制造自动化技术n.ppt

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1、第四章 制造自动化技术,制造自动化技术,1 制造自动化技术概述2 数控加工技术3 工业机器人4 装配自动化5 柔性制造系统,1 制造自动化技术概述,1.1 制造自动化技术内涵 1.2 制造自动化的发展及现状 1.3 制造自动化的趋势,1.1 制造自动化技术内涵,自动化是美国通用汽车公司DSHarder于1936年提出，核心含义是“自动完成特定的作业”。随着科学技术的进步，自动化的功能目标在不断随着自动化手段的提高，时代的进步而变化。制造自动化是在制造过程的所有环节中采用自动化技术，实现制造过程的自动化。其任务是研究对制造过程的规划，管理，组织，控制与协调优化等的自动化，以使制造过程实现高效，优

2、质，低耗，及时和洁净的目标。,1.1 制造自动化技术内涵,制造自动化的内涵包括如下方面：1）在形式方面 包括替代人的体力劳动，替代和辅助人的脑力劳动，制造系统中人、机器及系统的协调、管理、控制和优化2）在功能方面 制造自动化的功能目标是多方面的，可以用TQCSE描述3）在范围方面 制造自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而且涉及到产品生命周期的所有过程。,1.2 制造自动化的发展及现状,制造自动化技术的发展过程第一阶段：刚性自动化，包括刚性自动线和自动单机 在20世纪4050年代已相当成熟，应用传统的机械设 计和制造工艺方法，采用专用机床和组合机床，自动单机和自动化生产线进行大批量生产。其特征是

3、高生产效率和刚性结构，很难实现产品的改变。第二阶段：数控加工 NC和CNC NC在本世纪50-70年代发展，到70-80年代CNC迅速发展，特点：柔性好、加工质量高，适用于多品种，小批量的生产。,1.2 制造自动化的发展及现状,第三阶段：柔性制造 包括计算机直接数控DNC，柔性制造单元FMC，FMS，柔性加工线FML等，特征：强调制造过程的柔性、高效率，适应于多品种，中小批量的生产。第四阶段：计算机集成制造系统CIMS 特征是强调制造全过程的系统性和集成性。第五阶段：智能制造系统 IMS。,1.2 制造自动化的发展及现状,1制造系统中的集成技术和系统技术已成为制造自动化研究中热点问题2更加注重

4、研究制造自动化系统中人的作用的发挥 3单元系统的研究仍然占有重要的位置4制造过程的计划和调度研究十分活跃，但实用化的成果还不多见5适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起,1.3 制造自动化的趋势,1）对无人制造自动化进行反思，提出“人机一体化制造系统的思想”2）单元控制器的研究占重要地位单元控制软件的发展，控制软件的模块化，标准化新的设计方法发展新型控制体系结构，递阶控制结构非递阶，自治协商式控制体系结构人工智能技术,1.3制造自动化的趋势,3）平台技术的研究与平台软件的开发是制造自动化发展的方向 IBM Enabler DEC Basestar,HP AFCON 的PCIM4）现代制造模式

5、的提出和研究直接推动自动化的发展 虚拟制造（Virtual Manufacturing）动态组织联盟（Virtual Organization）5）智能制造将是未来制造自动化发展的重要发展方向 Agent技术,2 数控加工技术,2.1 数控技术2.2 数控加工技术基础 2.3 数控编程 2.4 计算机数字控制技术2.5 应用与发展,2.1 数控技术,数字控制（Numerical Control）技术，简称数控（NC）技术，是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是指用数字化信息对机械设备的运动及其加工过程进行控制的一种方法。,2.2数控加工技术基础,数控技术是综合了计算机、自动控制、电机、电

6、气传动、测量、监控、机械制造等学科领域最新成果而形成的一门边缘科学。数控技术是指用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术，它是一种可编程的自动控制方式，它控制的量一般是位置、角度、速度等机械量，也有温度、压力、流量、颜色等物理量。,2.2数控加工技术基础,数控机床就是采用了数控技术的机床，或着说装备了数控系统的机床数控机床的组成,2.2 数控加工技术基础,数控机床的特点能加工一般机床难以加工的复杂型面精度高，质量稳定生产率高具有广泛的适应性和灵活性一机多用在制品少，加速了流动资金的周转改善生产环境，减少劳动强度实现较精确的成本核算和生产进度安排,2.2数控加工技术基础,数控机

