第8章自动化与信息化

机电工程学院第八章自动化与信息化应用背景：企业自动化生产过程的自动化企业信息管理自动化生产过程控制的综合自动化有利于企业组织机构的性能优化、高率化机电工程学院主要内容柔性制造技术集成制造技术计算机集成制造系统信息化带动自动化机电工程学院柔性制造技术柔性制造系统的组成、原理柔性制造系统的类型、应用FMS加工系统的配置FMS物流系统的组成FMS控制管理系统简介机电工程学院柔性制造技术和柔性制造系统柔性制造技术（FMT——FlexibleManufacturingTechnology）是集数控技术、计算机技术、机器人技术、现代管理技术为一体的现代制造技术，主要用于多品种小批量或变批量生产。柔性——指制造系统能够适应产品变化的能力柔性制造系统（FMS）是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。(“中华人民共和国国家军用标准”)柔性制造系统是柔性制造技术的主要应用形式。机电工程学院柔性制造系统组成柔性制造系统加工系统物流系统控制与管理系统加工设备辅助设备检测设备工件流刀具流过程控制过程调度过程监视以任意顺序自动加工多种工件，自动更换工件和刀具，增加功能后可实现工件自动清洗与测量等满足可变节拍生产的物料自动识别、存储、输送和交换的要求。增加功能后可实现刀具预调和管理等加工系统和物流系统的自动控制和作业协调，在线资料自动采集和处理，运行仿真及故障诊断等机电工程学院1很强的柔性制造能力2设备利用率高3劳动生产率高4自动化程度高，产品质量稳定5经济效益高柔性制造系统特点机电工程学院（5）能力柔性当生产量改变、系统也能经济运行的能力。（6）扩展柔性根据生产任务的需求，可以很容易地调整系统结构的能力。制造自动化系统的柔性描述（2）工艺柔性是当工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。（3）产品柔性系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力，以及对原有产品可用特性的继承能力和兼容能力。（4）维护柔性采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。（1）机器柔性当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。机电工程学院柔性制造系统的类型1柔性制造单元（FMC——FlexibleManufacturingCell）FMC由单台计算机控制的数控机床或加工中心、环形托盘输送装置或工业机器人组成。2柔性制造生产线（FML——FlexibleManufacturingLine）将FMS中的各机床按工艺过程布局，可以有生产节拍，但是可变的加工生产线，是刚性自动线与柔性制造系统的一种结合。244FM摩托车发动机汽缸加工自动线机电工程学院柔性制造系统的类型3柔性制造系统（FMS）它由两台或两台以上的数控机床或加工中心或柔性制造单元所组成，配有工件自动上下料装置（如托盘交换装置、机器人）、自动输送装置、自动化仓库等，由计算机控制系统进行加工控制、计划调度安排及工况监测。机电工程学院柔性制造系统的适用范围0101001000少零件品种数多10000100010010大零件批量小数控机床通用机床柔性制造单元柔性制造系统柔性制造生产线专用机床自动线生产率提高柔性增大机电工程学院二、柔性制造单元（FMC）1.FMC的结构FMC是在制造单元的基础上发展起来的、又具有柔性制造系统的部分特点的一种制造单元。它具有独立自动加工的功能，部分还具有自动传送和监控管理的功能，可实现某些零件的多品种、小批量的加工。机电工程学院二、柔性制造单元（FMC）1.FMC的结构加工中心配上托盘交换系统主要以托盘交换系统为特征，一般具有5个以上的托盘，组成环形回转式托盘库。数控机床配工业机器人最一般的形式由二台数控车床配上机器人，加上工件传输系统组成。