先进制造技术-第四讲-FMS

授课老师：慕陈喆机械工程系第四讲——FMS第2章制造自化技术2.4柔性制造系统随着市场对产品多样化、低制造成本及短制造周期等需求日趋迫切，同时由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的进一步发展，制造技术已经向以信息密集的柔性自动化生产方式及知识密集的智能自动化方向发展。柔性制造技术是电子计算机技术在生产过程及其装备上的应用，是将微电子技术、智能化技术等与传统加工技术融合在一起，具有先进性、柔性化、自动化、效率高的现代制造技术。柔性制造技术的发展还进一步推动了生产模式的变革，是实现计算机集成制造（CIM）、智能制造（IM）、精良生产（LP）、敏捷制造（AM）等先进制造生产模式的基础。柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）是一个以网络为基础、面向车间的开放式集成制造系统，是实现CIMS的基础，它具有CAD、数控编程、分布式数控、工夹具管理、数据采集和质量管理等功能。根据系统所含机床数量、机床的结构不同，可将系统分成三类：柔性制造装置（FMU）、柔性加工单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）。2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述1.FMS的产生和发展从20世纪60年代开始到70年代计算机技术得到了飞速发展，计算机控制的数控机床（CNC机床）在自动化领域中取代了机械式的自动机床，使建立适合于多品种、小批量生产的柔性加工生产线成为可能。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（FMS）最具代表性。2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述1.FMS的产生和发展1994年初，据统计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。目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS，日本从1991年开始实施的“智能制造系统（IMS）”国际性开发项目，属于第二代FMS；而真正完善的第二代FMS在21世纪将会实现。届时，智能化机械与人之间将相互融合、柔性地全面协调从接受订单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述2.FMS的基本组成及主要功能（1）FMS的定义及基本组成在我国有关标准中，FMS（FlexibleManufacturingSystem）被定义为：柔性制造系统是由数控加工设备、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。其构成框图如图2-13所示。2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述2.FMS的基本组成及主要功能（1）FMS的定义及基本组成图2-13FMS的构成框图2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述2.FMS的基本组成及主要功能（1）FMS的定义及基本组成1）加工系统加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动地更换工件和刀具。通常包括由两台以上的数控机床、加工中心或柔性制造单元（FMC）以及其他的加工设备所组成，例如测量机、清洗机、动平衡机和各种特种加工设备等。2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述2.FMS的基本组成及主要功能（1）FMS的定义及基本组成2）物流系统在FMS中，工件、工具流统称为物流，物流系统即物料储运系统，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。