柔性制造自動化概論

1、1柔性制造自動化概論華中科技大學(xué)出版社劉延林 編著2緒 論1機械制造自動化發(fā)展簡史（1）1870年，自動機床走進制造行業(yè)。（2）1895年，發(fā)明多軸自動車床。（3）1924年，機械制造自動線誕生。（4）1952年，數(shù)控（NC, Numerical Control）機床發(fā)明。3（5）二十世紀(jì)六十年代以來， 主機：計算機數(shù)控（CNC, Computerized Numerical Control）機床， 輔助工序和設(shè)計規(guī)劃：A工業(yè)機器人（IR, Industrial Robot），B無人搬運車（AGV, Automated Guided Vehicle），C計算機輔助設(shè)計（CAD, Compute

2、r Aided Design），D計算機輔助編制工藝（CAPP, Computer Aided Process Planning），E計算機輔助制造（CAM, Computer Aided Manufacturing ）。（6）1967年，提出了柔性制造系統(tǒng)（FMS, Flexible Manufacturing System）的專利申請。 制造自動化技術(shù)發(fā)展史上的又一個里程碑！4第一章 柔性制造系統(tǒng) 1-1 從自動線到柔性制造系統(tǒng)一、剛性自動線的特點： 前提：單一品種、大批量生產(chǎn)； 基礎(chǔ)：穩(wěn)定成熟的工藝； 特點：等節(jié)奏、快節(jié)拍、工序分散； 構(gòu)成：制造設(shè)備（主機）按工藝流程排列，被工件自動輸送

3、設(shè)備和輔助設(shè)備聯(lián)成一條生產(chǎn)線； 自動：在控制設(shè)備的控制下，自動完成工件的裝卸、輸送、定位夾緊、切削加工、切屑排除、質(zhì)量檢測。5二、柔性制造系統(tǒng)產(chǎn)生的背景以市場經(jīng)濟為基礎(chǔ)的現(xiàn)代制造業(yè)，面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，制造廠商要想在激烈的市場競爭中獲利，必須將單一品種大批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成多品種小批量生產(chǎn)模式，并解決以下問題：（1）當(dāng)產(chǎn)品變更時，制造系統(tǒng)的基本設(shè)備配置不應(yīng)變化；（2）按訂單生產(chǎn)，在庫的零部件和產(chǎn)品不能多；（3）能在很短時間內(nèi)交貨；（4）產(chǎn)品質(zhì)量高，而價格應(yīng)低于大批量生產(chǎn)模式下制造出來的產(chǎn)品；（5）面對勞動力市場高齡、高學(xué)歷、高工資帶來的困難，制造系統(tǒng)應(yīng)該有很高的自動化水平，并能夠在無人（或少人）的

4、條件下長時間連續(xù)運行。在些背景下，柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System, FMS）誕生了。6 1-2 柔性制造系統(tǒng)的功能及適應(yīng)范圍一、FMS的基本組成及主要功能1基本組成一個制造系統(tǒng)被稱為柔性制造系統(tǒng)，至少應(yīng)包含三個基本組成部分，即：（1）數(shù)控（NC）機床，即主機；（2）物流系統(tǒng)，即毛坯、工件、刀具的存貯、輸送、交換系統(tǒng)；（3）控制整個系統(tǒng)運行的計算機系統(tǒng)。72主要功能（1）自動制造功能。在柔性制造系統(tǒng)中，由數(shù)控機床這類設(shè)備承擔(dān)制造任務(wù)；（2）自動交換工件和刀具的功能；（3）自動輸送工件和刀具的功能；常見的FMS具有以下功能：（4）自動保管毛坯、工件、半成品

5、、工夾具、模具的功能；（5）自動監(jiān)視功能。即刀具磨損、破損的監(jiān)測、自動補償、自診斷等；（6）作業(yè)計劃與調(diào)度功能。二、FMS的適用范圍8 1-3 FMS的結(jié)構(gòu)與分類一、FMS的結(jié)構(gòu)（8）信息管理及控制裝置；（1）加工設(shè)備；（2）裝配設(shè)備；（3）檢測設(shè)備；（5）物料交換設(shè)備；（6）裝卸站；（7）物料保管設(shè)備；（9）輔助設(shè)備。（4）輸送設(shè)備； 9二、FMS的分類：1按FMS承擔(dān)的制造任務(wù)，可將FMS分成：2按機床與物料輸送系統(tǒng)的組合方式，有人將柔性零件加工系統(tǒng)分成：（1）柔性零件加工系統(tǒng)；（2）柔性檢測系統(tǒng)；（3）柔性裝配系統(tǒng)。（2）FMC 群；（4）FTL（Flexible Transfer Li

6、ne)。（1）FMC（Flexible Manufacturing Cell）；（3）FMS（典型） ；10三、FMC與FMS的區(qū)別：從廣義上講FMC與典型FMS都屬于柔性制造系統(tǒng)，但深究一下它們之間的區(qū)別，可以歸納成：（1）FMC是由單臺（或少數(shù)幾臺）制造設(shè)備構(gòu)成的小系統(tǒng)，而FMS可以是由很多設(shè)備構(gòu)成的大系統(tǒng)；（2）FMC只具有某一種制造功能，而典型FMS應(yīng)該有多種制造功能，例如加工、檢測、裝配等；（3）FMC是自動化制造孤島，而典型FMS應(yīng)該與上位計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)并交換信息；（4）一個很小的FMS其功能也比復(fù)雜的FMC強大得多。11第二章 柔性裝配系統(tǒng)根據(jù)柔性裝配系統(tǒng)（FAS，F(xiàn)lexibl

