先進(jìn)制造系統(tǒng) 課件 hapter 04 先進(jìn)制造自動化系統(tǒng)

1第四章自動化制造系統(tǒng)技術(shù)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

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柔性制造技術(shù)計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)概述

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2先進(jìn)制造自動化技術(shù)概述

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31936年，通用公司D.S.Harder提出自動化的概念。狹義——用機(jī)器代替人的體力和腦力勞動廣義——制造自動化系統(tǒng)是由一定范圍的被加工對象、一定柔性和自動化水平的各種設(shè)備和高素質(zhì)的人組成的一個(gè)有機(jī)整體，它接受外部信息、能源、資金、配套件和原材料等，在人和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)一定程度的柔性制造自動化，最后輸出產(chǎn)品、文檔資料、廢物和對環(huán)境的污染。一、制造自動化系統(tǒng)的概念制造自動化系統(tǒng)的定義4形式方面具有三個(gè)方面的含義代替人的體力勞動；代替或輔助人的腦力勞動；制造系統(tǒng)中人、機(jī)及系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化。功能方面代替人的體力和腦力勞動是制造業(yè)自動化功能的一部分。當(dāng)前的完整目標(biāo)體系模型為TQCSE：T—時(shí)間，意在縮短產(chǎn)品制造周期，提高生產(chǎn)率；Q—質(zhì)量；C—成本；S—服務(wù)，一是為市場服務(wù)，一是通過減輕勞動強(qiáng)度的方式為員工服務(wù)；E—環(huán)境，資源利用充分，環(huán)境污染少，綠色制造范圍方面制造自動化不僅涉及到具體的生產(chǎn)制造過程，而是涉及產(chǎn)品生命周期所有過程。制造自動化的內(nèi)涵5制造自動化系統(tǒng)的典型組成具有一定技術(shù)水平和決策能力的人是人-機(jī)一體化的系統(tǒng)，對人的要求不是降低了，而是提高了；一定范圍的被加工對象能在一定范圍內(nèi)適應(yīng)被加工對象的變化；信息流及其控制系統(tǒng)信息流控制著物流，進(jìn)而控制產(chǎn)品的制造質(zhì)量能量流及其控制系統(tǒng)能量流為物流過程提供能量，以維持系統(tǒng)的運(yùn)行物料流及物料處理系統(tǒng)是系統(tǒng)的主要運(yùn)作方式，是制造自動化系統(tǒng)規(guī)劃的重要內(nèi)容6制造自動化系統(tǒng)的工程概念人機(jī)功能合理分配的物料處理系統(tǒng)7制造自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷史二、制造自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢8制造自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷史

第一階段(1870-1950)

純機(jī)械控制隨著電液控制的剛性自動化加工單機(jī)和系統(tǒng)得到長足發(fā)展。

1946年，蘇聯(lián)學(xué)者米特洛萬諾夫提出成組生產(chǎn)工藝的思想，其成為制造自動化系統(tǒng)賴以生存和發(fā)展的重要技術(shù)之一。

第二階段(1952-1965)

數(shù)控技術(shù)，特別是單機(jī)數(shù)控得到飛速發(fā)展。對多品種、小批量生產(chǎn)自動化意義重大。

第三階段(1967-1985)

數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造系統(tǒng)發(fā)展迅速。

因忽略“人”的核心作用而不盡如人意。

第四階段(1985-)

CIMS9“精”是發(fā)展的關(guān)鍵—精確化“極”是發(fā)展的焦點(diǎn)—極端化“文”是發(fā)展的新義—人文化制造產(chǎn)品“綠”是發(fā)展的必然—綠色化“快”是發(fā)展的動力—快速化“省”是發(fā)展的原則—節(jié)省“效”是發(fā)展的追求—高效制造過程“數(shù)”是發(fā)展的核心—數(shù)字化“自”是發(fā)展的條件—自動化“集”是發(fā)展的方法—集成化“網(wǎng)”是發(fā)展的道路—網(wǎng)絡(luò)化“智”是發(fā)展的前景—智能化制造方法制造自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢10（1）高度智能集成性這是計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)和人工智能技術(shù)在制造系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的必然結(jié)果，智能化已成為制造自動化系統(tǒng)的主要特征之一。智能技術(shù)使得制造系統(tǒng)具有自律、自決策、自診斷、自糾正能力。智能集成性體現(xiàn)在兩方面：一是信息的集成；二是人與技術(shù)的集成。11（2）人機(jī)結(jié)合的適度自動化不片面強(qiáng)調(diào)完全自動化，堅(jiān)持人在自動化系統(tǒng)中的核心地位，強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)人機(jī)功能的合理分配，并能夠充分發(fā)揮人的主觀能動性。其特點(diǎn)是成本低、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。（3）強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的柔性和敏捷性適應(yīng)多品種、小批量的市場環(huán)境和不可預(yù)測的市場需求，其敏捷性更好。著力點(diǎn)在于通過采用模塊化技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)等新技術(shù)手段，能夠通過改變自身的結(jié)構(gòu)適應(yīng)外部環(huán)境的不斷變化。12（4）功能擴(kuò)展化從目前面向零件加工的，向面向毛坯制造、物流管理、自動裝配等多目標(biāo)體系發(fā)展。（5）小型化因其成本低、功能強(qiáng)、能滿足要求、易于操作和管理等優(yōu)點(diǎn)將得到廣泛應(yīng)用。如DNC，F(xiàn)MC（6）簡單化滿足要求的系統(tǒng)中，越簡單的越好。（7）環(huán)?；G色制造。13制造自動化系統(tǒng)的理論和方法研究制造自動化系統(tǒng)開放式智能式體系結(jié)構(gòu)研究面向制造自動化技術(shù)的數(shù)控技術(shù)研究面向制造自動化技術(shù)的機(jī)器人技術(shù)研究面向制造自動化技術(shù)的柔性制造技術(shù)研究面向制造自動化技術(shù)的集成制造技術(shù)研究面向制造自動化技術(shù)的智能制造技術(shù)研究三、先進(jìn)制造自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)14工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

