智能数控机床与编程 课件 第8章 柔性制造应用

第8章柔性制造应用

8.1柔性制造单元8.2柔性制造的物流系统8.3柔性制造的信息系统8.4柔性制造的网络通信8.5柔性制造的监控系统8.6柔性制造的机器人工作单元8.7柔性加工单元应用实例8.8本章小结

思维导图（1）掌握柔性制造单元概念；（2）熟悉柔性制造的物流系统组成及功能；（3）了解柔性制造的信息系统构成及数据类型；（4）了解柔性制造的信息交互方式及监控内容。

学习目标

一、柔性制造单元

二、柔性制造单元

§8.1柔性制造单元

本节的重点：柔性制造单元。一、柔性制造单元柔性制造技术是建立在数控设备应用基础上的、主要用于多品种、中小批量或变批量生产的制造自动化技术，其根本特征即“柔性”，是指制造系统能够适应产品变化的能力。柔性制造系统（FMS）是柔性制造技术的主要应用形式。柔性制造系统是以多台（种）数控机床为核心，通过自动化物流系统将其连接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。一、柔性制造单元典型的FMS由数控加工设备、物料储运系统和信息控制系统组成。图8-1所示为典型的FMS立体布置示意图，显示了FMS中生产原料及工具的传递、变换和加工的集成过程。图8-1FMS立体布置示意图一、柔性制造单元FMS按照规模大小分成四级：第一级：柔性制造模块（FMM）由单台数控机床配以工件自动装卸装置组成，不具备工件、刀具的供应管理功能，没有生产调度功能。第二级：柔性制造单元（FMC）通常包括FMM，它们之间由工件自动输送设备进行连接。FMC由计算机控制，可自动完成工件与刀具运输、测量、过程监控等功能，能完成整套工艺操作，具有一定的生产调度能力。第三级：柔性生产线（FML）是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。第四级：柔性制造系统（FMS）将FMC进行扩展，增加必要的加工中心台数，配备完善的物料和刀具运送管理系统，通过一整套计算机控制系统管理全部生产计划进度，并对物料搬运和机床群的加工过程实现综合控制，具有良好的生产调度、实时控制能力。二、柔性制造单元FMC实质是小型化与经济型的FMS，介于单机数控加工中心和FMS之间，既可作为FMS的组成模块，亦可独立使用。（1）FMC的功能通常FMC具有四种功能：①自动化加工功能，FMC中的加工中心由计算机进行控制，可完成车削、钻削、铣削、攻螺纹等多种加工；②物料传输、存储功能，具有保障FMC运行的在制件库、物料传输装备和工件装卸装置，是FMC与单机数控设备的显著区别之一；完成自动加工与检测的调度控制功能，可编程，具有柔性；自动检验、监视等功能，可以完成刀具检测、工件测量、刀具破损（折断）或磨损检测监视、机床保护监视等。二、柔性制造单元（1）FMC的构成1）加工中心与APC组合式。这类FMC区别于单台加工中心的特征是配置了托盘交换系统，如图8-2（a）所示2）数控机床与工业机器人组合式。这类FMC主要特征是用工业机器人作为工件装卸系统，如图8-2（b）所示。图8-2FMC构成示例

