机电一体化教案与8

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1、第8章 自动化制造系统,8.1 概述 8.2 数控机床 8.3 工件储运设备 8.4 工业机器人 8.5 检测与监控系统 8.6 辅助设备 思考题,机械自动化的发展历史： （1）19世纪末期，机械化生产开始出现； （2）20世纪中叶，自动化车床开始出现； （3）1947年，第一个机械加工自动线在美国福特汽车公司投产； （4）20世纪50年代柔性自动化生产开始出现（以数控车床为代表） （5）20世纪70年代诞生了柔性制造系统； （6）20世纪80年代开始出现了计算机集成制造系统。,8.1 概述,8.1.1 刚性自动化生产 1.刚性半自动化单机 除上、下料外，机床可以自动完成单个工艺过程的加工循环

2、，这样的机床称为刚性半自动化机床。 2.刚性自动化单机 它是在刚性半自动化单机的基础上增加了自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。 ,3.刚性自动化生产线 刚性自动化生产线是多工位生产过程，用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。 曲拐加工自动线。,曲轴形状复杂，结构细长，多曲拐，刚性极差。技术要求高，加工难度比较大。 曲轴的加工难点在于加工“曲拐”，即连杆颈部分。 粗加工阶锻：加工定位基面粗、精车主轴颈； 半精加工阶锻：粗磨主轴颈车连杆轴颈加工定位销孔、油孔等次要表面； 精加工阶锻：精磨主轴颈，精磨连杆轴颈； 光整

3、加工：超精加工主轴颈及连杆轴颈。,图8-1曲拐加工自动线 (a)正视图；(b)俯视图,图示为刚性自动线总体布局图。毛坯是球墨铸铁件。工件形状不规则，没有合适的输送基面，采用了随行夹具安装定位，便于工件的输送。,柔性制造 柔性：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。 柔性制造强调的是制造过程的柔性和高效性，适用于多品种、中小批量的生产。 柔性制造包括：柔性制造单元、柔性制造系统、柔性加工线。,8.1.2 柔性制造单元(FMC) 柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）的组成： 单台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等

4、。 柔性制造单元可以看成是最小的FMS，是FMS廉价化小型化的一种产物。柔性制造单元适合多种零件的加工，品种一般为几十种，年产量从几千件到几万件。自动化程度略低于FMS，但投资少效益高。,1. FMC控制系统 FMC控制系统一般分为两级：单元控制级、设备控制级。 （1）设备控制级：针对各种设备，如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置等的单机控制。 1）这一级的控制系统向上与单元控制系统用接口连接，向下与设备连接。 2）功能：把工作站控制器命令转换成可操作、有次序简单任务，通过各种传感器监控这些任务的执行。 3）一般采用具有较强控制功能的微型计算机、总线控制机或可编程控制器等工控机。 （2）

5、单元控制级。,（2）单元控制级。 指挥和协调单元中各设备的活动，处理由物料贮运系统交来的零件托盘，并通过控制工件调整、零件夹紧、切削加工、切屑清除、加工过程中检验、卸下工件以及清洗工件等功能对设备级各子系统进行调度。 1）单元控制系统一般采用具有有限实时处理能力的微型计算机或工作站。 2）单元控制级通过RS232接口与设备控制级之间进行通讯，并可以通过该接口与其它系统组成FMS。,2. FMC的基本控制功能 FMC的基本控制功能包括： （1）单元中各加工设备的任务管理与调度：其中包括制定单元作业计划、计划的管理与调度、设备和单元运行状态的登录与上报。 （2）单元内物流设备的管理与调度：这些设备

6、包括传送带、有轨或无轨物料运输车、机器人、托盘系统、工件装卸站等。 （3）刀具系统的管理：包括向车间控制器和刀具预调仪提出刀具请求、将刀具分发至需要它的机床等。,图示是棱体零件加工柔性制造单元。一台卧式加工中心，刀库容量为70把，双机械手换刀，8工位自动交换托盘库。托盘库为环形转盘，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。,图8-3 带托盘库的柔性制造单元,8.1.3柔性制造系统(FMS),柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem）由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现了物料流和信息流的自动化。 基本组成部

7、分有： 自动化加工设备、工件储运系统、刀具储运系统和多层计算机控制系统等。,1、自动化加工系统 加工系统担任把原材料转化为最终产品的任务，是实际完成改变物性任务的执行系统. 自动化加工系统包括自动化加工设备，如数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元；还包括各种组成如测量机、清洗机、动平衡和各种特种加工设备。 （1）自动化加工设备 目前FMS上加工的零件有两大类：1）棱体类零件2）回转体零件。 加工零件的设备可以选择数控加工中心。数控加工机床是一种带有刀库和自动换刀装置的多工序数控机床，工件经一次加工后，可以自动完成铣、镗、钻、铰等多种工序的加工。 FMS对机床设备的要求： 1）工

8、序集中； 2）高柔性度和高效率 3）易控制性；4）具有通信接口,（2）机床夹具及自动上下料装置 1）机床夹具是直接用来夹持工件的机床辅具。 2）托盘是工件和夹具的承载体。 3）自动上下料装置时机床与托盘站之间工件/托盘的装卸装置，常见的这类装置有托盘交换器、工业机器人。,2.工件储运系统 FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库和托盘（工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等；工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。 3.刀具储运系统 刀具储运系统主要负责刀具的运输、存储和管理，适时地向加工单元提供所需的刀具，监

