机电一体化技术模块七 柔性制造系统

模块目标

1.了解教学型柔性制造系统组成及控制原理；

2.了解柔性制造系统中加工工作站控制器硬件、软件结构；

3.学生掌握对教学型柔性制造系统进行相应的实训操作。重点:1.掌握THMSRX-2型柔性系统控制原理、操作。难点:1.教学型THMSRX-2型柔性制造系统控制原理。模块7柔性制造系统

模块导学模块7

随着社会的进步和生活水平的提高，社会对产品多样化，低制造成本及短制造周期等需求日趋迫切，传统的制造技术已不能满足市场对多品种小批量，更具特色符合顾客个人要求样式和功能的产品的需求。90年代后，由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展，制造业自动化进入一个崭新的时代，技术日臻成熟。柔性制造技术已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。本模块将结合THMSRX-2型柔性系统和加工工作站控制器技术向学者作一个全面的介绍。项目7-1教学型模块式柔性自动化生产线的应用模块7柔性制造系统有哪些优点？教学型THMSRX-2型柔性制造系统由哪几个单元构成？柔性制造系统的发展柔性制造系统的定义教学型模块式柔性自动化生产线的应用项目思考项目知识项目实践知识拓展教学型THMSRX-2型柔性系统柔性制造的分类规模拆卸上料检测单元组装上料检测单元柔性制造技术的发展方向知识分布网络模块77.1.1项目思考（思）

模块式柔性自动化生产线实训系统是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品，它是为职业院校、技工学校、教育培训机构等而研制的，它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、自动化工程、控制工程、测控技术、计算机控制、自动控制、机械电子工程、机械设计与理论、等相关专业的教学和培训。它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学进行了专门设计，强化了各种控制技术和工程实践能力。本书以THMSRX-2型柔性系统来作介绍。提出问题：

1.教学型THMSRX-2型柔性制造系统由哪几个单元构成？

2.柔性制造系统有哪些优点？模块77.1.2项目知识（学）知识点1柔性制造系统的定义：FMS集自动化技术、信息技术和制作加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。知识点2柔性制造系统的发展：

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”。同年，美国的怀特·森斯特兰公司建成OmnilineI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床间传送和进行加工。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，柔性制造系统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3～5台设备组成的柔性制造系统为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。模块7知识点3柔性制造的分类规模：1.柔性制造单元（FMC）

FMC由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的ＣＮＣ机床组成,具有适应加工多品种产品的灵活性。2.柔性制造线(FML)FML是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线,对物料系统的柔性要求低于FMS,但生产效率更高。FML采用的机床大多为多轴主轴箱的换箱式或转塔式组合加工中心,能同时或依次加工少量不同的零件。3.柔性制造系统(FMS)FMS通常包括3台以上的CNC机床(或加工中心),由集中的控制系统及物料系统连接起来,可在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。FMS是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。模块7知识点4教学型THMSRX-2型柔性系统：本书现就以教学型THMSRX-2型柔性系统为例，介绍模块式柔性自动化生产线实训系统，方便学生进行相应的实训操作。该实训系统由7个单元组成。分别为：上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、安装单元、安装搬运单元、分类单元和主控单元。THMSRX-2型西门子控制器采用PROFIBUS-DP通信实现七个单元与主站之间的网络控制方案，通过S7-300主机采集并处理各站的相应信息，完成六个单元间的联动控制。将DP联线首端出线的网络联接器接到300主机的DP口上，其它网络联接器依次接到六个单元的EM277模块DP口上。模块7PROFIBUS-DP为保证系统中各站能联网运行，必须将各站的PLC连接在一起使独立的各站间能交换信息。而且加工过程中所产生的数据，如工件颜色装配信息等，也需要向下站传送，以保证工作正确。上料检测站搬运站加工站分类站安装站安装搬运站图7-1工作过程示意图模块71.上料检测站1)主要组成与功能上料检测站主由料斗、回转台、导料机构、平面推力轴承、工件滑道、提升装置、检测工件和颜色识别光电开关、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、直流减速电机、电磁阀及气缸组成，主要完成将工件从回传上料台依次送到检测工位，提升装置将工件提升并检测工件颜色。如图7-2。图7-2上料检测站模块72）控制面板连线端子排控制面板连线端子排如图7-3所示。图7-3控制面板连线端子排3）气动回路原理图气动控制系统是本工作单元的执行机构，该执行机构的逻辑控制功能是由PLC实现的，气动控制回路的工作原理见图7-4。模块7图7-4气动控制回路的工作原理模块74）PLC的控制原理图该站PLC主要负责检测货料是否到位、货料的颜色、开始按钮等信号，控制料盘电机、货盘电磁阀、开始灯等输出信号。图7-5为该站PLC的控制原理图。图7-5PLC的控制原理图模块75）网络控制该单元的复位信号、开始信号、停止信号均从触摸屏发出，经过S7-300程序处理后，向各单元发送控制要求，以实现各站的复位、开始、停止等操作。表7-1网络读写数据规划序号系统输入网络向MES发送数据200从站数据从站1（上料）300主站对应数据主站（S7-300）上电I0.7V10.7I22.7开始I1.0V11.0I23.0复位I1.1V11.1I23.1调试I1.2V11.2I23.2手动I1.3V11.3I23.3联机I1.4V11.4I23.4停止I1.5V11.5I23.5开始灯Q1.0V13.0I25.0复位灯Q1.1V13.1I25.1已经加工VW8IW20模块76）开机前检查项目

