生产系统学-7柔性制造系统.ppt

生产系统学,第七章柔性制造系统,第七章柔性制造系统,第一节柔性制造技术发展概况,一、概念和定义,按照制造系统的规模、柔性和其他特征，柔性自动化具有多种形式：,独立制造岛(AMI)柔性制造单元(FMC)柔性制造系统(FMS)柔性生产线和(FTL)自动化工厂(AF),第七章柔性制造系统,独立制造岛(AMI),它是以成组技术为基础，由若干数控机床和普通机床组成的制造系统，特点是将工艺技术准备、生产组织管理和制造过程结合在一起，重点放在信息流的自动化，借助计算机进行工艺过程设计、作业计划编制和实时生产调度等。,第七章柔性制造系统,柔性制造单元(FMC),通常由12台加工中心或其他数控机床组成，并具有不同形式的刀具交换和工件的装卸、输送及存储功能。除了机床的数控装置外，通常还有一台单元计算机来进行数控程序的管理和外围设备的协调。,第七章柔性制造系统,柔性制造系统(FMS),由两台以上的加工中心或柔性制造单元以及清洗、检测设备组成，具有较完善的刀具和工件输送和存储系统，除主控计算机外，还配备有数控程序管理计算机和分布式数控终端等，形成多级控制系统组成的局部网络。,第七章柔性制造系统,柔性生产线(FTL),柔性较小的、具有自动生产线特征的柔性制造系统则称为柔性生产线。,第七章柔性制造系统,柔性制造车间或柔性自动化工厂(AF),由若干柔性制造系统、柔性装配系统以及自动化物料存储和运输系统组成。通常由多级计算机网络进行控制。,第七章柔性制造系统,广义的柔性制造系统,任何一种分类方法和定义都不是绝对的。例如在某些文献中，常把具有托板库的加工中心称为单元，而把具有两台以上加工中心的单元称为柔性制造系统。因此，从广义来讲，柔性制造系统在某种程度上复盖了柔性制造单元，是制造过程自动化的基本组成部分。,第一节柔性制造技术发展概况,与刚性自动化的工序分散、固定节拍和流水生产的特征相反，柔性自动化的主要共同特征是：工序集中没有固定的生产节拍以及物料的非顺序输送柔性自动化的目标是，在中小批量生产的条件下接近大量生产中由刚性自动化所达到的高效率和低成本的生产水平。,图7-1柔性自动化的应用领域,第一节柔性制造技术发展概况,第一节柔性制造技术发展概况,二、FMS的发展历史,1988年统计，国际上以柔性生产方式生产的产品产值已占制造业总产值70以上，其中美国占77，日本占80，且有不断增长的趋势。我国第一个FMS于1986年10月在北京机床研究所投入运行,用于加工伺服电机的零件。,第一节柔性制造技术发展概况,刀具和工件的自动输送和供给；借助计算机实现机床的合理利用和作业调度;制造过程的计算机监控；机床及输送系统的预防性维护和检修。,三、柔性自动化的主要措施和效益,实现柔性自动化的主要措施是：,第一节柔性制造技术发展概况,提高机床利用率；在不停机条件下改变加工任务；多机床看管；人机分离；夜班无人运行。,通过这些措施可以实现：,第一节柔性制造技术发展概况,其结果导致：,可按照装配所需的批量进行加工，从而减少在制品和降低存储费用；缩短生产周期，实现按交货日期组织生产；充分利用刀具寿命，减少刀具费用；降低产品的成本；对市场作出快速响应。,第二节柔性制造系统的组成与实例,与系统兼容的加工中心和数控机床，即在工件、刀具和控制三方面都具有可与系统相连接的标准接口；能完成工件输送、搬运以及储存功能的工件供给系统；刀具供给系统，包括刀具的输送、交换和储存装置以及刀具的预调和管理；系统的控制和管理，以及加工过程的监控。,一、柔性制造系统的组成,按照典型的柔性制造系统由以下四个部分组成：,第二节柔性制造系统的组成与实例,图7-2典型模块化柔性制造系统的特征,第二节柔性制造系统的组成与实例,图7-3柔性制造系统的功能模块,第二节柔性制造系统的组成与实例,工序集中易控性兼顾柔性和生产率,柔性制造系统中的机床特点及型式,二、机床,柔性制造系统的机床应满足如下的要求：,第二节柔性制造系统的组成与实例,柔性化组合机床：也叫做可换主轴箱机床。