第六章柔性制造系统(FMS)技术2.ppt

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1、FlexibleManufacturingSystem目 录6.1概述概述6.1.1FMS的产生的产生6.1.2FMS定义、组成、特点定义、组成、特点6.2FMS加工系统加工系统6.2.1加工系统功能和要求加工系统功能和要求6.2.2常用加工设备常用加工设备6.2.3刀具运储系统刀具运储系统6.3自动换料装置自动换料装置6.4零件运储系统零件运储系统6.5自动化仓库自动化仓库6.6FMS控制系统控制系统套数年份8588900886年我国引进第一套40001000800500FMS国际发展柔性制造系统(FMS)对刀仪对刀仪FMS控制器控制器刀具刀具I/O站站装卸站装卸站加工中心加工中心A加工中心

2、加工中心B刀具机器人刀具机器人物料小车物料小车中央刀库中央刀库中央托盘区中央托盘区数控加工设备+物料运储装置计算机控制与管理系统自动化制造系统2台以上1套以上美国国家标准局定义美国国家标准局定义FMS：由一个传输系统联系起来的一些设：由一个传输系统联系起来的一些设备，传输装置把工件放在其它联结装置上送到各加工设备，使备，传输装置把工件放在其它联结装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速、自动化。中央控制系统控制机床与传输工件加工准确、迅速、自动化。中央控制系统控制机床与传输系统。系统。典型的FMS一般由三个子系统组成。它们是加工系统、物流系统和控制与管理系统，各子系统的构成框图及功能特征如图

3、1所示。三个子系统构成了一个制造系统的能量流（通过制造工艺改变工件的形状和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造过程的信息和数据处理）。表 1 机床配置形式与特征比较特征a)互替形式b)互补形式c)混合形式简图生产柔性低(多功能机床）中（专用机床组成）高生产率低高中技术利用率低中高系统可靠性高低中投资强度比高低中6.2 FMS的加工系统6.2.1加工系统的功能及要求加工系统的功能及要求7）对环境的适应性与保护性好。）对环境的适应性与保护性好。对工作环境的温对工作环境的温度、湿度、噪声、粉尘等要求不高。度、湿度、噪声、粉尘等要求不高。8）其他。）其他。如技术资料齐全，机床上的各种显

4、示、如技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚。标记等清楚。1）数控加工中心（MCMachining Center）加工中心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。镗铣加工中心：镗铣加工中心：镗、铣、钻、攻螺纹等。车铣加工中心：车铣加工中心：外圆车削、镗孔、钻孔、端面铣、加工外圆 上的平面、径向孔、槽，凸缘上的孔、槽、端面等。钻削加工中心：钻削加工中心：钻削、铣削、镗削、刚性攻丝功能磨削加工中心：磨削加工中心：内外圆磨削（立、卧两

5、种）内外圆磨削（立、卧两种）立式加工中心立式加工中心卧式卧式加工加工中心中心立立卧两用（也称万能、五面体、复合）加工中卧两用（也称万能、五面体、复合）加工中心。心。在实际应用中，以加工棱柱体类工件为主的镗铣加工中心和以加工回转体类工件为主的车铣加工中心最为多见。由于镗铣加工中心（1958年由美国KM公司在数控铣床上加刀库）最早出现，且名为加工中心（Machining Center），所以习惯上常把“镗铣加工中心”称为“加工中心”。我们不妨也沿用此习惯。数控加工中心运动轴：至少X，Y，Z三个平动轴还有A，B，C三个转动轴五轴联动机床：X，Y，Z加B轴，A（或C轴）主刀头换刀机构和刀库立轴（Y）工

