先進(jìn)制造技術(shù)--第十二次教案

1、教案授課時(shí)間月 日 至 月 日課時(shí)數(shù)授課方式理論課 討論課 習(xí)題課 實(shí)驗(yàn)課 上機(jī)課 技能課 其他授課單元第三章 制造自動(dòng)化技術(shù)（第四節(jié) 柔性制造技術(shù)）目的與要求1掌握柔性制造技術(shù)不同的應(yīng)用形式2. 掌握柔性制造系統(tǒng)的組成及各部分的功能3. 了解柔性制造系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：1. 柔性制造系統(tǒng)的組成及各部分的功能 2.柔性制造技術(shù)不同的應(yīng)用形式難點(diǎn)： 柔性制造系統(tǒng)的工作原理主要內(nèi)容第四節(jié) 柔性制造技術(shù)一、柔性制造技術(shù)概述.概念；不同應(yīng)用形式二、柔性制造系統(tǒng)的組成和工作原理組成；工作原理；FMS的主要功能；FMS的特點(diǎn)；FMS的優(yōu)勢(shì)；FMS的應(yīng)用舉例； 教學(xué)方法手段（教具）講授；多媒體和

2、板書相結(jié)合；運(yùn)用啟發(fā)式、案例分析式、提問式教學(xué)方法講授本節(jié)課程內(nèi)容。參考資料1.盛曉敏著先進(jìn)制造技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000。2.孫大涌著先進(jìn)制造技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999。3.張根保著先進(jìn)制造技術(shù)重慶：重慶大學(xué)出版社，1996。 4.中國機(jī)械工程、機(jī)械工程學(xué)報(bào)、制造技術(shù)與機(jī)床等科技核心期刊。思考題、作業(yè)講稿第四節(jié) 柔性制造技術(shù)一、柔性制造技術(shù)概述1.概念：柔性制造技術(shù)(FMT)：是一種主要用于多品種中小批量或變批量生產(chǎn)的制造自動(dòng)化技術(shù)，它是對(duì)各種不同形狀加工對(duì)象進(jìn)行有效地且適應(yīng)性轉(zhuǎn)化為成品的各種技術(shù)總稱。 柔性：是指制造系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部及外部環(huán)境的一種適應(yīng)能力，也是指制造系統(tǒng)能夠

3、適應(yīng)產(chǎn)品變化的能力，可以分為瞬時(shí)、短期和長期柔性三種。瞬時(shí)柔性：是指設(shè)備出現(xiàn)故障后，自動(dòng)排除故障或?qū)⒘慵D(zhuǎn)移到另一臺(tái)設(shè)備上繼續(xù)進(jìn)行加工的能力；短期柔性：是指系統(tǒng)在短時(shí)期（間隔幾個(gè)小時(shí)或幾天）內(nèi)，適應(yīng)加工對(duì)象的能力，任意時(shí)刻混合地進(jìn)行加工兩種以上零件的能力；長期柔性：是指系統(tǒng)在長期使用（幾周或一個(gè)月）中，能進(jìn)行加工各種工件的能力。2.不同應(yīng)用形式： 柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、柔性制造生產(chǎn)線和柔性制造工廠 。但統(tǒng)稱為柔性制造系統(tǒng)。 （1）柔性制造單元（FMC）： 它是由1臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床或加工中心、環(huán)形（圓形或橢圓形）托盤輸送裝置或工業(yè)機(jī)器人所組成，采用切削監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工，不停機(jī)轉(zhuǎn)換

4、工件進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。它是一個(gè)可變加工單元，是組成柔性制造系統(tǒng)的基本單元。 （2）柔性制造系統(tǒng)（FMS）： 它是指由兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的數(shù)控機(jī)床或加工中心或柔性制造單元所組成，配有自功輸送裝置（有軌、無軌輸送車或機(jī)器人），工件自動(dòng)上下料裝置（托盤交換或機(jī)器人），自動(dòng)化倉庫，外有計(jì)算機(jī)并綜合控制功能、數(shù)據(jù)管理功能、生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度管理功能和監(jiān)控功能等 （3）柔性制造生產(chǎn)線（FML）： 它是針對(duì)某種類型（族）零件的，帶有專業(yè)化生產(chǎn)或成組化生產(chǎn)的特點(diǎn)。由多臺(tái)加工中心或數(shù)控機(jī)床組成，其中有些機(jī)床帶有一定的專用性，全線機(jī)床按工件的工藝過程布局，可以有生產(chǎn)節(jié)拍，但它本質(zhì)上是柔性的，是可變加工生產(chǎn)線，具有柔性制造系統(tǒng)

