第五章 柔性自动化加工系统.ppt

第五章柔性自动化加工系统,第一节数控加工第二节柔性制造单元第三节柔性制造系统第四节计算机集成制造系统,第一节数控加工,一、数控加工数字控制(NumericalControl)可编程序自动化的一种形式，通过数字、字母和符号来控制加工过程,也就是说，NC是用数字来描述一个待加工工件的指令程序的。在金属切削加工领域里，数字控制机床的出现是机械加工自动化发展史上的一个重要里程碑。,自1949年美国麻省工学院与Parsons公司共同开展机床数控化技术研究以来，数控技术经历了多次重大的技术革新。第一代商品化的数控机床产生于1954年，采用的是电子管元件和模拟电路；第二代产生于1959年，采用的是晶体管分立元件构成的数字电路；第三代产生于1965年，应用了集成电路；第四代数控机床的主要特征是在数控系统本身采用了小型计算机，虽然在1964年就出现了这类机床，但受当时的技术和经济等因素的影响，直至1970年，这一时代才真正到来。1974年后，人们开始把微处理器用于数控机床，使数控技术得到了飞跃发展，并成为当代机床技术发展的一个重要支柱。,2.数控机床的基本类型数控机床的品种较多，根据其工作方式的不同，大体可按下述三个原则来分类：(1)按刀具相对零件移动的轨迹分类(2)按随动装置类型分类(3)按控制坐标数分类,(1)按刀具相对零件移动的轨迹分类A.点位控制系统这类控制系统的特点是只控制定位点的位置精度，对定位点之间的运动轨迹无严格要求，且在移动的过程中刀具不进行切削。采用点位控制系统的机床主要有数控坐标镗床、数控钻床等。B.直线控制系统这类控制系统的特点是除了控制定位点的位置精度外，还要保证被控制的两个坐标点间移动的轨迹是一条直线，且在移动的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削。采用直线控制系统的机床主要有简易数控车床、数控镗铣床等。C.轮廓控制系统这类控制系统的特点是能够对两个或两个以上坐标方向的同时运动进行严格的不间断控制，又称为连续控制系统。采用轮廓控制系统的机床有数控铣床、车床、磨床及齿轮加工机床和加工中心机床等。,(2)按随动装置类型分类A.开环控制系统在此系统中,通常不带有位置测量装置，也不对被控制量的实际值进行反馈和比较，机床的定位精度主要取决于驱动元件和机床传动机构的精度。它的特点是系统简单，工作稳定，调试和维修方便，成本低，但控制精度和控制速度受到限制。B.闭环控制系统在闭环控制系统中，通过机床上的位置测量装置检测出机床工作台的实际位置，经反馈与指令值进行比较，用差值进行控制，直到差值消除时工作台才停止移动。这种控制系统的优点是精度高，速度快，但调试和维修比较复杂，成本高。一般高精度的数控机床大多采用这种控制系统。C.半闭环控制系统这种控制系统对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，间接测量出伺服电机的转角，推算出工作台实际位移量，用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。这种控制系统介于开环和闭环之间，精度没有闭环高，但调试比闭环方便。,(3)按控制坐标数分类（根据机床同时控制坐标数的多少分）2坐标数控机床3坐标数控机床多坐标数控机床,3.数控机床的优点与普通机床相比，数控机床具有如下优点：(1)提高生产效率。在自动加工循环中采用合理的切削用量，缩短了加工时间。自动完成全部加工循环，在加工过程中不用工人检验工件，缩短了辅助时间，使机床的加工能力得到充分的发挥；(2)提高加工精度和一批工件的程度一致性；(3)减少了对复杂工具的需要，降低消耗，缩短了生产准备时间，简化工具管理；(4)能够加工用传统方法难以加工的复杂零件，为合理设计提供了条件；(5)降低劳动强度，对工人的熟练程度要求较低。,二、加工中心加工中心MC(MachiningCenter)实质上是一种装有自动换刀装置的数控机床。加工中心是数控机床发展的一个重要方向，是实现柔性加工的主要硬件基础。按机床的主要功能可分为镗铣加工中心、车削加工中心、磨削加工中心、冲压加工中心以及能自动更换主轴箱(或成组刀具)的多轴加工中心等。加工中心的主要结构特征是增加了一套自动换刀装置ATC(AutomaticToolChanger)，包括一定容量的机床刀库和换刀装置。按照自动换刀装置的结构，加工中心又可分为：(1)多主轴转塔头加工中心，(2)带有刀库及主轴换刀的加工中心，(3)带有刀库、机械手及主轴换刀的加工中心，(4)带有刀库、机械手和双主轴转塔头的加工中心，(5)自动更换刀库的加工中心。,加工中心中使用的刀库形式很多，其主要的几种类型如表所示。,第二节柔性制造单元柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)是由单台计算机控制的数控机床或加工中心、输送装置或工业机器人组成，采用切削监控系统实现无人操作，并能不停机转换品种进行连续生产。