柔性制造系統(tǒng)課件

1、2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院1第六章 柔性制造系統(tǒng) 1930年，D.s.Harder 首創(chuàng)“自動(dòng)化”成為描述單一品種大量生產(chǎn)自動(dòng)化，即自動(dòng)化流水線的有效術(shù)語(yǔ)。 與此同時(shí)，在上世紀(jì)30年代，美國(guó)的汽車工廠就開(kāi)始用變異式機(jī)床來(lái)適應(yīng)變品種缸體的加工問(wèn)題； 40年代英國(guó)利用組合夾具促進(jìn)軍工生產(chǎn)； 50年代在學(xué)習(xí)英國(guó)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，前蘇聯(lián)成組技術(shù) 60年代柔性自動(dòng)化 使機(jī)械加工、裝卸與上下料、工件傳送與存儲(chǔ)等活動(dòng)自動(dòng)化2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院2柔性制造系統(tǒng)產(chǎn)生的依據(jù)多品種小批量生產(chǎn)的特征生產(chǎn)的品種多，經(jīng)常交替變動(dòng)，批量和交貨期是變數(shù)加工工藝流程的多變性對(duì)制造系統(tǒng)生產(chǎn)能力的適應(yīng)性生產(chǎn)組織

2、、管理、計(jì)劃和調(diào)度的 難度大面對(duì)緊急任務(wù)，要求供應(yīng)鏈上各環(huán)節(jié)的快速響應(yīng)存在的必要性是適應(yīng)現(xiàn)代與未來(lái)顧客市場(chǎng)的多變性與快速變化的有效生產(chǎn)方式市場(chǎng)的個(gè)性化要求，產(chǎn)品壽命期越來(lái)越短適應(yīng)越演越烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 大批大量生產(chǎn)僅占10%，絕大部分是單件小批與成批生產(chǎn)有效加工時(shí)間僅占機(jī)床可利用時(shí)間的6%二、三班開(kāi)工不足 44% ，節(jié)假日34%，調(diào)整16%產(chǎn)生的依據(jù)2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院3傳統(tǒng)的“剛性”自動(dòng)化生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率很高,由于設(shè)備是固定的,所以設(shè)備利用率也很高,單件產(chǎn)品的成本低。但價(jià)格相當(dāng)昂貴,且只能加工一個(gè)或幾個(gè)相類似的零件,難以應(yīng)付多品種中小批量的生產(chǎn)。

3、柔性系統(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(lái)衡量系統(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,系統(tǒng)的生產(chǎn)率與無(wú)干擾情況下的生產(chǎn)率期望值之比來(lái)衡量剛性 隨著批量生產(chǎn)時(shí)代正逐漸被適應(yīng)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)所替換,一個(gè)制造自動(dòng)化系統(tǒng)的生存能力和競(jìng)爭(zhēng)能力在很大程度上取決于它是否能在很短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi),生產(chǎn)出較低成本、較高質(zhì)量的不同品種產(chǎn)品的能力。2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院4柔性體現(xiàn)在哪里機(jī)器柔性當(dāng)要求生產(chǎn)一系列不同類型的產(chǎn)品時(shí),機(jī)器隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的難易程度工藝柔性工藝流程不變時(shí)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

4、易程度產(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;產(chǎn)品更新后,對(duì)老產(chǎn)品有用特性的繼承能力和兼容能力維護(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。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(duì)于根據(jù)訂貨而組織生產(chǎn)的制造系統(tǒng),這一點(diǎn)尤為重要擴(kuò)展柔性當(dāng)生產(chǎn)需要的時(shí)候,可以很容易地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu),增加模塊,構(gòu)成一個(gè)更大系統(tǒng)的能力運(yùn)行柔性利用不同的機(jī)器、材料、工藝流程來(lái)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。2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院5 1967年，英國(guó)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)

5、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(wú)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(guó)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)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。 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(jiǎn)稱FMC)，為發(fā)展FMS提供了重要的設(shè)備形式。柔性制造單元(FMC)一般由12臺(tái)數(shù)控機(jī)床與物料傳送裝置組成，有獨(dú)立的工件儲(chǔ)存

6、站和單元控制系統(tǒng)，能在機(jī)床上自動(dòng)裝卸工件，甚至自動(dòng)檢測(cè)工件，可實(shí)現(xiàn)有限工序的連續(xù)生產(chǎn)，適于多品種小批量生產(chǎn)應(yīng)用。 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(cāng)庫(kù)組成，另有兩臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)臺(tái)車傳送毛坯和工件，此外還有一個(gè)無(wú)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(wú)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