一、物流系统的组成与功能

二、物流系统的工件流

三、物流系统的刀具流

§8.2柔性制造的物流系统

本节的重点：物流系统的组成与功能。一、物流系统的组成与功能柔性制造的物流系统主要包括三个方面：原材料、半成品、成品所构成的工件流；刀具、夹具所构成的工具流；托盘、辅助材料、备件等所构成的配套流。物流系统是柔性制造的重要分系统，承担物料（毛坯、半成品、成品及工具等）的存储、输送和分配。柔性制造系统中，工件由毛坯到成品的生产过程中只有相当一小部分的时间是在机床上进行加工的，大部分时间则用于物料的传递过程，物料的传输时间占整个生产时间的80%左右。一、物流系统的组成与功能物流系统按其物料不同，可分为工件流支持系统和刀具流支持系统，如图8-3所示。工件流支持系统主要完成工件、夹具、托盘、辅料及配件等在各个加工工位间及各个辅助工位间的输送，完成工件向加工设备的输送与位姿交换。刀具流支持系统完成适时地向加工单元提供所需刀具，取走报废或耐用度耗尽的刀具。图8-3物流系统的组成框图一、物流系统的组成与功能在柔性制造中，物流系统主要完成两种工作：一是零件毛坯、原材料、工具和配套件等由外界传送进系统，以及将加工好的成品及换下的工具从系统中移走；二是零件、工具和配套件等在系统内部的搬运和存储。所以，物流系统主要完成物料的存储、输送、装卸、管理等功能。物流系统中物流设备的布置方案有直线排列布局、环形布局、梯形布局、环形与梯形组合的开放式布局以及以机器人为中心的单元。机器人能够模仿人体功能的某些特点进行作业，具有视觉和触觉能力，工作灵活性强，工作精度高，所以，以机器人为中心的布局近年来在物流系统中应用越来越广泛。二、物流系统的工件流为了使柔性制造系统中的各台加工设备都能不停地工作，工件流系统内一般装有较多工件并连续循环流动。当某台机床加工完毕后，工件（随同托盘）自动送入输送系统，在缓冲工位排队等待加工的工件自动送入加工工位，加工完毕的成品进入装卸工位进行换装，送入自动仓库存储。半成品则继续留在输送系统内，等待选择机床进行加工。为了不致阻塞工件向其他工位的输送，输送线路中可设置若干个侧回路或多个交叉点的并行料库以暂时存放故障工位上的工件。二、物流系统的工件流为了使柔性制造系统正常工作，工件流支持系统一般由自动化仓库、装卸工作站、工件输送系统以及缓冲站四部分组成，如图8-4所示。图8-4典型的工件流支持系统控制框图三、物流系统的刀具流刀具流主要负责刀具的运输、存储和管理，适时向加工单元提供所需刀具，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或耐用度已耗尽的刀具，在保证正常生产的同时，最大限度降低刀具成本。刀具流管理系统的功能和柔性程度直接影响FMS的柔性和生产效率。典型的FMS的刀具流管理系统通常由刀库系统、刀具预调站、刀具装卸站、刀具交换装置及管理控制刀具流的计算机系统组成，如图8-5所示。FMS的刀库系统包括机床刀库和中央刀库两部分。机床刀库存放加工单元当前所需要的刀具，容量有限，一般存放40～120把刀具，而中央刀库的容量很大，有些FMS的中央刀库可容纳数千把刀具，供加工单元共享。三、物流系统的刀具流图8-5

FMS刀具流管理系统三、物流系统的刀具流（1）刀具管理系统构成一个典型的刀具管理系统的硬件构成包括三部分：刀具准备车间（室）、刀具供给系统和刀具输送系统。刀具管理系统软件构成如图8-6

所示。图8-6

刀具管理系统软件构成三、物流系统的刀具流（1）刀具管理系统构成FMS中的刀具信息分为动态信息和静态信息两种。动态信息是指加工过程中不断变化的一些刀具参数，如刀具寿命、刀具直径、工作长度及参与加工的其他几何参数，直接反映了刀具使用时间的长短、磨损量的大小，对工件加工精度和表面质量产生影响。静态信息是一些加工过程中固定不变的信息，如刀具的编码、类型、属性、几何形状及一些结构参数等。三、物流系统的刀具流（2）刀具交换在FMS的刀具装卸站、中央刀库及各加工机床之间进行的远距离的刀具交换，必须有刀具运载工具的支持。刀具运载工具常见的有换刀机器人（机械手）和刀具输送小车。按运行轨道的不同，刀具运载工具可分为有轨和无轨两种，实际应用中多采用有轨刀具运载工具。有轨运载工具又分为地面轨道和高架轨道两类，高架轨道的空间利用率高，结构紧凑，一般采用双列直线式导轨，平行于加工中心和中央刀库布置，便于换刀机器人在加工中心和中央刀库之间进行移动。刀具装卸站是一种专用的刀具排架，结构多为框架式。三、物流系统的刀具流（2）刀具交换有些柔性制造系统是通过刀具运输小车将待交换的刀具输送到各加工机床，在刀具运输小车上放置一个装载刀架，该刀架可容纳5～20把刀具，由刀具运输小车将这个装载刀架运送到机床旁边，再将刀具从装载刀架上自动装入机床刀库。图8-7所示为AGV-ROBOT换刀方式。图8-7AGV-ROBOT换刀方式§8.3柔性制造的信息系统