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15一、工業(yè)機(jī)器人的起源機(jī)器人一詞首先由捷克劇作家、小說家卡列爾·卡佩克使用并推薦給全世界－1920年發(fā)表舞臺劇《羅森的全能機(jī)器人》小說在1924年和1927年的時(shí)候被紛紛傳到了日本、法國和歐洲國家，機(jī)器人這個(gè)名詞就向全世界鋪展開來。故事情節(jié)：帶感情的機(jī)器人消滅了人類，一對男女機(jī)器人相愛，世界又起死回生。161950，另一位美籍猶太人作家阿西莫夫在他的小說《我是機(jī)器人》中給出了“機(jī)器人學(xué)三定律”：機(jī)器人不得傷害人或由于故障而使人遭受不幸；機(jī)器人應(yīng)執(zhí)行人們所下達(dá)的指令，除非這些指令與第一定律相矛盾；機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己的生存，只要這種防護(hù)行為不與第一或第二定律相矛盾。17古代機(jī)器人春秋后期，魯班曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”。機(jī)器馬車西周時(shí)期，出現(xiàn)了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人。公元前2世紀(jì)，亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人──自動機(jī)?？梢宰约洪_門，還可以借助蒸汽唱歌。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?jié)h代大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計(jì)里鼓車。每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。18后漢三國時(shí)期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”。用其運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。寫字機(jī)器人1738年，法國天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨。它會嘎嘎叫，會游泳和喝水，還會進(jìn)食和排泄。1773年，自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等被連續(xù)推出?，F(xiàn)在保留下來的瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，還定期彈奏音樂供參觀者欣賞。19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派。1886年《未來的夏娃》問世。在機(jī)械實(shí)物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動雙腿沿圓周走動。191927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”。可以回答一些問題?，F(xiàn)代機(jī)器人1952年，第一臺數(shù)控機(jī)床的誕生，為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。1948年，美國原子能委員會的阿爾貢研究所開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。主從機(jī)器人201959年UNIMATION公司推出的“UNIMATE”和1963年美國AMF公司推出的“VERSATRAN”

是機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）。VERSATRANUNIMATE211965年，MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機(jī)器人系統(tǒng)1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會議1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人1980年后，日本贏得了“機(jī)器人王國”的美稱各種用途的機(jī)器人：水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等德國排爆機(jī)器人相撲機(jī)器人無人駕駛振動式壓路機(jī)22機(jī)器魚“自由泳”“過龍門”在水中“戲球”自主地避開障礙物我國研制的排爆機(jī)器人2370年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。

1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。“七五”期間，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開始實(shí)施。上世紀(jì)90年代初期起，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地。2009年10月29日中國首次使用水下機(jī)器人發(fā)現(xiàn)海底巨大黑煙囪。

我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展日本和美國在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始進(jìn)行機(jī)器人的研究，與他們相比較，我國還存在較大的差距，因此需要更多的人加入到發(fā)展機(jī)器人的事業(yè)中來。24理由之三：機(jī)器人做人做不了的事情。比如人們對太空的認(rèn)識，對原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人理由之二：機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高溫的或危險(xiǎn)的環(huán)境，汽車生產(chǎn)線上的焊接工作理由之一：提高生產(chǎn)效率降低人的勞動強(qiáng)度。比如焊機(jī)器人提高生產(chǎn)效率，提高汽車焊接的質(zhì)量，降低工人的勞動強(qiáng)度。