5、的功能。 （4）柔性制造工廠（FMF）： 它可以實(shí)現(xiàn)全廠范圍內(nèi)生產(chǎn)管理過程、機(jī)械加工過程和物料儲(chǔ)運(yùn)過程全盤自動(dòng)化。FMF全部的日程進(jìn)度和作業(yè)由主計(jì)算機(jī)和各級(jí)計(jì)算機(jī)通過在線控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。 柔性制造系統(tǒng)（FMS）是數(shù)控機(jī)床或設(shè)備自動(dòng)化的延伸，可以概括為以下三方面：FMS是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的生產(chǎn)系統(tǒng)；系統(tǒng)采用半獨(dú)立的NC機(jī)床；這些機(jī)床通過物料輸送系統(tǒng)聯(lián)成一體。FMS的工藝基礎(chǔ)是成組技術(shù)，它按照成組的加工對(duì)象確定工藝過程，選擇相適應(yīng)的數(shù)控加工設(shè)備和工件、工具等物料的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，故能自動(dòng)調(diào)整并實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)多種工件的成批高效生產(chǎn)(即具有“柔性”)，并能及時(shí)地改變產(chǎn)品以滿足市場(chǎng)需求。F

6、MS兼有加工制造和部分生產(chǎn)管理兩種功能，因此能綜合地提高生產(chǎn)效益。FMS的工藝范圍正在不斷擴(kuò)大，可以包括毛坯制造、機(jī)械加工、裝配和質(zhì)量檢驗(yàn)等。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于沖壓和焊接的。3. 發(fā)展1967年，英國莫林斯公司首次根據(jù)威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系統(tǒng)24”。其主要設(shè)備是六臺(tái)模塊化結(jié)構(gòu)的多工序數(shù)控機(jī)床，目標(biāo)是在無人看管條件下，實(shí)現(xiàn)晝夜24小時(shí)連續(xù)加工，但最終由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的困難而未全部建成。同年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成 Omniline I系統(tǒng)，它由八臺(tái)加工中心和兩臺(tái)多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機(jī)

7、床間傳送和進(jìn)行加工。這種柔性自動(dòng)化設(shè)備適于少品種、大批量生產(chǎn)中使用，在形式上與傳統(tǒng)的自動(dòng)生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動(dòng)線。 日本、前蘇聯(lián)、德國等也都在60年代末至70年代初，先后開展了FMS的研制工作。1976年，日本發(fā)那科公司展出了由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(簡稱FMC)，為發(fā)展FMS提供了重要的設(shè)備形式。70年代末期，F(xiàn)MS在技術(shù)上和數(shù)量上都有較大發(fā)展，80年代初期已進(jìn)入實(shí)用階段，其中以由35臺(tái)設(shè)備組成的FMS為最多，但也有規(guī)模更龐大的系統(tǒng)投入使用。1982年，日本發(fā)那科公司建成自動(dòng)化電機(jī)加工車間，由60個(gè)柔性制造單元（包括50個(gè)工業(yè)機(jī)器人）和一個(gè)立體倉庫組成，另有兩臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)

8、臺(tái)車傳送毛坯和工件，此外還有一個(gè)無人化電機(jī)裝配車間，它們都能連續(xù)24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種自動(dòng)化和無人化車間，是向?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)集成的自動(dòng)化工廠邁出的重要一步。與此同時(shí)，還出現(xiàn)了若干僅具有FMS基本特征，但自動(dòng)化程度不很完善的經(jīng)濟(jì)型FMS，使FMS的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)成就得到普及應(yīng)用。二、柔性制造系統(tǒng)的組成和工作原理1.組成典型的柔性制造系統(tǒng)由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制與管理系統(tǒng)組成。（1）加工系統(tǒng)：兩臺(tái)以上CNC機(jī)床。主要采用加工中心和數(shù)控車床。中、大批量少品種生產(chǎn)中所用的FMS，常采用可更換主軸箱的加工中心，以獲得更高的生產(chǎn)效率。 機(jī)床設(shè)備與夾具、托盤和自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)形式及數(shù)量、規(guī)格和類型取決于工件

