第三讲_先进制造技术(之制造自动化技术)

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先进制造技术_第四章制造自动化技术

（4）行进系统、感知系统和人工智能系统等。
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2. 工业机器人的分类
（1）按系统功能分
1)专用机器人：用固定的程序在固定的地点工作的机器人。
结构简单，成本低。自动化的机械手。
2）通用机器人：具有独立的控制系统，通过改变程序能完成多种作业的机器人。
结构复杂，工作范围大，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。
A-往复旋转；B-腕部弯曲；C-径向伸缩；D-垂直俯仰；E-手部偏摆
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（2）工作空间：是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。
（3）提取重力：反映其负载能力的一个参数
微型机器人：10N以下；小型机器人：10～50N；中型机器人：50～300N；大型机器人：300～500N；重型机器人：500N以上。
自动地搬运代替人的体力劳动。
随着计算机技术和信息技术的发展，不仅代替人的体力劳动，而且必须代替人的部分脑力劳动。
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狭义制造自动化：是生产车间内产品的机
械加工和装配检验过程的自动化。切削加工、工件装卸、工件储运、零件和产品清洁和检验、装配、机器故障诊断等自动化。
广义制造自动化：产品设计、企业管理、
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PUMA560机器人臂部结构 1-大锥齿轮；2-小锥齿轮；3-大臂；4-小臂电动机；5-驱动轴；
6、9-偏心套；7-小齿轮；8-大齿轮；10-小臂
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4) 机身（立柱）：是支撑臂部的部件，扩大臂部的活动范围。
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2. 工业机器人的组成

先进制造技术之制造自动化技术课件

• 控制系统控制机器人按给定的程序动作，记忆示教指令，再现示教信息。
• 驱动系统驱动执行机构完成规定作业。 • 位置检测装置检测运动位置和工作状态。
先进制造技术之制造自动化技术课
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件
工业机器人的分类--按系统功能分类
•专用机器人以固定程序工作机器人，结构简单、无独立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。
4.3.1 工业机器人的组成与分类 4.3.2 工业机器人的控制技术 4.3.3 工业机器人的编程技术 4.3.4 工业机器人半个世纪发展
的回顾与展望
先进制造技术之制造自动化技术课
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件
4.3.1 工业机器人的组成与分类
工业机器人的结构组成
先进制造技术之制造自动化技术课
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件
工业机器人的组成
• 执行机构手部：用于抓取对象，有夹持式、吸附式等不同结构腕部：联接手部和手臂部件，用以调整手部姿态和方位臂部：承载负荷，改变空间位置机身：支撑臂部部件，扩大臂部活动和作业范围机座及行走机构：机器人基础件，确定或改变机器人位置
运动独立（图a）； •圆柱坐标机器人有一个旋转轴和两个平移轴（图b）； •关节机器人类似人手臂，由各关节组成，可实现三个方
向旋转运动（图c）； •球坐标机器人有两个旋转轴和一个平移轴（图d）。
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件
工业机器人的性能指标
•自由度独立运动数，自由度数越高，完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广。
•综合自动化经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化，CIMS
、CE、LP、AM等。
先进制造技术之制造自动化技术课
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件
当前制造自动化技术研究领域和方向 • 集成技术和系统技术研究 • 自动化系统中人因作用的研究 • 数控单元系统的研究 • 制造过程的计划和调度研究 • 柔性制造技术的研究 • 现代生产模式制造环境的研究 • 底层加工系统的智能化和集成化研究

