第二章 典型自动化制造系统

1、少 零件品种数 多大 零件批量 小数控机床通用机床柔性制造单元柔性制造系统柔性制造生产线专用机床自动线生产率提高柔性增大0 10 100 1000 10000100010010图1- 柔性制造系统的适用范围第一节 典型自动化制造系统对比一、自动化制造系统的对比表1-1 三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期 除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点 通过机、电、液气等硬件控制方式实现

2、，因而是刚性的，变动困难 以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的 不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备 自动机床、组合机床，机械手，自动生产线 NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMS CAD/CAM系统，MRP，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术 继电器程序控制技术，经典控制论 数控技术，计算机控制，GT，现代控制论 系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术图图6-1 6-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代柔性自动化50年代焊

3、接机器人焊接机器人综合自动化70年代 综合自动化式中 TTLC 生产某种产品所需总时间； B 批数； Q 批量； T1 单件工时； T2 每批产品所需生产准备时间（包括原材料订货时间，制定生产计划时间，工艺装备调整时间 ）； T3 每种产品所需设计及生产准备时间（产品设计，工艺设计，工艺装备设计与制造）。 （1-1）二、自动化制造系统的产品寿命周期模型123LCTTBQTBTT321LCTTTTQBQ （1-2）式中 TLC 生产每件产品所需平均时间。 式（1-2）即为 Groover 产品寿命周期模型。 TLC 是一个综合指标，减小 TLC 常被作为生产活动追求的目标式（1-1）两边除以 B

4、Q ，得到：刚性自动化：着眼降低T1（单件工时）柔性自动化：着眼降低 T1 和T2（部分）综合自动化：同时减小 T1、T2 、T3，特别是 T2 和 T3 ，因而在多品种、中小批量生产中具有重要意义 刚性自动线一般由刚性自动化加工设备组成。 1)自动化加工设备 组成刚性自动线的加工设备有组合机床和专用机床，它们是针对某一种或某一组零件的加工工艺而设计制造的。由于采用多面、多轴、多刀同时加工，所以自动化程度和生产率均很高。加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列。 2)工件输送装置 刚性自动线中的工件输送装置以一定的生产节拍将工件从一个工位输送到下一个工位。工件输送装置包括工件装卸工位、自动上下料装

5、置、中间贮料装置、输送装置、随行夹具返回装置、升降装置和转位装置。输送装置采用各种传送带，如步伐式、链条式、辊道式传送带等。 第二节 刚性自动线 3)切屑输送装置 刚性自动线中常采用集中排屑方式，切屑输送装置有刮板式、螺旋式等。 4)控制系统 刚性自动线的控制系统对全线机床、工件输送装置、切屑输送装置进行集中控制，控制系统采用传统的电气控制(继电器一接触器)，目前倾向于用可编程控制器。 5)刀具 加工机床上的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，进行应急换刀。 图2- 曲拐加工自动线1-斗式切屑提升机 2-链板式排屑装置 3-全线泵站 4-工件输送带及工件装卸台

6、5-工件提升机 6-中央控制台直线布局，随行夹具，步伐式输送带，定位夹紧，人工找正，压缩空气喷吹方式排除切屑，排屑装置，无自动上下料装置， 柔性制造单元由1-3台数控机床和加工中心，工件自动输送及更换系统，刀具存储、输送及更换系统，设备控制器和单元控制器等组成。单元内的机床在工艺能力上通常是相互补充的，可混流加工不同的零件，具有单元层和设备层两级计算机控制，对外具有接口，可组成柔性制造系统。 第三节 柔性制造单元FMC实例3：柔性制造单元柔性制造单元实例1： 图3-5所示为一加工回转体零件为主的柔性制造单元。它包括1台数控车床，1台加工中心，2台运输小车用于在工件装卸工位3、数控车床1和加工中

7、心2之间的输送，龙门式机械手4用来为数控车床装卸工件和更换刀具，机器人5进行加工中心刀具库和机外刀库6之间的刀具交换。控制系统由车床数控装置7，龙门式机械手控制器8，小车控制器9，加工中心控制器10，机器人控制器11和单元控制器12等组成。单元控制器负责对单元组成设备的控制、调度、信息交换和监视。功能：加工回转体设备组成：控制系统：设备及单元二级控制图2- 柔性制造单元1-数控车床 2-加工中心 3-装卸工位 4-龙门式机械手 5-机器人6-机外刀库 7-车床数控装置 8-龙门式机械手控制器 9-小车控制器10-加工中心控制器 11-机器人控制器 12-单元控制器 13、14-运输小车 FMS

8、是集数控技术、计算机技术、机器人技术以及现代生产哲理于一体的先进制造技术。FMS已成为自动化制造系统的重要发展方向。一、FMS的定义和组成定义：FMS是在计算机统一控制下，由自动装卸与输送系统将若干台机床或加工中心连接起来而构成的一种适合于多品种、中小批量生产的先进制造系统。第四节 柔性制造系统(FMS)柔性制造系统加工系统物流系统控制与管理系统加工设备辅助设备检测设备工件流刀具流过程控制过程调度过程监视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、输送和交换要求。增加功能可实现刀具预调和管理等加工系统和物流系统的自动

9、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FMS组成： 图6-4 FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信 息 传 输 网 络工夹具站柔性制造系统组成柔性制造系统组成 “柔性”是指生产组织形式和自动化制造设备对加工任务(工件)的适应性。 1)自动化加工设备 组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。这些加工设备都是计算机控制的，加工零件的改变一般只需要改变数控程序，因而具有很高的柔性。自动化加工设备是自动化制造系统最基本，也是最重要的设备（详见后续内容）。 2)工件储运系统 工件储运

