柔性制造系統(tǒng)技術(shù).ppt

第二章 制造自動化技術(shù),2-2、柔性制造系統(tǒng)技術(shù) (Flexible Manufacturing System),第二章,第一節(jié) FMS概述,FMS產(chǎn)生的背景條件,一、隨著經(jīng)濟的發(fā)展和消費水平的提高，人們更注重產(chǎn)品的不斷更新和多樣化，中小批量、多品種生產(chǎn)已成為機械制造業(yè)的一個重要特征； 二、科學技術(shù)的迅猛發(fā)展推動了自動化程度和制造水平的提高。,FMS的產(chǎn)生過程,1950s，美國MIT誕生了第一臺三坐標數(shù)控銑床以后，機電一體化及數(shù)控（NC）的概念出現(xiàn)了。 機電一體化技術(shù)進一步發(fā)展，出現(xiàn)了計算機數(shù)控（CN）、計算機直接控制（又稱群控）（DNC）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助設計（CAD）、成組技術(shù)（GT）、計算機輔助工藝規(guī)程（CAPP）、工業(yè)機器人技術(shù)（ROBOT）等新技術(shù)。,FMS的產(chǎn)生過程,在這些新技術(shù)的基礎上，為多品種、小批量生產(chǎn)的需要而興起的柔性自動化制造技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，作為這種技術(shù)具體應用的柔性制造系統(tǒng)（FMS）、柔性制造單元（FMC）和柔性制造自動線（FML）等柔性制造設備紛紛問世，其中柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）最具代表性。,FMS的產(chǎn)生過程,FMS的雛形源于美國MALROSE公司，該公司在1963年制造了世界上第一條多品種柴油機零件的數(shù)控生產(chǎn)線。 FMS的概念由英國MOLIN公司最早正式提出，并在965年取得了發(fā)明專利，1967年FMS正式形成。,FMS的發(fā)展狀況,FMS是先進制造技術(shù)的一部分，在歐美、日本、俄羅斯有較大的發(fā)展； 1985年世界各國已投入運行的FMS有500多套，88年近800套，90年超過1000套，目前約共有4000多套FMS在運行； 我國是1984年開始研制FMS，1986年從日本引進第一套FMS。,FMS的主要特點：柔性和自動化,柔性，是指制造系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)部及外部環(huán)境的一種適應能力，也是指制造系統(tǒng)能夠適應產(chǎn)品變化的能力，可分為瞬時、短期和長期柔性三種。 凡具備上述三種柔性特征之一的、具有物料或信息流的自動化制造系統(tǒng)都可以稱為柔性自動化。,FMS的次要特點：,（1）設備利用率高，占地面積小 （2）減少直接勞動工人數(shù) （3）產(chǎn)品質(zhì)量高而穩(wěn)定 （4）減少在制品庫存量 （5）投資高、風險大，開發(fā)周期長、管理水平要求高。,FMS的定義,根據(jù)“中華人民共和國國家軍用標準”有關(guān)“武器裝備柔性制造系統(tǒng)術(shù)語”的定義，F(xiàn)MS被定義為：“柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，簡稱FMS）是數(shù)控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)。它包括多個柔性制造單元，能根據(jù)制造任務或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進行調(diào)整，適用于多品種、中小批量生產(chǎn)。” 美國制造工程師協(xié)會的計算機輔助系統(tǒng)和應用協(xié)會把柔性制造系統(tǒng)定義為：“使用計算機控制柔性工作站和集成物料運儲裝置來控制并完成零件族某一系列工序的，或一系列工序的一種集成制造系統(tǒng)。”