7）操作过程系统上电后，将本单元“单/联”开关打到“单”、“手/自”开关打到“手”状态。上电后“复位”按钮灯闪烁，按“复位”按钮，本单元回到初始位置，同时“开始”按钮灯闪烁；按“开始”按钮，等待进入单站工作状态，要运行时，按下“调试”按钮即可按工作流程动作。8）工作流程上料单元运行，转盘转动，将工件从转盘经过滑道送入货台上，物料台检测传感器检测到有工件后物料台上升，工件在30秒内没有送到物料台上时警示黄灯亮，物料台在上升过程中卡住时（3秒内气缸没有运行到上限位）警示红灯亮。模块72.搬运站1）主要组成与功能搬运站主由气动机械手、气动手指、双导杆气缸、回转台、单杆气缸、旋转气缸、磁性传感器、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀组成。主要完成将工件从上料单元搬运到加工单元待料区工位。如图7-6。图7-6搬运站模块73．加工站1）主要组成与功能加工站主由6工位回转工作台、刀具库（3种刀具）、升降式加工系统、加工组件、检测组件、步进驱动器、三相步进电机、光电传感器、接近开关、开关电源、平面推力轴承、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、电气网孔板、通讯接口板、直流减速电机、多种类型电磁阀及气缸组成，回转工作台有六个旋转工位，加工站主要完成工件的加工（钻孔、铣孔），并进行工件检测。如图7-7。图7-7加工站模块74.安装搬运站1）主要组成与功能由平移工作台、塔吊臂、机械手、齿轮齿条传动、工业导轨、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀及气缸组成，主要完成将上站工件拿起放入安装平台，等待安装站将小工件安装到位后，将装好工件拿起放下站。如图7-8。图7-8安装搬运站模块75．安装站1）主要组成与功能安装站主要由吸盘机械手、摇臂部件、旋转气缸、料仓换位部件、工件推出部件、真空发生器、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀及气缸组成，主要完成选择要安装工件的料仓，将工件从料仓中推出，将工件安装到位。如图7-9。图7-9安装站模块76.分类站1）主要组成与功能由滚珠丝杠、滑杆推出部件、分类料仓、步进电机、步进驱动器、电感传感器、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀及气缸组成，主要完成按工件类型分类，将工件推入料仓。如图7-10。图7-10分类站模块77.主控站1）主要组成与功能采用了先进的总线控制方式，增配有主控PLC、工业触摸屏等，系统更加完整性，更能展现工业现场的工作状态及现代制造工业的发展方向。如图7-11。图7-11主控站模块77.1.3项目制作（做）项目要求机械拆装THMSRX-2型柔性制造系统上料检测单元。具体要求：

