第五章-柔性制造系統(tǒng)

第五章_柔性制造系統(tǒng)第一頁(yè)，共51頁(yè)。一、分布式數(shù)字控制技術(shù)1FMS概述

1.1DNC定義

DNC是用一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)，對(duì)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)施綜合控制的一種方法，是機(jī)械制造系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展。DNC系統(tǒng)屬于自動(dòng)化制造系統(tǒng)的一種模式。

1.2DNC發(fā)展過(guò)程直接數(shù)字控制（DirectNumericalControl），也有人稱它為“群控”（60‘s）第二頁(yè)，共51頁(yè)。DNC發(fā)展過(guò)程分布式數(shù)控（DistributedNumericalControl）DNC系統(tǒng)實(shí)施分級(jí)控制，CNC計(jì)算機(jī)直接控制數(shù)控機(jī)床并與DNC系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行信息交互，DNC主機(jī)也可與其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的交互。DNC系統(tǒng)配置的這種發(fā)展，使DNC的含義由直接數(shù)控變?yōu)榉植际綌?shù)控（DistributedNumericalControl）（70’s）。柔性DNC（FlexibleDistributedNumericalControl）DNC系統(tǒng)不僅用計(jì)算機(jī)來(lái)管理、調(diào)度和控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床，而且還與CAD/CAPP/CAM、物料輸送和存貯、生產(chǎn)計(jì)劃與控制相結(jié)合，形成了柔性分布式數(shù)字控制（FlexibleDistributedNumericalControl：FDNC）系統(tǒng)（80’s）。第三頁(yè)，共51頁(yè)。2DNC系統(tǒng)的組成DNC控制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)DNC接口CNC裝置軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、DNC通信軟件、DNC管理和監(jiān)控軟件、NC程序編輯軟件等。有時(shí)需要數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、圖形輸入與編輯軟件、刀具軌跡模擬和DNC接口管理軟件等。第四頁(yè)，共51頁(yè)。第五頁(yè)，共51頁(yè)。DNC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流第六頁(yè)，共51頁(yè)。DNC系統(tǒng)的主要功能NC程序的上載與下載；NC程序存儲(chǔ)與管理；系統(tǒng)的簡(jiǎn)單控制與調(diào)度；系統(tǒng)狀態(tài)信息的采集、處理和報(bào)告；根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度與控制；計(jì)劃、工裝（刀具、量具、夾具）信息、物料數(shù)據(jù)的集成化生產(chǎn)管理。第七頁(yè)，共51頁(yè)。DNC系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)DNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)第八頁(yè)，共51頁(yè)。DNC系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)多級(jí)DNC結(jié)構(gòu)第九頁(yè)，共51頁(yè)。多級(jí)DNC結(jié)構(gòu)的功能自動(dòng)編程、系統(tǒng)管理、生產(chǎn)計(jì)劃和物料需求計(jì)劃等功能1)接收來(lái)自級(jí)系統(tǒng)指令信息

2)根據(jù)下一級(jí)的設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行任務(wù)分解和調(diào)度

3)實(shí)時(shí)向各設(shè)備分配加工任務(wù)

