机器人与柔性制造系统(高等学校教材)的目录介绍
内容介绍 作者介绍 目录介绍
商品目录： 返回商品页面 第一章 绪论
第一节 工业机器人与柔性制造系统
第二节 工业机器人分类及性能简介
思考题
第二章 机器人机构数学基础
第一节 坐标投影
第二节 坐标变换
第三节 影响系数矩阵
思考题
第三章 串联式机器人
第一节 单开链机器人机构的结构分析
第二节 单开链串联式机器人机构的运动学研究
第三节 单开链串联式机器人机构的工作空间及奇异位置分析
第四节 单开链串联式机器人机构的动力学简介
第五节 机器人轨迹规划
思考题
第四章 并联式机器人
第一节 并联式机器人的应用与研究
第二节 并联式机器人机构的结构分析
第三节 并联式机器人机构的运动学研究
思考题
第五章 工业机器人常用零部件
第一节 分类与要求
第二节 滚珠丝杠螺旋副
第三节 导轨
第四节 谐波齿轮减速器
思考题
第六章 工业机器人的驱动
第一节 步进电动机及其驱动
第二节 直流伺服电动机及其驱动
第三节 交流(AC)伺服电动机及其驱动
第四节 其他驱动装置
思考题
第七章 工业机器人各类传感器简介
第一节 概述
第二节 工业机器人系统中常用传感器
思考题
第八章 柔性制造技术概述
第一节 柔性制造技术产生的历史背景
第二节 柔性制造的基本概念和特点 第三节 柔性制造系统的组成及工作原理
第四节 柔性制造技术的发展
思考题
第九章 柔性制造中的加工系统
第一节 柔性制造系统中加工设备的要求及其配置
第二节 柔性制造系统中的自动化加工设备
第三节 自动化加工设备在FMS中的集成与控制
思考题
第十章 柔性制造中的物流系统
第一节 物流系统的功能与组成
第二节 工件流支持系统
第三节 刀具流支持系统
第四节 物料运储设备
思考题
第十一章 柔性制造中的信息流系统
第一节 FMS的信息流模型及特征
第二节 FMS中的信息流网络通信
第三节 FMS实时调度与控制决策
第四节 FMS的计算机仿真
思考题
第十二章 柔性制造中的质量控制系统
第一节 集成质量控制系统的概念
第二节 FMS中的质量检测
第三节 工件清洗与去毛刺设备
第四节 切屑处理及冷却液处理系统
思考题
第十三章 工业机器人在柔性制造中的应用
第一节 机器人自动喷涂线
第二节 焊接机器人及其应用
第三节 搬运机器人的应用
第四节 装配机器人应用实例
第五节 冲压机器人应用
第六节 并联式机器人的应用
思考题 参考文献
柔性制造系统FMS
http://www.daodoc.com 2005年07月17日 机床技术
柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)是由数控加工设备，物料运储装置，计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产的变化迅速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。
柔性制造系统主要由以下部分组成：
1.加工子系统，它是FMS的基本制造单元，由CNC机床、FMC及工具等组成，一般CNC机床均需安装自动托盘交换器(APC)。
2.物料储运子系统，包括自动化仓库、中央刀具库、无人运输小车、输送带及搬运机器人等。自动化仓库包括平面仓库和立体仓库。物料自动搬运可以选用无人运输小车、搬运机器人或传送带等。无人运输小车可以有轨，也可以无轨。搬运机器人可自动进行上、下料操作，对以车削中心组成的FMS常常由悬挂式机械手作为物料搬运工具。对于物流单向流动的FMS，可选用传送带作为物料搬运系统。随行夹具及随行工作台系统，用于传送零件及定位夹紧的载体。
3.运行控制子系统，它接收来自工厂或车间主计算机的指令并对整个FMS实行监控，实现单元层对上级(车间或其它)及下层(工作站层)的内部通信传递，对每一个标准的数控机床或制造单元的加工实行控制，对夹具及刀具等实行集中管理和控制，协调各控制装置之间的动作。另外，该子系统还要实现单元层信息流故障诊断与处理，实时动态监控系统状态变化。
4.刀具子系统，涉及刀具的订购、计划、准备、存储及管理。包括刀具室存储装置、对刀仪、刀具搬运装置、刀具组装装置及刀具控制管理计算机子系统等。
5.质量检测及监控子系统，实现在线和离线质量检测和监控。一般包括三座标测量机、测量机器人等。