先进制造技术介绍课件

先进制造技术的分类
智能制造技术
人工智能：利用机器学习、工业物联网：通过传感器、
深度学习等技术实现自动网络等设备实现生产设备
化、智能化生产
的互联互通和数据共享
增材制造：利用3D打印技术实现快速、高效的
生产
工业机器人：通过机器人实现自动化、智能化
的生产过程
云计算：利用云计算技术实现生产数据的存储、
工业互联网：利用物联网、云计算等技术，实现生产设备和系统的互联互通和信息共享
增材制造：利用 3D打印技术，实现产品的快速制造和个性化定制
绿色与可持续发展
节能环保：减少能源消耗，降低环境污染
绿色制造：采用环保材料，降低生产过程中的污染
循环经济：提高资源利用率，减少废弃物产生
可持续发展：实现经济、社会、环境协调发展，提高生活质量
智能物流系统：实现物料自动配送，提高物流效率
智能检测系统：提高产品质量，降低不良率
智能决策系统：实现生产计划、库存管理等方面的智能化决策，提高企业竞争力
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绿色制造在环保产业的应用
绿色制造技术在环保产业中的应用，可以有效降低生产过程中的能耗和污染排放。
绿色制造技术在环保产业中的应用，可以促进环保产业的可持续发展，提高环保产业的竞争力。
航空航天：飞机、火箭、卫星等制造
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生物医学：医疗器械、生物制药等制造
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汽车工业：汽车、卡车、摩托车等制造
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能源工业：太阳能、风能、核能等制造
03
电子工业：计算机、手机、家电等制造
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建筑工业：建筑材料、建筑设备等制造

先进制造技术 (3)

先进制造技术简介先进制造技术是指在制造业中运用先进的机械、材料、工艺和信息技术等手段，以提高产品质量、降低生产成本、提高生产效率和灵活性的一种技术手段。

随着科技的不断发展，先进制造技术在各个领域得到了广泛的应用，并为制造业带来了革命性的变化。

主要特点1.智能化和自动化：先进制造技术通过引入智能设备和自动化系统，实现生产线的高度智能化和自动化，大大提高了生产效率和产品质量。

2.柔性化生产：先进制造技术使生产线具备更强的灵活性，可以根据市场需求和订单变化，快速调整生产。

产品的个性化定制也得到了更好的支持。

3.数字化管理：通过先进制造技术，可以实现对生产过程和设备状态的数字化监控和管理。

生产数据的实时分析和智能决策有助于提高生产效率和产品质量。

4.绿色制造：先进制造技术的应用还促进了绿色制造的发展。

通过节能减排和资源循环利用等手段，减少了对环境的影响，实现了可持续发展。

具体应用智能制造智能制造是先进制造技术的核心应用领域之一。

它依托于物联网、云计算、人工智能等前沿技术，实现了生产设备和系统的智能化，并通过数据的采集、分析和利用，提高了生产效率和产品质量。

智能制造还包括智能工厂、智能零售、智能物流等方面的应用，为制造业带来了更大的发展空间。

3D打印3D打印是一种先进的制造技术，它通过逐层叠加材料的方式，制造出三维物体。

与传统的制造方式相比，3D打印具有更高的灵活性和个性化定制能力。

它可以根据设计模型直接制造产品，避免了传统制造过程中的繁琐加工和浪费。

因此，3D打印在医疗、汽车、航空等领域得到了广泛的应用。

物联网物联网是指通过各类传感器、设备和网络连接，将生活中的各种物体与互联网连接起来，实现信息的互通和共享。

在制造业中，物联网技术可以实现设备的智能化和网络化，通过实时监测和分析生产数据，提高生产效率和产品质量。

物联网还可以实现供应链的数字化管理和智能化协同，提升供应链的灵活性和透明度。

发展趋势随着科技的不断创新和进步，先进制造技术将会继续发展和演进。

第三部分《制造自动化技术》

等方面。
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(9) 软机器人技术(Soft Robotics)：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，
因此其结构材料多为金属或硬性材料。软机器人技术要求其结
构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。
(10) 仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，
目前仅在某些方面进行了一些基础研究。
故障时发出报警信号。控制系统还对生产系统(加工机械和其他辅助设备)的状况作出反应，产生相应的动作。控制系统是反映
一台工业机器人的功能和水平的核心部分。
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4、检测机构该系统通过各种检测器、传感器，检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，在与设定值进行比较后，对执行机构进行调整，以保证其动作符合设计要求，主要是对位置、速度和力等各种外部和内部信息进行检测。
动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统
(CIMS)，实现生产自动化。
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工业机器人是精密机械技术和微电子技术相结合的机电一体化产品，它在工厂自动化和柔性生产系统中起着关键作
用。工业机器人技术的发展趋势是：
(1) 提高运动速度和动作精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块组合化；将机器人的回转、伸缩、俯仰和摆动等各种功能的机械模块和控制模块、检测模块组合成结构和用途不同的机器人。
控制提供分析的手段和方法。
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机器人运动学主要研究两个问题：一个是运动学正问题，即给定机器人手臂、腕部等各构件的几何参数及连接各构件运
动的关节变量(位置、速度和加速度)，求机器人末端执行器对
于参考坐标系的位置和姿态；另一个是运动学逆问题，即已知各构件的几何参数，机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态，求是否存在实现这个位姿的关节变量及有几种解。