机电工程学院加工中心配托盘交换系统机电工程学院数控机床配工业机器人机电工程学院2.FMC的效益采用FMC比采用若干单台的数控机床或加工中心，具有更显著的技术经济效益，主要体现在如下几个方面：（1）增加柔性，降低库存与单台加工中心相比，FMC可以实现多品种配套加工。（2）可实现24小时连续运转，降低生产成本（3）便于实现计算机集成制造系统机电工程学院三、柔性制造线（FML）FML是介于单一或小品种大批量传统自动线与中小批量多品种柔性制造线之间的生产线。加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床；亦可采用专用机床或NC机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。它以离散型生产中的柔性制造系统和连续生产过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化。机电工程学院（1）加工模块加工模块的开发是构建柔性制造线的重要内容。加工模块是一种通用部件，是专为柔性制造线使用而设计的。主轴的无级调速是所有加工模块的必备条件。（2）刀具的准备和供应在FML中，当生产批量很小、刀具寿命较短和工件品种更换频繁时，可考虑采用自动换刀，此时刀库可设在加工模块上或设立中央刀库来提供各种刀具。（3）工件输送及输送节拍FML的物料输送具有定向性，而FMS的物料输送则无一定方向和次序。工件输送可分为直接输送和随行夹具输送两种方式。（4）对控制系统的要求虽然FML的控制装置与FMS所使用的相同，由于FML的工件输送是定向的，因而对控制装置的功能要求较少，这样可大大简化了控制软件的复杂性。机电工程学院四、柔性制造系统（FMS）FMS是一种高效率、高精度、高柔性的加工系统。FMS更为直观的定义是：“柔性制造系统至少是由两台机床、一套物料运储系统（从装载到卸载具有高度自动化）和一套计算机控制系统所组成的制造系统。它通过简单改变软件的方法便能制造出多种零件中的任何一种零件”。FMS主要由加工系统（数控加工设备，一般是加工中心）、物料运储系统（工件和刀具运输和存储）以及计算机控制系统（中央计算机及其网络）组成。机电工程学院FMS的加工对象1)棱柱体类（包括箱体形、平板形）由立、卧式加工中心，数控组合机床（数控专用机床、可换主轴箱机床、模块化多动力头数控机床等）和托盘交换器等构成；2)回转体类（长轴形、盘套形）由数控车床、车削中心、数控组合机床和上下料机械手或机器人及棒料输送装置等构成。机电工程学院1.加工系统加工系统通常由若干台CNC机床或CNC板材加工设备组成。待加工的工件类别将决定FMS所采用的设备形式。按加工工件类别来划分，加工系统的主要类型包括：（1）以加工箱体类零件为主的FMS，这类FMS配备有数控加工中心；（2）以加工回转体类零件为主的FMS，这类FMS配备有CNC车削中心和CNC车床或CNC磨床；（3）适于混合零件加工的FMS，即能够加工箱体类零件和回转体类零件的FMS，它们既配备有CNC加工中心，又配备有CNC车削中心或CNC车床；（4）用于专门零件加工的FMS，如加工齿轮等零件的FMS，它除配备有CNC车床外还需配备CNC齿轮加工车床。机电工程学院FMS目标•在中批量生产中采用NC技术(数控)；•提供一种能加工某些零件族的生产设备，通过改变程序还可以加工其它零件族(柔性)；•提供一种能自动编排作业计划、自动进行加工和检查的成套生产设备(自动化)；•提供一种对加工工序以及生产设备的监控功能(检测监控)；•建立独立的加工模块，能方便地组合成生产单元，必要时还可重新组合(可重构性)；•减少传统制造系统固有的空闲时间，提高设备利用率(高效性)。机电工程学院FMS对机床的要求1工序集中2控制功能强、柔性好3具有通信接口4高刚度、高精度、高速度5其它要求a)使用经济性好b)操作性、可靠性、维修性好c)自保护性、自维护性好d)对环境的适应性与保护性好e)技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚，机床外形、颜色美观且与系统协调。机电工程学院1.