柔性自动化

第五章柔性自动化1柔性自动化技术概念及范畴柔性制造系统是一种适用于多品种、中小批量产品的生产技术。它对于缩短生产制造周期、减少库存、提高产品质量有重要意义2柔性自动化技术概念及范畴所谓的柔性制造就是指被加工的产品可以经常改变生产计划，具有很大的灵活性。柔性制造系统工程的原理是把物质和信息两大部分有机地结合起来组织运行，从而达到工业产品制造过程高度自动化的目的3柔性自动化技术概念及范畴柔性制造系统主要由自动机床、物资流通(简称物流)、信息和软件等几大部分组成4柔性自动化技术概念及范畴据统计在保证零件加工质量的前提下，可以减少70%的工人和技术人员、重新调整设备的时间可缩短至六分之一，因此产品的成本也可以降低20%，这也就是柔性制造系统所具有的优势5FMS主要组成部分加工系统-FMS采用的设备由被加工工件的类别决定，主要有：加工中心、车削中心或计算机数控车、铣、磨及齿轮加工机床等物料系统-它用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸，以及完成工序间的自动传送调运和存储工作6FMS主要组成部分计算机控制系统-他用以处理FMS的各种信息，输出控制CNC机床和物料系统等自动操作所需的信息。通常采用三级(设备级、工作站级、单元级)分布式计算机控制系统。单元级控制系统(单元控制器)是FMS的核心7FMS主要组成部分系统软件-它用以确保FMS有效地适应中小批量、多品种生产的管理控制及优化工作。包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系统管理和监控软件8柔性制造系统9FMS系统的优点提高了劳动生产率缩短了生产周期提高了产品质量提高了机床利用率减少了生产操作人员降低了制造成本减少了在制品的数量10柔性制造系统分类柔性制造单元(FMC)柔性制造系统(FMS)柔性自动线(FML)柔性制造工厂(FMF)11柔性制造系统分类FMF是自动化生产的最高水平，反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是将制造产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统12柔性制造系统分类由于装配自动化技术远远落后于加工自动化技术，产品最后的装配工序一直是现代生产的一个瓶颈问题，研制开发适用于中小批量、多品种生产的高柔性装配自动化系统，特别是柔性装配单元(FAC)及相关设备已越来越广泛地引起重视13FMS技术发展历程在上世纪30年代到50年代出现的自动化生产线只能生产加工单一的产品，称为“刚性”生产线14FMS技术发展历程到了60年代，计算技术有了较快的发展，使得由计算机控制的数控机床逐步取代了机械或液压式自动机床，由计算机控制的数控机床的出现为柔性制造系统的生产奠定了基础。自动化生产技术的发展重点逐步转移到了柔性制造系统的生产领域15FMS技术发展历程70年代微型计算机开始应用在工业机器人自动装置以及其他辅助系统上16FMS技术发展历程80年代，柔性制造系统从试验阶段进入实际应用阶段，标志着传统的机械制造行业进入了了一个发展变革的新时代。自其诞生以来就显示出强大的生命力，它克服了传统的刚性自动线只适用于大量生产的局限性，表现出对多品种、中小批量生产制造自动化的适应能力17FMS技术发展历程随着社会对产品多样化、低制造成本、短制造周期要求的日趋迫切，加之微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的进步，柔性制造技术发展迅猛并日趋成熟18国内外研究和发展现状在世界主要工业发达国家中，柔性制造系统技术正以惊人的速度在发展。迄今世界上已有大量的FMS在运行。仅日本就有175套完整的FMS；美国是最早将FMS用于生产的国家，也是FMS软硬件水平最高的国家；德、英、意等西方国家都在大力开发与应用FMS，并制定了短长期的发展规划19国内外研究和发展现状国际上以柔性生产方式生产的产品产值已占制造业总产值的75%以上，且有不断增长的趋势。