先进制造技术_第4章_制造自动化技术

◆机床本体
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
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4.2.3 数控机床的类型
经济型数控车床
全功能数控车床
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4.2.3 数控机床的类型
双主轴数控车削中心
车削中心
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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
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。
图4-3 麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室
◆ 第四阶段(1973-) ：计算机集成制造系统(CIMS) 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。
◆第五阶段(1991-) ：新的制造自动化模式智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造和绿色制造。
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4.2.1 数控机床的基本概念
数字控制（NC）
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。
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。
◆ 第三阶段(1965-) ：柔性制造主要技术：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。

先进制造技术

先进制造技术及其应用摘要：世界各国间的经济竞争，主要体现在机械制造技术为代表的竞争上。

面对激烈的市场变化和技术竞争，经济发达国家都把制造业作为本国的经济支柱，不断调整其发展战略和政策方针。

先进制造技术正是制造业适应时代要求提高竞争力，对制造技术不断优化推陈出新形成的。

一、先进制造技术及其内涵先进制造技术（A TM）这一概念是美国上世纪80年代末期提出来的，很快日本、西欧各国及亚洲新兴工业国家就相继做出响应，纷纷将先进制造技术的研究和开发作为国家的高新技术和优先发展项目。

1.先进制造技术定义先进制造技术是制造业不断吸取机械、电子、信息、材料、能源，以及现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务等生产制造的全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，以及取得理想技术经济效果的制造技术的总称。

在不同的国家、不同的发展阶段，先进制造技术有不同的内容及组成。

我国目前属于先进制造技术范畴的技术是一个三层次的技术群（见下图），三层次都是先进制造技术组成部分，但其中每一个层次都不等于先进制造技术全部。

2.先进制造技术的分类根据先进制造技术的功能和研究对象，可将其技术归纳为以下五个大类。

(1)现代设计技术现代设计技术包含：①现代设计方法。

包括有模块化设计、系统化设计、价值工程、模糊设计、面向对象的设计、反求工程、并行设计、绿色设计、工业设计等。

②产品可信性设计。

可信性设计包括可靠性设计、安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、防疲劳设计、耐环境设计、健壮设计、维修设计和维修保障设计等。

③设计自动化技术。

包括产品的造型设计、工艺设计、工程图生成、有限元分析、优化设计、模拟仿真、虚拟设计、工程数据库等内容。

(2)先进制造工艺先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础，是使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程。