物流系统由输送系统、储存系统和操作系统组成，通常包含有传送带、有轨运输车、无轨运输车、搬运机器人、上下料托盘、交换工作台等机构，能对刀具、工作和原材料等物料进行自动装卸和运储。2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述2.FMS的基本组成及主要功能（1）FMS的定义及基本组成3）信息系统信息系统包括过程控制及过程监视两个系统，能够实现对FMS的运行控制、刀具监控和管理、质量控制，以及FMS的数据管理和网络通信。2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述2.FMS的基本组成及主要功能（1）FMS的定义及基本组成下图是一个典型的柔性制造系统示意图。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2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述2.FMS的基本组成及主要功能（2）FMS的主要功能常见的FMS一般具有以下功能：1）自动制造功能，在柔性制造系统中，由数控机床这类设备承担制造任务；2）自动交换工件和刀具的功能；3）自动输送工件和刀具的功能；4）自动保管毛坯、工件、半成品、工夹具、模具的功能；5）自动监视功能（即刀具磨损、破损的监测），自动补偿，自诊断等；6）作业计划与调度。2.4柔性制造系统2.4.1柔性制造系统（FMS）概述3.FMS的优点及效益从FMS的构成和功能可以看出，FMS具有下列的优点和效益：（1）有很强的柔性制造能力（2）提高设备利用率（3）减少设备成本与占地面积（4）减少直接生产工人，提高劳动生产率（5）减少在制品数量，提高对市场的反应能力（6）产品质量提高（7）FMS可以逐步地实现实施计划2.4柔性制造系统2.4.2车间自动化递阶结构柔性制造系统担任系统的管理和协调，使整个生产过程自动进行。控制系统包括硬件和软件，如图所示。2.4柔性制造系统2.4.3FMS工件传送及其管理系统工件传送及其管理系统由物料仓库、夹具系统、装卸工作站、缓冲工作站、物料运输车组成。（1）物料仓库FMS物料仓库的用途是存储毛坯、在制品、夹具等。物料仓库分平面仓库和立体仓库两类。平面仓库的货位是按平面布局的，它适合于加工品种少、生产规模较小的单位。立体仓库的货位是由多层立体布局的，适合于大中型企业应用。2.4柔性制造系统2.4.3FMS工件传送及其管理系统（2）夹具系统FMS的夹具大多由具有可灵活组合的模块化拼装式夹具元件组成，它由夹具基本块、定位件、夹紧垫块、压板、连接件、压紧螺钉等拼装形成。一种快速夹紧液压气动装置可作为夹紧力的动力源，例如，安装在托盘上的夹具体就带有液压机构和基础装置，它的动力源装置被安置在装卸工作站上，当夹具和托盘在装卸站上装夹工件时，它通过快速连接管路与动力源装置相连，获得自动夹紧能源；当夹紧动作完成后，快速连接管路被断开，依靠自封接头保持压力，用蓄能装置维持夹具在加工期间所需要的夹紧力。2.4柔性制造系统2.4.3FMS工件传送及其管理系统（3）装卸工作站装卸工作站的功能是为制造单元提供已正确装夹的工件、夹具、托盘组件。在装卸工作站上，首先在托盘上按指定零件所需要的夹具拼装夹具和对它进行调整，然后完成指定零件在已装拼好的夹具中的定位和夹紧，已完成装夹的工件、夹具、托盘组件形成一体，最后将其加载到由计算机控制的物料运输车上，等待加工。装卸工作站有固定式和翻转式两种，翻转式用在卧式加工中心。2.4柔性制造系统2.4.3FMS工件传送及其管理系统（4）缓冲工作站缓冲工作站是一种待加工零件的中间存储站，也称托盘库。由于FMS不可能像单一的流水线或自动线那样到达各机床工作站的节拍完全相等，因而避免不了会产生加工工作站前的排队现象，缓冲工作站正是为此目的而设置的，起着缓冲物料的作用。缓冲工作站一般设置在加工机床的附近，有环形和往复直线形等多种形式，可储存若干只工件或托盘组合体，为了节约占地面积，可采用高架托盘缓冲库。若机床发出已准备好接受工件信号时，通过托盘交换器便可将工件从缓冲工作站送到机床上进行加工。在缓冲工作站的每个工位上安装有传感器，直接与FMS的控制管理系统连接。2.4柔性制造系统2.4.3FMS工件传送及其管理系统（5）物料运输车物料运输车分为两类：有轨运输车和无轨运输车。