7、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。FMS的發(fā)展歷程2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院6典型的柔性制造系統(tǒng)由數(shù)字控制加工設(shè)備、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和信息控制系統(tǒng)組成。加工設(shè)備主要采用加工中心和數(shù)控車床，前者用于加工箱體類和板類零件，后者則用于加工軸類和盤類零件。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。 儲(chǔ)存和搬運(yùn)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(kù)，也有儲(chǔ)存量較大的桁道式立體倉(cāng)庫(kù)。 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(cāng)庫(kù)中的特定區(qū)域內(nèi)，然后由自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)根據(jù)

8、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(wú)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(jiǎn)稱APC)來(lái)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(kù)中取出更換，也可由備用的子刀庫(kù)取代裝滿待換刀具的刀庫(kù)。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(lái)選擇經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)方案。FMS的基本構(gòu)

9、成2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院7FMS的定義美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局由一個(gè)傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的一些設(shè)備,傳輸裝置把工件放在其他聯(lián)結(jié)裝置上送到各加工設(shè)備,使工件加工準(zhǔn)確、迅速和自動(dòng)化。中央計(jì)算機(jī)控制機(jī)床和傳輸系統(tǒng),柔性制造系統(tǒng)有時(shí)可同時(shí)加工幾種不同的零件國(guó)際生產(chǎn)工程研究協(xié)會(huì)柔性制造系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)化的生產(chǎn)制造系統(tǒng),在最少人的干預(yù)下,能夠生產(chǎn)任何范圍的產(chǎn)品族,系統(tǒng)的柔性通常受到系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的產(chǎn)品族的限制我國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng),它包括多個(gè)柔性制造單元,能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進(jìn)行調(diào)整,適用于多品種、中小批量生產(chǎn) 簡(jiǎn)單地說(shuō)

10、,FMS是由若干數(shù)控設(shè)備、物料運(yùn)貯裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的并能根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)品種變化而迅速進(jìn)行調(diào)整的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。 2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院8FMS 的類型柔性制造單元(FMC)柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性制造線(FML)柔性制造工廠(FMF) 目前常見(jiàn)的組成通常包括4臺(tái)或更多臺(tái)全自動(dòng)數(shù)控機(jī)床(加工中心與車削中心等),由集中的控制系統(tǒng)及物料搬運(yùn)系統(tǒng)連接起來(lái),可在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的加工及管理。 目前反映工廠整體水平的FMS是第一代FMS,日本從1991年開(kāi)始實(shí)施的“智能制造系統(tǒng)”(IMS)國(guó)際性開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,屬于第二代FMS;而真正完善的第二代FMS預(yù)計(jì)本世紀(jì)晚些

11、時(shí)候才會(huì)實(shí)現(xiàn)。2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院9FMS 的類型柔性制造單元(FMC)柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性制造線(FML)柔性制造工廠(FMF)FMC的問(wèn)世并在生產(chǎn)中使用約比FMS晚68年,FMC可視為一個(gè)規(guī)模最小的FMS,是FMS向廉價(jià)化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物,它是由12臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及物料運(yùn)送存貯設(shè)備構(gòu)成,其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化,具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。迄今已進(jìn)入普及應(yīng)用階段2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院10FMS 的類型柔性制造單元(FMC)柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性制造線(FML)柔性制造工廠(FMF)它是處于單一或少品種大批量非柔性

12、自動(dòng)線與中小批量多品種FMS之間的生產(chǎn)線。其加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC機(jī)床;亦可采用專用機(jī)床或NC專用機(jī)床,對(duì)物料搬運(yùn)系統(tǒng)柔性的要求低于FMS,但生產(chǎn)率更高。它是以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生過(guò)程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS)為代表,其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動(dòng)化,其技術(shù)已日臻成熟,迄今已進(jìn)入實(shí)用化階段。2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院11FMS 的類型柔性制造單元(FMC)柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔性制造線(FML)柔性制造工廠(FMF) FMF是將多條FMS連接起來(lái),配以自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù),用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系,采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。 它