為什么要發(fā)展機(jī)器人?機(jī)器人汽車焊接生產(chǎn)線汽車裝配機(jī)器人25總結(jié)：三個(gè)發(fā)展階段第二代機(jī)器人則具備了感覺能力，能對周圍環(huán)境進(jìn)行感知第一代機(jī)器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機(jī)械手或遙控，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍第三代是智能機(jī)器人，不僅具有感覺能力，還具有獨(dú)立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力第一代第二代第三代26上世紀(jì)60年代，可實(shí)用機(jī)械的機(jī)器人被稱為工業(yè)機(jī)器人上世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，正越來越向智能化方向發(fā)展

因此，至今為止也沒有一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)器人的定義。國際上，關(guān)于機(jī)器人的定義主要有以下幾種：機(jī)器人學(xué)是一門不斷發(fā)展的科學(xué)，對機(jī)器人的定義也隨其發(fā)展而變化三、工業(yè)機(jī)器人的定義（1）美國機(jī)器人協(xié)會(RIA)的定義——機(jī)器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手(manipulator)”。27（3）美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的定義——機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。（4）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義——“機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。（2）日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(JIRA)的定義——工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器”。（5）我國對機(jī)器人的定義——蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為“一種擬人功能的機(jī)械電子裝置”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。28參考各國的定義，對機(jī)器人給出以下定義：機(jī)器人是一種計(jì)算機(jī)控制的可以編程的自動機(jī)械電子裝置，能感知環(huán)境，識別對象，理解指示命令，有記憶和學(xué)習(xí)功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進(jìn)化，能計(jì)劃其操作程序來完成任務(wù)。29四、工業(yè)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)三個(gè)部分