多工位的数控加工系统/机床目前FMS中的机床有两种趋势：1)采用强功能的多主轴加工中心，并配以可适用于不同类型机床的模块化计算机软件，通过软件(控制软件，加工软件)来提高FMS的柔性。2)可变模块化机床：加工系统由标准模块(各类工作台、床身、立柱、主轴、加工头、卡盘、刀库等)装配而成，并可根据不同加工要求进行改装。此时的系统柔性主要取决于硬件。要达到通用性，FMS的加工模块(机床)是独立的，有独立的刀库和自动刀座更换装置，其机械装置、电子装置、加工控制、设备监测都是独立的。但都有标准接口与其它FMS组件相连接。机电工程学院2.物料运储系统在FMS中，需要经常将工件装夹在托板（有的称随行夹具）上进行输送和搬运。通过物料输送系统可以实现工件在机床之间、加工单元之间、自动仓库与机床或加工单元之间以及托板存放站与机床之间的输送和搬运。有时还负责刀具和夹具运输。FMS物料系统主要完成两种不同的工作：工件的输送和工件的存储。工件输送包括两部分：一是系统与外界的工件交换；二是零件、工具和配套件等在系统内部的搬运。在一般情况下，前者需要人工干预，即工件送入系统和装夹工件都是人工操作，而后者可以在计算机的统一管理和控制下自动完成。工件输送系统所用的运输工具为运输小车、辊式运送带、传输带和搬运机器人等。机电工程学院2.物料运储系统物料运储系统把各台机床连接在一起，形成物流式生产系统。目前典型的物料运输方式有：•辊柱式：滚子、辊柱式传送带。•往复式：轨道式传输。•牵引式：链驱动牵引车，磁牵引导向车。•AGV自动导向车•机器人机电工程学院典型的FMS物料流动形式：直线式、树形、环形、网形。机电工程学院工件的流动始终受计算机跟踪、监控。常用的FMS跟踪工件路径方法有：•直接跟踪方法：根据工件的重量、形状、颜色或固定在工件上的编码介质来识别工件、跟踪监测其运动路径。•间接跟踪方法：编码被固定在运载工件的装置(小车)上，然后识别跟踪之。另外，物料运贮系统有一个工件安装区，在此处将工件装夹在托盘上(实际工作台)，托盘被送到传输系统后，将工件号输入计算机，由计算机确定其加工路线，并将它送至相应加工站。在整个加工过程中只装夹一次。还有刀具库及其管理系统。机电工程学院3.FMS控制系统FMS控制系统既完成生产管理，又完成加工过程和设备的控制，且都采用多级(递阶)控制方案，各级都有计算机系统。(1)管理控制级(分厂/车间)任务：生产计划调度、生产控制和FMS管理、数据库维护。计划调度任务包括：任务分解(月到周的计划)、工艺过程设计、设备计划调度、零件族分配、零件程序设计、资源配置、重新计划调度、发出生产指令、生产优化、生产仿真、调度维护、质量控制等等。控制任务包括：系统启/停、生产命令的路线选定、生产监控、与操作者的交互和引导、系统恢复、报告生成(生产率、完工零件、质量、废品、系统问题)。机电工程学院(2)监控级(车间/单元)任务：实施生产计划，并协调和监视各生产设备的工作。计划实施任务：日作业计划(周到日的计划)、机床、刀具、诊断、物料运储、质量控制、NC程序及其分配等。控制任务：设备协调、操作数据评价、工件流控制、支持和指导操作人员。机电工程学院加工系统的监控内容通信及接口、数据采集与交换、与系统内各设备间的协调、与系统外的协调、NC控制、PLC控制、误动作、加工时间、生产业绩、故障诊断、故障预警、故障档案、过程决策与处理等机床主轴转动、主轴负载、进给驱动、切削力、振动、噪声、切削热等夹具安装、精度、夹紧力等刀具识别、交换、损伤、磨损、寿命、补偿等工件识别、交换、装夹等其它切屑、切削液、温度、湿度、油压、气压、电压、火灾等形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、合格率等监控功能设备运行状态切削加工状态产品质量状态机电工程学院FMS物流系统物流是FMS中物料流动的总称。在FMS中流动的物料主要有工件、刀具、夹具、切屑及切削液。物流系统主要由输送装置、交换装置、缓冲装置和存储装置等组成。机电工程学院FMS物流系统FMS物流系统对输送装置的要求:1)通用性2)变更性3)扩展性4)灵活性5)可靠性6)安全性机电工程