为了使柔性制造中的各种设备与物料系统自动协调地工作，并能迅速响应系统内、外部的变化，及时调整系统的运行状态，关键是要准确规划信息流，使各个子系统之间的信息有效、合理地流动。柔性制造的信息系统包括5个层级，如图8-8所示。图8-8柔性制造的信息系统模型图中，计划层属于工厂级，包括产品设计、工艺设计、生产计划和库存管理等任务，完成任务的时间长度可从几个月到几年；管理层属于车间或系统管理级，包括作业计划、工具管理、在制品及毛坯管理和工艺系统分析等任务，完成任务时间从几周到几个月；单元层属于柔性制造系统控制级，担负分布式数控、输送单元与加工单元的协调、工况和机床数据采集等任务，完成任务时间从几小时到几周；控制层属于设备控制级，包括机床数控、机器人控制、运输和仓库控制等任务，完成任务时间从几分钟到几小时；执行层也称“设备级层”，通过伺服系统执行控制指令，或通过传感器采集数据和监控工况等，完成任务时间从几毫秒到几分钟。所以信息由多级计算机进行处理和控制，比如管理层和单元层由高性能微机作为平台，控制层大多由具有通信功能的可编程控制器组成。柔性制造系统中包含三种不同类型的数据：基本数据、控制数据和状态数据。基本数据

在柔性制造系统开始运行时建立，并在运行中逐渐补充，包括系统配置数据（机床编号、类型、存储工位号和数量等）和物料基本数据（刀具几何尺寸、类型、耐用度、托盘的基本规格、相匹配的夹具类型和尺寸等）。控制数据

有关加工工件的数据，包括工艺规程、数控程序、刀具清单和加工任务单（加工任务类型、批量及完成期限）等。状态数据

描述资源利用情况，包括设备状态数据（加工中心、清洗机、测量机、装卸系统和输送系统等装置的运行时间、停机时间及故障原因等），物料状态数据（随行夹具、刀具的寿命、破损、断裂情况及地址识别等）和工件统计数据（工件实际加工进度、实际加工工位、加工时间、存放时间、输送时间及成品数和废品率等）。§8.4柔性制造的网络通信

柔性制造中各个组成部分的信息依靠计算机网络进行交互和集成。信息涉及车间层、现场层（或工作站层）和设备层，与工业环境下的分这种网络具有一般局域网的共同特征，但又有特殊性，显著的是在工业局域网中包含大量的智能化程度不一、来自不同厂商的设备，网络的开放性尤为重要。图8-9所示为网络的物理配置结构。图8-9网络物理配置示意图单元控制器与工作站控制器之间一般用LAN连接，选择的LAN应符合ISO/OSI参考模型，网络协议选用MAP3.0，也可以选用TCP/IP与其他软件相结合的方式，如Ethernet标准。工作站控制器与设备层之间的连接可采用几种方式：①直接采用RS-232C或RS-422异步通信接口；②采用现场总线；③使用集中器将几台设备连接在一起，再连接到工作站控制器上。FMS网络是支撑柔性制造功能目标的专用工业计算机局域网系统，覆盖了车间、单元、工作站和设备层，这些层次上信息的特征、交换形式和要求各不相同，选用的通信联网形式和网络技术也不相同。§8.5柔性制造的监控系统

