计算机辅助设计与制造第八章.pptx
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1、计算机辅助设计算机辅助设计与制造计与制造机 械 工 业 出 版 社计算机辅助设计与制造08自动化制造系统第8章第8章 自动化制造系统8.1 自动化制造系统概述8.1自动化制造系统概述8.1.1制造系统的概念、组成及分类1.制造系统的组成 概括地说,制造系统是一个由设备、工具、人等组成的,把原材料转换为成品的复杂动态系统。制造系统可大可小,根据其规模或涵盖的范围,它可以是单机、单元、车间和工厂等几个层次的制造系统。例如,数控机床或加工中心属于单机级的制造系统,而柔性制造系统和自动线属于车间级的制造系统。广义地讲,一个制造系统通常由以下几个部分组成。1)生产设备及其工艺装备。4)人力。3)管理与控
2、制系统。2)物料运储系统(物流系统)。8.1自动化制造系统概述2.制造系统的分类8.1自动化制造系统概述8.1.2自动化制造系统的类型及特点自动化制造系统是指在较少的人工直接或间接干预下,将原材料加工成零件或将零件组装成产品,在制造过程中实现管理过程和工艺过程自动化。管理过程包括设备的组织及协调,作业计划与调度,工件和刀具的分配与管理,制造系统环境和工况的监控等。工艺过程涉及范围很广,包括工件的装卸、储存和输送,刀具的装配、调整、输送和更换,工件的切削加工、排屑、清洗和测量,切屑的输送、切削液的净化处理以及零件装配成产品等。自动化制造系统包括刚性制造系统和柔性制造系统。“刚性”的含义是指该生产
3、线只能生产某种或生产工艺相近的某类产品,表现为生产产品的单一性。刚性制造系统包括组合机床、专用机床、刚性自动化生产线等。“柔性”是指生产组织形式和生产产品及工艺的多样性和可变性,具体表现为机床的柔性、产品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。柔性制造系统包括数控机床、加工中心、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性制造线(FML)、柔性装配线(FAL)、计算机集成制造系统(CIMS)等。8.1自动化制造系统概述1.刚性半自动化单机不同的自动化制造系统具有不同的性能特点和不同的适用范围或场合,因此应根据需要选择不同的自动化制造系统。依据制造系统的自动化水平和规模,可以将自动化制造系统分
4、成以下主要类型。除上下料外,机床可以自动地完成单个工艺过程的加工循环,这样的机床称为刚性半自动化单机。这种机床一般是机械或电液复合控制式组合机床和专用机床,可以进行多面、多轴、多刀同时加工。其特点是:加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列;切削刀具由人工安装、调整;实行定时强制换刀,如果出现刀具破损、折断,可进行应急换刀。例如,单台组合机床,通用多刀半自动车床,转塔车床等。从复杂程度讲,刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次,但是投资少、见效快,适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点是调整工作量大,加工质量较差,工人的劳动强度也大。8.1自动化制造系统概述2.刚性自动化单机
5、它是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。辅助装置包括自动工件输送、上料,下料、自动夹具、升降装置和转位装置等;切屑处理一般由刮板器和螺旋传送装置完成。这种机床实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。这种机床往往需要定做或改装,常用于品种变化很小,但生产批量特别大的场合。主要特点是投资少、见效快,但通用性差,是大量生产最常见的加工装备。8.1自动化制造系统概述3.刚性自动化生产线 刚性自动化生产线,简称刚性自动线,是在多工位生产过程中,用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来,在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。它在汽车、拖拉