,FMS的組成,典型的FMS主要由以下三個子系統(tǒng)組成： （1）加工系統(tǒng) （2）運儲系統(tǒng) （3）計算機控制系統(tǒng),FMS的組成框圖及功能特征,典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖1,典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖2,典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖3,典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖4,典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖4,FMS的類型,配備互補機床的FMS 配備可互相替換機床的FMS 混合式FMS。,配備互補機床的FMS,這類FMS中，通過物料運儲系統(tǒng)將數(shù)臺NC機床連接起來，不同機床的工藝能力可以互補，工件通過安裝站進入系統(tǒng)，然后在計算機控制下從一臺機床到另一臺機床，按順序加工。工件通過系統(tǒng)的路徑是固定的。 特點：非常經(jīng)濟，生產(chǎn)率較高，能充分發(fā)揮機床的性能。從系統(tǒng)的輸入和輸出的角度看，互補機床是串聯(lián)環(huán)節(jié)，它減少了系統(tǒng)的可靠性，即當一臺機床發(fā)生故障時，全系統(tǒng)將癱瘓。,配備可互相替換機床的FMS,系統(tǒng)中的機床可以互相代替，工件可被送到適合加工它的任一臺加工中心上。計算機的存儲器存有每臺機床的工作情況，可以對機床分配加工零件、一臺加工中心可以完成部分或全部加工工序。 從系統(tǒng)的輸出和輸入看，它們是并聯(lián)環(huán)節(jié)，因而增加了系統(tǒng)的可靠性，同時這種配置形式具有較大的柔性和較寬的工藝范圍，可以達到較高的機床利用率。,混合式FMS,這類FMS是互補式FMS和替換式FMS的綜合，即FMS中有一些機床按替換式布置，而另一些機床按互補式安排，以發(fā)揮各自的優(yōu)點。大多數(shù)FMS采用這種形式。,第二節(jié)、FMS的加工系統(tǒng),加工系統(tǒng)在FMS中的作用: 加工系統(tǒng)擔任把原材料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的任務，是實際完成改變物性任務的執(zhí)行系統(tǒng). 加工系統(tǒng)是FMS最基本的組成部分，也是FMS中耗資最多的部分，F(xiàn)MS的加工能力很大程度上是由它所包含的加工系統(tǒng)所決定的。,加工系統(tǒng)的要求,（l）工序集中 （2）控制功能強、可擴展性好 （3）高剛度、高精度、高速度 （4）使用經(jīng)濟性好 （5）操作性好、可靠性好、維修性好 （6）具有自保護性和自維護性 （7）對環(huán)境適應性與保護性好 （8）其他如技術(shù)資料齊全，機床上的各種顯示、標記等清楚，機床外形、顏色美觀且與系統(tǒng)協(xié)調(diào)。,加工設備選擇的原則,設備應該是可靠的、自動化的、高效率的和高柔性的。選擇時需考慮該FMS加工零件的尺寸范圍、經(jīng)濟效益、零件工藝性、加工精度和材料。 FMS上待加工的零件族決定著各加工設備（如加工中心）所需要的功率、加工尺寸范圍和精度。此外，設備還會受物料運儲系統(tǒng)連接問題限制。 加工中心都具有刀具存儲能力，采用斗笠式、鼓形和鏈形等各種形式的刀庫。為滿足柔性制造，通常加工中心具有一定的刀庫容量。,加工系統(tǒng)中常用加工設備簡介,加工中心（Machining Center，MC）是一種備有刀庫并能按預定程序自動更換刀具，對工件進行多工序加工的高效數(shù)控機床。它的最大特點是工序集中和自動化程度高，可減少工件裝夾次數(shù)，避免工件多次定位所產(chǎn)生的累積誤差，節(jié)省輔助時間，實現(xiàn)高質(zhì)、高效加工。 常見加工中心按工藝用途可分為鏜銑加工中心、車削加工中心、鉆削加工中心、攻螺紋加工中心及磨削加工中心等。 加工中心按主軸在加工時的空間位置可分為立式加工中心、臥式加工中心、立臥兩用（也稱萬能、五面體、復合）加工中心。,鏜銑加工中心,是自身帶有刀庫和自動換刀裝置（ATC）的一種多工序數(shù)控機床。 工件經(jīng)一次裝夾后，能完成銑、鏜、鉆、鉸、攻螺紋等多種工序的加工，并且有多種選刀或換刀切能，從而使生產(chǎn)效率利自動化程度大大提高。