（精選幻燈片）柔性制造系統(tǒng)技術(shù).ppt

第二章柔性制造系統(tǒng)技術(shù),一、學習要求1、了解：柔性制造系統(tǒng)的產(chǎn)生和特點；2、掌握：柔性制造系統(tǒng)的定義、組成及類型。,二、學習要點1、柔性制造系統(tǒng)的產(chǎn)生、特點；2、FMS的定義、組成及類型；3、物料運送裝置；4、加工中心的分類及其換刀方式、刀庫類型。,2.1.1制造自動化技術(shù)的廣義內(nèi)涵2.1.2柔性自動化制造技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀2.1.3柔性自動化制造技術(shù)發(fā)展趨勢2.1.4制造自動化技術(shù)涉及的相關(guān)內(nèi)容,第一節(jié)制造自動化技術(shù)概述,2.1.1制造自動化技術(shù)的廣義內(nèi)涵,一、自動化概念的不斷發(fā)展變化自動化技術(shù)是人類在長期的生產(chǎn)活動中不斷追求的主要目標之一。,1、1936年美國通用汽車公司工作人員認為：在一個生產(chǎn)過程中，機器之間的零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運就是“自動化”。即：以機械代替人力操作，自動完成特定的作業(yè)。2、隨著計算機的出現(xiàn)和應用，自動化的概念擴展為：用機器包括計算機代替或輔助人的體力勞動和腦力勞動，按照需求和目標，靈活、自動地完成特定的作業(yè)。3、今天，柔性自動化制造技術(shù)是指：在廣義制造過程中的所有環(huán)節(jié)采用自動化技術(shù)，即對制造全過程進行優(yōu)化規(guī)劃、組織、運作、協(xié)調(diào)、控制與管理，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、敏捷和綠色生產(chǎn)的目標，并取得社會經(jīng)濟效益。,二、柔性自動化制造技術(shù)在形式上的三層含義,1、代替人的體力勞動；2、代替或輔助人的腦力勞動；3、實現(xiàn)制造系統(tǒng)中人、機及整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化。,三、柔性自動化制造技術(shù)在功能上的含義可用TQCSEF模型來描述柔性自動化制造技術(shù)的目標。,T（Time）時間，加速新產(chǎn)品研制，縮短交貨期Q（Quality）質(zhì)量C（Cost）成本S（Service）服務E（Environment）環(huán)保F（Flexible）柔性,四、柔性自動化制造技術(shù)的內(nèi)涵,自動化：自動去完成特定的作業(yè)。制造自動化（狹義）：生產(chǎn)車間內(nèi)，產(chǎn)品機械加工、裝配和檢驗過程的自動化；制造自動化（廣義）：包含產(chǎn)品設計、企業(yè)管理、加工裝配和質(zhì)量控制等產(chǎn)品制造全過程綜合集成自動化。制造自動化意義：顯著提高勞動生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、提高經(jīng)濟效益，改善勞動條件、提高勞動者的素質(zhì)、有利于產(chǎn)品更新、帶動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、提高企業(yè)的市場競爭能力。,剛性自動化設備-自動/半自動機床、組合機床、組合機床自動線；對象-單一品種大批量生產(chǎn)自動化；特點-生產(chǎn)效率高、加工品種單一。柔性自動化設備-NC、CNC、FMC、FMS等。對象-多品種小批量甚至單件生產(chǎn)自動化；綜合自動化經(jīng)營管理、開發(fā)設計、加工裝配、質(zhì)量保證自動化，CIMS、CE、LP、AM等。