动系统,液压驱动,4.3.2,工业机器人的基本组成,气压驱动,输出功率大，可标准化，易实现直接驱动；,功率,/,质量比大，结构紧凑；,噪声大，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制；,适用于中小负载、精度要求较低的机器人，如冲压机器人。,41,输出功率大，控制精度较高，可实现高速、高精度的连续轨迹控制；,伺服电机可标准化，结构性能好，噪声低，无密封问题；,一般需配置减速装置，控制系统复杂；,适用于中小负载、要求具有较高位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人和装配机器人。,电动驱动,4.3.2,工业机器人的基本组成,用于测量机器人自身运动速度、位置及加速度的传感器，称内部传感器；,用于感受和测量外部环境信息和作业对象工况的传感器，称外部传感器。,传感器,42,装配每台汽车车体一般大约需要完成,3000,4000,个焊点，其中,60,是由点焊机器人完成的。,焊接机器人,点焊机器人,4.3.3,工业机器人的应用案例,1-,手臂及手腕,2-,臂架,3-,橡皮缓冲器,4-,肘形节杆,5-,回转台,6-,基座,7-,连接电缆,8-,转台缓冲器,9-,第一轴,(,转台,),电动机,(M1)10,、,14-,平衡气缸,11-,第二轴,(,臂架,),电动机,(M2),12-,第三轴螺杆,15-,驱动臂架,16-,电动机组,(M4,、,M5,、,M6)17-,控制柜,43,点焊机器人,4.3.3,工业机器人的应用案例,44,弧焊机器人,日本汽车工业使用的一种曲柄式弧焊机器人，其驱动方式采用交、直流伺服电动机系统，用于焊接车架的侧粱或双轮机动管结构车架。,1-,焊接电源,2-,显示器,3,一机器人控制装置,4-,夹具控制装置,5-,工件,6-,焊接夹具,7-,机器人,4.3.3,工业机器人的应用案例,45,喷漆机器人,日本,TOKICO,公司生产的,RPA 856RP,关节式喷漆机器人。该机器人由操作机、控制箱、修正盘和液压源四部分组成；有,6,个自由度，可连接工件传送装置做到同步操作。手腕为伺服控制型。末端接口可安装两个喷枪同时工作,1-,小臂,2-,大臂,3-,转台,4-,基座,4.3.3,工业机器人的应用案例,46,装配机器人,4.3.3,工业机器人的应用案例,47,4.3.3,工业机器人的应用案例,搬运机器人,该机器人是用来抓取、搬运来自输送带或输送机上流动的物品的自动化装置。主要由搬人机械部件、机器主体部件、搬出机械部件和系统控制等基本部分组成。,1-,装卸运输机,2-,极式输送机,3-,极式分配器,4-,横进给式输送机,5-,操作台,6-,控制台,7-,多工位式输送机,48,焊接机器人,4.3.3,工业机器人的应用案例,49,钣金机器人,4.3.3,工业机器人的应用案例,50,堆放机器人,4.3.3,工业机器人的应用案例,4.34,全球最先进的机器人盘点,行走机器人,2009,年,1,月,8,日，北京郊区农民,吴玉禄,（音译）在自家附近操作由他自制的行走机器人拉着的人力车溜达。这款机器人是热衷于发明创造的吴玉禄制造的最新、最大的机器人。他用从垃圾堆捡来的金属丝、金属片、螺丝钉和钉子等为材料，从,1986,年就开始制造机器人。,51,4.34,全球最先进的机器人盘点,奏乐机器人,2008,年,5,月,4,日，丰田汽车公司的机器人在陈列室中正在演奏乐器。,52,4.34,全球最先进的机器人盘点,人形握手机器人,2009,年,2,月,17,日，在伦敦科学博物馆里，一名观众在和名叫“贝尔蒂”（,Berti,）的机器人握手。它是跟真人一样大的人形机器人，设计师制造它的目的是模仿人类手势。,53,4.34,全球最先进的机器人盘点,“大狗”机器人,2009,年,2,月,4,日，泰国和美国士兵在金色眼镜蛇联合军事演习开幕式，观看了一个名叫“大狗”机器人（,BigDog,）的精彩表演。,54,4.34,全球最先进的机器人盘点,手术机器人,FMS,55,56,第,4,章,制造自动化技术,Manufacturing Automation Technology,4,.4,自动检测与监控技术,Automation,Detection,Technology,课程,“,先进制造技术,”,1,检测技术的概念,检测（,Detection,）定义：,利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予,定性或定量结果,的过程称为检测技术。,57,检测技术在工业生产领域的应用：倍增器,2,检测技术的作用,在线检测：,零件尺寸、产品缺陷、装配定位,离线检测：,零件参数、尺寸与形位公差、品质参数,作 用：,现代工程装备中，检测环节的成本约占,5070,%,2,检测技术的作用,2,检测技术的作用,检测技术在军事上的应用：,战斗力,美军研制的未来单兵作战武器,-,OICW,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确的定位目标。