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*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,柔性制造自动化概论,华中科技大学出版社,刘延林 编著,1,绪 论,1机械制造自动化发展简史,（1）1870年，自动机床走进制造行业。,（2）1895年，发明多轴自动车床。,（3）1924年，机械制造自动线诞生。,（4）1952年，数控（NC,Numerical Control）机床发明。,2,（5）二十世纪六十年代以来，,主机：计算机数控（CNC,Computerized Numerical Control）机床，,辅助工序和设计规划：,A工业机器人（IR,Industrial Robot），,B无人搬运车（AGV,Automated Guided Vehicle），,C计算机辅助设计（CAD,Computer Aided Design），,D计算机辅助编制工艺（CAPP,Computer Aided Process Planning），,E计算机辅助,制造（CAM,Computer Aided Manufacturing）。,（6）1967年，提出了柔性制造系统（FMS,Flexible Manufacturing System）的专利申请。,制造自动化技术发展史上的又一个里程碑！,3,第一章 柔性制造系统,1-1 从自动线到柔性制造系统,一、刚性自动线的特点：,前提：单一品种、大批量生产；,基础：稳定成熟的工艺；,特点：等节奏、快节拍、工序分散；,构成：制造设备（主机）按工艺流程排列，被工件自动输送设备和辅助设备联成一条生产线；,自动：在控制设备的控制下，自动完成工件的装卸、输送、定位夹紧、切削加工、切屑排除、质量检测。,4,二、柔性制造系统产生的背景,以市场经济为基础的现代制造业，面临着严峻的挑战，制造厂商要想在激烈的市场竞争中获利，必须将单一品种大批量生产模式转变成多品种小批量生产模式，并解决以下问题：,（1）当产品变更时，制造系统的基本设备配置不应变化；,（2）按订单生产，在库的零部件和产品不能多；,（3）能在很短时间内交货；,（4）产品质量高，而价格应低于大批量生产模式下制造出来的产品；,（5）面对劳动力市场高龄、高学历、高工资带来的困难，制造系统应该有很高的自动化水平，并能够在无人（或少人）的条件下长时间连续运行。,在些背景下，柔性制造系统（Flexible Manufacturing System,FMS）诞生了。,5,1-2 柔性制造系统的功能及适应范围,一、FMS的基本组成及主要功能,1基本组成,一个制造系统被称为柔性制造系统，至少应包含三个基本组成部分，即：,（1）数控（NC）机床，即主机；,（2）物流系统，即毛坯、工件、刀具的存贮、输送、交换系统,；,（3）控制整个系统运行的计算机系统。,6,2主要功能,（1）,自动制造功能。在柔性制造系统中，由数控机床这类设备承担制造任务；,（2）自动交换工件和刀具的功能；,（3）自动输送工件和刀具的功能；,常见的FMS具有以下功能：,（4）自动保管毛坯、工件、半成品、工夹具、模具的功能；,（5）自动监视功能。即刀具磨损、破损的监测、自动补偿、自诊断等；,（6）作业计划与调度,功能,。,二、FMS的适用范围,7,三、FMC与FMS的区别：,从广义上讲FMC与典型FMS都属于柔性制造系统，但深究一下它们之间的区别，可以归纳成：,（1）FMC是由单台（或少数几台）制造设备构成的小系统，而FMS可以是由很多设备构成的大系统；,（2）FMC只具有某一种制造功能，而典型FMS应该有多种制造功能，例如加工、检测、装配等；,（3）FMC是自动化制造孤岛，而典型FMS应该与上位计算机系统联网并交换信息；,（4）一个很小的FMS其功能也比复杂的FMC强大得多。,10,第,二章 柔性装配系统,根据柔性装配系统（FAS，Flexible Assembly System）的主体设备，可将FAS分为三类：,（1）以自动装配机为核心的FAS；,（2）以装配机器人为核心的FAS；,（3）以焊接机器人为核心的FAS。,11,2-1,柔性装配系统的特征,一、,装配流水线的组成三要素：,（1）输送；,（2）供料；,（3）装配。,二、柔性装配系统的特征：,（1）,具有四个组成要素：供料、送料、装配和输送；,（2）模块化。