第8章 自动化制造系统的总体设计

第8章自动化制造系统的总体设计自动化制造系统的设计是一项复杂的系统工程，采取什么样的设计步骤与方法对于系统的成功实施至关重要。有人估计，系统分析与规划阶段造成的失误在后续阶段可能要花两倍时间才能找到，而纠正需要花五倍时间。因此，必须采用合理的系统工程方法与步骤进行自动化制造系统的设计。第8章自动化制造系统的总体设计本章将讨论自动化制造系统的总体设计问题，其内容如下：8.1总体设计的步骤及内容8.2零件族的选择及工艺分析8.3设备选择与配置和总体布局设计8.1总体设计的步骤及内容自动化制造系统往往是个复杂的大系统，它包括许多相互关联的子系统，如多级计算机控制系统、自动化物料储运系统、检测监视系统、加工中心及其它工作站等。而各个子系统本身又可能是一个较复杂的系统，倘若设计不当，它们就不能很好地连接，也不能实现自动化制造系统的有机集成。因此，必须做好自动化制造系统的总体设计工作。8.1总体设计的步骤及内容在进行总体设计时，一般采用如图8.1所示的设计步骤。8.1总体设计的步骤及内容在如图8.1所示中，总体设计各个步骤涉及的主要内容有：（1）组织队伍，明确分工。本阶段应选择专业配套、熟悉业务、工作责任心强的精干班子组成总体组，并指定技术总负责人。如果自动化制造系统是用户委托供应商设计制造，则需求分析、可行性论证、系统验收及运行应以用户为主，供应商为辅；而总体设计、系统制造、安装与调试应以供应商为主，用户积极配合。8.1总体设计的步骤及内容（2）选择加工零件类型和范围，并进行工艺分析，制定工艺方案，确定设备选型。（3）按功能划分设计模块，初步制定技术指标和各自的接口，同时进行概要设计和初步设计。（4）总体方案初步设计，这一阶段包括总体布局和各分系统的概要设计。8.1总体设计的步骤及内容（5）总体组讨论初步形成的总体布局及各分系统的概要设计方案。（6）根据初步形成的零件族、工艺分析、生产率、总体布局、物料储运方案等进行系统的仿真分析，确定刀库容量、托盘缓冲站数量及工件运输小车与换刀机器人利用率等参数。（7）组织专家评审总体设计方案。8.1总体设计的步骤及内容（8）文档撰写，最终要形成以下文档：总体设计的总技术报告；总体布局图；零件族选择及工艺分析说明书；工艺设计文件及图册；机床设备选型报告；系统仿真分析报告；机械系统与接口设计说明书及图册；电气接口设计说明书及图册；网络通信及数据库设计说明书及图册；运行控制软件及其它软件接口设计说明书；质量控制方案说明书；检测监视系统方案和接口设计说明书；系统安装、调试、验收与运行维护设计说明书；系统运行可靠性分析报告；系统运行效益评估说明书等。8.2零件族的选择及工艺分析要使自动化制造系统具有满意的运行效率，必须从用户的实际要求出发，选择好上线的零件，并进行工艺分析。这是设计或引进自动化制造系统必须解决的问题。根据确定的零件族和工艺分析，就可以决定自动化制造系统的类型和规模、必须的覆盖范围和能力、机床及其他设备的类型和所需的主要附件、夹具的类型和数量、刀具的类型和数量、托盘及其缓冲站点数量，并可初步估算所需的投资额。8.2零件族的选择及工艺分析8.2.1零件族的选择1.零件族选择的定义2.影响零件族选择的因素3.零件选择方法8.2.2零件工艺分析1.工艺分析的目的（书中解释）2.零件工艺分析的要点（书中解释）3.工艺分析的步骤（书中解释）1.零件族选择的定义在对自动化制造系统进行设计时，面对的是一大批形状各异的零件，但并不是所有零件都适合采用自动化制造系统加工，因此需要确定进线零件，即零件族的选择。所谓零件族选择，即是根据成组技术原理，从零件的结构与工艺相似性出发，对生产系统中的各类零件进行统计分析，从中选出适合采用自动化制造系统加工的一组零件。一般来说形状相似的工件，工艺也相似。成组技术成组技术（GT-GroupTechnology）揭示和利用事物间的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物能够采用同一方法进行处理，以便提高效益的技术，称为成组技术。