,美國White Sundstrand公司生產(chǎn)的OMNIMIL80系列加工中心,第四節(jié) FMS的刀具管理系統(tǒng),FMS的刀具管理系統(tǒng)的組成： 刀具管理系統(tǒng)主要負責刀具的運輸、存儲和管理，適時地向加工單元提供所需的刀具，監(jiān)控管理刀具的使用，及時取走已報廢或耐用度已耗盡的刀具，在保證正常生產(chǎn)的同時，最大程度地降低刀具的成本，刀具管理系統(tǒng)的功能和柔性程度直接影響到整個FMS的柔性和生產(chǎn)率。 典型的FMS的刀具管理系統(tǒng)通常由刀庫系統(tǒng)、刀具預調(diào)站、刀具裝卸站、刀具交換裝置以及管理控制刀具流的計算機組成。,刀具流的組成及運行過程,刀具交換加工中心的自動換刀,自動換刀裝置自動換刀裝置應當滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲存量、刀庫占地面積小以及安全可靠等基本要求。 機械手是一種最常見的自動換刀裝置，因為它靈活性大、換刀時間短。,常用換刀機械手,常用雙臂式機械手的手爪結(jié)構(gòu)形式有鉤手、抱手、伸縮手和叉手四種。（見下頁） 這些機械手都能夠完成抓刀、拔刀、回轉(zhuǎn)、換刀以及返回等全部動作過程。 有些加工中心為降低成本，不用機械手而是直接利用主軸頭的運動機能換刀。,鉤手式、抱手式、伸縮式、叉手式等四種機械手,加工中心機床自動換刀方式,l）順序選刀方式 將所需使用的刀具按加工順序，依次放入刀庫的每個刀座內(nèi)。每次換刀時，刀座按順序轉(zhuǎn)動一個刀座的位置，并取出所需的刀具。 2）刀座編碼方式 對刀庫的刀座進行編碼，并將與刀座編碼相對應的刀具一一放入指定的刀座中，然后根據(jù)刀座編碼選取刀具。 3）刀具編碼方式 采用特殊結(jié)構(gòu)的刀柄，并對每把刀具進行編碼。換刀時通過編碼識別裝置，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的換刀指令代碼，在刀庫中尋找所需要的刀具。這種裝刀換刀方便，刀庫容量減小，還可避免因刀具順序的差錯所造成的事故。,加工中心的刀庫有轉(zhuǎn)塔式、鏈式和盤式等基本類型。,轉(zhuǎn)塔式刀庫：所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲刀數(shù)量有限，通常為68把。 擴展性好、在加工中心上的配置位置靈活，但結(jié)構(gòu)復雜。一般僅用于輕便簡單機型，常見于車削中心和鉆削中心。,加工中心的刀庫有轉(zhuǎn)塔式、鏈式和盤式等基本類型。,鏈式刀庫：儲存的刀具數(shù)量多，選刀、取刀動作簡便，大型刀庫通常采用此種方式，一般刀具數(shù)在30120把。當增加鏈條長度時就可增加刀具數(shù)，刀庫結(jié)構(gòu)有較大的靈活性。,鏈式刀庫示例,加工中心的刀庫有轉(zhuǎn)塔式、鏈式和盤式等基本類型。,盤式刀庫：又稱斗笠式刀庫，這種刀庫中的刀具沿盤面垂直排列、沿盤面徑向排列或成銳角排列，刀庫結(jié)構(gòu)簡單緊湊，應用較多，但刀具單環(huán)排列，空間的利用率低，如增加刀庫容量必須使刀庫的外徑增大，那么轉(zhuǎn)動慣量也相應增大，選刀運動時間長。刀具數(shù)量一般不多于32把。,盤式刀庫示例,三、刀具的監(jiān)控和信息管理,刀具的監(jiān)控：主要是為了及時了解每時每刻在使用的大量刀具因磨損、破損而發(fā)生的性質(zhì)變化。主要從刀具壽命、刀具磨損、刀具破損以及其他形式的刀具故障等方面進行。 加工系統(tǒng)的刀具監(jiān)控分加工前、加工中、加工后三個時間段。加工前和加工后的監(jiān)控通常采用離線直接測量法，加工中的監(jiān)控主要采用在線間接測量法，因而要求檢測方法快速、準確、穩(wěn)定、可靠。,不同時間段的刀具監(jiān)控方法,刀具磨損的監(jiān)測方法,刀具破損的主要監(jiān)測方法,刀具的信息管理,FMS中的刀具信息可以分為動態(tài)信息和靜態(tài)信息兩個部分。 所謂動態(tài)信息是指在使用過程中不斷變化的一些刀具參數(shù)，如刀具壽命、工作直徑、工作長度以及參與切削加工的其它幾何參數(shù)。這些信息隨加工過程的延續(xù)，不斷發(fā)生變化，直接反映了刀具使用時間的長短、磨損量的大小、對工件加工精度和表面質(zhì)量的影響。 