,检测技术的作用,美国国家导弹防御计划,-NMD,检测技术在国防领域的应用：,先行官,1.,地基拦截器,2.,早期预警系统,3.,前沿部署,(,如雷达）,4.,管理与控制系统,5.,卫星红外线监测系统,监测系统,:,探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,检测技术的作用,检测技术在航天领域应用：,举足轻重,火箭测控,-,检测火箭状况、姿态、轨迹,飞行器测控,-,检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,检测技术的作用,“阿波罗,10”,：,火箭部分,-2077,个传感器,飞船部分,-1218,个传感器,检测参数,-,加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学,神州飞船：,185,台（套）仪器装置,检测技术的作用,检测技术的作用,65,检测技术的作用,检测技术在日常生活中的应用：,与日俱增,检测技术的作用,海啸预报,检测技术的作用,智能电子警察监测系统,号,检测技术的作用,检测技术的作用,自动收费系统,社会：,“物化法官”,机械制造业,化工行业,烟草行业,环境保护,现代物流行业,产品开发,文物保护领域,检测技术的作用,检查产品质量,监测环境污染,识别指纹假钞,查服违禁药物,侦破刑事案件,其它应用：,73,3,自动检测系统的组成,自动检测系统原理框图,74,指一个能将被测的非电量变换成电量的器件。,将温度转换为电压的传感器,热电偶,传感器：,把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的信号，以推动后级的显示电路、数据处理装置及执行机构。,信号处理电路：,76,模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。,模拟显示：,直观,显示器：,数字显示：,准确，但最后一位经常跳动不止。,图像显示：,能显示复杂的图形和曲线，但价格昂贵。,记录仪：,主要用来记录被检测对象的动态变化过程,主要是指计算机，将复杂的系统用到频谱分析仪。,数据处理装置：,通常是指各种继电器，电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。,继电器,执行机构：,电磁阀门,固态继电器,执行机构：,电磁铁,电磁调节阀,执行机构：,伺服型雷达天线,报警器,执行机构：,智能化,虚拟化,网络化,微型化,集成化,4,自动检测技术的发展趋势,85,不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性。,提高测量精度,将量程切换到,2V,时，最小显示值为,1V,提高可靠性,承受剧烈振动,发展微型化、集成化、智能化、虚拟化的传感器,智能化,面部识别技术,单片机芯片,88,可拍照的手机,集成化,89,应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域,火星车,90,月球车,应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域,安全检查,应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域,网络化传感器及检测技术逐步发展,93,检测技术的误差,1,测量的分类,2,测量误差及分类,3,自动检测系统的组成,检测技术的误差,95,1,测量的分类,静态测量和动态测量,直接测量与间接测量,接触式测量与非接触式测量,在线测量和离线测量,96,静态测量和动态测量,电子卡尺,直接测量与间接测量,接触式测量与非接触式测量,雷达测速,测体温,99,在线测量和离线测量,100,2,测量误差及分类,测量误差：,测量值与真实值之间的误差。,分类：,绝对误差和相对误差。,101,绝对误差,绝对误差,是测量值,Ax,与真实值,A0,之间的差值，即：,相对误差,相对误差,用百分比的形式表示。一般多取正值。相对误差有以下表现形式：,示值相对误差：用绝对误差,与被测量,Ax,的百分比表示,满度（引用）相对误差：绝对误差,与仪器满度值,Am,的百分比。,准确度等级,当取仪表的最大绝对误差时，常用引用误差来表示仪表的准确度等级,S,，即：,根据给出的准确度等级,S,及满度值,Am,，可以推算出该仪表可能出现的最大绝对误差、示值相对误差等。,104,仪表的准确度等级和基本误差,例：某指针式电压表的精度为,2.5,级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为,2.5%,。,误差产生的因素：,粗大误差,系统误差,随机误差,106,粗大误差,明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。,系统误差：,夏天摆钟变慢的原因是什么？