7、床的分类按运动控制分类：点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制数控机床按控制回路分类：开环控制数控机床、闭环控制数控机床、半闭环控制数控机床、混合控制数控机床 按数控装置分类：硬件式数控机床、软件式数控机床按加工类型分类：金属切削类数控机床、金属成型类数控机床、特种加工类数控机床、其它类数控机床,2.2数控加工技术基础,按同时控制的坐标轴分类：2轴、2.5轴、3轴、4轴、5轴或多轴类的数控机床按伺服驱动装置分类：液压驱动式数控机床、气动式数控机床、直流伺服和交流伺服数控化机床按定位坐标分类：绝对坐标系统数控机床和增量坐标系统数控机床,2.3数控编程,数控编程是数控加工准备阶段的主要内容之

8、一，通常包括分析零件图样，确定加工工艺过程；计算走刀轨迹、得出刀位数据、编写数控加工程序、制作控制介质、校对程序及首件试切。手工编程和自动编程从零件图纸到获得数控加工程序的全过程,2.3数控编程,NC编程步骤,2.3数控编程,首先对零件图纸进行工艺分析，在工艺分析的基础上作出各种处理，如确定对刀点、加工路线、选择刀具和切削用量等然后进行必要的计算，确定的工艺过程、工艺参数、刀具位移量与方向以及其它辅助操作按加工路线和所用数控机床控制机规定的指令代码以及程序格式编制出程序单根据程序单穿孔制带或将程序单内容手动输入控制机，以控制机床加工,2.3数控编程,数控加工程序编制分为：手工编程和自动编程自动

9、编程有两种方法：数控语言编程和图形交换数控编程图形交互数控编程：编程人员通过图象系统，以人与计算机实时对话的交互方式在机内逐步生成零件几何图形数据和走刀轨迹数据，并在图形显示器屏幕上显示图形，并可对图形的内容、格式、大小、或色彩进行动态控制。,2.4 计算机数字控制系统,数控机床在数控系统控制下，自动按给定的程序进行零件加工。CNC系统由程序，输入输出设备，计算机数字控制装置，可编程控制器，主轴控制单元和进给速度控制单元等组成，如图所示,2.4计算机数字控制系统,CNC的硬件结构单微处理机机构多微处理器机构CNC的软件结构,2.4计算机数字控制系统,软件的工作过程如图,2.4计算机数字控制系统

10、,CNC装置的软件结构特点：CNC装置的多任务并行处理前后台型软件结构中断型软件结构,2.5 应用与发展,数控技术经历了几代变化第一代数控硬件系统，采用电子元件构成的专用数控系统第二代数控硬件系统，采用晶体管电路的NC系统第三代数控硬件系统，采用中，小型集成电路的NC系统第四代数控硬件系统，采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制系统第五代数控硬件系统，采用微型电子计算机和微处理机组成的控制系统。,2.5 应用与发展,高速度，高精度化智能化基于CAD和CAM的数控编程自动化发展可靠性最大化开放化网络化,2.5 应用与发展,市场激烈竞争，产品迅速更新换代，采用各类数控设备、加工中心、柔性制造单

11、元、柔性制造系统乃至计算机集成制造系统，是必然的趋势。数控技术已是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志之一，更是体现一个机械制造企业技术水平的重要标志。发展数控技术是当前我国机械制造业技术改造的必经之路，是未来工厂自动化的基础。,3 装配自动化,3.1 装配自动化概述 3.2 装配工艺规程的制定 3.3 机器装配自动化,3.1装配自动化概述,任何机器都是由许多零件装配而成的。装配是机器制造中的最后阶段，机器的质量是通过装配保证的，装配质量在很大程度上决定机器的最终质量。在装配过程中，可以发现机器设计和零件加工质量等所存在的问题，并加以改进，以保证机器的质量。选择合适的装配方法，制定合理的装配

