先进制造技术--第十二次教案

1、教案授课时间月 日 至 月 日课时数授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课 其他授课单元第三章 制造自动化技术（第四节 柔性制造技术）目的与要求1掌握柔性制造技术不同的应用形式2. 掌握柔性制造系统的组成及各部分的功能3. 了解柔性制造系统的特点及应用重点与难点重点：1. 柔性制造系统的组成及各部分的功能 2.柔性制造技术不同的应用形式难点： 柔性制造系统的工作原理主要内容第四节 柔性制造技术一、柔性制造技术概述.概念；不同应用形式二、柔性制造系统的组成和工作原理组成；工作原理；FMS的主要功能；FMS的特点；FMS的优势；FMS的应用举例； 教学方法手段（教具）讲授；多媒体和

2、板书相结合；运用启发式、案例分析式、提问式教学方法讲授本节课程内容。参考资料1.盛晓敏著先进制造技术北京：机械工业出版社，2000。2.孙大涌著先进制造技术北京：机械工业出版社，1999。3.张根保著先进制造技术重庆：重庆大学出版社，1996。 4.中国机械工程、机械工程学报、制造技术与机床等科技核心期刊。思考题、作业讲稿第四节 柔性制造技术一、柔性制造技术概述1.概念：柔性制造技术(FMT)：是一种主要用于多品种中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地且适应性转化为成品的各种技术总称。 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

3、适应产品变化的能力，可以分为瞬时、短期和长期柔性三种。瞬时柔性：是指设备出现故障后，自动排除故障或将零件转移到另一台设备上继续进行加工的能力；短期柔性：是指系统在短时期（间隔几个小时或几天）内，适应加工对象的能力，任意时刻混合地进行加工两种以上零件的能力；长期柔性：是指系统在长期使用（几周或一个月）中，能进行加工各种工件的能力。2.不同应用形式： 柔性制造单元、柔性制造系统、柔性制造生产线和柔性制造工厂 。但统称为柔性制造系统。 （1）柔性制造单元（FMC）： 它是由1台计算机控制的数控机床或加工中心、环形（圆形或椭圆形）托盘输送装置或工业机器人所组成，采用切削监视系统实现自动加工，不停机转换

4、工件进行连续生产。它是一个可变加工单元，是组成柔性制造系统的基本单元。 （2）柔性制造系统（FMS）： 它是指由两台或两台以上的数控机床或加工中心或柔性制造单元所组成，配有自功输送装置（有轨、无轨输送车或机器人），工件自动上下料装置（托盘交换或机器人），自动化仓库，外有计算机并综合控制功能、数据管理功能、生产计划和调度管理功能和监控功能等 （3）柔性制造生产线（FML）： 它是针对某种类型（族）零件的，带有专业化生产或成组化生产的特点。由多台加工中心或数控机床组成，其中有些机床带有一定的专用性，全线机床按工件的工艺过程布局，可以有生产节拍，但它本质上是柔性的，是可变加工生产线，具有柔性制造系统

5、的功能。 （4）柔性制造工厂（FMF）： 它可以实现全厂范围内生产管理过程、机械加工过程和物料储运过程全盘自动化。FMF全部的日程进度和作业由主计算机和各级计算机通过在线控制系统进行调整。 柔性制造系统（FMS）是数控机床或设备自动化的延伸，可以概括为以下三方面：FMS是一个计算机控制的生产系统；系统采用半独立的NC机床；这些机床通过物料输送系统联成一体。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。F

6、MS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。3. 发展1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。同年，美国的怀特·森斯特兰公司建成 Omniline I系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机

7、床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。 日本、前苏联、德国等也都在60年代末至70年代初，先后开展了FMS的研制工作。1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(简称FMC)，为发展FMS提供了重要的设备形式。70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期已进入实用阶段，其中以由35台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导

8、台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。二、柔性制造系统的组成和工作原理1.组成典型的柔性制造系统由加工系统、物流系统和控制与管理系统组成。（1）加工系统：两台以上CNC机床。主要采用加工中心和数控车床。中、大批量少品种生产中所用的FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。 机床设备与夹具、托盘和自动上下料机构。其结构形式及数量、规格和类型取决于工件

9、的形状、尺寸和精度要求，生产批量。 要求： 1）工序集中。减少工位数来减轻物流负担，选用加工中心。 2）控制功能强。选用模块化的机床结构，其外部通信功能和内部管理功能强，有内装的可编程控制器，易于与辅助装置连接，方便系统的调整与扩展。 3）高刚度、高精度、高速度。切削功能强 ，加工质量稳定，生产率高的机床。 4）自保护与自维护性好。应有过载保护装置，设有行程与工作区域限位装置，导轨和各相对运动件等无须润滑或能自动加润滑，具有故障诊断和预警功能。 5）使用经济性好。导轨油可回收，断排屑处理快速、彻底，延长刀具使用寿命。 6）对环境的适应性与保护性好。对工作环境的温度、湿度、粉尘等要求不高，各种密

10、封件性能可靠，及时排除烟雾，噪声、振动小。加工系统常用配置形式：加工的零件主要有两类：棱体类零件，如箱体、框架、平板等；回转体零件。加工棱体类零件，一般选用立式、卧式或立卧两用加工中心。加工回转体零件，选用数控车床或车削加工中心机床。 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。机床设备的配置形式：互替式、互补式和混合式。（1）互替式：机床是一种并联关系，功能可互相替代，工件可随机输送到任何一台加工。系统可维持正常的工作。 （2

