第一部分柔性制造系统课件

1、现代工程训练教师：朱加雷 （机械工程学院） E_mail: 参考教材： 1.现代制造系统，罗振璧 朱耀祥 张书桥 编著 2.柔性制造系统，张培忠 3.机器人技术基础，熊有伦主编No.1课程简介以德国Festo FMS50柔性生产系统为基础，介绍柔性生产线的基本含义、组成、优点等；针对机械手部分，进行基本编程指令和操作指令的讲解。 实验部分包括系统整体认识实验、供料站组装实验、软件编程及机械手操作实验。考核部分：作业+实验No.2No.3No.4No.5第一章 FMS概述第一节 制造及其发展 制造的英文为manufacturing或manufacture,源于拉丁语，其原义是“用手工制作”或“手

2、工业”，是指把原材料制成人们有用的货物或产品。传统的制造只是指制作可触摸的货物或产品，近半个世纪以来，制造的内涵得到扩展，成为了一个泛指的广义概念。No.6从第一次工业革命以来，世界制造(Manufacturing)发生了巨大的变化。首先，制造一词的涵义从狭隘的“手工制作”、“手工业”与“制作”扩大成包括生产(production)、供应与营销的广义的概念。 1983年国际生产工程学会CIRP将制造定义为，“包括制造企业的产品设计、材料选择、规划、制作的生产、质量保证、管理和营销的一系列有内在联系的活动与运作作业。” No.71998年美国国家研究委员会NRC把制造定义为，“创造、开发、支持和

3、提供产品与服务所要求的过程与组织实体。”1999年美国麻省理工学院MIT定义现代制造包括：产品的设计与开发、产品规划、销售与售后服务，以及实现这些功能职能所应用的技术、流程过程和人与技术结合的途径。2002年美国生产与库存控制学会APICS定义制造为：包括设计、物料选择、规划、生产、质量保证、管理和对离散顾客与耐用货物营销的一系列相互关联的活动和运作作业。同时，现代制造的概念已经突破可触摸的产品货物生产范畴，同不可触摸的软件生产、服务和应用高新技术与知识附加价值(顾客价值)的活动与流程融合在一起。 No.8 近250多年来，世界制造历经了三次制造模式的战略性转变：1750年从工业革命前的手工业

4、与手工场式的制造模式到近代工厂的单件小批生产模式的第一次战略性转变； 20世纪20年代至60年代的从单件小批生产模式到大量生产模式的第二次战略性转变； 美国福特汽车公司在19101920年建立了一条生产线，创造了1分钟生产一辆“T”型车的记录，使成本从刚推出时的890美元辆，降到1926年的290美元辆，从而使汽车从少数富翁的奢侈品变成了大众化的交通工具，开创了机械工业大规模生产的时代。No.9这是一种“单一品种(或少品种)大批量以大批量降低成本以低成本扩大市场以市场进一步扩大批量”的发展模式。由于这种发展模式的成功，因此在30-50年代，各种机械的、电气的、液压的自动化 装置被发明，各种高效

5、的专 用自动化机床被设计出来。 通过自动输送带将各单机联 结成各种各样的自动化生产 线，从而使单一品种、大批 量生产的刚性自动化生产达到成熟阶段。No.10 进入60年代以后，世界市场发生很大的变化，用户对产品的需求千变万化，而且要求供货及时，这是市场的最新发展趋势。起初，这一趋势主要对产品装配领域有影响，往往用大批量生产出的相同零部件装配出有所变化的最终产品(如同一类型不同颜色的汽车)，然而现在的用户却需要用不同的零部件形成真正有特色的产品。No.11 随着经济的发展，生活水平的提高，追求多样化、新颖化成为社会风尚，对消费品的要求更高，希望产品有自己的特色。目前，每个制造商都必须迎合顾客的需

6、求去开发新产品和组织生产。激烈的竞争使传统的大规模生产环境发生了改变，要求对传统的零部件生产工艺加以改进。如汽车只在外观上不同还远远不够，必须要有实质的改型。可以看到，如今的汽车发动机依然是过去的样子，但其零件的加工工艺和原材料却在不断的改进。激烈的市场竞争，使产品品种日益增多，产品的生产周期日趋缩短。No.1220世纪70年代到21世纪初的从大量生产到丰田/精益生产模式的第三次战略性转变。 丰田汽车集团缔造的丰田生产方式（TPS, Toyota Production System）可以说是世界制造史上的一大奇迹。以丰田生产方式和经营管理方法为标志的日本制造业在“生产方式”、“组织能力”、“管