,2.1.2柔性自動化制造技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀,一、發(fā)展歷程的第一種劃分方法（三個階段）,機械加工自動化,制造自動化技術(shù)的主要形式,汽車后橋齒輪箱加工自動線,制造自動化技術(shù)的主要形式,二、發(fā)展歷程的第二種劃分方法（五個階段）,1、第一階段（1913年）：剛性自動化，包括剛性生產(chǎn)線和自動單機。該階段技術(shù)在20世紀40年代已經(jīng)相當成熟。特點：大批量生產(chǎn)；僅適用于單一品種新技術(shù)：繼電器程序控制組合機床2、第二階段（1930）：數(shù)控加工，包括數(shù)控和計算機數(shù)控。其中數(shù)控在20世紀50-70年代發(fā)展迅速并已成熟，70-80年代計算機數(shù)控加工取代了數(shù)控加工。特點：柔性好；適用于多品種中小批量生產(chǎn)新技術(shù)：數(shù)控技術(shù)、計算機編程技術(shù)等,二、發(fā)展歷程的第二種劃分方法（五個階段）,3、第三階段（1965年）：柔性制造，包括計算機直接控制（DNC）、FMS和FMC。特點：柔性、高效率；適用于多品種中小批量生產(chǎn)；新技術(shù)：GT，DNC，F(xiàn)MS，監(jiān)控技術(shù)4、第四階段（1973）：計算機集成制造系統(tǒng)CIMSCIMS在20世紀80年代以來發(fā)展迅速。特點：強調(diào)系統(tǒng)性和集成性；新技術(shù)：現(xiàn)代制造技術(shù)、管理技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、信息技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù),二、發(fā)展歷程的第二種劃分方法（五個階段）,5、第五階段（1991年）：智能制造系統(tǒng)（IMS），包括計算機直接控制（DNC）、FMS和FMC。1990年4月由日本倡導。特點：集成日本的企業(yè)技術(shù)、歐共體的精密工程技術(shù)、美國的系統(tǒng)技術(shù)等,以上介紹五個階段，是國外發(fā)達國家的發(fā)展歷程。我國與國外發(fā)達國家相比，有所滯后，目前正在努力跟進。,作業(yè),1、柔性自動化制造技術(shù)的發(fā)展先后經(jīng)歷了哪五個階段？（1）剛性自動化（2）數(shù)控加工（3）柔性制造（4）計算機集成制造系統(tǒng)（5）智能制造系統(tǒng),三、柔性自動化制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀,1、集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)研究熱點。CIMS：信息集成和功能集成；CE：過程集成；AM：企業(yè)間集成；2、人機一體化系統(tǒng)全盤自動化和無人化工廠或車間曾經(jīng)是制造自動化發(fā)展的目標。在對無人制造中出現(xiàn)的問題進行反思的基礎上，人們重新認識了人在柔性自動制造系統(tǒng)中有著機器不可替代的重要作用。將人作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的有機組成部分。,三、柔性自動化制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀,3、單元系統(tǒng)及其技術(shù)單元系統(tǒng)：以一臺或多臺數(shù)控加工設備與物料儲運系統(tǒng)為主體，在計算機統(tǒng)一控制下，可進行多品種、中小批量零件自動化加工生產(chǎn)的機械加工工藝系統(tǒng)的總稱。是CIMS的重要組成部分。4、制造過程中的計劃與調(diào)度在多品種、中小批量生產(chǎn)中，加工時間僅占生產(chǎn)時間的約5，其余95均為周轉(zhuǎn)等待時間；加工時間中真正進行切削的時間不足30%。