生產系統(tǒng)學-7柔性制造系統(tǒng).ppt

生產系統(tǒng)學,第七章柔性制造系統(tǒng),第七章柔性制造系統(tǒng),第一節(jié)柔性制造技術發(fā)展概況,一、概念和定義,按照制造系統(tǒng)的規(guī)模、柔性和其他特征，柔性自動化具有多種形式：,獨立制造島(AMI)柔性制造單元(FMC)柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性生產線和(FTL)自動化工廠(AF),第七章柔性制造系統(tǒng),獨立制造島(AMI),它是以成組技術為基礎，由若干數控機床和普通機床組成的制造系統(tǒng)，特點是將工藝技術準備、生產組織管理和制造過程結合在一起，重點放在信息流的自動化，借助計算機進行工藝過程設計、作業(yè)計劃編制和實時生產調度等。,第七章柔性制造系統(tǒng),柔性制造單元(FMC),通常由12臺加工中心或其他數控機床組成，并具有不同形式的刀具交換和工件的裝卸、輸送及存儲功能。除了機床的數控裝置外，通常還有一臺單元計算機來進行數控程序的管理和外圍設備的協(xié)調。,第七章柔性制造系統(tǒng),柔性制造系統(tǒng)(FMS),由兩臺以上的加工中心或柔性制造單元以及清洗、檢測設備組成，具有較完善的刀具和工件輸送和存儲系統(tǒng)，除主控計算機外，還配備有數控程序管理計算機和分布式數控終端等，形成多級控制系統(tǒng)組成的局部網絡。,第七章柔性制造系統(tǒng),柔性生產線(FTL),柔性較小的、具有自動生產線特征的柔性制造系統(tǒng)則稱為柔性生產線。,第七章柔性制造系統(tǒng),柔性制造車間或柔性自動化工廠(AF),由若干柔性制造系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)以及自動化物料存儲和運輸系統(tǒng)組成。通常由多級計算機網絡進行控制。,第七章柔性制造系統(tǒng),廣義的柔性制造系統(tǒng),任何一種分類方法和定義都不是絕對的。例如在某些文獻中，常把具有托板庫的加工中心稱為單元，而把具有兩臺以上加工中心的單元稱為柔性制造系統(tǒng)。因此，從廣義來講，柔性制造系統(tǒng)在某種程度上復蓋了柔性制造單元，是制造過程自動化的基本組成部分。,第一節(jié)柔性制造技術發(fā)展概況,與剛性自動化的工序分散、固定節(jié)拍和流水生產的特征相反，柔性自動化的主要共同特征是：工序集中沒有固定的生產節(jié)拍以及物料的非順序輸送柔性自動化的目標是，在中小批量生產的條件下接近大量生產中由剛性自動化所達到的高效率和低成本的生產水平。,圖7-1柔性自動化的應用領域,第一節(jié)柔性制造技術發(fā)展概況,第一節(jié)柔性制造技術發(fā)展概況,二、FMS的發(fā)展歷史,1988年統(tǒng)計，國際上以柔性生產方式生產的產品產值已占制造業(yè)總產值70以上，其中美國占77，日本占80，且有不斷增長的趨勢。我國第一個FMS于1986年10月在北京機床研究所投入運行,用于加工伺服電機的零件。,第一節(jié)柔性制造技術發(fā)展概況,刀具和工件的自動輸送和供給；借助計算機實現機床的合理利用和作業(yè)調度;制造過程的計算機監(jiān)控；機床及輸送系統(tǒng)的預防性維護和檢修。,三、柔性自動化的主要措施和效益,實現柔性自動化的主要措施是：,第一節(jié)柔性制造技術發(fā)展概況,提高機床利用率；在不停機條件下改變加工任務；多機床看管；人機分離；夜班無人運行。,通過這些措施可以實現：,第一節(jié)柔性制造技術發(fā)展概況,其結果導致：,可按照裝配所需的批量進行加工，從而減少在制品和降低存儲費用；縮短生產周期，實現按交貨日期組織生產；充分利用刀具壽命，減少刀具費用；降低產品的成本；對市場作出快速響應。,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,與系統(tǒng)兼容的加工中心和數控機床，即在工件、刀具和控制三方面都具有可與系統(tǒng)相連接的標準接口；能完成工件輸送、搬運以及儲存功能的工件供給系統(tǒng)；刀具供給系統(tǒng)，包括刀具的輸送、交換和儲存裝置以及刀具的預調和管理；系統(tǒng)的控制和管理，以及加工過程的監(jiān)控。,一、柔性制造系統(tǒng)的組成,按照典型的柔性制造系統(tǒng)由以下四個部分組成：,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,圖7-2典型模塊化柔性制造系統(tǒng)的特征,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,圖7-3柔性制造系統(tǒng)的功能模塊,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,工序集中易控性兼顧柔性和生產率,柔性制造系統(tǒng)中的機床特點及型式,二、機床,柔性制造系統(tǒng)的機床應滿足如下的要求：,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,柔性化組合機床：也叫做可換主軸箱機床。模塊化加工中心：它把加工中心也設計成若干“通用”部件組成，并可根據加工對象組合成不同的機床型式。如機床由六大部件組成，它們是：主軸；換刀機構和刀庫；立柱；底座；工作臺；及工作臺底座（軸坐標）。,柔性制造系統(tǒng)所用的機床結構設計上形成了兩個基本型式：柔性化組合機床及模塊化加工中心。