6、作台控制面板工作台底座立式加工中心YXZACB 卧式加工中心立卧加工中心2）镗铣加工中心 加工中心可完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作，它与普通数控镗床和数控铣床的区别之处，主要在于它附有刀库和自动换刀装置。加工中心是复杂曲面加工的理想设备。3)车铣加工中心（TC-Turning Center）分卧式和立式回转零件的复合加工外圆车削、镗孔、钻孔、端面铣加工外圆上的平面、径向孔、槽，凸缘上的孔、槽、端面视频6.2.3 FMS的刀具储运系统1)FMS刀库形式刀库形式中央刀库中央刀库一条由一条由10台加工中心组成的台加工中心组成的FMS，大约需，大约需要要30005000把刀具。若低于这个数目，把刀具。若

7、低于这个数目，生产线可能会由于等待刀具而造成停工生产线可能会由于等待刀具而造成停工.加工中心刀库加工中心刀库2080把刀具把刀具.FMS环境下刀具流的组成及运行过程预调站：刀柄、刀具组装，刀具测试、记录并输入计算机系统。装卸站：临时存储站2)加工中心的刀库3)自动换刀装置 p 衡量加工中心刀库的指标有：刀具存储量、刀具（加刀柄和刀杆等）最大尺寸与重量、可扩展性等；p 衡量自动换刀装置的指标有：换刀重复定位精度、换刀时间等。常用换刀机械手有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等。双臂式机械手换刀时，可缩短换刀时间又有利于使机械手保持平衡，被广泛采用。单臂式双臂式4)加工中心刀位管理加工中心刀位管理其中

8、，刀具刀座跟踪记忆法在加工设备内使用最为方便，刀具其中，刀具刀座跟踪记忆法在加工设备内使用最为方便，刀具编码法适合于编码法适合于FMS刀具的集中管理，所以在刀具的集中管理，所以在FMS中常将这两种中常将这两种方法混合使用。方法混合使用。通常加工中心的技术参数中给出的换刀时间是刀对通常加工中心的技术参数中给出的换刀时间是刀对刀换刀时间（或称净换刀时间），目前最快为刀换刀时间（或称净换刀时间），目前最快为0.45s，一般为，一般为5s左右。左右。刀对刀换刀时间：刀对刀换刀时间：主轴和刀库刀座都主轴和刀库刀座都回到换刀点后交换回到换刀点后交换刀具所需的时间。刀具所需的时间。加工对加工换刀时间：加工对

9、加工换刀时间：从上一把刀加工结束从上一把刀加工结束到刀具交换后下一把刀到刀具交换后下一把刀进入加工所需的时间。进入加工所需的时间。5)换刀时间6.3 自动换料装置 功能：完成加工设备间、加工设备与自动化仓库间的工件运输与搬运。工件更换方式：工件更换方式：工件用夹具安装在托盘工件用夹具安装在托盘上，托盘成为机床的工作台，更换工件上，托盘成为机床的工作台，更换工件则连同托盘一起更换。则连同托盘一起更换。更换装置：更换装置：托盘交换器、机器人托盘交换器、机器人1）托盘交换器它完成或协助完成物料（工件）的装卸与交换，并起缓冲作用。2)工业机器人功能:搬运材料、零件、工具等组成：由执行机构、驱动机构（电

10、气、液压、气动）、控制系统、检测系统等种类：固定式机器人、移动式机器人等国际上有代表性的机器人公司有：瑞典：ABBRobotics日本：FRANUC，Yaskawa德国：KUKARoboter美国：AdeptTechnology，AmercianRobot意大利：COMAU英国：AutoTechRobotics加拿大：JcdInternationalRobotics以色列：Robogroup中国：中科院沈阳自动化所新松机器人公司扫描臂延伸肘摆动肩计算机控制系统6.4 零件运输系统1）功能：对外的运输。即运进毛坯，运出产品。内部运输。原料、半产品在FMS内部运输。2）FMS内部的运输工具：传送带