先进制造工艺包括高效精密成形技术、高精度切削加工工艺、特种加工,以及表面改性技术等内容。

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6.1.2 制造自动化技术的发展及现状
•刚性自动化设备--自动/半自动机床、组合机床、组合机床自动线；对象--单一品种大批量生产自动化；
特点--生产效率高、加工品种单一。
•柔性自动化设备--NC、CNC、FMC、FMS等。
对象--多品种小批量甚至单件生产自动化；
•综合自动化经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化，CIMS 、CE、LP、AM等。
工业机器人发展展望 •执行机构具有柔性感、灵巧性手爪和手臂； •驱动机构采用形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴等新型驱动器； •移动技术步行、爬行，由4足、6足、8足或更多足组成； •微型机器人毫米级、纳米级机器人，微小位置姿态控制；微型电池；微小生物运动机构等；
•多传感器集成与融合技术视觉、触觉、嗅觉、味觉及其综合；
当前制造自动化技术研究领域和方向 • 集成技术和系统技术研究
• 自动化系统中人因作用的研究
• 数控单元系统的研究
• 制造过程的计划和调度研究
• 柔性制造技术的研究 • 现代生产模式制造环境的研究 • 底层加工系统的智能化和集成化研究
6.1.3 制造自动化技术发展趋势
• 制造敏捷化使企业面临市场竞争作出快速响应；
FMS物料输送基本回路 •直线输送回路沿直线路线单向或双向移动，顺序地在各个连接点停靠； •环形输送回路运载工具沿环形路线单向或双向移动； •网状输送回路由多个回路相互交叉组成，可由一条环路移动到另一回路。
自动运输小车导向
• 有轨小车铁轨导向，速度快，负载能力大，停靠准确，可靠好，制造成本低，线路不便更动，转角不宜太大。 • 线导小车电磁感应导向，柔性大、扩展性好、不怕污染、工作可靠。
6.2.5 FMS的控制与管理系统
6.2.1 柔性制造系统基本概念
FMS定义和组成
定义：由两台以上加工设备、物料运储和控制系统组成，通过改变软件程序适应多品种、中小批量生产自动化制造系统。组成：加工系统-CNC、MC、FMC机床及测量机、清洗机、动平衡机；工件运储系统- 包括工件装卸站、自动化仓库、自动化运输小车、机器人、托盘缓冲站、托盘交换装置等；刀具运储系统- 包括刀具预调站、刀具装卸站、中央刀库、机床刀库、刀具输送与交换装置等；控制系统 -- 对 FMS 进行计划调度、运行控制、物料管理、系统监控和网络通信等；其他-冷却、润滑、排屑、清洗、去毛刺等附属设备。
•运动速度运动速度影响工作效率，与所提取的重力和位置精度有关。 •位置精度机器人定位精度一般在±0.02-5mm范围。
工业机器人控制系统的分类 •按控制回路：开环系统和闭环系统 •按控制硬件：机械控制、液压控制、顺序控制和计算机控制 •按自动化程度：顺序控制、程序控制、自适应控制、智能控制 •按编程方式：物理设置编程-由设置固定限位开关，实现启动/停机操作示教编程-示教完成操作信息记忆，然后再现示教过程离线编程-通过机器人语言进行编程控制 •按控制轨迹：点位控制-不要求末端操作速度和运动轨迹，仅要求各坐标精确控制轮廓控制-没有插补器，按离散点坐标及速度完成轮廓控制
FMS工件运储系统组成 • 工件装卸站设在FMS入口，由人工完成装卸； • 托盘缓冲站工件中间存储站，起缓冲物料作用；
• 自动化仓库多层立体布局结构，由计算机控制，服从FMS
命令和调度； • 物料运载装置负责在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之
间物料搬运作业。
传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损；自动运输小车：分有轨小车、无轨小车；搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。
• 制造网络化实现制造过程的集成，实现异地制造、远程协调作业； • 制造虚拟化保证产品和制造过程一次成功，发现设计与生产中可避免的缺陷和错误； • 制造智能化扩大、延伸、部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现优化的制造过程。 • 制造全球化市场国际化，产品制造跨国化，制造资源跨国家的协调、共享和优化利用；
6.3.4 工业机器人发展回顾与展望
工业机器人发展回顾 50年代-萌芽期 58年第一台工业机器人在美国问世。 60年代-黎明期推出圆柱坐标、球坐标机器人，日本引进美国机器人技术。 70年代-实用化期计算机控制机器人、关节型机器人问世，推出VAL编程语言、视觉力觉传感器；72年中国第一台机器人诞生；70年代末全世界拥有万台以上机器人；日本成为机器人王国。 80年代-普及期 80年代末机器人总数已达45万台。 90年代-扩展渗透期具有感觉机器人实用化，智能机器人相继出现并开始走向应用；1997年底，机器人总量达95万台。
物料自动存取，仓库管理。
6.2.4 FMS的刀具运储系统
刀具运储系统的组成 • 刀具预调站设在FMS之外，按要求对刀具进行装配和调整； • 刀具装卸站是刀具进出FMS入口，多为排架式框架结构；