工業(yè)機(jī)器人通常由機(jī)械部分（用于實(shí)現(xiàn)各種動作）、傳感部分（用于感知內(nèi)部和外部的信息）、控制部分（控制機(jī)器人完成各種動作）。六個(gè)系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)：提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的原動力。機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：完成各種動作。感受系統(tǒng)：由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成。機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部設(shè)備的聯(lián)系和協(xié)調(diào)并構(gòu)成功能單元。人機(jī)交互系統(tǒng)：是人與機(jī)器人聯(lián)系和協(xié)調(diào)的單元?？刂葡到y(tǒng)：是根據(jù)程序和反饋信息控制機(jī)器人動作的中心。分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。30工業(yè)機(jī)器人一般的機(jī)械組成機(jī)身部分：如同機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)一樣，機(jī)器人機(jī)身構(gòu)成機(jī)器人的基礎(chǔ)支撐。有的機(jī)身底部安裝有機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)；有的機(jī)身可以繞軸線回轉(zhuǎn)，構(gòu)成機(jī)器人的腰。手臂部分：分為大臂、小臂和手腕，完成各種動作。末端操作器：可以是擬人的手掌和手指，也可以是各種作業(yè)工具，如焊槍、噴漆槍等。關(guān)節(jié)：分為滑動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。實(shí)現(xiàn)機(jī)身、手臂各部分、末端操作器之間的相對運(yùn)動。五、機(jī)器人的分類按用途分類工業(yè)機(jī)器人、空間機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、排險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人、教學(xué)機(jī)器人和娛樂機(jī)器人等。按主要功能分類操作機(jī)器人——主要是模仿人的手和手臂的工作。移動機(jī)器人——工業(yè)生產(chǎn)中帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人完成運(yùn)輸，上下料等工作。信息機(jī)器人——主要指以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能行為模擬裝置。人機(jī)機(jī)器人——機(jī)器人和真人之間構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。如假肢機(jī)器人。按坐標(biāo)系統(tǒng)分類直角坐標(biāo)型：只具有移動關(guān)節(jié)。圓柱坐標(biāo)型：具有一個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、其余為移動關(guān)節(jié)的機(jī)器人。球坐標(biāo)型：又稱極坐標(biāo)式。具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、其余為移動關(guān)節(jié)的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型：又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)式，具有三個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機(jī)器人。按驅(qū)動方法分類電力驅(qū)動：主要形式，步進(jìn)電機(jī)、直(交)流伺服電機(jī)驅(qū)動；液壓驅(qū)動：抓取能力強(qiáng)，工作平穩(wěn)、靈敏，穩(wěn)定性好。氣壓驅(qū)動：抓力小，成本低，穩(wěn)定性差按運(yùn)動控制方式分類點(diǎn)位控制(PTP)：機(jī)器人運(yùn)動為空間點(diǎn)到點(diǎn)間的直線運(yùn)動，不涉及兩點(diǎn)間的路徑規(guī)劃；連續(xù)軌跡控制(CP)：含軌跡規(guī)劃。按自動化功能層次分類專用機(jī)器人：以固定程序在固定地點(diǎn)工作的機(jī)器人。通用機(jī)器人：具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，能夠通過改變程序完成多種作業(yè)的機(jī)器人。施教再現(xiàn)機(jī)器人：具有記憶功能，由人施教后可重施教內(nèi)容。智能機(jī)器人：具有各種感覺功能和識別功能，能做出決策自動進(jìn)行反饋糾正的機(jī)器人。六、機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)自由度指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目。工作精度包括定位精度和重復(fù)定位精度?？梢杂镁芏?、正確度、和準(zhǔn)確度三個(gè)參數(shù)來衡量。定位精度：指機(jī)器人實(shí)際到達(dá)的位置和設(shè)計(jì)的理想位置之間的差異。重復(fù)定位精度：指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一目標(biāo)位置的差異程度。工作范圍指機(jī)器人末端操作器所能到達(dá)的區(qū)域。工作速度指機(jī)器人各個(gè)方向的移動速度或轉(zhuǎn)動速度。這些速度可以相同，可以不同。承載能力指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。七、工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀焊接機(jī)器人主要是指利用機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)焊和弧焊。點(diǎn)焊——要求機(jī)器人手腕握持焊接工具準(zhǔn)確地對準(zhǔn)所要求的焊點(diǎn)，焊槍不與部件的其它部位接觸。通常，這些機(jī)器人所夾持的焊接工具大而重，同時(shí)還要求機(jī)器人有一個(gè)比較大的活動范圍?；『浮獙Σ牧线M(jìn)行連續(xù)焊接，焊接前首先要將復(fù)雜的運(yùn)行軌跡示教給機(jī)器人，在需要處理較寬的焊縫時(shí)，可以編程使機(jī)器人作編織狀的橫擺運(yùn)動。汽車工業(yè)運(yùn)用這種類型的機(jī)器人最多。39松下焊接機(jī)器人開元（神鋼）焊接機(jī)器人系統(tǒng)噴漆機(jī)器人噴漆易引發(fā)火災(zāi)，同時(shí)有害于身體健康，因此，噴漆作業(yè)是機(jī)器人特有的用途。使用噴漆機(jī)器人的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是涂層比人工噴涂的更加均勻。噴漆機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動，具有動作速度快、防爆性能好等特點(diǎn)，可通過手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來實(shí)現(xiàn)示教。噴漆機(jī)器人廣泛用于汽車、儀表、電器、陶瓷等工藝生產(chǎn)部門。裝配機(jī)器人為完成裝配作業(yè)而設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人。裝配機(jī)器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機(jī)器人操作機(jī)、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。操作機(jī)的結(jié)構(gòu)類型有水平關(guān)節(jié)型、直角坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型和圓柱坐標(biāo)型等；控制器一般采用多CPU或多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制和運(yùn)動編程；末端執(zhí)行器為適應(yīng)不同的裝配對象而設(shè)計(jì)成各種手爪和手腕等；傳感系統(tǒng)又來獲取裝配機(jī)器人與環(huán)境和裝配對象之間相互作用的信息。42瑞士ABB公司裝配機(jī)器人43裝配機(jī)器人44水下機(jī)器人：用于海底礦物探測、打撈沉船、在海上或干式船塢中修理船舶等。軍用機(jī)器人：海軍和空軍對移動式消防機(jī)器人感興趣，由于配有紅外傳感器，在緊急關(guān)頭，能夠作出比人更快的反應(yīng)。還有裝炮彈機(jī)器人等。發(fā)電廠機(jī)器人：在核發(fā)電廠，由于核燃料有放射作用，很多工作更適合于機(jī)器人操作。如：給活動篩附屬裝置上潤滑油；閥門密封件的檢修等。家用機(jī)器人組裝機(jī)器人自動工廠中的機(jī)器人：機(jī)器人的未來用途是成為全自動化工廠或加工車間的一個(gè)組成部分。八、工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用45柔性制造技術(shù)

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46柔性概念及其衡量指標(biāo)制造系統(tǒng)的柔性，就是指制造系統(tǒng)的可變性，即制造系統(tǒng)適應(yīng)產(chǎn)品變化和生產(chǎn)條件變化的特性。分類定義衡量指標(biāo)設(shè)備柔性系統(tǒng)中的設(shè)備易于實(shí)現(xiàn)加工不同類型零件所具備的轉(zhuǎn)換能力。系統(tǒng)中設(shè)備實(shí)現(xiàn)加工不同零件所需的調(diào)整時(shí)間，包括：1）更換磨損刀具的時(shí)間；2）為加工同一類而不同組的零件所需的換刀時(shí)間；3）組裝新夾具所需的時(shí)間；4）機(jī)床實(shí)現(xiàn)加工不同類型零件所需的調(diào)整時(shí)間，a.刀具準(zhǔn)備時(shí)間；b.零件安裝定位和拆卸時(shí)間；c.更換數(shù)控(NC)程序時(shí)間。工藝柔性系統(tǒng)能夠以多種方法加工某一零件組的能力，又稱加工柔性，即系統(tǒng)能加工的零件品種數(shù)。系統(tǒng)不采用成批方式而能同時(shí)加工零件的品種數(shù)。47