11、已越来越少自动运输小车：有轨（地轨与高架）、无轨（有线/遥控导向、光电导向、激光导向）。现多采用无轨小车。搬运机器人：应用越来越广4）自动导向小车自动导向小车组成 由可控小车+托盘+托盘装夹机构组成 自动导向小车特点 高柔性：通过改变导向程序，容易修改路线 实时监视与扩展：提高计算机可控同频率小车 安全可靠：速度低1070M/MIN，定位准确5）自动导向小车类型有轨：移动快，定位准，转弯半径大线导：感应线圈扫描线圈遥控小车光导小车：荧光材料铺出轨迹，光敏传感器识别.6.5 自动化仓库自动化仓库组成：库房货架堆垛起重机控制计算机状态检测器6.6 FMS 控制系统1）控制系统结构：递阶控制的方式

12、FMS分三层结构:设备层工作站层单元层物料储运站物料储运站刀具储运站刀具储运站工作站级工作站级设备级设备级FMS单元控制器单元控制器上层管理机上层管理机局域网局域网物料储运系统物料储运系统刀具储运设备刀具储运设备管理级管理级控制网控制网单元控制级单元控制级网桥网桥制造工作站制造工作站CNCCNC制造工作站制造工作站CNCCNC2）功能模块 名称功能名称功能1、生 产管理子系统生产调度、作业、优化、运行、仿真2、运行控制子系统 物 料 流 动 控 制 与 协 调、设备运行控制与协调名称功能名称功能3、数 据管理子系统 物料数据管理 基本数据管理 工艺数据管理 资源维护管理4、质量保证子系统质量监

13、控、物料识别、故障诊断、质量管理*FMS实例：美国麦道公司的FMS：美国麦道公司FMS五台加工中心每台加工中心配90把刀和一个换刀站三辆小车负责运送工件、刀具小车保养站10托盘自动工件交换台物料检查站卧式坐标测量机清洗站刀具装卸站高架机房切屑收集和切屑再生系统54智能制造系统智能制造系统(IMS)Intelligentmanufacturingsystem)需要增加产品制造全过程（市场、设计、需要增加产品制造全过程（市场、设计、制造、销售、维护、回收等）的智能化。制造、销售、维护、回收等）的智能化。是否能改变这一现状？智能制造的提出体力劳动得到解放，但体力劳动得到解放，但脑力劳动依然依赖人的脑

14、力劳动依然依赖人的智慧；智慧；制造过程信息化的增加，制造过程信息化的增加，对脑力劳动的依赖越严对脑力劳动的依赖越严重。重。一、智能制造系统的含义一、智能制造系统的含义n 智能制造系统智能制造系统(Intelligent(Intelligent Manufacturing System,IMS)Manufacturing System,IMS)是一种是一种由智能由智能机器和人类专家共同组成机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。的人机一体化系统。n 智能制造突出了在制造诸环节中，智能制造突出了在制造诸环节中，以以一种高度柔性与集成的方式一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模，借助计算机模拟人类专

15、家的智能活动进行分析、判断、推拟人类专家的智能活动进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时收集、存储、完善、的部分脑力劳动，同时收集、存储、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。共享、继承和发展人类专家的制造智能。制造制造技术技术人的人的智能智能智能智能技术技术二、智能制造系统的发展二、智能制造系统的发展 n 近半个世纪特别是近近半个世纪特别是近2020年来，随着产品性能的完善化及其结年来，随着产品性能的完善化及其结构的复杂化、精细化，以及功能的多样化，各类产品制造过程和构的复杂化、精细化，以及功能的多样化，各类产品

16、制造过程和管理工作的信息量呈爆炸性增长趋势，促使管理工作的信息量呈爆炸性增长趋势，促使制造技术的发展转向制造技术的发展转向如何提高制造系统的信息处理能力和效率上来如何提高制造系统的信息处理能力和效率上来。n 目前，先进制造设备离开了信息的输入和处理就无法运转，柔目前，先进制造设备离开了信息的输入和处理就无法运转，柔性制造系统性制造系统(FMS)(FMS)一旦被切断信息来源就会立即停止工作。一旦被切断信息来源就会立即停止工作。专家们专家们认为，认为，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具有柔性，而且还要表现出智