,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,圖7-4鼓輪式換箱機床,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,“互替”機床所謂“互替”機床，就是納入系統(tǒng)的機床是互相可以代替的?！盎パa”機床所謂“互補”機床，就是納入系統(tǒng)的機床是互相補充的，各自完成某些特定的工序，各機床之間不能互相取代，工件在一定程度上必須按順序經過加工工位。,柔性制造系統(tǒng)的機床配置,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,表7-1“互替”和“互補”機床的比較,現有的FMS大多是“互替”和“互補”機床混合使用，以發(fā)揮各自的優(yōu)點。,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,三、工件流支持系統(tǒng),托板交換裝置,托板交換裝置是柔性制造系統(tǒng)加工設備和工件輸送裝置之間的橋梁和接口，不僅起連接作用，還可以暫時貯存工件，起到防止系統(tǒng)阻塞的緩沖作用。,（1）回轉式托板交換裝置（2）往復式托板交換裝置,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,（1）回轉式托板交換裝置,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,（2）往復式托板交換裝置,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,2.工業(yè)機器人,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,龍門式機械手輸送系統(tǒng),第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,感應線導式輸送車,感應線導式輸送車是目前柔性制造技術中較有發(fā)展前途的物料輸送裝置。其優(yōu)點如下：,配置靈活，可實現隨機存取，幾乎可完成任意回流曲線的輸送任務。由于不設輸送軌道等固定式設備，因此不占用車間地面及空間，使機床的可接近性好，便于機床的管理和維修?？杀ＷC物料分配及輸送的優(yōu)化，使用數量最少的托板。使托板和其他物料貯存庫簡化，并遠離加工設備區(qū)。,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,數控有軌運輸車,數控有軌運輸車是用在FMS自動加工生產線上。它來回于加工設備、裝卸站與立體倉庫之間，按指令自動運行到指定的工位（加工工位，裝卸工位,清洗站或立體倉庫庫位等）自動存取工件。它與機器人輸送方式相比具有，輸送距離大，定位精度高和載重量大等優(yōu)點。,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,四、刀具流支持系統(tǒng),刀具流的自動化則是其中的一個重要部分，它極大地影響了系統(tǒng)效率的提高，并決定了各機床利用率的高低?，F代柔性制造系統(tǒng)中的刀具流支持系統(tǒng)主要有人工支持和計算機管理控制支持二種方式。其主要任務是確保刀具及時協(xié)調地供給，對所需的刀具數據進行管理，并將它們傳送到相應機床的控制系統(tǒng)中去。人工方式可節(jié)省系統(tǒng)硬件投資，但由于采用人工換刀，要損失許多生產時間，因此只宜在換刀需求較少的系統(tǒng)中應用。計算機管理和控制的刀具支持系統(tǒng)可保證自動高效的換刀，它不僅可提高機床的利用率，也提高了刀具的利用率，這種刀具支持方式是目前的發(fā)展方向。,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,五、FMC的示例,具有工業(yè)機器人的柔性制造單元,第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)的組成與實例,六、FMS的示例,箱體零件的柔性制造系統(tǒng)的實例,一、FMS的信息流,基本數據，這是在柔性制造系統(tǒng)開始運行時一次建立的，并在運行中逐漸補充，它包括：有關系統(tǒng)配置的數據，如機床編號、類型、存儲工位標識號、數量等。物料的基本數據，如刀具幾何尺寸、類型、耐用度，托板的基本規(guī)格，相匹配的夾具類型尺寸等。,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,數據類型,控制數據，即有關加工零件的數據：工藝規(guī)程、數控程序和刀具清單（技術控制數據）加工任務單，指明加工任務種類、批量及完成期限（組織控制數據）狀態(tài)數據，它描述了資源利用的工況設備的狀態(tài)數據，如機床（加工中心、清洗機和測量機）、裝卸站、輸送系統(tǒng)等裝置的運行時間、停機時間及故障原因。物料的狀態(tài)數據，這包括隨行夾具、刀具等有關信息，如刀具壽命、破損斷裂情況及地址識別。零件實際加工進度，如零件實際加工工位、加工時間、存放時間、輸送時間的記錄以及成品數、廢品數的統(tǒng)計等。,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,信息流的功能模塊和接口,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,FMS管理控制信息流程,FMS信息流的層次和時間特征,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,（1）FMS信息流的層次FMS控制系統(tǒng)可以劃分為計劃制定與評價管理、過程協(xié)調控制及設備控制三個層次，這種模塊化的結構，它們在功能上和時間上既是獨立又相互聯系。