第三章3節(jié)至6節(jié)

1、機(jī)電一體化概論機(jī)電一體化概論作者：作者： 邵澤強(qiáng)邵澤強(qiáng)3.3 3.3 家用電器家用電器教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)了解家用電器中全自動洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)了解全自動洗衣機(jī)的工作原理 隨著科技的發(fā)展，除了機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等大項設(shè)備是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，很多的家用電器由于采用了新的技術(shù)，也成為機(jī)電一體化產(chǎn)品中的一員，比如全自動洗衣機(jī)、微波爐、空調(diào)等等。下面我們以常見的全自動洗衣機(jī)為例，介紹一下這類機(jī)電一體化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工作原理。3.3.1全自動洗衣機(jī)全自動型洗衣機(jī)是能將洗滌、漂洗、脫水各功能間的轉(zhuǎn)換全部不用手工操作，包括進(jìn)水、排水在內(nèi)的各工序都可以用程序控制器自動控制的洗衣機(jī)。衣物放入洗衣機(jī)后能自動洗滌、漂洗、脫水，全

2、部程序自動完成。當(dāng)衣物甩干后，蜂鳴器會發(fā)出聲響。全自動型洗衣機(jī)多為套桶洗衣機(jī)，即洗衣桶和脫水桶套裝一起?，F(xiàn)在還有帶有傳感器的高級微電腦全自動洗衣機(jī)，具有人工智能，它能根據(jù)洗滌物的數(shù)量、種類、臟污程度，自動選定對洗滌物的最佳程序，自動進(jìn)行洗滌。全自動洗衣機(jī)常見的有兩種類型：波輪式和滾筒式。 波輪式洗衣機(jī)是在洗衣桶的底部中心處裝有一個波輪，波輪旋轉(zhuǎn)時，洗滌液在桶內(nèi)形成螺旋狀渦卷水流，從而帶動衣物旋轉(zhuǎn)翻動而達(dá)到洗滌目的。其特點(diǎn)是洗滌時間短，洗凈度較高，適宜于洗滌棉、麻、纖和混紡等織物，但是易使衣物纏繞，影響洗凈的均勻性，磨損率也較高。滾筒式洗衣機(jī)采用套桶裝置，內(nèi)桶為圓柱形臥置的滾筒，筒內(nèi)有34條凸棱

3、，當(dāng)滾筒繞軸心旋轉(zhuǎn)時，帶動衣物翻滾，并循環(huán)反復(fù)地摔落在洗滌液中，從而達(dá)到洗滌的目的。 其特點(diǎn)是洗滌動作比較柔和，對衣物的磨損小，用水量小，適合洗滌毛料織物。但是機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，洗凈度低，耗電量大，售價較高?，F(xiàn)在滾筒式的全自動洗衣機(jī)使用較廣泛，我們以全自動滾筒式洗衣機(jī)為例，了解全自動洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理。3.3.2全自動滾筒式洗衣機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 全自動滾筒式洗衣機(jī)按衣物投入的方式，可分成前開門式和頂開門式兩種，具體的外部結(jié)構(gòu)如圖3.3.1所示，全自動洗衣機(jī)盡管型號很多，但是其基本結(jié)構(gòu)大致相同。從整體上可分成洗滌脫水系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、支承系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。洗滌脫水系統(tǒng) 洗滌脫水系統(tǒng)

4、主要由內(nèi)桶（滾筒）、外桶（盛水桶）、內(nèi)桶叉形架、主軸、外桶叉形架、軸承等組成。 內(nèi)桶又稱滾筒，是洗衣機(jī)的主要部件，一般由0.5mm的不銹鋼板制成，桶壁布滿直徑為5mm的圓孔，孔與孔之間距離20mm，桶的內(nèi)壁光滑，桶壁上沿直徑方向安裝3條凸筋，稱為提升筋，提升筋的高度為85mm左右，橫截面為三角形。當(dāng)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)時，提升筋帶動衣物翻滾，達(dá)到?jīng)_洗和揉搓的作用。內(nèi)桶叉形架用于支撐內(nèi)桶，其結(jié)構(gòu)如圖3.3.2所示，它是由叉形架、主軸和軸套鑄成一體。并與內(nèi)桶鉚接在一起，安裝在外桶內(nèi)。 外桶又稱盛水桶，其結(jié)構(gòu)如圖3.3.3所示，它不但要盛放洗滌液，還要起支撐電動機(jī)、配重塊、減震器、加熱器、溫控器的作用。外桶叉形