7、理方法”上的领先，改变了21 世纪全球制造业的存在形式和秩序。 丰田生产方式是一种区别于福特式大量生产的新型制造模式，经过长期的创新、连续的改进改善，形成了以简化产品设计与制造、零浪费、零缺陷、零故障、零库存、准时制JIT(just-in-time)和自治化生产组织为主要特征的新一代制造模式。No.13其中的零库存、零浪费、零缺陷、零故障，并不是绝对意义上的不存在。例如在丰田的仓库里以及生产线上，库存是客观存在的，只是丰田人一刻也没有停止对更少库存（无限接近于零）的追求。可见，零库存并不是现实，而是一种不断走向精益的思想和对零库存持续追求的态度和行动。所谓自治化，就是让设备或系统拥有人的“智能

8、”。当被加工零件或产品出现不良时，设备或系统能即时判断并自动停止。通过“自治化”改善的设备或系统，可以达到两个目的，一个是不生产不良品（实现零缺陷），另一个是可以节省监控设备运行的看护人（实现省人化）。所以，“自治化”与一般意义上的自动化不是一回事。 No.14准时制：在传统的生产方式里，一般采用前工序推动（Push）的方法安排生产，即前工序按照自己的进度进行生产，之后将做好的产品传递到后面的工序。这样做的坏处是，当后工序产能不匹配或出现问题时，会造成产品停滞、堆积和生产周期变长等。在TPS里，要求采用后工序拉动的方法安排生产。具体地说，就是后工序使用“看板”通知前工序“什么时间？需要什么？需

9、要多少？”；前工序根据后工序的需求和节拍安排生产，保障供给。No.15在1983年出版的丰田生产方式的新发展中有一个典型的统计，在3个月中，该公司生产了364000辆汽车，共4个基本车型，32100种型号，平均每种型号产量是ll辆，最多是17辆，最少是6辆。由此可见，即使大规模生产的汽车工业也成了一种要求进行多品种小批量生产的典型行业No.16另一种统计指出，汽车的平均生命周期在1970年时为12年，1980年缩为4年，而1990年仅为1.5年。再以机电产品为例，产品的生命周期超过10年的在60年代约占32，到了80年代降为15 ，而市场寿命在5年以下者则由38增长到6570。No.17 在激

10、烈的市场竞争中，人们也认识到缩短从订货到交货的周期是赢得竞争的主要手段。而30年代到50年代建立的单品种生产自动化生产线，它有固定的生产节拍，而且设计复杂，投资巨大。当产品的生命周期结束而必须生产其它品种时，对原有的制造系统的改造难度相当大，改造周期相当长，改造费用也相当昂贵。所以，这种刚性自动化生产线是无法满足不同顾客对产品的不同要求，也无法在激烈的市场竞争中占据优势。No.18 市场要求产品的品种越来越多，而每种产品的批量却越来越小，这就导致现代机械工业生产结构中多品种，中小批量生产类型的企业在数量上占绝对优势地位。多品种中小批量生产在社会生产总量中所占的比重日益增大，世界机电产品中属于中

11、小批量生产的产品种数由60年代占50左右到80年代上升为85，产值由占45上升为75。我国机械制造企业用小批量生产的占企业总数的95左右，它们绝大多数在传统的生产方式下，处于低效率、长周期、高成本的落后状态。 市场的变化与发展促使企业界寻求一条有效的途径，来解决多品种、中小批量生产自动化的问题。经过几十年不懈的努力，终于找到了解决这个问题的金钥匙柔性制造系统(FMS)。No.19可重构制造系统RMS， Reconfigurable Manufacturing System 是指为适应市场的需求变化，按系统规划的要求以重组和更新组元或子系统的方式快速调整制造过程、制造功能和制造生产能力，它是基于

12、现有的或可获得的新设备和其它组元的可动态组态的新一代制造系统。由于系统的这种可重构性，大大提高了系统的功能柔性和灵捷性，利用系统的可重构性，可以不断调整系统的制造过程、制造功能及制造能力，及时、高效的响应市场变化。在工业界和政府的推广下发达国家从90年代中期开展了可重构制造系统的基础与应用研究，目前为止可重构制造系统的理论研究已取得一定的进展。No.20科学技术的发展为传统生产方式的变革提供了可能 一种新的生产方式的出现，必须要有技术的发展作为基础相依托。对机械制造来说，影响最大的是电子计算机的出现及其飞速发展和广泛应用。50年代数字化技术在机床上开始应用，这就是所谓的数控(NC)机床。几乎与