分類定義衡量指標(biāo)產(chǎn)品柔性系統(tǒng)能經(jīng)濟(jì)而迅速地轉(zhuǎn)向生產(chǎn)新產(chǎn)品的能力，即轉(zhuǎn)產(chǎn)能力，也稱為反應(yīng)柔性，表明為適應(yīng)新環(huán)境而采取新行動的能力。系統(tǒng)從生產(chǎn)一種零件向生產(chǎn)另一種零件轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。流程柔性系統(tǒng)處理其故障并維持其生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行的能力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)生產(chǎn)率下降程度或零件能否繼續(xù)加工的能力。批量柔性系統(tǒng)在不同批量下運(yùn)行都有經(jīng)濟(jì)效益的能力。系統(tǒng)保證有經(jīng)濟(jì)效益的最小運(yùn)行批量。擴(kuò)展柔性系統(tǒng)能根據(jù)需要通過模塊進(jìn)行組建和擴(kuò)展的能力。系統(tǒng)能擴(kuò)展的規(guī)模大小。工序柔性系統(tǒng)變換零件加工工序、順序的能力。以實(shí)時(shí)方式進(jìn)行工藝路線決策的能力。生產(chǎn)柔性上述柔性的總和。48各種柔性的相互關(guān)系圖49柔性制造技術(shù)的分類柔性制造模塊（FlexibleManufacturingModule）FMM由單臺CNC機(jī)床加上工件自動上下料裝置組成，它能夠進(jìn)一步組成柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。50柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell）FMC由2到3個(gè)柔性制造模塊組成，它們之間用工件自動輸送設(shè)備連接起來，能夠?qū)崿F(xiàn)自動換刀，自動上下料，自動檢測（自動測量）和自動監(jiān)控（對刀具狀態(tài)磨損、折斷等）。整個(gè)單元由計(jì)算機(jī)控制。FMC可以看成是小型的FMS，也可以看成是FMS的基本組成單元。51柔性制造線（FlexibleManufacturingLineFML）FML是處于單一品種或少品種剛性自動線與多品種中小批量的FMS之間的一種生產(chǎn)線。FML能加工少數(shù)幾個(gè)品種零件，這些零件往往具有高度的相似性，和大批量自動生產(chǎn)線相類似，工件在FML中是按一定的生產(chǎn)節(jié)拍（時(shí)間間隔）沿一定的方向順序輸送的，輸送過程中，由各種自動機(jī)床依次進(jìn)行加工。FML中常見的數(shù)控機(jī)床是多軸、換箱機(jī)床。如換箱式、轉(zhuǎn)塔式加工中心。52柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem）將柔性制造單元進(jìn)行擴(kuò)展，增加加工設(shè)備的數(shù)量(如4臺以上的加工中心)，再配備完善的物料運(yùn)輸存儲系統(tǒng)，加上一整套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來管理全部生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度，并綜合控制機(jī)床設(shè)備的加工過程和物流系統(tǒng)的儲運(yùn)流程，這樣就形成了一個(gè)完整的柔性制造系統(tǒng)。535455柔性制造工廠（FlexibleManufacturingFactory）以FMS為主體，將其應(yīng)用范圍擴(kuò)大到全廠的生產(chǎn)管理過程，使整個(gè)產(chǎn)品的制造過程（包括加工、裝配、物流系統(tǒng)等）全部自動化，并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將其有機(jī)的聯(lián)系起來，形成制造過程全部自動化的柔性制造工廠。56柔性制造系統(tǒng)的基本概念

FMS是一組數(shù)控機(jī)床和其他自動化的工藝設(shè)備，由計(jì)算機(jī)信息控制系統(tǒng)和物料自動儲運(yùn)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的整體。柔性制造系統(tǒng)由加工、物流、信息流三個(gè)子系統(tǒng)組成。能構(gòu)根據(jù)加工對象的變換迅速調(diào)整，適應(yīng)多品種和中小批量生產(chǎn)。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。起源及發(fā)展ＦＭＳ概念57同年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成OmnilineI系統(tǒng)，它由八臺加工中心和兩臺多軸鉆床組成，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)的自動生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動線。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。柔性制造單元(FMC)一般由1-2臺數(shù)控機(jī)床與物料傳送裝置組成，有獨(dú)立的工件儲存站和單元控制系統(tǒng)，能在機(jī)床上自動裝卸工件，甚至自動檢測工件，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。

5870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3—5臺設(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，另有兩臺自動引導(dǎo)臺車傳送毛坯和工件，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)。這種自動化和無人化車間，是向?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)集成的自動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。59工件輸送處60柔性制造系統(tǒng)的組成