4)統(tǒng)計(jì)信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息的反饋一般都是機(jī)床控制單元，它接受上級(jí)的加工指令和控制信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)及有關(guān)輔助功能的協(xié)調(diào)工作。也可向上一級(jí)反饋工況信息。第十頁(yè)，共51頁(yè)。DNC通信系統(tǒng)的物理連接用RS－232C或RS422，方便成本低，但有以下問(wèn)題：傳輸距離短。RS-232C的傳輸距離不超過(guò)50m，20mA電流環(huán)和RS-422/RS-423為1000m左右；傳輸不夠可靠。這些接口和連接電纜的抗干擾能力較差，而且其傳輸過(guò)程的檢錯(cuò)功能較弱；傳輸速率低，實(shí)時(shí)性差，響應(yīng)速度慢；系統(tǒng)規(guī)模有限。因一臺(tái)計(jì)算機(jī)不可能提供很多串行接口，所連設(shè)備很有限，因此整個(gè)系統(tǒng)規(guī)模就不可能很大；電纜費(fèi)用高，系統(tǒng)復(fù)雜性增加。每臺(tái)設(shè)備都需一條來(lái)自NC主機(jī)的通信電纜，因此整個(gè)系統(tǒng)的電纜費(fèi)用很大，而且導(dǎo)致系統(tǒng)環(huán)境的復(fù)雜性也大大增加。系統(tǒng)擴(kuò)展不容易。不但要改系統(tǒng)軟件，而且要更改硬件。第十一頁(yè)，共51頁(yè)。采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信接口新一代的CNC裝置為了能連入到DNC、FMS中設(shè)置了可直接與網(wǎng)絡(luò)連接的專用通訊微處理器接口，通過(guò)該接口可以把數(shù)控設(shè)備連接在工業(yè)局域網(wǎng)（LAN）中。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議大多采用ISO開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型七層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的有關(guān)協(xié)議。專用網(wǎng)絡(luò)：美國(guó)AB公司DATA－HIGHWAY（DH）DATA－HIGHWAYPLUS網(wǎng)絡(luò)（DH+）。MAP網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)：FANUC、Simens、AB等?，F(xiàn)場(chǎng)總線（FieldBus）-結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、協(xié)議直觀；-價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定；-實(shí)時(shí)性較高，抗干擾能力強(qiáng)，適用與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信。第十二頁(yè)，共51頁(yè)?；旌贤ㄐ沤涌诨旌贤ㄐ沤涌谑乔皫追N方式的混合。如，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與RS-232C、RS422、RS485混合。第十三頁(yè)，共51頁(yè)。DNC應(yīng)用系統(tǒng)第十四頁(yè)，共51頁(yè)。第十五頁(yè)，共51頁(yè)。6DNC系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)1）新型網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以太網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線方式2）無(wú)線通信技術(shù)3）信息的高度集成采集更完備的機(jī)床信息；智能分析采集的信息；對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；與ERP，PDM，MES等系統(tǒng)真正無(wú)縫聯(lián)結(jié)。第十六頁(yè)，共51頁(yè)。二、柔性制造系統(tǒng)(FMS)1FMS概述1.1制造柔性

制造柔性是指一個(gè)制造設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)需求變化的適應(yīng)能力，通常制造柔性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：制造設(shè)備的柔性、加工柔性、產(chǎn)品柔性、零件流動(dòng)路線柔性、產(chǎn)量柔性。

