第六章柔性制造和智能制造系统80

第六章柔性制造系统与智能制造系统目录6.1概述6.1.1FMS的产生6.1.2FMS定义、组成、特点6.2FMS加工系统6.2.1加工系统功能和要求6.2.2常用加工设备6.2.3刀具运储系统6.3自动换料装置6.4零件运储系统6.5自动化仓库6.6FMS控制系统1FMS(FlexibleManufacturingSystem)的产生6.1概述刚性生产线——柔性生产线195几年英国DAVIDWILLIAMSON工程师提出“FMS”。•1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS概念，研制了“系统24”。目标实现昼夜24小时连续自动加工，但由于经济和技术上的困难而未全部建成。•美国的怀特·森斯特兰公司建成OmnilineI系统。•1976年，日本FANUC公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(简称FMC)。。•70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期已进入实用阶段，其中以由3～5台设备组成的FMS为多，也有规模更大的系统投入使用。套数年份858890081986年我国引进第一套400010008005001994年初，世界各国已投入运行的FMS约有3000多个，其中日本拥有2100多个，占世界首位。在现已运行的FMS中，50%的FMS由美国制造商提供，另外50%由日本和德国厂商提供。FMS国际发展柔性制造系统(FMS)对刀仪FMS控制器刀具I/O站装卸站加工中心A加工中心B刀具机器人物料小车中央刀库中央托盘区6.1.2FMS的定义、组成、类型1）定义数控加工设备+物料运储装置计算机控制与管理系统自动化制造系统2台以上1套以上美国国家标准局定义FMS：由一个传输系统联系起来的一些设备，传输装置把工件放在其它联结装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速、自动化。中央控制系统控制机床与传输系统。在我国有关标准中，FMS被定义为：由数控加工设备、物流储运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变化迅速进行调整，适用于多品种，中、小批量生产。国外有关专家对FMS进行了更为直观的定义：柔性制造系统是至少由两台机床、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，它通过简单地改变软件的方法便能制造出多种零件中的任何一种零件。1—自动仓库；2—装卸站；3—托盘站；4—检验机器人；5—自动运输车；6—卧式加工中心；7—立式加工中心；8—磨床；9—组装交付站；10—计算机控制室图2-1典型的柔性制造系统2）硬件组成2台以上数控机床或加工中心及其辅助设备：测量机、动平衡机、清洗机各种特种加工设备以及刀具修形设备自动装卸的刀具、原料运储系统——物流系统上下料托盘、交换工作站、刀具库和工件库计算机监测与控制系统传送带、有轨小车、无轨小车、机器人典型的FMS一般由三个子系统组成。它们是加工系统、物流系统和控制与管理系统，各子系统的构成框图及功能特征如图1所示。三个子系统构成了一个制造系统的能量流（通过制造工艺改变工件的形状和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造过程的信息和数据处理）。3）软件组成FMS的运行控制FMS的质量保证（检测、管理）FMS的数据管理和通讯网络4）FMS的功能1）自动进行批量生产2）改变软件，制造出一零件族3）物料（刀具、原料）运输、存储自动进行4）对各加工设备任务进行调度2.FMS的类型配备互补机床的FMS配备可互相替换机床的FMS混合式的FMSa)互替式b)互补式c)混合式表1机床配置形式与特征比较特征a)互替形式b)互补形式c)混合形式简图生产柔性低(多功能机床）中（专用机床组成）高生产率低高中技术利用率低中高系统可靠性高低中投资强度比高低中7）FMS的特点•连续自动工作•人工参与少•运行效率高•共用刀具与夹具•柔性高6.2FMS的加工系统A、加工系统的作用完成工件成型加工，主要加工两类零件:◎棱柱体零件，如箱形体、平板形◎回转体6.2.1加工系统的功能及要求B、FMS加工设备八个选择原则1）工序集中。