5、架結(jié)構(gòu)如圖3.3.4所示，是一個鋁合金壓鑄成的三角形，中間設(shè)置有可以安裝兩個軸承的軸承，通過軸承、主軸、內(nèi)桶叉形架，將外桶連接為一體，一方面起到支撐內(nèi)桶的作用，另一方面使內(nèi)桶和外桶保持一定的間隔，保證內(nèi)桶在外桶內(nèi)順利運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖3.3.3 外桶結(jié)構(gòu) 圖3.3.4 外桶叉形架 1.傳動系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)主要是由電動機(jī)、大小帶輪和傳動帶組成，其結(jié)構(gòu)如圖3.3.5所示。圖3.3.5 滾筒式洗衣機(jī)的傳動機(jī)構(gòu) 滾筒式洗衣機(jī)所使用的電動機(jī)是單相、雙速電容式運(yùn)轉(zhuǎn)電動機(jī)，在其定子鐵心內(nèi)同時嵌放兩套繞組，2極繞組和12極繞組，2極繞組用于脫水，電動機(jī)以3000r/min的速度高速旋轉(zhuǎn)；12極繞組用于洗滌、漂洗，電動機(jī)

6、以500r/min的速度低速正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，電動機(jī)軸上的小帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過V傳動帶帶動內(nèi)桶主軸的大帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動內(nèi)桶運(yùn)轉(zhuǎn)。支承系統(tǒng) 支撐系統(tǒng)主要是由整個機(jī)心吊在外箱體上的減震吊裝彈簧、支承裝置和箱體等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3.3.6所示。圖3.3.6 滾筒式洗衣機(jī)支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 外桶上部有4個角裝有4根減震吊裝彈簧，將整個運(yùn)動件都吊裝在外桶上，外桶底座裝有兩個彈性支承減震器，將整個運(yùn)動件支撐在外箱體的底座上，這樣就將整個運(yùn)動件懸掛起來，減少洗衣機(jī)工作時的振動和噪聲。4、給排水系統(tǒng) 給排水系統(tǒng)主要有進(jìn)水管、進(jìn)水電磁閥、洗滌盒、回旋進(jìn)水管、溢水管、過濾器、排水泵和排水管等做成。該系統(tǒng)的主要

7、部件是進(jìn)水電磁閥和排水泵。 進(jìn)水電磁閥主要有電磁線圈、鐵心、過濾網(wǎng)、閥座等部件組成。當(dāng)電磁閥線圈通電時，在周圍產(chǎn)生磁場，在磁場的作用下，閥心被吸起，氣孔被打開，由于水的壓力將閥打開，水從閥中通過，洗衣機(jī)開始進(jìn)水。滾筒式洗衣機(jī)采用上排水方式，沒有排水閥門機(jī)構(gòu)，采用排水泵排水。排水泵由單相罩極式電動機(jī)驅(qū)動，排水泵揚(yáng)程為1.5m左右，排水量為25/min。5、電氣系統(tǒng) 滾筒式全自動洗衣機(jī)的電氣部分由程序控制器、水位開關(guān)、加熱器、溫控器和門開關(guān)等基本電器部件組成。滾筒式洗衣機(jī)一般采用電動式程控器或電腦式程控器，其中又以電動式的程控器較多，程控器的外形如圖3.3.7所示。 圖3.3.7 程序控制器外形圖

8、水位開關(guān)又稱水位壓力開關(guān)，用于控制洗衣機(jī)的水位，能夠控制兩種水位，一種是標(biāo)準(zhǔn)洗滌水位，一種是節(jié)水洗滌水位。 加熱器是用來加熱洗滌衣物的洗滌水的。加熱器是一支水浸式管狀加熱器，是一種封閉式電熱元件，外壁為不銹鋼，內(nèi)裝一根電熱絲。加熱器功率一般為0.82.0KW。 溫控器主要是控制洗滌液的溫度，通常控制在40oC60 oC,常見的有機(jī)械式和電子式兩種。 門開關(guān)是安裝在洗衣機(jī)前門內(nèi)側(cè)的微動開關(guān)，它串接在電源電路中，起到保護(hù)操作者安全的作用。3.3.3滾筒式全自動洗衣機(jī)電路的控制原理 滾筒式全自動洗衣機(jī)的工作過程式由程序控制器來控制實現(xiàn)的，通常采用的時間控制和條件控制兩種方式實現(xiàn)洗衣機(jī)工作過程的控制。