制造設(shè)備的柔性制造設(shè)備通過(guò)配備相應(yīng)的刀具、量具、夾具、NC程序等，使得此設(shè)備具有制造給定零件族中任何零件的能力；（這是一種固有的柔性，它與制造設(shè)備所具有的相關(guān)功能有關(guān)，如機(jī)附刀庫(kù)的容量、控制的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)等。）第十七頁(yè)，共51頁(yè)。制造柔性加工柔性以不同加工工序和工藝加工一個(gè)零件的能力或在給定的一個(gè)工藝規(guī)劃下以不同的加工路線實(shí)現(xiàn)零件的加工（制造工作站間和加工功能間的互換和替代）。產(chǎn)品柔性能夠經(jīng)濟(jì)、快速地轉(zhuǎn)變生產(chǎn)產(chǎn)品的能力。零件流動(dòng)路線柔性當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)局部故障時(shí)，能重新選擇零件加工路徑，并繼續(xù)進(jìn)行加工的能力。第十八頁(yè)，共51頁(yè)。制造柔性產(chǎn)量柔性系統(tǒng)運(yùn)行可適應(yīng)不同的生產(chǎn)批量，并具有良好的生產(chǎn)效益。系統(tǒng)重構(gòu)柔性系統(tǒng)具有重構(gòu)柔性，可以生產(chǎn)需求發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可以方便地?cái)U(kuò)展、收縮或重構(gòu)。故障控制柔性當(dāng)系統(tǒng)中的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，制造系統(tǒng)對(duì)故障的處理能力。第十九頁(yè)，共51頁(yè)。1.2FMS定義柔性制造系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱FMS）是由數(shù)控加工設(shè)備、物料儲(chǔ)運(yùn)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成的自動(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)的變化迅速進(jìn)行調(diào)整，適用于多品種中、小批量生產(chǎn)。（依據(jù)：中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)－武器裝備柔性制造系統(tǒng)）第二十頁(yè)，共51頁(yè)。1.3FMS的組成硬件系統(tǒng)制造設(shè)備：加工中心、測(cè)量機(jī)、清洗機(jī)等；自動(dòng)化儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備：傳送帶、有軌小車、AGV、搬運(yùn)機(jī)器人、立體庫(kù)、中央托盤庫(kù)、物料或刀具裝卸站、中央刀庫(kù)等；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)系統(tǒng)支持軟件：操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等。FMS運(yùn)行控制系統(tǒng)：動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)、實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)、生產(chǎn)準(zhǔn)備系統(tǒng)，物料（工件和刀具）管理控制系統(tǒng)等。第二十一頁(yè)，共51頁(yè)。1.4FMS的功能能自動(dòng)控制和管理零件的加工過(guò)程，包括制造質(zhì)量的自動(dòng)控制、故障的自動(dòng)診斷和處理、制造信息的自動(dòng)采集和處理；通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件系統(tǒng)變更，便能制造出某一零件族的多種零件；自動(dòng)控制和管理物料（包括工件與刀具）的運(yùn)輸和存儲(chǔ)過(guò)程；能解決多機(jī)床下零件的混流加工，且無(wú)需增加額外費(fèi)用具有優(yōu)化的調(diào)度管理功能，無(wú)需過(guò)多的人工介入，能做到無(wú)人加工。第二十二頁(yè)，共51頁(yè)。1.5FMS的特點(diǎn)設(shè)備利用率高、減少設(shè)備投資、減少占地面積、減少直接工時(shí)費(fèi)用減少了在制品的數(shù)量，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間具有快速應(yīng)變能力維持生產(chǎn)能力強(qiáng)、產(chǎn)品質(zhì)量高而穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行靈活性大、產(chǎn)量變化適應(yīng)性好便于實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化投資高、風(fēng)險(xiǎn)大，開發(fā)周期長(zhǎng)、管理水平要求高第二十三頁(yè)，共51頁(yè)。1.5FMS的類型按系統(tǒng)的規(guī)模分類：柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、柔性生產(chǎn)線。柔性制造單元第二十四頁(yè)，共51頁(yè)。柔性制造系統(tǒng)第二十五頁(yè)，共51頁(yè)。柔性生產(chǎn)線第二十六頁(yè)，共51頁(yè)。1.5FMS的類型按應(yīng)用對(duì)象分類切削加工FMS鈑金加工FMS焊接FMS柔性裝配系統(tǒng)等柔性制造單元第二十七頁(yè)，共51頁(yè)。1.5FMS的類型按系統(tǒng)布局分類-直線型、機(jī)器人型、環(huán)型。直線型第二十八頁(yè)，共51頁(yè)。機(jī)器人型第二十九頁(yè)，共51頁(yè)。環(huán)型第三十頁(yè)，共51頁(yè)。2FMS制造工作站2.1機(jī)械加工工作站加工中心（MachiningCenterorProductionCenter）一般在柔性制造系統(tǒng)中主要的機(jī)械加工設(shè)備是加工中心，常帶有機(jī)附刀庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)主軸和機(jī)附刀庫(kù)的刀具交換；同時(shí)，MC還帶有自動(dòng)托盤交換裝置。第三十一頁(yè)，共51頁(yè)。集成加工中心到FMS的基本條件硬接口：托盤自動(dòng)交換裝置（AutomatedPalletChanger-APC）和第二刀具交換點(diǎn)；軟接口：具有通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或其它通信接口實(shí)現(xiàn)與上級(jí)控制計(jì)算機(jī)通信的功能。第三十二頁(yè)，共51頁(yè)。加工中心在FMS中的配置方式互替方式：就是一加工任務(wù)即可在這臺(tái)機(jī)床上完成，也可在另一臺(tái)上完成。

互補(bǔ)方式：就是對(duì)一加工任務(wù)需通過(guò)兩臺(tái)加工中心聯(lián)合加工方能完成。

第三十三頁(yè)，共51頁(yè)。加工中心的在線測(cè)量裝置零件的找正與在線測(cè)量； 刀具磨損或破損檢查。 在線測(cè)量裝置有硬線連接式、感應(yīng)式、光學(xué)式和無(wú)線電式。 刀具壽命的管理功能 第三十四頁(yè)，共51頁(yè)。清洗站

清洗站可以放在柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)線內(nèi)，也可分開，也可與裝卸站并為一體，所謂清洗，主要指清除切屑，包括洗滌零件，夾具和托盤，但不包括去除零件毛刺。第三十五頁(yè)，共51頁(yè)。測(cè)量站