模块化加工中心：它把加工中心也设计成若干“通用”部件组成，并可根据加工对象组合成不同的机床型式。如机床由六大部件组成，它们是：主轴；换刀机构和刀库；立柱；底座；工作台；及工作台底座（轴坐标）。,柔性制造系统所用的机床结构设计上形成了两个基本型式：柔性化组合机床及模块化加工中心。,第二节柔性制造系统的组成与实例,图7-4鼓轮式换箱机床,第二节柔性制造系统的组成与实例,“互替”机床所谓“互替”机床，就是纳入系统的机床是互相可以代替的。“互补”机床所谓“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按顺序经过加工工位。,柔性制造系统的机床配置,第二节柔性制造系统的组成与实例,表7-1“互替”和“互补”机床的比较,现有的FMS大多是“互替”和“互补”机床混合使用，以发挥各自的优点。,第二节柔性制造系统的组成与实例,三、工件流支持系统,托板交换装置,托板交换装置是柔性制造系统加工设备和工件输送装置之间的桥梁和接口，不仅起连接作用，还可以暂时贮存工件，起到防止系统阻塞的缓冲作用。,（1）回转式托板交换装置（2）往复式托板交换装置,第二节柔性制造系统的组成与实例,（1）回转式托板交换装置,第二节柔性制造系统的组成与实例,（2）往复式托板交换装置,第二节柔性制造系统的组成与实例,2.工业机器人,第二节柔性制造系统的组成与实例,龙门式机械手输送系统,第二节柔性制造系统的组成与实例,感应线导式输送车,感应线导式输送车是目前柔性制造技术中较有发展前途的物料输送装置。其优点如下：,配置灵活，可实现随机存取，几乎可完成任意回流曲线的输送任务。由于不设输送轨道等固定式设备，因此不占用车间地面及空间，使机床的可接近性好，便于机床的管理和维修。可保证物料分配及输送的优化，使用数量最少的托板。使托板和其他物料贮存库简化，并远离加工设备区。,第二节柔性制造系统的组成与实例,数控有轨运输车,数控有轨运输车是用在FMS自动加工生产线上。它来回于加工设备、装卸站与立体仓库之间，按指令自动运行到指定的工位（加工工位，装卸工位,清洗站或立体仓库库位等）自动存取工件。它与机器人输送方式相比具有，输送距离大，定位精度高和载重量大等优点。,第二节柔性制造系统的组成与实例,四、刀具流支持系统,刀具流的自动化则是其中的一个重要部分，它极大地影响了系统效率的提高，并决定了各机床利用率的高低。现代柔性制造系统中的刀具流支持系统主要有人工支持和计算机管理控制支持二种方式。其主要任务是确保刀具及时协调地供给，对所需的刀具数据进行管理，并将它们传送到相应机床的控制系统中去。人工方式可节省系统硬件投资，但由于采用人工换刀，要损失许多生产时间，因此只宜在换刀需求较少的系统中应用。计算机管理和控制的刀具支持系统可保证自动高效的换刀，它不仅可提高机床的利用率，也提高了刀具的利用率，这种刀具支持方式是目前的发展方向。,第二节柔性制造系统的组成与实例,五、FMC的示例,具有工业机器人的柔性制造单元,第二节柔性制造系统的组成与实例,六、FMS的示例,箱体零件的柔性制造系统的实例,一、FMS的信息流,基本数据，这是在柔性制造系统开始运行时一次建立的，并在运行中逐渐补充，它包括：有关系统配置的数据，如机床编号、类型、存储工位标识号、数量等。物料的基本数据，如刀具几何尺寸、类型、耐用度，托板的基本规格，相匹配的夹具类型尺寸等。,第三节柔性制造系统的控制和管理,数据类型,控制数据，即有关加工零件的数据：工艺规程、数控程序和刀具清单（技术控制数据）加工任务单，指明加工任务种类、批量及完成期限（组织控制数据）状态数据，它描述了资源利用的工况设备的状态数据，如机床（加工中心、清洗机和测量机）、装卸站、输送系统等装置的运行时间、停机时间及故障原因。物料的状态数据，这包括随行夹具、刀具等有关信息，如刀具寿命、破损断裂情况及地址识别。零件实际加工进度，如零件实际加工工位、加工时间、存放时间、输送时间的记录以及成品数、废品数的统计等。