制造系统自动化.docx

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1、第一章 绪论1.机械制造、机械、系统、自动化、机械制造系统自动化的定义是什么？制造：将原材料加工成成品的过程。机械：由零部件组成的，可实现运动、能量、信息传递或转换的，具有某种功能的机器、设备或仪器。 系统：是由相互联系、相互依赖、相互制约和相互作用的若干组成部分结合的，具有某种特定功能的有机整体。自动化：是针对应用对象用某种控制方法和手段，通过执行机构来实现其动作，使其按预先规定的程序自动地进行操作，而无需人直接干预的过程。 机械制造系统自动化：是机械系统用某种控制方法和手段，通过执行机构来实现其功能，使其按预先规定的程序自动地进行操作，而无需人直接干预的过程。2.系统有哪几个共同特性？1.

2、目的性 2.集合性 3.相关性 4.层次性 5.环境适应性3.机械制造系统的基本要素？被控制对象 执行元器件 检测元器件 调节控制装置4.机械制造自动化发展分为哪四个阶段，各有什么特征？第一阶段：刚性自动化单元、机械控制方式20世纪40-50年代初，以大量大批生产为主的刚性自动化系统和刚性自动化单机，其特点是高生产率刚性结构，产品固定生产节拍固定，难以实现生产产品的改变。第二阶段：数控技术、单机数控20世纪50-60年代中期，适用于多品种、中小批量生产的数控（NC）和计算机数控（CNC）技术。其特点是具有较好的柔性和加工质量，应用编程技术即可实现生产产品的改变。第三阶段：柔性自动化20世纪60

3、-80年代中期，适用多品种、中小批量生产的柔性制造技术。包括柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和柔性加工线（FML）。其特点是高的柔性、质量和效率。第四阶段：计算机集成制造、智能集成自动化20世纪80年代至今，仍然面对多品种、中小批量生产。其技术为计算机集成制造系统（CIMS）、计算机集成制造（CIM）、智能制造、并行工程、敏捷制造、虚拟制造、快速原型制造、网络制造、全球制造和绿色制造等。其特点是具有更为广泛的适应性和更大的柔性，并且技术更具综合性，学科更加交叉，涉及的领域更为广泛。5.自动化的发展取决于哪几个因素？(1)客观的需求是自动化发展的前提(2)基础理论研究是自动化发展的

4、基础(3)科学技术的发展是自动化发展的保证6.当前制造自动化发展的主要趋势有哪几“化”？（1）制造敏捷化（2）制造网络化（3）制造虚拟化（4）制造智能化（5）制造全球化（6）制造绿色化7.自动化制造系统可分为哪八个子系统？1） 毛坯制备自动化子系统2） 热处理过程自动化子系统3） 储运过程自动化子系统4） 机械加工自动化子系统5） 装配过程自动化子系统6） 辅助过程自动化子系统7） 质量控制自动化子系统8） 系统控制自动化子系统第二章 机械制造自动化系统的建立1.何谓系统的生命周期？包含哪四个阶段？生命周期：是指一个产品或系统从提出建立或改造开始到系统脱离运行或被新的系统所代替的终止时间。四个

5、阶段：建立期、实现期、运行期、终止期3.系统分析和系统设计的基本原则是什么？系统分析：（1）内部条件与外部条件相符合（2）当前与长远利益相结合（3）整体效益和局部效益相结合（4）定量分析与定性分析相结合系统设计：（1）系统整体最优原则（2）大概率事件原则（3）反复斟酌，慎重对待需求原则（4）目标函数准确性原则 （5）充分掌握信息的原则 （6）继承和理解吸收的原则 （7）最大效益的原则（8）尽量简化的原则 （9）尽可能定量的原则 （10）动态设计的原则 （11）综合应用多学科的知识和技术的原则（12）具有法制观念原则 系统分析分为哪几个步骤？（8分）1)提供自动化系统建立的相关背景（1分）； 2