11、）互补式：功能是互相补充的，各自完成特定的加工任务。生产率高，可靠性低。 （3）混合式：有些机床按互替形式布置，有些则按互补形式布置，以发挥各自的优点。 加工系统的辅助装置：包括机床夹具、托盘、自动上下料装置等。 （1）机床夹具：要求，尽可能一次装夹便能完成所有部位加工。单一夹具装夹多个工件。 组合夹具，使夹具零件标准化，拼装成夹具。柔性夹具，使一部夹具能为多个不同加工工件服务；（2）托盘：工件通过夹具装在托盘上。加工时，托盘支撑工件完成加工任务。输送时托盘承载着工件和夹具在机床之间进行传送。是连接所有加工单元的接口。连接成为一个系统整体。托盘采用统一的结构形式。国际标准；（3）自动上下料装置

12、：有托盘交换器和工业机器人。托盘交换器作为联接加工系统和物料运储系统的桥梁，还作为工件的暂时储存器。可以存储几个工件。 （2）物流系统：系统搬运的的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的立体仓库。通常认为FMS的物流系统由工件流系统和刀具流系统两大部分组成。物流系统主要由输送装置、交换装置、缓冲装置和存储装置等组成 1.工件运储系统。由自动运输小车、机器人、工件装卸站、自动化仓库、托盘缓冲站、托盘交换装置等组成，能对工件和原材料进行自动装卸、运输和存储。毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统

13、根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。工业机器人可在有限的范围内为14台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置(简称APC)来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。切屑运送和处理系统是保证FMS连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。 组成：（1）工

14、件装卸站。设在FMS入口处，通常由人口完成对毛坯和已加工工件的装卸。 （2）托盘缓冲站。待加工零件的中间存储站。解决排队现象，起着缓冲物料的作用。设置在机床的附近，呈直线或环行布置，可存储若干工件。系统通过托盘交换器将工件托盘缓冲器上送到机床上进行加工。 （3）自动化仓库。采用多层立体布局结构形式，由计算机控制，服从FMS的命令和调度。布置和存放物料。毛坯库、在制品库和成品库等多个存储单元。由高层料架 、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。 （4）物料运载装置。负责工件与其它物料的运送工作，担负物料在各机床、自动化仓库和托盘缓冲器之间的搬运和输送工作。有传送带、自动运输小车和搬运机器人等。

15、 1）传送带一般用于小零件加工系统中的短程传送，占据空间大，机械结构复杂、易失灵，用得是越来越少。 2) 自动运输小车，有轨和无轨。3) 搬运机器人。 2.刀具运储系统。包括中央刀库、机床刀库、刀具预调站、刀具输送小车或机器人、换刀机械手等。 （1） 运储系统组成及其作业过程 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。 刀具预调站设在FMS之外，用于刀具进行预先调整。刀具装卸站是刀具进出的，是框架式，专用刀具排架。 刀库系统包括机床刀库和中央刀具，机床刀具存放加工单元当前所需要的刀具，而中央刀库存放各个加工单元共享的刀具，容量大，容纳数千把刀具。 刀具运载

16、交换装置是各刀具库之间进行传递和交换的工具。 主要职能：负责刀具的运输、存储和管理，向加工单位提供所需刀具，监控刀具的使用，取走报废刀具。刀具运储系统作业过程： 由人工将刀具与标准刀柄进行组装，在刀具预调站由工人通过对刀仪对刀具进行预调，测量参数，然后输入到计算机。 由工人搬运到刀具装卸站。系统根据指令由刀具运载装置将刀具从装卸站搬运到中央刀具库，根据工艺要求，刀具运载装置将从中央刀具库送到个加工单元。 （3）控制与管理系统：能够实现对FMS进行调度、运行控制、物料管理、系统监控和网络通信等。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和管理软件组成，是FMS的核心部分。

17、采用的是多级计算机递阶控制结构，分别负担主控计算机的负荷，提高系统的可靠性。 一般采用三层递阶控制结构，包括：系统管理与控制层、过程协调与监控、设备控制层。1）系统管理与控制层。单元控制层，执行上级下达的任务，制定系统生产作业计划，实时分配作业任务给各个工作站。 2）过程协调与监控层。工作站控制层，主要协调工件在系统中的流动，完成各设备间的交接、系统运行状态的监视与控制、加工顺序的分配、工况和设备运行数据的采集以及向上级控制器报告。 3）设备控制层。由机床、机器人、自动化仓库等设备的CNC装置和PLC逻辑控制装置组成，直接控制各类加工设备和物料系统的自动工作循环，接收和执行上级系统的控制指令，

18、并向上级系统反馈现场数据和控制信息。工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划；对中央计算机和物流计算机进行控制。中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加工单元进行监视与控制。物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监视与控制。单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信息传递。2.工作原理学生自学完成2.FMS的主要功能 1）自动制造功能，在柔性制造系统中，由数控机床这类设备承担制造任务； 2）自动交换工件和刀具的功能； 3）自动输送工件和刀具的功能； 4）自动保管毛坯、工件、半成品、工夹具、模具的功能； 5）自动监视功能（即刀具磨损、破损的监测），自动补偿，自诊断等； 6）作业计划与调度。3. FMS的特点（1）适合多品种、中小批量生产；（2）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）；（3）具有较大柔性（4）可加工多种零件（5）没有固定的生产节拍（6）故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）（7）高度自动化 （8）除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化（9）可在不停机的条件下实现加工工