,系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。,系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,随机误差,在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。,存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。,随机误差的正态分布规律,长度相对测量值,次数统计,静态误差与动态误差,静态误差：,在被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。,动态误差：,当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。,111,由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差,动态误差：,1,传感器的定义,2,传感器的组成,3,传感器分类,传感器,的定义,、,组成,、,分类,113,1,传感器的定义,根据中华人民共和国国家标准（,GB7665-87,）,传感器（,Transducer/Sensor,）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。,114,包含的概念：,传感器是测量装置，能完成检测任务；,它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；,它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；,输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,115,2,传感器的组成,传感器组成框图,116,举例：测量压力的电位器式压力传感器,敏感元件：,能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件。,弹性敏感元件（弹簧管）：,将压力转换为角位移,将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。,传感元件（电位器）：,将角位移转换为电参量,-,电阻的变化（,R,）,传感元件：,将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。,当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压,U,o,。,测量转换电路：,1,根据被测物理量分类：,速度传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。,2,按工作原理分类,应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。,3,按能量的传递方式分类,有源的和无源的传感器。,3,传感器分类,柔性制造系统,121,1,传感器的静态特性,2,传感器的动态特性,传感器基本特性,122,稳定性,(,零漂,),传感器,温度,供电,各种干扰稳定性,温漂,分辨力,冲击与振动,电磁场,线性,滞后,重复性,灵敏度,输入,误差因素,外界影响,传感器输入输出作用图,输出,取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。,衡量传感器特性的主要技术指标,1,传感器的静态特性,静特性指标,1,、,线性度,2,、,灵敏度,3,、,迟滞,4,、,重复性,5,、,零点漂移,6,、,温度漂移,静态特性：输入量为常量，或变化极慢。,124,线性度,直线拟合线性化 非线性误差或线性度,最大非线性误差 满量程输出,指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比，表达式：,125,直线拟合线性化,拟合方法,：,理论拟合,过零旋转拟合,端点连线拟合,端点连线平移拟合,最小二乘拟合,出发点,获得最小的非线性误差,126,a.,理论拟合,拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。,方法十分简单，但一般说,Lmax,较大,x,y,Lmax,b.,过零旋转拟合,曲线过零的传感器。拟合时，使,L1=,L2=,Lmax,x,y,L2,L1,c.,端点连线拟合,把输出曲线两端点的连线作为拟合直线,x,y,Lmax,d.,端点连线平移拟合,在端点连线拟合,基础上使直线平移，移动距离为原先的一半,y,x,Lmax,L1,e.,最小二乘拟合,x,y=kx+b,y,生物机电,灵敏度,传感器输出的变化量,y,与引起该变化量的输入变化量,x,之比即为其静态灵敏度，表达式：,表征传感器对输入量变化的反应能力,生物机电,132,(a),线性传感器,(b),非线性传感器,图,1.4.2,传感器的灵敏度,生物机电,生物机电,灵敏度作图,迟滞,传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象称为迟滞，表达式：,正反行程间输出的最大差值。