,12,2-2,柔性装配系统的控制技术,一、,机器人控制器,1,手臂控制,（1）,加减速控制，,（2）,伺服控制，,（3）力控制。,2,手（工具）控制,13,二、PLC,1夹具,2,供料装置,（1）,专用供料装置；,（2）,零件盘（托盘）；,（3）,送料装置；,（4）,料斗式供料装置。,3,送料装置,三、监控,14,2-3,柔性装配系统的传感技术,一、,视觉传感器,1,机器视觉的结构,2,应用实例,（1）电阻检测,；,（2）零件识别；,（3）电子元件组装；,（4）,工件搬运。,15,二、,光电传感器,1,组成与分类,2,应用实例,（1）,二极管色标检测；,（2）,螺母正反面判别；,（3）螺孔检测；,（4）,安全光栏。,16,三、,位移传感器,1,分类与工作原理,（1）,光（激光）位移传感器,；,（2）,超声波位移传感器。,2,应用实例,（1）,底板翘曲检测；,（2）,电子元件插入高度判别；,（3）,玻璃厚度测定,。,17,四、,接近传感器,1工作原理和分类,2,应用实例,（1）,机器人握紧信号的传送；,（2）,螺钉拧紧状态检测；,（3）,零件计数,。,五、,压力传感器：,1动作原理,2,气压监测,18,2-4 柔性装配系统实例,一、电扇装配工艺流程和装配系统布局,电扇装配经历了如下步骤：,（1）悬挂式输送机把电扇座（在其他车间铸塑成形）输送到装配系统的入口，机器人把电扇座搬到电扇座传送带的托盘上；,（2）装配机器人把帽盖螺栓拧入电扇座，然后抓来装饰板，把它压到位，并拧紧帽盖；,（3）电扇座掉头；,（4）自动装配机和机器人完成压弯装饰板脚、组装导杆组件、组装按钮、组装定时器、组装电容器等作业,；,19,（5）一位工人安装中间软管、塑料软管、隔板；,（6）5台机器人布线并焊接头；,（7）装底板、电扇座掉头；,（8）三位工人组装电机支架、定时调节器、电机、导线、激光焊接电机端子板，自动装配机装电机后罩、旋钮；,（9）自动检测电扇的性能、工人检查其外观；,（10）机器人从传送带上搬走成品。,20,二、,电扇柔性装配系统的主体结构,1系统构成,2,关键设备,（1）装配机器人；,（2）YAG激光自动焊接装置；,（3）输送器模块；,（4）控制系统。,三、,效果,（1）减人92；,（2）更换装配流程的时间减少92；,（3）制造准备时间减少25；,（4）日产（三班）量5000台。,21,第四章 柔性制造自动化系统的机床特征,4-1适用于FMS的机床特征,结构布局便于工件自动交换，,有大容量刀库或辅助刀库，,综合加工能力强，,高性能，,通信接口，,清洗、排屑、刀具管理、监控。,22,4-2面向FMS的加工中心,一、加工中心的改造,增加刀具数量 增加辅助刀库,用机器人交换刀具,目 自动交换工件 增加自动交换工件装置,的 改造自动交换工件装置,与 识别托盘号,措 提高数控功能 扩大内存,施 检索外存贮器程序号,增加双向通信接口,其他 无人化功能,与小车接口,23,二、加工中心的选用,1选用要点,（1）工件自动交换，,（2）刀具自动交换，,（3）NC系统，,（4）加工精度的稳定性，,（5）排屑问题，,（6）功能扩展，,（7）可靠性，,（8）可维护性。,24,2重点考察的技术条款：,（1）托盘尺寸、各数控轴行程、联动轴数，,（2）主轴转速范围、最大输出功率和力矩，,（3）主轴刀柄锥号和主轴轴承直径，,（4）刀库容量和刀库允许存放刀具的最大直径、长度、重量，,（5）快速进给速度和切削进给速度，,（6）刀具自动交换（ATC）和托盘自动交换（APC）时间，,（7）主轴振摆和机床座标系的原点偏移，,（8）定位精度和重复定位精度，,（9）分度精度和重复精度，,（10）螺距误差补偿和反向间隙补偿。,图46,25,三、加工中心的重要功能,1刀具存贮与自动换刀,（1）盘式刀库，,（2）链式刀库，,（3）盒式刀库；,（4）架式刀库。,2工件自动交换,（1）平行式APC，,（2）旋转式APC。,3接触传感器,（1）工件自动找正，,（2）刀具破损监测。,4加工尺寸检测与自动补偿,5功率监控,（1）切削状态的功率监视，,（2）切削状态的自适应控制。,26,4-3车削中心,一、概述,二、车削中心的主要结构特点,1主轴箱,2刀架,3对置式刀架,三、主要工艺特点,1多轴数控加工,2加工综合化,3加工节奏快,27,四、车削中心的功能扩展,1加工汽车铝车轮的车削中心,2车削中心的功能及其实现措施,3自动换刀（ATC）与自动换爪（AJC）,（1）ATC功能，,（2）AJC功能。