《机电一体化系统设计》第八章课件

高职高专机电类专业系列教材

机电一体化系统设计

主编

杨俊伟参编

王

莉机械工业出版社目录第一部分基础篇第1章机电一体化认知第2章机电一体化系统设计认知习题与思考题第二部分技术篇第3章机械传动与导向支撑技术第4章伺服驱动技术习题与思考题第5章计算机控制及接口技术习题与思考题第三部分应用篇第6章典型机电一体化系统第四部分实践篇第7章工业机器人的机电一体化系统设计第五部分

拓展篇第8章柔性制造系统（FMS）与计算机集成制造系统（CIMS）机电一体化系统设计捌第8章柔性制造系统（FMS）与计算机集成制造系统（CIMS）8.1柔性制造系统（FMS）8.2计算机集成制造系统（CIMS）习题与思考题主要内容及重点知识捌主要内容本章明确了柔性制造技术及计算机集成技术的概念、组成、关键技术及应用。重点知识柔性制造系统（FMS）的认知。计算机集成制造系统（CIMS）的认知。返回主页8.1柔性制造系统（FMS）8.1.1柔性制造系统的认知8.1.2FMS组成及结构8.1.3FMS应用案例返回主页8.1柔性制造系统（FMS）随着社会的进步和科技的发展，消费市场对工业产品的质量要求愈来愈高，而产品的市场维持周期则变得更短，产品工艺的复杂程度却随之增高。传统的单一功能产品大批量生产方式己经跟不上时代步伐了。为了适应市场发展规律，在保证制造系统生产效率的基础上，提高制造系统的柔性，适应产品更新换代的需求，柔性自动化系统由此而生。返回主页8.1.1柔性制造系统的认知1.柔性制造系统基本概念柔性制造(flexiblemanufacturing,FM)是指用可编程、多功能的数字控制设备更换刚性自动化设备；用易编程、易修改、易扩展、易更换的软件控制代替刚性连接的工序过程,使刚性生产线实现柔性化，以快速响应市场的需求，多快好省地完成多品种、中小批量的生产任务。需要特别指出的是柔性制造中的柔性具有多种含义，除了加工柔性外，还包含设备柔性、工艺柔性、产品柔性、流程柔性、批量柔性、扩展柔性和生产柔性。返回主页柔性制造单元(flexiblemanufacturingcell,FMC)是由一台或几台设备组成，在毛坯和工具储量保证的情况下，具有部分自动传送和监控管理功能,并具有一定的生产调度能力的独立的自动加工单元。高档的FMC可进行24h无人运转。FMC工件和物料装卸的方式是：数控机床配上机械手，由机械手完成工件和物料的装卸；加工中心配上托盘交换系统，将加工工件装夹在托盘上，通过拖动托盘，可以实现加工工件的流水线式加工作业。柔性制造系统(flexiblemanufacturesystem，FMS)将FMC进行扩展，增加必要的加中心数量，配备完善的物料和刀具运送管理系统，并通过一套中央控制系统管理生产进度对物料搬运和机床群的加工过程实行综合控制，就可以构成一个完善的FMS。8.1.1柔性制造系统的认知2.FMS发展历程柔性制造系统最早出现于20世纪60年代中期的英国和美国。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“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。这种柔性自动化设备适于在少品种、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。8.1.1柔性制造系统的认知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。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。柔性制造单元(FMC)一般由1～2台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。8.1.1柔性制造系统的认知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。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柔性制造系统的基本特征，但自动化程度不很完善的经济型柔性制造系统FMS，使柔性制造系统FMS的设计思想和技术成果得到普及应用。迄今为止，全世界有大量的柔性制造系统投入了应用，国际上以柔性制造系统生产的制成品已经占到全部制成品生产的75%以上，而且比率还在增加。8.1.1柔性制造系统的认知3.FMS发展趋势(1)小型化