12、工艺规程是提高产品质量和生产率的重要保证。,3.1装配自动化概述,任何机器都是由零件，套件，组件，部件等组成，为保证有效进行装配，通常将机器划分为若干能进行独立装配的部分，称为装配单元。装配单元零件，是组成机器的最小单元。它是由整块金属或其他材料制成。零件一般都预先装成套件，组件，部件后才安装到机器上，直接装入机器的零件不太多。,3.1装配自动化概述,套件，是在以及基准零件上，装上一个或若干各零件构成的，它是最小的装配单元。如图z-1所示组件，是在一个基准零件上，装上若干套件及零件构成。为形成组件而进行的装配称之为组装，组件在以后的装配中可拆，见图z-2,3.1装配自动化概述,部件，是在一个基

13、准零件上，装上若干组件，套件和零件构成的。部件在机器中能完成一定的，完整的功能。为形成部件而进行的装配工作称之为部装，见图z-3。整台机器，在一个基准零件上装上若干部件、组件、套件和零件就构成整台机器，把它们装配成最终整台机器产品的过程，称为总装。,图z-1 套件,图z-2组件装配系统图,图z-3部件装配系统图,3.1装配自动化概述,装配工艺系统图概念：在装配工艺规程制定过程中，表明产品零、部件间相互装配关系及装配流程的示意图。表示方法：图中每一个零件用一个方格来表示，在表格上表明零件名称、编号及数量。一般将零件画在上方，把套件、组件、部件画在下方，其排列的次序就是装配的次序，见图z-4。,图

14、z-4 机器装配系统图,3.2装配工艺规程的制定,装配工艺规程是指导装配生产的主要技术文件，制定装配工艺规程是生产技术准备工作的主要内容之一。,3.2装配工艺规程的制定,1.装配工艺规程的主要内容分析产品图样，划分装配单元，确定装配方法拟定装配顺序，划分装配工序计算并确定装配时间定额确定各工序装配技术要求，质量检查方法和检查工具规划装配过程的物流陪送规范确定装配时零部件的输送方法及所需设备和工具选择和设计装配过程中所需的工具，夹具和专用设备规划装配后的物流,3.2装配工艺规程的制定,2.制定装配工艺规程的原则保证产品装配质量，力求提高质量合理安排装配顺序和工序，尽量减少钳工手工劳动量，缩短周期

15、，提高效率尽量减少装配占地面积减少装配工作所占成本提高装配的自动化程度，提高装配过程的柔性。,3.制定装配工艺规程的原始资料产品的装配图及验收技术标准产品的生产纲领生产条件,3.2装配工艺规程的制定,制定装配工艺规程的步骤研究产品的装配图及验收技术条件确定装配方法与组织形式划分装配单元，确定装配顺序划分装配工序编制装配工艺文件,3.3机器装配自动化,1.装配自动化概况装配过程自动化包括零件的供给、装配对象的运送、装配作业、装配质量检测等环节的自动化。,3.3机器装配自动化,2.自动装配机与装配机器人自动装配机与装配机器人可用于各种形式的装配自动化：1）在机械加工中，工艺成套件装配2）被加工零件

16、的组，部件装配3）用于顺序焊接的零件的拼装4）成套部件的设备的总装。,3.3机器装配自动化,自动装配机与装配机器人可以完成下列形式的操作：零件传输，定位及其连接；用压装或由紧固螺钉、螺母使零件相互固定；自动焊接装配；装配尺寸控制，以保证零件连接或固定的质量；输送组装完毕的部件或产品，并将其包装或堆垛,4 工业机器人,4.1 工业机器人概述 4.2 机器人控制技术4.3 机器人编程4.4 应用与发展,工业机器人,工业机器人,4.1工业机器人概述,1.基本概念工业机器人是一种可重复编程和多功能的操作手，用于物料，零件和工具或是一种可完成各种任务的可编程的专用系统。机器人技术综合了计算机、控制论、机

17、构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。,4.1工业机器人概述,工业机器人与机械手机械手是模拟人手和臂动作的机电系统，根据机电耦合原理，按主从原则进行工作，它只是人手和臂的延伸，没有自主能力，附属于主机设备，动作简单，操作程序固定的重复操作，定位点不变的操作装置。机器人则是有独立机械机构和控制系统，能自主，运动复杂，工作自由度多，操作程序可变，可任意定位的自动化操作机。,4.1工业机器人概述,工业机器人的定义在“可编程”“计算机控制”“机械装置”三方面的共同点是：1）工业机器人是一种机械装置，可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；2）它由计算机进行控