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FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。 FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。 采用FMS的主要技术经济效果是：能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；提高产品质量的一致性。 1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。 同年，美国的怀特·森斯特兰公司建成 Omniline I系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。日本、前苏联、德国等也都在60年代末至70年代初，先后开展了FMS的研制工作。 1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(简称FMC)，为发展FMS提供了重要的设备形式。柔性制造单元(FMC)一般由1～2台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。 70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期已进入实用阶段，其中以由3～5台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。 1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。 这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。 典型的柔性制造系统由数字控制加工设备、物料储运系统和信息控„„
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虚拟柔性制造系统仿真研究
作者：丁国富
机械制造系统是一个复杂的系统，系统输入的是与制造有关的物料、设备、工具、能源、人员、制造理论、制造工艺和制造信息等，输出的是一个合格的具有一定功能的产品。制造系统的复杂性表现在：制造环境、制造产品和制造系统结构和制造过程的复杂性上。面对如此复杂的系统，要使产品达到TQCS最优，需要严格控制制造的各个环节，得到局部最优乃至全局最优目标。而这一切需要对整个制造过程进行建模，目前研究的热点之一就是虚拟制造技术。
柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，简称FMS)是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，它包括数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整。要采用虚拟制造技术来正确模拟柔性制造系统的制造过程，主要开展两方面的工作，一是真实模拟该制造系统中加工设备的功能：二是对整个柔性制造系统在“一”的基础上正确规划生产过程，以便获得对整个产品可制造性的全面评估。
“虚拟柔性制造系统系统仿真研究”项目从2003年5月～2005年5月得到西南交通大学科技发展基金的支持。该项目以柔性制造系统为原型研究对象，从系统论的角度，按照复杂系统的观点对对虚拟柔性制造系统进行理论建模，对虚拟柔性制造系统仿真的关键技术进行研究。重点研究加工过程的工艺信息建模，工艺系统几何建模、运动建模和物理效应建模，并对加工过程工序进行规划运动模拟、对NC代码进行检验和刀具轨迹模拟。以此研究零件可加工性的评判因素和机理，建立工艺评价的优化模型。其最终目的是建立一个能评价工艺方案和工艺参数的基于虚拟现实的直观制造评价体系，以解决制造系统与产品市场的矛盾关系。
经过两年的研究，该项目已取得预期的成果或可以认定的技术性能指标。
1 提出基于组件的虚拟柔性制造系统建模理论及方法
柔性制造系统内部一般包括两类不同性质的运动，一类是系统的信息流，另一类是系统的
物料流，物料流受信息流的控制。FMS是在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。对柔性制造系统规划，首先要按照任务的分配，或者说是信息流的流向，对各种物理设备组成进行合理的规划和布置。由于物理设备种类的多样性、可重用性和各物理设备间对加工信息流的交互性，使其更具有自然对象的特征，可以采用基于面向对象的组件来表达。每个组件是一个对象的实例化，它们有自己的属性和行为，组件所能提供的与外界的交互行为过程就是各物理设备交互和传递信息流的过程。在典型的柔性制造系统中，这些组件有：数控车床对象、数控铣床对象、加工中心、机器人对象、堆垛机对象、立体仓库对象、搬运小车对象、输送装置对象等等。每个对象按照各物理设备自身的行为和属性进行建模，包括三维建模、运动控制建模、属性建模等。
该研究采用自然的对象描述方法，从理论上规划了虚拟FMS系统中各组件之叫的关系，为后面的功能建模提供了方法学基础。