7、e Assembly System）的主體設(shè)備，可將FAS分為三類：（1）以自動裝配機為核心的FAS；（2）以裝配機器人為核心的FAS；（3）以焊接機器人為核心的FAS。12 2-1柔性裝配系統(tǒng)的特征一、裝配流水線的組成三要素：（1）輸送；（2）供料；（3）裝配。二、柔性裝配系統(tǒng)的特征：（1）具有四個組成要素：供料、送料、裝配和輸送；（2）模塊化。13 2-2柔性裝配系統(tǒng)的控制技術(shù)一、機器人控制器1手臂控制（1）加減速控制，（2）伺服控制，（3）力控制 。2手（工具）控制14二、PLC1夾具 2供料裝置（1）專用供料裝置；（2）零件盤（托盤）；（3）送料裝置；（4）料斗式供料裝置。3送料裝置三

8、、監(jiān)控15 2-3柔性裝配系統(tǒng)的傳感技術(shù)一、視覺傳感器1機器視覺的結(jié)構(gòu)2應(yīng)用實例（1）電阻檢測 ；（2）零件識別 ；（3）電子元件組裝 ；（4）工件搬運。16二、光電傳感器1組成與分類2應(yīng)用實例（1）二極管色標(biāo)檢測；（2）螺母正反面判別；（3）螺孔檢測；（4）安全光欄。17三、位移傳感器1分類與工作原理（1）光（激光）位移傳感器 ；（2）超聲波位移傳感器。2應(yīng)用實例（1）底板翹曲檢測；（2）電子元件插入高度判別；（3）玻璃厚度測定。18四、接近傳感器1工作原理和分類 2應(yīng)用實例（1）機器人握緊信號的傳送；（2）螺釘擰緊狀態(tài)檢測；（3）零件計數(shù)。五、壓力傳感器：1動作原理2氣壓監(jiān)測19 2-4

9、柔性裝配系統(tǒng)實例一、電扇裝配工藝流程和裝配系統(tǒng)布局電扇裝配經(jīng)歷了如下步驟：（1）懸掛式輸送機把電扇座（在其他車間鑄塑成形）輸送到裝配系統(tǒng)的入口，機器人把電扇座搬到電扇座傳送帶的托盤上；（2）裝配機器人把帽蓋螺栓擰入電扇座，然后抓來裝飾板，把它壓到位，并擰緊帽蓋；（3）電扇座掉頭；（4）自動裝配機和機器人完成壓彎裝飾板腳、組裝導(dǎo)桿組件、組裝按鈕、組裝定時器、組裝電容器等作業(yè)；20（5）一位工人安裝中間軟管、塑料軟管、隔板；（6）5臺機器人布線并焊接頭；（7）裝底板、電扇座掉頭；（8）三位工人組裝電機支架、定時調(diào)節(jié)器、電機、導(dǎo)線、激光焊接電機端子板，自動裝配機裝電機后罩、旋鈕；（9）自動檢測電扇的

10、性能、工人檢查其外觀；（10）機器人從傳送帶上搬走成品。21二、電扇柔性裝配系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)1系統(tǒng)構(gòu)成2關(guān)鍵設(shè)備（1）裝配機器人；（2）YAG激光自動焊接裝置；（3）輸送器模塊；（4）控制系統(tǒng)。三、效果（1）減人92；（2）更換裝配流程的時間減少92；（3）制造準(zhǔn)備時間減少25；（4）日產(chǎn)（三班）量5000臺。22第四章 柔性制造自動化系統(tǒng)的機床特征 4-1適用于FMS的機床特征 結(jié)構(gòu)布局便于工件自動交換， 有大容量刀庫或輔助刀庫， 綜合加工能力強， 高性能， 通信接口， 清洗、排屑、刀具管理、監(jiān)控。23 4-2面向FMS的加工中心一、加工中心的改造 增加刀具數(shù)量 增加輔助刀庫 用機器人交換刀具

11、 目 自動交換工件 增加自動交換工件裝置 的 改造自動交換工件裝置 與 識別托盤號 措 提高數(shù)控功能 擴大內(nèi)存 施 檢索外存貯器程序號 增加雙向通信接口 其他 無人化功能 與小車接口24二、加工中心的選用1選用要點（1）工件自動交換，（2）刀具自動交換，（3）NC系統(tǒng)，（4）加工精度的穩(wěn)定性，（5）排屑問題，（6）功能擴展，（7）可靠性，（8）可維護性。252重點考察的技術(shù)條款：（1）托盤尺寸、各數(shù)控軸行程、聯(lián)動軸數(shù)，（2）主軸轉(zhuǎn)速范圍、最大輸出功率和力矩，（3）主軸刀柄錐號和主軸軸承直徑，（4）刀庫容量和刀庫允許存放刀具的最大直徑、長度、重量，（5）快速進給速度和切削進給速度，（6）刀具自動

12、交換（ATC）和托盤自動交換（APC）時間，（7）主軸振擺和機床座標(biāo)系的原點偏移，（8）定位精度和重復(fù)定位精度，（9）分度精度和重復(fù)精度，（10）螺距誤差補償和反向間隙補償。圖4626三、加工中心的重要功能1刀具存貯與自動換刀（1）盤式刀庫，（2）鏈?zhǔn)降稁?，?）盒式刀庫；（4）架式刀庫。2工件自動交換（1）平行式APC，（2）旋轉(zhuǎn)式APC。3接觸傳感器（1）工件自動找正，（2）刀具破損監(jiān)測。4加工尺寸檢測與自動補償5功率監(jiān)控（1）切削狀態(tài)的功率監(jiān)視，（2）切削狀態(tài)的自適應(yīng)控制。27 4-3車削中心一、概述二、車削中心的主要結(jié)構(gòu)特點1主軸箱2刀架3對置式刀架三、主要工藝特點1多軸數(shù)控加工2加工