17、能要求制造系统不但要具有柔性，而且还要表现出智能。n 虽然，智能制造尚处于概念和实验阶段，但各国政府均将智虽然，智能制造尚处于概念和实验阶段，但各国政府均将智能制造模式列为国家发展计划能制造模式列为国家发展计划,大力推动实施。大力推动实施。智能制造是制造技智能制造是制造技术和信息技术发展的必然，是自动化和集成技术发展的结果。术和信息技术发展的必然，是自动化和集成技术发展的结果。58三.国内外发展状况国 际国 内美 国日 本起步较晚，发展较快，目前已经在制造业应用，政府“十二五”投资力度大。国家科学基金在智能制造的大部分领域内投入了大量资金，建立了大量重要实验基地。20世纪90年代立案通过“智能

18、制造系统国际合作计划”。美国、欧盟、澳大利亚、加拿大参加。59四.智能制造系统的特点智能制造系统的特点智能制造系统的特点自组织能力自组织能力自律能力自律能力自学习和自维护能力自学习和自维护能力整个制造系统的智能集成整个制造系统的智能集成人机一体化智能系统人机一体化智能系统虚拟现实虚拟现实智能制造系统的特征智能制造系统的特征自律能力自律能力 上图所示为具有自律能力的智能生产线，若其中的一台钻削加工机床刀具上图所示为具有自律能力的智能生产线，若其中的一台钻削加工机床刀具发生了断折，当被系统检测后将自动减慢传送带传送速度，以便后面机床代替加发生了断折，当被系统检测后将自动减慢传送带传送速度，以便后面

19、机床代替加工。为了不影响生产效率工。为了不影响生产效率,系统能够作出自我决策，可提高切削速度，加大进给系统能够作出自我决策，可提高切削速度，加大进给量等措施，以维持系统原来的生产节拍。量等措施，以维持系统原来的生产节拍。61五.智能制造的技术支撑智能制造的支撑技术智能制造的支撑技术人工智能技术人工智能技术并行工程技术并行工程技术虚拟制造技术虚拟制造技术信息网络技术信息网络技术1、多智能体（、多智能体（multi-agent）系统）系统每一个子系统都可以看作是一个智能体。制造系统制造系统车车间间控控制制系系统统产产品品规规划划控控制制系系统统任任务务协协调调系系统统任任务务执执行行系系统统机机械

20、械控控制制系系统统任任务务计计划划系系统统六、智能制造模式 智能体能够对外界的刺激作出反应，并能产生相应的调整、自我管理、自主活动并能与其他智能体交互协作，且具有学习能力。智能体特征智能体特征主动性主动性 反应性反应性 社会性社会性 进化性进化性 自治性自治性 智能体是人工智能领域中一个很重要的概念。任何独立的能够思想并可以同环境交互的实体都可以抽象为智能体。多智能体制造系统事例信息通道行为通道2、整子系统（、整子系统（Holonicsystem）基本构件为整子。系统由整子构成。基本构件为整子。系统由整子构成。整子的特征：自治性、合作性、智能性整子的特征：自治性、合作性、智能性整子系统的特征：

21、敏捷性、柔性整子系统的特征：敏捷性、柔性重点柔性制造系统的主要构成加工中心的功能在FMS系统中那些地方体现了制造的柔性查阅资料，举例说明FMS的组成、功能FMS的组成部分FMS机床配置有几种形式，按柔性高低如何排列加工中心与普通机床的主要区别是什么单元控制器CAD/CAM中心车床工作站铣削加工中心工作站物流工作站检测工作站（SIEMENS802S）车床CK6150（SIEMENS802S）铣削加工中心XH714PC-X工业机械手三坐标测量机零件原料及成品库交换平台ETHERNETRPROFIBUS一台数控车床、一台数控铣削加工中心，、一台可以在轨道上行走的机械手（可进行上下、左右、前后移动，手爪可进行旋转运动，用于毛坯转移、物料自动装夹，成品储存），一台三坐标测量机、零件原料及成品库、五台工业控制计算机和 PROFIBUS通 信网 络 及 CAD/CAM系统所构成。