现代制造技术教学课件 第四章 柔性制造.pdf

漏第一章第二章 CAD,CAE,CAPP与CAM漏第三章数控技术第五章第六章第七章柔性制造虚拟制造 快速原型制造 敏捷制造第八章 CIMS:现代集成制造系统第九章智能制造与网络制造第十章激光技术第章绿色制造工笫一节器嵯制造技术L笫二节21世纪的素帙制造技术L笫三节器嵯制造系统的组成和工隹原理U教学目标义应知:1,了解什么柔性制造技术；2.加强柔性制造技术国内外的发展状况及趋势。:应会：通过网络了解柔性制造技术发展状况。:置点：了解柔性制造技术的现状、应用及发展趋 势。治难点：柔性制造技术应用状况。工笫一节黍嵯制壅技术L笫二节21世纪的素帙制造技术L笫三节器嵯制造系统的组成和工隹原理第一节柔性制造技术一、概述柔性自动化生产技术简 称柔性制造技术。它以工 艺设计为先导，以数控技 术为核心，是自动化地完 成企业多品种、多批量的 加工、制造、装配、检测 等过程的先进生产技术。它涉及到计算机、网络、控制、信息、监测、生产 系统仿真、质量控制与生 产管理等技术。第一节柔性制造技术研究范围:1.适用于柔性自动化生产的设备包括数控机床、辅机、传输装 置、机器人、存储装置、柔性 自动装夹具、检具、交换装置 及更换装置、接口。2.自动化控制和管理技术包括分布式数字控制技术、质 量统计和管理信息集成技术、生产规则和动态调度控制技术、计算机技术、网络技术、通讯 技术、生产系统仿真技术。并联加工中心1形状识别单元立体仓库与码 垛单元I 哦物流传送单元尺寸检测单元搬运机器人气动机器人分 拣单元第一节柔性制造技术3.联线技术根据工艺设计，将各种设备联线,形成一个自动化生产的有机整体，既具有一定范围的适用性，又具有较好的可变性。包括FMC、FMS、FML、FAo，二、选择依据柔性自动化生产技术的高 效性、灵活性和缩短投产准 备时间等特性使其成为实施 灵捷制造、并行工程、精益中央,数据库雷耳进n监视成品 出门:控制室I旌备站！密加丁中心一二清洗鞋置数控车床7无人台车DRTRNE.NET7 I工具交换者车检测装置生产和智能制造等先进制造系统的基础。*比尤特柔性自动化生产技术起源于 切削加工，至今已遍及到机械 制造业的各个领域，包括：电 火花加工、激光加工、板材剪 切和折弯、冲压加工、水喷射 加工、焊接及自动化装配，甚 至还应用到测量、热处理和喷 漆涂覆等领域。实践证明，应用由不同柔性 自动化水平构成的制造系统可 提高生产率1-4倍，新产品试制 周期和费用减少1/37/2。从而 可缩短制造周期和交货期，加 快产品更新换代，大幅度降低 成本，提高企业对市场变化的 应变能力和竞争能力，给企业 带来明显的经济效益。第一节柔性制造技术二、现状及国内外发展趋势美、日、德三国分别于68年、70 年和71年开发了首套FMS。到90年 代全世界拥有1200套左右FMS,其 中日本拥有400套，美国150套，德 国100套。自85年到90年FMS的年平 均增长率为28.7%。而同期FMC的年 平均增长率为72.8%,即FMC的增长 率是FMS的2.54倍。FMS是根据加工零件族的工艺选 用适合数控机床的品种和数量组成 的制造系统，因而系统较复杂，虽 然生产效率高，但投资较大，资金 回收期长，也就承担较大的风险。自80年代中期以来，FMC已成为柔 性制造系统中主要发展的工程产品。FMC-柔性制造单元;FMS一柔性制造系统;日本银金柔性制造系统 1990年全球FMS的销售额超过了 20 亿美元，FMC销售额逾40亿美元，两 者约占当年世界机床总销售额的15%,约占数控机床销售额的30%以上。包 括各类数控机床在内的柔性制造机床 和系统的产值约占90年世界机床总产 值465亿美元的55%,其中日本和联邦 德国分别高达75%和70%,并呈逐年增 加的趋势。