13、綜合化3加工節(jié)奏快28四、車削中心的功能擴展1加工汽車鋁車輪的車削中心2車削中心的功能及其實現(xiàn)措施3自動換刀（ATC）與自動換爪（AJC）（1）ATC功能，（2）AJC功能。4運行監(jiān)視（1）工件裝卡狀態(tài)監(jiān)視，（2）活動頂尖支承狀態(tài)監(jiān)視，（3）刀具磨損監(jiān)視。29第五章 柔性制造系統(tǒng)的刀具及刀具管理 5-1柔性制造自動化對刀具的要求及對策一、對刀具的要求 控制刀具的數(shù)量， 刀具自動交換， 高可靠性。30二、對策1可靠性對策2超常刀具自動交換對策3刀具數(shù)量控制對策（1）產(chǎn)品設(shè)計模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，（2）刀具設(shè)計模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，（3）開發(fā)車、銑通用刀具，（4）采用復(fù)合刀具和多刃刀具，（5）充分利用機床的數(shù)

14、控功能。31 5-2刀具管理系統(tǒng)的設(shè)備配置一、設(shè)備配置 管理站， 零件柜， 刀具組裝站， 刀具預(yù)調(diào)儀， 刀具緩存站， 加工中心盤形刀庫， NC車床的回轉(zhuǎn)刀架， 換刀機械手， 備用刀具庫， 盤形刀庫交換器， 讀寫器， 盤形刀庫用托盤， 控制器， 夾具調(diào)整裝置。二、實例：CACCIMS刀具管理系統(tǒng)32 5-3刀具識別和刀具預(yù)調(diào)一、刀具編碼與編碼環(huán)識別二、標(biāo)識塊識別系統(tǒng)1原理及應(yīng)用（1）標(biāo)識塊，（2）讀寫器，（3）識別控制單元。2標(biāo)識塊刀具識別系統(tǒng)33三、刀具預(yù)調(diào)1刀具預(yù)調(diào)儀（1）測量頭，（2）測量架，（3）刀架。2預(yù)調(diào)步驟（1）裝刀，（2）快進（自動），（3）慢進（手動），（4）調(diào)整，（5）讀數(shù)。

15、34 5-4刀具管理系統(tǒng)的運作過程1.制定刀具準(zhǔn)備計劃2.刀具準(zhǔn)備3.刀具入庫35 5-5刀具監(jiān)控1.刀具直接監(jiān)控 圖像匹配法， 接觸法。362.刀具間接監(jiān)控 常用的方法有： 工件表面質(zhì)量監(jiān)測：用激光（或紅外）傳感器檢測工件加工表面的粗糙度； 切削溫度監(jiān)測：用熱電偶檢測工件與刀具之間的切削溫度； 超聲波監(jiān)測：用超聲波換能器與接受器檢測主動發(fā)射超聲波的反射波； 振動監(jiān)測：用加速度計或振動傳感器檢測加工過程中的振動信號； 切削力監(jiān)測：用應(yīng)變力傳感器或壓電力傳感器，檢測切削力、切削分力的比值； 功率監(jiān)測：用互感器、分流器、功率傳感器等，檢測主電機或進給電機的功率； 聲發(fā)射監(jiān)測：用聲發(fā)射傳感器檢測加工

16、中的聲發(fā)射信號及其特征參量。373.刀具破損聲發(fā)射監(jiān)測 聲發(fā)射 ：AE , Acoustic Emission 實例。 原理,38第六章 工業(yè)機器人 6-1工業(yè)機器人及其結(jié)構(gòu)一、概述二、工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu) 1執(zhí)行系統(tǒng) 手 腕 工 臂 業(yè) 立柱 機 行走機構(gòu) 器 2驅(qū)動系統(tǒng) 液壓驅(qū)動 人 電力驅(qū)動 的 氣壓驅(qū)動 組 3控制系統(tǒng) 作業(yè)控制器 成 運動控制器 驅(qū)動控制器 4檢測系統(tǒng) 工業(yè)機器人 ：IR , Industrial Robot ; Robota 39 6-2工業(yè)機器人分類及選用一、分類1按控制系統(tǒng)的 控制性能 自動型機器人 智能型機器人 編程方式 可編程序式機器人 示教再現(xiàn)式機器人 數(shù)控控

17、制式機器人 控制方式 點位控制式機器人 連續(xù)軌跡控制機器人 控制機構(gòu) 開關(guān)型機器人 伺服型機器人 2按驅(qū)動方式 液壓式機器人 氣動式機器人 電動式機器人403按抓舉重量和動作范圍 大型機器人( 100 - 1000kg ) 中型機器人( 10 - 100kg ) 小型機器人( 0.1 - 10kg )4按機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式 圓柱座標(biāo)機器人 極座標(biāo)機器人 直角座標(biāo)機器人 多關(guān)節(jié)機器人圖68b圖68c圖68a圖68d41二、選用要點 機器人名稱與型號， 主要用途， 類別， 結(jié)構(gòu)型式， 自由度數(shù)， 抓重， 動作范圍及速度， 定位方式， 控制方式， 定位精度， 驅(qū)動方式， 驅(qū)動源， 編程方法和程序容量，

18、外形尺寸（長寬高）和重量， 外部同步信號和控制系統(tǒng)的電源規(guī)格。42 6-3工業(yè)機器人的應(yīng)用一、選用工業(yè)機器人的目的1提高生產(chǎn)力（44.5）（1）為提高人均產(chǎn)量（10）；（2）為降低產(chǎn)品成本（13.8）；（3）為穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量（6.5）；（4）為提高生產(chǎn)設(shè)備的安全性（3.9）；（5）為彌補勞動力不足（10.3）。2改善工人工作條件（24.9）（1）為防止職業(yè)?。?.5）；（2）為防止工傷事故（5.9）；（3）改善在物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境中的工作條件（6.1）；（4）提高勞動素質(zhì)（8.6）；（5）減少事故造成的經(jīng)濟損失（1.8）。433提高制造系統(tǒng)的柔性（13.5）（1）使制造系統(tǒng)能加工多種工件（5.2