9、 我們以常見的電腦式程控滾筒式洗衣機(jī)為例介紹其電路控制原理。電腦式滾筒全自動洗衣機(jī)的整機(jī)電路如圖3.3.8所示，主要有電腦控制器（DNK）、雙水位開關(guān)（L）、溫度傳感器（WD）、加熱器（RR）、電動機(jī)（M）、進(jìn)水閥（EV）、排水泵（PS）、溫度控制器（TH）、電動門鎖（ID）等組成。圖3.3.8 整機(jī)電路1.供電電路 洗衣機(jī)接通電源后，電腦控制器從Q15、Q1兩端得電，經(jīng)內(nèi)部變壓器降壓后，再經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓后獲得直流電壓加至單片機(jī)IC上，單片機(jī)得電后可以接受指令工作。若10s內(nèi)面板上無按鍵輸入信號，則電腦控制器自動執(zhí)行內(nèi)部設(shè)定程序；有信號輸入，就執(zhí)行相應(yīng)程序。程序啟動后，由DNK的Q2端輸出電

10、流，經(jīng)電動門鎖內(nèi)PTC發(fā)熱元件形成回路，熱敏電阻發(fā)熱，雙金屬片變形使電動門鎖內(nèi)部觸點(diǎn)閉合，DNK的R5得電，從而使DNK中強(qiáng)電部分得電工作。如果程序啟動后8s內(nèi)門沒有關(guān)好，造成DNK在8s內(nèi)從R5處檢測不到電壓信號，則單片機(jī)觸發(fā)蜂鳴器電路，使洗衣機(jī)報警。供水電路 洗衣機(jī)的預(yù)洗、主洗和漂洗程序選定后，電腦控制器首先檢測用戶是否需選擇了節(jié)能功能，則DNK檢測其Q11端，看與其連接的水位開關(guān)觸點(diǎn)1114是否接通，接通表明水位達(dá)到，則不給DNK的Q3(Q4、Q5)端供電，切斷進(jìn)水電磁閥的電源，停止進(jìn)水。未接通表明無水火水位未達(dá)到，則DNK的Q3(Q4、Q5)輸出電壓信號，啟動進(jìn)水電磁閥進(jìn)水，在進(jìn)水過程

11、中，DNK人不斷檢測觸點(diǎn)1114接通的信息后再切斷進(jìn)水電磁閥的電源，停止進(jìn)水。 1.如果未選擇節(jié)能功能，則DNK不斷檢測B6和R1端，看與其相連的水位開關(guān)2124是否接通。如果未接通表明水位未達(dá)到，DNK的Q3(Q4、Q5)輸出電壓信號，接通電磁閥進(jìn)水；如接通表明水位已達(dá)到，則切斷進(jìn)水閥電源，停止注水。DNK具體觸發(fā)Q3、Q4、Q5中哪一端，要是程序編排而定。當(dāng)洗衣機(jī)執(zhí)行預(yù)洗程序時Q3端得電，接通進(jìn)水閥EV1，向洗衣粉盒A格進(jìn)水，將放在A格內(nèi)的洗衣粉沖入洗衣機(jī)內(nèi)；當(dāng)洗衣機(jī)執(zhí)行在主洗程序時Q4端得電，接通進(jìn)水閥EV2，向洗衣粉盒B格進(jìn)水，將放在B格內(nèi)的洗衣粉沖入洗衣機(jī)內(nèi)，將放進(jìn)D格內(nèi)的香料沖入洗

12、衣機(jī)內(nèi)；當(dāng)洗衣機(jī)執(zhí)行漂洗程序時，Q5端得電，接通進(jìn)水閥EV3，將放在C格的柔軟劑沖入洗衣機(jī)內(nèi)。1.加熱電路 當(dāng)選擇加熱功能時，在相應(yīng)的加熱程序段中DNK不斷檢測K3和R10端外接的溫度傳感器WD，WD實際是一個熱敏電阻。當(dāng)洗滌液溫度低于設(shè)定值時，DNK給Q11輸出電壓，接通加熱回路，給洗滌液加熱，直至檢測出洗滌液溫度達(dá)到設(shè)定溫度值，才切斷Q11端的供電。加熱回路中串有90O的溫控器TH,當(dāng)洗滌液溫度達(dá)到90O時，起觸點(diǎn)斷開，切斷加熱回路，使水溫保持在90O以下。洗滌回路 由DNK控制交替接通、斷開Q6、Q8端，從而控制電容器C1接入洗衣機(jī)電動機(jī)繞組的位置，使電動機(jī)正反轉(zhuǎn)。排水電路 當(dāng)洗衣機(jī)執(zhí)行

