《智能制造基础与应用》课件 第五章 智能制造柔性系统

智能制造基础与应用第2版“十三五”职业教育国家规划教材

第五章

智能制造柔性系统第一节智能制造柔性系统概述第二节智能制造柔性硬件系统第三节智能制造柔性运行控制系统第四节智能制造柔性系统应用实例第五节智能制造计算机集成系统智能制造柔性系统概述1第一节柔性制造系统产生的背景条件一、随着经济的发展和消费水平的提高，人们更注重产品的不断更新和多样化，中小批量、多品种生产已成为机械制造业的一个重要特征；二、科学技术的迅猛发展推动了自动化程度和制造水平的提高。第五章

智能制造柔性系统柔性制造系统的产生过程1950年，美国MIT诞生了第一台三坐标数控铣床以后，机电一体化及数控（NC）的概念出现了。机电一体化技术进一步发展，出现了计算机数控（CN）、计算机直接控制（又称群控）（DNC）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助设计（CAD）、成组技术（GT）、计算机辅助工艺规程（CAPP）、工业机器人技术（ROBOT）等新技术。第五章

智能制造柔性系统柔性制造系统的产生过程在这些新技术的基础上，为多品种、小批量生产的需要而兴起的柔性自动化制造技术得到了迅速的发展，作为这种技术具体应用的柔性制造系统（FMS）、柔性制造单元（FMC）和柔性制造自动线（FML）等柔性制造设备纷纷问世，其中柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）最具代表性。第五章

智能制造柔性系统柔性制造系统的产生过程FMS的雏形源于美国MALROSE公司，该公司在1963年制造了世界上第一条多品种柴油机零件的数控生产线。FMS的概念由英国MOLIN公司最早正式提出，并在1965年取得了发明专利，1967年FMS正式形成。第五章

智能制造柔性系统柔性制造系统的发展状况FMS是先进制造技术的一部分，在欧美、日本、俄罗斯有较大的发展；1985年世界各国已投入运行的FMS有500多套，88年近800套，90年超过1000套，目前约共有4000多套FMS在运行；我国是1984年开始研制FMS，1986年从日本引进第一套FMS。第五章

智能制造柔性系统柔性制造系统的定义根据“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”的定义，FMS被定义为：“柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，简称FMS）是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等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化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。”美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为：“使用计算机控制柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件族某一系列工序的，或一系列工序的一种集成制造系统。”

第五章

智能制造柔性系统柔性制造系统的组成典型的FMS主要由以下三个子系统组成：

（1）加工系统

（2）运储系统

（3）计算机控制系统

第五章

智能制造柔性系统FMS的组成框图及功能特征第五章

智能制造柔性系统柔性制造系统的主要特点柔性，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适应产品变化的能力，可分为瞬时、短期和长期柔性三种。凡具备上述三种柔性特征之一的、具有物料或信息流的自动化制造系统都可以称为柔性自动化。

第五章

智能制造柔性系统柔性制造系统的次要特点（1）设备利用率高，占地面积小

（2）减少直接劳动工人数

（3）产品质量高而稳定

（4）减少在制品库存量

（5）投资高、风险大，开发周期长、管理水平要求高。

第五章

智能制造柔性系统典型的柔性制造系统示意图1第五章

智能制造柔性系统典型的柔性制造系统示意图2第五章

智能制造柔性系统典型的柔性制造系统示意图3第五章

智能制造柔性系统典型的柔性制造系统示意图4第五章

智能制造柔性系统典型的柔性制造系统示意图5第五章

智能制造柔性系统

智能制造柔性硬件系统2第二节第五章

智能制造柔性系统加工系统的功能与要求工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数；控制功能强、扩展性好；高刚度、高精度、高速度；自保护与自维护性好；使用经济性好；对环境的适应性与保护性好。柔性制造系统的加工系统第五章