2 提出基于三维模型的组件功能和行为建模方法
虚拟制造环境由相应的虚拟制造设备构成，每个虚拟设备相当于一个组件，该组件应能够较完整的反映物理设备的特性，如物理设备的几何特征、材料特征、运动信息等。因此，必须根据真实的设备所具有的特征，对其进行数字化，建立虚拟设备模型。
虚拟设备模型是物理设备功能特征及形状特征的信息在虚拟环境中的映射。物理设备的功能特殊性决定了虚拟设备模型的几何属性，因此在构建虚拟设备模型时，可以分别从几何模型和运动控制两个方而着手，对物理设备进行功能特性与几何特征分析，将虚拟设备模型划分为几何模型和运动控制模型两部分。
几何模型是对物理设备形状特征的描述，它表达了物理设备的基本形状信息，如机床的床身，工作台以及主轴等部件的形状，这些几何模型在运动控制模型的控制下，根据外部输入的控制数据做相应的运动，这些运动可以表示为物理设备的实际行为，如工作的进给、主轴的转动、机械手的行为以及物料小车的运动等。
对虚拟设备的几何建模首先采取Pro-E、UG或Solidworks等三维造型的形式，将各物理设备分解成功能模块部分，比如车床可分解为：床身、刀架、主轴、顶尖、机床门等，然后通过转化成基于OPENGL的模拟环境中，获得其在模型中的准确坐标，按照齐次坐标变换关系，获得一台虚拟加工车床。其他的如铣床、机器人、立体仓库、托盘等都可以按照这种方式进行。
运动控制模型反映了物理设备的各种控制功能，它根据外部输入的控制信息，进行处理，判断，并且输出相应的控制信息，驱动相关几何模型的位置和运动状态变化，实现物理模型设备行为的虚拟化。根据各物理设备的运动属性建立相应的运动系统，每个加工设备严格按照数控原理进行运动规划，确定加工坐标系统、机床原点、加工原点。按照数控插补的原理，确定走刀步长、加工终点位置，并按照不同的数控加工代码编制圆弧、直线、抛物线插补算法。每个部件的运动则采用时钟触发方式，这种时钟可以根据控制运动的个数定义多个，相互之间根据完成的功能属性进行协调。对加工设备，可以控制主轴的快慢、正反转，单轴运动和多轴联动、换刀等等，对输送设备，机器人和取物装置、输送装置之间的时钟必须按照工时规划进行严格控制。
该研究将FMS各组件对象的功能和行为特性融合在组件模型中，采用可视的三维模型引入，利用Opengl作为模型三维驱动引擎，并结合加工过程模拟，形成了具有真正自然表现属性的虚拟机床、虚拟工件、虚拟机器人等等。
3 基于工艺工程的虚拟柔性系统布局及工作过程三维可视化研究
针对柔性制造系统的布局柔性，规划了一种随意布局虚拟设备的系统，该系统中虚拟设备是按照功能和行为属性而建模的虚拟设备组件对象，并按照这些对象的具体布局位置、方位布局相应的生产物料运输系统，建立虚拟的物料输送线、虚拟立体仓库、虚拟托盘、虚拟堆垛机等。
为了获得满意的虚拟柔性制造系统加工仿真整体模型和模拟效果，采用了多时钟绑定技术。并按照工艺过程对这些定义各个部分动作模型的时钟进行复杂的逻辑规划，根工艺模型的过程来触发和停止不同的时钟，以适应按照柔性制造系统随息布尔过程的运动模拟效果。
同时每个虚拟设备可以定义自己白。工作模式、工作过程和方法。比如对于铣削中心，则可按照数控加工插补获得刀具轨迹，形成NC代码，然后进行加工过程模拟。所有附在虚拟设备上的工艺过程数据，比如调度指令、NC代码等都通过自定义一定的协议，并按照这种协议进行匹配获得指导运动模拟的控制效果。
该项研究，充分利用了计算机仿真、可视化、运动建模及运动模拟、数据解码等技术，将虚拟柔性制造系统规划的灵活性，功能模拟的有效性等结合起来，以可视化的方式形成了不同的产品在不同的柔性制造系统环境下的可制造过程，用户可以在此基础上评价所采用的设备、布局方式等，并进行评价和相互对比，获得满意的产品可制造模型，达到虚拟制造的部分目的。
4 基于面向对象的虚拟柔性制造系统可视化环境系统的研制
在前面研究的基础上，结合面向对象技术、Opengl建模、计算机仿真、多时钟技术、数据解码及数据协议的制定、CAD技术、计算机图形学、数控机床及数控加工、柔性制造系统、制造工艺学等多种知识和技术，在VC++开发环境下，编制了一套虚拟柔性制造系统建模、运动模拟可视化系统，该系统能够针对不同的工艺模型、不同的设备布局获得不同的加工模拟效果，从而获得同一个零件不同的加工方案．以方便获得满意的加工方案和模型。该系统稍加扩展。可以成为基于桌面虚拟现实的沉浸式系统，从而加大人的主观评价力度。更深入地认识系统本身。
此外该项目还在数控系统的建模及可视化方面做了很多细致的工作，对虚拟样机、虚拟制造系统、虚拟现实的部分理论都有直接或间接的指导作用。
总之，该项目按照任务书要求，在有限的时间内，获得了满意的效果，该项目的目前部分研究，研究本项目及结果具有如下意义：