日本、美国、前苏联和德国等许多国家把成组技术与计算机技术、自动化技术结合起来发展成柔性制造系统，使多品种、中小批量生产实现高度自动化。成组技术全面采用成组技术会从根本上影响企业内部的管理体制和工作方式，提高标准化、专业化和自动化程度。在机械制造工程中，成组技术是计算机辅助制造的基础，将成组哲理用于设计、制造和管理等整个生产系统，改变多品种小批量生产方式，以获得最大的经济效益。成组技术成组技术的核心是成组工艺，它是把结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族（组），按零件族制定工艺进行加工，从而扩大了批量、减少了品种、便于采用高效方法、提高了劳动生产率。零件的相似性是广义的，在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性，以基本相似性为基础，在制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为二次相似性或派生相似性。1.零件族选择的定义如图8.2所示的零件族从几何外形是相似的。1.零件族选择的定义如图8.3所示的零件族具有相似的加工工艺，但外形上相差较大。2.影响零件族选择的因素从工厂的大量零件中选出适合于自动化制造系统加工的零件族并不是一件容易的事，它的影响因素很多，其中最主要的影响因素有：（1）零件类型；（2）零件尺寸大小；（3）加工精度；（4）材料硬度；（5）装夹次数；（6）生产批量。（书中解释）总之，在具体选择零件族的过程中，应根据工厂的实际情况对以上因素综合考虑。3.零件选择方法刚性自动线等刚性自动化制造系统加工零件单一或很少，零件的选择比较简单。对于多品种、中小批量加工的柔性自动化制造系统，加工零件的选择是一项很重要也很复杂的工作，零件选择是否合理对系统的组成和运行效果都有很大的影响。对于后一种情况，进线零件的选择通常有人工挑选和计算机自动挑选两种方法。3.零件选择方法（1）人工挑选法由经验丰富的工艺人员根据蓝图和工艺路线来选择。这种方法较简单，能充分发挥人的作用。其缺点是要耗去大量人力和时间，且易造成人为失误，甚至导致失败的选择。（2）计算机自动选择法是按成组技术的原理，以计算机为工具，建立数学模型和相应的算法，自动从众多的零件中挑选合适的候选零件，最终由人—机结合确定进入自动化制造系统加工的零件族。8.3设备选择与配置和总体布局设计自动化制造系统的设备配置与总体布局是千变万化的，自动化制造系统的类型不同，其设备配置及总体布局是不一样的，需视具体情况而定。由于柔性制造系统是自动化制造系统的发展方向，下面以柔性制造系统为例介绍设备选择与配置和总体布局设计内容。8.3.1设备选择与配置8.3.2总体平面布局设计8.3.1设备选择与配置如前所述一个典型的柔性制造系统主要由下述三个子系统组成：（1）加工子系统。即加工装备，主要采用数控机床和加工中心等。（2）物流子系统。常包括工件与刀具的搬运系统、托盘缓冲站、刀具进出站、中央刀库、立体仓库等。（3）控制子系统。多采用计算机控制。除此之外，柔性制造系统还可以扩展清洗、检测和排屑等装置。8.3.1设备选择与配置本节内容包括：1.加工装备的选择与配置2.各独立工位及其配置原则3.物料储运系统及其配置4.检测监视系统的设置原则及其内容1.加工装备的选择与配置本节内容包括：1）柔性制造系统对机床的要求2）选择机床的原则3）确定系统中机床种类和数量的方法及步骤4）柔性制造系统的机床配置形式1）柔性制造系统对机床的要求柔性制造系统对集成于其中的加工设备是有一定要求的，不是任何加工设备均可纳入自动化制造系统中。一般来说，纳入柔性制造系统运行的机床主要有如下特点。（l）加工工序集中（2）控制方便（3）兼顾柔性和生产率（l）加工工序集中由于柔性制造系统是适应小批量多品种加工的高度自动化制造系统，造价昂贵，这就要求加工工位的数目尽可能少，而且接近满负荷工作。根据统计，80%的现有柔性制造系统的加工工位数目不超过10个。