,4运行监视,（1）工件装卡状态监视，,（2）活动顶尖支承状态监视，,（3）刀具磨损监视。,28,第五章 柔性制造系统的刀具及刀具管理,5-1柔性制造自动化对刀具的要求及对策,一、对刀具的要求,控制刀具的数量，,刀具自动交换，,高可靠性。,29,二、对策,1可靠性对策,2超常刀具自动交换对策,3刀具数量控制对策,（1）产品设计模块化和标准化，,（2）刀具设计模块化和标准化，,（3）开发车、铣通用刀具，,（4）采用复合刀具和多刃刀具，,（5）充分利用机床的数控功能。,30,5-2刀具管理系统的设备配置,一、设备配置,管理站，,零件柜，,刀具组装站，,刀具预调仪，,刀具缓存站，,加工中心盘形刀库，,NC车床的回转刀架，,换刀机械手，,备用刀具库，,盘形刀库交换器，,读写器，,盘形刀库用托盘，,控制器，,夹具调整装置。,二、实例：,CACCIMS刀具管理系统,31,5-3刀具识别和刀具预调,一、刀具编码与编码环识别,二、标识块识别系统,1原理及应用,（1）标识块，,（2）读写器，,（3）识别控制单元。,2标识块刀具识别系统,32,三、刀具预调,1刀具预调仪,（1）测量头，,（2）测量架，,（3）刀架。,2预调步骤,（1）装刀，,（2）快进（自动），,（3）慢进（手动），,（4）调整，,（5）读数。,33,5-4刀具管理系统的运作过程,1.制定刀具准备计划,2.刀具准备,3.刀具入库,34,5-5刀具监控,1.刀具直接监控,图像匹配法，,接触法。,35,2.刀具间接监控,常用的方法有：,工件表面质量监测：用激光（或红外）传感器检测工件加工表面的粗糙度；,切削温度监测：用热电偶检测工件与刀具之间的切削温度；,超声波监测：用超声波换能器与接受器检测主动发射超声波的反射波；,振动监测：用加速度计或振动传感器检测加工过程中的振动信号；,切削力监测：用应变力传感器或压电力传感器，检测切削力、切削分力的比值；,功率监测：用互感器、分流器、功率传感器等，检测主电机或进给电机的功率；,声发射监测：用声发射传感器检测加工中的声发射信号及其特征参量。,36,3.刀具破损声发射监测,声发射：AE,Acoustic Emission,实例。,原理,37,第六章 工业机器人,6-1工业机器人及其结构,一、概述,二、工业机器人的结构,1执行系统 手,腕,工 臂,业 立柱,机 行走机构,器 2驱动系统 液压驱动,人 电力驱动,的 气压驱动,组 3控制系统 作业控制器,成 运动控制器,驱动控制器,4检测系统,工业机器人：IR,Industrial Robot;Robota,38,6-2,工业机器人分类及选用,一、分类,1按控制系统的 控制性能 自动型机器人,智能型机器人,编程方式 可编程序式机器人,示教再现式机器人,数控控制式机器人,控制方式 点位控制式机器人,连续轨迹控制机器人,控制机构 开关型机器人,伺服型机器人,2按驱动方式 液压式机器人,气动式机器人,电动式机器人,39,3按抓举重量和动作范围 大型机器人(100-1000kg),中型机器人(10-100kg),小型机器人(0.1-10kg),4按机构的结构形式 圆柱座标机器人,极座标机器人,直角座标机器人,多关节机器人,图68b,图68c,图68a,图68d,40,二、选用要点,机器人名称与型号，,主要用途，,类别，,结构型式，,自由度数，,抓重，,动作范围及速度，,定位方式，,控制方式，,定位精度，,驱动方式，,驱动源，,编程方法和程序容量，,外形尺寸（长宽高）和重量，,外部同步信号和控制系统的电源规格。,41,6-3,工业机器人的应用,一、选用工业机器人的目的,1提高生产力（44.5）,（1）为提高人均产量（10）；,（2）为降低产品成本（13.8）；,（3）为稳定产品质量（6.5）；,（4）为提高生产设备的安全性（3.9）；,（5）为弥补劳动力不足（10.3）。,2改善工人工作条件（24.9）,（1）为防止职业病（2.5）；,（2）为防止工伤事故（5.9）；,（3）改善在物理环境和化学环境中的工作条件（6.1）；,（4）提高劳动素质（8.6）；,（5）减少事故造成的经济损失（1.8）。,42,3提高制造系统的柔性（13.5）,（1）使制造系统能加工多种工件（5.2）；,（2）适应产品品种的变更（5.1）；,（3）大幅度改变机器人的工作内容（3.2）。,4使制造系统容易管理（8）,（1）便于改变生产系统的负荷系数（5.3）；,（2）为了制造系统组合部件化（2.7）。