(1)探索制造系统中的内在本质，并针对制造系统的复杂性进行理论建模，以了解影响制造系统的决定性因素；
(2)针对目前制造系统中存在的问题。建立一个制造方案评价体系，以对市场风险进行正确评估，并在问题出现之前，尽快通过评价体系找到问题所在，从而提高产品快速响应市场的能力；
(3)采用可视化技术，并适时结合虚拟现实技术，将人考虑在整个制造系统评判体系结构中，以增加入的主观能动性和积极性，以便在整个评判体系中增加人的智能和经验，更快发现问题，获得满意的结果；
(4)将计算机仿真、计算机图形学、虚拟现实等技术与制造系统结合进行学科交叉研究，更快提升本专业的研究优势。
由于本项目所研究的内容较多，而且难度较大，研究的周期又较短，所需要使用的切削力学模型试验设备部具备，为了获得项目的整体效果，本项目弱化了加工力学模型的建立，这对虚拟柔性制造系统的整体效果没影响，但对机床某一道工序的加工有一定的影响。因此，后面的工作将针对虚拟制造加工模型的详细建模，综合考虑没计：切削深度、切削厚度、切削速度、刀具角度等切削因素以及机床本身的物理模型等进行切削力学模型，并针对切削过程的可视化进行材料切除模拟。以深入地了解虚拟制造系统的本质。 (end)
柔性制造系统的关键技术及发展趋势
作者：admin 论文来源：Lwsir.Com收集整理 点击数： 106 更新时间：2007-1-20
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柔性制造系统(FMS)系指具有自动化程度高的制造系统。目前所谈及的FMS通常是指在批量切削加工中以先进的自动化和高水平的柔性为目标的制造系统。随着社会对产品多样化、低制造成本及短制造周期等需求日趋迫切，FMS发展颇为迅速，并且由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展，也促使柔性制造技术日臻成熟，80年代后，制造业自动化进入一个崭新时代，即基于计算机的集成制造(CIMS)时代，FMS已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。
一、规模
按规模大小FMS可分为如下4类：
1.柔性制造单元(FMC)
FMC的问世并在生产中使用约比FMS晚6~8年，它是由1~2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，具有适应加工多品种产品的灵活性。FMC可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向发展和一种产物，其特点是实现单机柔性化及自动化，迄今已进入普及应用阶段。
2.柔性制造系统(FMS)
通常包括4台或更多台全自动数控机床(加工中心与车削中心等)，由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。
3.柔性制造线(FML)
它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床；亦可采用专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生产过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，迄今已进入实用化阶段。
4.柔性制造工厂(FMF)
FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使计算机集成制造系统(CIMS)投入实际，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘
化。FMF是自动化生产的最高水平，反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统(IMS)为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。
二、关键技术
1.计算机辅助设计
未来CAD技术发展将会引入专家系统，使之具有智能化，可处理各种复杂的问题。当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术，该项新技术是直接利用CAD数据，通过计算机控制的激光扫描系统，将三维数字模型分成若干层二维片状图形，并按二维片状图形对池内的光敏树脂液面进行光学扫描，被扫描到的液面则变成固化塑料，如此循环操作，逐层扫描成形，并自动地将分层成形的各片状固化塑料粘合在一起，仅需确定数据，数小时内便可制出精确的原型。它有助于加快开发新产品和研制新结构的速度。
2.模糊控制技术