13、数控机床研制的同时，开始了自动编程系统的研制，以摆脱手工编写数控程序的落后状态。No.21 1954年，美国麻省理工学院完成了第一个用于零件数控编程的工具，起名为自动编程工具(APT)，从1965年起，美国又开始研制图形编程(即用图形验证数控加工程序)，1967年初步完成并投入使用，从而解决了APT语言编程存在的基本问题。70年代，随着微处理机的应用，数控机床进一步迅速发展，出现了计算机数控(CNC)机床，它是独立的自适应的自动化机床。有了CNC机床，又有了自动编程手段，使中小批量的外形复杂零件的自动化加工问题得以很好解决，提高了生产率和加工精度，缩短了生产准备周期，使机床趋于“柔性化”。No

14、.22 1959年，美国首先研制出第一台工业机器人，为完善地解决加工过程中物料搬运自动化，解决单调、笨重、危险、有害和超过人能胜任的极限环境下作业自动化，特别是装配自动化提供了现实的可能性。 60年代末期开始研究的计算机辅助工艺过程设计(CAPP)，其基本功能在于工艺路线设计、每道工序的详细设计、切削用量的选择、时间定额的制定，等等。尽管由于零件形状的复杂性和加工技术的多样性，开发CAPP的技术难度相当大，然而目前已有一些系统投入应用。通过CAPP系统，工艺设计人员可以减少工艺编制工作的工作量，从每天大量重复、繁琐的工作中解脱出来，从而有更大的精力从事新技术新工艺的开发工作。No.23工艺制定

15、No.24 70年代末，80年代初，计算机辅助管理，物料自动搬运，刀具管理，计算机网络，数据库的发展以及CADCAM技术的不断发展，更为FMS的发展提供了有力的支持。 与此同时，自动控制理论，制造工艺，以及生产管理科学也都有了日新月异的变化，这些都为FMS的发展提供了必要的环境。No.25FMS的起源及发展 在大部分制造业中，都存在着设备利用率低、生产效率差的现象。由于采用了自动装夹技术、成组技术，以及实现两班制和三班制，使得生产时间有所改善。因此，自动化初期把重点放在加工方法上，而后来把注意力集中到用于搬运和等待的95的非生产时间的利用上，如今又把注意力集中到如何减少机床闲置的时间，以期提高

16、机器设备的生产效率和利用率。No.26 FMS的概念诞生于20世纪60年代的伦敦，由一位做研究和开发工作的工程师大卫威廉逊(David Williamson)提出的。当时他使用Flexible Machining System这个名称，并在一个机加工车间里安装了第一套FMS。它是在计算机控制下，每天工作24h(实际上在中班和晚班的16h内进行无人化加工)，故称之为24系统，这就是1967年英国创建的世界上最初的柔性加工系统(SYSTEM 24)，由英国molins公司将其公诸于世。No.27 大卫威廉逊(Williamson)在该系统中用人工将工件装到托盘上，然后托盘被送到各机床处，并在需要的

17、时候自动安装工件，用数控机床加工一系列不同的零件。每台机床配置一个刀库，系统从刀库中选用刀具进行各种不同的加工操作，整个过程还包括清除切屑和清理工件，该系统用计算机控制机床的多种操作，无需人力介入。这种用计算机分散控制机床加工和每天24h加工相结合的思想就是FMS的起源。No.28 1968年，美国Cincinnati 公司开发了可变任务系统，它们成为后来广泛流传的柔性制造系统的原型。到20世纪80年代初，机器人、无人自动导向小车、柔性自动化FA成为制造自动化的主流。随着计算机控制设备的发展以及在金属成形和装配方面的广泛应用，柔性加工系统(Flexible Machining System)

18、逐渐发展为柔性制造系统(F1exible manufacturing system)，美国Kearney Trecher公司首先使用这个名称来命名可以完成多品种、中小批量制造加工任务，并由计算机控制的自动加工线。No.29 大卫威廉逊(Williamson)提出的FMS在欧洲应用后，人们很快发现其中的许多原则对于加工小批量、多品种产品来说趋于理想化，于是进行了各种改进。70年代初期原联邦德国、日本、前苏联、美国、意大利等相继开发了本国的第一代FMS，经过了10年的发展和完善，FMS开始走出实验室而逐步成为先进制造企业的主力装备。由于显著的经济效益，各国相继投入大量资金，竞相开发FMS。No.3