如选用多功能机床、加工中心等，以减少工位数和减轻物流负担，保证加工质量。2）控制功能强、扩展性好。外部通信功能和内部管理功能强，有内装可编程序控制器，易于与上下料、检测等辅助装置连接和增加各种辅助功能，方便系统调整与扩展。3）高刚度、高精度、高速度。选用切削功能强，加工质量稳定，生产效率高的机床。4）使用经济性好。如导轨油可回收，断、排屑处理快速、彻底等，以延长刀具使用寿命。系统能安全、稳定、长时间无人值守而自动运行。（干切削）5）操作性、可靠性、维修性好、使用寿命长。6）自保护性、自维护性好。如设有切削力过载保护、功率过载保护、行程与工作区域限制等。有故障诊断和预警功能以及集中润滑等系统。7）对环境的适应性与保护性好。对工作环境的温度、湿度、噪声、粉尘等要求不高。8）其他。如技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚。6.2.2加工系统中常用加工设备介绍1）数控加工中心（MC—MachiningCenter）加工中心是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。它的最大特点是工序集中和自动化程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。常见加工中心按工艺用途可分为：镗铣加工中心：镗、铣、钻、攻螺纹等。车铣加工中心：外圆车削、镗孔、钻孔、端面铣、加工外圆上的平面、径向孔、槽，凸缘上的孔、槽、端面等。钻削加工中心：钻削、铣削、镗削、刚性攻丝功能磨削加工中心：内外圆磨削（立、卧两种）立式加工中心卧式加工中心立卧两用（也称万能、五面体、复合）加工中心。按主轴在加工时的空间位置可分为：•在实际应用中，以加工棱柱体类工件为主的镗铣加工中心和以加工回转体类工件为主的车铣加工中心最为多见。•由于镗铣加工中心（1958年由美国KM公司在数控铣床上加刀库）最早出现，且名为加工中心（MachiningCenter），所以习惯上常把“镗铣加工中心”称为“加工中心”。我们不妨也沿用此习惯。数控加工中心运动轴：至少X，Y，Z三个平动轴还有A，B，C三个转动轴五轴联动机床：X，Y，Z加B轴，A（或C轴）主刀头换刀机构和刀库立轴（Y）工作台控制面板工作台底座立式加工中心YXZACB卧式加工中心立卧加工中心2）镗铣加工中心加工中心可完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作，它与普通数控镗床和数控铣床的区别之处，主要在于它附有刀库和自动换刀装置。加工中心是复杂曲面加工的理想设备。3)车铣加工中心（TC-TurningCenter）•分卧式和立式•回转零件的复合加工•外圆车削、镗孔、钻孔、端面铣•加工外圆上的平面、径向孔、槽，凸缘上的孔、槽、端面视频6.2.3FMS的刀具储运系统1)FMS刀库形式•中央刀库一条由10台加工中心组成的FMS，大约需要3000～5000把刀具。若低于这个数目，生产线可能会由于等待刀具而造成停工.•加工中心刀库20~80把刀具.FMS环境下刀具流的组成及运行过程预调站：刀柄、刀具组装，刀具测试、记录并输入计算机系统。装卸站：临时存储站2)加工中心的刀库转塔式:6~8把刀具适用于轻便简单机型,如车削中心，钻削中心。盘式：~32把刀。适应于中小型加工中心。盘式和转塔式刀库的特点是构造简单、适当选择刀库位置可省略换刀机械手，但刀库容量有限。链式：30~120把链式刀库的特点是存刀量多、扩展性好，但结构复杂。3)自动换刀装置衡量加工中心刀库的指标有：刀具存储量、刀具（加刀柄和刀杆等）最大尺寸与重量、可扩展性等；衡量自动换刀装置的指标有：换刀重复定位精度、换刀时间等。常用换刀机械手有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等。