9、的形狀、尺寸和精度要求，生產(chǎn)批量。 要求： 1）工序集中。減少工位數(shù)來減輕物流負(fù)擔(dān)，選用加工中心。 2）控制功能強(qiáng)。選用模塊化的機(jī)床結(jié)構(gòu)，其外部通信功能和內(nèi)部管理功能強(qiáng)，有內(nèi)裝的可編程控制器，易于與輔助裝置連接，方便系統(tǒng)的調(diào)整與擴(kuò)展。 3）高剛度、高精度、高速度。切削功能強(qiáng) ，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高的機(jī)床。 4）自保護(hù)與自維護(hù)性好。應(yīng)有過載保護(hù)裝置，設(shè)有行程與工作區(qū)域限位裝置，導(dǎo)軌和各相對(duì)運(yùn)動(dòng)件等無須潤滑或能自動(dòng)加潤滑，具有故障診斷和預(yù)警功能。 5）使用經(jīng)濟(jì)性好。導(dǎo)軌油可回收，斷排屑處理快速、徹底，延長刀具使用壽命。 6）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性與保護(hù)性好。對(duì)工作環(huán)境的溫度、濕度、粉塵等要求不高，各種密

10、封件性能可靠，及時(shí)排除煙霧，噪聲、振動(dòng)小。加工系統(tǒng)常用配置形式：加工的零件主要有兩類：棱體類零件，如箱體、框架、平板等；回轉(zhuǎn)體零件。加工棱體類零件，一般選用立式、臥式或立臥兩用加工中心。加工回轉(zhuǎn)體零件，選用數(shù)控車床或車削加工中心機(jī)床。 加工中心是一種備有刀庫并能按預(yù)定程序自動(dòng)更換刀具，對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的高效數(shù)控機(jī)床。它的最大特點(diǎn)是工序集中和自動(dòng)化程度高，可減少工件裝夾次數(shù)，避免工件多次定位所產(chǎn)生的累積誤差，節(jié)省輔助時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效加工。機(jī)床設(shè)備的配置形式：互替式、互補(bǔ)式和混合式。（1）互替式：機(jī)床是一種并聯(lián)關(guān)系，功能可互相替代，工件可隨機(jī)輸送到任何一臺(tái)加工。系統(tǒng)可維持正常的工作。 （2

11、）互補(bǔ)式：功能是互相補(bǔ)充的，各自完成特定的加工任務(wù)。生產(chǎn)率高，可靠性低。 （3）混合式：有些機(jī)床按互替形式布置，有些則按互補(bǔ)形式布置，以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。 加工系統(tǒng)的輔助裝置：包括機(jī)床夾具、托盤、自動(dòng)上下料裝置等。 （1）機(jī)床夾具：要求，盡可能一次裝夾便能完成所有部位加工。單一夾具裝夾多個(gè)工件。 組合夾具，使夾具零件標(biāo)準(zhǔn)化，拼裝成夾具。柔性夾具，使一部夾具能為多個(gè)不同加工工件服務(wù)；（2）托盤：工件通過夾具裝在托盤上。加工時(shí)，托盤支撐工件完成加工任務(wù)。輸送時(shí)托盤承載著工件和夾具在機(jī)床之間進(jìn)行傳送。是連接所有加工單元的接口。連接成為一個(gè)系統(tǒng)整體。托盤采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式。國際標(biāo)準(zhǔn)；（3）自動(dòng)上下料裝置

12、：有托盤交換器和工業(yè)機(jī)器人。托盤交換器作為聯(lián)接加工系統(tǒng)和物料運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)的橋梁，還作為工件的暫時(shí)儲(chǔ)存器。可以存儲(chǔ)幾個(gè)工件。 （2）物流系統(tǒng)：系統(tǒng)搬運(yùn)的的物料有毛坯、工件、刀具、夾具、檢具和切屑等；儲(chǔ)存物料的方法有平面布置的托盤庫，也有儲(chǔ)存量較大的立體倉庫。通常認(rèn)為FMS的物流系統(tǒng)由工件流系統(tǒng)和刀具流系統(tǒng)兩大部分組成。物流系統(tǒng)主要由輸送裝置、交換裝置、緩沖裝置和存儲(chǔ)裝置等組成 1.工件運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)。由自動(dòng)運(yùn)輸小車、機(jī)器人、工件裝卸站、自動(dòng)化倉庫、托盤緩沖站、托盤交換裝置等組成，能對(duì)工件和原材料進(jìn)行自動(dòng)裝卸、運(yùn)輸和存儲(chǔ)。毛坯一般先由工人裝入托盤上的夾具中，并儲(chǔ)存在自動(dòng)倉庫中的特定區(qū)域內(nèi)，然后由自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)