,第三节柔性制造系统的控制和管理,信息流的功能模块和接口,第三节柔性制造系统的控制和管理,FMS管理控制信息流程,FMS信息流的层次和时间特征,第三节柔性制造系统的控制和管理,（1）FMS信息流的层次FMS控制系统可以划分为计划制定与评价管理、过程协调控制及设备控制三个层次，这种模块化的结构，它们在功能上和时间上既是独立又相互联系。在可靠性、经济性等性能方面都提高了一步。,第三节柔性制造系统的控制和管理,（2）FMS信息流的时间特征根据信息流不同层次，它们对通讯数据量与时间上的要求也并不相同，计划管理模块内的通讯主要是文件传送和数据库查询、更新，需要存取和传送大量数据,因此,往往需要较长的运行时间。而在过程控制模块中只是平行地交换少量信息（如指令、命令响应等)，但必须及时传递，实时性强。因此，它的计算机运行环境应是在实时操作系统支持下并发运行。,第三节柔性制造系统的控制和管理,二、作业计划管理与控制,图7-12FMS作业计划编制与调度,作业计划调度,第三节柔性制造系统的控制和管理,刀具需求计划,（1）计划刀具需求（在作业计划编好后立即进行）（2）实际刀具需求（在加工任务开始之前进行）,第三节柔性制造系统的控制和管理,刀具预调,在管理计算机上可以联接一台刀具预调仪。从基本数据文件中得到的要调整刀具的理论值输到刀具预调仪，由预调仪测得的刀具实际值或者刀具修正值在线地传递给管理计算机。在更换刀具时，每一个刀具修正值可由机床数控系统调用。,第三节柔性制造系统的控制和管理,三、制造过程的协调控制,随行夹具的安装调整工件随行夹具是由托板和工件专用夹具组成的。在夹具调整工位或装卸工位上，针对具体工件的安装调整过程由计算机通知操作者。工件装夹在一个柔性制造系统内可以有几个工件装卸站，每个装卸站可以由多个装夹工位组成。在这些装夹工位上，工件的装夹或者是自动进行，或者由操作人员人工进行。输送控制用于控制和监视系统中已装有或未装有工件的随行夹具的输送。,工件流控制,第三节柔性制造系统的控制和管理,图7-13FMS工件流的控制,第三节柔性制造系统的控制和管理,机床程序管理在柔性制造系统中机床程序接受所有传送给机床接口的任务。这些任务具有在线功能，它完成数控程序和刀具数据管理等功能。数控程序管理要快速、及时地传送机床的数控程序，理想情况是将NC数据直接从编程工作站传送到要控制的机床中去。目前，多数数控机床都具有EtherNet接口，可以通过工作站将程序传送到NC机床，系统的运行由工作站的操作键盘控制，机床旁配有调用NC程序的易于操作的工业终端。,数控程序管理,数控程序管理的功能包括：,第三节柔性制造系统的控制和管理,刀具流,刀具流控制是在中央刀库和机床刀库之间实现有序的刀具交换（下图）。刀具输送设备可以是输送小车、机器人或单轨架空输送装置等。,第三节柔性制造系统的控制和管理,四加工过程监控,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。,为了保证柔性制造系统的运行可靠性，通常可采用以下过程监控措施（图7-15）：,通过对系统各组成部分、导致停机的事件和假定的早期识别出的废品监视，来采取相应的对策，以增加系统的有效性。,第三节柔性制造系统的控制和管理,图7-15加工过程监控功能,第四节柔性制造系统的仿真,根据仿真的研究对象，系统仿真可以分成：连续系统仿真。连续系统是指系统的状态随时间连续变化的系统。连续系统的模型可以用一组连续的方程描述。离散事件系统仿真。离散事件系统的特点是系统的状态变化只在离散的时间点上发生，且发生时刻往往是随机的，系统的状态变化是由随机事件驱动的。,第四节柔性制造系统的仿真,一、排队网络模型,柔性制造系统是一种随机服务系统。每一个工位都可以看作“服务台”，工件就是“顾客”。每个工件都历经到达、排队等待、服务(加工)和离开的过程，整个系统就是组成了一个排队网络。利用计算机对所建立的数学模型求解，就可以得到系统一系列重要的性能指标，从而对系统进行评价。,第四节柔性制造系统的仿真,1.系统的模型及其参数,第四节柔性制造系统的仿真,一、排队网络模型,本模型的一个关键假定是，每个工位都具有一个队列用以容纳等待加工的工件，且每个队列足够长到能容纳所有到达该工位的工件。