第4章_自动化制造系统

电子课件4.1柔性制造系统4.2计算机集成制造系统4.1.1概述1.柔性制造系统的概念柔性制造系统（图4-1）是由统一的信息控制系统、物流储存系统和一组数字控制加工设备组成、能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，即FlexibleManufacturingSystem，英文缩写为FMS。4.1.1概述4.1.1概述4.1.1概述4.1.1概述4.1.1概述4.1.1概述4.1.1概述2.柔性制造系统的发展历程1967年，英国莫休斯公司首次根据威廉森提出的FMS概念，研制出了“系统24”。1976年，日本发那科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），为发展FMS提供了重要的设备形式。70年代末期，柔性制造系统在技术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台设备组成的柔性制造系统为最多，也有规模更庞大的系统投入使用。1982年，日本发那科公司建成的自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。4.1.2FMS的组成一个柔性制造系统（FMS）可概括为由下列三部分组成：多工位数控加工系统、自动化的物料储运系统和控制与管理系统（如图4-2所示）。4.1.2FMS的组成三个子系统构成了制造系统的能量流（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），如图4-3所示。4.1.2FMS的组成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工具。对以加工箱体类零件为主的FMS，配备有数控加工中心（有时也有CNC铣床）；对以加工旋转零件为主的FMS，多数配备有CNC车削中心和CNC车床（有时也有CNC磨床）；对于加工专用零件的FMS，如齿轮加工FMS，则除了配备CNC车床外，还配备了CNC齿轮加工机床。在现有的FMS中，加工箱体类零件的FMS占的比重较大，原因就在于箱体、框架类零件采用FMS加工时经济效益特别显著。4.1.2FMS的组成板材加工柔性制造系统（FMS）4.1.2FMS的组成1）加工系统的配置原则（1）工序集中；（2）使用经济性好；（3）控制功能强、扩展性好；操作性、可靠性、维修性好；（4）高刚度、高精度、高速度。选用切削功能强、加工质量稳定、生产效率高的加工设备。（5）对环境的适应性与保护性好。（6）其他。如技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚，机床外形、颜色美观并与系统相协调。2）常用设备（1）加工中心图4-4所示为FMS系统中广泛采用的TH6513C型卧式镗铣加工中心。4.1.2FMS的组成NV-800立式加工中心4.1.2FMS的组成（2）数控组合机床图4-5所示为一台三工位数控组合机床。4.1.2FMS的组成2.物流系统包含物料输送和物料储存检索两个子系统。1）物料输送系统主要有传送带式输送系统等。它由传动装置带动工件（或随行夹具）向前，在将要到达要求位置时，减速慢行使工件准确定位。工件（或随行夹具）定位、夹紧完毕后，传动装置使输送带快速复位。（1）工件的输送方式目前，工件送入系统和在夹具上装夹工件仍需人工操作，系统中设置装卸工位。较重的工件可用各种起重设备或机器人搬运。工件输送方式：①直线式输送；②环形输送。箱体类零件较多采用环形或直线式轨迹传送系统或自动输送小车系统（图4-6），而回转体类零件则较多采用机器人或（加）自动输送小车系统。4.1.2FMS的组成4.1.2FMS的组成4.1.2FMS的组成日本神钢自动导向小车（2）步伐式工件输送系统步伐式工件输送系统主要有：①弹性棘爪步伐式输送带；②摆杆步伐式输送带；③抬起步伐式输送带；④托盘步伐式输送装置；⑤非同步输送带；⑥自动辊道输送装置。2）物料存储与检索系统是FMS的一个重要组成部分。工件从毛坯到成品的整个生产过程中，只有相当小的一部分时间在机床上进行切削加工，大部分时间消耗于物料的储运过程。对大多数工件来说，可将自动化储存与检索系统视为库房工具，用以跟踪记录材料和工件的输入，储存的工件、刀具和夹具，必要时能够随时对它们进行检索。存储与检索系统主要包括以下装置。4.1.2FMS的组成4.1.2FMS的组成链式输送带（1）工件装卸站；（2）托盘缓冲站；（3）自动化仓库如图4－7所示。4.1.2FMS的组成自动化立体仓库4.1.2FMS的组成3.控制与管理系统FMS的控制与管理系统是实现FMS加工过程和物料流动过程的控制、协调、调度、监测和管理的信息流系统，是FMS的神经中枢和命脉，也是各子系统之间的联系纽带。其主要任务是：组织和指挥制造流程，并对制造流程进行控制和监视，向FMS的加工系统、物流系统（储存系统、输送系统及操作系统）提供全部控制信息并进行过程监视，反馈各种在线监测数据，以便修正控制信息，保证系统安全、可靠地运行。4.1.2FMS的组成1.FMS的分类按规模大小，FMS可分为如下三类。1）柔性制造单元（FMC）FMC（图4-8）由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的CNC机床组成，具有适应加工多品种产品的灵活性。4.1.3FMS的分类与应用2）柔性制造系统（FMS）通常包括3台以上的CNC机床（或加工中心），通过集中的控制系统及物料系统连接起来，可在在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。值得一提的是由于装配自动化技术远远落后于加工自动化技术，产品最后的装配工序一直是现代化生产的一个瓶颈问题。研制开发适用于中小批量、多品种生产的高柔性装配自动化系统，特别是柔性装配单元（FAC）及相关设备已越来越广泛地引起重视。4.1.3FMS的分类与应用3）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。