,5其它目的（9.1）,（1）节约设备投资（4.6）；,（2）提高企业形象（1.0）；,（3）开发、掌握自动化技术（1.1）；,（4）使自动化制造系统设计容易、节省设计力量（0.8）；,（5）减少设备的零件数，使其容易保养（0.9）；,（6）其它（0.7）。,43,二、工业机器人在柔性制造自动化系统中的应用,1物料搬运,（1）自动堆垛系统，,（2）物料供给系统。,2构筑制造系统,（1）构筑FMC，,（2）构筑FMS。,3加工制造,（1）焊接，,（2）切割，,（3）喷漆，,（4）涂敷，,（5）其他。,44,第七章 自动仓库与自动导向小车（AGV）,7-1自动仓库,一、自动仓库在柔性制造自动化系统中的作用,物料存储，,定时控制物料流动，,准确统计库存物料的种类、规格、数量，,对物流和制造实施统一管理，,为上层管理系统提供必要信息，,在计算机信息管理系统支持下，实现订货、生产计划、物料控制的集成。,45,二、自动仓库的种类及其结构,1固定式自动仓库,2循环式自动仓库,（1）货架，,（2）堆垛机，,（3）进出库作业站，,（4）载货工具，,（5）进出库控制装置。,（1）水平循环自动仓库，,（2）垂直循环自动仓库，,（3）多层水平循环自动仓库。,46,三、自动仓库的管理和控制,1概述,该自动仓库的“自动”主要表现在：,（1）仓储管理自动化。即，对货格、货箱、帐目的管理自动化；,（2）货箱进出库作业自动化。其中包括：,自动识别货箱零件的名称，并对其记帐；,自动跟踪运输带上的货箱，并使其分岔；,自动选择堆垛机的最佳运行速度；,自动寻找货格的地址，并检测货格的状态（有无货格）。,获得如下效果：,（1）降低仓储成本，,（2）提高保管质量，,（3）增强市场响应能力，,（4）有利环境保护。,47,2自动仓库的管理和控制,（1）预处理计算机层，,（2）管理计算机层，,（3）通讯监控机层，,（4）堆垛机控制器，,（5）运输机控制器。,48,7-2自动导向小车（AGV）,一、AGVS在柔性制造自动化系统中的作用,自动导向小车（AGV,Automated Guided Vehicle）,自动导向车系统（AGVS,Automated Guided Vehicle System）,对中、小批量制造系统而言，物料搬运的自动化技术水平更引起人们的注意；,柔性制造自动化系统引进AGVS，是由于下述原因：,AGVS能使柔性制造自动化系统布局设计具有最大的灵活性，能方便地实施人一个作业点到另一个作业点的物料搬运计划；,在AGV上安装物料交换装置，可使运输线上各作业点的物料交换都实现自动化，从而能轻松地把各个分散制造单元联成有机整体；,AGV只在输送物料时才上路运行，不阻塞其它物流通道，也不与电缆沟、管道相干涉，因此与其它设备的兼容性好。老车间改造，也容易采用AGV。,49,二、AGVS的构成,1地面制导与管理系统包括：,AGVS由地面制导与管理系统、AGV两部分组成：,（1）制导定位系统，,（2）交通管理系统，,（3）调度操作设备，,（4）通讯设备，,（5）辅助设备。,2AGV有三种基本类型：,（1）平台车，,（2）叉车，,（3）牵引车。,50,3AGV拥有下述部件：,（1）车体，,（2）行走驱动机构（驱动轮等机构在车体内），,（3）物料交换装置，,（4）安全防护装置，,（5）蓄电池，,（6）导向机构，,（7）控制系统（在车体内）。,51,三、AGV的制导技术,1AGV制导方式：,固定路线 主动式 电磁制导,激光制导,被动式 光反射制导,方 图像识别制导,半固定路线 点标记 标记跟踪制导,条码识别制导,式 磁制导,线标记 导盲犬机器人制导,无固定路线 地面支持 狭缝符号制导,超声波灯塔制导,激光灯塔制导,三面直角棱镜制导,自主航行 外景识别制导,地图识别制导,陀螺仪制导,超声波制导,巡航导弹式制导,52,2最常用的制导方式,（1）电磁制导，,（2）激光制导，,（3）光反射制导，,（4）标记跟踪制导，,（5）磁制导，,（6）三面直角棱镜制导，,（7）外景识别制导。,53,四、AGV的准停和安全保护,1准停的方式,（1）定位肖，,（2）导轨，,（3）导向杆，,（4）里程表、编码器、接近开关，,（5）光电传感器。,2安全保护,54,五、AGV的控制,1AGV的作业过程,2中央控制室控制调度,（1）AGV的控制调度系统结构,由四个单元组成：,计算机在线管理单元；,无线电通信单元。包括：地面通信控制装置（CCU）、车载通信控制装置（CCU）；,车载控制装置（含微型计算机）；,输送带控制。