先进制造模式

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1、第三章 先进制造模式 3-1 柔性制造系统 n柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）正是针对多品种、小批量生产的要求而产生并发展起来的制造系统nFMS标志着传统的机械制造行业进入了一个发展变革的新时代FMS产生的背景及其发展n柔性制造出现的基础是：计算机硬软件技术的空前成就，成组技术的应用，数控技术与系统的实用化，特别是计算机数字控制（CNC）机床的广泛应用，物料传输与装卸自动化技术的发展及它们的集成组合。 FMS产生的背景及其发展n1967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

2、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。 FMS产生的背景及其发展n1976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12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。 FMS产生的背景及其发展n70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

3、更庞大的系统投入使用。 n1982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。 FMS产生的背景及其发展n1991年全世界对FMS的投资达140亿美元，其 中欧洲占50%。已投入运行的FMS主要分布在 日本、美国、德国、俄罗斯、英国等工业发达 国家。 n我国第一套FMS系统是由北京机床研究所于 1985年10月开发完成的(JCS-FMS-1)，用于加 工数控机床直流伺服电机中的主轴、端盖、法 兰盘、壳体和刷架体等共20000件/年，它

4、由5 台国产加工中心、日本富士电机公司的AGV及 4台日本产的机器人组成，其控制系统由 FANUC提供 FMS产生的背景及其发展n对于大批量，少品种的情况，一般采用自动流水线，是 一种刚性自动线。n对于小批量、多品种的情况，一般可采用单台CNC机 床。可编程制造。nFMS可用于中、小批量的生产。FMS的适用范围 FMS的基本概念nFMS的定义柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）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，能够根 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。F

5、MS的基本概念n典型的柔性制造系统由数字控制加工设备、物料储运系 统和信息控制系统组成。n下图为一个典型的FMS平面布置示意图，加工设备主要 采用加工中心和数控车床，前者用于加工箱体类和板类 零件，后者则用于加工轴类和盘类零件。 FMS平面布置示意图 FMS的基本概念FMS立体布置示意图 nFMS的组成加工处理工作站物件（料）传输、装卸与存储系统计算机控制系统(运行控制,检测监控)FMS的组成FMS的组成加工系统物流系统信息系统以任意顺序自动加工各种工件并更换刀具输送：自动按节拍联接各加工装置传递物料存储：物品的保管和生产过程中的临时停放过程控制：加工系统与物流系统的自动控制柔 性 制 造 系

6、 统过程监视：实现在线数据的自动采集和处理nFMS的功能能自动控制和管理零件的加工过程通过软件系统变更，能制造出某一零件族中的任何零件自动控制和管理物料（包括工件与刀具）的运输和存储过程 具有优化的调度管理功能，无需过多的人工介入，能做到无人加工 FMS的功能FMS的柔性nFMS的柔性 柔性可以表述为两个方面。第一方面是系统 适应外部环境变化的能力，可用系统满足新 产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适 应内部变化的能力，可用在有干扰（如机器 出现故障）情况下，系统的生产率与无干扰 情况下的生产率期望值之比来衡量。 FMS的柔性 制造系统的柔性指标包括 设备柔性系统中的设备易于实现加工不同类型

7、零件所具备的转换能力。衡量的指标有: 更换磨损刀具的时间 为加工同一类而不同组的零件所需的换刀时间 组装新夹具所需的时间 机床实现加工不同类型零件所需的调整时间，包括 刀具准备时间、零件安装时间和拆卸时间以及更换 数控（NC）程序的时间FMS的柔性工艺柔性 系统能够以多种方法加工某一零件组的能力，又称加工柔性，即系统能加工的零件品种数。衡量指标:是系统不采用成批方式而能同时加工零件的品种 数.产品柔性系统能经济而迅速地转向生产新产品的能力，即转产能力，也称为反应柔性，表明为适应新环境而采取新 行动的能力 衡量指标:系统从生产一种零件转向生产另一种零件所需的时 间.FMS的柔性流程柔性系统处理其

8、故障并维持其生产持续进行的能力。 这能力包含 两个方面,一是零件能采用不同的工艺路线进行加工,二是能够 用来完成加工某工序的机床不只配备一台.衡量指标:FMS在发生故障时的生存能力,即生产率不致显著下降或零 件加工能继续进行.批量柔性系统在不同批量下运行都有经济效益的能力。衡量指标:保证系统运转有利可图的最小批量.该批量越小,系统的柔 性越高.柔性制造系统的柔性扩展柔性 系统能根据需要通过模块进行组建和扩展的 能力,衡量指标是系统能扩展的规模大小.工序柔性系统变换零件加工工序、顺序的能力 生产柔性系统能够生产各种零件的总和.衡量指标是现 有的技术能力.FMS的特点n保证系统具有一定柔性的同时，

9、还具有较高的设备 利用率 n减少设备投资n减少直接工时费用 n减少了工序中在制品量，缩短了生产准备时间n对加工对象具有快速应变能力n维持生产能力强 n产品质量高、稳定性好n运行的灵活性n产量的灵活性n便于实现工厂自动化n投资高、风险大，管理水平要求高nFMS的类型第一级柔性制造模块（FMM）单台CNC机床+工件自动装卸装置。第二级柔性制造单元（FMC）包括2-3个FMM，它们之间由工件自动输送设备进行连接。FMS的类型第三级柔性制造线(FML) 它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床；亦可采用专用机床或NC专用机床，

