柔性制造技术

先进制造技术系列之柔性制造技术杨兰玉常熟理工学院工业现场需要的技术计算机技术传感器技术液压技术电子技术PLC技术气动技术机器人技术FMS产生的背景条件1.随着经济的发展和消费水平的提高，人们更注重产品的不断更新和多样化，中小批量、多品种生产已成为机械制造业的一个重要特征；2.科学技术的迅猛发展推动了自动化程度和制造水平的提高。FMS的产生过程◇1950s，美国MIT诞生了第一台三坐标数控铣床以后，机电一体化及数控（NC）的概念出现了。◇机电一体化技术进一步发展，出现了计算机数控（CN）、计算机直接控制（又称群控）(DNC）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助设计（CAD）、成组技术（GT）、计算机辅助工艺规程（CAPP）、工业机器人技术（ROBOT）等新技术。◇在这些新技术的基础上，为多品种、小批量生产的需要而兴起的柔性自动化制造技术得到了迅速的发展，作为这种技术具体应用的柔性制造系统（FMS）、柔性制造单元（FMC）和柔性制造自动线（FML）等柔性制造设备纷纷问世，其中柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）最具代表性。◇FMS的雏形源于美国MALROSE公司，该公司在1963年制造了世界上第一条多品种柴油机零件的数控生产线。◇FMS的概念由英国MOLIN公司最早正式提出，并在1965年取得了发明专利，1967年FMS正式形成。1.FMS定义和组成广义：由若干台数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的，能根据制造任务或生产品种的变化迅速进行调整，以适应多品种、中小批量生产的自动化制造系统。直观：FMS至少由两台机床、一套自动化的物料运储系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统，通过改变程序就能制造出任何一种零件。柔性制造系统基本概念FlexibleManufacturingSystemFMS●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，FMS被定义为：“柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，简称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。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。”●美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为：“使用计算机控制柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件族某一系列工序的，或一系列工序的一种集成制造系统。”FMS基本组成6、RV-2AJ5自由度机器人5、CNC数控铣床CNC铣床编程3、图像处理工作单元可视化监控系统PLC编程库存控制PLC编程8、存储工作单元11、传输带系统1、供料工作单元2、检测工作单元9、操作手工作单元7、装配工作单元4、操作手工作单元10、成品分装工作单元PLC立体库PLCFieldbusHMIPLCProgrammingComputerPLC供料和检测H1H2H3FieldbusPLCROBOTCONTROLLER机器人装配存储操作手PLC图像处理CNC数控机床CNCCONTROLLER3、RV-2AJ5自由度机器人5、CNC数控铣床工作单元CNC铣床编程PLC编程库存控制6、存储工作单元7、传输带系统1、供料工作单元2、检测工作单元4、装配工作单元典型的柔性制造系统4、RV-2AJ5自由度机器人6、CNC数控铣床工作单元CNC铣床编程3、图像处理工作单元可视化监控系统PLC编程库存控制PLC编程7、存储工作单元8、传输带系统1、供料工作单元2、检测工作单元5、装配工作单元6、RV-2AJ5自由度机器人5、CNC数控铣床工作单元CNC铣床编程3、图像处理工作单元可视化监控系统PLC编程库存控制PLC编程8、存储工作单元11、传输带系统1、供料工作单元2、检测工作单元9、操作手工作单元7、装配工作单元4、操作手工作单元10、成品分装工作单元5、RV-2AJ5自由度机器人4、CNC数控铣床工作单元CNC铣床编程3、图像处理工作单元可视化监控系统PLC编程库存控制PLC编程7、存储工作单元11、传输带系统1、供料工作单元2、检测工作单元9、操作手工作单元6、装配工作单元8、操作手工作单元10、成品分装工作单元◆柔性高，适应多品种中小批量生产；◆系统内的机床在工艺能力上是相互补充或相互替代的；◆可混流加工不同的零件；◆系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；◆递阶结构的计算机控制，可以与上层计算机联网通信；◆可进行第三班无人值守生产。