61加工系統(tǒng)加工系統(tǒng)的機(jī)床類型及配置形式數(shù)控（CN）或計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）車、銑、刨、磨機(jī)床和齒輪加工機(jī)床。加工棱體類零件的FMS，機(jī)床一般選擇臥式、立式或立臥兩用的數(shù)控加工中心。加工回轉(zhuǎn)體類零件的FMS，采用的是能夠加工軸類和盤類零件的車削加工中心。62特征a)互替形式b)互補(bǔ)形式c)混合形式簡圖生產(chǎn)柔性低中高生產(chǎn)率低高中技術(shù)利用率低中高系統(tǒng)可靠性高低中投資強(qiáng)度比高低中63機(jī)床自動上下料裝置托盤——托盤是工件與夾具的一個(gè)載體。它的作用是實(shí)現(xiàn)工件夾具系統(tǒng)與輸送裝置以及加工設(shè)備之間的連接作用。采用隨行托盤的目的是給工件運(yùn)送和裝卸提供方便。所以托盤必須采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式。托盤結(jié)構(gòu)——一般做成正方形或長方形的板，又叫板式托盤，托盤的頂面是一平面，有T型槽或矩陣分布的孔用來安裝和固定夾具，夾具與托盤靠定位鍵定位，用螺栓把緊；托盤的底面有輸送基面，還有導(dǎo)向和定位結(jié)構(gòu)，其精度很高，以便在輸送裝置或機(jī)床工作臺上定位和安裝。64托盤緩沖站——一種待加工零件的中間存儲站一般設(shè)在機(jī)床旁邊，使待加工零件排隊(duì)等待機(jī)床空閑后進(jìn)行加工。65托盤交換器——用來實(shí)現(xiàn)托盤緩沖站與機(jī)床之間工件裝卸的裝置。常用的有兩種結(jié)構(gòu)形式。66機(jī)器人（機(jī)械手臂運(yùn)送工件）67加工系統(tǒng)的監(jiān)控FMS的工作過程大多是在無人操作和無人監(jiān)視的環(huán)境下進(jìn)行的，所以，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，必須對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和加工過程進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控主要是檢測、收集系統(tǒng)各部分的運(yùn)行信息，如加工設(shè)備、物流設(shè)備、系統(tǒng)安全監(jiān)視等信息，作出相應(yīng)處理。加工過程監(jiān)控主要是對零件精度進(jìn)行檢測和對加工刀具進(jìn)行監(jiān)控。6869據(jù)國外資料顯示，產(chǎn)品和零件的整個(gè)生產(chǎn)過程中，毛坯料、在制品、成品的運(yùn)輸及存放時(shí)間大約占整個(gè)生產(chǎn)過程的95%，而花在機(jī)床上的時(shí)間只有5%，在這5%中，機(jī)床真正切削的時(shí)間只占30%，其余70%的時(shí)間都在零件的裝夾、定位、測量、換刀和機(jī)床調(diào)整等方面了。合理選擇物流系統(tǒng)是提高設(shè)備利用率、提高FMS生產(chǎn)率的有效措施。物流系統(tǒng)物流系統(tǒng)的功能運(yùn)輸裝卸功能存儲功能物料識別功能70運(yùn)輸裝卸功能在正確的時(shí)候，將正確的物料（工件、刀具）運(yùn)送（裝卸）到正確的地點(diǎn)，主要的運(yùn)輸路徑如圖所示。托盤緩沖站自動化倉庫機(jī)床機(jī)床工件刀具裝卸站中央刀庫機(jī)床主軸機(jī)床刀庫刀具71存儲功能在制造系統(tǒng)中，工件（毛坯、半成品、成品）和刀具等物料許多時(shí)間是處于等待和準(zhǔn)備的狀態(tài)，所以物流系統(tǒng)還包括倉庫和緩沖站，用以暫時(shí)存放物料。物料識別功能物料（工件和刀具）在系統(tǒng)中流動過程中，其位置、數(shù)量及性質(zhì)是在不斷變化的。因此系統(tǒng)需要對物料進(jìn)行識別和編號，這樣才能對它們進(jìn)行有效的控制和管理。72輥道輸送機(jī)自動運(yùn)輸小車搬運(yùn)機(jī)器人主要的物料運(yùn)輸裝置自動運(yùn)輸小車分為：有軌小車和無軌小車。有軌小車有地面軌道和高架軌道兩種。無軌小車是指無人駕駛的自動導(dǎo)引小車（AGVAutomatedGuidedVehicle）。AGV有線導(dǎo)、光導(dǎo)、遙控制導(dǎo)等幾種形式。73物料輸送形式按輸送設(shè)備的不同，F(xiàn)MS通常有以下4種輸送方式：直線型輸送方式環(huán)形輸送方式網(wǎng)型輸送方式單元輸送方式輸送設(shè)備作直線運(yùn)動，在輸送線兩側(cè)布置機(jī)床。一般用于工件按規(guī)定順序輸送的情況，類似于自動線，它配置中央倉庫和緩沖站后，可具有較大的柔性。