9、控管理刀具的使用，及时取走已报废或耐用度已耗尽的刀具，在保证正常生产的同时，最大程度地降低刀具的成本，刀具管理系统的功能和柔性程度直接影响到整个FMS的柔性和生产率。 FMS的刀具储运系统：刀具库、刀具输送装置和交换机构等。 ,4. 辅助设备 FMS可以根据生产需要配置辅助设备。辅助设备一般包括自动清洗工作站,自动去毛刺设备,自动测量设备,集中切屑运输系统和集中冷却润滑系统等。 5、多层计算机控制系统 控制系统的结构 ： 通常采用三层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

10、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。,每层的信息流都是双向流动的： （1）向下下达控制指令，分配控制任务，监控下层的作业过程； （2）向上可反馈控制状态，报告现场生产数据。,图8-5是一种较典型的FMS，四台加工中心直线布置，工件储运系统由托盘站2、托盘输送车4、工件装卸工位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组成。,柔性制造系统的主要特点有： （1）柔性高，适应多品种中、小批量生产； （2）系统内的机床工艺能力上是相互补充和相互替代的； （3）可混流加工不同的零件； （4）系统局部调整或维修不中

11、断整个系统的运作； （5）多层计算机控制，可以和上层计算机联网； （6）可进行三班无人干预生产。,图8-6 具有装配功能的柔性制造系统,8.1.4柔性制造线(FML) 柔性制造线(FML)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，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生产过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，迄今已进入实用化阶段。 柔性制造线（FlexibleManufacturingL

12、ine）组成： 自动化加工设备、工件输送系统、控制系统等。 ,柔性制造线的主要优点是： （1）当批量不很大时，生产成本比刚性自动线低得多； （2）当品种改变时，系统所需的调整时间又比刚性自动线少得多，但建立系统的总费用却比刚性自动线高得多。,图示为一加工箱体零件的柔性自动线示意图，它由两台对面布置的数控铣床，四台两两对面布置的转塔式换箱机床和一台循环式换箱机床组成。采用辊子传送带输送工件，具有一定的柔性。,8.1.5 柔性装配线(FAL) 柔性装配线（FlexibleAssemblyLine）通常由装配站、物料输送装置和控制系统等组成。 1.装配站 FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人,不

13、可编程的自动装配装置和人工装配工位。 2.物料输送装置 3.控制系统 FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要控制物料的流向和自动装配站、装配机器人。图8-8是FAL的示意图。,图8-8 柔性装配线示意图,8.1.6 计算机集成制造系统（CIMS） 概念：（Computer Intergrated Manufacturing System）是一种集市场分析、产品设计、加工制造、经营管理、售后服务与一体，借助于计算机的的控制与信息处理功能，使企业运作的信息流、物质流、价值流和人力资源有机融合，实现产品快速更新、生产率大幅提高、质量稳定、资金有效利用、损耗降低、人员合理配置、市场快速反馈和良好服

14、务的全新的企业生产模式。,计算机集成制造（CIM）概念包含两层含义： （1）企业的各种生产经营活动需要统一考虑； （2）整个生产制造过程实质上是信息采集、传递和加工处理的过程。 CIMS的主要特征或者说强调的是集成化和智能化： （1）集成化反映了自动化的广度，把系统空间扩展到市场、设计、加工、校验、销售及用户服务等全过程； （2）智能化则体现了自动化的深度，不仅涉及物质流控制的传统体力劳动自动化，还包括了信息流控制的脑力劳动自动化。,1.CIMS的功能构成 CIMS的功能构成包括下列内容： （1）管理功能。 （2）设计功能。 （3）制造功能。 （4）质量控制功能。 （5）集成控制与网络功能。

15、,图8-9 CIMS的组成,2. CIMS的关键技术 （1）信息集成 针对设计、管理和加工制造的不同单元，实现信息正确、高效的共享和交换。企业信息集成的基础是利用企业的系统模型来科学的分析和综合企业的各部分的功能关系、信息关系和动态关系，解决企业的物质流、信息流、价值流、决策流之间的关系。另外信息集成还要处理好信息间的接口问题。 （2）过程集成 企业还必须处理好过程间的优化与协调。过程集成要求将产品开发、工艺设计、生产制造、供应销售中的各串行过程尽量转变为并行过程。过程集成还包括快速反应和动态调整。 （3）企业集成 充分利用全球的物质资源、信息资源、技术资源、制造资源、人才资源和用户资源，满足

16、以人为核心的智能化和以用户为中心的产品柔性化是CIMS全球化目标。企业集成就是解决资源共享、资源优化、信息服务、虚拟制造、并行工程、网络平台等方面的关键技术。,8.3 工件储运设备,存储是指将工件毛坯、在制品或成品在仓库中暂时保存起来，以便根据需要取出，投入制造过程。 运输是指工件在制造过程中的流动，例如工件在仓库或托盘站与工作站之间的输送，以及在各工作站之间的输送等。 储运设备有立体仓库、传送带、运输小车等。,8.3.1 有轨小车（RGV） 有轨小车（RailGuideVehicle）是一种沿着铁轨行走的运输工具，有自驱和它驱两种驱动方式。 自驱动有轨小车：通过车上的小齿轮和安装在铁轨一侧的齿条啮合，利用交、直流伺服电动机驱动。 它驱式有轨小车：由外部链索牵引，在小车底盘的前、后各装一导向销，地面上修有一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟槽内，保证小车行进时沿着沟槽移动。 ,趋势：采用空架导轨和悬挂式机械手或机器人作为运输工具也是一种发展，其主要优点是充分利用空间，适合于运送中