6、机、轴承等制造业中应用十分广泛。在刚性自动线上,被加工零件以一定的生产节拍,顺序通过各个工作位置,自动完成零件预定的全部加工过程和部分检测过程。因此,与刚性自动化机床(单机)相比,它的结构复杂,任务完成的工序多,所以生产效率也很高,是少品种、大量生产必不可少的加工装备。除此之外,刚性自动生产线还具有可以有效缩短生产周期,取消半成品的中间库存,缩短物料流程,减少生产面积,改善劳动条件,便于管理等优点。它的主要缺点是投资大,系统调整周期长,更换产品不方便。为了消除这些缺点,人们发展了组合机床自动线,可以大幅度缩短建线周期,更换产品后只需更换机床的某些部件即可(例如可更换主轴箱),大大缩短了系统的调
7、整时间,降低了生产成本,并能收到较好的使用效果和经济效果。组合机床自动线主要用于箱体类零件和其他类型非回转体的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工。刚性自动化生产线目前正在向刚柔结合的方向发展,开始大量采用数控机床和加工中心等柔性加工设备。8.1自动化制造系统概述4.自动化车间 自动化车间,有文献也称为刚性综合自动化系统。一般情况下,刚性自动线只能完成相同工种(如切削加工)的不同工序任务,而对于其他不同工种(如热处理、装配、检验、涂装等)的工序任务不能完成。自动化车间是指由若干条不同工种的刚性自动线组成的自动化系统,实现加工、热处理、装配、检验和试验等不同工种在相同生产节拍下的连续生产。在
8、各条自动线之间通常设置一定容量的自动储料器(缓存器),以避免局部环节停顿造成全部自动线的停工。它常用于产品单一、批量特别大、而工序内容多的零、部件的自动化制造。这类系统的典型例子是轴承自动化车间,其由车削自动线、热处理自动线、磨削自动线和装配自动线组成。自动化车间结构复杂、投资力度大、建设周期长、更换产品困难,但生产效率极高、加工质量稳定、工人劳动强度低。8.1自动化制造系统概述5.柔性自动化单机 它包括单台数控机床和单台加工中心两种形式。数控机床通过事先编好的数控程序,以数字量形式来自动控制机床的各种机械动作,完成零件的一个工序的自动化循环加工。它是单机自动化的一个重大进展。早期数控机床的控
9、制系统由电子管、半导体晶体管等电子元器件组成,插补运算、控制功能靠硬件实现,称为“硬件数控”,其存在逻辑电路不易改变、体积大、可靠性差等缺点。后来人们采用计算机代替硬件连接电路,实现了软件数控,即计算机数控,具有通用性好、硬件和软件功能强、工作可靠、维修方便等特点。计算机数控也使得机床的自适应控制成为可能,使数控机床能够始终处于最佳工作状态。数控机床常用于零件复杂程度较高、精度较高、品种多变、中小批量的生产场合。8.1自动化制造系统概述6.柔性制造单元 柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell,FMC)是一种小规模的柔性制造系统(Flexible Manufactu
10、ring System,FMS),是柔性制造系统向廉价化及小型化方向发展的一种产物。它由一台数控机床或加工中心所构成,一般配有专门的物料传送装置(如托盘交换器或工业机器人),由单元计算机进行程序编制和分配、负荷平衡和作业计划控制,能在机床上自动装卸工件,甚至自动检测工件,实现有限工序的连续生产。与柔性制造系统相比,柔性制造单元的主要优点是:占地面积小、建立比较简单、投资较小、可靠性较高、使用和维护均较简单。因此,柔性制造单元是柔性制造系统的主要发展方向之一,深受各类企业的欢迎,它适用于多品种、小批量生产。8.1自动化制造系统概述7.柔性制造系统 柔性制造系统(FMS)是一个在中央计算机系统控制
11、与管理下,由两台以上配有自动换刀及自动更换工件托盘的数控设备、输送刀具和工件的物料运储装置组成的制造系统。柔性制造系统通常由若干柔性制造单元子系统组成,其控制、管理功能也比柔性制造单元强,对数据管理与通信网络的要求更高。它具有进行生产负荷平衡调度和实时监控制造过程的功能,以及制造多种零件族的柔性自动化能力。柔性制造系统在设备级的工艺自动化基础上实现了物料流和信息流的自动化,兼有加工制造和部分生产管理两种功能,能综合地提高生产效益。柔性制造系统的工艺范围在不断扩大,包括机械加工、毛坯制造、装配和质量检测等。8.1自动化制造系统概述9.计算机集成制造系统计算机集成制造系统(Computer Int
12、ergrated Manufacturing System,CIMS)是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上,通过计算机及其软件系统,将制造企业全部生产活动(从订单接收、设计和制造到产品交付等所有环节)所需的各种分散的自动化系统有机集成起来,成为适合于多品种、中小批量生产的整体高效益、高柔性的自动化制造系统。它是目前最高级别、涵盖业务范围最广的自动化制造系统,但这并不意味着计算机集成制造系统是完全自动化的制造系统,许多环节工作仍需要大量的人工参与才能完成。事实上,目前计算机集成制造系统的自动化程度甚至比柔性制造系统还要低。计算机集成制造系统强调的主要是业务活动之间信息流的集成和自动化,而不
