第四讲 自动化制造系统的总体设计

1第四章自动化制造系统的总体设计本章要点4.1系统的可行性论证4.2系统分析及系统类型的选择4.3系统总体设计的内容及步骤4.5总体布局和设备配置设计4.4零件族的确定及工艺分析4.6自动化制造系统的控制与生产管理4.7自动化制造系统的可靠性分析2总体设计的目的是在所确定的自动化制造系统的总目标下，从全局出发，对各组成部分之间的联系及其规律加以分析，进行零件族的选择与工艺分析、设备选型与总体布局设计、明确各子系统的性能及技术指标、各机械接口和软件接口的设计等，以保证各部分之间的有机协调，使所建成的系统具有最大的设备利用率、尽可能高的生产率、良好的系统柔性及经济性，能较好地满足用户对该系统的要求。自动化制造系统的总体设计前言3§4.1系统的可行性论证一、进行可行性论证的意义二、可行性论证的内容1、可行性论证的内涵2、必要性论证a、现实的必要性b、预见的必要性3、可行性论证应考虑的因素4、系统技术方案的可行性分析5、投资概算6、效益分析7、系统实施计划8、形成论证报告4§4.2系统分析及系统类型的选择系统分析自动化制造系统类型选择的意义和原则压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配车身安装最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理5§4.3总体设计的内容及步骤自动化制造子系统逻辑关系6§4.3总体设计的内容及步骤总体设计的内容总体设计的步骤需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段制造系统的组成7批量法则在大批量生产中，由于采用专用、高效和自动化的生产设备，可以获得高的生产率，低的生产成本，短的生产周期；而多品种、小批量生产则相反。机床利用率例：CA6140车床，最大加工直径φ400，实际加工90％以上工件直径不足100mm，机床利用率极低。制造周期在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约5％，其余95％均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间不足30%。多品种、中小批量生产中存在的问题§4.4零件族的确定及工艺分析8◆目前，单件小批量生产的产品占机械产品总数的70％以上，并有继续增大的趋势。解决多品种、中小批量生产的有效途径是采用GT。5％95％调整、装夹、对刀、检测等切削30％70％加工时间运输与等待时间制造周期加工时间图1-13多品种、中小批量生产的时间分配§4.4零件族的确定及工艺分析9GT的客观基础二次相似性结构（形状、尺寸、精度…）材料（材质、毛坯、热处理…）工艺（加工方法、加工设备…）一次相似性机械零件之间存在相似性这种相似性主要表现在三个方面：机械产品中各类零件出现有明显的规律性（图1-14）正是由于70%左右的零件属于相似件，构成实施成组技术的客观基础。§4.4零件族的确定及工艺分析10标准件复杂件相似件20～25%70%5～10%零件复杂程度零件出现频数图1-14机械产品中不同复杂程度零件分布规律§4.4零件族的确定及工艺分析11图1-15结构相似零件组图1-16工艺相似零件组§4.4零件族的确定及工艺分析12GT定义一般性定义：GT是一门生产技术科学，研究和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得最佳效果。机械制造领域中定义：将多种零件（部件或产品）按其相似性分类成组，并以这些零件组（部件组或产品组）为基础组织生产，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。GT被认为是一种“制造哲理”—（ManufacturingPhilosophy），是现代制造技术的一个重要理论基础。