,5、柔性制造自動化制造技術(shù)的深度與廣度FMCFMLFMS；但物流自動化設備投資在整個FMS的投資中占有相當大的比例，因此FMS的應用受到其投資大、見效慢和可靠性相對較差等不足的限制。DNC具有投資小、見效快和可靠性高等優(yōu)點，近年來研究較為活躍。6、適應現(xiàn)代生產(chǎn)模式的制造環(huán)境JIT；CE；LP；AM7、加工系統(tǒng)的復合化和智能化日本提出了智能完備制造系統(tǒng)（HMS）；,制造敏捷化使企業(yè)面臨市場競爭作出快速響應；制造網(wǎng)絡化實現(xiàn)制造過程的集成，實現(xiàn)異地制造、遠程協(xié)調(diào)作業(yè)；制造虛擬化保證產(chǎn)品和制造過程一次成功，盡早發(fā)現(xiàn)設計與生產(chǎn)中可避免的缺陷和錯誤；制造智能化擴大、延伸、部分取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，以實現(xiàn)優(yōu)化的制造過程。制造全球化市場國際化，產(chǎn)品制造跨國化，制造資源跨國家的協(xié)調(diào)、共享和優(yōu)化利用；制造綠色化使產(chǎn)品從設計、制造、使用到報廢處理全生命周期中，對環(huán)境影響最小，資源利用率最高。,2.1.3制造自動化技術(shù)發(fā)展趨勢,2.1.4制造自動化技術(shù)涉及的相關(guān)內(nèi)容,1、數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)數(shù)控相關(guān)課程已學習，本門課程不再講述2、柔性制造系統(tǒng)本章主要內(nèi)容3、工業(yè)機器人本門課程第5章講述4、自動檢測與監(jiān)控技術(shù)部分內(nèi)容在機械測試技術(shù)或傳感器相關(guān)課程中已講述，本章在介紹刀具監(jiān)控時將簡要介紹。,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)技術(shù)概述,一、柔性制造系統(tǒng)的產(chǎn)生和特點1、產(chǎn)生背景：（1）市場變化導致中小批量、多品種生產(chǎn)方式成為需要。市場競爭的加劇及顧客需求的多樣化，導致傳統(tǒng)的以規(guī)模效應帶動成本降低的剛性生產(chǎn)線不再適應市場的變化。剛性生產(chǎn)線忽略了可能增加的庫存而帶來的成本的增加；1973年石油危機，使大批量生產(chǎn)的缺點暴露。,（2）科學技術(shù)的進步推動了自動化程度和制造水平的提高。NC、CNC、DNCCAD、CAMGT、CAPPROBOT,2、柔性自動化制造技術(shù)的產(chǎn)生世界上公認的第一條柔性制造系統(tǒng)是英國莫林（Molin）機床公司1967年建成的“MolinSystem-24”；20世紀70年代末和80年代初，計算機輔助管理物料自動搬運，刀具管理和計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展以及CAD/CAM技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了更加系統(tǒng)化、規(guī)模更加擴大的柔性制造系統(tǒng)。20世紀80年代末，F(xiàn)MS已經(jīng)成為一項成熟的技術(shù)，并在世界范圍得到廣泛應用。,3、我國FMS的研究狀況我國采取引進和開發(fā)相結(jié)合的方針，引進箱體類零件、旋轉(zhuǎn)體件及鈑金件加工FMS的全部或部分硬件技術(shù)。1984是我國研制FMS的起步時間，比國外晚了17年。我國第一套FMS系統(tǒng)是由北京機床研究所于1985年10月開發(fā)完成的（JCS-FMS-1），用于加工數(shù)控機床直流伺服電機中的主軸、端蓋、法蘭盤、殼體和刷架體等，它由5臺國產(chǎn)加工中心、日本富士電機公司的AGV（自動導引車）及4臺日本產(chǎn)的機器人組成，其控制系統(tǒng)由FANUC提供，據(jù)分析它的投資回收期約為兩年半。