18、制，是无人参与的自主自动化控制系统；3）它是可编程，具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。,4.1工业机器人概述,2.基本结构工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程，能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，适合于多品种，变批量的柔性生产。一个机器人系统，由相互作用的四部分组成：机械手、环境、任务和控制器，如图z-6所示,4.1工业机器人概述,图z-6 机器人系统的组成,4.1工业机器人概述,其中机械手是具有传动执行装置的机械，由臂、关节和末端执行装置构成，组合为一个相互连接和相互依赖的运动机构。环境即机器人所处环境，不

19、仅由几何条件所决定，而且由环境和它所包含的每个事物的全部自然特性决定。任务是环境的两种状态（初始状态和目标状态）间的差别。控制器是机器人的脑子，一般是计算机，机器人接受来自传感器的信号，对之进行数据处理，并按照预存信息，机器人的状态及环境情况，产生控制信号驱动机器人的各个关节。,4.1工业机器人概述,3.机器人的分类按机器人研究开发分：工业机器人，人工智能机器人按自动化功能层次分：操作机器人，顺序控制机器人，示教再现机器人，数控机器人，传感控制机器人，智能机器人，自适应机器人，学习控制机器人按技术级别分：第一代，第二代，第三代按运动自由度分：无冗余自由度，有冗余自由度按坐标系分类：笛卡儿坐标型

20、，极坐标型，圆柱坐标型，多关节型，SCARA型按控制原理分：有限顺序控制，伺服控制，传感器控制，力控制，变结构控制，自适应控制，智能控制按运动控制特性分：点位控制，连续控制按传动类型分：气动，液压传动，电气传动，复合传动按用途分：工业机器人，探索机器人，服务机器人，军事机器人,4.2机器人控制系统,1.机器人控制的驱动系统机器人关节由专门型式的执行装置驱动，其常用的驱动系统是电力，液压或气动驱动系统，最常见的驱动方式是每个关节用一个直流电机驱动。,4.2机器人控制系统,2.机器人控制类型机器人的控制器可分为1）有限顺序控制，原理如下,4.2机器人控制系统,2）伺服控制，原理如下,4.2机器人控

21、制系统,3）智能控制，原理如下,4.3机器人编程,机器人编程指的是规定机器人的机械操作装置应该遵循的空间路径和与其作业循环相关活动的指令。把程序指令写入机器人控制器的存储器，完成其程序编制。有三种编程方法：示教再现编程、计算机型机器人编程语言、离线编程,4.3机器人编程,1示教再现编程示教再现是由人工控制法引导机器人完成用户希望机器人完成的一套作业动作，经编辑后机器人自动再现示教过的全套作业动作。它分为三个步骤：由人工控制引导机器人以比较慢的动作完成作业，并在合适的位置记录机器人的关节角；由机器人控制器编程后，再现示教的全部作业动作；若经检测，示教动作正确，作业动作完整，机器人以适当高的速度自

22、动重复作业的全部动作。示教方法有：机动引导法；手动引导法。,4.3机器人编程,2机器人语言编程机器人语言编程是用户与机器人之间的接口。根据作业描述水平的高低，通常分为 动作级、对象级、任务级,4.3机器人编程,动作级编程语言是以机器人的动作作为描述中心，通常由手抓从一个位置到另一个位置的一系列命令组成，代表语言VAL。对象级编程语言是描述操作物体间关系使机器人动作的语言，是以描述操作物体之间的关系为中心的语言，语言有AML，AUTOPASS任务级编程语言是比较高级的机器人语言，允许使用者对工作任务所要求达到的目标直接下命令，不需要规定机器人所作的每个动作细节。,4.3机器人编程,3离线编程离线

23、编程是机器人编程语言的拓广，利用计算机图形学的成果，建立机器人及其工作环境磨削，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。离线编程系统是利用计算机图形学，建立机器人编程环境，在线外进行编程的系统，不占用机动时间，提高了设备利用率，提高编程水平。同时它是CADCAM一体化的一个组成部分，有时可直接利用CAD的数据，减少编程时间。,4.3机器人编程,离线编程系统的基本组成：用户接口机器人系统的三维几何建模运动学计算轨迹规划三维图形动态仿真通讯及后处理误差的校正,机器人的应用领域,弧焊机器人,激光焊机器人,电阻焊机器人,自动化焊接机器人,点焊机器人,等离子切割机器人,机