,作业点呼叫-中央控制室调度-AGV行驶-物料交换,55,（2）作业内容,AGV的运行管理，,AGV的运行监视，,搬运物料的分类管理，,对装配件进行先进先出管理，,对缓冲输送带上的物料进行在库管理。,（3）通信控制系统,询问AGV的行驶状态和应答，,给AGV发出指令和应答。,56,3AGV控制,（1）作业内容,AGV行驶控制，,物料交换器控制。,（2）组成,检测单元，,控制单元，,驱动单元。,57,第八章 柔性制造自动化的控制技术和监视技术,8-1概述,8-2面向柔性制造自动化的PLC技术,一、PLC(Programmble Logic Controller)的功能扩展,1继电器顺序控制与PLC,2PLC的功能扩展,（1）数据处理与数值运算功能，,（2）高性能CPU和大容量内存，,（3）外围设备多样化，,（4）网络功能，,（5）故障诊断。,三种基本控制设备微型计算机、PLC、NC,系统控制：DNC、多级分布式控制,监视技术,58,二、PLC编程语言,1梯形图和计算机算法语言，,2顺序功能图（SFC，Sequential Function Chart）。,三、PLC的模块化,1模块化的PLC,2模块化PLC的运行,（1）输入，,（2）输出。,59,8-3面向柔性制造自动化的数控系统,一、面向FMS的数控系统特点,1通用数控系统的技术局限,（1）设备之间数据交换的局限，,（2）自动化水平的局限。,数控:NC,Numerical Control,60,2面向FMS的NC系统特点,（1）结构特点,（2）PLC与NC系统之间交换的信息,PLC与NC系统之间交换的控制信息主要有：,控制轴的状态信息。其中包括回到原点的信号、移动中的信号、移动方向信号，,报警及其状态信号，,当前值数据，,M、S、T代码信号，,运行模式选择信号，,运行启/停信号，,（3）PLC与NC系统之间数据交换过程,（4）对算法语言源程序的调用,（5）PLC与NC系统的分工,程序查询信号。,61,二、数控系统的功能扩展,1会话式制订日作业计划功能,2远程通信功能,3柔性加工自动化功能,（1）自动编程，,（2）,辅助工序，,（3）NC运行，,（4）,参数，,（5）维护，,（6）,生产信息。,4人工智能,5自律分布式功能,（1）能同时完成多道作业，,（2）提高制造自动化系统的柔性，,（3）增强制造自动化系统对故障的应变能力。,62,8-4DNC（Direct Numerical Control）控制系统,一、实例,1布局,2工艺流程,3DNC结构,二、DNC软件,三、DNC物理结构,1原理及其实施方案,2数据发送过程,（1）发送数据请求，,（2）数据发送和停止发送数据请求，,（3）发送数据再请求。,四、DNC的地位,63,8-5多级分布式控制系统,一、多级分布式控制系统的物理结构,1结构特点,2各级职能说明,（1）公司级的职能，,（2）工厂级的职能，,（3）车间级的职能，,（4）设备级的职能。,二、单元控制器,64,2多级分布式控制系统的计算机网络构成,（1）子网络,单元-设备子网络的特点及拓朴结构,1）星形主从互联，,2）主从总线式互联，,3）站点对等式总线型互联。,1多级分布式控制系统的计算机网络特点,局域网：LAN,Local Area Network,三、多级分布式控制系统的计算机网络,异构异质局部子网络的互联,工厂主干网+单元-设备子网络、企业MIS子网络、CAD/CAM子网络,65,CADCAM子网络,CADCAM子网络应具备以下性能：,1）支持两种通信方式，即，工作站服务器通信方式和工作站工作站对等式通信方式；,2）支持多种操作系统下的异种微机联网，如MSDOS、UNIX、Windows等；,3）具有与大中型计算机的通信联网能力，支持通用的异种机通信协议标准；,4）有较高的网络介质数据传送能力。,1）采用通信处理机、终端集中器等通信设备，把分散的终端联到主机上；,2）采用Ethernet局域网、终端服务器，把分散的终端联到主机上。,企业MIS子网络,终端主机网络有两种类型：,66,（2）工厂主干网,（3）多级分布式控制系统的子网络互联,子网络互联步骤：,把单元-设备子网络互联成制造自动化局网（MAP网），,把MIS子网络、CAE子网络互联成技术与办公自动化局网（TOP网），,把MAP网与TOP网互联起来。,制造自动化协议（MAP，Manufacturing Automation Protocol）;,技术和办公自动化协议（TOP，Technical Office Protocol）。