13、根據(jù)物料管理計(jì)算機(jī)的指令送到指定的工位。固定軌道式臺(tái)車和傳送滾道適用于按工藝順序排列設(shè)備的FMS，自動(dòng)引導(dǎo)臺(tái)車搬送物料的順序則與設(shè)備排列位置無關(guān)，具有較大靈活性。工業(yè)機(jī)器人可在有限的范圍內(nèi)為14臺(tái)機(jī)床輸送和裝卸工件，對(duì)于較大的工件常利用托盤自動(dòng)交換裝置(簡稱APC)來傳送，也可采用在軌道上行走的機(jī)器人，同時(shí)完成工件的傳送和裝卸。磨損了的刀具可以逐個(gè)從刀庫中取出更換，也可由備用的子刀庫取代裝滿待換刀具的刀庫。車床卡盤的卡爪、特種夾具和專用加工中心的主軸箱也可以自動(dòng)更換。切屑運(yùn)送和處理系統(tǒng)是保證FMS連續(xù)正常工作的必要條件，一般根據(jù)切屑的形狀、排除量和處理要求來選擇經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)方案。 組成：（1）工

14、件裝卸站。設(shè)在FMS入口處，通常由人口完成對(duì)毛坯和已加工工件的裝卸。 （2）托盤緩沖站。待加工零件的中間存儲(chǔ)站。解決排隊(duì)現(xiàn)象，起著緩沖物料的作用。設(shè)置在機(jī)床的附近，呈直線或環(huán)行布置，可存儲(chǔ)若干工件。系統(tǒng)通過托盤交換器將工件托盤緩沖器上送到機(jī)床上進(jìn)行加工。 （3）自動(dòng)化倉庫。采用多層立體布局結(jié)構(gòu)形式，由計(jì)算機(jī)控制，服從FMS的命令和調(diào)度。布置和存放物料。毛坯庫、在制品庫和成品庫等多個(gè)存儲(chǔ)單元。由高層料架 、堆垛機(jī)、控制計(jì)算機(jī)和物料識(shí)別裝置等組成。 （4）物料運(yùn)載裝置。負(fù)責(zé)工件與其它物料的運(yùn)送工作，擔(dān)負(fù)物料在各機(jī)床、自動(dòng)化倉庫和托盤緩沖器之間的搬運(yùn)和輸送工作。有傳送帶、自動(dòng)運(yùn)輸小車和搬運(yùn)機(jī)器人等。

15、 1）傳送帶一般用于小零件加工系統(tǒng)中的短程傳送，占據(jù)空間大，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易失靈，用得是越來越少。 2) 自動(dòng)運(yùn)輸小車，有軌和無軌。3) 搬運(yùn)機(jī)器人。 2.刀具運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)。包括中央刀庫、機(jī)床刀庫、刀具預(yù)調(diào)站、刀具輸送小車或機(jī)器人、換刀機(jī)械手等。 （1） 運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)組成及其作業(yè)過程 由刀具預(yù)調(diào)站、刀具裝卸站、刀庫系統(tǒng)、刀具運(yùn)載交換裝置以及計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)組成。 刀具預(yù)調(diào)站設(shè)在FMS之外，用于刀具進(jìn)行預(yù)先調(diào)整。刀具裝卸站是刀具進(jìn)出的，是框架式，專用刀具排架。 刀庫系統(tǒng)包括機(jī)床刀庫和中央刀具，機(jī)床刀具存放加工單元當(dāng)前所需要的刀具，而中央刀庫存放各個(gè)加工單元共享的刀具，容量大，容納數(shù)千把刀具。 刀具運(yùn)載