1983年1985年，在國家的支持下北京第一機床廠、湖南江麓機床廠、鄭州紡織機械廠、廣西柳州開關(guān)廠等一些單位分別率先從德國、日本進口了國內(nèi)第一批FMS。,1985年后在國家機電部“七五”重點科技攻關(guān)項目的支持和國家863高技術(shù)發(fā)展計劃自動化領(lǐng)域的工作的帶動下，F(xiàn)MS得到極大的重視和發(fā)展，進入了自行開發(fā)和部分進口的交叉階段。1988年北京機床研究所為天津減速機廠提供的加工減速機機座的JCS-FMS-2系統(tǒng)是全部自行開發(fā)和配套的，它標志著我國已具有自主開發(fā)FMS系統(tǒng)的實力。近幾年來，國內(nèi)一些經(jīng)濟實力比較雄厚的工廠（北京第一機床廠，上海第二紡織機械廠，天津減速機總廠，山西經(jīng)緯紡織機械廠等），為實施CIMS，又進口了一些國外的FMS系統(tǒng)。,4、FMS的兩個主要特點：柔性和自動化所謂柔性，是指制造系統(tǒng)（企業(yè)）對系統(tǒng)內(nèi)部及外部環(huán)境的一種適應能力，也是指制造系統(tǒng)能夠適應產(chǎn)品變化的能力。可分為瞬時、短期和長期柔性三種,5、FMS的其它特點：P16（1）-（5）了解，自學。,二、FMS的定義、組成和類型,柔性制造實體,柔性制造系統(tǒng)仿真,1、FMS的定義根據(jù)“中華人民共和國國家軍用標準”有關(guān)“武器裝備柔性制造系統(tǒng)術(shù)語”的定義，柔性制造系統(tǒng)（FMS）是數(shù)控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)，包括多個柔性制造單元，能根據(jù)制造任務或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速調(diào)整，適用于多品種、中小批量生產(chǎn)。美國制造工程師協(xié)會(SME)的計算機輔助系統(tǒng)和應用協(xié)會把柔性制造系統(tǒng)定義為“使用計算機、柔性加工單元和集成物料儲運裝置完成零件族某一工序或一系列工序的一種集成制造系統(tǒng)”。,更直觀的定義是：“柔性制造系統(tǒng)是至少由兩臺數(shù)控機床，一套物料運輸系統(tǒng)（從裝載到卸載具有高度自動化）和一套計算機控制系統(tǒng)所組成的制造自動化系統(tǒng)。它采用簡單改變軟件的方法便能制造出某些部件中的任何零件”。綜上所述，各種定義的描述方法雖然有所不同，但都反映了FMS應具備以下特點：硬件組成兩臺以上的數(shù)控機床或加工中心以及其他加工設備，包括測量機、清洗機、動平衡機、各種特種加工設備等；一套能自動裝卸的運輸系統(tǒng)，包括刀具儲運和工件及原材料儲運。具體結(jié)構(gòu)可采用傳輸帶、有軌小車、無軌小車、搬運機器人、上下料托盤站等；一套計算機控制系統(tǒng)及信息通信網(wǎng)絡。,軟件組成FMS的運行控制系統(tǒng)；FMS的質(zhì)量保證系統(tǒng)；FMS的數(shù)據(jù)管理和通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。FMS必須具備的功能能自動管理零件的生產(chǎn)過程，自動控制制造質(zhì)量，自動進行故障診斷及處理，自動進行信息收集及傳輸；簡單地改變軟件或系統(tǒng)參數(shù)，便能制造出某一零件族的多種零件；物料的運輸和儲存必須為自動(包括刀具等工裝和工件的自動運輸)；能解決多機床條件下零件的混流加工，且無需額外增加費用；具有優(yōu)化調(diào)度管理功能，能實現(xiàn)無人化或少人化加工。