,特点：,覆盖整个企业，,信息传输的信息量大、数据类型多、对通信模式和响应速 度的要求不同，,主干网上的计算机和子网络多为异种/异构。,67,四、实例,1系统结构,2系统控制,68,一、自动监视系统的结构,8-6柔性制造自动化的监视技术,1制造过程监视 动态作业表,循环时间监视,电源自动断合,2设备运行监视 刀具破损/异常检测,刀具寿命管理,消除间隙装置,结 运行方式监视,托盘刀具识别,当前位置监视,构 自适应控制,3精度监视 镗孔自动检测,自由曲面检测,定心补偿,(4)刀尖自动调整,(5)接触传感器系统,4故障监视 自诊断,自修复运行,5安全监视 障碍物检测,火灾检测,69,二、制造过程监视,三、系统故障监视,1故障分类,（1）偶发故障，,（2）寿命故障，,（3）二次故障。,2故障监视系统：,监视制造过程:循环时间监视，,制造过程死锁：动态作业表，,制造过程结束/开启：电源自动断合。,监测-诊断-自修复,70,四、设备运行监视,1切削状态监视,2刀具监视,（1）实施“刀具监视”应完成：,刀具寿命管理，,刀具状态监测，,确定备用刀具的种类和数量、确定更换备用刀具时间，,自动交换刀具。,（2）刀具管理的信息流图,3NC、PLC监视,4物料识别,（1）用编码环和接触传感器识别刀具或托盘，,（2）用条形码和读码器识别刀具或托盘，,（3）用标识块和读码器识别刀具或托盘，,（4）用光学式文字读取装置读取文字符号来识别托盘。,5位置监视,71,五、精度监视,六、安全监视,刀尖自动调整，,1.影响加工精度的因素,2.精度监测补偿的措施,工件自动检测，,定位补偿。,测量、定位、夹紧、热变形，等。,火灾检测。,障碍物检测，,72,第十一章 柔性制造系统的设计,11-1 FMS 的设计步骤,为了防止重大差错出现，应该按照以下步骤来设计FMS：,确定采用FMS的目标，,分析工厂生产状态、确定零件谱，,零件谱工艺分析，,初步规划系统结构，,选定基本设备、工具、夹具，,设计物流系统的布局形式、选定物流设备，,确定系统控制方案、选定控制装置，,选定辅助设备，,设计信息流图、完成FMS的布局图，,规划监视系统，,系统评价。,73,11-2 FMS 的初步设计,一、确定采用FMS的目标,设计FMS时人们常常追求以下目标：,准备建什么类型的FMS；,生产纲领；,在岗人员数；,毛坯、半成品、成品的在库数；,生产节拍时间；,生产效率；,机床使用率；,系统连续运行时间；,产品制造成本；,FMS建成时间。,74,二、分析工厂生产状态、确定零件谱,分析生产状态、制订FMS的零件谱，应注意：,系列产品，,制造方法类似的零件，,零件的批量和生产节拍。,三、零件谱工艺分析,四、初步规划系统结构,75,11-3 FMS 的详细设计,一、零件谱及其制造工艺的再分析,零件种类增加对FMS的设计工件带来以下影响：,如果不限定零件的种类，就不能确定FMS制造设备的种类与规格，也不能确定FMS的自动化水平和规模；,零件种类增加导致制造刀具的增加，只有限定了零件的种类，才能有效地防止零件种类和刀具数量不匹配现象出现；,零件种类还直接影响由工件装卸、输送、保管等设备组成的物流系统的设计；,零件种类被限定后，才能做出负荷均衡的作业计划。,76,二、选定制造设备和工具,选定制造设备和工具应与工序切换这个问题同步考虑，为此必须研究：,1FMS的运行效率：,某道工序完成后，切换工序要完成以下作业：,（1）判别工件、交换工件，,（2）变更制造设备的数控程序，,（3）更换模具（如冲床）、夹具（如焊接机）、刀具（如机床），,（4）更换工业机器人的手爪及作业工具（若采用机器人时）。,77,2工件自动交换,3工具自动交换,为了缩短工序切换时间，FMS的工具自动交换常采用下述方式：,（1）刀具自动交换器；,（2）交换刀库；,（3）交换带有若干刀具的多轴头；,（4）移动式刀库与机械手组成的刀具交换装置；,（5）模具自动交换装置（例如用在NC冲床上）。,4夹具,ATC：Automatic Tool Changer,78,三、选定物流系统,1搬运设备,常用于FMS的搬运设备有三类：,（1）输送带(传送带)。,（2）小车。,（3）机器人。,包括：滚子驱动式输送带、链式输送带。,包括：有轨自动小车（RGV）、自动导向小车（AGV）、牵引车、链式驱动车、堆垛机。,包括:固定式机器人、移动式机器人。