无论在柔性自动化生产设备的应用 广泛性方面，还是满足国内市场需要 方面，与工业发达国家相比仍有明显不足，作为工程系统的FMC、FMS和 FML还处于初步发展阶段。国内机械 制造业使用为数不多的FMC、FMS和FML也大多自国外引进。从目前来看，国外柔性自动化 生产技术总的发展趋势可归为3F和3S。所谓3F为：柔性化、联盟化、新颖化。所谓3s为：系统化、软件化、特效化。具体来说，大致有下列四个方|H|创制新一代数控机床。发展由数控机床组成的适用 于大批量、短节拍的自动生产线。进一步提高制造系统的生产 规划和控制软件。研制灵捷制造单元，使其具 有高度的自律性和良好的重组性。国内柔性自动化生产技术的发 展总趋势仍是遵循着3F和3s的方 向，但又有其特点：发展适用、可靠和有价格竞 争力的数控机床；大力推进分布式数字控制和 管理（DNC）的制造系统；加强物流和信息集成的柔性 自动化生产线；研究适应灵捷制造，充分利 用现有资源，响应市场需要的分 布式网络集成制造系统。工笫一节器嵯制造技术 工笫二节21世纪的秦帙制造技术L笫三节器嵯制造系统的组成和工隹原理一、迎接时代的挑战有人认为我国机械制造业同世界先 进国家相比存在着阶段性差距，认为 现在发展先进制造技术是不现实的，主张只能发展工艺成熟的大批量生产 的自动化技术，发展组合机床、专用 机床、刚性自动线。综观世界的工业发展，从20世纪初 叶到80年代,以大量生产为代表的先 进制造方式曾经创造过辉煌。在1955 年的全盛时期，作为工业中工业的美 国汽车制造业，首次创出年产700万 辆汽车并占据世界汽车总销售量75%的记录。大量生产创造了比单件生产 高数百倍的生产效率，成为世界性主 导的生产方式传播到各工业国,甚至 连欧洲最保守的本茨公司也向大量生正在不断发展和进步的柔性 制造方式，将是适应21世纪工 业生产的主导方式，是我国制 造企业为摆脱当前竞争力不强 的被动局面，走向经济强国所 应重点发展的制造技术。网络通讯检测监控CAD/CAM一体化计划调度柔性化制造系统物流系统加工设备柔性化制造系统功能结构二、柔性制造技术的产生及发展概况柔性制造技术，是建立在数控设备 应用基础上的、随着制造企业技术进 步而不断发展的新兴技术。概括地说,凡是在计算机辅助设计、辅助制造系 统支持下，采用数控设备（NC）、分 布式数控设备（DNC）、柔性制造单 元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、柔性自动线（FT L）、柔性装配系统（F A S）等具有一定制造柔性的制造 自动化技术，都属于FMT的应用范国 F MS是在数控机床研制和应用的 基础上发展起来的，考察其背景，则 离不开计算机技术、微电子技术的发展。（3）D N C-1（计算机直接数控）是（2）CNC（计算机数控）是一种具 有内装式专用小型计算机的数控系统。将一组数控设备连接到一个公共计算机存储器的系统,该存储器能按需要在线（1）NC（数控设备）是一种机床或 工业加工设备（包括焊机、金属成形及 锁金加工设备等），其加工运动的轨迹 或加工顺序是由数字代码指令确定的，它通常是用计算机辅助制造（c A M）软 件工具生成的。地分配数控指令给数控设备的控制器。（4）DNC-2（分布式数控）是能将主控 计算机存储器中存储的各个零件加工的N C程序，通过分布式前端控制器（也称工作 站）分配、发送到数控设备的控制器去，并 能采集数控设备上报的工况信息系统。（5）MC（加工中心）是一种带自动 换刀的多工序加工的数控机床，如钻锋 铳、车削、车铳加工中心。（6）FMS（柔性制造系统）是一个 在中央计算机控制下，由两台以上配有 自动换刀及自动换工件托盘的数控机床 与供应刀具和工件托盘的物料运送装置 组成的制造系统，它具有生产负荷平衡 调度和对制造过程实时监控功能，可实 现制造多种零件族的柔性自动化。