19、）；（2）適應(yīng)產(chǎn)品品種的變更（5.1）；（3）大幅度改變機器人的工作內(nèi)容（3.2）。4使制造系統(tǒng)容易管理（8）（1）便于改變生產(chǎn)系統(tǒng)的負(fù)荷系數(shù)（5.3）；（2）為了制造系統(tǒng)組合部件化（2.7）。5其它目的（9.1）（1）節(jié)約設(shè)備投資（4.6）；（2）提高企業(yè)形象（1.0）；（3）開發(fā)、掌握自動化技術(shù)（1.1）；（4）使自動化制造系統(tǒng)設(shè)計容易、節(jié)省設(shè)計力量（0.8）；（5）減少設(shè)備的零件數(shù)，使其容易保養(yǎng)（0.9）；（6）其它（0.7）。44二、工業(yè)機器人在柔性制造自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用1物料搬運（1）自動堆垛系統(tǒng)，（2）物料供給系統(tǒng)。2構(gòu)筑制造系統(tǒng)（1）構(gòu)筑FMC ，（2）構(gòu)筑FMS。3加工制造（1

20、）焊接，（2）切割，（3）噴漆，（4）涂敷 ，（5）其他。45第七章 自動倉庫與自動導(dǎo)向小車（AGV） 7-1自動倉庫一、自動倉庫在柔性制造自動化系統(tǒng)中的作用 物料存儲， 定時控制物料流動， 準(zhǔn)確統(tǒng)計庫存物料的種類、規(guī)格、數(shù)量， 對物流和制造實施統(tǒng)一管理， 為上層管理系統(tǒng)提供必要信息， 在計算機信息管理系統(tǒng)支持下，實現(xiàn)訂貨、生產(chǎn)計劃、物料控制的集成。46二、自動倉庫的種類及其結(jié)構(gòu)1固定式自動倉庫2循環(huán)式自動倉庫（1）貨架，（2）堆垛機，（3）進出庫作業(yè)站，（4）載貨工具，（5）進出庫控制裝置。（1）水平循環(huán)自動倉庫，（2）垂直循環(huán)自動倉庫，（3）多層水平循環(huán)自動倉庫。47三、自動倉庫的管理和控

21、制1概述該自動倉庫的“自動”主要表現(xiàn)在：（1）倉儲管理自動化。即，對貨格、貨箱、帳目的管理自動化；（2）貨箱進出庫作業(yè)自動化。其中包括： 自動識別貨箱零件的名稱，并對其記帳； 自動跟蹤運輸帶上的貨箱，并使其分岔； 自動選擇堆垛機的最佳運行速度； 自動尋找貨格的地址，并檢測貨格的狀態(tài)（有無貨格）。獲得如下效果：（1）降低倉儲成本，（2）提高保管質(zhì)量，（3）增強市場響應(yīng)能力，（4）有利環(huán)境保護。482自動倉庫的管理和控制（1）預(yù)處理計算機層，（2）管理計算機層，（3）通訊監(jiān)控機層，（4）堆垛機控制器，（5）運輸機控制器。49 7-2自動導(dǎo)向小車（AGV） 一、AGVS在柔性制造自動化系統(tǒng)中的作用自

22、動導(dǎo)向小車（AGV, Automated Guided Vehicle）自動導(dǎo)向車系統(tǒng)（AGVS, Automated Guided Vehicle System） 對中、小批量制造系統(tǒng)而言，物料搬運的自動化技術(shù)水平更引起人們的注意； 柔性制造自動化系統(tǒng)引進AGVS，是由于下述原因： AGVS能使柔性制造自動化系統(tǒng)布局設(shè)計具有最大的靈活性，能方便地實施人一個作業(yè)點到另一個作業(yè)點的物料搬運計劃； 在AGV上安裝物料交換裝置，可使運輸線上各作業(yè)點的物料交換都實現(xiàn)自動化，從而能輕松地把各個分散制造單元聯(lián)成有機整體； AGV只在輸送物料時才上路運行，不阻塞其它物流通道，也不與電纜溝、管道相干涉，因此與

23、其它設(shè)備的兼容性好。老車間改造，也容易采用AGV。50二、AGVS的構(gòu)成1地面制導(dǎo)與管理系統(tǒng)包括： AGVS由地面制導(dǎo)與管理系統(tǒng)、AGV兩部分組成：（1）制導(dǎo)定位系統(tǒng)，（2）交通管理系統(tǒng)，（3）調(diào)度操作設(shè)備，（4）通訊設(shè)備，（5）輔助設(shè)備。2AGV有三種基本類型：（1）平臺車，（2）叉車，（3）牽引車。513AGV擁有下述部件：（1）車體，（2）行走驅(qū)動機構(gòu)（驅(qū)動輪等機構(gòu)在車體內(nèi)），（3）物料交換裝置，（4）安全防護裝置，（5）蓄電池，（6）導(dǎo)向機構(gòu)，（7）控制系統(tǒng)（在車體內(nèi)）。52三、AGV的制導(dǎo)技術(shù)1AGV制導(dǎo)方式： 固定路線 主動式 電磁制導(dǎo) 激光制導(dǎo) 被動式 光反射制導(dǎo)方 圖像識別制導(dǎo)

24、 半固定路線 點標(biāo)記 標(biāo)記跟蹤制導(dǎo) 條碼識別制導(dǎo) 式 磁制導(dǎo) 線標(biāo)記 導(dǎo)盲犬機器人制導(dǎo) 無固定路線 地面支持 狹縫符號制導(dǎo) 超聲波燈塔制導(dǎo) 激光燈塔制導(dǎo) 三面直角棱鏡制導(dǎo) 自主航行 外景識別制導(dǎo) 地圖識別制導(dǎo) 陀螺儀制導(dǎo) 超聲波制導(dǎo) 巡航導(dǎo)彈式制導(dǎo)532最常用的制導(dǎo)方式 （1）電磁制導(dǎo)，（2）激光制導(dǎo)，（3）光反射制導(dǎo)，（4）標(biāo)記跟蹤制導(dǎo)，（5）磁制導(dǎo)，（6）三面直角棱鏡制導(dǎo)，（7）外景識別制導(dǎo)。54四、AGV的準(zhǔn)停和安全保護1準(zhǔn)停的方式（1）定位肖，（2）導(dǎo)軌，（3）導(dǎo)向桿，（4）里程表、編碼器、接近開關(guān)，（5）光電傳感器。2安全保護55五、AGV的控制1AGV的作業(yè)過程2中央控制室控制調(diào)度