24、器人的应用领域,清洁机器人,上料机器人,物料输送机器人,材料去除机器人,包装机器人,喷漆机器人,堆跺机器人,机器人的应用领域,涂层机器人,去毛刺机器人,磨销机器人,高温喷涂机器人,1机器人的发展历程20世纪50年代机器人的萌芽期，1954年首次提出“工业机器人”的概念，1958年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型；1958年美国UNIMATION公司推出第一台工业机器人。20世纪60年代，工业机器人进入成长期，开始向实用化阶段发展，并用于焊接和喷涂作业中20世纪70年代，机器人今天实用化阶段，日本成为机器人王国20世纪80年代，机器人进入普及时代，开始在汽车，电子等行业得到大量使用

25、，推动机器人产业的发展。20世纪90年代，机器人进入高潮期，还出现了有感知，决策，动作能力的智能机器人，产生了智能机器或机器人化机器。,4.4 应用与发展,4.4应用与发展,2发展趋势工业机器人性能不断提高，价格下降。机械结构向模块化，可重构化发展工业机器人控制系统向基于PC机的开发型控制器方向发展，便于标准化，网络化机器人中的传感器作用日益重要虚拟现实技术在机器人中的作用已经发展到用于过程控制当代遥控机器人发展致力于操作者与机器人的交互控制机器人化机械开始兴起。,5 柔性制造系统,5.1柔性制造系统概述 5.2柔性制造系统的基本概念5.3柔性制造系统的加工系统5.4柔性制造系统的物流系统5.

26、5柔性制造系统的刀具储运系统5.6柔性制造系统的控制系统,5.1柔性制造系统概述,FMS的雏形源于美国MALROSE公司，该公司在1963年制造了世界上第一条多品种柴油机零件的数控生产线。FMS的概念由英国MOLIN公司最早正式提出，并在965年取得了发明专利，1967年FMS正式形成。,5.1柔性制造系统概述,柔性制造技术是一种主要用于多品种小批量或变批量生产的制造自动化技术，它是对各种不同形状加工对象进行有效适应性转化为产品的各种技术总称。它是集数控技术、计算机技术、机器人技术以及现代管理技术为一体的现代制造技术。,5.1柔性制造系统概述,FMS的适用范围如图,根据“中华人民共和国国家军用

27、标准”有关“武器装备柔性制造系统术语”的定义，FMS被定义为：“柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简称FMS）是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。”美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为：“使用计算机控制柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件族某一系列工序的，或一系列工序的一种集成制造系统。”,5.2柔性制造系统基本概念,5.2柔性制造系统基本概念,1定义、组成及功能FMS是由计算机集中管理和控制

28、的制造系统，具有多个独立或半独立工位的一套物料储存运输系统，加工设备主要由数控机床或加工中心等组成，用于高效率地制造中小批量多品种零件地自动化生产系统。,FMS的主要特点：柔性和自动化,柔性，是指制造系统对系统内部及外部环境的一种适应能力，也是指制造系统能够适应产品变化的能力，可分为瞬时、短期和长期柔性三种。凡具备上述三种柔性特征之一的、具有物料或信息流的自动化制造系统都可以称为柔性自动化。,5.2柔性制造系统基本概念,FMS的组成（1）从硬件上看，它由三部分1）两台以上的数控机床或加工中心以及其它的加工设备，包括测量机、清洗机、动平衡机、各种特种加工设备等2）一套能自动装卸的运输系统，包括刀

29、具的运储和工件及原材料的运储，具体结构可采用传送带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘站等3）一套计算机控制系统以及信息通讯网络,典型的柔性制造系统示意图,5.2柔性制造系统基本概念,（2）从软件内容上看：FMS运行控制系统FMS质量保证系统FMS数据管理和通讯网络系统,5.2柔性制造系统基本概念,FMS的功能：能自动管理零件的生产过程、自动控制制造质量、自动故障诊断及处理、自动信息收集及传输简单改变软件和系统参数，便能制造出某一零件族的多种零件物料的运输和储存必须是自动的能解决多机床条件下零件的混流加工，且无需额外增加费用具有优化调度管理功能，能实现无人化或少人化加工,5.2柔性制造