柔性制造单元可作为独立加工设备使用，与加工中心相比，FMC的自动化程度更高。它除了具有加工中心所具有的功能外，还可实现工件搬运及在机床上装夹的自动化，因而带来更多的优点。,一、FMC的组成1.基本加工设备加工中心或加工中心与数控机床混合组合是FMC的基本加工设备。加工回转体零件的车削单元的设备一般不超过四台，大多数加工非回转体零件的单元选用一台加工中心作为基本加工设备。2.工件运输、交换和存储设备工件的结构特点不同，其在单元内的输送方式也不同。工件在单元内的输送方式有以下两种：(1)托板输送方式(2)直接输送方式3.信息流系统该系统实现单元加工中信息的处理、储存和传输等功能。如协调多台机床加工和物料输送的计算机系统。,(1)托板输送方式：适用于加工箱体或非回转体零件的FMC，为便于工件输送及在机床上的夹固，工件(或工件及夹具)被装夹在托板上，工件的输送及在机床上的夹紧都通过托板来实现。具体设备包括托板输送装置、托板存储库和托板自动交换装置。,(2)直接输送方式：适用于加工回转体零件的FMC。工件直接由机器人或机械手搬运到数控车床、数控磨床或车削加工中心上夹紧加工。机床临近设有料台存储毛坯或工件。若FMC需与外部系统联系,则料台为托板交换台,工件连同托板由外部输送设备(如小车)输入单元或自单元输出。,二、FMC的基本形式由加工中心和托板存储库系统组成，主要用来加工非回转体零件，按托板库的组织形式可分为：1.环形托板库FMC2.圆形托板库FMC3.直线形托板库FMC,三、机器人直接搬运式FMC机器人直接搬运的FMC，由14台加工中心或其它数控机床、机器人和工件存储台等组成。图示为门式高架机器人直接搬运的FMC，特点是可搬运较大、较重的零件和其它物料，搬运设备不占场地。,第三节柔性制造系统柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)是指由若干台数控机床或加工中心组成的，配有工件自动上下料装置，自动输送装置和自动化仓库，并能实现监视功能、计算机综合控制功能、数据管理功能、生产计划和生产管理功能等。它是能高效率的制造多品种、中小批量零件的系统。,一、FMS与FMC的区别FMS和FMC目前没有被一致公认的定义，两者在主要功能和组成结构方面有许多相似点，不易严格区分，一些由少数几台机床构成的柔性自动化加工系统，有称之为FMC的，也有称为FMS的。比较一致的看法是，二者的主要区别在于：,1.FMS的规模比FMC大，机床大多为410台，也有少至2台的。但机床为23台时，物流系统的利用率不高。,2.FMC只具有单元内部的工件运储系统，而FMS则具有加工单元外部的物流系统，可实现各单元之间，加工单元与仓库、装卸站、清洗站、检验站等之间的物料输送、搬运和存储。搬运对象除工件外，还包括其他如刀具、废屑、切削液等物料。,3.FMS具有比FMC更多更完善的功能，如优化作业计划、自动加工调度以及容忍故障的柔性功能等，而FMC则相对较差或甚至没有。,二、FMS的组成,三、FMS的物料自动储运物料的自动储运是保证FMS实现柔性自动化加工的重要条件，也是构成各种FMS，区别于其它系统的主要特征之一。系统功能包括工件、托板、刀具以及与FMS运行有关的其它物料的自动化运输、存储、交换以及运行管理和控制等。,1.物料运输与FMS运行有关的物料须按加工调运要求在各工作站或工位之间实现自动化的运输，有以下三种主要方式：(1)自动输送车：自动输送车简称无人小车或台车，由FMS计算机从外部控制起动，使之按指定的程序和路线运动。按小车的制导方式可分为：A.有轨运输车、B.拖链运输车、C.无轨运输车。(2)运输带输送：有滚子运输带(或称滚道输送)和链式运输带两种。缺点是柔性差，一旦建成，很难改变运输路线，设施高出地面，影响人员与系统主要部分接近。适用于循环短的工件运输中，多用于柔性自动线(FTL)。(3)机器人搬运：有固定安装式机器人搬运和行走式机器人搬运两种形式。,有轨运输车：承载能力大，一般载重量18t，最大达二十多吨。工作可靠，重复定位精度可达0.1mm。缺点是需设置地面轨道，柔性差，且不适于曲线多的运输路线；在多辆车的系统中，会造成堵塞。适用于由27台机床或单元组成的中小规模的直线FMS中。,无轨运输车：是以蓄电池为动力源，应用电池或光电原理自动制导的小车，称AGV(AutomatedGuidedVehicle)。特别适用于规模较大的,物料迂回运输的FMS中。承载能力以12t使用最多,停止精度约30mm，设有定位装置的可达0.1mm左右,常用行走速度为660mmin,最高可达100mmin。,2.物料存储物料存储库是物料系统的缓冲环节，其作用如下：缓冲装卸时间与加工时间的差异；缓冲各机床或单元加工时间的差异；实现批量运输，提高运输效率；实现无人看管生产。