智能制造柔性系统加工系统常用配置形式棱体类零件：立式、卧式或立卧两用加工中心；回转体零件：数控车床或车削加工中心机床。配置形式：

互替式-是并联配置，各机床功能可互相代替，具有好的工艺柔性和较宽的工艺范围。

互补式-是串联配置，功能互相补充，各自完成特定的加工任务，生产率高，降低了可靠性。

混合式-互替式与互补式结合。柔性制造系统的加工系统第五章

智能制造柔性系统卧式加工中心

1-主轴头2-刀库3-刀库4-立柱底座5-回转工作台6-工作台底座

柔性制造系统的加工系统第五章

智能制造柔性系统车削加工中心

1-刀库2-回转刀架3-换刀机械手4-上下工件机器人5-工件存储站

柔性制造系统的加工系统第五章

智能制造柔性系统a)互替式b)互补式c)混合式FMS机床配置形式柔性制造系统的加工系统第五章

智能制造柔性系统加工系统的辅助装置机床夹具组合夹具：利用标准化夹具零部件快速拼装所需夹具；柔性夹具：一部夹具能为多个加工对象服务。托盘（Pallet）承载工件和夹具完成加工任务，是各加工单元间的硬件接口。自动上下料装置托盘交换器：联接加工系统和物料运储系统桥梁；工业机器人：具有较大的柔性度。柔性制造系统的加工系统第五章

智能制造柔性系统组合夹具

第五章

智能制造柔性系统柔性夹具

第五章

智能制造柔性系统ISO标准规定的托盘基本形状

1-托盘导向面2-侧面定位面3-安装螺孔4-工件安装面5-中心孔6-托盘搁置面7底面8-工件固定孔9-托盘夹紧面10-托盘定位面第五章

智能制造柔性系统回转式托盘交换器

第五章

智能制造柔性系统往复式托盘交换器

第五章

智能制造柔性系统FMS的工件运储系统工件装卸站设在FMS入口，由人工完成装卸；托盘缓冲站工件中间存储站，起缓冲物料作用；自动化仓库多层立体布局结构，由计算机控制，服从FMS命令和调度；物料运载装置负责在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间物料搬运作业。传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损；自动运输小车：分有轨小车、无轨小车；搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。FMS工件运储系统组成第五章

智能制造柔性系统FMS的工件运储系统随机布局原则这种布局方法是将若干机床随机地排列在一个长方形的车间内；功能原则这种布局方法是根据加工设备的功能分门别类地将同类设备组织到一起；模块式布置原则这种布置方式的车间，是由若干功能类似的独立模块组成；加工单元布置原则采用这种布置的车间，每一个加工单元都能完成相应的一类产品，这种构思的产生是建立在成组技术思想基础上的；根据加工阶段来分将车间加工阶段分为装备加工阶段、机械加工阶段和特种加工阶段。

FMS系统的总体布局第五章

智能制造柔性系统FMS物料输送基本回路直线输送回路沿直线路线单向或双向移动，顺序地在各个连接点停靠；环形输送回路运载工具沿环形路线单向或双向移动；网状输送回路由多个回路相互交叉组成，可由一条环路移动到另一回路。第五章

智能制造柔性系统直线输送回路第五章

智能制造柔性系统环形输送回路第五章

智能制造柔性系统网状输送回路第五章

智能制造柔性系统运输小车结构：车体安装平台托盘交换装置蓄电池控制系统第五章

智能制造柔性系统自动运输小车导向有轨小车铁轨导向，速度快，负载能力大，停靠准确，可靠好，制造成本低，线路不便更动，转角不宜太大。线导小车电磁感应导向，柔性大、扩展性好、不怕污染、工作可靠。光导小车采用带有荧光材料油漆或色带，通过光电制导，改变线路非常容易，对环境要求严格。激光灯台制导小车顶部装有激光装置，通过固定位置反射激光束信息，确定小车位置。