10、系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库和托盘(工件)缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等。，工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。 3)刀具储运系统 刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。 刀具库有中央刀库和机床刀库。刀具输送装置有不同形式的运输小车、机器人或机械手。刀具交换装置通常是指机床上的换刀机构，如换刀机械手。 4)多层计算机控制系统 FMS的控制系统采用计算机多层控制，通常是三层控制，即单元层、工作站层和设备层。 除了上述4个基本组成部分以外，FMS还可以加以扩展：自动清洗工作站；自动去毛刺设备；自动

11、测量设备；集中切屑运输系统；集中冷却润滑系统等。 二、柔性制造系统工作原理 1 1）计算机）计算机控制系统对控制系统对输入的生产输入的生产计划信息和计划信息和技术信息进技术信息进行处理、分行处理、分配，并按程配，并按程序对储运系序对储运系统进行控制；统进行控制；2 2）料库和）料库和夹具库根据夹具库根据产品的品种产品的品种和调度计划和调度计划信息供应相信息供应相应的毛坯和应的毛坯和夹具，并由夹具，并由输送系统送输送系统送出；出；3)3)机器人或机器人或自动装卸机自动装卸机按控制系统按控制系统的指令和编的指令和编码信息，自码信息，自动识别和选动识别和选择工件及夹择工件及夹具，并安装具，并安装到相

12、应的机到相应的机床上；床上；4)4)机床根据机床根据工件和加工工件和加工程序的编码，程序的编码，选择加工程选择加工程序、刀具和序、刀具和工艺参数，工艺参数，进行加工；进行加工；5)5)加工完毕，加工完毕，按控制信息按控制信息转换工序和转换工序和检验，并由检验，并由运储系统将运储系统将工件送成品工件送成品库，将夹具库，将夹具送夹具库；送夹具库；6)计算机控制系统的监视记录装置随时采集加工质量和数量信息；7 7）当改变）当改变加工产品时，加工产品时，只要改变生只要改变生产计划信息、产计划信息、技术信息和技术信息和加工程序，加工程序，FMSFMS就能自就能自动调整并完动调整并完成产品加工。成产品加工

13、。 图3-3是一种较典型的FMS，4台加工中心直线布置，工件储运系统由托盘站2、托盘运输小车4、工件装卸工位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组成。刀具储运系统由中央刀库8、刀具进出站6、刀具输送机器人移动车7和刀具预调仪5等组成。单元控制器9、工作站控制器(因中未标出)和设备控制装置组成三级计算机控制。切屑运输系统没有采用集中运输方式，每台加工中心均配有切屑运输装置。FMS实例1FMS实例2FMS的加工对象：1) 棱柱体类（包括箱体形、平板形）2) 回转体类（长轴形、盘套形） 三、FMS的机床配置形式和加工对象 当所选定零件组的全部工序可以被一种机床独立完成时，FMS可以只配置数量足

14、够的相同型号机床，这些机床之间是可以相互代替的。互替式强调工序集中，较大的柔性和较宽的工艺范围。1 互替式（并联）2 互补式（串联）3.混合式（并串联） 当所选定零件组的全部工序不能被一种机床独立完成时，FMS需要配置几种不同型号的机床，各自完成特定的工作，这些机床之间是互相补充的，不能相互替代。互补式主要考虑生产率，较多利用立式机床甚至专用机床。配置形式配置形式互替式互替式互补式互补式混合式混合式简简 图图生产柔性生产柔性低低中中高高生产率生产率低低高高中中系统可靠性系统可靠性高高低低中中投资强度比投资强度比高高低低中中说明：这些配置主要取决于机床功能、FMS的物料流和信息流，而并非取决于加

15、工设备的物理布局。 FMS特性与机床配置形式的关系除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换24小时运行，只一班有人生产零件的品种由4至100种不等（2030种居多）生产零件的批量由40至2000件不等（50200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别例外）可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）可自动实现系统内的计划、调度四、柔性制造系统的特点第五节 柔性制造线(FML) 自动化加工设备 组成FML的自动化加工设备有数控机床、可换主轴箱机床。可换主轴箱机床是介于加工中心和组合机床之间的一种中间机型。可换主轴箱机床周围有主轴

16、箱库，根据加工工件的需要更换主轴箱。主轴箱通常是多轴的，可换主轴箱机床对工件进行多面、多轴、多刀同时加工，是一种高效机床。 工件输送系统 FML的工件输送系统和刚性自动线类似，采用各种传送带输送工件，工件的流向与加工顺序一致，依次通过各加工站。 刀具 可换主轴箱上装有多把刀具，主轴箱本身起着刀具库的作用，刀具的安装、调整一般由人工进行，采用定时强制换刀。 FML由自动化加工设备、工件输送系统和控制系统组成。 图3-7为一加工箱体零件的柔性自动线示意图，它由2台对面布置的数控铣床，4台两两对面布置的转塔式换箱机床和l台循式换箱机床组成。采用辊道传送带输送工件。这条自动线看起来和刚性自动线没有什么

17、区别，但它具有一定的柔性。 FML同时具有刚性自动线和FMS的某些特征。 柔性装配线FAL(Flexible Assembly Line)的组成： （1）装配站 FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人，不可编程的自动装配装置和人工装配工位。 （2）物料输送装置 根据装配工艺流程，物料输送装置将不同的零件和已装配成的半成品送到相应的装配站。输送装置由传送带和换向机构等组成。 （3）控制系统 FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要是控制物料的流向、自动装配站和装配机器人。第六节 柔性装配线(FAL)组成：无人驾驶输送装置1，传送带2，双臂装配机器人3，装配机器人4，拧螺纹机器人5，自动装配站6，人工装配工位7和投料工作站8。投料工作站中有料库和取料机器人。料库有多层重迭放置的盒子，这些盒子可以抽出，也