§4.4零件族的确定及工艺分析13图1-17成组技术基本原理产品部件零件零件组ABCA1A2A3B1B2C1C2C3C4将多种零件按其相似性分类成组，人为扩大生产批量重复使用原则：◆资源重复使用，降低生产成本；◆作业熟练程度增加，提高生产率。GT工作原理§4.4零件族的确定及工艺分析14GT发展简况★20世纪50年代，前苏联院士Митрофанов在其著作“成组工艺科学原理”中首次提出“成组技术”。★20世纪60年代西欧研究GT形成高潮，代表人物首推阿亨工业大学Opitz教授，他所领导的小组进行了大量的调查研究工作，为成组技术提供了重要的理论依据。★20世纪70年代，美国、日本接受成组技术，并迅速与计算机技术联系在一起，使其得到更好的应用。★20世纪80、90年代，GT与各种新的制造方式相结合，成为现代制造技术的基础。★GT发展过程：成组加工→成组工艺→成组技术→成组生产系统§4.4零件族的确定及工艺分析151）综合零件法——★综合零件包含了零件组内所有零件的结构要素，它可以是一个实际零件，但更多情况是一个假想零件。★按综合零件编制工艺规程，则该工艺规程包含了零件组内所有零件的工艺内容。★综合零件法多用于回转体零件的成组工艺过程设计。成组工艺过程设计2）综合路线法——★将零件组内所有零件的工艺内容综合在一起，形成成组工艺。★多用于非回转体零件的成组工艺过程设计。§4.4零件族的确定及工艺分析16综合零件图1-23综合零件实际零件【例】§4.4零件族的确定及工艺分析17特征矩阵综合零件成组工艺过程卡车间零件组代号页工序号工序名称及内容机床适用零件车右端面,打中心孔,车外圆(留磨量)车螺纹,倒角,切槽,切断1C6132ABCDE2车左端面,打中心孔,倒角铣键槽（铣横槽,铣扁）3C6132X51W4调质5研中心孔C61326磨外圆M121∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨1234567890123456789§4.4零件族的确定及工艺分析181）加工单元组织形式①成组单机②成组单元③成组流水线④成组柔性制造系统图1-24成组单元布置形式加工单元设计a）机群式布局GGGDDMM进出料口LLLLLLAAMMb）成组单元布局LLLMMDDGGA出料口进料口§4.4零件族的确定及工艺分析图1-25FMS自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机信息传输网络加工单元1加工单元2加工单元n运输小车工夹具站§4.4零件族的确定及工艺分析202）确定机床数量式中[Qj]——计算的机床台数Ni——第i种零件年需求量tij——第i种零件在第j种机床上的单件工时F——机床年台时基数FtNQniijij1][（4-4）（4-4a）F=250×M×8×K式中M——班次K——开机系数，常取0.9～0.95◆计算机床台数：§4.4零件族的确定及工艺分析21◆一般要求：η≥0.85关键、稀少设备允许η=1.1～1.2简单设备η值可适当减小◆负荷调整与平衡：①负荷过低，可几个单元共用一台机床②也可扩大单元内零件组数或组内零件数◆机床负荷率：][jjQQ（4-6）◆实际机床台数：Qj≥[Qj]（4-5）§4.4零件族的确定及工艺分析22§4.5总体布局和设备配置设计自动化制造系统的组成独立工作的设备物料运贮系统系统运行控制与通信系统23一、设备配置设计一）、设备选择设计二）、机械设备的配置§4.5总体布局和设备配置设计机械加工机床工件装卸站工件检测设备其他工作设备24三）、物料运贮系统的设备配置§4.5总体布局和设备配置设计物料的搬运是指在同一场所范围内的、以改变物料的存放（支撑）状态（及狭义的装卸）和空间位置（既狭义的搬运）为主要目的的活动，即对物料、产品、零部件或其他物品进行搬上、卸下、移动的活动。输送设备是在一定的线路上，沿同一方向连续不断地输送物料的一种搬运设备。常见的输送设备有辊式、链式、轮式、带式、悬挂式等多种形式。物料输送、搬运在生产领域各个生产环节中起着相互连接与转换作用，使生产能连续正常进行。25物料搬运的一般原则有：1.