25、（1）AGV的控制調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由四個單元組成： 計算機在線管理單元； 無線電通信單元。包括：地面通信控制裝置（CCU）、車載通信控制裝置（CCU）； 車載控制裝置（含微型計算機）； 輸送帶控制。作業(yè)點呼叫 - 中央控制室調(diào)度 - AGV行駛 - 物料交換56（2）作業(yè)內(nèi)容 AGV的運行管理， AGV的運行監(jiān)視， 搬運物料的分類管理， 對裝配件進行先進先出管理， 對緩沖輸送帶上的物料進行在庫管理。（3）通信控制系統(tǒng) 詢問AGV的行駛狀態(tài)和應(yīng)答， 給AGV發(fā)出指令和應(yīng)答。573AGV控制（1）作業(yè)內(nèi)容 AGV行駛控制， 物料交換器控制。（2）組成 檢測單元， 控制單元， 驅(qū)動單元。58第八章 柔性

26、制造自動化的控制技術(shù)和監(jiān)視技術(shù) 8-1概述 8-2面向柔性制造自動化的PLC技術(shù)一、PLC( Programmble Logic Controller )的功能擴展1繼電器順序控制與PLC2PLC的功能擴展（1）數(shù)據(jù)處理與數(shù)值運算功能，（2）高性能CPU和大容量內(nèi)存，（3）外圍設(shè)備多樣化，（4）網(wǎng)絡(luò)功能，（5）故障診斷。 三種基本控制設(shè)備微型計算機、PLC、NC 系統(tǒng)控制 ：DNC、多級分布式控制 監(jiān)視技術(shù)59二、PLC編程語言1梯形圖和計算機算法語言，2順序功能圖（SFC， Sequential Function Chart）。三、PLC的模塊化1模塊化的PLC2模塊化PLC的運行（1）輸入

27、，（2）輸出。60 8-3面向柔性制造自動化的數(shù)控系統(tǒng)一、面向FMS的數(shù)控系統(tǒng)特點1通用數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)局限（1）設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的局限，（2）自動化水平的局限。數(shù)控 : NC , Numerical Control612面向FMS的NC系統(tǒng)特點（1）結(jié)構(gòu)特點（2）PLC與NC系統(tǒng)之間交換的信息PLC與NC系統(tǒng)之間交換的控制信息主要有： 控制軸的狀態(tài)信息。其中包括回到原點的信號、移動中的信號、移動方向信號， 報警及其狀態(tài)信號， 當(dāng)前值數(shù)據(jù)， M、S、T代碼信號， 運行模式選擇信號， 運行啟/停信號，（3）PLC與NC系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換過程（4）對算法語言源程序的調(diào)用（5）PLC與NC系統(tǒng)的分工 程

28、序查詢信號。62二、數(shù)控系統(tǒng)的功能擴展1會話式制訂日作業(yè)計劃功能2遠(yuǎn)程通信功能3柔性加工自動化功能（1）自動編程，（2）輔助工序，（3）NC運行，（4）參數(shù)，（5）維護，（6）生產(chǎn)信息。4人工智能5自律分布式功能（1）能同時完成多道作業(yè)，（2）提高制造自動化系統(tǒng)的柔性，（3）增強制造自動化系統(tǒng)對故障的應(yīng)變能力。638-4 DNC（Direct Numerical Control）控制系統(tǒng)一、實例1布局2工藝流程3DNC結(jié)構(gòu)二、DNC軟件三、DNC物理結(jié)構(gòu)1原理及其實施方案2數(shù)據(jù)發(fā)送過程（1）發(fā)送數(shù)據(jù)請求，（2）數(shù)據(jù)發(fā)送和停止發(fā)送數(shù)據(jù)請求，（3）發(fā)送數(shù)據(jù)再請求。四、DNC的地位64 8-5多級分

29、布式控制系統(tǒng)一、多級分布式控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)特點2各級職能說明（1）公司級的職能，（2）工廠級的職能，（3）車間級的職能，（4）設(shè)備級的職能。二、單元控制器 652多級分布式控制系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成（1）子網(wǎng)絡(luò) 單元-設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)的特點及拓樸結(jié)構(gòu)1）星形主從互聯(lián)，2）主從總線式互聯(lián)， 3）站點對等式總線型互聯(lián)。1多級分布式控制系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)特點局域網(wǎng) ： LAN ,Local Area Network三、多級分布式控制系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)異質(zhì)局部子網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)工廠主干網(wǎng) + 單元-設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)MIS子網(wǎng)絡(luò)、CAD/CAM子網(wǎng)絡(luò)66 CADCAM子網(wǎng)絡(luò) CADCAM子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備以下性能：

30、1）支持兩種通信方式，即，工作站服務(wù)器通信方式和工作站工作站對等式通信方式；2）支持多種操作系統(tǒng)下的異種微機聯(lián)網(wǎng)，如MSDOS、UNIX、Windows等；3）具有與大中型計算機的通信聯(lián)網(wǎng)能力，支持通用的異種機通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；4）有較高的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)數(shù)據(jù)傳送能力。1）采用通信處理機、終端集中器等通信設(shè)備，把分散的終端聯(lián)到主機上；2）采用Ethernet局域網(wǎng)、終端服務(wù)器，把分散的終端聯(lián)到主機上。 企業(yè)MIS子網(wǎng)絡(luò) 終端主機網(wǎng)絡(luò)有兩種類型：67（2）工廠主干網(wǎng)（3）多級分布式控制系統(tǒng)的子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)步驟： 把單元-設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成制造自動化局網(wǎng)（MAP網(wǎng)）， 把MIS子網(wǎng)絡(luò)、CAE子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成技