工业机器人的分类--按驱动方式分类
•气压传动机器人 •液压传动机器人以压缩空气作为动力源，高速轻载；采用液压驱动，负载能力强、
传动平稳、结构紧凑、动作灵敏； •电气传动机器人交直流伺服电机驱动，结构简单、
响应快、精度高。
工业机器人的分类--按结构形式分 •直角坐标机器人有三个正交平移坐标轴,各个坐标轴运动独立（图a）； •圆柱坐标机器人有一个旋转轴和两个平移轴（图b）； •关节机器人类似人手臂，由各关节组成，可实现三个方向旋转运动（图c）； •球坐标机器人有两个旋转轴和一个平移轴（图d）。
• 光导小车采用带有荧光材料油漆或色带，通过光电制导，改变线路非常容易，对环境要求严格。 • 激光灯台制导小车顶部装有激光装置，通过固定位置反射激光束信息，确定小车位置。
自动化仓库 • 货架为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。 • 堆垛机由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动电动机以及传感器构成的三维搬运设备。 • 控制与管理系统负责物料信息的登录、识别，
6.3.3 工业机器人的编程技术
示教编程
示教阶段:拨动示教盒按钮或手握机器人手臂，使之按需要姿势和路线进行工作，示教信息存储在记忆装置中。工作再现:从记忆装置调用存储信息，再现示教阶段动作。点位控制示教：逐一使每个轴达到需要编程点位置。
轮廓控制示教：握住示教臂，以要求速度通过所给路线。
特点：通过示教直接产生控制程序，无须手工编程，简单方便，适用于大批量生产。不足：轨迹精确度不高，需要存储容量大。
工业机器人的性能指标 •自由度独立运动数，自由度数越高，完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广。 •工作空间机器人进行工作的空间范围。 •提取重力
微型机器人，提取重力小型机器人，提取重力中型机器人，提取重力大型机器人，提取重力重型机器人，提取重力 10N以下； 10-50N； 50-300N； 300-500N； 500N以上。
工业机器人的分类--按系统功能分类 •专用机器人以固定程序工作机器人，结构简单、无独立控制系统、造价低廉，如自动换刀机械手。 •通用机器人可完成多种作业，结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强。 •示教再现式机器人在示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件重现示教作业。 •智能机器人具有视觉、听觉、触觉功能，通过比较和识别,作出决策和规划，完成预定的动作。
机器人编程语言 •动作级语言每一个命令对应一个动作，语句格式为：
MOVE TO <destination>
语句简单，易于编程；不能进行复杂计算，通信能力差，
代表性语言：VAL 。
•对象级语言有与动作语言类似功能，能处理传感器信息；通信和数字运算功能强，代表性语言有AML、AUTOPASS。 •任务级语言操作者直接下命令，不需要规定机器人每个动作细节，自动推理规划，自动生成机器人的动作。
• 制造绿色化使产品从设计、制造、使用到报废处理全生命周期中，对环境影响最小，资源利用率最高。
第三节工业机器人
6.3.1 工业机器人的组成与分类
6.3.2 工业机器人的控制技术
6.3.3 工业机器人的编程技术
6.3.4 工业机器人半个世纪发展
的回顾与展望
6.3.1 工业机器人的组成与分类
工业机器人的结构组成
FMS的特点 • 柔性高，适应多品种中小批量生产； • 系统内的机床在工艺能力上是相互补充或相互替代的；
• 可混流加工不同的零件；
• 系统局部调整或维修不中断整个系统的运作； • 递阶结构的计算机控制，可以上层计算机联网通信； • 可进行第三班无人值守生产。
不同类型的柔性制造设备 • 柔性制造模块（FMM）相当于功能齐全的加工中心； • 柔性制造单元（FMC）小型FMS，由1-2台机床组成，自动更换刀具，自动上下工件； • 柔性制造系统（FMS）控制与管理功能比FMC强，管理通信要求高； • 柔性制造生产线（FML）数控组合机床设备，专用性强、生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用FMS。 • 柔性制造工厂（FMF）全企业范围生产管理、设计开发、加工制造和物料运储全盘自动化。
6.2.2 FMS的加工系统
加工系统的功能与要求 • • • • • • 工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数；控制功能强、扩展性好；高刚度、高精度、高速度；自保护与自维护性好；使用经济性好；对环境的适应性与保护性好。
加工系统常用配置形式 • 棱体类零件：立式、卧式或立卧两用加工中心； • 回转体零件：数控车床或车削加工中心机床。
工业机器人的组成
• 执行机构手部：用于抓取对象，有夹持式、吸附式等不同结构腕部：联接手部和手臂部件，用以调整手部姿态和方位臂部：承载负荷，改变空间位置机身：支撑臂部部件，扩大臂部活动和作业范围机座及行走机构：机器人基础件，确定或改变机器人位置 • 控制系统控制机器人按给定的程序动作，记忆示教指令，再现示教信息。 • 驱动系统驱动执行机构完成规定作业。 • 位置检测装置检测运动位置和工作状态。