柔性制造过程的监控内容主要涉及：刀具磨损和破损的监视；工件在机床工作空间的位置测量；工件质量的控制；各组成部分功能检验及故障诊断。具体监控功能如图8-10所示。图8-10柔性制造加工过程监控功能集成刀具监控。刀具监控的目标是在废品可能产生前检测出刀具的破损和有缺陷的刀具，以免造成机床、工件和夹具的损坏。为此刀具监视系统必须考虑到柔性制造技术的特殊要求，即提供某些在功能上相互补充的监视系统以满足应用需求。刀具状态监视方法分为直接和间接方法，目前采用的主要是间接方法，通过检测切削力参数或由其导致的其他物理量（如扭矩、功率、电流等）来检测刀具状态。集成故障诊断。对加工中心功能和所有系统部件进行持续监控，在系统控制单元的过程控制级进行。所有发生的故障均被记录在一个诊断文件中，对其进行评估后在控制面板上报警显示。利用专家诊断系统对故障进行模拟研究，实现快速故障诊断。集成工件监控。工件监控是指工件的识别、具有零偏置的工件位置确定、加工过程中工件质量的检查等。工件的监视项目有：工序监视（是否为所要求的加工）、工件监视（是否是规定的加工件）、工件安装位置监视（是否位于正确安装的位置）、尺寸与形状误差监视、表面粗糙度监视等。工序监视、工件监视和工件安装位置监视多采用机器视觉或光视方法。§8.6柔性制造的机器人工作单元

由开式运动链机构及并联机构组成的机器人和机械手，可在任意位置、任意方向和任意环境下独立地、协同地进行工作。相较于人工，机器人具有快速精准、自由灵活、工作空间需求低、工作范围广、成本低和效率高等优点，在柔性制造中起着不可替代的作用。实际应用中，工业机器人还有一些配套的硬件，例如传送机构托盘、夹具、机床、工作站或装配站、检验站（或三坐标测量机）等，工业机器人常常与它们相互连接成工作单元。图8-11所示为以机器人为中心的工作单元，其他设备或设施环绕布置。这种布置方案适用于一台机器人为一两台数控机床或装备服务，机器人主要用于完成工件的装卸。图8-11以机器人为中心的工作单元图8-12所示为成行排列的机器人工作单元，机器人沿物料传输线排列，工件的传输由物料传输装置完成，机器人在其位置上完成零件的装配、处理或加工工作。这种单元的物料传输有不同类型，如连续传输、间歇传输或异步传输等。图8-12成行排列的机器人工作单元图8-13所示为移动机器人单元。单元中的机器人由轨道（落地式或架空式）传送机构提供运动，完成在不同位置上的作业任务。这种布置的一个重要考虑是它比以机器人为中心的方案节省生产面积。图8-13移动式机器人工作单元§8.7柔性加工单元应用实例

北京精雕开发的JDFMS系列是以精雕高速加工中心为核心，将生产各环节纳入自动化体系，深度整合自动供料模块，适用于多品种、小批量产品加工的柔性生产系统，现已形成JDFMS10、JDFMS30等6个型号产品，可适配多款机床构成柔性制造单元。JDFMS包含四个子系统：加工系统，供料系统，装夹系统和软件控制系统。精雕在推广柔性制造模式的过程中，提出四个基本要求：能加工的内容多、现场人员能操作、物料循环运行可靠、信息数据准确可控。为了满足上述要求，精雕采取了一系列措施，为柔性制造模式的有效实施提供了全方面保障。加工系统：以精雕高速加工中心为主体，搭载刀具检测系统、在机测量系统、关键附件等，并完成物料循环中的刀具循环、废屑循环，为连续生产提供稳定可靠的保障（图8-14）。为了提高加工精度，稳定生产品质，利用在机测量和智能修正技术提高产品品