6、)确定自动化系统的建设目标（1分）； 3)制定自动化系统的技术方案（1分）； 4)建立自动化系统中必要的模型（1分）； 5)投资概算及效益分析（1分）； 6)自动化系统的实施计划（1分）； 7)自动化系统的综合评价（1分）； 8)评价（1分）。4.模型的概念是什么？建模有哪几种方法？建模的原则和注意要点是什么？模型是对客观实体系统的特征要素、有关信息和变化规律的一种抽象表达。它反映了系统某些本质属性，描述了实体系统各要素之间的相互关系和系统与环境之间的相互作用。建模方法： 机理建模法：一般 特殊 推理演绎法 实验建模法：特殊 一般 逻辑归纳法 综合建模法：有机结合 建模原则：简明性；正确性可靠

7、性；实用性7.系统可靠度分配应遵循的原则是什么？总的原则：对总系统的可靠性影响显著，对保证系统性能起主要作用，对完成执行任务具有保障作用，容易实现高可靠度要求所组成的子系统，其可靠度要高，反之则低第三章 制造过程自动化控制系统控制系统一般由哪几部分组成?各部分功用如何?（8分）答：控制系统一般由控制器、执行机构、被控对象及检测与转换装置构成。（4分）检测与转换装置用于将检测被控量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。（1分）控制装置用于将检测装置输出信号与设定值进行比较，按一定的控制规律对其偏差信号进行运算，运算结果输出到执行机构。（1分）执行机构是控制系统环路中的最终元件，直接用于控制操作变

8、量变化，驱动被控对象运动，从而使被控量发生变化。（1分）被控对象是控制系统所要操纵和控制的对象。（1分）2.分析图3-11、3-13的控制系统工作原理。根据控制框图叙述其控制过程。一、 教材P50试分析下图所示工作台位置控制系统的工作原理。（8分）通过指令电位器W1的滑动触点给出工作台的位置指令，并转换为控制电压。被控制工作台的位移由反馈电位器W2检测，并转换为反馈电压。两电位器接成桥式电路，设工作台开始移动时，W1和W2滑动接点都处于左端，则桥式电路输出电压，此时，放大器无输出，直流伺服电机不转动，工作台静止不动，系统处于平衡状态。当给定位置指令时，在工作台改变位置的瞬间，则电桥输出电压为，

9、该偏差电压经放大器放大后控制直流伺服电机转动，直流伺服电机通过齿轮减速器和滚珠丝杠副驱动工作台向右移动，工作台实际位置与给定位置间的偏差逐渐减小，即偏差电压逐渐减小。当W2滑动接点的位置与给定位置一致时，即输出完全复现输入时，电桥处于平衡状态。当给定反向指令时，偏差电压极性相反，伺服电机反转，工作台向左移动，当工作台移至给定位置时，系统再次处于平衡状态。如W1的滑动接点的位置不断改变，工作台的位置也跟着不断改变。3.分析图3-26和3-31的工作原理。试述下图所示生产设备自动往返行程控制的工作原理?（12分）答：图中所示为一自动往返控制线路。当电机正转时，工作台向左运行，反之向右运行。将四个行

10、程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别安装在工作台需要限位的两个终端上，其中SQ1和SQ2 安装在需要自动往返的位置上。当工作台运行到所限位置时，行程开关动作，自动切换电机正反转，控制线路的断开与接通，实现工作台的自动往返5.试根据计算机数字控制系统的分类。 按功能和结构特点分类：数据采集处理系统直接数字控制系统（DDC）监督控制系统（SCC）分布控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）6. 如何将一个机械加工车间的若干台数控设备形成DNC系统？该系统主要功用有哪些？（7分）一是通过数控设备配置的串口（RS-232协议）接入DNC网络，二是通过数控设备配置的以太网卡（TCP/IP协议）接

11、入DNC网络。（2分）系统主要功用：（1）程序双向通讯功能（2）信息采集功能（3）与生产管理系统的集成功能（4）数控程序管理功能（5）与PDM系统集成功能。（5分）7.试述企业多级分布式计算机控制系统的一般结构及各级功用。第一级计算机控制：也称为工作站级。该级计算机专门用于控制生产过程并负责 与第二级计算机进行通信联系。第二级计算机控制：也称为单元级控制。主要功能是协调控制，协调在其控制下的低一级计算机的工作，采集各台机床、观察点的运行数据，反过来又将各项命令传送给各加工过程的观察点，同时也向一台上机计算机发送或接收信息。第三级计算机控制：也称为车间级控制。实现从车间（分厂）的各个工段采集并汇