19、0第二节 FMS的定义、组成 No.31 九桌面模块化柔性制造系统 将原料库与成品库区分，采用不同结构的码垛机进行工件出入库工作，同时增加总控及触摸屏模块单元、CCD机器视觉检测模块单元、工件分拣模块单元。用以丰富控制方法和方式，并增加工业常用的分拣方式与检测方式等。每桌面均可脱离系统独立运行与实验，具备单机/联机功能。 No.32No.33No.34 钣材柔性制造系统No.351、FMS的定义 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”中定义为“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变

20、化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。”No.36 柔性制造系统的三种类型 柔性制造单元 柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。 No.37柔性制造系统 柔性制造系统是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。 No.3

21、8柔性自动生产线 柔性自动生产线是把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。No.39 1）硬件的组成部分 a. 两台以上的数控机床或加工中心以及其他的加工设备(包括测量机、清洗机、动平衡机，各种特种加工设备等)； b.一套能自动装卸的运储系统，包括刀具的运储和工件原材料的运储（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、交换工作站等)； c一套计算机控制系统。F

22、MS的特点 No.40 2）软件的主要内容 aFMS的运行控制； bFMS的质量保证； cFMS的数据管理和通信网络 3）FMS的功能 a能自动进行零件的批量生产； b简单地改变软件，便能制造出某一零件族中的任何零件； c物料的运输和储存必须是自动的(包括刀具工装和工件)；No.41 柔性制造系统中的“柔性”，从某种意义上讲，是FMS的灵魂，是区别于传统生产方式的关键所在。分析FMS的柔性，不难发现，应该包含两个不同范畴的柔性，即FMS用户的柔性和FMS供应商的柔性。其中用户柔性是用户最为关切的，也是FMS第一的柔性，而供应商的柔性属第二位柔性，那是FMS供应商最感兴趣的，因为他们不可能每次都

23、从头设计FMS ，他们需要足够的柔性，能把不同的机床集成为不同的FMS，以满足不同的生产需要。然而FMS的用户对此也很重视，因为标难化的联结可以使系统的安装费用大大降低。FMS的柔性 No.42 a.瞬时柔性 指的是主控计算机可以随意安排加工机床的能力，以便处理个别机床发生故障时，工件可在其它互替机床上继续进行加工，不使生产停滞，克服单一机床加工的瓶颈问题。另外，当FMS同时加工多种类型工件时，可以从调度上提高机床的利用率，使机床始终处于加工状态，没有闲置时间。根据卡盘卡具数目、刀具库的刀具设置和系统加工能力，对每一零件的加工路线进行实时规划，在多条路径中选定，而且对每一类零件的加工时间也要进

24、行分配，不要让加工能力有限的机床影响工件在其它机床上的加工。1）FMS用户的柔性 No.43 b.操作柔性 指的是操作人员在其所处的制造环境中能够规划生产并自动运行，必要时还能进行干预和及时改变现行生产的方便程度。这种柔性，使操作人员能对生产中可能出现瓶颈的地方进行调整，并实时改变零件的工艺路线或对生产的规模进行调整。遇到加急定单时，不需要先规划，立刻就能上线加工。No.44 c. 短期的生产柔性 指的是在短期内处理不同类型零件混合加工的能力。当在线的一批混合零件陆续加工完时，新的零件(往往也是多种类型的但又不一定与原先的类型相同)就不断补充上线从而使待加工零件群处于动态的变化之中(可能每个星

25、期都变)，短期柔性就可以保证FMS对任意的加工零件群进行加工，并保持很高的生产率，适应用户的需要。No.45 d. 长期柔性 指的是在FMS的生命周期内(一般10一15年)，通过主控计算机修改和更新数据库(不需修改程序原码)来适应产品类型、工艺路线、刀具等方面的各种变化，从而对新的零件族进行加工的能力，这是一种战略柔性。No.46 e. 实施过程的柔性 指的是不属主控计算机的功能、却又需主控计算机处理的那些柔性。主要是指设备柔性和工艺柔性。设备柔性又包含三方面的内容，即机床能够按任意顺序加工多种零件的能力；运输系统能在不同路线上传送各类运输单元(如托盘、卡盘等)的能力；机床CNC能够运行多种零

26、件加工程序的能力。为此要求FMS中的设备必须与FMS系统完全集成，否则就会降低整个FMS的柔性。No.47 指的是主机能适应不同用户加工需求的能力。体现在要有一套能符合上述各种柔性要求的主机通用的标准软件上。这就要求有正确的软件设计思路和正确的主机系统设计思路。在硬件配置上，使主机的外设接口能够满足多种类型FMS的设计需要，应能与用户决定的各种机床相联结。在数据库的建立上，主机的软件应能对数据库进行参数化配置，建立一批特定的数据库。只要由通用标准FMS软件包对参数化的数据库进行处理而不必对软件进行修改和再次开发，就可适应不同FMS的要求。2）FMS供应商的柔性 No.48机器柔性 当要求生产一