为了适应众多中小型企业的需要，FMS开始向小型、经济、易操作和易维修的方向发展，因此FMS也开始得到众多用户的认可。

(2)模块化和集成化

为了利于用户按需要有选择地分期购买设备,逐步扩展和集成FMS,

FMS的软硬件都向模块化方向发展，并由这些基本模块集成FMS,而且也利于今后以FMS为基础进一步集成到CIMS。

(3)性能不断提高

采用各种新技术，提高加工精度和加工效率，综合利用先进的网络、数据库和人工智能技术，提高FMS各个环节的自我诊断、自我排错、自我积累和自我学习能力。

(4)应用范围逐步扩大

从加工批量上,FMS向适合单件和小批量方向扩展；另一方面，FMS从传统的金属切削加工向金属热加工、装配等整个机械制造范围发展。8.1.1柔性制造系统的认知8.1.2FMS组成及结构FMS由控制与管理、加工、物流等3个子系统构成。FMS的基本构成框架如图8-1所示。（1）控制与管理系统可以实现在线数据的采集和处理、运行仿真和故障诊断等功能。（2）加工系统能实现自动加工多种工件、更换工件和刀具及工件的清洗和测试。（3）物流系统由工件流和刀具流组成，能满足变节拍生产的物料自动识别、存储、输送和交换的要求，并实现刀具的预调和管理等功能。这3个子系统有机地结合，构成了FMS的能量流、物料流和信息流。返回主页图8-1FMS的基本构成框架自动流水线作业的物流设备和加工工艺相对固定，只能加工一个或相似的几个品种的零件，缺少灵活性，所以也称为固定自动化或刚性自动化，适用于大批量、少品种的生”。单台数控机床的加工灵活性好，但相对于自动流水线来说生产效率低，制造成本高，适用于小批量、多品种生产。柔性制造单元或柔性制造系统综合了自动流水线和单台数控机床各自的优点，将几台NC机床与物料输送设备、刀具库等通过一个中央控制单元连接起来，形成既具有一定柔性又具有一定连续作业能力的加工系统，适用于中等批量、中等品种生产。8.1.2FMS组成及结构1.FMS的加工系统（1）加工系统的构成FMS中的加工系统是实际完成加工任务，将工件从原材料转变为产品的执行装置。它主要由数控机床、加工中心等加工设备构成，带有工件清洗、在线检测等辅助设备。目前FMS的加工时象主要有棱柱体和回转体两类。1)加工棱柱体类工件由立卧式加工中心、数控组合机床和托盘交换器组成。2)加工回转体类工件由数控车床、切削中心、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组成。8.1.2FMS组成及结构（2）加工系统的配置一般来说，为了适应不同的加工要求、增加FMS的适应性、FMS最少应配备4～6台以上的数控加工设备。1）配置原则主要有以下几条：①配多功能数控机床加工中心等以便集中工序，减少工位数和物流负担，保证加工质量。②选用模块化结构，外部通信功能和内部管理功能强、内装可编程控制器含有用户宏程序的数控系统，容易连接上、下料，检测等辅助设备并增加各种辅助功能等，保证控制功能强、可扩展性好。③选用切削功能强、加工质量稳定、生产效率高的机床，采用高刚度、高精度、高速度的切削加工。8.1.2FMS组成及结构④节能降耗、导轨油可回收，排屑处理快速、彻底延长刀具使用寿命等,节省系统运行费用，经济性好。⑤操作性好，可靠性好，维修性好，具有自保护和自维护性。能设定切削力过载保护、功率过载保护、运行行程和工作区城限制等，具有故障诊断和预警等功能。⑥对环境适应性与保护性好。对工作环境的温度、温度、噪声、粉尘等要求不高，各种密封件性能可靠无泄漏，切削液不外溅，能及时排除烟雾、异味。噪声和振动小，能保护良好的工作环境。2)配置方式有并联、串联、混合3种。2.FMS中的物流管理（1）工件流支持系统工件在柔性制造系统中的流动是输送和存储两种功能的结合，包括夹具系统、工件输送系统、自动化仓库及工件装卸工作站。1)夹具系统

在柔性制造系统中加工对象多为小批量、多品种的产品，采用专用夹具会降低系统的柔性，因此多采用组合夹具、可调整夹具、数控夹具或托盘等。2)工件输送系统

工件输送系统决定FMS的布局和运行方式，一般有直线输送、机器人输送、环形输送等方式。8.1.2FMS组成及结构3)自动化仓库FMS中输送线本身的储存能力一般较小，当要加工的工件较多时、大多设立自动化仓库。可细分成以下两种：①平面自动化仓库主要应用于大型工件的存储。②立体自动化仓库是通过计算机和控制系统将搬运存取、储存等功能集于一体的新型自动化仓库。自动化仓储系统如图8-2所示。根据不同立体仓库的使用要求，配置多种形式堆垛机，如图8-3所示。4)工件装卸工作站主要有毛坯入库工作站和成品出库工作站两种。入库工作站位于FMS物料输入的开始位置。出库工作站位于FMS的物料输出位置。8.1.2FMS组成及结构图8-2自动化仓储系统