12、总生产数据，及时向有关部门作出报告。第四级计算机控制：也称为工厂级控制。该级计算机采集和汇编来自工厂所属各车间（分厂）的数据，对各个分厂及整个工厂的工作进行汇总，完成原料价格分析、生产历史记录、管理报告编制、经济指标核算等任务，实现对整个系统的综合管理和自动化控制。第四章 物料传输自动化机械系统的物料传输机构和装置按用途和应用场合可分为：供料卸料装置、输料装置和物料存储装置3、输料槽类型&特点：P97滚动式输料槽：靠重力传送，结构简单，应用广泛，贮料；受工件形状尺寸限制，传送不可靠滑动式输料槽:强制滑动式（V型料道中，油（气）缸直接推动），适用于外形简单的轴、套类工件的传送可在工序间或上下料装

13、置内部输送工作，兼作料仓6、物料传输机器人的末端执行器有哪几种主要类型，分别是什么原理，各有什么特点？按结构大致可分为：（1）夹钳式取料手；（2）吸附式取料手；（3）专用操作器及转换器；（4）仿生多指灵巧手。 （1）夹钳式取料手：通过手指的开合动作实现对物体的夹持。其中，弹性力手爪其夹持物体的抓力由弹性元件提供，摆动式手爪其爪的运动状态是绕固定轴摆动，平动式手爪其爪的运动状态是平动的。（2）吸附式取料手：分气吸附和磁吸附。气吸附式取料手是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差工作，具有结构简单、重量轻、吸附力均匀的有点；磁吸附式取料手是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料，因此只对铁磁物体起作用，

14、对不允许有剩磁的零件要禁止使用。8、自动化仓库由哪几大部分组成？其中自动化仓库的机械设备包括哪些装置和设备？自动化仓库由三大类设施组成：土建设施、机械设施和电气设施。机械设备一般包括：存储机械、搬运机械、输送机械、货架、托盘或货箱等设备。3.简述步伐式输送装置的型式、原理、特点和应用场合常用的步伐式输送装置有弹簧棘爪式、摆杆式、抬起带走式及托盘式四种。（1）弹簧棘爪式输送带:输送杆在支承滚子上往复移动，向前移动时棘爪推动工件或随行夹具前进一个步距；返回时棘爪被后一个工件压下从工件底面滑过，退出工件后在弹簧作用下又抬起。（1分）（2）摆杆式输送带：在驱动油缸作用下，输送杆向前移动，杆上拨块卡着工

15、件输送到下一个工位；摆杆在返回前，在回转机构作用下，旋转一定角度，使拨块让开工件后再返回原位。（1分）（3）抬起带走式输送装置：输送板上装有工件限位用的削边销，通过油缸，齿条杆，齿轮及滑柱使输送板升起，则限位销插入连杆孔中连杆从固定夹具上抬起。下面联动油缸驱动工件水平移动一个步距；输送板下降，工件落入夹具中，输送板继续下降使其上限位销完全脱开工件后再水平返回原位。（1分）(4) 托盘式输送装置工件装在托盘上以后，输送带向前移动一个步距；输送到位时即把工件从托盘中拉出并装到夹具上，然后输送带退回半个步距，使托盘位于两个工位之间，以免阻碍刀具加工；加工完毕后托盘再退半个步距，以便上料及将工件从夹具

16、上卸下并装到托盘上。（1分） 托盘式输送装置和一般步伐输送不同，工件不是在支撑板上滑动，而是在托盘中由步伐输送带带走，为在输送中保持工件位置正确，托盘中设有工件定位元件，但没有夹紧机构。（2分） 步伐式输送装置在组合机床自动生产线的加工箱体类零件及带随行夹具的场合使用非常普遍。托盘输送则还适用于输送畸形工件，需要保护基面的软质工件与经加工工件；也可在托盘上放多个或多种工件进行成组输送。（2分）简述辊道式输送机传动的几种方式及特点。（12分）辊道式输送机传动结构比较简单、使用最广泛的一种输送机械，它由一系列以一定的间距排列的辊子组成，用于输送成件物料或托盘物料。辊道可以是无动力的，物料由人力推动