13、排水程序時，DNK給Q7端供電，接通排水電路，洗衣機(jī)排水。脫水電路 當(dāng)洗衣機(jī)執(zhí)行脫水程序時，一方面檢測R2端，看低水位是否復(fù)位，待低水位復(fù)位后DNK根據(jù)R2端檢測到的信號，給Q9端供電，接通電動機(jī)進(jìn)行脫水。3.4 3.4 自動生產(chǎn)線自動生產(chǎn)線教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：1、了解并掌握自動生產(chǎn)線的概念及組成；2、掌握自動生產(chǎn)線的類型；3、了解自動生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢。3.4.1 自動生產(chǎn)線的組成 自動生產(chǎn)線是在流水生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它能進(jìn)一步提高生產(chǎn)率和改善勞動條件，因此在輕工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)展很快。人們把按輕工工藝路線排列的若干自動機(jī)械，用自動輸送裝置連成一個整體，并用控制系統(tǒng)按要求控制的、具有自動操縱

14、產(chǎn)品的輸送、加工、檢測等綜合能力的生產(chǎn)線稱作自動生產(chǎn)線，簡稱自動線或生產(chǎn)線。 自動生產(chǎn)線主要由基本設(shè)備、運(yùn)輸貯存裝置和控制系統(tǒng)三大部分組成，如圖3.4.1所示，其中運(yùn)輸貯存裝置和自動控制系統(tǒng)，乃是區(qū)別流水線和自動生產(chǎn)線的重要標(biāo)志。圖3.4.1 自動生產(chǎn)線的組成基本設(shè)備 它主要指自動生產(chǎn)機(jī)、其他自動機(jī)及工藝設(shè)備。其中，自動生產(chǎn)機(jī)是最基本的工藝設(shè)備，由三部分組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是實現(xiàn)自動化操作與輔助操作的系統(tǒng)。動力及傳動機(jī)構(gòu)，它給自動生產(chǎn)機(jī)提供動力來源，并能將動力和運(yùn)動傳遞給各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)或輔助機(jī)構(gòu)?？刂蒲b置，它的功能是控制自動生產(chǎn)機(jī)的各個部分，將運(yùn)動分配給各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使它們按時間、順序協(xié)調(diào)動作，由此

15、實現(xiàn)自動生產(chǎn)機(jī)的工藝職能，完成自動化生產(chǎn)。運(yùn)輸貯存裝置 它是自動生產(chǎn)線上的必要輔助裝置，主要包括輸送裝置、分流合流及轉(zhuǎn)向裝置、貯存裝置和機(jī)械手四大部分?？刂葡到y(tǒng) 它由兩部分組成：全線工作循環(huán)控制裝置，它根據(jù)確定的工作循環(huán)來控制自動生產(chǎn)機(jī)及運(yùn)輸貯存裝置工作。信號及檢測系統(tǒng)，它由數(shù)量檢查、質(zhì)量檢查、安全保護(hù)及現(xiàn)實記錄四個裝置組成，實現(xiàn)信號采集、檢測及其他輔助控制功能。 通常，在自動生產(chǎn)線的終端，由人駕駛運(yùn)輸工具（如鏟車）將生產(chǎn)成品運(yùn)往倉庫或集裝箱運(yùn)輸車上，個別的也有設(shè)置移動式堆碼機(jī)來完成最后這一道工序。3.4.2 自動生產(chǎn)線的類型根據(jù)自動生產(chǎn)線的組成方式，可以將其分為以下三類：1.剛性自動線（或稱

16、同步自動線） 如圖3.4.2(a) 所示，這種自動線中各自動機(jī)用運(yùn)輸系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等聯(lián)系起 來，以一定的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行工作。這種自動線的缺點(diǎn)是，當(dāng)某一臺自動機(jī)或個別機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，將會引起整條線停止工作。2.柔性自動線（或稱非同步自動線）如圖3.4.2(b) 所示，這種自動線中各自動機(jī)之間增設(shè)了儲料器。 當(dāng)后一工序的自動機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)時，前一道工序的自動機(jī)可照樣工作，半成品送到儲料器中儲存；如前一道工序的自動機(jī)因故障停機(jī)，則由儲料器供給所需半成品，使后面的自動機(jī)能繼續(xù)工作下去。可見，柔性自動線比剛性自動線有較高的生產(chǎn)率。但是，儲料器的增加，不但使投資加大，多占用場地，同時也增加了儲料器本身出現(xiàn)故

