先进制造技术概论自动化制造系统

先进制造技术第八章自动化制造系统(1)制造自动化技术的内涵制造自动化技术是制造业的关键技术，对制造业的发展具有非常重要的作用。制造自动化概念是一个动态发展的过程。20世纪初对制造自动化的理解或者说制造自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。后来随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，制造自动化的概念已扩展为不仅包括用机器（包括计算机）代替人的体力劳动和脑力劳动，而且还包括人和机器及制造过程的控制、管理和协调优化，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时和洁净的目标。先进制造技术自动化制造系统自动化制造系统(2)制造自动化技术的关键技术①集成化技术。在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的。现在更强调技术、人和管理的集成。在开发制造系统时强调“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成、资源集成、过程集成、技术集成及人员集成。②智能化技术。应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、发货、支持用户到产品报废等）各个环节智能化，实现生产过程（包括组织、管理、计划、调度、控制等）各个环节的智能化、并实现人与制造系统的融合及人的智能的充分发挥。③网络技术。网络技术包括硬件与软件的实现。各种通信协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。④分布式并行处理技术。该技术实现制造系统中各种问题的协同求解，获得系统的全局最优解，进而实现系统的最优决策。先进制造技术④多学科、多功能综合产品开发技术。机电产品的开发设计不仅涉及到机械科学的理论与知识而且还涉及到电磁学、光学、控制理论等。不仅要考虑技术因素，还必须考虑到经济、心理、环境、人文及社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。⑤虚拟现实技术。利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术，实现产品设计制造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真，采用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融文字、语音、图像、动画于一体，给人一种真实感及身临其境感。⑥人一机一环境系统技术。将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研究的重点是：人机环境的体系结构及集成技术、人在系统中的作用及发挥、人机柔性交互技术、人机智能接口技术、清洁制造等。这些主要关键技术体现了21世纪制造技术对CAD／CAM集成系统的要求，表达了CAD／CAM集成发展的方向。先进制造技术自动化制造系统一.自动化制造系统的常见类型一.自动化制造系统的常见类型先进制造技术刚性半自动化单机刚性自动化单机刚性自动线刚性综合自动化系统一般数控机床加工中心混合成组制造单元分布式数控系统DNC柔性制造单元FMC柔性制造系统FMS柔性制造线FML计算机集成制造系统CIMS柔性自动化设备及系统刚性自动化设备及系统自动化制造系统一.自动化制造系统的常见类型1.刚性自动化设备及系统(1)刚性半自动化制造设备除上下料外，机床可以自动的完成单个工艺过程的加工循环，这样的机床称为刚性半自动化单机。刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次，但是投资少、见效快，适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点：调整工作量大，加工质量较差，工人劳动强度大。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型(2)刚性自动化制造设备在刚性半自动化单机的基础上增加自动上下料装置而形成的自动化机床称刚性自动化单机。刚性自动化单机常用于品种变化很小，但生产批量特别大的场合。特点：投资少、见效快，但通用性差，是大量生产最常见的加工设备。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型(3)刚性自动线（自动化生产线）把机床按工艺顺序依次排列，用自动输送装置和其它辅助装置将它们联系起来，使之成为一个整体，并用液压或气动系统与电气控制系统将各个部分的动作联系起来，使其按照规定的程序自动地进行工作,使原料、毛坯或半成品（在装配时是零部件）根据控制系统要求，以一定节拍，按工艺顺序自动地经过各工位，完成预定的工艺过程，最后成为合乎设计要求的制品。这种自动工作的机床系统就称为刚性自动线。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型特点：具有统一的控制系统和严格的生产节拍，与自动化单机相比，结构复杂，完成的加工工序多，生产率很高。是少品种、大量生产必不可少的加工设备。优点：生产周期短，中间库存少，物料流程短，占地面积少，改善劳动条件，便于管理。缺点：投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型(4)刚性综合自动化系统包括零件制造、热处理、锻压、焊接、装配、检验、喷漆、甚至包装在内的自动化系统。优点：生产率极高，加工质量稳定，工人劳动强度低。缺点：结构复杂，投资强度大，建线周期长，更换产品困难。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型2.柔性自动化设备及系统(1)分布式数控系统(DNC)DNC是用一台或多台计算机，对多台数控设备实施综合控制的一种方法，是机械制造系统的一个重要发展。DNC系统属于自动化制造系统的一种模式。①DNC发展过程：群控（DirectNumericalControl）分布式数控（DistributedNumericalControl）：DNC系统实施分级控制，CNC计算机直接控制生产机床并与DNC系统主机进行信息交互，DNC主机也可与其它计算机进行信息的交互。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型②DNC系统的组成DNC控制计算机数据通讯系统DNC接口NC或CNC装置软件系统：软件系统包括实时多任务操作系统、DNC通信软件、DNC管理和监控软件、NC程序编辑软件等。有时需要数据库管理系统、图形输入与编辑软件、刀具轨迹模拟和DNC接口管理软件等。