13、是制造过程中物流的自动化。第8章 自动化制造系统8.2 柔性制造系统8.2柔性制造系统 上节介绍的自动化制造系统中,前四类属于刚性自动化制造系统,以刚性自动化生产线和自动化车间为代表。它们强调了加工的自动化。20世纪3070年代是其发展的鼎盛时期,以后逐步融合柔性自动化技术。而后五类属于柔性自动化制造系统,它们在自动化的基础上强调了柔性和适应性。而后四类是在数控机床和加工中心为代表的柔性自动化单机基础上发展起来的,主要是为了适应市场上多品种中小批量产品的高效生产要求。20世纪80年代是它们发展的鼎盛时期。由于其要求高度自动化和柔性,系统建造投资大,制造效率不甚理想,从而逐渐向柔性和刚性相结合的
14、方向发展,向可重构制造系统(Reconfigurable Manufacturing System,RMS)方向发展。8.2柔性制造系统8.2.1柔性制造系统的基本概念、特点及适用范围1.柔性制造系统的定义 由于柔性制造系统还在不断发展之中,其作为一种新的制造技术的代表,不仅在零件加工而且在毛坯制造、产品装配和质量检测等领域里也得到了越来越广泛的应用,这就决定了柔性制造系统组成和机理的多样性。所以,目前对于柔性制造系统(FMS)的概念还没有统一的定义。表8-2给出了不同标准组织和协会对柔性制造系统的不同定义。8.2柔性制造系统8.2柔性制造系统2.柔性制造系统的适应范围8.2柔性制造系统8.2
15、.2柔性制造系统的组成及工作原理1.柔性制造系统的组成8.2柔性制造系统2.柔性制造系统的工作原理8.2柔性制造系统8.2.3柔性制造系统的物流系统1.运输设备8.2柔性制造系统(3)工业机器人工业机器人的典型结构8.2柔性制造系统2)工业机器人的坐标形式。工业机器人运动由主构架和手腕完成,主构架一般具有3个自由度,在考虑干涉问题时,为了避开空间障碍可增加自由度数。工业机器人手臂的运动由两种基本运动组成,即手臂伸缩的直线移动和连接关节处的回转运动。对于三自由度工业机器人,根据不同的运动组合,形成四种类型的机器人。直角坐标型(3个直线坐标轴)。圆柱坐标型(2个直线坐标轴和1个回转轴)。球坐标型(
16、1个直线坐标轴和2个回转轴)。关节型(3个回转轴)。图8-7所示为四种类型的工业机器人运动及作业范围示意。8.2柔性制造系统四种类型的工业机器人运动及作业范围示意8.2柔性制造系统(4)托盘交换器1)回转式托盘交换器。两位回转式托盘交换器8.2柔性制造系统2)往复式托盘交换器。六位往复式托盘交换器8.2柔性制造系统2.存储设备(1)自动化立体仓库自动化立体仓库8.2柔性制造系统自动化立体仓库中的堆垛机8.2柔性制造系统(2)装卸工作站 柔性制造系统中的装卸站是工件进出系统的地方。在这里,装卸工作通常采用人工操作完成。柔性制造系统如果采用托盘装夹运送工件,则工件装卸站必须有可与输送小车等托盘运输
17、装置交换托盘的工位。工件装卸站的工位上安装有传感器,与柔性制造系统的管理与控制系统连接,指示工位上是否有托盘。工件装卸站设有工件装卸站终端,也与柔性制造系统的管理与控制系统连接,用于装卸工装卸结束的信息输入,以及要求装卸工装卸的指令输出。8.2柔性制造系统(3)缓冲站 在柔性制造系统的物流系统中,除了必须设置适当的立体仓库和装卸站外,还必须设置各种形式的缓冲存储区来保证系统的柔性,这种缓冲存储区称为缓冲站或缓存站(Buffer)。因为在生产线中会出现偶然的故障,如刀具折断或机床故障,为了不致阻塞工件向其他工位的输送,输送线路中可设置若干个侧回路或多个交叉点的并行物料库以暂时存放故障工位上的工件
18、。因此,在柔性制造系统中,建立适当的托盘缓冲站或托盘缓冲库是非常必要的。托盘缓冲站是托盘在系统中等待下一工序系统加工服务的地方。托盘缓冲站必须有可与输送小车等托盘运输装置进行托盘交换的工位,为了节省地方,可采用高架托盘缓冲区。在托盘缓冲站的每个工位上安装有传感器,可直接与柔性制造系统的管理与控制系统连接。3.物流系统的布局形式8.2柔性制造系统8.2柔性制造系统8.2柔性制造系统8.2.4柔性制造系统举例1.美国沃特宇航公司的机身零件加工柔性制造系统沃特宇航公司的用于飞机机身零件的柔性制造系统8.2柔性制造系统2.日本大隈铁工所的机床零部件加工柔性制造系统大隈铁工所的机床零部件加工柔性制造系统