10、对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。FMS的类型第四级柔性制造系统（FMS）包括4台或更多的全自动CNC机床，备有自动搬运小车、自动输送物料和成套计算机控制系统。用以管理全部生产计划进度、物料搬运和对机床群加工过程实现综合控制。FMS的类型第五级柔性制造工厂（FMF，又称自动化工厂）由FMS扩大到全厂范围。它可达到在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，并由计算机系统进行有机的联系。FMS的类型二、FMS的加工系统 nFMS工作站n柔性制造单元 1、FMS工作站nFMS中所采用的加工机床类型如下：加工中心加工中心MC（Machining Center）是备

11、有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的数字控制机床。加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。 立式铣加工中心 VMC-1001、FMS工作站nFMS中所采用的加工机床类型如下：可换主轴箱机床分度主轴头机床组合铣组合车1、FMS工作站装配工作站检验站金属薄板加工机锻压工作站激光加工、处理工作站1、FMS工作站n所有进入FMS的工作站都有一个本质的特征：它们的硬软件与FMS兼容，并与FMS的主控系统组成统一的系统，保证FMS的柔性。2、柔性制造单元nFMC的构成加工中心与托盘交 换系统组合式数控机床与工业机 器人组合式FMC构成示例 2、柔性制造单元nFMC具有以下四种功能：有自动化

12、加工功能有物料传输、存储功能有完成自动加工与检测的控制功能有自动检验、监视等功能三、FMS的物流系统 nFMS物流系统的功能与组成nFMS物流设备的配置与布置nFMS中的物料传输设备nFMS中的物料存储设备1、FMS物流系统的功能与组成n物流系统主要完成两种不同的工作：零件毛坯、原材料、工具和配套件等由外界搬运进系统，以及将加工好的成品及换下的工具从系统中搬走；零件、工具和配套件等在系统内部的搬运和存储。 1、FMS物流系统的功能与组成nFMS物流系统主要完成以下功能：使工件在工作站间随机而独立地运动能装卸不同形状的工件暂存储功能便于工件装卸与计算机控制兼容1、FMS物流系统的功能与组成n物料

13、运输与存储系统包括：物料传输设备：传送带(Conveyors)、自动导向车 AGV(Automated Guided Vehicle)、运输小车（有 轨Rail-Guided Transfer Mechanisms和无轨）和搬运机器人；物料存储设备：自动化仓库（包括堆垛机）、托盘 站和刀具库等；物流系统的控制：自动化仓库控制系统、物料识别 控制系统、自动物料运输设备控制系统、上下料站 控制系统等。2、FMS物流设备的配置与布置 n（按）行排列n环形布置 按行排列的FMS布局 环形FMS的布局 2、FMS物流设备的配置与布置 n梯形布置 n开放式布置 梯形布置的FMS 开放式布置的FMS 2、F

14、MS物流设备的配置与布置 n以机器人为中心的单元 以机器人为中心的单元布置 3、FMS中的物料传输设备n输送线。输送线系统主要用传送带、链等形式运输，是从机械自动线发展而来的。在FMS环境下输送线上设有多个全自动工位，采用传感器等控制装置对物料或托盘进行精确到位传送。n适用于装配及大批量零件生产，例如发动机箱体加工及整机装配。 3、FMS中的物料传输设备n传送带。传送带主要是从传统的机械式自动线发展而来的。现在应用仍较普遍，可靠性高、制造成本低是其主要优点。缺点是缺少对工件的定位机构，所以使用中运行速度不能太高。 3、FMS中的物料传输设备n有轨小车。有轨小车RGV（Rail Guided V

15、ehicle）是指小车在轨道上行走，由车辆上的马达牵引。小车行驶时，安装于轨道上的传感器将来自物流控制系统的控制信号输入到小车的控制装置，再由控制装置伺服驱动小车，实现小车行驶的控制。 3、FMS中的物料传输设备n自动导向车AGV （Automatic Guided Vehicle） 。AGV是指装备有电磁式或光学式自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，并具有小车编程与停车选择装置，完全保护以及移载功能的运输小车。 3、FMS中的物料传输设备n机器人。搬运机器人是一种具有特定功能，能够模仿人体功能的某些特点去进行作业的自动化机器人。 4、FMS中的物料存储设备 n自动化仓库，也称为立体仓库。

16、以它为中心组成一个毛坯、半成品、配套件或成品的自动存贮及检索系统，在管理信息系统的支持下，与加工搬运设备一起成为FMS的重要支柱。 库房 托盘 堆垛机自动化仓库管理系统四、FMS的控制系统 nFMS控制系统的功能nFMS控制结构nFMS控制系统组成及其工作原理1、FMS控制系统的功能n在FMS中，控制系统的功能主要有：传送数据协调FMS中各设备的活动生产控制刀具系统控制FMS系统性能的监视控制及报告2、 FMS控制结构FMS四级递阶控制结构 2、 FMS控制结构nFMS四级递阶控制结构中，各控制器的功能如下 ：车间控制器（管理级）的功能车间控制器通过计算机网络与分布式数据库 系统，依据厂级控制系统传达的月生产计划 和物料资源计划，完成车间生产计划的制定 与协调、资源分配、生产计划执行情况的跟 踪与反馈，并对刀具管理站进行计划、管理 和控制 2、 FMS控制结构单元控制器（系统控制级）的功能 单元控