17、障的機(jī)會，因此，應(yīng)全面考慮各方面因素，合理選用和設(shè)置自動線種類。3.組合自動線 如圖3.4.2(c) 所示，這種自動線中一部分自動機(jī)利用剛性（同步）聯(lián)接，即把不容易出故障的相鄰自動機(jī)按剛性聯(lián)接，另一部分則采用柔性（非同步）聯(lián)接。圖3.4.2 自動生產(chǎn)線的類型3.4.3 自動生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢 目前，國內(nèi)外自動生產(chǎn)線的主要發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出了以下特點(diǎn)。高速化 提高自動線速度是提高勞動生產(chǎn)率的主要途徑。據(jù)報道，在國外，糖果包裝機(jī)達(dá)1200粒/min，卷煙機(jī)達(dá)到4000支/min，工業(yè)縫紉機(jī)達(dá)7500r/min，而我國現(xiàn)有水平分別為500粒/min，1000支/min，3000r/min。由此可見，高速化

18、是提高單機(jī)生產(chǎn)率的主要途徑之一。綜合自動化 生產(chǎn)過程自動化是現(xiàn)代生產(chǎn)的重要標(biāo)志。在自動化機(jī)械中，采用機(jī)、電、液、氣相結(jié)合的綜合自動化，可使自動化輕工機(jī)械的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化。另外，采用電子自控技術(shù)，使其不僅能自動的完成加工工藝操作和輔助操作，而且能自動監(jiān)測、自動判斷記憶、自動發(fā)現(xiàn)和排除故障、自動分選和剔除廢品，可大大提高自動機(jī)械的自動化程度。采用生產(chǎn)自動線 用傳送裝置和控制裝置把幾臺單機(jī)有機(jī)地聯(lián)接在一起，組成生產(chǎn)自動線，也是當(dāng)前發(fā)展的一個重要趨勢。這可以進(jìn)一步提高勞動生產(chǎn)率，減低成本，改善勞動條件。利用機(jī)器人技術(shù)，采用自動化生產(chǎn)線成套裝備 目前，國外汽車行業(yè)、電子和電器行業(yè)、物流與倉儲行業(yè)等已大量

19、應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)來提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機(jī)器人設(shè)備的廣泛使用，大大推動了這些行業(yè)的快速發(fā)展，提升了制造技術(shù)的先進(jìn)性，而機(jī)器人自動化生產(chǎn)線成套裝備也已成為自動化成套裝備的主流以及未來自動化生產(chǎn)線的發(fā)展方向。3.5 3.5 柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng) 教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：掌握柔性、柔性制造單元以及柔性制造系統(tǒng)的基本概念了解柔性制造系統(tǒng)的組成和工作流程。 在現(xiàn)代制造裝置中，柔性是一種重要的特性。它意味著制造系統(tǒng)在具有多用途和適應(yīng)性強(qiáng)的同時，能獲得相當(dāng)高的生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。 在20世紀(jì)70年代末、80年代初出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)（FMS：Flexible Manufacturing System），這是一個由計

20、算機(jī)控制的自動化制造系統(tǒng)，在它上面可同時加工形狀相近的一組或一類產(chǎn)品。柔性制造系統(tǒng)是一種廣義上的可編程控制系統(tǒng)，它具有處理高層次分布數(shù)據(jù)的能力，具有自動的物流，從而實現(xiàn)小批量、多品種、高效率的制造，以適應(yīng)不同產(chǎn)品周期的動態(tài)變化。3.5.1 柔性 所謂柔性，是指一個制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力，它可以表述為兩個方面：第一方面是系統(tǒng)適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力，可用系統(tǒng)滿足新產(chǎn)品要求的程度來衡量；第二方面是系統(tǒng)適應(yīng)內(nèi)部變化的能力，可用在有干擾（如機(jī)器出現(xiàn)故障）情況下，這時系統(tǒng)的生產(chǎn)率與無干擾情況下的生產(chǎn)率期望值之比可以用來衡量柔性。柔性主要包括：1.機(jī)器柔性 當(dāng)要求生產(chǎn)一系列不同類型的產(chǎn)品時，機(jī)器