（7）FMC（柔性制造单元）通常是 由一台加工中心、一组公共工件托盘及 其传送装置组成的，工件托盘按单一方 向传送，传送装置的循环起点是工件装 卸工位，控制系统没有生产调度功能（少数F M C由多台加工中心组成,具有 初步的调度功能）o（8）F T L（柔性自动线）由多台 柔性加工设备及一套自动工件传送装 置和控制管理计算机组成。柔性加工 设备可以是13坐标数控加工模块、多轴加工模块（转塔式或自动换箱式）或数控加工中心的组合，工件按传送 线流向顺序加工，适合于大批量生产,并具有加工零件品种在一定范 化的制造柔性。（9）FAS（柔性装配系统）由控 制计算机、若干工业机器人、专用装 配机及自动传送线和线间运载装置（包括AGV、滚道式传送器）组成。用于印刷电路板插装电子器件或各种 电动机、机械部件等的自动装配。第二节21世纪的柔性制造技术三、国外FMT的发展与应用1.航空工业的需求强劲地推动FMT的发展波音公司拥有的数控机床,反映出一个年产200架大型飞机的现代化飞机制造公司 所配置的数控机床的类型、规模及其性能。60年代数控技术在航空工业的应用,促进 了它在机床、汽车、造船、工程机械等行 业的推广。美国数控机床拥有量1969年达 14259台,其中飞机业326台,汽车业132 台；1978年达40019台,其中飞机业7400台，汽车业1000台。美国的数控技术在6070年代处世界领先地位。80年代以后，由于发展战略的错误,美国 失去了在数控技术发展上的优势。第二节 21世纪的柔性制造技术2.汽车工业的发展推动日本FMT后来居上日本70年代着力发展的数控机床及数控系统。日本汽车工业于1972年投资19亿日元、1978年再次投资100亿日元、1981年又投资326亿日元购置数控机床，这极大地促进了数控机床、FMS、FMC的发展。从1978年起，日本的数控机床年产量、出口销售量均超过美国（1978年日本年产 7342台，美国为5688台，1990年日本达到高峰为61697台，美国为7927台，后两年日本经济衰退，产量有所下降，仍在美国之上，1995年恢复后，日本达41805 台，美国为17052台，到1997年日本达 56113台,美国为17414台）。3.数控系统经六代更新发展更趋成熟 电子管式硬件数控19521958年，如M I T数控铳；晶体管式硬件数控19591964年；小规模集成电路式数控19651969年；小型计算机数控(CNC)1970年开始；如C N C；微处理器数控(MNC)1974年开始；基于个人计算机的数控(PC-NC)1990年开始,如H N C 1(华 中I型)。数控系统进入成熟阶段；基于P C机的数控采用工控级P C机主板及模块化结构，是开放式控制器，为用户灵活使用及网络化系统监控管理提供了很大的活动空间，如设置弧点动、任意角度点动、同简明语句加工循环、直接蓝图编程、刀具轨迹检验、机床及系统故 障诊断等。弯二节21世纪的柔性制造技术4.FMCFMS及FTL的发展和应用面向21世纪的柔性制造技术数控机床单 机运行形式始终是柔性制造的最常用形 式。随着生产和科技发展，出现了 FM C、FMS、FTL等新应用形式，它 们自动化程度更高、制造周期更短、生 产效率更高。自1967年莫林-24问世以来，FMS经 过约10年的技术开发和研究，逐渐成熟 起来，70年代末开始走出实验室，成为 汽车、航空、机床工业的一些先进企业 生产线上的主力设备。例如，1989年美国 拥有FMS280条，而拥有的FMC达到 8100条，1994年日本拥有FMS2194条,而FMC为11506条。I5.与柔性制造相关配套技术的发展高效的数控机床仅是实现柔性 制造的必要条件，必须加上高 效的NC编程工具、高效的工 艺规程设计手段、高效的数控 刀具、柔性夹具及工艺装备等 相关技术的协调发展，才能形 成实施柔性制造的充分条件。