31、術(shù)與辦公自動化局網(wǎng)（TOP網(wǎng)）， 把MAP網(wǎng)與TOP網(wǎng)互聯(lián)起來。制造自動化協(xié)議（MAP，Manufacturing Automation Protocol）;技術(shù)和辦公自動化協(xié)議（TOP，Technical Office Protocol）。 特點 ： 覆蓋整個企業(yè)， 信息傳輸?shù)男畔⒘看?、?shù)據(jù)類型多、對通信模式和響應(yīng)速 度的要求不同， 主干網(wǎng)上的計算機和子網(wǎng)絡(luò)多為異種/異構(gòu)。68四、實例1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2系統(tǒng)控制69一、自動監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 8-6柔性制造自動化的監(jiān)視技術(shù) 1制造過程監(jiān)視 動態(tài)作業(yè)表 循環(huán)時間監(jiān)視 電源自動斷合 2設(shè)備運行監(jiān)視 刀具破損/異常檢測 刀具壽命管理 消除間隙裝置結(jié) 運行方式

32、監(jiān)視 托盤刀具識別 當(dāng)前位置監(jiān)視構(gòu) 自適應(yīng)控制 3精度監(jiān)視 鏜孔自動檢測 自由曲面檢測 定心補償 (4) 刀尖自動調(diào)整 (5) 接觸傳感器系統(tǒng) 4故障監(jiān)視 自診斷 自修復(fù)運行 5安全監(jiān)視 障礙物檢測 火災(zāi)檢測70二、制造過程監(jiān)視三、系統(tǒng)故障監(jiān)視1故障分類（1）偶發(fā)故障，（2）壽命故障，（3）二次故障。2故障監(jiān)視系統(tǒng)： 監(jiān)視制造過程 : 循環(huán)時間監(jiān)視 ， 制造過程死鎖 ：動態(tài)作業(yè)表 ， 制造過程結(jié)束/開啟 ：電源自動斷合 。監(jiān)測 - 診斷 - 自修復(fù)71四、設(shè)備運行監(jiān)視1切削狀態(tài)監(jiān)視2刀具監(jiān)視（1）實施“刀具監(jiān)視”應(yīng)完成： 刀具壽命管理， 刀具狀態(tài)監(jiān)測， 確定備用刀具的種類和數(shù)量、確定更換備用刀

33、具時間， 自動交換刀具。（2）刀具管理的信息流圖 3NC、PLC監(jiān)視4物料識別（1）用編碼環(huán)和接觸傳感器識別刀具或托盤，（2）用條形碼和讀碼器識別刀具或托盤，（3）用標(biāo)識塊和讀碼器識別刀具或托盤，（4）用光學(xué)式文字讀取裝置讀取文字符號來識別托盤。5位置監(jiān)視72五、精度監(jiān)視六、安全監(jiān)視 刀尖自動調(diào)整 ，1.影響加工精度的因素 2.精度監(jiān)測補償?shù)拇胧?工件自動檢測 ， 定位補償 。 測量、定位、夾緊、熱變形，等。 火災(zāi)檢測 。 障礙物檢測 ，73第十一章 柔性制造系統(tǒng)的設(shè)計11-1 FMS 的設(shè)計步驟 為了防止重大差錯出現(xiàn)，應(yīng)該按照以下步驟來設(shè)計FMS： 確定采用FMS的目標(biāo)， 分析工廠生產(chǎn)狀態(tài)、

34、確定零件譜， 零件譜工藝分析， 初步規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 選定基本設(shè)備、工具、夾具， 設(shè)計物流系統(tǒng)的布局形式、選定物流設(shè)備， 確定系統(tǒng)控制方案、選定控制裝置， 選定輔助設(shè)備， 設(shè)計信息流圖、完成FMS的布局圖， 規(guī)劃監(jiān)視系統(tǒng)， 系統(tǒng)評價。7411-2 FMS 的初步設(shè)計一、確定采用FMS的目標(biāo)設(shè)計FMS時人們常常追求以下目標(biāo)： 準(zhǔn)備建什么類型的FMS； 生產(chǎn)綱領(lǐng)； 在崗人員數(shù)； 毛坯、半成品、成品的在庫數(shù)； 生產(chǎn)節(jié)拍時間； 生產(chǎn)效率； 機床使用率； 系統(tǒng)連續(xù)運行時間； 產(chǎn)品制造成本； FMS建成時間。75二、分析工廠生產(chǎn)狀態(tài)、確定零件譜分析生產(chǎn)狀態(tài)、制訂FMS的零件譜，應(yīng)注意： 系列產(chǎn)品， 制造方法

35、類似的零件， 零件的批量和生產(chǎn)節(jié)拍。三、零件譜工藝分析四、初步規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7611-3 FMS 的詳細(xì)設(shè)計一、零件譜及其制造工藝的再分析零件種類增加對FMS的設(shè)計工件帶來以下影響： 如果不限定零件的種類，就不能確定FMS制造設(shè)備的種類與規(guī)格，也不能確定FMS的自動化水平和規(guī)模； 零件種類增加導(dǎo)致制造刀具的增加，只有限定了零件的種類，才能有效地防止零件種類和刀具數(shù)量不匹配現(xiàn)象出現(xiàn)； 零件種類還直接影響由工件裝卸、輸送、保管等設(shè)備組成的物流系統(tǒng)的設(shè)計； 零件種類被限定后，才能做出負(fù)荷均衡的作業(yè)計劃。77二、選定制造設(shè)備和工具選定制造設(shè)備和工具應(yīng)與工序切換這個問題同步考慮，為此必須研究：1FMS的運

36、行效率：%100swtrr%10011cba 某道工序完成后，切換工序要完成以下作業(yè)：（1）判別工件、交換工件，（2）變更制造設(shè)備的數(shù)控程序，（3）更換模具（如沖床）、夾具（如焊接機）、刀具（如機床），（4）更換工業(yè)機器人的手爪及作業(yè)工具（若采用機器人時）。782工件自動交換3工具自動交換 為了縮短工序切換時間，F(xiàn)MS的工具自動交換常采用下述方式：（1）刀具自動交換器；（2）交換刀庫；（3）交換帶有若干刀具的多軸頭；（4）移動式刀庫與機械手組成的刀具交換裝置；（5）模具自動交換裝置（例如用在NC沖床上）。4夾具ATC ：Automatic Tool Changer79三、選定物流系統(tǒng)1搬運設(shè)備