17、，也可以采用机动辊道输送机。（2分）机动辊道有多种实施方案： 每个辊子都配备一个电机和一个减速机，单独驱动。一般采用星型传动或谐波传动减速机。由于每个辊子自成系统，更换维修比较方便，但费用较高。 每个辊子轴上装两上链轮首先由电机、减速机和链条传动装置驱动第一个辊子，然后再由第一个辊子通过链条传动装置驱动第二个辊子，这样逐次传递，以此实现全部辊子成为驱动辊子。（2分） 用一根链条通过张紧轮驱动所有辊子(见图4-9)。当货物尺寸较长、辊子间距较大时，这种方案才比较容易实现。（2分） 用一根纵向通轴，通过扭成8字形的传动带驱动所有辊子在通轴上，对应每个辊子的位置开着凹槽。用传动带套在通轴和辊子上，呈

18、扭转90度和8字形布置，即可传递驱动力，使所有辊子转动。如果货物较轻，对驱动力的要求不大，这种方案结构简单，较为可取。（2分）在辊子底下布置一条胶带，用压辊顶起胶带，使之与辊子接触，靠摩擦力的作用，当胶带向一个方向运行时，辊子的转动使货物向相反方向移动。把压辊放下使胶带脱开辊子，辊子就失去驱动力。有选择地控制压辊的顶起和放下，即可使一部分辊子转动，而另一部分辊子不转，从而实现货物在辊道上的暂存，起到工序间的缓冲作用。（2分）件料上料都采用什么方法？小型件料所采用的上料机构中都叫什么名称，有哪些基本职能机构所组成？（10分）一般小型件料采用料仓或料斗式上料机构，中型件一般采用专用上料机械手或机器

19、人 实现自动上下料，大型件则采用起重式上料装置和设备，而有些非回转体又可采用托盘交换装置实现自动供料卸料。（4分）小型件料上料机构即为料仓或料斗式上料机构（1分）。其基本职能机构包括：料斗，定向机构，料仓，料道，隔料器，上料器，卸料器，搅动器，剔除器，安全保险机构等第五章 自动化检测与监控系统2.试说明检测监控基本单元的组成及各部分的主要作用。传感器：检测设备及生产过程的运行状况信息（1.5分）。二次仪表：对信号进行放大、滤波和整形等预处理（1.5分）。数据采集接口：进行模数转换、数据格式转换等， 将信号格式转换为计算机接收的格式（1.5分）。取状态特征：采用相应的信号处理方法，从输入的信号中

20、提取出能够表征被检测对象状态变化的特征值（1.5分）。状态判别模块：处理状态特征值，得出被检测项目的状态（1.5分）。推理机：根据系统的初始状态及相关的知识和数据，做出最后决策（1.5分）。6.简要说明加工误差检测与补偿系统的基本组成和工作原理。教材P174基本组成：传感器、滤波放大器、A/D转换器、计算机、D/A转换器、驱动电源、执行元件以及误差分析与预测模型、目标函数模型、控制算法模型等工作原理：监测系统得到了工件的真正坐标、误差等参数，这些参数被传送给加工系统中的计算机，通过计算机反馈给加工执行系统，来控制、修正被加工工件的尺寸，这样就使得有可能在加工超差之前及时对加工尺寸的变化加以补偿

21、。（2分）7.对于自动检测，你还能举出哪些自动生产线上的应用实例？教材P176。1）通过在线检测加工尺寸的变化检测刀具的磨损和破损：在自动化机床上用三维测头、在FMS中配置坐标测量机或专门的检测工作站进行在线尺寸自动测量等，都是以尺寸为判据，同时用计算机进行数据处理，完成质量控制的预测工作。图5-17为在CNC车床上用三维测头对工件上孔的尺寸进行自动测量的示意图。测头在计算机控制下，由参考位置进入测量点，计算机记录测量结果并进行处理，测头自动复位。图中的箭头为测头中心移动的方向。所测量的孔的半径误差间接反映了刀具的磨损或破损程度。（要画出简图进行说明）（3分）2）刀具状态在线检测。3）刀具状态