,满量程输出。,生物机电,迟滞特性,x,Hmax,Y,正行程特性,反行程特性,影响：,分辨力变差,希望：,迟滞越小越好。,136,重复性,传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。,正行程的最大重复性偏差,反行程的最大重复性偏差,取较大者为,生物机电,重复特性,x,Rmax1,Rmax2,y,生物机电,零点漂移,传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化。,零漂,式中,Y,0,最大零点偏差；,Y,FS,满量程输出。,生物机电,温漂,传感器在外界温度下输出量发出的变化,温漂,式中,max,输出最大偏差；,T ,温度变化范围；,Y,FS,满量程输出。,生物机电,2,传感器的动态特性,动态特性,:,指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。,研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。,时域,：瞬态响应法,频域,：频率响应法,生物机电,瞬态响应特性：时间响应,一阶传感器的时间常数,越小越好,一阶传感器的单位阶跃响应,生物机电,142,二阶传感器的单位阶跃响应,二阶传感器的响应在很大程度上取决于阻尼比,和固有频率,n,。,生物机电,143,瞬态响应特性指标,生物机电,144,上升时间,tr,输出由稳态值的,10%,变化到稳态值的,90%,所用的时间。,响应时间,ts,系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。,峰值时间,tp,阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。,超调量,传感器输出超过稳态值的最大值,A,，常用相对于稳态值的百分比,表示。,生物机电,频率响应特性,传感器对正弦输入信号的响应特性,一阶传感器频率响应特性,(a),幅频特性,(b),相频特性,时间常数,越小，频率响应特性越好,146,二阶传感器频率响应特性,传感器的频率响应特性好坏主要取决于阻尼比,和传感器固有频率,n,。,生物机电,147,频带：,传感器增益保持在一定值内的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。,时间常数,：,用时间常数,来表征一阶传感器的动态特性，,越小，频带越宽。,固有频率,n,：,二阶传感器的固有频率,n,表征了其动态特性。,频率响应特性指标,生物机电,谢谢！,150,第,4,章,制造自动化技术,Manufacturing Automation Technology,4,.5,柔性制造系统,Flexible Manufacturing,S,ystem,课程,“,先进制造技术,”,151,由一个传输系统联接起来的一些设备,(,通常是具有自动换刀装置的加工中心机床,),组成，传输装置把工件放在托盘或其他联接装置上送到各加工设备，加工设备和传输系统在中央计算机控制下，使工件加工准确、迅速和自动化。,FMS,的定义,美国国家标准局定义：,日本国际贸易与工业部定义：,北京机械工业自动化研究所 定义：,4.5.1 FMS,的定义与特征,由,2,台或更多,NC,机床组成的系统，这些机床与自动物料管理设备一一连接，在计算机或类似设备控制下完成自动加工或处理操作，从而可加工多个不同形状和尺寸的工件。,将自动化生产系统从少品种大批量生产型转向多品种生产型的柔性化系统。,152,高柔性,高效率,高度自动化,FMS,的特征,柔性制造系统是利用计算机控制系统和物料输送系统，把若干台设备联系起来，形成没有固定加工顺序和节拍的自动化制造系统。它在加工完一批某种工件后，能在不停机调整的情况下，自动地向另一种工件转换。其主要特征是：,4.5.1 FMS,的定义与特征,FMS,的组成,典型的,FMS,主要由以下三个子系统组成：,（,1,）加工系统,（,2,）运储系统,（,3,）计算机控制系统,FMS,的组成框图及功能特征,工业现场需要的技术,计算机技术,传感器技术,液压技术,电子技术,PLC,技术,气动技术,机器人技术,4.5.1 FMS,的定义与特征,155,www.festech.co.kr,6,、,RV-2AJ,5,自由度机器人,5,、,CNC,数控铣床,CNC,铣床编程,3,、图像处理工作单元,可视化监控系统,PLC,编程,库存控制,PLC,编程,F M S 总配置图,8,、,存储工作单元,11,、传输带系统,1,、供料,工作单元,2,、检测工作单元,9,、操作手工作单元,7,、装配工作单元,4,、操作手工作单元,10