制造自动化技术n

1、第四章第四章 制造自动化技术制造自动化技术 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

2、优 化等的自动化，以使制造过程实现高效，优质， 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

3、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

4、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

5、自 动化发展的方向 IBM Enabler DEC Basestar, HP AFCON 的PCIM 4）现代制造模式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

6、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

7、 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

8、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

9、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

10、， 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 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

11、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 3 装配自动化装配自动化 3.1 装配自动化

12、概述 3.2 装配工艺规程的制定 3.3 机器装配自动化 3.13.1装配自动化概述装配自动化概述 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，制定合理的装配工艺规 程是提高产品质量和生产率的重要保证。 3.13.1装配自动化概述装配自动化概述 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

13、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。 3.13.1装配自动化概述装配自动化概述 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 3.13.1装配自动化概述装配自动化概述 部件，是在一个基准零件上，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

14、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 3.13.1装配自动化概述装配自动化概述 装配工艺系统图装配工艺系统图 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z-4 机器装配系统图 3.23.2装配工艺规程的制定装配工艺规程的制定 装配工艺规

15、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。 3.23.2装配工艺规程的制定装配工艺规程的制定 1. .装配工艺规程的主要内容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 3.23.2装配工艺规程的制定装配工艺规程的制定 2.制定装配工艺规程的原则制定装配工艺规程的原则 保证产品装配质量，力求提高质

16、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，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 3.23.2装配工艺规程的制定装配工艺规程的制定 制定装配工艺规程的步骤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 3.33.3机器装配自动化机器装配自动化 1.装配自动化概况装配自动化概况 装配过程自动化包括零件的供给、装配 对

17、象的运送、装配作业、装配质量检测 等环节的自动化。 3.33.3机器装配自动化机器装配自动化 2.自动装配机与装配机器人自动装配机与装配机器人 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。 3.33.3机器装配自动化机器装配自动化 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 4 工业机器人

18、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 工业机器人工业机器人 4.14.1工业机器人概述工业机器人概述 1. 1.基本概念基本概念 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。 4.14.1工业机器人概述工业机器人概述 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

19、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。 4.14.1工业机器人概述工业机器人概述 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。 4.14.1工业机器人概述工业机器人概述 2. 2.基本结构基本结构

20、 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 4.14.1工业机器人概述工业机器人概述 图z-6 机器人系统的组成 4.14.1工业机器人概述工业机器人概述 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。

21、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。 4.14.1工业机器人概述工业机器人概述 3.3.机器人的分类机器人的分类 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，极坐标型，圆

22、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 4.24.2机器人控制系统机器人控制系统 1. 1.机器人控制的驱动系统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。 4.24.2机器人控制系统机器人控制系统 2. 2.机器人控制类型机器人控制类型 机器人的控制器

23、可分为 1）有限顺序控制，原理如下 4.24.2机器人控制系统机器人控制系统 2）伺服控制，原理如下 4.24.2机器人控制系统机器人控制系统 3）智能控制，原理如下 4.34.3机器人编程机器人编程 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 4.34.3机器人编程机器人编程 1 1示教再现编程示教再现编程 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。

24、 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。 4.34.3机器人编程机器人编程 2 2机器人语言编程机器人语言编程 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 4.34.3机器人编程机器人编程 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

25、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。 4.34.3机器人编程机器人编程 3 3离线编程离线编程 离线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

26、 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。 4.34.3机器人编程机器人编程 离线编程系统的基本组成：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 机器人的应用领域机器人的应用领域 弧焊机器人弧焊机器人 激光焊机器人激光焊机器人 电阻焊机器人电阻焊机器人 自动化焊接机器人自动化焊接机器人 点焊机器人点焊机器人 等离子切割机器人等离子切割机器人 机器人的应用领域机器人的应用领域 清洁机器人清洁机器人 上料机器人上料机器人 物料输送机器人物料输送机器人 材料去除机器人材料去

27、除机器人 包装机器人包装机器人 喷漆机器人喷漆机器人 堆跺机器人堆跺机器人 机器人的应用领域机器人的应用领域 涂层机器人涂层机器人 去毛刺机器人去毛刺机器人 磨销机器人磨销机器人 高温喷涂机器人高温喷涂机器人 1 1机器人的发展历程机器人的发展历程 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

28、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，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 4.4 应用与发展应用与发展 4.44.4应用与发展应用与发展 2 2发展趋势发展趋势 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

29、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 5.5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

30、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：“柔性制造柔性制造 系统（系统（Flexible Manufacturing SystemFlexible Manufacturing System，简称，简称FMSFMS）是数控加工）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。制造系统。它包括多个柔性制造单元柔性制造单元，能根据制造任务或

31、生产环境的变化迅速进行调整迅速进行调整，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柔性工作站和集成物集成物 料运储装置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 柔性柔性，是指

32、制造系统对系统内部及外部系统内部及外部环 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 柔性自动化柔性自动化。 5.2柔性制造系统基本概念 FMSFMS的组成的组成 （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

33、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 FMSFMS的功能：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柔性制造系统基本概念 2 FMSFMS特征特征 保证系统具有一定柔性的同时，还具有较高的设备利用率

34、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： 柔性制造模块 柔性制造单元 柔性制造线 柔

35、性制造系统 柔性制造工厂 加工系统在加工系统在FMSFMS中的作用中的作用: : 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

36、的零件主要由两大类：棱柱体 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

37、是串联环节，它减少了系统的可靠 性，即当一台机床发生故障时，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，它们是并联并联 环节环节，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F

38、MS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，MC）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工序集 中和自动化程度高，可减少工件装夹次数，避免中和自动化程度高，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，工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间， 实现高质、高效加工实现高质、高效加工。 常见加工中心按工艺用途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主轴在加工时的空间位置可分为

39、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

40、.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

41、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

42、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

43、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、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

44、、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，

45、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。

46、 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 控制系统的结构 ： 通常采用递阶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，