2.FMS的特点3.FMS的适用范围◇柔性制造模块（FMM）◇柔性制造单元（FMC）◇柔性制造系统（FMS）◇柔性制造生产线（FML）◇柔性制造工厂（FMF）1-加工中心机床2-托盘3-托盘站4-环形工作台5-工件交换台柔性制造单元不同类型柔性设备的适用范围1.加工系统的功能与要求机床设备与夹具、托盘和自动上下料机构构成加工系统。其结构形式及数量、规格和类型取决于工件的形状、尺寸和精度要求，生产批量。要求：•工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数；•控制功能强、扩展性好；•高刚度、高精度、高速度；•自保护与自维护性好；•使用经济性好；•对环境的适应性与保护性好。FMS的加工系统1-刀库2-回转刀架3-换刀机械手4-上下工件机器人5-工件存储站车削加工中心FMS机床配置形式2.加工系统常用配置形式1）互替式2）互补式3）混合式3.加工系统的辅助装置•机床夹具组合夹具：利用标准化夹具零部件快速拼装所需的夹具；柔性夹具：一部夹具能为多个加工对象服务。•托盘（Pallet）承载工件和夹具完成加工任务，各加工单元间的硬件接口。•自动上下料装置托盘交换器：联接加工系统和物料运储系统桥梁；工业机器人：具有较大的柔性度。组合夹具1-液压缸2-夹紧元件3-支撑元件4-定位元件柔性夹具回转式托盘交换器FMS的工件运储系统•工件装卸站设在FMS入口，由人工完成装卸；•托盘缓冲站工件中间存储站，起缓冲物料作用；•自动化仓库多层立体布局结构，由计算机控制，服从FMS命令和调度；•物料运载装置负责在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间物料搬运作业。传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损；自动运输小车：分有轨小车、无轨小车；搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。1.FMS工件运储系统组成2.FMS物料输送基本回路◆直线输送回路沿直线路线单向或双向移动，顺序地在各个连接点停靠；◆环形输送回路运载工具沿环形路线单向或双向移动；◆网状输送回路由多个回路相互交叉组成，可由一条环路移动到另一回路。FMS的刀具运储系统1.刀具运储系统的组成●刀具预调站设在FMS之外，按要求对刀具进行装配和调整；●刀具装卸站刀具进出FMS的门户，多为排架式框架结构；●刀库系统存放当前加工所需刀具的机床刀库，容量小；存放各加工单元共享刀具的中央刀库，容量大；●刀具运载交换装置负责刀具运输和交换，适时向加工单元提供所需刀具；●计算机控制管理系统--控制刀具运输、存储和管理，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或寿命已耗尽的刀具。1-AGV2-装载刀架3-机器人4-机床刀库刀具运载AGV小车2.刀具运储系统作业过程刀具刃磨人工组装刀具预调刀具装卸站中央刀具库需重磨或报废刀具加工单元刀库加工单元刀库加工单元刀库单元控制器铣削工作站车削工作站……物流管理工作站CNCNo1CNCNo2PLC自动化仓库AGVROBOT刀具管理...FMS递阶控制结构CNCNo1CNCNo2PLC...系统管理与控制层(单元层)过程协调与监控层(工作站层)设备控制层(设备层)FMS的控制与管理系统1.FMS控制与管理系统的体系结构2.FMS单元控制器功能•通信管理与运行控制--实现上下层信息通讯，控制内部模块运行；•系统信息管理--对单元信息进行存储、管理和维护；•作业计划制定--根据上级下达任务制定本单元作业计划，并进行计划调整；•系统作业调度--具有系统仿真、静/动态调度、系统资源调度等功能；•系统过程监控--监控系统状态变化，故障处理，其结果传送至系统信息管理模块和上级控制器。3.FMS控制系统的信息流