21、隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的難易程度。 2.工藝柔性 它又包含兩層含義：工藝流程不變時自身適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化的能力；制造系統(tǒng)內(nèi)為適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化而改變相應(yīng)工藝的難易程度。3.產(chǎn)品柔性 產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)向后，系統(tǒng)能夠非常經(jīng)濟(jì)和迅速地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力，以及產(chǎn)品更新后，對老產(chǎn)品有用特性的繼承能力和兼容能力。4.維護(hù)柔性 采用多種方式查詢、處理故障，保障生產(chǎn)正常進(jìn)行的能力。5.生產(chǎn)能力柔性 當(dāng)生產(chǎn)量改變、系統(tǒng)也能經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行的能力。對于根據(jù)訂貨而組織生產(chǎn)的制造系統(tǒng)，這一點(diǎn)尤為重要。6.擴(kuò)展柔性 當(dāng)生產(chǎn)需要的時候，可以很容易地擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加模塊，構(gòu)成一個更大系統(tǒng)的能力。7.運(yùn)行柔性 利用不同的機(jī)

22、器、材料、工藝流程來生產(chǎn)一系列產(chǎn)品的能力和同樣的產(chǎn)品，換用不同工序加工的能力。 柔性”是相對于“剛性”而言的，傳統(tǒng)的剛性自動化生產(chǎn)線主要實現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高和設(shè)備利用率很高，單件產(chǎn)品的成本很低，缺點(diǎn)是價格昂貴，而且只能加工一個或幾個相類似的零件。如果想要獲得其他品種的產(chǎn)品，則必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行大調(diào)整，重新配置系統(tǒng)內(nèi)各要素，其工作量和經(jīng)費(fèi)投入與構(gòu)造一個新的生產(chǎn)線往往不相上下。因此，剛性的大批量制造自動化生產(chǎn)線只適合生產(chǎn)少數(shù)幾個品種的產(chǎn)品，難以應(yīng)付多品種中小批量的生產(chǎn)。3.5.2 柔性制造單元 柔性制造單元（FMC：Flexible Manufacturing Cell）是在制

23、造單元的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由一臺或數(shù)臺數(shù)控機(jī)床或加工中心構(gòu)成的加工單元。FMC具有獨(dú)立自動加工的功能，又部分具有自動傳送和監(jiān)控管理功能，可實現(xiàn)某些種類的多品種小批量的加工。有些FMC還可實現(xiàn)24h無人運(yùn)轉(zhuǎn)。FMC可以作為柔性制造系統(tǒng)FMS中的基本單元，若干個FMC可以發(fā)展組成一個FMS。 FMC有兩大類，一類是數(shù)控機(jī)床配上機(jī)器人，另一類是加工中心配上托盤交換系統(tǒng)。配有機(jī)器人的FMC 加工中心上的工件，由機(jī)器人來裝卸，加工完畢的工件碼放在工件架上。監(jiān)控器協(xié)調(diào)加工中心和機(jī)器人的動作。配有托盤交換系統(tǒng)構(gòu)成的FMC 由加工中心和托盤交換系統(tǒng)構(gòu)成的FMC，托盤上裝夾有工件，當(dāng)工件加工完畢后，托盤轉(zhuǎn)位，加

24、工另一新工件。托盤支承在圓柱環(huán)形導(dǎo)軌上，由內(nèi)側(cè)的環(huán)鏈拖動而回轉(zhuǎn)，鏈輪由電動機(jī)驅(qū)動。托盤的選定和停位，由可編程序控制器來實現(xiàn)。般的FMC，托盤數(shù)在5個以上。如果在托盤的另一端設(shè)置一個托盤工作站，則這種托盤系統(tǒng)可通過工作站與其它FMC發(fā)生聯(lián)系。3.5.3 柔性制造系統(tǒng) 一般情況下，F(xiàn)MS由機(jī)床、控制系統(tǒng)、材料運(yùn)送系統(tǒng)和操作人員四部分組成，平面布置如圖3.5.1所示。1.機(jī)床 由一組自動加工設(shè)備（如CNC、加工中心等）以不同的順序自動完成各種表面的加工，通常配置220臺甚至跟多的機(jī)床。2.控制系統(tǒng) 能為FMS提供許多不同的控制功能，如零件加工程序的存儲和分配，物料輸送和存儲，工作流向的檢測、控制和自