,2、FMS的組成（硬件）典型的FMS主要有三個子系統(tǒng)組成：加工系統(tǒng)運儲系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng),作業(yè),2、FMS是如何定義的？其硬件組成主要包括哪幾部分？,FMS基本組成,典型的柔性制造系統(tǒng),典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖1-自動倉庫；2-裝卸站；3-托盤站；4-檢驗機器人；5-自動小車；6-臥式加工中心；7-立式加工中心；8-磨床；9-組裝交付站；10-計算機控制室,a)互替式b)互補式c)混合式,3、FMS的類型FMS適用于中小批量的生產(chǎn)，既要兼顧對生產(chǎn)率和柔性的要求，也要考慮系統(tǒng)的可靠性和機床的負荷率。因此，就產(chǎn)生了三種類型的FMS：,4、不同類型的柔性制造設備柔性制造模塊（FMM）相當于功能齊全的加工中心；柔性制造單元（FMC）小型FMS，由1-2臺機床組成，自動更換刀具，自動上下工件；柔性制造系統(tǒng)（FMS）控制與管理功能比FMC強，管理通信要求高；柔性制造生產(chǎn)線（FML）數(shù)控組合機床設備，專用性強、生產(chǎn)率高，相當于數(shù)控自動生產(chǎn)線，用于少品種、中大批量生產(chǎn)，為專用FMS。柔性制造工廠（FMF）全企業(yè)范圍生產(chǎn)管理、設計開發(fā)、加工制造和物料運儲全盤自動化。,40,實際柔性制造生產(chǎn)線,柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell，簡稱FMC）是一種最簡單的柔性加工系統(tǒng)，通常由單臺加工中心及托盤輸送裝置（或工業(yè)機器人）組成。,由一臺臥式鏜銑類加工中心和自動化的托盤庫組成的柔性制造單元,相對于柔性制造系統(tǒng)，柔性制造單元投資小，實現(xiàn)周期短，見效快，更適合于廣大的中小企業(yè)。因此，表現(xiàn)出比柔性制造系統(tǒng)更廣泛的市場需求和發(fā)展前景。,第二節(jié)FMS的加工系統(tǒng),一、加工系統(tǒng)的功能與要求加工系統(tǒng)是FMS的最基本的組成部分，也是FMS中耗資最多的部分，擔任把原材料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的任務。加工系統(tǒng)的要求如下：,工序集中，減輕物流負擔，減少裝夾次數(shù)；控制功能強、擴展性好；高剛度、高精度、高速度；自保護與自維護性好；使用經(jīng)濟性好；對環(huán)境的適應性與保護性好。,二、加工系統(tǒng)中常用的加工設備簡介1、目前FMS的加工對象主要有兩大類：棱柱體類回轉(zhuǎn)體類,2、加工中心加工中心（MachiningCenter，MC）是一種備有刀庫并能按預定程序自動更換刀具，對工件進行多工序加工的高效數(shù)控機床。棱柱體類：常用鏜銑加工中心回轉(zhuǎn)體類：常用車削加工中心,臥式加工中心1-主軸頭2-刀庫3-刀庫4-立柱底座5-回轉(zhuǎn)工作臺、6-工作臺底座,臥式加工中心,車削加工中心1-刀庫2-回轉(zhuǎn)刀架3-換刀機械手4-上下工件機器人5-工件存儲站,3、加工系統(tǒng)的輔助裝置機床夾具組合夾具：利用標準化夾具零部件快速拼裝所需夾具；柔性夾具：一部夾具能為多個加工對象服務。托盤（Pallet）承載工件和夾具完成加工任務，是各加工單元間的硬件接口。自動上下料裝置托盤交換器：聯(lián)接加工系統(tǒng)和物料運儲系統(tǒng)橋梁；工業(yè)機器人：具有較大的柔性度。,組合夾具,柔性夾具,ISO標準規(guī)定的托盤基本形狀1-托盤導向面2-側(cè)面定位面3-安裝螺孔4-工件安裝面5-中心孔6-托盤擱置面7底面8-工件固定孔9-托盤夾緊面10-托盤定位面,回轉(zhuǎn)式托盤交換器,往復式托盤交換器,工件裝卸站設在FMS入口，由人工完成裝卸；托盤緩沖站工件中間存儲站，起緩沖物料作用；物料存儲裝置自動化倉庫、自動料架、緩沖料架；物料運送裝置負責在機床、自動化倉庫和托盤緩沖站之間物料搬運作業(yè)。