图8-3堆垛机（2）刀具流支持系统主要由中央刀具库、刀具室、刀具装卸站、刀具交换装置及刀具管理系统几部分组成。FMS的刀具流支持系统如所示。1)中央刀具库是刀具系统的暂存区，它集中储存FMS的各种刀具，并按定位置放置。中央刀具库通过换刀机器人或刀具传输小车为若干加工单元进行换刀服务。不同的加工单元可以共享中央刀具库的资源，提高系统的柔性程度。2)刀具室是进行刀具预调及刀具装卸的区域，刀具进入FMS以前，应先在刀具预调仪(也称对刀仪)上测出其主要参数，安装刀套，打印钢号或贴条形码标签，并进行刀具登记。然后将刀具挂到刀具装卸站的适当位置，通过刀具装卸站进人FMS。8.1.2FMS组成及结构图8-4刀具流支持系统

3)刀具装卸站负责刀具进入或退出FMS，或FMS内部刀具的调度，其结构多为框架式，装卸站的主要指标有刀具容量、可挂刀具的最大长度、可挂刀具的最大直径、可挂刀具的最大质量。为了保证机器人可靠地取刀和送刀，还应该对刀具在装卸站上的定位精度进行一定的技术要求。

4)刀具交换装置一般是指换刀机器人或刀具输送小车，它们完成刀具装卸站与中央刀具库或中央刀具库与加工机床之间的刀具交换。刀具交换装置按运行轨道的不同，可分为有轨和无轨的。实际系统多采用有轨装置,价格较低，且安全可靠。无轨装置一般要配有视觉系统，其灵活性大,但技术难度大，造价高，安全性还有待提高。

5)刀具管理系统主要包括刀具存储、运输和交换，刀具状况监控，刀具信息处理等。刀具管理系统的软件系统般由刀具数据库和刀具专家系统组成。

8.1.2FMS组成及结构（3）输送设备

物流系统中的输送设备主要有输送机、输送小车和工业机器人等。

1)输送机具有连续输送量大和单位时间输送量大的特点，常应用于环形布局的FMS中。其结构形式有滚子输送机、链式输送机和直线电动机输送机。

2)输送小车自动导引运输车是一种无人驾驶的自动搬运设备，称为自动导引运输车（AGV），分有轨小车和无轨小车两种类型。①有轨小车由平行导向钢轨和在其上行走的小车组成，它利用定位槽销等机械结构控制小车的准确停靠，其定位精度可高达0.1mm。有轨小车(AGV)如图8-5所示。②无轨小车没有导向的钢轨,小车直接在地面上行走，其制导方式主要有磁性、光学、电磁、激光、扫描制导等。无轨小车(AGV)如图8-6所示。8.1.2FMS组成及结构图8-5有轨小车(AGV)

图8-6无轨小车(AGV)③工业机器人（如图8-7）是一种可编程的多功能操作手，用于物料、工件和工具的搬运，通过可变编程完成多种任务。由机器人本体、执行机构、传感器和控制系统等构成。8.1.2FMS组成及结构图8-7工业机器人3.FMS中的信息流管理（1）FMS信息流结构FMS信息流结构图如图8-8所示。信息流子系统是FMS的核心组成部分，它完成FMS加工过程中系统运行状态的在线监测,数据采集、处理、分析等任务，控制整个FMS的正常运行。信息流子系统的核心是分布式数据库管理和控制系统，按功能可分为4个层次。1)厂级信息管理

厂级信息指总厂的生产调度、年度计划等信息。2)车间层

它一般包括两个信息单元，即设计单元和管理单元。设计单元主要控制产品设计、工艺设计、仿真分析等设计信息的流向。管理单元管理车间级的产品信息和设备信息，包括作业计划、工具管理、在制品(包括半成品、毛坯)管理、技术资料管理等。3)设备控制单元层

为设备控制级，它包括对现场生产设备、辅助工具以及现场物流状态的各种控制设备。4)执行层包括各种现场生产设备，主要是加工中心或数控机床在设备控制单元层的控制下完成规定的生产任务,并通过传感器采集现场数据和工况，以便进行加工的监测和管理。8.1.2FMS组成及结构（2）FMS信息流特征按FMS所管理的信息范围和控制对象,FMS信息流可分为以下5类：1)刀具信息