19、8.2柔性制造系统3.德国斯图加特大学机床与控制技术研究所(ISW)的柔性制造系统德国斯图加特大学ISW开发的柔性制造系统8.2柔性制造系统8.2.5柔性制造系统的特征与传统的制造系统相比,柔性制造系统具有以下特征。1)机床与物流系统的自动化程度高得多,能实现长时间的无人自动连续生产,提高产品质量的一致性。2)柔性制造系统所采用的机床比传统加工系统少得多。柔性制造系统通过信息流与系统规划模块能合理组织加工单元,并采用自动化程度高的数控机床和加工中心,实现工序集中。3)柔性制造系统中机床布局取决于物流系统的布局形式。4)零件的装夹次数少得多,加工时间长得多。多采用模块化夹具,夹具种类少且基准统一
20、。在一次装夹中安排尽可能多的加工操作,这样减少了装夹、调整等辅助时间。5)系统中的信息总量和流量大。柔性制造系统增加了复杂的物流系统,增加了混流加工,需要处理的零件种类多,且它们的批量、交货期、工艺路线都不同。6)系统设计对运行性能影响大,关系到实施的成败。系统实施之前需要借助规划论、排队论等建模技术和计算机仿真技术对多种系统方案下的性能进行充分的论证和分析。第8章 自动化制造系统8.3 自动化制造系统的管理与控制8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.1自动化制造系统的递阶控制结构自动化制造系统是工厂的组成部分之一,其控制与管理须置于工厂的总体控制体系内。计算机集成制造系统(CIMS)是制造
21、工厂,特别是多品种、中小批量生产类型制造工厂实现自动化的主要形式。CIMS的控制体系是以五层递阶控制模式为基础建立起来的,如图8-16所示。8.3自动化制造系统的管理与控制CIMS的五层递阶控制结构8.3自动化制造系统的管理与控制典型柔性制造系统的递阶控制结构8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.2自动化制造系统的信息流模型及特征1.自动化制造系统的信息流模型自动化制造系统的信息网络模型8.3自动化制造系统的管理与控制1)计划层属于工厂级,包括产品设计、工艺设计、生产计划、库存管理等。其信息主要是企业经营战略和经营计划、产品开发等,调控的时间范围可以是几个月到几年。2)管理层属于车间级或系统
22、管理级,包括作业计划、工具管理、在制品及毛坯管理、工艺系统分析等。其信息主要是工作计划与管理,调控的时间范围从几周到几个月。3)单元层属于系统控制级,负担分布式数控、运输系统与加工系统的协调、工况和机床数据采集等。其信息主要是各子系统工作的协同,调控的时间范围可从几小时到几周。单元控制器在自动化制造系统管理与控制中起到承上启下的中枢作用,通常由主控或中央计算机完成。4)控制层属于工作站级,包括机床数控、工业机器人控制、运输和仓库控制等。其信息主要是各子系统和实行单元的执行指令,时间范围可从几分钟到几小时。5)执行层属于设备级,通过伺服系统执行控制指令而产生机械运动,或通过传感器采集数据和监控工
23、况等。其信息是各执行机构的实时控制指令和状态监测数据,时间范围可以从几毫秒到几分钟。8.3自动化制造系统的管理与控制(1)信息流的数据内容1)基础数据。2)控制数据。3)状态数据。2.自动化制造系统的信息流数据及特征要实现自动化制造系统的控制与管理,首先必须了解:在制造过程中有哪些数据需要采集;这些数据怎样产生、流向何处;这些数据之间如何进行处理、交换和利用。1)数据联系。2)决策联系。3)组织联系。8.3自动化制造系统的管理与控制2)时间属性特征。1)信息流的结构化特征。(2)信息流的特征管理和控制信息流程的功能参考模型8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.3作业计划与调度管理1.作业计划
24、编制与调度作业计划编制的基本原则是在系统中尽可能减少随行夹具的情况下提高机床负荷率,并缩短加工任务的通过时间。具有最高优先权的加工任务可以首先加工。在任务安排过程中要检查所需的数控程序,随行夹具和其他基本数据是否都已存在。如果操作员确认所缺的资源能及时获得补给,则此项加工任务可被系统接纳和调度。只要在系统中有空闲的加工能力和物料,那么作业调度过程就应反复运行。在实际投放加工任务时,要再次检查机床的可用度和物料的准备情况。2.刀具需求计划对于已经安排好的加工任务,要编制刀具需求计划,一般采用两种方式。1)计划需求。从数控程序的刀具清单中得到刀具的识别号和每次调用刀具的使用时间。在刀具基本数据库中
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