限于篇幅,配套技术的发展从略。、我国FMT的开发与应用1.起步阶段我国数控机床研究起始于1958年。北京机床研究所、清华大学、北京航 空工艺研究所和北京航空学院相继开展了三坐标数控铳的研究，尽管未 能获得工业应用，但通过在样机上的刻字，对数控加工进行了原理性验 证。1966年,航空工艺所与机床所合作，研制出我国航空工业第一台X53K-1G三坐标数控铳，采用磁带输入闭环系统，电液伺服驱动；1973年在130厂家应用，加工飞机零件多批。1973年机床所研制出全国 第一台卧式加工中心J CS-013,并进行了商品化生产，对我国数控技 术发展起了推动作用，这一时期还研制出劈锥数控铳和非圆齿轮插齿机，X K-5040数控立铳，X S K-5040等商品化机床。1976年航空工艺所研制出X S K5040(W)G四坐标数控铳，用于成飞公司加工带变斜角的天窗凸块、框架零件;1977年研制出S KX-3000数控龙门铳，用于成飞加工钢质飞机结构件,使用情况较好。北京第一机床厂曾为航空工厂研制出X K D2012/14四坐 标数控龙门铳。2.数控系统技术的发展数控系统可靠性差，曾是70、80年代我国发展数控技术的最 要害的障碍，不少国产数控机床故障率高，不能保持正常生产,造成用户对国产数控机床失去信心，遂形成一种心态:数控机床 只能用外国的，买不起外国数控机至少数控系统要配外国的，宁可多花钱，总比买了不能用强。上海“开通”销售出的系统,累计也在2000台以上。北京机床所研制的“中华I型”，沈阳 自动化所的“蓝天I型”，华中数控集团的“华中I型”等产 品，保持可靠运行的已达5000台以上。至于前面提到的用户心态，要扭转尚需时日，一则多数用户 还没有得到使用过国产系统的厂家对系统可靠性的确证信息；再则，市场上尚存在一些劣质系统产品，使国产数控系统的品 牌叫不响。1.发展数控机床的必要性五、几个问题的讨论:据统计,工业化国家经济总产值 的50%（日本）至68%（美国）是由制 造业创造的，制造业对国家经济 发展有决定性影响，而发展机床 业是发展制造业的根本。:美国之所以是世界第一经济强国,这与60、70年代重视发展机床、特别是为发展数控机床建立了良 好的基础有关。:作为社会主义大国，若没有独立 完整先进的机械制造体系，将是 脆弱的、不安全的；不发展现代 化的、以数控机床为代表的机床 工业，已无法实现现代化。2.发展数控机床的可能性与市场需求数控机床是发展机 械工业,促进国民经济增长的一个牛鼻子。最近，国家已经明确，要从财政债券资金中，拿出一 大笔资金，支持航天航空、国防军工、汽车装备、铁路 造船等工业的技术改造,这是我国机床工业大发展的最 好契机。我国汽车工业近年来有所发展，1997年年产量 达158万辆，1999年应达到170多万辆，2010年的目标是600万辆，几乎还要翻两翻。汽车工业历来是数控机床业的最大用户，因此，发展 汽车工业用数控机床的空间极为广阔。这里所说的数控 机床，是数控机床、FMC、FMS、FTL的统称，在实际发展中数控机床、FMC是要首先发展的。3.继续发展大批量生产用的机床X 第二节21世纪的柔性制造技术 一我国工业基础较薄弱，各类机械设备中数量极大的通用件，标 准件大批量生产用的自动机、组合机床和自动线的发展还很不 充分，仍然有很大的发展空间，认为这与发展数控机床并不矛 盾，但从国家战略发展的角度考虑，应把重点放到支持面向21 世纪的柔性制造技术控机床的发展上。4二发展数控机床要注重实效，按经济规律办事。我国发展数控机床几乎与日本同时起步，日本注重科学精神,先从仿制测绘国外机床着手，逐步走向自行设计，步子平稳,没有大起大落。(1)用技术经济合同来规范开发项目(2)建立保护用户利益的规章(3)注重树立品牌意识。5.