37、 常用于FMS的搬運設(shè)備有三類：（1）輸送帶(傳送帶)。（2）小車。（3）機器人。包括 ：滾子驅(qū)動式輸送帶、鏈?zhǔn)捷斔蛶?。包?：有軌自動小車（RGV）、自動導(dǎo)向小車（AGV）、牽引車、鏈?zhǔn)津?qū)動車、堆垛機。 包括 : 固定式機器人 、移動式機器人。802搬運設(shè)備的選定（1）應(yīng)該考慮的問題 物流通暢， 性能， 界面， 訪問方式。（3）選定搬運設(shè)備常參照的慣例 棱體類零件，多裝夾在托盤上用小車來搬運； 回轉(zhuǎn)體零件，常用機器人； 無人小車是柔性制造系統(tǒng)中實現(xiàn)隨機訪問的必備設(shè)備； 工夾具的搬運，采用輸送帶不失為一種好方法； 有軌自動小車是大型工件及其托盤系統(tǒng)搬運的首選設(shè)備。（2）RGV、 AGV、輸送帶

38、、機器人的優(yōu)缺點81四、FMS的方案設(shè)計1設(shè)計準(zhǔn)則（1）以老設(shè)備為基礎(chǔ)設(shè)計FMS，應(yīng)注意： 保證新增的物流系統(tǒng)通暢, 保證新構(gòu)造的信息流通暢。（2）根據(jù)預(yù)定目標(biāo)從零開始設(shè)計制造FMS，可以采取一次規(guī)劃、分步實施的方法： 將工夾具交換、工件選擇、系統(tǒng)監(jiān)視等較難實現(xiàn)自動化的工作,讓人介入完成； 系統(tǒng)監(jiān)視讓人介入，其它工作實現(xiàn)自動化； 使FMS具有自診斷和系統(tǒng)監(jiān)視的功能； 與包括自動倉庫在內(nèi)的物流系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)FMS的24小時無人運行。822繪制平面布局圖 其步驟是：（1）布局制造設(shè)備,（2）設(shè)計人行通道和物料輸送通路,（3）選定搬運設(shè)備,（4）確定輔助工作區(qū)。833方案確定 判別一個方案是否可取，

39、可以參照以下條件：（1）物流簡單，（2）便于操作人員工作，（3）系統(tǒng)易于操作和維護，（4）車間各作業(yè)點易于相互觀察，（5）環(huán)境宜人，（6）各機器設(shè)備的工作負(fù)荷平衡，（7）系統(tǒng)便于擴充和改造，（8）符合預(yù)定目標(biāo)，（9）運行費和維護費，（10）投資回收率。84五、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)分類：控 單臺設(shè)備控制 PLC制 CNC系 制造系統(tǒng)控制 群管理 集中監(jiān)視統(tǒng) 集中管理 DNC 多級分布式控制六、軟件規(guī)劃85七、FMS作業(yè)狀態(tài)和故障監(jiān)測可以采用兩種對策： 讓FMS具有一定備用能力，當(dāng)故障發(fā)生時啟動備用能力，使FMS繼續(xù)運行； 使FMS具有自動檢測和自診斷功能，當(dāng)故障發(fā)生時，讓FMS盡快恢復(fù)運行。 為此，

40、FMS的主要設(shè)備分別配置了如下功能： 毛坯尺寸檢測、零件尺寸檢測， 刀具補償， 刀具壽命管理、刀具破損檢測， 功率監(jiān)控， 進給速度自適應(yīng)控制， 自診斷及報警等等。八、系統(tǒng)擴展性和柔性的討論8611-4 FMS布局設(shè)計一、FMS布局與評價1影響FMS布局的因素（1）開發(fā)目標(biāo)，（2）經(jīng)濟與技術(shù)實力，（3）預(yù)定完成的期限，（4）技術(shù)因素： 廠房的面積與結(jié)構(gòu)， 制造工藝流程和生產(chǎn)組織形式， 基本制造設(shè)備， 搬運設(shè)備和物流路徑， 制造經(jīng)驗、習(xí)慣、其它。2布局設(shè)計的工作流程873基于故障分析表的FMS布局評價（1）布局方案（2）故障分析表 （3）對裝卸站作業(yè)區(qū)的評價 擴展性， 柔性， 物流通暢， 工藝性，

41、 廠房面積利用率， 硬設(shè)備單一性， 管理方便， 建設(shè)費用， 運行費用， 安全性和故障對策。88二、影響FMS布局的技術(shù)因素1廠房與FMS布局（1）廠房對FMS布局的影響（2）實例 追求布局方案與廠房結(jié)構(gòu)的完善結(jié)合 減少占地面積2工藝流程與FMS布局（1）工藝流程對FMS布局的影響（2）實例 工藝流程 布局893基本制造設(shè)備與FMS布局（1）基本設(shè)備對FMS布局的影響（2）實例 布局 物料流動過程a作業(yè)規(guī)劃和物料準(zhǔn)備b工件流動c刀具流動 特色4物流系統(tǒng)與FMS布局（1）機器人與扇形布局（2）傳送帶與環(huán)形布局（3）RGV與直線布局（4）AGV與靈活布局905其他因素與FMS布局（1）一個為技術(shù)開發(fā)