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型③DNC系统的主要功能NC程序的上载与下载；NC程序存储与管理；系统的简单控制与调度；系统状态信息的采集、处理和报告；根据生产作业计划进行生产调度与控制；计划、工装（刀具、量具、夹具）信息、物料数据的集成生产管理。目前多数DNC系统仅包括前三项功能，同时包括第四项功能的DNC还不多见。由于DNC系统的上述功能都是在DNC管理与控制软件（包括DNC接口软件）支持下完成的，因此DNC系统的功能实际上也是DNC管理与控制软件应具有的功能。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型④DNC系统的控制结构DNC系统的一般结构先进制造技术NC/CNC机床NC/CNC机床数据通信系统DNC控制计算机一.自动化制造系统的常见类型多级DNC结构，通常为树型结构。一般来说，底部的能力主要面向应用，具有专用的能力，用于完成规定的特殊任务。而顶部则具有通用的能力，控制与协调整个系统。最高级：自动编程、系统管理、生产计划和物料需求计划等项功能。中间级：接收来自上一级系统的指令信息，也可根据下一级的设备状态，进行任务分解和调度，实时地向各个设备分配加工任务及一些统计信息和系统状态信息的反馈。设备级：一般都是机床控制单元，它接受来自上一级的加工指令和控制信息，实现机床各坐标轴的运动及有关辅助功能的协调工作。也可向上一级反馈工况信息。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型先进制造技术CAD/CAPP工艺路线车间控制器单元控制器DNC控制器计划需求管理CNC机床1.......NC程序管理NC程序生产计划计划完成情况生产计划系统CNC机床n设备层单元层车间层公司层物料管理工装工具管理计划完工管理设备管理质量管理综合查询机床运行状态ERP工作站层一.自动化制造系统的常见类型(2)柔性制造单元FMC由1～3台计算机数控机床或加工中心所组成，单元中配备有某种形式的托盘交换装置或工业机器人，由单元计算机进行程序编制和分配、负荷平衡和作业计划控制。优点：占地面积小，系统结构不很复杂、成本较低、投资较小、可靠性较高、使用及维护均较简单。适用于品种变化不是很大，生产批量中等的生产规模。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型FMC控制系统一般分为两级，分别是单元控制级和设备控制级。FMC的基本控制功能包括：单元中各加工设备的任务管理与调度。单元内物流设备的管理与调度。刀具系统的管理。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型图所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70把，采用双机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环形转盘，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型(3)柔性制造系统FMS先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型先进制造技术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、成品分装工作单元一.自动化制造系统的常见类型柔性制造系统FMS由四部分组成：两台以上的数控加工设备、一个自动化的物料及刀具储运系统、若干台辅助设备（如清洗机、测量机、排屑装置、冷却润滑装置等）和一个由多级计算机组成的控制和管理系统。①自动化加工设备组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型②工件储运系统FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库和托盘（工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等;工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。③刀具储运系统刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。④辅助设备辅助设备一般包括自动清洗工作站,自动去毛刺设备,自动测量设备,集中切屑运输系统和集中冷却润滑系统等。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型⑤多层计算机控制系统FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、工作站控制级、设备控制级。先进制造技术第三级第二级第一级1212mn一.自动化制造系统的常见类型FMS优点：系统自动化程度高，可以减少机床操作人员。由于配有质量检测和反馈控制装置，零件的加工质量很高。工序集中，可以有效减少生产面积。与立体仓库相配合，可以实现24小时连续工作。由于集中作业，可以减少加工时间。易于和计算机管理信息系统、技术信息系统和质量信息系统结合形成更高级的自动化制造系统。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型FMS缺点：系统投资大，投资回收期长。系统结构复杂，对操作人员的要求很高。系统结构复杂使得系统的可靠性较差。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型(4)柔性制造线FML是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线，对物料系统的柔性要求低于FMS，但生产效率更高。柔性制造线主要适用于品种变化不大的中批和大批量生产，线中的机床主要是多轴主轴箱的换箱式和转塔式加工中心。在工件变换以后，各机床的主轴箱可自动进行更换，同时调入相应的数控程序，生产节拍也会作相应的调整。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型优点：柔性制造线具有刚性自动线的绝大部分优点，当批量不很大时，生产成本比刚性自动线低得多，当品种改变时，系统所需的调整时间又比刚性自动线少得多。缺点：建立系统的总费用比刚性自动线高得多。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型图示为一加工箱体零件的柔性自动线示意图，它由两台对面布置的数控铣床，四台两两对面布置的转塔式换箱机床和一台循环式换箱机床组成。采用辊子传送带输送工件。FML同时具有刚性自动线和FMS的某些特征，在柔性上接近FMS，在生产率上接近刚性自动线。先进制造技术一.自动化制造系统的常见类型(5)柔性装配线(FAL)柔性装配线（FlexibleAssemblyLine）通常由装配站