模糊数学的实际应用是模糊控制器。最近开发出的高性能模糊控制器具有自学习功能，可在控制过程中不断获取新的信息并自动地对控制量作调整，使系统性能大为改善，其中尤其以基于人工神经网络的自学方法更引起人们极大的关注。
3.人工智能、专家系统及智能传感器技术
迄今，FMS中所采用的人工智能大多指基于规则的专家系统。专家系统利用专家知识和推理规则进行推理，求解各类问题(如解释、预测、诊断、查找故障、设计、计划、监视、修复、命令及控制等)。由于专家系统能简便地将各种事实及经验证过的理论与通过经验获得的知识相结合，因而专家系统为FMS的诸方面工作增强了柔性。展望未来，以知识密集为特征，以知识处理为手段的人工智能(包括专家系统)技术必将在FMS(尤其智能型)中起着关键性的作用。人工智能在未来FMS中将发挥日趋重要的作用。目前用于FMS中的各种技术，预计最有发展前途的仍是人工智能。预计到21世纪初，人工智能在FMS中的应用规模将要比目前大4倍。智能制造技术(IMT)旨在将人工智能融入制造过程的各个环节，借助模拟专家的智能活动，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。在制造过程，系统能自动监测其运行状态，在受到外界或内部激励时能自动调节其参数，以达到最佳工作状态，具备自组织能力。故IMT被称为未来21世纪的制造技术。对未来智能化FMS具有重要意义的一个正在急速发展的领域是智能传感器技术。该项技术是伴随计算机应用技术和人工智能而产生的，它使传感器具有内在的“决策”功能。
4.人工神经网络技术
人工神经网络(ANN)是模拟智能生物的神经网络对信息进行并行处理的一种方法。故人工神经网络也就是一种人工智能工具。在自动控制领域，神经网络不久将并列于专家系统和模糊控制系统，成为现代自支化系统中的一个组成部分。
三、发展趋势
1.FMC将成为发展和应用的热门技术
这是因为FMC的投资比FMS少得多而经济效益相接近，更适用于财力有限的中小型企业。目前国外众多厂家将FMC列为发展之重。
2.发展效率更高的FML
多品种大批量的生产企业如汽车及拖拉机等工厂对FML的需求引起了FMS制造厂的极大关注。采用价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心将是FML的发展趋势。
3.朝多功能方向发展
由单纯加工型FMS进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种
功能FMS。 FMS是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势，是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS，90年代此种状况仍将会持续下去，日本从1991年开始实施的“智能制造系统”(IMS)国际性开发项目，属于第二代FMS；而真正完善的第二代FMS预计至21世纪才会实现。届时，智能化机械与人之间将相互融合、柔性地全面协调从接受订单货至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。
80年代中期以来，FMS获得迅猛发展，几乎成了生产自动化之热点。一方面是由于单项技术如NC加工中心、工业机器人、CAD/CAM、资源管理及高度技术等的发展，提供了可供集成一个整体系统的技术基础；另一方面，世界市场发生了重大变化，由过去传统、相对稳定的市场，发展为动态多变的市场，为了从市场中求生存、求发展，提高企业对市场需求的应变能力，人们开始探索新的生产方法和经营模式。近年来，FMS作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认，可以这样认为：FMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础，将以往企业中相互
独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，在计算机及其软件的支撑下，构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统，以实现全局动态最优化，总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的智能制造系统。FMS作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技，为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图，将成为21世纪机构制造业的主要生产模式