其作用是在各站点之间运载物料。有轨运输车只能沿两条直线轨道运行，不能走曲线轨道，它的停靠站点设在直线轨道的两侧。取送托盘机构设置在车体上，通过带销钉的环形链条，托盘可从运输车上卸载到停靠站上或将托盘加载到运输车上。无轨运输车的运行路线可以是曲线，甚至可连成多重环道。运输车运行路线的导引有多种方式：感应导引、红外导引、激光导引、CCD数字图像——计算机制导方式，已用于商品化的方式是感应导引方式。2.4柔性制造系统2.4.4刀具交换系统及其管理刀具交换管理系统由刀具存储库、刀具组装站、刀具预调站及刀具运输装置等部分组成。它的功能是适时地向加工单元提供加工所需的刀具，取走已用过和耐用度耗尽的刀具。2.4柔性制造系统2.4.4刀具交换系统及其管理表2-3列举了几种类型换刀方式的性能并作了比较。表2-3换刀类型及其性能比较表类型项目中央刀库／机器人运输车／机器人盒式刀库整体刀库结构特点换刀方式在刀库与加工单元间，机器人执行换刀在加工单元和刀具站，行走机器人执行换刀无轨运输车实现刀盒运输有轨运输系统运输整体刀库每次换刀数1把10～50把12～48把40把刀库容量机床采用链式刀库40、50、60把运输车刀架上刀具排列顺序与机床刀库一致200把机床刀库与换刀刀库可互换其他CNC装置必须有动态换刀功能自动化程度全自动全自动半自动全自动适用范围产品品种变化频繁多品种每班每机床1～2种多品种产品批量小批量小批量中批量小批量2.4柔性制造系统2.4.5FMS加工单元FMS的主体是加工单元。作为加工单元的机床应具备如下若干条件：①有CNC计算机数控装置，有可以与计算机直接通信的DNC接口；②有自动工件托盘交换装置和自动刀具交换装置；③能完成所选零件族加工中尽可能多的工序和独立完整的加工工序。2.4柔性制造系统2.4.6FMS清洗工作站清洗工序的主要目的是清除掉加工残留在工件上的切屑和油污，或者清除毛刺。有的加工中心自备强力冲洗装置。独立清洗设备形式多种多样，大致可分为两大类：间歇式清洗机和在线通过式清洗机。在线通过式清洗机适用于大批量生产，清洗件从清洗机一端依次送入，经过清洗喷淋、清水漂洗、热风干燥等工位，完成清洗后从另一端送出。2.4柔性制造系统2.4.7FMS在线测量工作站计算机集成制造要求零件能很快完成检验，尽快发现误差并对其进行校正，测量机能在车间环境下进行测量作业等。测量机在计算机控制下具有尺寸偏差的确定能力和存取测量数据的能力——存储机器校正数据、产生统计处理控制数据、传输尺寸数据文件到主计算机、进行测量结果的比较、测量数据实时显示等。2.4柔性制造系统2.4.8FMS单元控制器和工作站控制器（1）单元控制器单元控制器是柔性制造单元的控制器，它的功能是协调和监控所有下属工作站的作业任务的执行。它与车间级计算机联网通信，并接受其控制。单元控制器包含一个监控工作站，该工作站用于监控FMS系统的运行，通过显示装置向用户提供监控信息。监控工作站的具体功能是采集底层设备的工况信息，显示各设备的实时运行和安全状态，生产数据统计和编写日志报告。在分层递阶控制系统中的单元控制器，向上要与车间控制器互连通信，向下则要完成对FMC、FMS、DNC等制造系统的管理和控制，其任务包含：①单元中各加工设备的任务管理与调度，其中包括制造单元作业计划、计划的管理与调度、设备和单元运行状态的登录与上报。②单元内物流设备的管理与调度，这些设备包括传送带、有轨或无轨物料运输车、机器人、托盘系统、工件装卸站等。③刀具系统的管理，包括向车间控制器和刀具预调站提出刀具请求、将刀具分发至需要它的机床等。2.4柔性制造系统2.4.8FMS单元控制器和工作站控制器（1）单元控制器通常，单元控制器可分为三类：成组单元控制器、智能单元控制器和虚拟单元控制器。成组单元控制器是一种模块化结构的综合软硬件系统。它按照事先制定好的作业计划运行，不具有完善的优化调度功能。成组单元控制器的功能是管理NC程序、工件数据、刀具数据，采集生产数据，进行作业调度和分配。此外，它还具有协调控制所管理的物流工作站、加工工作站和刀具工作站。智能单元控制器的结构与成组单元控制器的结构相似。在功能上，它增加了较完善的优化调度功能和动态再调度功能。例如，当系统出现局部性故障或临时作业任务变更时，它能够根据系统资源状况调整上级下达的作