30、系统基本概念,2 FMS特征保证系统具有一定柔性的同时，还具有较高的设备利用率减少设备投资减少直接工时费用减少工序中的在制品量，缩短生产准备时间加工对象具有快速应变能力维持生产能力强产品质量高，稳定性好运行灵活产量灵活便于实现工厂自动化投资高，风险大，管理水平要求高,5.2柔性制造系统基本概念,3FMS的柔性柔性是FMS的显著特征，系统柔性通常指产品柔性，即系统为不同产品和产品变化进行设置，以提高设备利用率，减少加工过程中零件的中间存储，迅速响应需求变化，具体表现为：机床的柔性加工的柔性零件加工路线的柔性产量柔性扩展柔性生产柔性,5.2柔性制造系统基本概念,4类型FMS按其规模分成四类：柔性制

31、造模块柔性制造单元柔性制造线柔性制造系统柔性制造工厂,加工系统在FMS中的作用:加工系统担任把原材料转化为最终产品的任务，是实际完成改变物性任务的执行系统.加工系统是FMS最基本的组成部分，也是FMS中耗资最多的部分，FMS的加工能力很大程度上是由它所包含的加工系统所决定的。,5.3柔性制造系统加工系统,5.3柔性制造系统加工系统,1加工系统的功能与要求 加工系统是FMS最基本的组成，它满足如下性能：工序集中控制功能强，扩展性好高刚度，高精度，高速度自保护与自维护性好使用经济性好对环境的适应性与保护性好,5.3柔性制造系统加工系统,2加工系统常用配置形式目前，FMS加工的零件主要由两大类：棱柱

32、体类零件，回转体类零件。对于加工棱柱体零件，其机床设备一般选用立式，卧式或者立卧两用的加工中心。用于加工回转类零件的FMS，通常选用数控车床或车削加工中心。FMS机床设备的配置有互替式，互补式以及混合式等多种形式。如图所示：,5.3柔性制造系统加工系统,配备互补机床的FMS,这类FMS中，通过物料运储系统将数台NC机床连接起来，不同机床的工艺能力可以互补，工件通过安装站进入系统，然后在计算机控制下从一台机床到另一台机床，按顺序加工。工件通过系统的路径是固定的。特点：非常经济，生产率较高，能充分发挥机床的性能。从系统的输入和输出的角度看，互补机床是串联环节，它减少了系统的可靠性，即当一台机床发生

33、故障时，全系统将瘫痪。,配备可互相替换机床的FMS,系统中的机床可以互相代替，工件可被送到适合加工它的任一台加工中心上。计算机的存储器存有每台机床的工作情况，可以对机床分配加工零件、一台加工中心可以完成部分或全部加工工序。从系统的输出和输入看，它们是并联环节，因而增加了系统的可靠性，同时这种配置形式具有较大的柔性和较宽的工艺范围，可以达到较高的机床利用率。,混合式FMS,这类FMS是互补式FMS和替换式FMS的综合，即FMS中有一些机床按替换式布置，而另一些机床按互补式安排，以发挥各自的优点。大多数FMS采用这种形式。,加工系统中常用加工设备简介,加工中心（Machining Center，M

34、C）是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。它的最大特点是工序集中和自动化程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。,常见加工中心按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用（也称万能、五面体、复合）加工中心。,镗铣加工中心,是自身带有刀库和自动换刀装置（ATC）的一种多工序数控机床。工件经一次装夹后，能完成铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多种工序的加工，并且有多种选刀或换刀切能，从而使生产效

35、率利自动化程度大大提高。,美国White Sundstrand公司生产的OMNIMIL80系列加工中心,5.3柔性制造系统加工系统,3加工系统的辅助装置机床夹具托盘自动上下料装置,5.4柔性制造系统的物流系统,物流系统的功能：使工件在工作站间随机而独立运动能装卸不同形状的工件暂存储功能便于工件装卸与计算机控制兼容,5.4柔性制造系统的物流系统,物料运输与存储系统包括：物料传输设备（传送带、导向车、运输小车和搬运机器人）物料存储设备：自动化仓库、托盘站和刀具库物流控制系统：自动化仓库控制系统、物料识别控制系统、自动物料运输设备控制系统、上下料站控制系统,5.4柔性制造系统的物流系统,FMS物流设