傳送帶：用于小零件短程傳送，占據(jù)空間大、易磨損；自動運輸小車：分有軌小車、無軌小車；搬運機器人：具有較高柔性和控制水平。,一、FMS的物料運儲系統(tǒng)組成,第三節(jié)FMS的物料運儲系統(tǒng),二、FMS物料輸送基本回路直線輸送回路沿直線路線單向或雙向移動，順序地在各個連接點停靠；環(huán)形輸送回路運載工具沿環(huán)形路線單向或雙向移動；網(wǎng)狀輸送回路由多個回路相互交叉組成，可由一條環(huán)路移動到另一回路。,三、自動化倉庫貨架為一個個存儲單元，設有地址編碼，貨架之間有巷道，每個巷道配有專用堆垛機。堆垛機由托架、貨叉、支柱、上下導軌、移動電動機以及傳感器構(gòu)成的三維搬運設備。控制與管理系統(tǒng)負責物料信息的登錄、識別，物料自動存取，倉庫管理。,自動化倉庫示意圖,堆垛機結(jié)構(gòu)示意圖1-上導軌2-支柱3-物料4-托架5-移動電動機6-傳感器,四、自動導向小車線導小車電磁感應導向，柔性大、擴展性好、不怕污染、工作可靠。光導小車采用帶有熒光材料油漆或色帶，通過光電制導，改變線路非常容易，對環(huán)境要求嚴格。遙控制導小車小車頂部裝有激光裝置，通過固定位置反射激光束信息，確定小車位置。,運輸小車,結(jié)構(gòu)：車體安裝平臺托盤交換裝置蓄電池控制系統(tǒng),運輸小車,AGV電磁感應制導原理,激光燈臺制導原理,刀具運儲系統(tǒng)的組成刀具預調(diào)站設在FMS之外，按要求對刀具進行裝配和調(diào)整；刀具裝卸站是刀具進出FMS入口，多為排架式框架結(jié)構(gòu)；刀具庫系統(tǒng)存放當前加工所需的機床刀庫，容量?。淮娣鸥骷庸卧蚕淼闹醒氲稁?，容量大；刀具運載交換裝置負責刀具運輸和交換，適時向加工單元提供所需刀具；計算機控制管理系統(tǒng)-控制刀具運輸、存儲和管理，監(jiān)控管理刀具的使用，及時取走已報廢或壽命已耗盡的刀具。,第四節(jié)FMS的刀具管理系統(tǒng),刀具運儲系統(tǒng)作業(yè)過程,刀具刃磨人工組裝,刀具預調(diào),刀具裝卸站,中央刀具庫,需重磨或報廢刀具,加工單元刀庫,加工單元刀庫,加工單元刀庫,刀具運載交換裝置FMS中刀具交換內(nèi)容：機床刀庫與機床主軸刀具交換-由機床換刀裝置完成；刀具裝卸站、中央刀庫、各機床刀庫間刀具交換；AGV運載刀架與機床刀庫間刀具交換。刀具交換運載工具：換刀機器人-有地軌和高架導軌形式；刀具運載小車-在小車上放置一個裝載刀架，并附設小型機器人，負責刀具交換。,高架導軌式的換刀機器人1-縱向?qū)к?-橫梁3-滑臺4-換刀機器人,AGV小車換刀機器人1-AGV2-裝載刀架3-機器人4-機床刀庫,刀具破損的監(jiān)控,FMS刀具信息的管理,刀具的信息管理靜態(tài)刀具信息：固定不變的信息，如刀具類型、編碼、幾何形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)等。動態(tài)刀具信息：隨時間不斷變化的刀具參數(shù)，如刀具壽命、實際參與切削時間、工作直徑和長度等。四層結(jié)構(gòu)的刀具信息管理系統(tǒng)：第1層-實時動態(tài)文件，每把在線刀具都擁有獨立文件，記載刀具實時動態(tài)數(shù)據(jù)；第2層-靜態(tài)刀具類型文件，每一類刀具擁有一個文件；第3層-刀具組件文件；第4層-刀具元件文件。,加工中心的刀庫類型盤式刀庫鏈式刀庫轉(zhuǎn)塔式刀庫,FMS控制與管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)遞階控制結(jié)構(gòu)：將復雜系統(tǒng)分層分模塊設置，各層相對獨立，便于系統(tǒng)的開發(fā)和維護。遞階控制特點：愈往底層，實時性愈強；愈到上層，處理信息