(1)识别各种工具，掌握正确使用方法。

(2)拆卸、组装各机械零部件、控制部件，如：气缸、电机、转盘、过滤器、PLC、开关电源、按钮等。

(3)装配所有零部件，装配到位，密封良好，转动自如。项目实施1.拆卸上料检测单元工作台面：(1)准备各种拆卸工具，熟悉工具的正确使用方法。(2)了解所拆卸的机器主要结构，分析和确定主要拆卸内容。(3)端盖、压盖、外壳类拆卸；接管、支架、辅助件拆卸。(4)主轴、轴承拆卸。(5)内部辅助件及其它零部件拆卸、清洗。(6)各零部件分类、清洗、记录等。

网孔板：(1)准备各种拆卸工具，熟悉工具的正确使用方法。(2)了解所拆卸的器件主要分布，分析和确定主要拆卸内容。(3)主机PLC、空气开关、保险丝座、I/O接口板、转接端子及端盖、开关电源、导轨拆卸。模块72.组装上料检测单元(1)理清组装顺序，先组装内部零部件，组装主轴及轴承。(2)组装轴承固定环、上料地板等工作部件。(3)组装内部件与壳体。(4)组装压盖、接管、各辅助部件等。(5)检查是否有未装零件，检查组装是否合理、正确和适度。(6)具体组装、可参考总图。模块7项目总结

本项目以教学型THMSRX-2型柔性系统为例，分别对上料检测单元、搬运单元等7个单元作了介绍，重点介绍了上料检测单元的组成、控制原理和注意事项。在项目实施部分通过机械拆装上料检测单元，让学生对该单元机械元件、整体结构、控制原理有一个清晰的认识和了解。项目评价

在规定时间内完成任务，各组自我评价并进行展示，各组之间根据评价表进行检查。检查与评价表如表7-2所示。表7-2项目评价表项目

目标

分值

评分

得分

拆卸上料检测单元正确使用工具，能按照拆卸步骤进行拆卸，无元件损坏50（1）不能按照拆卸步骤进行拆卸，每处扣5分（2）损坏工具或元件扣10分

组装上料检测单元能按照组装步骤进行组装，无元件损坏50（1）不能按照组装步骤进行组装，每处扣5分（2）损坏工具或元件扣10分总分100模块77.1.4知识拓展（拓）1、柔性制造技术的发展方向

1)不断推出新型控制软件。

2）控制软件的模块化、标准化。

3)迅速发展新型软件。

4)积极引入设计新方法。

5)发展新型控制体系结构。

6)大力开发应用人工智能技术。模块7项目7-2柔性制造系统中加工工作站控制技术

项目思考柔性制造系统中加工工作站主要由哪几部分组成？加工工作站控制器主要管理哪些信息？柔性制造系统中加工系统技术加工工作站控制器的硬件结构设计加工工作站控制器的软件模块设计知识分布网络采用柔性制造系统的优点柔性制造系统组成及功能特征项目知识项目实践知识拓展柔性制造系统中加工工作站控制技术模块77.2.1项目思考（思）

柔性制造系统FMS一般由加工系统、物流系统和控制与管理系统组成。在工厂的经营管理、工程设计、制造三大功能中，FMS负责制造功能的实施，所有产品的物理转换都是由制造单元完成的。工厂的经营管理所制定的经营目标，设计部门所完成的产品设计、工艺设计等都要由制造单元来实现。可见制造单元的运行特性对整个工厂具有举足轻重的作用。而其中加工工作站负责指挥和协调车间中的一个加工设备小组的活动。为了实现柔性制造自动化，要求FMS具有良好的制造管理及优化生产调度的功能，且系统中的制造设备必须协调运行，这就对加工工作站提出了较高的要求，它运行的有效性和柔性将直接影响FMS运行的有效性和柔性。提出问题：

1.柔性制造系统中加工工作站主要由哪几部分组成？

2.加工工作站控制器主要管理哪些信息？模块77.2.2项目知识（学）知识点1柔性制造系统组成及功能特征：典型的FMS一般由三个子系统组成。各子系统的构成框图及功能特征如图7-12所示。加工系统和物流系统的自动控制和作业协调；在线数据自动采集和处理；运行仿真及故障诊断等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、输送和交换的要求。增加功能后可实现刀具预调和管理等柔性制造系统加工系统物流系统控制与管理系统