42、和展示實力的FMS布局方案 直接影響因素a使本廠中小零件的制造方式合理，b開發(fā)出面向FMS市場的軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，c向FMS市場展示已經(jīng)實用化的柔性制造自動化系統(tǒng)。 設(shè)備選型及布局的特點 系統(tǒng)運行 9111-5 FMS 設(shè)計方案評價一、評判依據(jù)至少應(yīng)綜合考慮以下因素： 柔性， 效率， 可靠性， 開機率， 經(jīng)濟性。92二、經(jīng)濟性的評價方法1投資回收期法投資回收期法依據(jù)下式評價FMS的經(jīng)濟性：效益 獲益 投入 殘值式中，“投入”包括（1）FMS的制造費和配套基建費，（2）FMS設(shè)計和研究費，（3）FMS服役期內(nèi)所付貸款利息，（4）FMS服役期內(nèi)所付的運行費（如電費、保養(yǎng)費等）。“殘值”指FMS服

43、役期滿后還可利用的經(jīng)濟價值；“獲益”選用以下公式計算獲益 裁減人員數(shù) 人年勞務(wù)費 FMS服役期獲益 降低單件制造費 年制造量 FMS服役期2投資流法93三、綜合評價方法四、經(jīng)濟性與柔性五、FMS的評價實例1三步工作法（1）宣傳，（2）提案，（3）確認(rèn)。2投資效果評估（1）用戶期求（2）初步方案（3）投資效果評估 盈虧計算94各項費用的計算方法如下：銷售額日平均加工零件數(shù)FMS年運行天數(shù)產(chǎn)品單價；制造成本材料費折舊費勞務(wù)費運行管理費，其中：材料費日平均加工零件數(shù)FMS年運行天數(shù)單件材料費，折舊費設(shè)備投資費的10年定率工夾具的3年定率，勞務(wù)費使FMS運行1年的勞務(wù)費，運行管理費0.8運行費和一般管

44、理費；銷售粗利潤銷售額制造成本；銷售和一般管理費0.2運行費和一般管理費；營業(yè)利潤銷售粗利潤銷售和一般管理費；營業(yè)外費用（支付利息）支付FMS借貸以及工夾具費的利息；稅金0.58（稅前利潤上年度的結(jié)轉(zhuǎn)虧損額）；稅后利潤稅前利潤稅金；可還貸額折舊費0.9稅后利潤；借貸余額借貸可還貸額；結(jié)轉(zhuǎn)虧損額折舊費可還貸額。95 投資回收期 投資利潤率（4）方案比較 ：FMS、MC、FMC 主機數(shù)量 主機最小必要臺數(shù)可按下式計算必要主機數(shù)量主機日運行時間單臺主機日運行時間式中，主機日運行時間日平均加工零件數(shù)零件平均加工時間，單臺主機日運行時間（有人運行時間無人運行時間）運行率。 設(shè)備投資額 盈虧計算 投資回收

45、期 投資利潤率9611-6 設(shè)計實例一、設(shè)計指導(dǎo)思想 用成組工藝組織零件組， 零件組以混流方式進入系統(tǒng)， 能在夜班無人運行， 具有刀具的監(jiān)控、自動輸送和交換功能。二、零件譜及其工藝分析1零件譜2工藝分析（1）修改設(shè)計，（2）工夾具，（3）工藝方法。97三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 規(guī)劃原則 讓機床保持盡可能高的利用率； 可賦予某些工件特別優(yōu)先權(quán)； 讓機械設(shè)備的負(fù)荷均勻，系統(tǒng)可配置多臺同型機床； 可混流生產(chǎn)，但相同工件的最后精加工，必須用同一個托盤送到同一臺機床上完成； 基本刀具放在機床的刀庫內(nèi)，部分刀具放在公用刀庫中供各機床共用； 在線監(jiān)測刀具的壽命。四、主機與工夾具98五、物流系統(tǒng)1系統(tǒng)構(gòu)成2物料流動過程六

46、、系統(tǒng)控制1系統(tǒng)運行的組織和管理2設(shè)備控制3裝卸站管理 兩排 3 層 300 貨格的立體倉庫 99第十三章 基于柔性制造的先進生產(chǎn)模式13-1 計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）一、CIMS的理想結(jié)構(gòu) CIM ：Computer Integrated ManufacturingCIMS ：Computer Integrated Manufacturing System1理想結(jié)構(gòu)2一個具體描述 FA ： Factory Automation100二、管理信息系統(tǒng)（MIS） MIS ： Management Information System1物料需求計劃（MRP） MRP ： Material R

47、equirement Planning 輸出文件：（1）訂貨通知單，（2）訂單報告，（3）重新安排生產(chǎn)進度的通知，（4）取消訂貨的通知。2制造資源計劃（MRP） MRP ： Manufacturing Resource Planning CRP : Capacity Requirements Planning3計算機集成生產(chǎn)管理系統(tǒng)（CIPMS） CIPMS ： Computer Integrated Production Management System101三、CIMS實例1總體結(jié)構(gòu)2分布實施的階段目標(biāo)3生產(chǎn)管理控制系統(tǒng) 作用：（1）當(dāng)生產(chǎn)計劃變動時，能同步實現(xiàn)動態(tài)調(diào)度；（2）能適時為制

48、造和設(shè)備維護提供信息；（3）能在線監(jiān)測異常狀態(tài)，在線自動收集實際進度數(shù)據(jù)。4網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)102 13-3 精良生產(chǎn)（LP）一、福特生產(chǎn)模式與豐田生產(chǎn)模式1福特模式的特點（1）產(chǎn)品設(shè)計，（2）制造工藝與裝備，（3）勞動組織，（4）外購件對策。2豐田模式的措施（1）按訂單組織生產(chǎn)，（2）按新產(chǎn)品開發(fā)組織工作組，（3）成立生產(chǎn)班組、并強化其職能，（4）組建準(zhǔn)時供貨的協(xié)作體系，（5）激發(fā)職工的主動性。精良生產(chǎn) ：LP , Lean Production103二、精良生產(chǎn)及其特征1精良生產(chǎn)（ LP , Lean Production ) The Machine That Changed The World : 改造世界的機器2精良生產(chǎn)的特征（1）以用戶為“上帝” 主動與用戶保持密切聯(lián)系； 面向用戶，過分析用戶的消費需求來開發(fā)新產(chǎn)品。（2）以職工為中心 大力推行以班組為單