柔性制造系統(tǒng)技術(shù).ppt

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1、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(shè)計（CAD）

2、、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(chǔ)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(yīng)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(shè)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96

3、5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(yīng)能力，也是指制造系統(tǒng)能夠適應(yīng)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(shè)

4、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(shè)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(wù)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(yīng)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

5、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

6、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

7、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(wù)，是實際完成改變物性任務(wù)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(yīng)性與保護性好 （8）其他如技術(shù)資料齊全

8、，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(shè)備選擇的原則,設(shè)備應(yīng)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(shè)備（如加工中心）所需要的功率、加工尺寸范圍和精度。此外，設(shè)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(shè)備簡介,加工中心（Machining Center，MC）是一種備有刀庫并能按預(yù)定程序自動更換刀具，對工件進行多工序加

9、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(fù)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 Sundstran

10、d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(yù)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(yīng)當滿足換刀時間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲存量、刀庫

11、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(yīng)的刀具一

12、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(fù)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

13、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(yīng)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(yīng)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。

14、 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

15、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(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

16、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(wù)，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(wù)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(chǔ)作出決策，控制被監(jiān)控的過程。 （3）監(jiān)

17、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(wù)工作站層計算機,這層計算機主要是協(xié)調(diào)各種設(shè)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(yīng)等。,控制系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)備層計算機,該層計算機的任務(wù)是執(zhí)行各種操作。系統(tǒng)中的主要設(shè)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(shè)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(wù)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(shè)備按程序執(zhí)行操作； 為下一步操作準備刀夾具或更

18、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(yīng)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(shè)備計劃書”為基礎(chǔ)，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(yīng)商或制造廠家（大多為設(shè)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(yīng)注意的問題（1）實施FMS的基本原則,l）應(yīng)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

19、引進設(shè)備后對生產(chǎn)管理方面的影響，做到組織落實。 4）制定與設(shè)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(yīng)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、縮短交貨期、有可觀的利潤）。 3）被切削性好、切屑處理容易、加工任務(wù)穩(wěn)定的工件（易于無人值守自動加工）。 4）加工部位的形狀和切削條件穩(wěn)定的工件（易于數(shù)控加工）。 5）加工工序可大幅度集約的工件（縮短產(chǎn)品開發(fā)、研制周期，適合數(shù)控加工）。,（3）實施方法實施方法可采用外購、用戶與制造廠家共同研制開發(fā)、用戶自行開發(fā)三種方式。不管采用哪一種方式，應(yīng)首

20、先考慮用戶現(xiàn)有設(shè)備、現(xiàn)有技術(shù)和特長的應(yīng)用與發(fā)展。 （4）設(shè)備投資費用的預(yù)算FMS投資費較高，在技術(shù)上選用適合于用戶的最佳系統(tǒng)的同時，還須在經(jīng)濟上對系統(tǒng)設(shè)備投資進行核算，篩選出對企業(yè)經(jīng)營最合適的系統(tǒng)。 （5）系統(tǒng)的擴展性由于很多不可預(yù)測的因素，如生產(chǎn)計劃的變動、加工對象種類的增加等，實施時應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的可擴展性。,FMS的運行-（l）準備階段,1）設(shè)備安裝與系統(tǒng)調(diào)試的準備。 2）工件毛坯的準備。 3）工裝夾具的準備。 4）刀具的準備。 5）數(shù)控加工程序的準備。 6）系統(tǒng)操作實習。,FMS的運行-（2）系統(tǒng)調(diào)試與運行初期,1）嚴格把關(guān)，反復(fù)測試，確保系統(tǒng)及系統(tǒng)中所有設(shè)備的軟、硬件性能均滿足設(shè)計要求。 2）在系統(tǒng)運行初期，應(yīng)仔細觀察、認真分析，找出系統(tǒng)的各種異?，F(xiàn)象和原因，采取必要的改進措施，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 3）制定相應(yīng)的管理制度和使用規(guī)程，以強化操作人員的責任心，方便管理，防止事故。 4）總結(jié)經(jīng)驗，探求系統(tǒng)的最佳使用方法，提高系統(tǒng)應(yīng)用水平。,FMS在航空發(fā)動機行業(yè)的應(yīng)用實例,