16、交換裝置是各刀具庫之間進(jìn)行傳遞和交換的工具。 主要職能：負(fù)責(zé)刀具的運(yùn)輸、存儲(chǔ)和管理，向加工單位提供所需刀具，監(jiān)控刀具的使用，取走報(bào)廢刀具。刀具運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)作業(yè)過程： 由人工將刀具與標(biāo)準(zhǔn)刀柄進(jìn)行組裝，在刀具預(yù)調(diào)站由工人通過對(duì)刀儀對(duì)刀具進(jìn)行預(yù)調(diào)，測(cè)量參數(shù)，然后輸入到計(jì)算機(jī)。 由工人搬運(yùn)到刀具裝卸站。系統(tǒng)根據(jù)指令由刀具運(yùn)載裝置將刀具從裝卸站搬運(yùn)到中央刀具庫，根據(jù)工藝要求，刀具運(yùn)載裝置將從中央刀具庫送到個(gè)加工單元。 （3）控制與管理系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)FMS進(jìn)行調(diào)度、運(yùn)行控制、物料管理、系統(tǒng)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)通信等。由計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、可編程控制器、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的控制和管理軟件組成，是FMS的核心部分。

17、采用的是多級(jí)計(jì)算機(jī)遞階控制結(jié)構(gòu)，分別負(fù)擔(dān)主控計(jì)算機(jī)的負(fù)荷，提高系統(tǒng)的可靠性。 一般采用三層遞階控制結(jié)構(gòu)，包括：系統(tǒng)管理與控制層、過程協(xié)調(diào)與監(jiān)控、設(shè)備控制層。1）系統(tǒng)管理與控制層。單元控制層，執(zhí)行上級(jí)下達(dá)的任務(wù)，制定系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，實(shí)時(shí)分配作業(yè)任務(wù)給各個(gè)工作站。 2）過程協(xié)調(diào)與監(jiān)控層。工作站控制層，主要協(xié)調(diào)工件在系統(tǒng)中的流動(dòng)，完成各設(shè)備間的交接、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視與控制、加工順序的分配、工況和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集以及向上級(jí)控制器報(bào)告。 3）設(shè)備控制層。由機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化倉庫等設(shè)備的CNC裝置和PLC邏輯控制裝置組成，直接控制各類加工設(shè)備和物料系統(tǒng)的自動(dòng)工作循環(huán)，接收和執(zhí)行上級(jí)系統(tǒng)的控制指令，

18、并向上級(jí)系統(tǒng)反饋現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和控制信息。工廠計(jì)算機(jī)：制定、修改、更新生產(chǎn)（作業(yè)）計(jì)劃；對(duì)中央計(jì)算機(jī)和物流計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。中央計(jì)算機(jī)：根據(jù)工廠計(jì)算機(jī)制定的作業(yè)計(jì)劃對(duì)各加工單元進(jìn)行監(jiān)視與控制。物流計(jì)算機(jī)：根據(jù)工廠計(jì)算機(jī)制定的作業(yè)計(jì)劃對(duì)自動(dòng)倉庫、堆垛機(jī)、緩沖站、運(yùn)輸小車等進(jìn)行監(jiān)視與控制。單元控制器：監(jiān)視與控制機(jī)床加工、檢測(cè)、上下料 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)：在控制計(jì)算機(jī)與單元控制器之間進(jìn)行信息傳遞。2.工作原理學(xué)生自學(xué)完成2.FMS的主要功能 1）自動(dòng)制造功能，在柔性制造系統(tǒng)中，由數(shù)控機(jī)床這類設(shè)備承擔(dān)制造任務(wù)； 2）自動(dòng)交換工件和刀具的功能； 3）自動(dòng)輸送工件和刀具的功能； 4）自動(dòng)保管毛坯、工件、半成品、工夾具、模具的功能； 5）自動(dòng)監(jiān)視功能（即刀具磨損、破損的監(jiān)測(cè)），自動(dòng)補(bǔ)償，自診斷等； 6）作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度。3. FMS的特點(diǎn)（1）適合多品種、中小批量生產(chǎn)；（2）生產(chǎn)零件的品種由4至100種不等（2030種居多）生產(chǎn)零件的批量由40至2000件不等（50200件居多）；（3）具有較大柔性（4）可加工多種零件（5）沒有固定的生產(chǎn)節(jié)拍（6）故障可容（一臺(tái)機(jī)床出現(xiàn)故障，其它機(jī)床可進(jìn)行擬補(bǔ)）（7）高度自動(dòng)化 （8）除毛坯準(zhǔn)備與毛坯安裝外全部自動(dòng)化（9）可在不停機(jī)的條件下實(shí)現(xiàn)加工工