包括刀具的参数，使用状况，安装形式，刀具损坏原因，刀具处理情况，刀具使用频率统计和归属机床等。2)机床状态信息

包括机床是否处于工作状况，机床的工况，机床故障发生情况，机床故障排除情况，机床加工参数等。3)运行状态信息

包括小车的工况，托盘的工况，中央刀库刀具所处的状态(空闲或正在某机床上工作)，工件的位置，测量站工况，机器人工况，清洗站工况等。4)在线检测信息

主要指所加工产品的合格情况，不合格产品应进行报废或返工的处理等。5)系统安全信息包括供电系统的安全情况，系统本身的安全情况；系统工作环境的安全情况，如环境温度、湿度等，系统工作设备的安全信息，如小车保证不会相互碰撞，刀具安装可靠，以及工作人员的安全情况等。8.1.2FMS组成及结构（3）FMS信息流程FMS信息流程如图8－9所示。8.1.2FMS组成及结构图8-9FMS信息流程8.1.3FMS应用案例北京机床研究所为了掌握当代机械制造的先进技术，为了发展伺服电机的生产，与日本发那科(Fanuc)公司合作建立了我国第一条柔性制造系统JCS-FMS-l，该系统用以生产直流伺服电机的轴类、法兰盘类、壳体类、刷架体类等14种零件，计划年产量为5000台以上。JCS-FMS-1是在Fanuc系统F系列的B型基础上结合具体生产要求而开发的，系统采用了五台国产数控机床以三个加工单元的形式组成。JCS-FMS-I回转体类零件柔性制造系统如图8-10所示。返回主页图8-10JCS-FMS-I回转体类零件柔性制造系统返回主页8.2计算机集成制造系统

计算机集成制造系统将制造过程进行全面统一的设计，并且针对制造企业的市场分析、产品设计生产规划制造、质量保证经营管理及产品售后服务等全部生产品营活动通过数据驱动形成一个有机整体，以实现制造企业的高效益高实性和智能化。返回主页8.2计算机集成制造系统8.2.1计算机集成制造系统认知8.2.2CIMS的组成及关键技术8.2.3CIMS的应用案例返回主页8.2.1计算机集成制造系统认知1.基本概念1974年，首先由约瑟夫·哈林顿(JosephHarrington)博士在《计算机集成制造》一书中提出计算机集成制造系统(computerintegratedmanufacturingsystem.CIMS)的概念。直到现在，对计算机集成制造系统还没有确切的定义，但其具有如下特点：

(1)协调性CIMS包括制造企业的全部经营活动。从市场分布、产品设计生产规题、制造质量、保证经营管理至产品售后服务等使企业内各种活动相互协调地进行。

(2)集成性CIMS不是各种自动化系统的简单叠加，而是通过计算机网络数据管理技术实现各单元的集成。

(3)先进性CIMS能有效地实现柔性生产，是信息时代制意业的一种先进的生产会营和管理模式，能提高企业对市场的应变能力。在竞争中取胜。

返回主页2.CIMS的发展历程

根据CIMS技术发展的过程，可以将其划分为三个阶段：信息集成优化、过程集成优化和企业间集成优化。

(1)信息集成优化

20世纪70年代后期，以信息集成为特征的CIMS阶段。主要解决企业中各个自动化孤岛之间的信息交换和共享。早期实现方法主要通过局域网外联网产品数据管理、集成平台和框架技术来实现。信息变成优化作用范围是企业内部。8.2.1计算机集成制造系统认知(2)过程集成优化20世纪80年代以来，以过程集成为特征的CIMS阶段。传统的产品开发模式采用串行产品开发流程，设计与加工生产是两个独立的功能部门，现代的产品开发模式采用并行工程，它组成了多学科团队，尽可能多地将产品设计中的各个串行过程转变为并行过程，在早期设计阶段就考虑产品的制造性(DFM)、装配性(DFA)和质量配置(DFQ)，以减少返工，缩短开发时间。过程集成优化作用范围是产品的开发过程。

(3)企业间集成优化

上世纪90年代初，以企业集成为特征的CIMS阶段。就是利用企业的内、外资源，实现敏捷制造，以适应知识经济、全球经济、全球制造的新形势。企业间集成优化作用范围是各企业之间。

8.2.1计算机集成制造系统认知我国十分重视CIMS的发展，在制定高技术发展计划(“863”计划)时，就把CIMS列为自动化领域的主体之一，自上世纪90年代初期建成研究环境，然后陆续建成CIMS工程环境，CIMS试验工程及一批CIMS应用工厂，从而奠定了良好的技术基础。CIMS事业经过十几年的发展，从技术集成到技术、经营/管理、人/组织的集成，在广度和深度上扩大了CIMS的内涵。为我国企业的信息化探索了一条符合我国国情的循序渐进的可操作的道路，同时也明确了我国信息化的发展方向和最终目标。8.2.1计算机集成制造系统认知3．CIMS的发展趋势CIMS的发展趋势如图8-11所示。（1）集成化