双臂式机械手换刀时，可缩短换刀时间又有利于使机械手保持平衡，被广泛采用。单臂式双臂式从刀库中挑选所需刀具的方法有：顺序选择法：按加工顺序。不能放错，刀具不能重复利用。（已少用）刀座编码法：不能放错、刀具能重复利用——应用普遍。刀具编码法：刀柄上有识别码，可任意放，可重复用（难定位）。刀具刀座跟踪记忆法：刀座、刀具同时识别（容易定位）。4)加工中心刀位管理其中，刀具刀座跟踪记忆法在加工设备内使用最为方便，刀具编码法适合于FMS刀具的集中管理，所以在FMS中常将这两种方法混合使用。通常加工中心的技术参数中给出的换刀时间是刀对刀换刀时间（或称净换刀时间），目前最快为0.45s，一般为5s左右。刀对刀换刀时间：主轴和刀库刀座都回到换刀点后交换刀具所需的时间。加工对加工换刀时间：从上一把刀加工结束到刀具交换后下一把刀进入加工所需的时间。5)换刀时间6.3自动换料装置•功能：完成加工设备间、加工设备与自动化仓库间的工件运输与搬运。•工件更换方式：工件用夹具安装在托盘上，托盘成为机床的工作台，更换工件则连同托盘一起更换。•更换装置：托盘交换器、机器人1）托盘交换器它完成或协助完成物料（工件）的装卸与交换，并起缓冲作用。ISO标准规定的托盘基本形状1-托盘导向面2-侧面定位面3-安装螺孔4-工件安装面5-中心孔6-托盘搁置面7底面8-工件固定孔9-托盘夹紧面10-托盘定位面回转式托盘交换器往复式托盘交换器2)工业机器人•功能:搬运材料、零件、工具等•组成：由执行机构、驱动机构（电气、液压、气动）、控制系统、检测系统等•种类：固定式机器人、移动式机器人等国际上有代表性的机器人公司有：瑞典：ABBRobotics日本：FRANUC，Yaskawa德国：KUKARoboter美国：AdeptTechnology，AmercianRobot意大利：COMAU英国：AutoTechRobotics加拿大：JcdInternationalRobotics以色列：Robogroup中国：中科院沈阳自动化所新松机器人公司扫描臂延伸肘摆动肩计算机控制系统垛码机器人6.4零件运输系统1）功能：–对外的运输。即运进毛坯，运出产品。–内部运输。原料、半产品在FMS内部运输。2）零件运输系统的形式运输形式直线运输形式环行运输形式带支路的直线运输形式带支路的环行运输形式网络型运输形式3）自动导向小车•自动导向小车组成由可控小车+托盘+托盘装夹机构组成•自动导向小车特点高柔性：通过改变导向程序，容易修改路线实时监视与扩展：提高计算机可控同频率小车安全可靠：速度低10~70M/MIN，定位准确4）自动导向小车类型•有轨：移动快，定位准，转弯半径大•线导：感应线圈扫描线圈•遥控小车•光导小车：荧光材料铺出轨迹，光敏传感器识别..AGV6.5自动化仓库自动化仓库组成：•库房•货架•堆垛起重机•控制计算机•状态检测器6.6FMS控制系统1）控制系统结构：递阶控制的方式FMS分三层结构:设备层工作站层单元层物料储运站刀具储运站工作站级设备级FMS单元控制器上层管理机局域网物料储运系统刀具储运设备管理级控制网单元控制级网桥制造工作站CNCCNC制造工作站CNCCNC2）功能模块名称功能名称功能1、生产管理子系统生产调度、作业、优化、运行、仿真2、运行控制子系统物料流动控制与协调、设备运行控制与协调名称功能名称功能3、数据管理子系统物料数据管理基本数据管理工艺数据管理资源维护管理4、质量保证子系统质量监控、物料识别、故障诊断、质量管理*FMS实例：美国麦道公司的FMS：美国麦道公司FMS五台加工中心每台加工中心配90把刀和一个换刀站三辆小车负责运送工件、刀具小车保养站10托盘自动工件交换台物料检查站卧式坐标测量机清洗站刀具装卸站高架机房切屑收集和切屑再生系统典型的柔性制造系统61智能制造系统(IMS)IntelligentManufacturingSystem)需要增加产品制造全过程（市场、设计、制造、销售、维护、回收等）的智能化。是否能改变这一现状？智能制造的提出体力劳动得到解放，但脑力劳动依然依赖人的智慧；制造过程信息化的增加，对脑力劳动的依赖越严重。一、智能制造系统的含义智能制造系统(IntelligentManufacturingSy