直線型輸送方式74環(huán)型輸送方式輸送線路為封閉環(huán)型輸送線，內(nèi)部還有支線，可形成多環(huán)線，機(jī)床布置在環(huán)線的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。這種方式的內(nèi)部儲存功能較大，運(yùn)輸線路較為靈活，一般可不配中央倉庫。

75網(wǎng)型輸送方式這種方式用自導(dǎo)運(yùn)輸小車作為輸送設(shè)備它的運(yùn)輸線路是多結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀型式，其工件的輸送非常靈活。配合中央倉庫使用，生產(chǎn)柔性很大，適用于小批量多品種生產(chǎn)。76單元型輸送方式是在以機(jī)器人為中心、機(jī)床就布置在以機(jī)械手臂長度為半徑的圓周上。它主要用于加工回轉(zhuǎn)體零件的柔性制造系統(tǒng)。77直線型輸送和環(huán)型輸送方式——通常采用滾道輸送機(jī)，形成直線或環(huán)線形式，它們的運(yùn)行效率比較高，適用于工件批量較大的生產(chǎn)。網(wǎng)型輸送和單元輸送方式——使系統(tǒng)的柔性很高，工件的輸送路線較為靈活自由適用于多品種混合批量的生產(chǎn)。輸送方式對比78物料存儲設(shè)備自動化立體倉庫由多層貨架堆垛起重機(jī)（堆垛機(jī)）進(jìn)出庫裝卸站計(jì)算機(jī)控制和管理系統(tǒng)自動化立體倉庫的多層貨架79堆垛機(jī)堆垛機(jī)是立體倉庫實(shí)現(xiàn)自動裝貨和取貨的主機(jī)，它能夠根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，將入庫的貨物放入指定的倉位，或者從倉庫中找出所需要的貨物。3個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)使堆垛機(jī)可以沿3個(gè)方向運(yùn)動。80進(jìn)出庫裝卸站在立體倉庫的巷道端口處有進(jìn)出庫裝卸站。物料入庫→輸送設(shè)備→進(jìn)出庫裝卸站→堆裝機(jī)→指定倉位物料出庫→指定倉位→堆裝機(jī)→進(jìn)出庫裝卸站→輸送設(shè)備計(jì)算機(jī)控制和管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料自動存取識別和登錄物料信息儲存物料時(shí)由計(jì)算機(jī)控制堆垛機(jī)運(yùn)動到物料存放地址，將物料存進(jìn)去；取出物料時(shí)，計(jì)算機(jī)控制堆垛機(jī)自動找到存放地址，將物料取出。81識別和登錄物料信息物料在FMS中流動前，首先在自動化倉庫的自動儲存/檢索系統(tǒng)中進(jìn)行登記。由管理員將物料名稱、物料代碼、數(shù)量、批次、存放地址以及條碼或電子標(biāo)簽信息等輸入計(jì)算機(jī)，方便檢索和跟蹤管理。FMS中物料一般采用條形碼識別技術(shù)或無線射頻識別技術(shù)（RFID）進(jìn)行編碼。采用條碼技術(shù)給物料貼上條碼，價(jià)格低廉。但掃描不是十分方便，掃描器需在可視范圍內(nèi)才能識別。用無線射頻技術(shù)給物料貼上電子標(biāo)簽，讀取很方便，不要求目標(biāo)在可視范圍內(nèi)。且采用電子標(biāo)簽?zāi)軌螂S時(shí)更新物料信息。82控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的功能83控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)FMS是一個(gè)復(fù)雜的制造系統(tǒng)，必須采用遞階控制的方式，即通過對系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行正確、合理地分解，劃分成若干層次，各層次分別進(jìn)行獨(dú)立處理，完成各自的功能，層與層之間在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的支持下，保持信息交換，上層向下層發(fā)送命令下層向上層反饋命令的執(zhí)行結(jié)果。遞階控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)——為定義模塊化系統(tǒng)，特別是為實(shí)現(xiàn)任務(wù)分解功能，提供了一個(gè)較好的參考模型。有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)維護(hù)方便。84FMS的遞階控制結(jié)構(gòu)一般采用三層。在CIMS的五層遞階控制結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)MS相當(dāng)于CIMS模型的底下三層。85控制系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)備級按上級命令，直接控制加工機(jī)床、機(jī)器人、托盤交換器、三坐標(biāo)測量機(jī)等完成各項(xiàng)操作，并向上級控制器反饋命令執(zhí)行信息。設(shè)備級控制器有：NC（數(shù)控系統(tǒng)），PLC（可編程控制器），RC（機(jī)器人控制裝置）等。86工作站級加工工作站接收上級控制器下達(dá)的加工任務(wù)和數(shù)控加工程序向下級控制器分配加工任務(wù)和加工程序，并下達(dá)加工指令；刀具工作站按上級控制器指令進(jìn)行刀具分配和管理；物流工作站按上級指令及時(shí)運(yùn)送夾具、托盤、工件、刀具等物料；將設(shè)備級的執(zhí)行信息和反饋信息向上級反饋。87單元級接收計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)（如MRP或ERP）輸入的生產(chǎn)計(jì)劃信息，同時(shí)接收CAD/CAM集成系統(tǒng)輸入的工藝信息和數(shù)控加工程序；對任務(wù)加工時(shí)間、順序作出決策，并將任務(wù)和工藝信息及程序向下級分配；對刀具調(diào)用及管理作出決策并向下級下達(dá)指令；根據(jù)接收的反饋信息對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并及時(shí)作出調(diào)度決策。88柔性制造系統(tǒng)的特點(diǎn)

