柔性制造系统技术

第二章柔性制造系统技术一、学习要求1、了解：柔性制造系统的产生和特点；2、掌握：柔性制造系统的定义、组成及类型。二、学习要点1、柔性制造系统的产生、特点；2、FMS的定义、组成及类型；3、物料运送装置；4、加工中心的分类及其换刀方式、刀库类型。2.1.1制造自动化技术的广义内涵2.1.2柔性自动化制造技术的发展历程及现状2.1.3柔性自动化制造技术发展趋势2.1.4制造自动化技术涉及的相关内容第一节制造自动化技术概述2.1.1制造自动化技术的广义内涵一、自动化概念的不断发展变化自动化技术是人类在长期的生产活动中不断追求的主要目标之一。1、1936年美国通用汽车公司工作人员认为：在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。即：以机械代替人力操作，自动完成特定的作业。2、随着计算机的出现和应用，自动化的概念扩展为：用机器包括计算机代替或辅助人的体力劳动和脑力劳动，按照需求和目标，灵活、自动地完成特定的作业。3、今天，柔性自动化制造技术是指：在广义制造过程中的所有环节采用自动化技术，即对制造全过程进行优化规划、组织、运作、协调、控制与管理，以实现优质、高效、低耗、敏捷和绿色生产的目标，并取得社会经济效益。二、柔性自动化制造技术在形式上的三层含义1、代替人的体力劳动；2、代替或辅助人的脑力劳动；3、实现制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。三、柔性自动化制造技术在功能上的含义可用TQCSEF模型来描述柔性自动化制造技术的目标。•T（Time）——时间，加速新产品研制，缩短交货期•Q（Quality）——质量•C（Cost）——成本•S（Service）——服务•E（Environment）——环保•F（Flexible）——柔性四、柔性自动化制造技术的内涵•自动化：自动去完成特定的作业。•制造自动化（狭义）：生产车间内，产品机械加工、装配和检验过程的自动化；•制造自动化（广义）：包含产品设计、企业管理、加工装配和质量控制等产品制造全过程综合集成自动化。•制造自动化意义：显著提高劳动生产率、提高产品质量、降低制造成本、提高经济效益，改善劳动条件、提高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的发展、提高企业的市场竞争能力。•刚性自动化设备--自动/半自动机床、组合机床、组合机床自动线；对象--单一品种大批量生产自动化；特点--生产效率高、加工品种单一。•柔性自动化设备--NC、CNC、FMC、FMS等。对象--多品种小批量甚至单件生产自动化；•综合自动化经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化，CIMS、CE、LP、AM等。2.1.2柔性自动化制造技术的发展历程及现状一、发展历程的第一种划分方法（三个阶段）机械加工自动化三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备自动机床、组合机床，机械手，自动生产线NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMSCAD/CAM系统，MRPⅡ，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术继电器程序控制技术，经典控制论数控技术，计算机控制，GT，现代控制论系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术制造自动化技术的主要形式汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代制造自动化技术的主要形式柔性自动化50年代焊接机器人综合自动化70年代综合自动化二、发展历程的第二种划分方法（五个阶段）1、第一阶段（1913年－）：刚性自动化，包括刚性生产线和自动单机。该阶段技术在20世纪40年代已经相当成熟。特点：大批量生产；仅适用于单一品种新技术：继电器程序控制组合机床2、第二阶段（1930－）：数控加工，包括数控和计算机数控。其中数控在20世纪50-70年代发展迅速并已成熟，70-80年代计算机数控加工取代了数控加工。特点：柔性好；适用于多品种中小批量生产新技术：数控技术、计算机编程技术等二、发展历程的第二种划分方法（五个阶段）3、第三阶段（1965年－）：柔性制造，包括计算机直接控制（DNC）、FMS和FMC。特点：柔性、高效率；适用于多品种中小批量生产；新技术：GT，DNC，FMS，监控技术……4、第四阶段（1973－）：计算机集成制造系统CIMSCIMS在20世纪80年代以来发展迅速。特点：强调系统性和集成性；新技术：现代制造技术、管理技术、计算机技术、自动化技术、信息技术、系统工程技术……二、发展历程的第二种划分方法（五个阶段）5、第五阶段（1991年－）：智能制造系统（IMS），包括计算机直接控制（DNC）、FMS和FMC。1990年4月由日本倡导。特点：集成日本的企业技术、欧共体的精密工程技术、美国的系统技术等以上介绍五个阶段，是国外发达国家的发展历程。我国与国外发达国家相比，有所滞后，目前正在努力跟进。作业1、柔性自动化制造技术的发展先后经历了哪五个阶段？（1）刚性自动化（2）数控加工（3）柔性制造（4）计算机集成制造系统（5）智能制造系统三、柔性自动化制造技术的研究现状1、集成技术和系统技术研究热点。CIMS：信息集成和功能集成；CE：过程集成；AM：企业间集成；2、人机一体化系统全盘自动化和无人化工厂或车间曾经是制造自动化发展的目标。在对无人制造中出现的问题进行反思的基础上，人们重新认识了人在柔性自动制造系统中有着机器不可替代的重要作用。将人作为系统结构中的有机组成部分。三、柔性自动化制造技术的研究现状3、单元系统及其技术单元系统：以一台或多台数控加工设备与物料储运系统为主体，在计算机统一控制下，可进行多品种、中小批量零件自动化加工生产的机械加工工艺系统的总称。是CIMS的重要组成部分。