第8章-柔性制造系统

2019/10/14武汉理工大学机电学院1/72一、FMS概述二、FMS加工系统三、FMS储运系统四、FMS控制系统第八章柔性制造系统五、CIMS系统2019/10/14武汉理工大学机电学院2/72一、FMS概述1、FMS的产生和特点2、FMS的定义、组成及其分类3、FMS的发展趋势2019/10/14武汉理工大学机电学院3/721、FMS的产生和特点FMS因应：产品更新换代周期缩短；需求日益个性化；4柔性——是指制造系统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。加工箱体类零件的组合机床自动线刚性柔性刚性自动线：按一定工艺顺序排列的若干台自动机床，用工件传送装置和控制系统联结起来，按照规定的生产节拍，工件自动地依次经过各个加工工位进行自动加工的连续作业线。从自动线到柔性制造系统5刚性自动线的特点与缺陷特点：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。缺点：投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。柔性制造系统产生2019/10/14武汉理工大学机电学院6/72世界上公认的第一条柔性制造系统是英国莫林斯（Molins）机床公司1967年建成的“MolinSystem-24”。主要设备是6台模块化结构的多工序数字控制机床，该系统能24小时连续工作，因此称为“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。柔性自动化制造技术的产生2019/10/14武汉理工大学机电学院7/72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。我国FMS的研究历程2019/10/14武汉理工大学机电学院8/72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。9典型的柔性制造系统示意图110典型的柔性制造系统示意图211典型的柔性制造系统示意图32019/10/14武汉理工大学机电学院12/72FMS的柔性设备柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，设备随产品变化而加工不同零件的难易程度。工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。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。通常体现在以下几个方面：2019/10/14武汉理工大学机电学院13/72(1)FMS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。(根据“中华人民共和国国家军用标准——武器装备柔性制造系统术语”的定义)“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”。（美国制造工程师协会(SME)的计算机辅助系统和应用协会）2、FMS的定义、组成及其分类2019/10/14武汉理工大学机电学院14/72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：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。2019/10/14武汉理工大学机电学院15/72FMS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FMS的组成物料储运系统计算机控制系统加工系统2019/10/14武汉理工大学机电学院16/72FMS基本组成2019/10/14武汉理工大学机电学院17/72硬件组成——三个子系统加工系统储运系统计算机控制系统(2)FMS的组成2019/10/14武汉理工大学机电学院18/72软件组成FMS系统支持软件——操作系统、网络通信系统、数据库管理系统等；FMS的运行控制系统——动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统、物料（工件和刀具）管理控制系统等。2019/10/14武汉理工大学机电学院19/72FMS的功能能自动管理零件的生产过程，自动控制制造质量，自动进行故障诊断及处理，自动进行信息收集及传输；简单地改变软件或系统参数，便能制造出某一零件族的多种零件；物料的运输和储存必须为自动(包括刀具等工装和工件的自动运输)；能解决多机床条件下零件的混流加工，且无需额外增加费用；具有优化调度管理功能，能实现无人化或少人化加工。2019/10/14武汉理工大学机电学院20/72a)互替式b)互补式c)混合式FMS适用于中小批量的生产，既要兼顾对生产率和柔性的要求，也要考虑系统的可靠性和机床的负荷率。因此，就产生了三种类型的FMS：(3)FMS的机床配置形式互替形式所谓互替机床就是纳入系统的机床可以互相代替。例如，由数台加工中心组成的FMS，由于加工中心可以完成多种工序的加工，有时一台加工中心就能完成箱体的全部工序，工件可随机地输送到系统中任何恰好空闲的加工工位。系统具有较大的柔性和较宽的工艺范围，而且可以达到较高的时间利用率。从系统的输入和输出来看，它们是并联环节，因而增加了系统的可靠性，即当某一台机床发生故障时，系统仍能正常工作。互补形式所谓互补机床就是纳入系统的机床是互相补充的，各自完成某些特定的工序，各机床之间不能互相取代，工件在一定程度上必须顺序经过各加工工位。它的特点是生产率较高，对机床的技术利用率较高，即可以充分发挥机床的性能。从系统的输入和输出的角度来看，互补机床是串联环节，它减少了系统的可靠性，即当一台机床发生故障时，系统就不能正常工作。2019/10/14武汉理工大学机电学院21/72互替与互补机床配置的特征比较2019/10/14武汉理工大学机电学院22/72柔性制造单元（FMC）小型FMS，由1-2台机床组成，自动更换刀具，自动上下工件；柔性制造系统（FMS）控制与管理功能比FMC强，管理通信要求高；柔性制造生产线（FML）数控组合机床设备，专用性强、生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用FMS。柔性制造工厂（FMF）全企业范围生产管理、设计开发、加工制造和物料运储全盘自动化。(4)FMS的分类2019/10/14武汉理工大学机电学院23/721）柔性制造单元（FMC）由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。具有一定的生产调度能力。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。FMS的分类2）柔性制造系统（FMS）以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。3）柔性制造生产线（FML）把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。2019/10/14武汉理工大学机电学院24/72柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem）由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现了物料流和信息流的自动化。其基本组成部分有：自动化加工设备、工件储运系统、刀具储运系统和多层计算机控制系统等。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。柔性制造系统FMS2019/10/14武汉理工大学机电学院25/722.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.FMS的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.FMS可以根据生产需要配置辅助设备。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。2019/10/14武汉理工大学机电学院26/725.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。图8-4就是一个FMS控制系统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350卧式加工中心、XH714A立式加工中心和仓储设备等。（1）设备控制级。（2）工作站控制级。（3）单元控制级。图8-5是一种较典型的FMS，四台加工中心直线布置，工件储运系统由托盘站2、托盘输送车4、工件装卸工位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组成。2019/10/14武汉理工大学机电学院27/72图8-4FMS控制系统实例2019/10/14武汉理工大学机电学院28/72典型的FMS2019/10/14武汉理工大学机电学院29/72图8-6具有装配功能的柔性制造系统2019/10/14武汉理工大学机电学院30/72柔性制造线（FlexibleManufacturingLine）由自动化加工设备、工件输送系统和控制系统等组成。柔性制造线(FML)FML的主要优点是：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