36、备的布置：行排列环形布置梯形布置开放式布置以机器人为中心,5.5柔性制造系统的刀具运储系统,1刀具运储系统的组成典型的FMS刀具运储系统通常由刀具预调站、刀具装卸站、刀库系统、刀具运载交换装置以及计算机控制管理系统组成。刀具预调站设置在FMS之外，用于FMS所应用的刀具按给定要求进行预先装配调整。刀具装卸站是刀具进出FMS的门户，其结构多为框架式。刀具库系统包括机床刀库和中央刀具库。刀具运载交换装置是一种在刀具装卸站、中央刀具库、机床刀具库之间进行刀具传递的交换的工具。,5.5柔性制造系统的刀具运储系统,2刀具运载交换装置刀具运载通常由换刀机器人或刀具运输小车实现。它们负责完成在刀具装卸站，中

37、央刀具库以及各加工单元之间的刀具搬运和交换。FMS中的刀具交换包括三个方面内容：1）加工机床刀具库与工作主轴间的刀具交换，2）刀具装卸站，中央刀具库以及各加工单元之间的刀具交换3）AGV运载刀架与机床刀库之间的刀具交换。,3.FMS刀具运储系统的主要职能负责刀具的运输，存储和管理，适时向加工单元提供所需的刀具，监控管理刀具的使用，及时取走已报废的刀具，保证正常生产的同时，最大限度地降低刀具成本。,5.5柔性制造系统的刀具运储系统,加工中心机床自动换刀方式,l）顺序选刀方式将所需使用的刀具按加工顺序，依次放入刀库的每个刀座内。每次换刀时，刀座按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需的刀具。2）刀座编

38、码方式对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中，然后根据刀座编码选取刀具。3）刀具编码方式采用特殊结构的刀柄，并对每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置，根据数控系统发出的换刀指令代码，在刀库中寻找所需要的刀具。这种装刀换刀方便，刀库容量减小，还可避免因刀具顺序的差错所造成的事故。,5.5柔性制造系统的刀具运储系统,4刀具信息管理FMS刀具信息管理包括刀具的输送，交换和监控，以及刀具信息的录入，存储，跟踪，查询和刀具准备计划等内容。刀具信息分为静态信息和动态信息,5.5柔性制造系统的刀具运储系统,静态信息就是刀具在加工过程中固定不变的信息，如刀具类型、属性、编码、

39、几何形状以及结构参数等。动态信息是指在使用过程中不断变化的一些刀具参数，如刀具寿命、工作直径和长度，以及参与切削加工的其他几何参数，这些信息随加工过程的延续不断发生变化，直接反映了刀具使用时间长短、磨损量的大小、对工件加工精度和表面质量的影响。,5.5柔性制造系统的刀具运储系统,刀具管理系统,5.5柔性制造系统的刀具运储系统,第一层为刀具实时动态信息，由一系列实时数据文件组成，每一把在线刀具都有一个相应的文件进行描述，记载着刀具的实时动态数据，包括刀具几何尺寸、工作直径及长度、刀具实际参与切削时间。第二层为静态刀具类型文件，提供了刀具的结构组成和结构参数，它既表示FMS中存在的刀具，又能表示可

40、利用相关组件和元件进行装配的刀具。当刀具管理员接到刀具装配指令后，将按该刀具类型文件所描述的刀具结构组装所需要的刀具。第二层与第一层刀具信息文件的区别是：第一层为实际投入FMS使用的刀具，而第二层则是为可提供FMS使用的刀具；在第一层刀具文件中，每把刀具占有一个实时动态描述文件，而第二层每一文件描述一类刀具。第三、第四层分别为描述刀具组件和元件的文件。,5.5柔性制造系统的刀具运储系统,第五层刀具的监控刀具监控的目的是为了及时了解每时每刻的在线刀具因磨损，破损而发生的性质变化，其监控方法是通过刀具寿命跟踪来实现。,5.6柔性制造系统的控制系统,FMS的控制系统实际上是实现FMS加工过程中的物料

41、流动过程的控制、协调、调度、监测和管理的信息流系统。它由计算机、工业控制机、可编程控制器、通信网络、数据库和相应的控制与管理软件组成，是FMS的神经中枢和核心部分。,5.6柔性制造系统的控制系统,1 FMS控制系统的功能:传送数据，给FMS中物料系统和加工设备协调FMS各设备的活动，保证把工件和刀具及时提供给加工设备，使加工设备高效运转生产控制，包括对零件和各种工件进入制造系统的输入率的决策刀具系统控制，监控刀具状态FMS系统性能的监控及报告,5.6柔性制造系统的控制系统,2FMS控制结构车间控制器单元控制器工作站控制器设备控制器图为FMS递阶四阶控制结构：,5.6柔性制造系统的控制系统,控制