4、制造过程中的计划与调度在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约5％，其余95％均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间不足30%。5％95％调整、装夹、对刀、检测等切削30％70％加工时间运输与等待时间制造周期加工时间多品种、中小批量生产的时间分配5、柔性制造自动化制造技术的深度与广度FMC－－FML－－FMS；但物流自动化设备投资在整个FMS的投资中占有相当大的比例，因此FMS的应用受到其投资大、见效慢和可靠性相对较差等不足的限制。DNC具有投资小、见效快和可靠性高等优点，近年来研究较为活跃。6、适应现代生产模式的制造环境JIT；CE；LP；AM……7、加工系统的复合化和智能化日本提出了智能完备制造系统（HMS）；•制造敏捷化使企业面临市场竞争作出快速响应；•制造网络化实现制造过程的集成，实现异地制造、远程协调作业；•制造虚拟化保证产品和制造过程一次成功，尽早发现设计与生产中可避免的缺陷和错误；•制造智能化扩大、延伸、部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现优化的制造过程。•制造全球化市场国际化，产品制造跨国化，制造资源跨国家的协调、共享和优化利用；•制造绿色化使产品从设计、制造、使用到报废处理全生命周期中，对环境影响最小，资源利用率最高。2.1.3制造自动化技术发展趋势2.1.4制造自动化技术涉及的相关内容1、数控技术与系统数控相关课程已学习，本门课程不再讲述2、柔性制造系统本章主要内容3、工业机器人本门课程第5章讲述4、自动检测与监控技术部分内容在《机械测试技术》或《传感器》相关课程中已讲述，本章在介绍刀具监控时将简要介绍。第二节柔性制造系统技术概述一、柔性制造系统的产生和特点1、产生背景：（1）市场变化导致中小批量、多品种生产方式成为需要。市场竞争的加剧及顾客需求的多样化，导致传统的以规模效应带动成本降低的刚性生产线不再适应市场的变化。•刚性生产线忽略了可能增加的库存而带来的成本的增加；•1973年石油危机，使大批量生产的缺点暴露。（2）科学技术的进步推动了自动化程度和制造水平的提高。•NC、CNC、DNC•CAD、CAM•GT、CAPP•ROBOT2、柔性自动化制造技术的产生•世界上公认的第一条柔性制造系统是英国莫林（Molin）机床公司1967年建成的“MolinSystem-24”；•20世纪70年代末和80年代初，计算机辅助管理物料自动搬运，刀具管理和计算机网络、数据库技术的发展以及CAD/CAM技术的成熟，出现了更加系统化、规模更加扩大的柔性制造系统。•20世纪80年代末，FMS已经成为一项成熟的技术，并在世界范围得到广泛应用。3、我国FMS的研究状况我国采取引进和开发相结合的方针，引进箱体类零件、旋转体件及钣金件加工FMS的全部或部分硬件技术。•1984是我国研制FMS的起步时间，比国外晚了17年。我国第一套FMS系统是由北京机床研究所于1985年10月开发完成的（JCS-FMS-1），用于加工数控机床直流伺服电机中的主轴、端盖、法兰盘、壳体和刷架体等，它由5台国产加工中心、日本富士电机公司的AGV（自动导引车）及4台日本产的机器人组成，其控制系统由FANUC提供，据分析它的投资回收期约为两年半。•1983年－1985年，在国家的支持下北京第一机床厂、湖南江麓机床厂、郑州纺织机械厂、广西柳州开关厂等一些单位分别率先从德国、日本进口了国内第一批FMS。•1985年后在国家机电部“七五”重点科技攻关项目的支持和国家863高技术发展计划自动化领域的工作的带动下，FMS得到极大的重视和发展，进入了自行开发和部分进口的交叉阶段。•1988年北京机床研究所为天津减速机厂提供的加工减速机机座的JCS-FMS-2系统是全部自行开发和配套的，它标志着我国已具有自主开发FMS系统的实力。•近几年来，国内一些经济实力比较雄厚的工厂（北京第一机床厂，上海第二纺织机械厂，天津减速机总厂，山西经纬纺织机械厂等），为实施CIMS，又进口了一些国外的FMS系统。4、FMS的两个主要特点：柔性和自动化•所谓柔性，是指制造系统（企业）对系统内部及外部环境的一种适应能力，也是指制造系统能够适应产品变化的能力。•可分为瞬时、短期和长期柔性三种5、FMS的其它特点：P16（1）-（5）了解，自学。二、FMS的定义、组成和类型FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信息传输网络工夹具站柔性制造实体柔性制造系统仿真1、FMS的定义•根据“中华人民共和国国家军用标准”有关“武器装备柔性制造系统术语”的定义，柔性制造系统（FMS）是数控加工设备、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，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调整，适用于多品种、中小批量生产。•美国制造工程师协会(SME)的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为“使用计算机、柔性加工单元和集成物料储运装置完成零件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统”。•更直观的定义是：“柔性制造系统是至少由两台数控机床，一套物料运输系统（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自动化系统。它采用简单改变软件的方法便能制造出某些部件中的任何零件”。•综上所述，各种定义的描述方法虽然有所不同，但都反映了FMS应具备以下特点：•硬件组成1)两台以上的数控机床或加工中心以及其他加工设备，包括测量机、清洗机、动平衡机、各种特种加工设备等；2)一套能自动装卸的运输系统，包括刀具储运和工件及原材料储运。具体结构可采用传输带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘站等；3)一套计算机控制系统及信息通信网络。•软件组成1)FMS的运行控制系统；2)FMS的质量保证系统；3)FMS的数据管理和通信网络系统。•FMS必须具备的功能1)能自动管理零件的生产