高效的企业管理体制是实施柔性制造的前提:柔性制造是未来工业生产的主导模式，是指在企业的制造车间层将主 要应用柔性制造方式，它必须在高效的生产经营管理体制下才能发挥效 益。:显然西方国家制造企业的现行管理模式不适合我国，但应参考、借鉴 它们正在探索的一些先进管理制造模式，如敏捷制造模式（AME）、精 益生产模式（LP）、世界级制造模式（W CM）、计算机集成制造模式（C I M）等。AM E的思露是：在全球前网络而支雨匚 敏捷地响应客户友市场前一 需求。_TF礴洛忌豆除生产中一切浪费而不增值的环节。W CM的思路鼠以嗣全球市场需求作出快速反应为目标7C I M的思路是：-以蓿意为媒体，-用了算初隔疝而各种业务活动领域及 其职能（包括从市场分析、产品设计、加工制造到营销等产品开发全过程）集成起来。工笫一节器嵯制造技术L笫二节21世纪的素帙制造技术L笫三节黍嵯制壅系统的组成和工隹原理U柔性制造系统的组成和工作原（自动仓库）自动导向小车加工中心托盘交换站柔性制造系统的组成和工作原第三节柔性制造系统的组成和工作原3柔性制造系统的目的在于提供对产品设计、生产目标和计划、工作站、物料搬运和加工路线等的变化能进行实时调整的一种工厂经营方式。一、FMS的一般组成 1.加工系统 2.物流系统(1)工件的输送。(2)工件的存储。3.信息系统9 1011 12 13图15-2典型的FMS系统1一加工单元;2计算机控制装置;3缓冲站;4监控站;5工件装卸机器人;6无人导引小车;7测量站;8一装卸站;9一立体仓库;io一清洗站；.11一中央刀库;12一刀具预调仪；13一换刀机器人。柔性制造系统的组成和工作原柔性制造系统控制与管理系统物流系统加工系统过程监视过程调度过程控制刀具流工件流检测设备辅助设备加工设备以任意顺序自 动加工多种工件，自动更换工件和刀 具，增加功能后可 实现工件自动清洗 与测量等满足可变节拍 生产的物料自动识 别、存储、输送和 交换的要求。增加 功能后可实现刀具 预调和管理等加工系统和物 流系统的自动控制 和作业协调，在线 资料自动采集和处 理，运行仿真及故 障诊断等柔性制造系统的组成和工作原信息流原材料能源程序输入（生产 信息，技术信息）可编程控制系统程序存贮数据处理及分配料 库夹具存贮库成品库夹具输送工具输送装卸加工控制加工监视和记录加程 序 自 动 机 床工通用自动机床系数控机床统数控自动换刀机床加工口 L.一口 刀具存贮库刀具输送二柔性制造系统的工作原理信息流=物料流能量流T三节柔性制造系统的组成和工作原）料库和夹具库根据生产的品种及调度计划信息供给相应品种的毛坯，选 出加工所需要的夹具，毛坯的随行夹具由输送系统送出。工业机器人或自动装卸机按照信息系统的指令和工件及夹具的编码信息,自动识别和选择所装卸的工件及夹具，并使之装到相应机床上。机床的加工程序识别装置根据送来的工件及加工程序编码，选择加工所 需的加工程序、刀具及切削参数，对工件进行加工。加工完毕，能按照信息系统输给的控制信息转换工序，并进行检验。全部加工完毕后，由装卸及运输系统送入成品库，同时把加工质量和数量的信息送到监视和记录装置，随行夹具被送回夹具库。维节柔性制造系统的组成和工作原理留，.转塔式换箱机床 仅数控佻床物料贮运控制/cfl装卸区&(换箱机床您fl心)川1中hl山川中川巾物料 贮运 控制口小川小口正正1巾I巾U图2-13多轴主轴箱的换箱式和转塔式组合加工中心组成的FML通过本次课的学习，使同学更 好地了解了柔性制造技术的现状及 国内外发展趋势，柔性制造系统的 组成和工作原理，更加坚信柔性制 造系统将有着更好的发展前景。1.了解什么是柔性制造技术？2.了解国外发达国家柔性制造技术现状及 发展趋势？33.了解我国柔性制造技术现状及发展趋势?4.了解发展柔性制造技术需要解决的一些 问题？5.柔性制造系统的组成是怎样的？6.柔性制造系统的工作原理是怎样的？