第五章

智能制造柔性系统AGV电磁感应制导原理

第五章

智能制造柔性系统激光灯台制导原理

第五章

智能制造柔性系统自动化仓库货架为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。堆垛机由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动电动机以及传感器构成的三维搬运设备。控制与管理系统负责物料信息的登录、识别，物料自动存取，仓库管理。第五章

智能制造柔性系统自动化仓库示意图

第五章

智能制造柔性系统堆垛机结构示意图

1-上导轨2-支柱3-物料4-托架5-移动电动机6-传感器

第五章

智能制造柔性系统高架导轨式的换刀机器人

1-纵向导轨2-横梁3-滑台4-换刀机器人

第五章

智能制造柔性系统高架导轨式的换刀机器人

1-AGV2-装载刀架3-机器人4-机床刀库智能制造柔性运行控制系统3第三节第五章

智能制造柔性系统控制系统是FMS的核心，它管理和协调FMS内各项活动，以保证生产计划的完成，实现最大的生产效率。由于FMS是一个复杂的自动化集成体，其控制系统的体系结构和性能直接影响整个FMS的柔性,可靠性和自动化程度。控制系统的结构第五章

智能制造柔性系统

FMS少数由人工控制，大多由计算机控制。如装卸，调整和维修少数操作由人工控制完成，而其他的操作基本由计算机自动控制完成。正是由于其控制范围广，所以其承担的任务较繁重。为避免用一台计算机过于集中控制，目前几乎所有的FMS都采用了多级计算机递阶控制结构，以此来分散主计算机的负荷，提高系统的可靠性，同时也便于控制系统的设计和维护。控制系统的结构第五章

智能制造柔性系统通常采用递阶控制的结构形式，即通过对系统的控制功能进行正确、合理地分解，划分成若干层次，各层次分别进行独立处理，完成各自的功能，层与层之间在网络和数据库的支持下，保持信息交换，上层向下层发送命令，下层向上层回送命令的执行结果。

通过信息联系，构成完整的系统，以减少全局控制的难度和控制软件开发的难度。

控制系统的结构第五章

智能制造柔性系统FMS控制与管理系统的体系结构递阶控制结构：将复杂系统分层分模块设置，各层相对独立，便于系统的开发和维护。递阶控制特点：愈往底层，实时性愈强；愈到上层，处理信息量愈大，实时性要求愈小。FMS三层递阶控制结构系统管理与控制层（单元控制层）-接受上级任务，制定系统作业计划，进行任务分配，监控系统执行；过程协调与监控层（工作站层）-加工程序分配、协调工件流动、运行状态采集监控、向上层反馈信息；设备控制层-控制设备工作循环，执行上层控制指令，反馈现场数据。

控制系统的结构第五章

智能制造柔性系统单元控制器铣削工作站车削工作站……物流管理工作站CNCNo1CNCNo2PLC自动化仓库AGVROBOT刀具管理...FMS递阶控制结构CNCNo1CNCNo2PLC...单元层工作站层设备层控制系统的结构第五章

智能制造柔性系统现场总线ProfibusethernetWin-ACCP5613(一类主站)P4微机Win-CC(二类主站)ET200I/O接口工业机器人数控铣床加工中心成品库毛坯库RGV缓冲库CAD/CAMMISProfibus接口DNC管理层单元层设备层YG－FMS单元控制器层次结构第五章

智能制造柔性系统

FMS单元控制器功能通信管理与运行控制--实现上下层信息通讯，控制内部模块运行；系统信息管理--对单元信息进行存储、管理和维护；作业计划制定--根据上级下达任务制定本单元作业计划，并进行计划调整；系统作业调度--具有系统仿真、静/动态调度、系统资源调度等功能；系统过程监控--监控系统状态变化，故障处理，其结果传送至系统信息管理模块和上级控制器。第五章