图7-12FMS组成框图及功能特征模块7知识点2柔性制造系统中加工系统技术：1．加工系统的配置对加工系统而言，通常用于加工棱柱体类工件的FMS由立、卧式加工中心，数控组合机床（数控专用机床、可换主轴箱机床、模块化多动力头数控机床等）和托盘交换器等构成；用于加工回转体类工件的FMS由数控车床、车削中心、数控组合机床和上下料机械手或机器人及棒料输送装置等构成。2．加工系统中常用加工设备介绍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。常见加工中心按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可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用（也称万能、五面体、复合）加工中心。

模块71)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，如图7-13所示。

a)卧式b)立式图7-13加工中心模块7

加工中心的刀库有链式、盘式和转塔式等基本类型，如图7-14所示。a)转塔式b)链式c)盘式图7-14加工中心刀库的基本类型模块72）车削加工中心车削加工中心简称为车削中心（TurningCenter），它是在数控车床的基础上为扩大其工艺范围而逐步发展起来的。3）数控组合机床数控组合机床是指数控专用机床、可换主轴箱数控机床、模块化多动力头数控机床等加工设备。3.加工系统中的刀具与夹具

FMS的加工系统要完成它的加工任务，必须配备相应的刀具、夹具和辅具。目前国内在设计FMS和选择FMS加工设备时，或者在介绍国外的制造水平时往往都强调系统功能和设备功能。而从国外众多使用FMS的企业来看，他们更重视实用性，即机床和刀、夹、辅具的合理配合与有效利用，企业现有制造技术和工艺诀窍在FMS中的应用。模块74.加工系统的监控

FMS加工系统的工作过程都是在无人操作和无人监视的环境下高速进行，为保证系统的正常运行,防止事故、保证产品质量，必须对系统工作状态进行监控。通常加工系统的监控内容见表7-3。表7-3加工系统的监控内容监控工能设备运行状态通信及接口、数据采集与交换、与系统内各设备间的协调、与系统外的协调、NC控制、PLC控制、误动作、加工时间、生产业绩、故障诊断、故障预警、故障档案、过程决策与处理等切削加工状态机床主轴转动、主轴负载、进给驱动、切削力、振动、噪声、切削热等夹具安装、精度、夹紧力等刀具识别、交换、损伤、磨损、寿命、补偿等工件识别、交换装夹等其他切屑、切削液、温度、湿度、油压、气压、电压、火灾等产品质量状态形状精度、尺寸精度、表面粗造度、合格率等模块75.加工工作站控制器加工工作站控制器是柔性制造系统中实现设计集成和信息集成的关键，它执行前端控制职能，既要能接收单元控制器的命令并上报命令执行情况，也要能独立运行，对设备实施控制和监视。其功能需求如下：1）加工操作排序2）加工设备监控3）加工工作信息管理

6.集线器集线器（HUB）属于数据通信系统中的基础设备，它和双绞线等传输介质一样，是集线器一种不需任何软件支持或只需很少管理软件管理的硬件设备。模块77.2.3项目制作（做）项目要求

现有加工设备是两台立卧转换加工中心和三台立式综合加工中心，均采用日本FANUCOM控制系统。要求如下：

1.设计出加工工作站控制器的硬件结构图。

2.设计出加工工作站控制器的软件模块图。项目实施

因加工中心进线是实现柔性制造的必要条件之一，而五台数控加工中心控制系统均未配备DNC接口，不具备直接进线功能，于是另外设计了五套独立的DNC接口装置，实现工作站与设备间的信息传送和工作站对设备的实时控制。1．加工工作站控制器的硬件结构设计1）系统结构加工工作站控制器是基于网络通讯的DNC数控系统，实现对5台加工中心的DNC控制及通讯。它通过EtbernetTCP／IP与单元控制器连接，通过DNCFSO与设备控制器连接。2）硬件结构该加工工作站控制器用于监控5台加工中心，实现DNC控制。其控制结构如图7-15。模块7HUB加工工作站控制器立卧转换加工中心RS-232CIODNCFSO立卧转换加工中心RS-232CIODNCFSO立式综合加工中心RS-232CIODNCFSO立式综合加工中心RS-232CI