图4-9所示为加工244FM摩托车发动机气缸的柔性制造线。4.1.3FMS的分类与应用2.FMS的应用从加工领域看，现在的FMS不仅能完成机械加工，还可应用于饭金加工、锻造、焊接、装配、铸造和激光、电火花等特种加工，以及喷漆、热处理、注塑和橡胶模制造等加工领域。从生产产品看，现在的FMS已不再局限于汽车、机床、飞机、坦克、火炮、舰船、拖拉机等产品的制造，还可用于计算机、半导体、木制产品、服装、食品/饮料以及医药和化工等产品的生产。据统计，1994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。4.1.3FMS的分类与应用FMS发展方向集中在以下几个方面：1）小型化、单元化20世纪90年代开始,FMS由大型复杂系统，向经济、可靠、易管理、灵活性好的小型化、单元化——FMC方向发展。2）模块化、集成化以模块化结构（比如将FMC,FMM作为FMS的基本模块）集成FMS、再以FMS作为制造自动化基本模块集成CIMS是一种基本趋势。3）开放式开放式FMS系统强调5个方面的性能特征：①即插即用；②可移植性；③可扩展性；④可缩放性；⑤互操作性。4.1.4FMS的发展4.2.1概述1.CIMS的产生随着自动化技术、计算机技术和机械制造业的飞速发展，出现了“自动化弧岛”。如由加工中心、机器人、物料储运系统组成的FMS，CAD和CAM通过CAPP集成的CAD/CAM系统，以MRPII为核心发展起来的企业信息管理系统等。它们相对独立、易于控制、具有完整的功能模块、具有便于相互连接的接口。随着现代制造技术与信息技术的结合，人们提出了CIMS的现代制造企业模式。CIMS在这些“自动化弧岛”技术的基础上，从市场分析、产品设计、生产规划、制造、质量保证、经营管理到产品售后服务等，通过数据驱动形成一个有机整体，以获得一个高效益、高柔性、智能化的大系统。2.CIMS的发展策略1）美国1976年，美国空军制订了集成计算机捕助制造计划ICAM（IntegraratedComputerAidedManufacturing），该计划提出了著名的结构化分析设计方法IDEF（ICAMDefinationMethod），并于1990年在道格拉斯飞机公司建立了CIMS工程。1986年，美国国家标准技术研究院实施的自动化制造技术研究基地（AMRF）计划，提出了CIMS的五层递阶控制结构，至今仍然是CIMS的参考控制结构，获得广泛应用。4.2.1概述2）欧盟1984年，发起了欧洲信息技术研究发展战略计划（ESPRIT），在CIMS发展方面制订了专门计划。提出的CIMS开放体系结构（CIM-OSA），为CIMS建模提供了统一描述框架和集成基础结构，已被国际标准草案所采纳，得到广泛应用。4.2.1概述3）日本从1980年起，实施包括订货、设计、加工、装配等功能在内的工厂自动化（FA）计划，建立了多个自动化程度较高的无人生产车间。日本政府于1988年提出了智能制造计划（IMS），该计划的目的在于融合日、美、欧各先进工业国家的技术优势和研究开发方法，致力于面向2l世纪的生产系统研究，克服影响制造业生存的各种共性问题，使生产基础技术真正成为人类共同财富和国际公认标准，以推动世界制造业的发展。4.2.1概述4）中国1986年制订国家高技术发展计划（863计划），CIMS是其中一个主题。我国的863/CIMS主题发展战略目标是：首先建立CIMS工程研究中心及相应的单元技术研究实验基地，进行CIMS关键技术研究；同时选择有条件、有需求的若干个企业开展CIMS应用示范工程，并使之取得经济与社会效益。在上述基础上，逐步推广并实现CIMS产业化工程。1990年起，863/CIMS主题在全国范围内选择了一批企业作为863/CIMS典型应用企业。截至1995年底，首批CIMS典型应用企业中，成都飞机工业公司CIMS工程，北京第一机床厂CIMS工程，沈阳鼓风机厂CIMS工程分别通过科技部验收和各部、委的成果鉴定，取得了显著的经济和社会效益。其中北京第一机床厂CIMS工程还荣获了美国制造工程师协会（SME）颁发的1995年“CIMS工业领先奖”。4.2.1概述3.CIMS的定义计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）的概念是1973年由美国学者JosephHarrington率先提出的，它包含两个基本观点：（1）系统的观点；（2）信息的观点。1998年，我国制定的CIMS的定义为：将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段；通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组织、管理），经营和技术三要素的集成，以加强企业新产品开发的时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）、环境（E），从而提高企业的市场应变能力和竟争能力。这实质上已将计算机集成制造发展到了现代集成制造。4.2.1概述3.CIMS的效益1）美国美国国家科研委员会对CIMS实施方面处于领先地位的五家公司，包括麦道飞机公司、通用汽车公司、迪尔拖拉机公司、英格索尔铣床公司和西屋电子公司的长期跟踪调查，1985年的分析表明：①工程设计成本降低了15%～60%；②生产周期缩短了30%～60%；③生产率提高了40%～70%；④在制品数量减少了30%～60%；⑤产品质量提高了2～5倍；⑥工程技术人员工作能力提高了3～35倍；⑦设备利用率提高了2～3倍；⑧人力费用减少了5%～20%。4.2.1概述2）日本富士通公司的试点工厂运转一年半后，分析效益如下：①生产率提高2倍；②作业日基准数降低50%；③生产人员减少50%；④库存减少35%；⑤废品率降低为原来的1/3。3）东方电机DFEM-CIMSDFEM－CIMS提高了产品设计开发与创新能力，设计周期在原来6～12个月的基础上普通缩短3个月。实现重大质量事故为零的突破，全面提高了产品质量。DFEM-CIMS建立的信息系统提高了我国大型水轮发电机组的设计和制造水平，使企业具备了