智能制造柔性系统FMS单元控制器的功能模型

FMS控制系统的信息流第五章

智能制造柔性系统第五章

智能制造柔性系统质量保证体系柔性制造系统是一个将机械制造、计算机技术、自动化技术、信息通讯技术集于一身的具有高度自动化水平、高度柔性的先进制造系统。质量保证系统QAS(QualityAssuranceSystem)是其一个重要组成部分。柔性制造环境下的质量保证系统的作用在于：(1)通过质量信息的集成，实现质量信息的及时处理与反馈，从而保证产品质量及制造过程的改善。(2)可以将用户的需求直接用于控制产品的设计工作，并对设计及工艺进行分析和审核，尽早发现在制造过程中可能出现的质量缺陷，实现在设计阶段保证产品质量。(3)及时向操作者和管理人员提供正确的制造过程信息及产品质量信息。第五章

智能制造柔性系统质量保证系统特点对产品的整个制造过程进行质量控制。通过分布式数据系统及计算机网实现质量信息的提取、交换、共享和处理。广泛采用各种智能技术(专家系统、神经元网络等)进行各种复杂信息处理，实现系统功能。强调在质量问题的“源”处控制质量，即在质量缺陷产生的初期进行控制，而不是仅仅对已产生的质量缺陷进行处理；进行过程控制而不仅仅是产品控制。第五章

智能制造柔性系统质量保证(QA)是指：对某一产品或服务能满足规定质量要求，提供适当信任所必需的全部有计划、有系统的活动。质量管理(QM)是指：制定和实施质量方针的全部管理职能。质量控制(QC)是指：为达到质量要求所采取的作业技术和活动。质量系统(QS)是指：为实施质量管理的组织结构、职责、程序、过程和资源。质量保证、质量管理、质量控制的概念第五章

智能制造柔性系统质量保证、质量管理、质量控制的关系智能制造柔性系统应用实例4第四节第五章

智能制造柔性系统板材智能制造柔性系统的主要优点由计算机监控保证的连续工作，大大提高了机床等生产设备的使用效率。计算机控制提供的自动化生产，减少了人员配备。计算机的合理调度与管理，减少了在制品存量和原材料库存量。采用数控机床和计算机计划管理，缩短了生产周期，增强了柔性，大大提高了中小批量生产的效率。第五章

智能制造柔性系统自动仓库单元冲加工单元剪加工单元、中央控制单元和自动工艺编程单元系统组成：第五章

智能制造柔性系统1—中央控制室；2—立体储料库；3—堆垛机；4—进出料台车；5—装料台；6—装载机械手；7—自动定位运输机；8—工作台；9—数据控回转头冲床；10—中间滚柱台；11—装卸料机械手；12—TPP数控箱；13—冲加工单元控制器；14—定位机械手；15—数据控直角剪切机；16—中小件自动分类运输机；17—大件自动分类运输机；18—RAS数控箱；19—剪加蓬单元控制器板材FMS总体布局第五章

智能制造柔性系统板材FMS功能模型AO图第五章

智能制造柔性系统递阶控制结构示意图第五章

智能制造柔性系统板材FMS的通信连接实施FMS的过程中应注意的问题应与企业的经营计划和发展方向挂钩，做到目标明确、资金落实。具体地、仔细地分析企业的技术力量和需求，做到技术落实。分析引进设备后对生产管理方面的影响，做到组织落实。制定与设备引进相关的人才培训计划，做到人员落实。（1）实施FMS的基本原则第五章

智能制造柔性系统（2）分析选择FMS的加工对象时应考虑如下因素：多品种、中小批量、形状类似的工件（降低成本）。总附加价值高的工件（提高质量、缩短交货期、有可观的利润）。被切削性好、切屑处理容易、加工任务稳定的工件（易于无人值守自动加工）。加工部位的形状和切削条件稳定的工件（易于数控加工）。加工工序可大幅度集约的工件（缩短产品开发、研制周期，适合数控加工）。第五章