保持或提高物料的搬运活性。2.减少环节，简化作业流程，实现物流合理化。3.以满足生产工艺的需要为前提，充分发挥机械设备的利用率。4.实现机械化、自动化的原则。5.贯彻系统化、标准化原则。26一、连续输送设备输送机是物流系统作业中重要的且必不可少的设备，其特点在于：生产率高，设备简单，操作方便。一定类型的连续输送机只适合输送一定的物品，只能沿着一定路线定向输送，在使用上有一定的局限性。按结构形式的分类方法分，连续输送机分为三大类：具有挠性牵引构件的连续输送机不具有挠性牵引构件的连续输送机液体输送装置（管道输送）。27通用带式输送机主要由输送带、支撑托辊、张紧装置、驱动装置、改向装置、装料装置、卸料装置、机架等装置组成。28气垫槽式带式输送机29带式输送机典型布置形式30圆管带式输送机31波状挡边带式输送机1卸料漏斗；2—头部护罩；3—传动滚筒；4—清扫器；5—挡边带；6—凸弧段机架；7—压带轮；8—挡轮；9—中间机架；10—中间架支腿；11—上托辊；12—凹弧段机架；13—改向滚筒；14—下托辊；15—导料槽；16—空段清扫器；17—尾部辊轮；18—尾架；19—拉紧装置。32波状档边输送带33（二）链式输送机•链式输送机由链条、链轮，以及电动机、减速器、联轴器等组成。长距离输送时，还应附加张紧装置和链条支撑导轨，有关电动机、减速器、联轴器的选用与带输送机相同。34链式输送机结构原理图1—电动机；2—平带；3—链轮；4—链条；5—锥齿轮；6—减速器。351.埋刮板式输送机链式输送机的形式有平板式输送机、刮板式输送机、斗式提升机、埋刮板式输送机等。埋刮板式输送机a)水平型b）z型c）刮板链条1—张紧段；2—加料段；3—水平段；4—刮板链条；5—头部；6—弯曲段；7—垂直中间段；8—上回转段。36常用的链条类型a）模锻链b）套筒滚子链c）板链37刮板的基本形状a）T型b）V型c）U型d）B型e）O型f）H型g）L型382.悬挂输送机•悬挂输送系统更加节省空间，更容易与工艺流程结合，因此广泛应用在各个工业部门的流水生产线的各工序之间，如机器制造业、汽车制造业、冶炼厂、建材工业、食品工业及其他经济部门。39悬挂输送机40悬挂输送机的自动装载41提式滑架1—架空导轨；2—滑架；3—牵引链；4—挂吊具42推式滑架1—车体；2—推头；3—框板；4—牵引轨道；5—牵引链；6—挡块；7—承重轨道；8—滚轮；9—导向轮。43双滑架示意图44各种形式的吊具a）通过型b）导向型c）转向型d）旋转型e）屏蔽型f）装卸型g）柔性两点吊具h）刚性两点吊具i）多点吊具45坠重式张紧装置463.辊子输送机•辊子输送机主要用来输送具有一定规则形状、底部平直的成件物品。它结构简单、运行可靠、维护方便、经济节能；近20年来，各种通用的和专用的辊子输送机得到了迅速广泛发展。47辊道式输送机1—辊子；2—支架；3—支腿；4—物品；5—传动装置；6—驱动装置。48辊子链轮传动示意图单链条传动49圆锥齿轮传动的辊子输送机1—辊子轴；2—锥齿轮；3—传动轴；4—减速箱；5—电动机。50压辊胶带传动51辊子回转台52滚珠回转台53具有特殊构造的辊子转运机构54摆动式叉道55辊道式升降台56辊道式转运台57搬运机器人1.物料搬运的概念、作用及目的在同一场所范围内、以改变物料的存放状态和空间位置为主要目的的活动。物料的输送、搬运在生产领域各个环节起着连接和转换作用，使生产能够正常的进行。正确的选择输送搬运设备，按一定的搬运原则对物料进行搬运，是提高搬运效率、降低成本的先决条件。58搬运机器人类型、功能与应用生产过程中的物料搬运机器人货场物料搬运机器人搬运自动化设备搬运机器人自动搬运小车59柔性加工单元的机器人60柔性加工系统中机器人1—拉床2—车床3—插齿机4—剃齿机5—塔式存储架6—机器人7—去毛刺机三台机器人分别负责柔性加工系统上下料工作61焊接线上的搬运机器人62电子板装配、打包机器人63码垛机器人64自动搬运小车自动搬运小车是生产系统中搬运物料的一种重要工具。又称自动导引小车AGV（AutomaticGuide