25、動診斷，生產(chǎn)過程的控制，系統(tǒng)/刀具的控制與檢測等。圖3.5.1柔性制造系統(tǒng)平面布置圖3.物料運(yùn)送系統(tǒng) 通過它將一組單獨(dú)的CNC機(jī)床組成一條綜合的FMS。它必須能夠自動地在一個工位上卸下共建A，再裝上共建B，并把卸下的攻堅A送到下一個工位。該系統(tǒng)包括環(huán)形傳送帶、直線傳送帶、工業(yè)機(jī)器人以及自動拖車等。4.操作人員 在FMS中，人和計算機(jī)均起著重要作用，盡管操作人員只承擔(dān)勞動強(qiáng)度很低的任務(wù)，但這個任務(wù)卻是決定性的。單臺機(jī)床（如CNC）由計算機(jī)控制；整個系統(tǒng)由中央控制起實現(xiàn)直接控制（如DNC）；自動材料輸送和其他功能如數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)檢測、工具控制等都由計算機(jī)控制。因此，人-機(jī)對話是FMS獲得柔性程度的

26、關(guān)鍵。 圖3.5.2是一個典型的柔性制造系統(tǒng)的示意圖。它表示了FMS中生產(chǎn)原料及工具的傳遞、變換和加工的集成過程。其工作流程為：首先在裝卸站將毛坯安裝在早已固定在托盤上的夾具中；然后物料傳遞系統(tǒng)把毛坯連同夾具（隨行夾具）和托盤輸送到進(jìn)行第一道加工工序的加工中心旁邊排隊等候，一旦加工中心空閑，毛坯就立即被送至加工中心進(jìn)行加工。每道工序加工完畢以后，物料傳送系統(tǒng)還要將該加工中心完成的半成品取出并送至執(zhí)行下一工序的加工中心旁邊排隊等候，如此不停地進(jìn)行至最后一道加工。在完成整個加工過程中除進(jìn)行加工工序外，若有必要還要進(jìn)行清洗、檢驗以及組裝工序。圖3.5.2 典型的柔性制造系統(tǒng)3.5.4 柔性制造系統(tǒng)的

27、優(yōu)點(diǎn) 盡管FMS只具有中等生產(chǎn)能力，但它通過將機(jī)床、運(yùn)送裝置和控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，在獲得最大的機(jī)床利用率和提高生產(chǎn)率的同時又能保持所需的柔性，從而解決了多品種、中小批量生產(chǎn)時生產(chǎn)率與柔性之間的矛盾，有利于發(fā)展新品種和擴(kuò)大變型產(chǎn)品的生產(chǎn)。FMS的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：1）具有良好的柔性 對零件組具有良好的柔性，能迅速重新組合，以生產(chǎn)屬于同族的各種各樣的零件。通過預(yù)編程序?qū)ν涣慵M的不同零件，能實現(xiàn)在該系統(tǒng)不同位置上的同時加工。2）主要設(shè)備利用率高、投資減小 通過調(diào)整和變成，零件可隨機(jī)插入到FMS中剛好有空的相應(yīng)機(jī)床行，加之能夠?qū)崿F(xiàn)同一零件組不同種類零件的同時生產(chǎn)，從而減少了零件在各工序間的等候時間及

28、更換零件所需的調(diào)整時間，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)的持續(xù)性和主要設(shè)備的利用率。3）產(chǎn)品質(zhì)量高 在FMS中采用實時在線檢測，能及時發(fā)現(xiàn)機(jī)床、刀具及加工過程中的質(zhì)量問題，采用相應(yīng)的解決措施。FMS本身所具有的高自動化水平、共建裝夾次數(shù)和經(jīng)過的機(jī)床臺數(shù)少、夾具優(yōu)質(zhì)等因素，使產(chǎn)品具有極好的一致性，保證和提高了產(chǎn)品質(zhì)量。4）降低加工費(fèi)用 與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)相比，F(xiàn)MS采用了自動運(yùn)送物料系統(tǒng)、計算機(jī)自動控制以及程序離線調(diào)整和工具預(yù)置、自動換刀等手段，大大降低了直接和間接的勞動成本。 近年來FMS發(fā)展很快，主要分布在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，用戶多為汽車、拖拉機(jī)和機(jī)床制造廠、航空企業(yè)等。其明顯的經(jīng)濟(jì)效益是：減少操作人員5

29、0%，降低成本60%，機(jī)床利用率可達(dá)60%80%。FMS將制造技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、測試技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的綜合；是機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展方向之一。3.6 3.6 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)計算機(jī)集成制造系統(tǒng) 教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：掌握CIM以及CIMS的概念掌握CIMS的系統(tǒng)構(gòu)成以及各個子系統(tǒng)的功能了解工業(yè)鍋爐計算機(jī)控制系統(tǒng)了解現(xiàn)代集成制造技術(shù)的發(fā)展趨勢 CIMS（Comuputer Integrated Manufacturing System，計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）是隨著計算機(jī)輔助設(shè)計與制造的發(fā)展而產(chǎn)生的。它是在信息技術(shù)自動化技術(shù)與制造的基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)技術(shù)把分散在產(chǎn)品設(shè)計制造過程中各種鼓勵的自動化子系統(tǒng)有機(jī)