在可靠性、經濟性等性能方面都提高了一步。,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,（2）FMS信息流的時間特征根據信息流不同層次，它們對通訊數據量與時間上的要求也并不相同，計劃管理模塊內的通訊主要是文件傳送和數據庫查詢、更新，需要存取和傳送大量數據,因此,往往需要較長的運行時間。而在過程控制模塊中只是平行地交換少量信息（如指令、命令響應等)，但必須及時傳遞，實時性強。因此，它的計算機運行環(huán)境應是在實時操作系統(tǒng)支持下并發(fā)運行。,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,二、作業(yè)計劃管理與控制,圖7-12FMS作業(yè)計劃編制與調度,作業(yè)計劃調度,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,刀具需求計劃,（1）計劃刀具需求（在作業(yè)計劃編好后立即進行）（2）實際刀具需求（在加工任務開始之前進行）,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,刀具預調,在管理計算機上可以聯接一臺刀具預調儀。從基本數據文件中得到的要調整刀具的理論值輸到刀具預調儀，由預調儀測得的刀具實際值或者刀具修正值在線地傳遞給管理計算機。在更換刀具時，每一個刀具修正值可由機床數控系統(tǒng)調用。,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,三、制造過程的協(xié)調控制,隨行夾具的安裝調整工件隨行夾具是由托板和工件專用夾具組成的。在夾具調整工位或裝卸工位上，針對具體工件的安裝調整過程由計算機通知操作者。工件裝夾在一個柔性制造系統(tǒng)內可以有幾個工件裝卸站，每個裝卸站可以由多個裝夾工位組成。在這些裝夾工位上，工件的裝夾或者是自動進行，或者由操作人員人工進行。輸送控制用于控制和監(jiān)視系統(tǒng)中已裝有或未裝有工件的隨行夾具的輸送。,工件流控制,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,圖7-13FMS工件流的控制,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,機床程序管理在柔性制造系統(tǒng)中機床程序接受所有傳送給機床接口的任務。這些任務具有在線功能，它完成數控程序和刀具數據管理等功能。數控程序管理要快速、及時地傳送機床的數控程序，理想情況是將NC數據直接從編程工作站傳送到要控制的機床中去。目前，多數數控機床都具有EtherNet接口，可以通過工作站將程序傳送到NC機床，系統(tǒng)的運行由工作站的操作鍵盤控制，機床旁配有調用NC程序的易于操作的工業(yè)終端。,數控程序管理,數控程序管理的功能包括：,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,刀具流,刀具流控制是在中央刀庫和機床刀庫之間實現有序的刀具交換（下圖）。刀具輸送設備可以是輸送小車、機器人或單軌架空輸送裝置等。,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,四加工過程監(jiān)控,刀具磨損和破損的監(jiān)視；工件在機床工作空間的位置測量；工件質量的控制；各組成部分功能檢驗及故障診斷。,為了保證柔性制造系統(tǒng)的運行可靠性，通?？刹捎靡韵逻^程監(jiān)控措施（圖7-15）：,通過對系統(tǒng)各組成部分、導致停機的事件和假定的早期識別出的廢品監(jiān)視，來采取相應的對策，以增加系統(tǒng)的有效性。,第三節(jié)柔性制造系統(tǒng)的控制和管理,圖7-15加工過程監(jiān)控功能,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,根據仿真的研究對象，系統(tǒng)仿真可以分成：連續(xù)系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)的模型可以用一組連續(xù)的方程描述。離散事件系統(tǒng)仿真。離散事件系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的狀態(tài)變化只在離散的時間點上發(fā)生，且發(fā)生時刻往往是隨機的，系統(tǒng)的狀態(tài)變化是由隨機事件驅動的。,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,一、排隊網絡模型,柔性制造系統(tǒng)是一種隨機服務系統(tǒng)。每一個工位都可以看作“服務臺”，工件就是“顧客”。每個工件都歷經到達、排隊等待、服務(加工)和離開的過程，整個系統(tǒng)就是組成了一個排隊網絡。利用計算機對所建立的數學模型求解，就可以得到系統(tǒng)一系列重要的性能指標，從而對系統(tǒng)進行評價。,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,1.