13、包括了CAD/CAM,并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)投入實(shí)際,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動(dòng)化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運(yùn)進(jìn)程的全盤化。 FMF是自動(dòng)化生產(chǎn)的最高水平,反映出世界上最先進(jìn)的自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)。它是將制造、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及經(jīng)營(yíng)管理的自動(dòng)化連成一個(gè)整體,以信息流控制物質(zhì)流的智能制造系統(tǒng)(IMS)為代表,其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)工廠柔性化及自動(dòng)化。2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院12FMS 的規(guī)劃產(chǎn)量加工流程的變動(dòng)性工件幾何特征對(duì)人力與資源的需求決定了FMS的設(shè)備數(shù)量和物料傳輸、裝卸和中間存儲(chǔ)的類型變化不大時(shí)固定結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)較簡(jiǎn)單變化大分層布置的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)決定了FMS的硬件裝備類型

14、棱性或立方體托盤夾具、拖車、AGV小車軸類工業(yè)機(jī)器人每5臺(tái)機(jī)器設(shè)備配備1臺(tái)零件裝卸機(jī)每10臺(tái)配置一個(gè)調(diào)刀和換刀人員每10臺(tái)配置一個(gè)服務(wù)人員每條FMS配置一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)理與管理人員每條FMS以不少于4臺(tái)機(jī)器設(shè)備時(shí)經(jīng)濟(jì)性好2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院13FMS 的規(guī)劃最佳單元布置單元應(yīng)完成的工作量年產(chǎn)量、每個(gè)零件的工作量直接影響投資額和運(yùn)行成本工作流的方向和布置方式加工設(shè)備和物流設(shè)備的類型和規(guī)格根據(jù)流程數(shù)據(jù)擬定出進(jìn)卡加工單元的輸入和輸出決定每臺(tái)機(jī)床設(shè)備的進(jìn)/出比率按進(jìn)/出比率排列機(jī)床設(shè)備順序平衡各節(jié)點(diǎn)的進(jìn)出量，確定總輸出量和離線輸出量，繪制流程圖。加工順序的變化零件幾何特征四個(gè)階段2022/8

15、/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院14FMS 的規(guī)劃最佳單元布置例：有一個(gè)由4臺(tái)機(jī)床組成的加工單元，分析在這些機(jī)床上加工50個(gè)零件的流程數(shù)據(jù)后得到其零件出進(jìn)卡片。出單元機(jī)床號(hào)進(jìn)單元機(jī)床號(hào)123410502523000153104000410000出進(jìn)卡出單元機(jī)床號(hào)進(jìn)單元機(jī)床號(hào)出的總和12341050253023000154531040005041000010進(jìn)總和5045040出總和3045010比率1.661043214排列順序2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院15FMS 的應(yīng)用FMS的生產(chǎn)率介于剛性自動(dòng)線與數(shù)控機(jī)床之間,適用于多品種中小批量生產(chǎn)。優(yōu)點(diǎn):可以實(shí)現(xiàn)多品種中小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化,減少直接的

16、勞動(dòng)力,縮短生產(chǎn)時(shí)間,減少中間庫(kù)存量不足:只能處理形狀和尺寸相似的同類零件,要按成組工藝進(jìn)行加工2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院16FMS 的示例發(fā)動(dòng)機(jī)制造FMS長(zhǎng)方形環(huán)路布置外圈加工汽缸孔內(nèi)圈進(jìn)行全部精加工外圈10臺(tái)加工中心、 4個(gè)加工工作站內(nèi)圈4臺(tái)加工中心清洗站夾緊站 工作站中有托盤存儲(chǔ)區(qū)，以減少傳輸系統(tǒng)或加工機(jī)床設(shè)備故障及加工節(jié)拍異步的影響。 不同的缸體在線上加工時(shí)采用三個(gè)分離式夾緊和定位裝置，工件裝在托盤上隨傳輸線運(yùn)動(dòng)。2022/8/1武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院17FMS 的示例美國(guó)John&Deer公司其原有的加工設(shè)備不能滿足加工新系列拖拉機(jī)的大多數(shù)鑄件箱體的要求。 工件種類多，數(shù)量少 如采用組合機(jī)床加工，投資大，占地面積大，改裝的可能性受限。 在多種訂貨比較集中的時(shí)候，遇到種種困難不可避免。采用FMS,由美國(guó)K&T公司在1971-1973年制造。 由于許多機(jī)床都可以承擔(dān)另外一部分機(jī)床的加工內(nèi)容，所以無(wú)論生產(chǎn)任務(wù)如何混合，機(jī)床