,79,2搬运设备的选定,（1）应该考虑的问题,物流通畅，,性能，,界面，,访问方式。,（3）选定搬运设备常参照的惯例,棱体类零件，多装夹在托盘上用小车来搬运；,回转体零件，常用机器人；,无人小车是柔性制造系统中实现随机访问的必备设备；,工夹具的搬运，采用输送带不失为一种好方法；,有轨自动小车是大型工件及其托盘系统搬运的首选设备。,（2）RGV、AGV、输送带、机器人的优缺点,80,四、FMS的方案设计,1设计准则,（1）以老设备为基础设计FMS，应注意：,保证新增的物流系统通畅,保证新构造的信息流通畅。,（2）根据预定目标从零开始设计制造FMS，可以采取一次规划、分步实施的方法：,将工夹具交换、工件选择、系统监视等较难实现自动化的工作,让人介入完成；,系统监视让人介入，其它工作实现自动化；,使FMS具有自诊断和系统监视的功能；,与包括自动仓库在内的物流系统结合，实现FMS的24小时无人运行。,81,2绘制平面布局图,其步骤是：,（1）布局制造设备,（2）设计人行通道和物料输送通路,（3）选定搬运设备,（4）确定辅助工作区。,82,3方案确定,判别一个方案是否可取，可以参照以下条件：,（1）物流简单，,（2）便于操作人员工作，,（3）系统易于操作和维护，,（4）车间各作业点易于相互观察，,（5）环境宜人，,（6）各机器设备的工作负荷平衡，,（7）系统便于扩充和改造，,（8）符合预定目标，,（9）运行费和维护费，,（10）投资回收率。,83,五、控制系统,控制系统分类：,控,单台设备控制 PLC,制 CNC,系 制造系统控制 群管理 集中监视,统 集中管理,DNC,多级分布式控制,六、软件规划,84,七、FMS作业状态和故障监测,可以采用两种对策：,让FMS具有一定备用能力，当故障发生时启动备用能力，使FMS继续运行；,使FMS具有自动检测和自诊断功能，当故障发生时，让FMS尽快恢复运行。,为此，FMS的主要设备分别配置了如下功能：,毛坯尺寸检测、零件尺寸检测，,刀具补偿，,刀具寿命管理、刀具破损检测，,功率监控，,进给速度自适应控制，,自诊断及报警等等。,八、系统扩展性和柔性的讨论,85,11-4 FMS布局设计,一、FMS布局与评价,1影响FMS布局的因素,（1）开发目标，,（2）经济与技术实力，,（3）预定完成的期限，,（4）技术因素：,厂房的面积与结构，,制造工艺流程和生产组织形式，,基本制造设备，,搬运设备和物流路径，,制造经验、习惯、其它。,2布局设计的工作流程,86,3基于故障分析表的FMS布局评价,（1）布局方案,（2）故障分析表,（3）对装卸站作业区的评价,扩展性，,柔性，,物流通畅，,工艺性，,厂房面积利用率，,硬设备单一性，,管理方便，,建设费用，,运行费用，,安全性和故障对策。,87,二、影响FMS布局的技术因素,1厂房与FMS布局,（1）厂房对FMS布局的影响,（2）实例,追求布局方案与厂房结构的完善结合,减少占地面积,2工艺流程与FMS布局,（1）工艺流程对FMS布局的影响,（2）实例,工艺流程,布局,88,3基本制造设备与FMS布局,（1）基本设备对FMS布局的影响,（2）实例,布局,物料流动过程,a作业规划和物料准备,b工件流动,c刀具流动,特色,4物流系统与FMS布局,（1）机器人与扇形布局,（2）传送带与环形布局,（3）RGV与直线布局,（4）AGV与灵活布局,89,5其他因素与FMS布局,（1）一个为技术开发和展示实力的FMS布局方案,直接影响因素,a使本厂中小零件的制造方式合理，,b开发出面向FMS市场的软件技术和硬件技术，,c向FMS市场展示已经实用化的柔性制造自动化系统。,设备选型及布局的特点,系统运行,90,11-5 FMS 设计方案评价,一、评判依据,至少应综合考虑以下因素：,柔性，,效率，,可靠性，,开机率，,经济性。,91,二、经济性的评价方法,1投资回收期法,投资回收期法依据下式评价FMS的经济性：,效益 获益 投入 残值,式中，“投入”包括,（1）FMS的制造费和配套基建费，,（2）FMS设计和研究费，,（3）FMS服役期内所付贷款利息，,（4）FMS服役期内所付的运行费（如电费、保养费等）。,“残值”指FMS服役期满后还可利用的经济价值；,“获益”选用以下公式计算,获益 裁减人员数 人年劳务费 FMS服役期,获益 降低单件制造费 年制造量 FMS服役期,2投资流法,92,三、综合评价方法,四、经济性与柔性,五、FMS的评价实例,1三步工作法,（1）宣传，,（2）提案，,（3）确认。