从当前的企业内部的信息集成发展到过程集成（以并行工程为代表），并正在步入实现企业间集成的阶段（以敏捷制造为代表）。（2）数字化

从产品的数字化设计开始，发展到产品全生命周期中各类活动、设备及实体的数字化。（3）网络化

从基于局域网发展到基于Internet/Intranet/Extranet的分布网络制造，以支持全球制造策略的实现。（4）柔性化

正积极研究发展企业间的动态联盟技术、敏捷设计生产技术、柔性可重组机器技术等，以实现敏捷制造。8.2.1计算机集成制造系统认知（5）智能化

智能化是制造系统在柔性化和集成化的基础上进一步发展与延伸，引入各类人工智能技术和智能控制技术，实现具有自律、分布、智能、仿生、敏捷、分形等特点的新一代制造系统。（6）绿色化

包括绿色制造、环境意识的设计与制造、生态工厂、清洁化生产等。它是全球可持续发展战略在制造业中的体现，是摆在现代制造业面前的一个崭新的课题。CIMS是一种理念，它是生产发展到一定阶段的产物，在信息时代中，它适用信息集成来提高生产效率，使之符合不断变化的社会与市场需求的新方法。CIMS的概念和内容不是一成不变的，它随着生产水平、生产方式的发展和人类社会进步、信息技术的提高而在不断发展，CIMS的研究会不断更新，永远不会停止在一个水平上。8.2.1计算机集成制造系统认知图8-11CIMS发展趋势8.2.2CIMS的组成及关键技术1.CIMS的递阶控制模式CIMS的递阶控制模式是CIMS中各单元之间的层次关系。美国国家标准与技术局和亚瑟·安德森公司(ArthurAndersenCo.)均将CIMS分为五层结构，即工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层。其递阶控制示意图如图8-12所示。返回主页图8-12CIMS的递阶控制示意图(1)工厂层

是最高决策和管理层，其决策周期一般是几个月到几年，完成的功能包括市场预测，制订长期生产计划，确定生产资源需求、制订资源规划，制订产品开发及工艺过程规划，厂级经营管理。(2)车间层

根据生产计划协调车间作业及资源配置。其决策周期为几周到几个月。完成的功能包括接受产品材料清单，接受工艺过程数据，计划车间内各单元的作业管理和资源分配实施，作业订单的制订、发放和管理，安排加工设备、刀具、夹具、机械手物料运输设备的预防性维修等。(3)单元层

完成本单元的作业调度，功能包括零件在各工作站的作业顺序、作业调度指令的发放和管理，协调工作站的物料运输、进行机车和操作者的任务分配和调整等。8.2.2CIMS的组成及关键技术(4)工作站层

按照所完成的任务可分为加工工作站、检测工作站、刀具管理工作站、物料存储工作站等。(5)设备层

执行上层的控制命令，完成零件的加工、测量运输等任务，其响应时间为几毫秒到几分钟。设备层包括机床加工中心、坐标测量机、AGV等设备的控制器。

以上五个层次，通过企业的三大类生产活动(计划、监督管理和执行)连贯在一起。上层系统与下层系统之间存在信息交换。下层系统从其上层接受命令，并向上层反馈信息，各层只向其下一层发命令，并接受下一层的反馈信息。8.2.2CIMS的组成及关键技术2.CIMS的基本部分

从功能角度看CIMS系统是若干个功能子系统的集成，由于各个企业实施CIMS的客观条件和侧重点不同，因此CIMS系统中功能系统的划分也不尽相同。德国标准化学会(DIN)按CIMS的功能、信息流和物流将CIMS划分为四个基本部分：(1)生产计划与控制生产计划是及时地、优化地组织供应生产所需的物科和零件面生产控制则是执行生产计划的过程，包括对生产计划进行监督和调整。(2)产品设计制造系统使用CAD/CAM/CAE技术，并结合CAPP技术，使产品在设计制造过程中达到高度的集成。8.2.2CIMS的组成及关键技术(3)集成的质量系统对产品生命周期的每个阶段进行各种检验、测试和试验，全面分析整个制造系统的质量体系，同时对质量成本做出全面评价。(4)柔性制造系统由数控加工设备、物流储运装置和计算机控制系统等很成的自动化制造系统，它能根据制造任务或生产环境变化迅速进行调整。8.2.2CIMS的组成及关键技术3.实现CIMS的关键技术（1）CIMS的技术覆盖范围广CIMS是自动化技术、信息技术、生产技术、网络技术、传感技术等多学科技术的相互渗透而产生的集成系统。由于