而靜態(tài)信息是一些加工過程中固定不變的信息，如刀具的編碼、類型、屬性、幾何形狀以及一些結(jié)構(gòu)參數(shù)等。 為便于刀具信息的輸入、檢索、修改和輸出控制，F(xiàn)MS以數(shù)據(jù)庫形式對刀具信息進行集中的管理，其數(shù)據(jù)庫模式通常采用四層次式結(jié)構(gòu)。,FMS的刀具數(shù)據(jù)庫層次結(jié)構(gòu),第五節(jié)、FMS的控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ： 通常采用遞階控制的結(jié)構(gòu)形式，即通過對系統(tǒng)的控制功能進行正確、合理地分解，劃分成若干層次，各層次分別進行獨立處理，完成各自的功能，層與層之間在網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫的支持下，保持信息交換，上層向下層發(fā)送命令，下層向上層回送命令的執(zhí)行結(jié)果。 通過信息聯(lián)系，構(gòu)成完整的系統(tǒng)，以減少全局控制的難度和控制軟件開發(fā)的難度。 FMS的遞階控制結(jié)構(gòu)一般采用三層：,控制系統(tǒng)的特點,在上述三級遞階控制結(jié)構(gòu)中，每層的信息流都是雙向流動的：向下可下達控制指令，分配控制任務，監(jiān)控下層的作業(yè)過程；向上可反饋控制狀態(tài)，報告現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)。 在控制的實時性和處理信息量方面，各層控制計算機是有所區(qū)別的：愈往底層，其控制的實時性要求愈高，而處理的信息量則愈??；愈到上層，其處理信息量愈大，而對實時性要求則愈小。,控制系統(tǒng)的任務中央管理計算機,負責全面的管理工作和支持FMS按計劃的調(diào)度和控制 （1）控制系統(tǒng)方面主要用來向下層實時地發(fā)送控制命令和分配數(shù)據(jù)。 （2）監(jiān)控系統(tǒng)方面主要用來實時采集現(xiàn)場工況，把收集的信息看作系統(tǒng)的反饋信號，以它們?yōu)榛A作出決策，控制被監(jiān)控的過程。 （3）監(jiān)測系統(tǒng)方面主要用來觀察系統(tǒng)的運行情況，將所收到的信息登錄備用，計算機將利用這些信息定期打印報告，供決策系統(tǒng)檢索。,控制系統(tǒng)的任務工作站層計算機,這層計算機主要是協(xié)調(diào)各種設備的操作。 它需要作出如下的決策： 零件的工藝路線； 物料的運送； 程序和命令的分配； 刀具的管理； 對異常事件的反應等。,控制系統(tǒng)的任務設備層計算機,該層計算機的任務是執(zhí)行各種操作。系統(tǒng)中的主要設備是由CNC系統(tǒng)控制的，只要下達的程序和命令沒有差錯，所有設備都能按照指令完成規(guī)定的操作。這一級控制系統(tǒng)要完成的主要操作任務有： 接收程序和命令； 接受調(diào)度命令，運輸物料； 各類工作站設備按程序執(zhí)行操作； 為下一步操作準備刀夾具或更換已磨損的刀具； 傳感器信息采樣，部分采樣信息作為CNC系統(tǒng)的反饋信息，其它送往上層計算機。,第六節(jié)、FMS的應用實例,一、FMS的引進計劃 通常研制和開發(fā)FMS多以用戶（使用廠家）的“FMS設備計劃書”為基礎，根據(jù)用戶的加工對象、加工技術(shù)與技巧、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)計劃等，由用戶與供應商或制造廠家（大多為設計、制造FMS有豐富經(jīng)驗和大量實績的機床廠）的工程技術(shù)人員一起共同承擔與實施。,制定FMS引進計劃的步驟,實施FMS的過程中應注意的問題 （1）實施FMS的基本原則,l）應與企業(yè)的經(jīng)營計劃和發(fā)展方向掛鉤，做到目標明確、資金落實。 2）具體地、仔細地分析企業(yè)的技術(shù)力量和需求，做到技術(shù)落實。 3）分析引進設備后對生產(chǎn)管理方面的影響，做到組織落實。 4）制定與設備引進相關(guān)的人才培訓計劃，做到人員落實。,（2）加工對象的選擇與分析選擇FMS的加工對象時應考慮如下因素：,1）多品種、中小批量、形狀類似的工件（降低成本）。 2）總附加價值高的工件（提高質(zhì)量、縮短交貨