側(cè)重點(diǎn)內(nèi)容硬件有兩臺以上的數(shù)控機(jī)床或加工中心以及其他的加工設(shè)備；有一套能夠自動裝卸的運(yùn)輸系統(tǒng)；有一套計(jì)算機(jī)控制及信息通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。軟件運(yùn)行控制系統(tǒng)；質(zhì)量保證系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理和通訊系統(tǒng)功能能自動管理工件的生產(chǎn)過程，具有調(diào)度優(yōu)化能力；通過改變軟件或系統(tǒng)參數(shù)能適應(yīng)不同零件組的加工；物流自動，混流加工89柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

向小型化和單元化方向發(fā)展避免因強(qiáng)調(diào)規(guī)模而導(dǎo)致的成本過高、可靠性差的缺點(diǎn)，向適合于中小企業(yè)的小型化、單元化系統(tǒng)發(fā)展。向模塊化和集成化方向發(fā)展思路是以小型化、單元化的小型FMS為基本模塊，進(jìn)而組成FMS，再由FMS組成CIMS。單項(xiàng)技術(shù)性能與系統(tǒng)性能不斷提高將各種先進(jìn)的技術(shù)手段盡可能地應(yīng)用到這一領(lǐng)域中，提高其自診斷、自糾錯(cuò)、自修復(fù)、自學(xué)習(xí)、自協(xié)調(diào)、自重組的能力。90

重視人的因素目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人-技術(shù)-組織的兼容和人機(jī)一體化。應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大金屬切削FMS；金屬熱加工和裝配……91計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)

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92“自動化孤島”CIMS的產(chǎn)生背景及其發(fā)展歷程CAD/CAM/CAE/CAPP等單元技術(shù)的充分發(fā)展，為制造企業(yè)提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量等提供了保障。但是也造成企業(yè)缺少整體規(guī)劃，產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)不能共享，造成“自動化孤島”。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)集成技術(shù)，使得企業(yè)內(nèi)部信息和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了及時(shí)性、準(zhǔn)確性和共享性。以信息、過程、企業(yè)集成為特征的CIMS應(yīng)運(yùn)而來。93將“自動化孤島”集成在一起以產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化為需求驅(qū)動單元技術(shù)的集成應(yīng)用優(yōu)化生產(chǎn)要素間的配置信息流動的單向性，產(chǎn)品生產(chǎn)模式也是傳統(tǒng)的串行方式解決企業(yè)中各個(gè)自動化孤島之間的信息交換與共享。包括企業(yè)建模、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、軟件工具與規(guī)范，異構(gòu)環(huán)境與子系統(tǒng)的信息集成，如MRPII，JIT等，其特點(diǎn)表現(xiàn)為：信息集成優(yōu)化(以早期計(jì)算機(jī)集成制造為代表)94將“自動化孤島”集成在一起產(chǎn)品開發(fā)模式由傳統(tǒng)串行模式向并行模式轉(zhuǎn)換，強(qiáng)調(diào)群組協(xié)同工作，特點(diǎn)表現(xiàn)為：過程集成優(yōu)化(以并行工程為代表)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和相關(guān)過程的并行化處理信息流的多向性，產(chǎn)品生產(chǎn)模式的并發(fā)性95將“自動化孤島”集成在一起企業(yè)內(nèi)外部資源實(shí)現(xiàn)優(yōu)化利用，實(shí)現(xiàn)敏捷制造，以企業(yè)間實(shí)現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟、形成扁平式企業(yè)的組織管理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品型企業(yè)等為特征，其特點(diǎn)體現(xiàn)在：企業(yè)間集成優(yōu)化(以敏捷制造為代表)企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟的需要，應(yīng)對快速多變的市場敏捷制造新模式系統(tǒng)集成的“高魯棒性”96計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的基本概念

CIMS是英文ComputerIntegratedManufacturingSystems的縮寫，直譯就是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。