这个假设意味着系统不会发生阻塞现象，工件的到达是随机的，呈指数分布。模型的输入参数共有五个：工位数量M托板（工件）数量N每一个工位的服务台数量Si访问频数qi平均加工时间ti。,第四节柔性制造系统的仿真,访问频数qi:取决于工件的加工路线，在本模型中，它被表达为一组概率的集q1q2.qM，且概率qi之和等于1。qi（当iM）表示输送装置向工位i输送工件的概率qM表示工件加工完毕的概率ti:工位i上的平均加工时间（分件）。tM表示从某一工位获取，并向下一工位输送工件所需的平均时间。Wi=1/ti，代表工位i处于繁忙状态时的工件速率（件分）。WM就是输送装置的平均输送速率（次分）。,第四节柔性制造系统的仿真,2.系统的性能指标,柔性制造系统最主要的性能指标是生产率，它是指每小时（或其它时间单位）系统生产零件的稳态平均数，以p表示。其倒数1/p就是输入或输出间隔的平均时间。另一个重要的性能指标是工件耗费在系统内的平均通过时间，以T表示。对稳态系统来说，T等于系统内工件的平均数量与到达的平均间隔时间的乘积。因此，可以得出下列公式：T=N/p(7-1),第四节柔性制造系统的仿真,工位的利用率Ui定义为在一个长的运行期间内工位处于繁忙状态的时间比例。在平衡状态时，输入到每个工位的工件流等于从那个工位输出的工件流。因此，得到等式：qiWMUMWiUi（im）（7-2）对应UM解Ui：qiWMUiUM（iM）（7-3）WiqiWMri（iM）Wiri1（i=M）（7-4）Uiri,（i=1，2，.M-1）（7-5）UM因此，ri称为相对利用率。,第四节柔性制造系统的仿真,如果各工位的riSi值都接近于1，这就意味着系统各组成部分的利用率大致相同，工件负荷平衡良好。如果某一工位的riSi值显著超过其他工位，则该工位就是系统的潜在“瓶颈”，系统的生产能力将受到这个工位的限制。如果各工位的riSi都小于rMSM时，就表明输送装置是系统的限制因素。系统的生产率：p（qMWM）UM（7-6）,第四节柔性制造系统的仿真,1p*(N)N（）（7-7）T*NP(N)（7-8）T(N)p(N)T*E（7-9）p*(N)T(N),3.系统的性能极限,第四节柔性制造系统的仿真,系统效率E的含义：实际生产率接近理想生产率p*(N)的程度；度量了有效生产时间（加工和输送等）与在系统内总耗费时间的比例；由于系统效率的降低是工件拥挤的相互影响而引起的，因此也是系统拥挤程度的综合指标。,第四节柔性制造系统的仿真,在模型的假定条件下，p(N)是N的单向渐增函数。存在一个极限生产率，不管增加多少托板数量，系统的生产率不能超过这一数值当N增加时，工件在系统内耗费的时间越来越多地耗费在等待上，一直到有效生产时间变为总耗费时间中可忽略的一部分为止，即系统的效率趋近于零。,第四节柔性制造系统的仿真,当某一工位的所有服务台在整个时间内都处于繁忙状态时，系统就出现了饱和现象，即该工位已无法提供更多的加工能力。设此“瓶颈”工位的编号为，根据利用率的定义可得：limUbSb（7-10）N按照等式(7-5)可得：UbUM（7-11）rb根据等式（7-6）可求出生产率的极限：SbLimp(N)=qMWM（7-12）Nrb确定“瓶颈”工位的方法：首先达到饱和的将是每个服务台都具有最大相对利用率的那个工位，即riSi最大的就是“瓶颈”工位。,UiriUM,p（qMWM）UM,第四节柔性制造系统的仿真,二、统计模型的动态仿真,系统仿真（离散系统）主要是指统计模型的数字仿真。系统仿真以排队论为基础，把系统状态的变化用事件或活动循环来加以描述，使用专门的仿真语言，对系统的动态进程仿真。可以提供任一时刻系统的状态数据，研究系统在不同时间进程的动态变化，从而较全面地反映了系统的整个运行过程。主要用于对柔性制造系统的深入规划研究、运行管理和生产控制。实际柔性制造系统很难用数学模型加以完整地描述，因此，在统计的基础上利用计算机进行数字仿真就成为