智能制造柔性系统第五章

智能制造柔性系统（3）实施方法实施方法可采用外购、用户与制造厂家共同研制开发、用户自行开发三种方式。不管采用哪一种方式，应首先考虑用户现有设备、现有技术和特长的应用与发展。（4）设备投资费用的预算FMS投资费较高，在技术上选用适合于用户的最佳系统的同时，还须在经济上对系统设备投资进行核算，筛选出对企业经营最合适的系统。（5）系统的扩展性由于很多不可预测的因素，如生产计划的变动、加工对象种类的增加等，实施时应充分考虑系统的可扩展性。FMS的运行设备安装与系统调试的准备。工件毛坯的准备。工装夹具的准备。刀具的准备。数控加工程序的准备。系统操作实习。（l）准备阶段第五章

智能制造柔性系统FMS的运行严格把关，反复测试，确保系统及系统中所有设备的软、硬件性能均满足设计要求。在系统运行初期，应仔细观察、认真分析，找出系统的各种异常现象和原因，采取必要的改进措施，提高系统的稳定性。制定相应的管理制度和使用规程，以强化操作人员的责任心，方便管理，防止事故。总结经验，探求系统的最佳使用方法，提高系统应用水平。（2）系统调试与运行初期第五章

智能制造柔性系统智能制造计算机集成系统5第五节图片第五章

智能制造柔性系统

20世纪70年代以来，随着电子信息技术、自动化技术的发展以及各种先进制造技术的进步，制造系统中许多以自动化为特征的单元技术得以广泛应用。如CAD、CAPP、CAM、工业机器人、FMS等单元技术的应用，为企业带来显著效益。

然而，人们同时发现，如果局部发展这些自动化单元技术，会产生“自动化孤岛”现象。“自动化孤岛”具有较大封闭性，相互之间难以实现信息的传递与共享，从而降低系统运行的整体效率，甚至造成资源浪费。计算机集成制造系统的产生CIMS的产生

73第五章

智能制造柔性系统“自动化孤岛”74例：离散制造业CADCAPPCAMCAEROBOTFMSFAS自动化立体仓库MRPIIOAMISDSS销售系统DatabaseNetwork未经集成化处理的计算机应用,形成了多个“自动化孤岛”Internet75第五章

智能制造柔性系统

自动化单元如果能够实现信息集成，则各种生产要素之间的配置会得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥，各种资源浪费可以减少，从而获得更好的整体效益。这正是计算机集成制造系统的出发点。

将“自动化孤岛”集成在一起76

CIMS国外发展简况美国——不仅企业重视，国家也极为重视，认为CIM是夺回失去市场、取得竞争成功的关键技术，并将不可逆转地成为21世纪占主导地位的新的生产方式。20世纪80年代初，美国国家标准局（NBA）所属AMRF（自动化研究实验基地）建立了世界上第一个CIMS实验系统欧共体——1984年开始实施ESPRIT（欧洲信息技术研究战略计划），在130个合作项目中，关于CIM项目占28项日本——CNC、DNC、FMS已处于世界领先地位，1985年通产省主持开发“筑波综合实验工厂”，相当于CIMS实验基地。新加坡、以色列、韩国、巴西、南非等——也在积极跟踪和发展CIM技术CIMS国内外发展状况第五章

智能制造柔性系统CIMS国内发展简况863/CIMS主题确立：研究内容包括应用基础研究、关键技术攻关、目标产品开发、应用示范工程四个层次；

1994年清华大学CIMS工程中心获美国SME“大学领先奖”；

1995年北京第一机床厂CIMS工程获SME“工业领先奖”十五863/CIMS主题内涵更新（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem,CIMS）十五863/CIMS主题研究专题：行业/区域现代集成制造系统专题

数字化设计与制造专题；

过程自动化系统专题；

企业管理与电子商务系统专题；

现代集成制造系统平台专题。第五章

智能制造柔性系统概念计算机集成制造CIM美国Harrington博士关于CIM两个观点:

企业各个生产环节是一个不可分隔的整体(集成)；企业生产制造过程实质上是对信息的采集、传递和加工处理的过程（信息）。ISO关于CIM定义：是将企业所有的人员、功能、信息和组织等诸方面集成为一个整体的生产方式。CIM：是一种思想、模式、哲理，强调企业信息集成。第五章

智能制造柔性系统CIMS三要素关系：经营管理与技术:技术支持企业达到预期的经营目标；人与技术:技术支持各类人员互相配合、协调一致工作；人与经营管理:人员素质提高支持企业的经营管理；CIMS三要素集成

计算机集成制造系统CIMSCIMS:基于CIM哲理的一种工程集成系统。CIMS核心:是将企业内的人/组织、经营管理和技术三要素之间的集成，以保证企业内的工作流程、物质流和信息流畅通无阻。第五章

智能制造柔性系统计算机集成制造系统的组成四个功能分系统，两个支撑分系统组成

第五章

智能制造柔性系统1、经营管理信息分系统（MIS)

信息处理包括信息的收集、传输、加工和查询；事务管理包括计划管理、物料管理、生产管理、财务管理、人力资源管理等；辅助决策根据现有信息，利用数学分析手段预测未来，提供企业经营管理决策。核心工具：制造资源计划MRPII，将企业内各个管理环节进行集成，缩短生产周期、减少库存、降低成本、提高企业市场应变能力。第五章

智能制造柔性系统2、工程设计信息分系统(EDIS)（CAD/CAPP/CAM）

CAD计算机绘图、有限元分析、产品造型、图像分析处理、优化设计、动态分析与仿真、物料清单（BOM）生成等；

CAPP毛坯设计、工艺方法选择、工序设计、工艺路线制定、工时定额计算等；

CAM刀具路径确定、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、NC代码的生成等作业。

第五章

智能制造柔性系统3、制造自动化分系统(MAS)MAS地位:位于企业底层，是企业信息流和物料流的结合点，是最终产生效益聚集地。MAS组成:机械加工系统-CNC、MC、FMC、FMS加工设备；物流系统—对工件和工具存储、搬运、装卸等操作；控制系统-实现对加工设备和物流系统的控制；MAS目标:实现多品种、小批量生产柔性自动化；实现优质、低成本、短周期、高效率生产；创造舒适安全劳动环境。

第五章

智能制造柔性系统4、质量保证信息分系统（QIS)

质量计划--建立质量技术标准，制定检测计划、检测规程和规范；质量检测管理--包括进出厂材料检测、产品质量检测管理，设计质量指标管理，生产质量数据管理；质量分析评价--对各类质量问题进行分析，评价各种影响因素，查明主要原因。质量信息综合与控制--报表生成，质量综合查询，采取各种质量控制措施。第五章

智能制造柔性系统5、数据库管理分系统对各类数据进行存储和调用，满足各分系统信息的交换和共享。数据的分布：采用分布式异型数据库技术，通过互连网络体系，完成全局数据调用和分布式事务处理。数据库系统类型：工程数据库管理系统，实现对图形数据和非图形数据处理。

6、计算机网络分系统是CIMS信息集成工具，常用局域网，对地理范围大的企业，可通过远程网进行互连，使CIMS同时兼有局域网和广域网的特点。第五章

智能制造柔性系统第五章

智能制造柔性系统CIMS五层递阶控制结构

工厂层-最高决策层，制定长期生产计划、确定资源需求、产品开发、成本核算，规划周期几个月/几年时间。车间层-协调车间作业和资源配置，作用周期几周/几个月。单元层-完成本单元作业调度，包括作业顺序和指令发放、进行任务分配调度、协调物料运输，规划时间几小时/几周。工作站层-负责协调设备小组活动，规划时间几分钟/几小时。设备层