,物料存储库有以下几种：(1)工件料架：主要存放回转型小零件，有搬运式和不搬运式两类。(2)托板存储库：用来存储托板包括装有工件、夹具或料架的托板，可分为平面库和立体库两种。(3)公用刀库：为解决机床刀库容量不足的问题，有些MFS设有公用刀库(或称中央刀库)当机床需要公用刀库的刀具时，可通过搬运或交换设备交换。(4)车间自动仓库：有些FMS的物料与车间其它物料合用车间的公共仓库存储。为保证自动化生产，仓库可实现自动存取(AutomatedStorageandRetrieval或ASR)称自动仓库或ASR仓库。,3.物料交换(1)工件交换：FMS中的许多工件都是连同拖板，通过拖板自动交换装置，实现工件托板在物流系统设备与加工设备之间的快速自动交换，其交换装置有：平行式双位自动交换装置(AutomaticPalletChanger)简称APC、回转式双位APC和移动式APC。由机器人直接搬运的工件，在搬运的同时实现了工件的交换。(2)刀具的交换；加工中心机床本身的刀具交换由ATC实现，加工中心刀库与系统其它刀具存储设备之间的刀具交换有以下几种方法：人工交换、交换刀库、机器人交换刀具和AGV上的机械手换刀。,四、FMS的实例,1.JCSFMS1柔性制造系统：这是我国建立的第一个FMS，于1985年建成，安装在北京密云机床研究所内。系统概况为：(1)加工对象：直流伺服电机主要零件、部件(12种轴、盘类零件)。(2)加工系统：五台国产数控机床为基础模块，包括CNC车床2台，数控磨床一台，立式和卧式加工中心各一台，与4台搬运型工业机器人结合构成加工单元。(3)物料系统：采用自动认址感应式无轨小车，机床前设有托板站，系统设有平面托板存储库。(4)控制系统：分级控制，包括：中央管理系统(MainCPU)：总体管理和决策控制。由主计算机(CPU)通过光缆LAN与各单元、物流系统、控制机床和自动编程机等联成控制网络；单元控制装置(CCU)，单元生产过程控制；搬运控制和管理装置(MCU)：物流控制；计算机数控(CNC)：机床切削加工控制；其他：中心孔清洗和工业监视系统等装置。,2.KTM典型化柔性制造系统英国KTM典型化柔性制造系统的特点是从柔性制造单元分步组建的柔性制造系统。（a）为由加工中心、有轨输送车和托板储存台(最多15个)组成的柔性制造单元，它是一个典型化设计，并考虑了发展需要。（b）是发展成两台加工中心的柔性制造系统。（c）是扩充为四台加工中心组成的柔性制造系统。由于柔性制造系统成本较高，因而在系统设计时，应充分考虑发展要求，以达到最佳经济效果，故这种设计方法受到了很大关注。,第四节计算机集成制造系统,一、CIMS的基本概念CIM这个概念是美国人JosephHarrington博士1973年首先提出来的，核心是“制造”(Manufacturing)和“集成”(Integration)。“制造”是一个很广泛的概念，它是指一组相关操作的集合，包括产品设计、材料选择、作业计划、加工制作、质量检验、生产管理和市场销售等一系列与制造工业有关的制造功能和生产活动。“集成”是将相互关联的各制造功能子集综合看成一个整体、一个生产组织(即制造系统)，集成技术就是系统技术，它包括系统结构、系统分析、系统仿真和系统设计方法等内容。,美国IBM公司认为：CIMS是应用信息技术提高组织的生产率和响应能力。日本能率协会则认为：CIMS是以信息作为媒介，用计算机把企业活动中各种业务领域及其职能集成起来，追求整体效益的新型生产系统。欧共体CIMOSA课题委员会所下的定义为：CIMS是信息技术和生产的结合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力，由此企业的所有功能、信息、组织管理方面都是一个集成起来的整体的各个部分。,CIMS是在计算机系统(硬件和软件)、网络、数据库支持环境下，由计算机辅助设计、计算机辅助工艺过程设计为核心的工程信息处理系统、计算机辅助制造为中心的加工、装配、检测、储运、监控自动化工艺系统和以物料需求计划、制造资源计划为主体的经营管理信息系统所组成的综合体。,二、CIMS的组成CIMS通常是由管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证系统等四个功能分系统及计算机网络系统、数据库系统等两个支撑分系统组成。,1.管理信息分系统(MIS)：包括物料需求计划、制造资源计划、生产计划和控制等生产管理和经营管理的信息系统。2.工程设计自动化分系统(CAD/CAPP/CAM)：包括计算机辅助设计子系统、计算机辅助工艺设计子系统和计算机辅助制造子系统。3.制造自动化系统(MAS)：制造自动化分系统是CIMS中信息流和物料流的结合点，包括FMS、FMC、FML、数控机床、加工中心、工业机器人、运输小车、立式仓库、自动流水线等的物料系统。4.质量保证分系统(CAQ)：包括从产品设计到生产准备、技术准备、产品零