27、系列不同类型的产品时,机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。 工艺柔性 一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力;二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。 产品柔性 一是产品更新或完全转向后,系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力;二是产品更新后,对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。 相关柔性内容No.49维护柔性 采用多种方式查询、处理故障,保障生产正常进行的能力。 生产能力柔性 当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统,这一点尤为重要。（加工系统模块化） 扩展柔性 当生产需要的时候,可以很容易地扩展系统结构,增加模块,构

28、成一个更大系统的能力。 运行柔性 利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品,换用不同工序加工的能力。 No.50 FMS的规模虽然差异较大，功能不一，但都必须包含三个基本部分，即加工系统、物料运送及管理系统和计算机控制系统。除此之外，还根据FMS的不同要求，配置不同的辅助工作站，如清洗工作站、监控工作站、烘干工作站等。2、FMS的组成No.51 1）自动加工系统 自动加工系统，指以成组技术为基础，把外形尺寸(形状不必完全一致)、重量大致相似，材料相同，工艺相似的零件集中在一台或数台数控机床或专用机床等设备上加工的系统。 对于以加工箱体形零件为主的FMS，应配备数控加工中

29、心(有时用CNC铣床)，对于以加工回转体零件为主的FMS多数配备CNC车削中心和CNC车床(有时也配备CNC磨床)；对于既加工箱体形零件，又加工回转体零件的FMS，需既配备CNC加工中心，也配备CNC车削中心；对于加工特殊零件的FMS，需配备专用的CNC机床，如加工齿轮应配有CNC齿轮加工机床，有的FMS还应根据需要，配备焊接、喷漆等设备。根据规模的不同，系统中的机床数由2台一20台或更多些。从目前的趋势看，系统中的机床数均较少，多数为2台一4台。No.52 物料系统，指由多种运输装置构成，如传送带、轨道、转盘以及机械手等，完成工件、刀具等的供给与传送的系统，它是柔性制造系统主要的组成部分。

30、实施对毛坯、夹具、工件、刀具等出入库的搬运、装卸工作。如果工件和刀具的传递分别由各自的传送系统完成，那么运送系统就分为工件运送系统和刀具运送系统。在大多数的FMS中，进入系统的毛坯在工件装卸站装夹到托盘夹具上，然后由工件传递系统进行输送和搬运。该系统包括工件在机床之间、加工单元之间，自动仓库与机床或加工单元之间以及托板存放站与机床之间的输送和搬运。 自动搬运设备包括有滚柱式传送带、链式传送带、地下链牵引线式小车、有轨小车、桥式行车机械手(或悬挂式机械手)等。2）物料系统 No.53 信息系统，指对加工和运输过程中所需各种信息收集、处理、反馈，并通过电子计算机或其他控制装置(液压、气压装置等)，

31、对机床或运输设备实行分级控制的系统。 实施对整个FMS的控制和监督管理。由一台中央计算机 (主机)与各设备的控制装置组成分级控制网络，构成信息流。3）信息系统No.544）软件系统 指保证柔性制造系统用电子计算机进行有效管理的必不可少的组成部分。它包括设计、规划、生产控制和系统监督等软件。柔性制造系统适合于年产量1000100,000件之间的中小批量生产。 No.55FMS的效益 FMS是投资巨大的工程项目，因此它的运行效益至关重要。但是，由于FMS具有柔性，使得有些效益难以用确切的数值来衡量，而企业在引进FMS时所追求的效益往往不仅仅着眼于经济效益。因为FMS除了可用货币表示的经济效益外，还

32、有不能用货币表示的战略效益。比如能迅速对市场需求作出反应，及时推出新产品和变型产品而获得更多的市场机遇；以及由于压缩了产品关键零件的周期而缩短了整个产品的交货期等。因此评价FMS的效益就是一件比较复杂的事情。No.56 1、主要设备利用率高 在典型的情况下，FMS中一组机床的产量是单机作业车间环境下用相同数目机床所获得的生产量的3倍。首先是因为通过计算机对零件作业进行调度，一旦某一机床空闲，计算机便调一个零件到该机床加工，使FMS可以获得很高的生产率。其次是因为零件在物流运储系统上的移动和把相应的NC程序传输给机床是同时进行的。再一个原因在于零件到达机床时已被装夹在托盘上，机床不必等待零件的装夹调整就可加工。No.57 2、减少主要设备数量 由于FMS的机床利用率高，因而加工同