系統(tǒng)的模型及其參數,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,一、排隊網絡模型,本模型的一個關鍵假定是，每個工位都具有一個隊列用以容納等待加工的工件，且每個隊列足夠長到能容納所有到達該工位的工件。這個假設意味著系統(tǒng)不會發(fā)生阻塞現象，工件的到達是隨機的，呈指數分布。模型的輸入參數共有五個：工位數量M托板（工件）數量N每一個工位的服務臺數量Si訪問頻數qi平均加工時間ti。,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,訪問頻數qi:取決于工件的加工路線，在本模型中，它被表達為一組概率的集q1q2.qM，且概率qi之和等于1。qi（當iM）表示輸送裝置向工位i輸送工件的概率qM表示工件加工完畢的概率ti:工位i上的平均加工時間（分件）。tM表示從某一工位獲取，并向下一工位輸送工件所需的平均時間。Wi=1/ti，代表工位i處于繁忙狀態(tài)時的工件速率（件分）。WM就是輸送裝置的平均輸送速率（次分）。,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,2.系統(tǒng)的性能指標,柔性制造系統(tǒng)最主要的性能指標是生產率，它是指每小時（或其它時間單位）系統(tǒng)生產零件的穩(wěn)態(tài)平均數，以p表示。其倒數1/p就是輸入或輸出間隔的平均時間。另一個重要的性能指標是工件耗費在系統(tǒng)內的平均通過時間，以T表示。對穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)來說，T等于系統(tǒng)內工件的平均數量與到達的平均間隔時間的乘積。因此，可以得出下列公式：T=N/p(7-1),第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,工位的利用率Ui定義為在一個長的運行期間內工位處于繁忙狀態(tài)的時間比例。在平衡狀態(tài)時，輸入到每個工位的工件流等于從那個工位輸出的工件流。因此，得到等式：qiWMUMWiUi（im）（7-2）對應UM解Ui：qiWMUiUM（iM）（7-3）WiqiWMri（iM）Wiri1（i=M）（7-4）Uiri,（i=1，2，.M-1）（7-5）UM因此，ri稱為相對利用率。,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,如果各工位的riSi值都接近于1，這就意味著系統(tǒng)各組成部分的利用率大致相同，工件負荷平衡良好。如果某一工位的riSi值顯著超過其他工位，則該工位就是系統(tǒng)的潛在“瓶頸”，系統(tǒng)的生產能力將受到這個工位的限制。如果各工位的riSi都小于rMSM時，就表明輸送裝置是系統(tǒng)的限制因素。系統(tǒng)的生產率：p（qMWM）UM（7-6）,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,1p*(N)N（）（7-7）T*NP(N)（7-8）T(N)p(N)T*E（7-9）p*(N)T(N),3.系統(tǒng)的性能極限,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,系統(tǒng)效率E的含義：實際生產率接近理想生產率p*(N)的程度；度量了有效生產時間（加工和輸送等）與在系統(tǒng)內總耗費時間的比例；由于系統(tǒng)效率的降低是工件擁擠的相互影響而引起的，因此也是系統(tǒng)擁擠程度的綜合指標。,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,在模型的假定條件下，p(N)是N的單向漸增函數。存在一個極限生產率，不管增加多少托板數量，系統(tǒng)的生產率不能超過這一數值當N增加時，工件在系統(tǒng)內耗費的時間越來越多地耗費在等待上，一直到有效生產時間變?yōu)榭偤馁M時間中可忽略的一部分為止，即系統(tǒng)的效率趨近于零。,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,當某一工位的所有服務臺在整個時間內都處于繁忙狀態(tài)時，系統(tǒng)就出現了飽和現象，即該工位已無法提供更多的加工能力。設此“瓶頸”工位的編號為，根據利用率的定義可得：limUbSb（7-10）N按照等式(7-5)可得：UbUM（7-11）rb根據等式（7-6）可求出生產率的極限：SbLimp(N)=qMWM（7-12）Nrb確定“瓶頸”工位的方法：首先達到飽和的將是每個服務臺都具有最大相對利用率的那個工位，即riSi最大的就是“瓶頸”工位。,UiriUM,p（qMWM）UM,第四節(jié)柔性制造系統(tǒng)的仿真,二、統(tǒng)計模型的動態(tài)仿真,系統(tǒng)仿真（離散系統(tǒng)）主要是指統(tǒng)計模型的數字仿真。系統(tǒng)仿真以排隊論為基礎，把系統(tǒng)狀態(tài)的變化用事件或活動循環(huán)來加以描述，使用專門的仿真語言，對系統(tǒng)的動態(tài)進程仿真?？梢蕴峁┤我粫r刻系統(tǒng)的狀態(tài)數據，研究系統(tǒng)在不同時間進程的動態(tài)變化，從而較全面地反映了系統(tǒng)的整個運行過程。主要用于對柔性制造系統(tǒng)的深入規(guī)劃研究、運行管理和生產控制。實際柔性制造系統(tǒng)很難用數學模型加以完整地描述，因此，在統(tǒng)計的基礎上利用計算機進行數字仿真就成為