42、系统的结构：通常采用递阶控制的结构形式，即通过对系统的控制功能进行正确、合理地分解，划分成若干层次，各层次分别进行独立处理，完成各自的功能，层与层之间在网络和数据库的支持下，保持信息交换，上层向下层发送命令，下层向上层回送命令的执行结果。通过信息联系，构成完整的系统，以减少全局控制的难度和控制软件开发的难度。FMS的递阶控制结构一般采用三层：,5.6柔性制造系统的控制系统,3FMS控制系统的组成FMS控制系统由硬件和软件组成，如图,5.6柔性制造系统的控制系统,4FMS控制系统的工作原理（1）生产准备任何一个FMS系统自动运行前必须完成生产准备工作，主要内容有：1）获取生产作业计划，工艺计划与

43、NC程序；2）刀具准备；3）工装与工件毛坯准备；4）系统配置与数据核对。（2）动态调度动态调度是协调各子系统之间的合作关系，实现工件流，刀具流和信息流自动传输，使FMS能高度自动化加工。,5.6柔性制造系统的控制系统,（3）系统监控系统监控使监视整个FMS系统的运行情况，使操作者随时了解整个FMS系统的运行状态，并统计系统数据。（4）故障诊断与处理故障诊断系统诊断FMS各子系统的故障类型，作出对故障处理的决策，把故障信息提示给系统操作人员。,6 FMS的应用实例,一、FMS的引进计划 通常研制和开发FMS多以用户（使用厂家）的“FMS设备计划书”为基础，根据用户的加工对象、加工技术与技巧、生产

44、能力、生产计划等，由用户与供应商或制造厂家（大多为设计、制造FMS有丰富经验和大量实绩的机床厂）的工程技术人员一起共同承担与实施。,制定FMS引进计划的步骤,实施FMS的过程中应注意的问题,l）应与企业的经营计划和发展方向挂钩，做到目标明确、资金落实。2）具体地、仔细地分析企业的技术力量和需求，做到技术落实。3）分析引进设备后对生产管理方面的影响，做到组织落实。4）制定与设备引进相关的人才培训计划，做到人员落实。,（1）实施FMS的基本原则,（2）加工对象的选择与分析选择FMS的加工对象时应考虑如下因素：,1）多品种、中小批量、形状类似的工件（降低成本）。2）总附加价值高的工件（提高质量、缩短

45、交货期、有可观的利润）。3）被切削性好、切屑处理容易、加工任务稳定的工件（易于无人值守自动加工）。4）加工部位的形状和切削条件稳定的工件（易于数控加工）。5）加工工序可大幅度集约的工件（缩短产品开发、研制周期，适合数控加工）。,（3）实施方法实施方法可采用外购、用户与制造厂家共同研制开发、用户自行开发三种方式。不管采用哪一种方式，应首先考虑用户现有设备、现有技术和特长的应用与发展。（4）设备投资费用的预算FMS投资费较高，在技术上选用适合于用户的最佳系统的同时，还须在经济上对系统设备投资进行核算，筛选出对企业经营最合适的系统。（5）系统的扩展性由于很多不可预测的因素，如生产计划的变动、加工对象种类的增加等，实施时应充分考虑系统的可扩展性。,FMS的运行-（l）准备阶段,1）设备安装与系统调试的准备2）工件毛坯的准备3）工装夹具的准备4）刀具的准备5）数控加工程序的准备6）系统操作实习,FMS的运行-（2）系统调试与运行初期,1）严格把关，反复测试，确保系统及系统中所有设备的软、硬件性能均满足设计要求。2）在系统运行初期，应仔细观察、认真分析，找出系统的各种异常现象和原因，采取必要的改进措施，提高系统的稳定性。3）制定相应的管理制度和使用规程，以强化操作人员的责任心，方便管理，防止事故。4）总结经验，探求系统的最佳使用方法，提高系统应用水平。,FMS在航空发动机行业的应用实例,