在美国，有很多公司正在使用柔性制造技术来改变它们的生产方式，但并不是所有的柔性制造系统的安装都像报告中的那样完美无缺20国内外研究和发展现状即使是那些自认为是成功的企业也没有完全实现柔性制造系统的潜在功能。美国Dilworth和Mealister两地柔性制造系统的20个用户发现他们中的大部分企业没有实现柔性制造系统的所有功能。对他们来说投资于柔性制造系统的资金远远超过从柔性制造系统中获得的收益21国内外研究和发展现状与日本的FMS相比美国制造商没有实现可获得的收益。在1984年美国的FMS平均制造的零件数量是10件，而日本是93件；美国的FMS设备平均利用率为52%，而日本则为84%；美国的FMS平均加工10种类型的零件，而日本的FMS平均加工93种类型的零件22国内外研究和发展现状显然，美国用户企图利用FMS来进行少量零件的大批量生产，而不是进行多种零件的多系列生产来降低单位产品的成本。另外美日企业在实施柔性制造系统过程中，在实施战略、人员组织、技术能力和管理能力等方面存在较大的差异23国内研究和发展现状我国于1985年在北京机床研究所建立了第一个柔性制造系统JCS-FMS-1，迈出了我国FMS研究的第一步。迄今也陆续在一些研究机关和工厂建立了一些实验性的和实际应用的FMS。但与西方工业发达国家相比，无论在数量上还是在技术水平上仍有相当大的差距24国内研究和发展现状目前，我国CNC机床尚未普及，连续运行的可靠性还不高，FMS尚未达到实用化，一些关键的基础技术还没有完全掌握。与国际先进水平和国内日益增长的需求相比都有不小的差距。我们必须结合国情大力发展适用、可靠、价廉的柔性自动化技术及装备25目前国内FMS技术较成熟的单位北京机械研究所“伺服电机加工用柔性制造系统JCS-FMS-1”北京机床研究所天津减速机厂“减速机机座柔性制造系统JCS-FMS-2”上海第四机床厂“SJ-FMS”南京航空航天大学CIMS工程研究中心“基于客户/服务器体系结构的车间管理与控制系统”26目前国内FMS技术较成熟的单位南京航空航天大学CIMS工程研究中心“CIMS环境下车间-单元-工作站-DNC接口系统研究开发”南京航空航天大学CIMS工程研究中心“武器装备柔性制造系统专用仿真器研究开发”南京航空航天大学CIMS工程研究中心“FMS多微机模拟仿真研究”27目前国内FMS技术较成熟的单位南京航空航天大学CIM工程研究中心“FMS模拟仿真”南京航空航天大学CIMS工程研究中心“FMS运控软件自动生成研究”南京航空航天大学CIMS工程研究中心“计算机辅助工装设计”28制约我国FMS应用的主要问题国外FMS的应用已具有一定的规模，而我国拥有的FMS不管是引进的，还是自己建造的数量都比较少29制约我国FMS应用的主要问题究其原因主要是受到下面一些条件的制约：FMS投资额要求过大FMS投资风险高收效慢FMS的建造技术有一定的难度对FMS认识思维上的不同对FMS规划不系统FMS对管理方法要求较高30关键单元技术分析从技术上来看，FMS涉及以下关键方面利用CAD技术机电一体化技术模糊控制技术人工智能专家系统以及智能传感器技术人工神经网络(ANN)技术虚拟现实及计算机仿真技术31关键单元技术分析从管理上来看，FMS的建造和应用将包含生产管理系统、NC程序管理系统、刀具管理系统。下面对刀具管理系统的开发与应用作详细的分析32关键单元技术分析在柔性制造系统中，刀具是同零件具有同等重要地位的另一类物料流，占到各种制造成本的25%~30%。一方面刀具是实施加工过程必不可少的物料，另一方面由于FMS柔性的增加，管理控制系统中的各种切削用刀具及备用刀具数量极大33关键单元技术分析据统计，在一条由5-8台机床组成的FMS中，有多于1000把刀具的用量已不足为奇。如此多的刀具增加了柔性制造系统中刀具管理的难度34关键单元技术分析在制造车间，不合理的刀具配置常常使16%的生产调度无法进行，40%~80%的时间都用来寻找或补充刀具。