此外，加工工位较少，还可减轻工件流的输送负担，所以同一机床加工工位上的加工工序集中就成为柔性制造系统中机床的主要特征。（2）控制方便柔性制造系统所采用机床的控制系统不仅要能够实现自动加工循环，还要能够适应加工对象的改变，易于重新调整，也就是说要具有“柔性”。近年来发展起来的计算机数字控制系统（CNC）和可编程序控制器（PLC），在柔性制造系统的机床和输送装置的控制中获得日益广泛的应用。（3）兼顾柔性和生产率为了适应多品种工件加工的需要，就不能像大批量生产那样采用为某一特定工序设计的专用机床，但是又不能像单件生产那样采用普通万能机床，这不符合工序集中的原则。另外，柔性制造系统中的所有装备受到本身数控系统和柔性制造系统中央计算机控制系统的调度和指挥，要能实现动态调度、资源共享、提高效率，就必须在各机床之间建立必要的接口和标准，以便准确及时地实现数据通信与交换，使各个生产装备、储运系统、控制系统等协调地工作。2）选择机床的原则对于箱体类工件，通常选择立式和卧式加工中心，以及有一定柔性的专用机床，如可换主轴箱的组合机床，带有转位主轴箱的专用机床等。带有大孔或圆支承面的箱体工件，也可以采用立式车床进行加工。需要进行大量铣、钻和攻螺纹加工，且长径比又小于2的回转体类工件，通常也可以在加工箱体工件的柔性制造系统中进行加工。2）选择机床的原则数控加工中心的类型很多，可以是基本形式的卧式或立式三坐标机床，这些机床只加工工件的一个侧面，或者只能对邻近几个面上的一些表面进行加工。采用这类机床一般需要多次装夹才能完成工件各个面的加工。若在卧式加工中心上增加一个或两个坐标轴，如称为第四个坐标轴的托盘旋转和称为第五坐标轴的主轴头倾斜，就可以对工件进行更多表面的加工。2）选择机床的原则加工纯粹回转体工件（杆和轴）时可以把具有加工轴类和盘类工件能力的标准CNC车床结合起来，构成一个加工回转体工件的柔性制造系统。要在立式加工中心上实现工件多面加工，必须在基本形式机床上增加一个可倾式回转工作台。通常选用五坐标轴加工中心主要是为了满足一些非正交平面内的特殊加工的需要。除上述增加坐标轴的方法外，还可在一套夹具上装夹多个工件，以提高柔性制造系统的生产能力。2）选择机床的原则柔性制造系统应能完成某一成组零件族的全部工序的加工，系统内需要配置不同工艺范围和精度的机床来实现这一目标。最理想的配置方案是所选机床的工艺范围有较大的兼容性，即每道工序有多台机床可以胜任，这样可以有效地排除因为某个关键工序或某台关键机床成为瓶颈，影响了整条生产线的正常作业，可以大大地提高装备的利用率，但这样做必然提高了每台机床的复杂性，增加了柔性制造系统的造价。3）确定系统中机床种类和数量的方法及步骤根据给定的技术条件，把要进行的各类操作分派给指定的机床，并计算出每种操作的加工时间，确定整个工作量是多少，需要多少台机床，或许还可能因此而对选用的方案作出修改。只有对所规划的机床成本加以估计，才有可能估计出选定的机床方案的经济性能。如果加工能力低或者经济效果不好，则要对机床的方案另作修改，一直到获得圆满的结果为止。3）确定系统中机床种类和数量的方法及步骤柔性制造系统的所有加工中心都具有刀具存储能力，采用鼓形、链形等各种形式的刀库。为了满足柔性制造系统内工件品种对刀具的要求，通常要求有很大的刀具存储容量。在一个刀库中需要100个以上的刀座是很常见的。这样的容量加上某些大质量的刀具，特别是大的镗杆或平面铣刀，都要求对刀具传送和更换机构的可靠性给以很好的注意。4）柔性制造系统的机床配置形式柔性制造系统适用于中小批量生产，既要兼顾对生产率和柔性的要求，也要考虑系统的可靠性和机床的负荷率。因此，就产生了互替形式、互补形式以及混合形式等多种类型的机床配置方案。4）柔性制造系统的机床配置形式所谓互替形式就是纳入系统的机床是可以互相代替的。例如，由数台加工中心组成的柔性制造系统，由于在加工中心上可以完成多种工序的加工，有时一台加工中心就能完成箱体的全部工序，工件可输送到系统中任何恰好空闲的加工工位，使系统具有较大的柔性和较宽的工艺范围，而且可以达到较高的装备利用率