30、地繼承起來，形成適用于多品種、小批量生產(chǎn)，實現(xiàn)整體效益的集成化和智能化制造系統(tǒng)。集成化反映了自動化的廣度，它把系統(tǒng)的范圍擴(kuò)展到了市場預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、檢驗、銷售及售后服務(wù)等的全過程。智能化則體現(xiàn)了自動化的深度，它不僅涉及物資流控制的傳統(tǒng)體力勞動自動化，還包括信息流控制的腦力勞動的自動化。 因此，CIMS的實質(zhì)就是借助于計算機(jī)的硬件、軟件技術(shù)，綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中有關(guān)人/機(jī)構(gòu)、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素（如圖3.6.1）及其信息流、物流有機(jī)地繼承并優(yōu)化運(yùn)行，以改進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品（P）開發(fā)的T（時間）、C（成本）、S（服務(wù)）、E（環(huán)境

31、），從而提高企業(yè)的市場應(yīng)變能力和競爭能力。 3.6.1 計算機(jī)集成制造（CIM）的概念 CIM概念最早在1974年由美國的瑟夫哈林頓（Joseph Harrington）博士在Computer Integrated Manufacturing一書中首先提出地。哈林頓提出的CIM概念包含兩個基本觀點(diǎn)：1.企業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，諸如市場分析、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、裝配維修、企業(yè)管理、倉庫管理、經(jīng)營管理到售后服務(wù)等全部生產(chǎn)活動是一個不可分割的整體，為達(dá)到企業(yè)的經(jīng)營目標(biāo)應(yīng)統(tǒng)一考慮。2.整個生產(chǎn)過程實質(zhì)是一個數(shù)據(jù)的采集、傳遞和加工處理的過程。最終形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物理表現(xiàn)。 從1986年開始，我國科

32、技工作者經(jīng)過了近二十多年的實踐，“863”計劃CIMS主題專家組在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對CIM提出了如下定義：“CIM是一種組織、管理與企業(yè)運(yùn)行的新哲理。它借助于計算機(jī)軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫，集成各部門產(chǎn)生的信息，綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)過程中有關(guān)人、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素及其信息流、物料流有機(jī)地集成并優(yōu)化運(yùn)行，實現(xiàn)企業(yè)整體優(yōu)化，以達(dá)到產(chǎn)品高質(zhì)、低耗、上市快的目的，從而使企業(yè)贏得市場競爭的主動權(quán)?！?.6.2計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成 一般CIMS包括6個子系統(tǒng)，其中4個為功能分系統(tǒng)，2個為支撐分系統(tǒng)。圖3-6-2所示為CIMS的組成框圖。

33、圖3.6.2 CIMS的組成框圖1.經(jīng)營管理信息子系統(tǒng)（MIS）：具有生產(chǎn)計劃與控制、經(jīng)營管理、銷售管理、采購管理、財會管理等功能，處理生產(chǎn)任務(wù)方面的信息。2.工程設(shè)計自動化子系統(tǒng)（CAD&CAM）：由計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制和數(shù)控程序編制等功能組成，用以支持產(chǎn)品的設(shè)計和工藝準(zhǔn)備，處理有關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的信息。3.制造自動化子系統(tǒng)：也可稱為計算機(jī)輔助制造子系統(tǒng)，它包括各種不同自動化程度的制造設(shè)備和子系統(tǒng)，用來實現(xiàn)信息流對物流的控制和完成物流的轉(zhuǎn)換，它是信息流和物流的接合部，用來支持企業(yè)的制造功能。4.質(zhì)量保證子系統(tǒng)（CAQ）：具有制訂質(zhì)量管理計劃、實施質(zhì)量管理、處理質(zhì)量方面

34、信息、支持質(zhì)量保證等功能。5.數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)（DR）：用以管理整個CIMS的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成與共享。6.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NET）：用以傳遞CIMS各子系統(tǒng)之間和子系統(tǒng)內(nèi)部的信息，實現(xiàn)CIMS的數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)通信功能。3.6.3 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)實例工業(yè)鍋爐計算機(jī)控制系統(tǒng) 常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程如圖3-6-3所示。 燃料和熱空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds。然后經(jīng)過熱器，形成一定溫度的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排入大氣。 鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