由于刀具引发的问题严重影响了车间的生产效率，所以加强刀具管理已越来越得到人们的重视35本小节结束36刀具管理系统功能介绍刀具管理系统可分为三个子系统线外刀具管理子系统，其功能为：刀具预调以及相应的数据采集刀具编码生成及粘贴刀具组件管理生成刀具准备计划生成刀具购买清单37刀具管理系统功能介绍在线刀具配置管理静态管理子系统，其功能为：生成机床刀具库配置表零件组间机床刀具调整管理刀具寿命管理38刀具管理系统功能介绍在线刀具动态管理子系统，其功能为：在线刀具实时调度刀具故障检测及处理刀具数据流管理刀具寿命实时监控39刀具移动系统介绍按照工件的处理方式，FMS可分为两类：工件移动系统和刀具移动系统。在工件移动系统中，一旦工件的调度确定下来加工中心所配置的刀具就不会再改变，除非刀具断裂或磨损40刀具移动系统介绍在刀具移动系统中，每个工件在一个加工中心执行完所有的操作后才能卸下来，所以必须在该工件加工开始之前准备好所有必须的刀具41刀具移动系统介绍刀具移动系统比工件移动系统具有以下优势刀具较小而工件较重，实现刀具移动的自动化系统成本较低容易实现刀具的自动安装和定位42刀具移动系统介绍在刀具移动系统中，每把刀具都是作为整体在机床之间频繁借用的，这种借用会产生刀具延迟，进而对工件的加工产生时间上的拖延43刀具移动系统介绍拖延由两部分组成：刀具运输时间和刀具等待时间刀具运输时间是把刀具从一个机床运送到另一个机床的时间刀具等待时间是等待正在使用被借刀具的机床加工完当前工作的时间44刀具移动系统介绍一般刀具运送时间远小于工件的加工时间，且对工件的在制时间没有明显的影响，所以减小刀具等待时间是解决刀具延迟的主要途径。科研工作者在这一方面也有很多的探究4546实例说明某公司为能加快是现在多品种中小批量生产方式下新产品的开发制造，引进日本机加工FMS。系统主要包括：两台卧式加工中心，数控系统为FANUC16MEA，分别具有60个刀位的刀具转塔、自动换刀装置及自动排屑系统47实例说明十二个托盘的规格为1000mmX1000mm两个工件装卸站规格为1000mmX1000mm一台托盘搬运小车一台对刀仪计算机控制系统主要包括一台VAX工作站、一台终端服务器、两台工件装卸终端、一台对刀仪终端等设备。通过VAX机，FMS下挂到公司主干网络。48美国公司应用FMS情况Allen-Bradley公司使用了一套由50台机器组成的柔性制造系统，能生产各种系列的电机起动器。该公司期望在FMS方面投资1500万美元以成为世界上该产品最低成本的制造商，并实现占世界该产品市场份额30%的目标49美国公司应用FMS的情况Hughes飞机制造公司加利福尼亚分厂的柔性制造系统使用了9个计算机站、一个坐标测量机、一个拖动输送设备系统、一个监控计算机来控制25个加工中心。该FMS的建造仅花费了相当于原生产系统75%的投资，而只需原来13%的劳动力、10%的制造时间50美国公司应用FMS情况Vought公司投资于柔性制造系统1000万美元，期望在7000小时内节省2500万美元的制造成本，而采用常规的制造方法则需要20万小时51美国公司应用FMS情况通用电气在宾夕法尼亚州的Erie机车工厂中安装了一套柔性制造系统，从而把各种吨位发动机外壳件的加工时间从16天缩短到16小时，并提高了设计的柔性52美国公司应用FMS情况Kentucky公司的Marzak工厂使用一套柔性制造系统，只需两个操作者就能生产180种不同的零件，大到3吨重小到几公斤，期望机床交货期能缩至30天，而通常需要6个月以上53美国公司应用FMS情况ParkerHannifin公司和CMR机器人公司对他们自己的FMS收益做了如下的报告：在制品降低了40%-80%废品减少了5%-73%提前期从10周减少到1周需要的车间场地空间减少了75%54FMS需要解决的问题目前，FMS基本组成单元技术已相对成熟，但整个系统的问题仍很多，具体表现为：