檢驗(yàn)工序有在線和離線兩種方式:在線檢驗(yàn)儀可由編程令其投入工作，以判定加工誤差和直接經(jīng)由中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行刀具補(bǔ)償調(diào)整。在線檢驗(yàn)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是能迅速確定制造中的問(wèn)題。離線檢驗(yàn)則由于檢驗(yàn)工位離得遠(yuǎn)，零件定位和夾緊費(fèi)時(shí)，或缺少自動(dòng)檢驗(yàn)裝置等原因具有滯后性。第三十六頁(yè)，共51頁(yè)。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x第三十七頁(yè)，共51頁(yè)。3FMS物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)中物料傳送系統(tǒng)就是把各工作站聯(lián)接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)物料傳送的自動(dòng)化系統(tǒng)。根據(jù)傳送對(duì)象不同，可分為用于傳送工件的工件流子系統(tǒng)和用于傳送刀具的刀具流子系統(tǒng)。第三十八頁(yè)，共51頁(yè)。FMS物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的功能（1）物料自動(dòng)存儲(chǔ)功能。物料存儲(chǔ)設(shè)備：自動(dòng)化立體庫(kù)（ASRS），中央托盤區(qū)、裝卸站、刀具進(jìn)出口站、中央刀庫(kù)、機(jī)附刀庫(kù)等第三十九頁(yè)，共51頁(yè)。（2）物料自動(dòng)傳送功能物料自動(dòng)化傳輸設(shè)備：工業(yè)機(jī)器人、傳送帶、有軌小車、自動(dòng)導(dǎo)向小車（AutomatedGuidedVehicle,AGV）等。第四十頁(yè)，共51頁(yè)。物料管理功能物料管理系統(tǒng)從物料進(jìn)入系統(tǒng)，到最終退出系統(tǒng)，能進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，保證物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。第四十一頁(yè)，共51頁(yè)。3.2FMS中的自動(dòng)化物料傳送設(shè)備(1)傳送帶（Conveyer）特點(diǎn)控制簡(jiǎn)單、傳送設(shè)備造價(jià)低；具有連續(xù)輸送的能力，單位時(shí)間內(nèi)輸送量大；實(shí)施的技術(shù)要求低、維護(hù)方便；工件（托盤）定位準(zhǔn)確性差；設(shè)備占地較大、空間利用率低；?運(yùn)行速度較低，傳輸途徑柔性較差第四十二頁(yè)，共51頁(yè)。3.2FMS中的自動(dòng)化物料傳送設(shè)備(2)工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是一種特殊的物料傳送系統(tǒng)，它常用于機(jī)床之間距離較短，工件和夾具的總重量較輕的情況。對(duì)于按群集式機(jī)床布置的加工單元，機(jī)器人最有效。由于所有機(jī)床都圍成圓形，一臺(tái)機(jī)器人可以為多臺(tái)機(jī)床服務(wù)。機(jī)器人常用于無(wú)夾具的回轉(zhuǎn)體零件的裝卸。機(jī)器人往往也用于刀具的傳送和裝卸。第四十三頁(yè)，共51頁(yè)。3.2FMS中的自動(dòng)化物料傳送設(shè)備(3)有軌小車（RGV-RailGuidedVehicle）

有軌小車一種無(wú)人駕駛的自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備。有軌小車沿著預(yù)先鋪設(shè)的導(dǎo)軌，在牽引裝置的推動(dòng)下，按照控制需求行走，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)傳送。第四十四頁(yè)，共51頁(yè)。有軌小車的特點(diǎn)移動(dòng)速度快，行走平穩(wěn)，定位精確；承載能力大，適合搬運(yùn)笨重零件；控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)便，可靠性高，成本低，易維護(hù)；傳輸路徑柔性不高，一般適宜在直線布局的系統(tǒng)中采用。第四十五頁(yè)，共51頁(yè)。3.2FMS中的自動(dòng)化物料傳送設(shè)備（4）無(wú)軌小車（AGVAutomatedGuidedVehicle）AGV無(wú)軌道，可以外部控制的自由運(yùn)行的電動(dòng)小車，以蓄電池作為電源，用某種制導(dǎo)方法（電磁制導(dǎo)及光學(xué)制導(dǎo)）控制其運(yùn)行路線，不需設(shè)置導(dǎo)軌，柔性大。第四十六頁(yè)，共51頁(yè)。4FMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（1）FMS三級(jí)遞階控制結(jié)構(gòu)第四十七頁(yè)，共51頁(yè)。4FMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（2）具有工作站級(jí)的FMS