22、的智能化在线监控系统。6、所谓故障诊断，就是通过采集、分析系统运行过程中或者过程结束后的有关信息，来分析、确定故障发生的时间、空间位置、故障类型、故障产生的原因和机理、故障对系统的影响程度和危害大小以及恢复系统性能或者改进系统设计的措施的全过程通常，设备的基本状态有故障状态、异常状态和正常状态具体诊断实施步骤如下：1）信号检测2）特征提取3）状态识别4）诊断决策第六章 装配自动化1.装配、装配工艺过程、装配工艺规程、装配自动化的概念是如何定义的？1）装配: 按技术要求将零件进行组合、连接成部件、复合件或成品的过程。2）装配工艺过程：装配的方法、路线及内容的安排。包括装配、调整、检测、试验。3）

23、装配工艺规程：将装配工艺过程按一定格式以文件的形式固定下来的过程。4）装配自动化：对某种产品用某种控制方法和手段，通过执行机构，使其按预先规定的程序自动地进行装配，而无需人直接干预的过程。2.自动化装配系统分为哪两种类型？1）刚性自动装配：装配对象不可变换，产品规格不可调整。2）柔性自动装配：装配对象可变换，产品规格在一定范围内可调整。3.自动化装配对零部件的结构工艺性、装配工具、传输机构提出那些要求？1）结构工艺性：1. 零件几何形状尽量规则，结构要便于自动传输、自动上料和定向识别。2. 零件结构要便于夹持，刚度要满足夹持力的要求，受力后的变形应在弹性范围内，而且变形量不应给装配带来困难。3

24、. 零件结构设计时应考虑避免采用在自动上料时相互镶嵌等不易顺利分开的结构。4. 设计者应考虑零件装配的初始连接时易于导入，如设计倒角、锥面等。5. 应尽量采用便于装配的联接方式，而且尽可能的减少零件数量。 6. 零件设计尽量做到标准化、通用化和系列化，这样可以减少装配工装的种类。7. 设计时应尽量考虑统一的装配方向，减少翻转装配次数。2）装配工具：1. 根据总体布局、零件结构尺寸和几何形状及质量、经济性等合理选择机械手、机器人还是其它结构装置抓取或推进零件装配。2. 机械手或机器人的手腕夹爪的夹紧力要与零件的允许变形量和零件表面精度的要求相匹配。应尽量避免抓取零件精加工表面，如果无法避免时，不

25、得损坏零件表面精度，并且夹爪要采取保护措施。3. 在计算装配工具对零件的夹紧力时，应考虑装配力和零件的重力，其装配力与零件的配合种类有直接关系。4. 机械手或机器人手腕移动时一定要平稳，注意惯性力，接近装配位置时要减速。5. 在零件初始装入时，装配工具在装配力的作用下应有一定的柔性，发生异常应发报警信号。3）传输机构和整体布局：1. 传输机构方便零件的传输和定向。2. 零件传输到装配位置时，准确的定位系统及安全保护系统，不到位不能发生装配指令。3. 如果采用柔性自动化装配，应考虑传输系统设计时的柔性，以适应零件品种规格的变换。4. 零件的传输和自动上料机构设计时，要考虑尽量减少振动和噪声。5.

26、 在考虑自动化装配线时，应考虑装配中的自动检测、清理、不合格零件的自动识别和剔除、故障诊断和报警等。6. 总体平面布置时充分利用现有面积、计算好装配的节拍和设备及工位的数量。7. 对于单件小批生产的柔性自动化装配的选配法，应做好分组选配的装配方式的设计，分组选配即是组内的完全互换法电磁振动送料装置，当物体不腾空时，即当滑道以加速度为aj斜下方运动时，对加速度提出何种要求？图示说明。（10分）-5分-5分电磁振动送料装置，当物体不腾空时，保证爬升的条件是什么？（即当滑道以加速度为ash斜上方运动和以加速度为aj斜下方运动时，对加速度提出何种要求？）（8分）答：当物体不腾空时，保证工件爬升而不下滑的条件为：（1）当滑道带动工件以加速度 向斜上方移动时： （3分）当滑道的加速度aash时，由于摩擦阻力的作用，工件就不会向下滑移。（1分）（2）当滑道带动工件以加速度 向斜下方移动时 （3分）当滑道的加速度aaj时，工件就可以克服摩擦阻力向上滑移。（1分）