,2投资效果评估,（1）用户期求,（2）初步方案,（3）投资效果评估,盈亏计算,93,各项费用的计算方法如下：,销售额日平均加工零件数FMS年运行天数产品单价；,制造成本材料费折旧费劳务费运行管理费，,其中：,材料费日平均加工零件数FMS年运行天数单件材料费，,折旧费设备投资费的10年定率工夹具的3年定率，,劳务费使FMS运行1年的劳务费，,运行管理费0.8运行费和一般管理费；,销售粗利润销售额制造成本；,销售和一般管理费0.2运行费和一般管理费；,营业利润销售粗利润销售和一般管理费；,营业外费用（支付利息）支付FMS借贷以及工夹具费的利息；,税金0.58（税前利润上年度的结转亏损额）；,税后利润税前利润税金；,可还贷额折旧费0.9税后利润；,借贷余额借贷可还贷额；,结转亏损额折旧费可还贷额。,94,投资回收期,投资利润率,（4）方案比较：FMS、MC、FMC,主机数量,主机最小必要台数可按下式计算,必要主机数量主机日运行时间单台主机日运行时间,式中，,主机日运行时间日平均加工零件数零件平均加工时间，,单台主机日运行时间（有人运行时间无人运行时间）运行率。,设备投资额,盈亏计算,投资回收期,投资利润率,95,11-6 设计实例,一、设计指导思想,用成组工艺组织零件组，,零件组以混流方式进入系统，,能在夜班无人运行，,具有刀具的监控、自动输送和交换功能。,二、零件谱及其工艺分析,1零件谱,2工艺分析,（1）修改设计，,（2）工夹具，,（3）工艺方法。,96,三、系统结构,规划原则,让机床保持尽可能高的利用率；,可赋予某些工件特别优先权；,让机械设备的负荷均匀，系统可配置多台同型机床；,可混流生产，但相同工件的最后精加工，必须用同一个托盘送到同一台机床上完成；,基本刀具放在机床的刀库内，部分刀具放在公用刀库中供各机床共用；,在线监测刀具的寿命。,四、主机与工夹具,97,五、物流系统,1系统构成,2物料流动过程,六、系统控制,1系统运行的组织和管理,2设备控制,3装卸站管理,两排 3 层 300 货格的立体仓库,98,第十三章 基于柔性制造的先进生产模式,13-1 计算机集成制造系统（CIMS）,一、CIMS的理想结构,CIM：Computer Integrated Manufacturing,CIMS：Computer Integrated Manufacturing System,1理想结构,2一个具体描述,FA：Factory Automation,99,二、管理信息系统（MIS）,MIS：Management Information System,1物料需求计划（MRP）,MRP：Material Requirement Planning,输出文件：,（1）订货通知单，,（2）订单报告，,（3）重新安排生产进度的通知，,（4）取消订货的通知。,2制造资源计划（MRP）,MRP：Manufacturing Resource Planning,CRP:Capacity Requirements Planning,3计算机集成生产管理系统（CIPMS）,CIPMS：Computer Integrated Production Management System,100,三、CIMS实例,1总体结构,2分布实施的阶段目标,3生产管理控制系统,作用：,（1）当生产计划变动时，能同步实现动态调度；,（2）能适时为制造和设备维护提供信息；,（3）能在线监测异常状态，在线自动收集实际进度数据。,4网络系统,101,13-3 精良生产（LP）,一、福特生产模式与丰田生产模式,1福特模式的特点,（1）产品设计，,（2）制造工艺与装备，,（3）劳动组织，,（4）外购件对策。,2丰田模式的措施,（1）按订单组织生产，,（2）按新产品开发组织工作组，,（3）成立生产班组、并强化其职能，,（4）组建准时供货的协作体系，,（5）激发职工的主动性。,精良生产：LP,Lean Production,102,二、精良生产及其特征,1精良生产（LP,Lean Production),The Machine That Changed The World :改造世界的机器,2精良生产的特征,（1）以用户为“上帝”,主动与用户保持密切联系；,面向用户，过分析用户的消费需求来开发新产品。,（2）以职工为中心,大力推行以班组为单位的生产组织形式；,班组具有独立自主的工作权力，能使职工在企业一切活动中发挥出主体作用。,103,（3）以“精简”为