智能數(shù)控機(jī)床與編程 課件 第8章 柔性制造應(yīng)用

第8章柔性制造應(yīng)用

8.1柔性制造單元8.2柔性制造的物流系統(tǒng)8.3柔性制造的信息系統(tǒng)8.4柔性制造的網(wǎng)絡(luò)通信8.5柔性制造的監(jiān)控系統(tǒng)8.6柔性制造的機(jī)器人工作單元8.7柔性加工單元應(yīng)用實例8.8本章小結(jié)

思維導(dǎo)圖（1）掌握柔性制造單元概念；（2）熟悉柔性制造的物流系統(tǒng)組成及功能；（3）了解柔性制造的信息系統(tǒng)構(gòu)成及數(shù)據(jù)類型；（4）了解柔性制造的信息交互方式及監(jiān)控內(nèi)容。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

一、柔性制造單元

二、柔性制造單元

§8.1柔性制造單元

本節(jié)的重點(diǎn)：柔性制造單元。一、柔性制造單元柔性制造技術(shù)是建立在數(shù)控設(shè)備應(yīng)用基礎(chǔ)上的、主要用于多品種、中小批量或變批量生產(chǎn)的制造自動化技術(shù)，其根本特征即“柔性”，是指制造系統(tǒng)能夠適應(yīng)產(chǎn)品變化的能力。柔性制造系統(tǒng)（FMS）是柔性制造技術(shù)的主要應(yīng)用形式。柔性制造系統(tǒng)是以多臺（種）數(shù)控機(jī)床為核心，通過自動化物流系統(tǒng)將其連接，統(tǒng)一由主控計算機(jī)和相關(guān)軟件進(jìn)行控制和管理，組成多品種變批量和混流方式生產(chǎn)的自動化制造系統(tǒng)。一、柔性制造單元典型的FMS由數(shù)控加工設(shè)備、物料儲運(yùn)系統(tǒng)和信息控制系統(tǒng)組成。圖8-1所示為典型的FMS立體布置示意圖，顯示了FMS中生產(chǎn)原料及工具的傳遞、變換和加工的集成過程。圖8-1FMS立體布置示意圖一、柔性制造單元FMS按照規(guī)模大小分成四級：第一級：柔性制造模塊（FMM）由單臺數(shù)控機(jī)床配以工件自動裝卸裝置組成，不具備工件、刀具的供應(yīng)管理功能，沒有生產(chǎn)調(diào)度功能。第二級：柔性制造單元（FMC）通常包括FMM，它們之間由工件自動輸送設(shè)備進(jìn)行連接。FMC由計算機(jī)控制，可自動完成工件與刀具運(yùn)輸、測量、過程監(jiān)控等功能，能完成整套工藝操作，具有一定的生產(chǎn)調(diào)度能力。第三級：柔性生產(chǎn)線（FML）是處于單一或少品種大批量非柔性自動線與中小批量多品種FMS之間的生產(chǎn)線。第四級：柔性制造系統(tǒng)（FMS）將FMC進(jìn)行擴(kuò)展，增加必要的加工中心臺數(shù)，配備完善的物料和刀具運(yùn)送管理系統(tǒng)，通過一整套計算機(jī)控制系統(tǒng)管理全部生產(chǎn)計劃進(jìn)度，并對物料搬運(yùn)和機(jī)床群的加工過程實現(xiàn)綜合控制，具有良好的生產(chǎn)調(diào)度、實時控制能力。二、柔性制造單元FMC實質(zhì)是小型化與經(jīng)濟(jì)型的FMS，介于單機(jī)數(shù)控加工中心和FMS之間，既可作為FMS的組成模塊，亦可獨(dú)立使用。（1）FMC的功能通常FMC具有四種功能：①自動化加工功能，F(xiàn)MC中的加工中心由計算機(jī)進(jìn)行控制，可完成車削、鉆削、銑削、攻螺紋等多種加工；②物料傳輸、存儲功能，具有保障FMC運(yùn)行的在制件庫、物料傳輸裝備和工件裝卸裝置，是FMC與單機(jī)數(shù)控設(shè)備的顯著區(qū)別之一；完成自動加工與檢測的調(diào)度控制功能，可編程，具有柔性；自動檢驗、監(jiān)視等功能，可以完成刀具檢測、工件測量、刀具破損（折斷）或磨損檢測監(jiān)視、機(jī)床保護(hù)監(jiān)視等。二、柔性制造單元（1）FMC的構(gòu)成1）加工中心與APC組合式。這類FMC區(qū)別于單臺加工中心的特征是配置了托盤交換系統(tǒng)，如圖8-2（a）所示2）數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人組合式。這類FMC主要特征是用工業(yè)機(jī)器人作為工件裝卸系統(tǒng)，如圖8-2（b）所示。圖8-2FMC構(gòu)成示例

一、物流系統(tǒng)的組成與功能

二、物流系統(tǒng)的工件流

三、物流系統(tǒng)的刀具流

§8.2柔性制造的物流系統(tǒng)

本節(jié)的重點(diǎn)：物流系統(tǒng)的組成與功能。一、物流系統(tǒng)的組成與功能柔性制造的物流系統(tǒng)主要包括三個方面：原材料、半成品、成品所構(gòu)成的工件流；刀具、夾具所構(gòu)成的工具流；托盤、輔助材料、備件等所構(gòu)成的配套流。物流系統(tǒng)是柔性制造的重要分系統(tǒng)，承擔(dān)物料（毛坯、半成品、成品及工具等）的存儲、輸送和分配。柔性制造系統(tǒng)中，工件由毛坯到成品的生產(chǎn)過程中只有相當(dāng)一小部分的時間是在機(jī)床上進(jìn)行加工的，大部分時間則用于物料的傳遞過程，物料的傳輸時間占整個生產(chǎn)時間的80%左右。一、物流系統(tǒng)的組成與功能物流系統(tǒng)按其物料不同，可分為工件流支持系統(tǒng)和刀具流支持系統(tǒng)，如圖8-3所示。工件流支持系統(tǒng)主要完成工件、夾具、托盤、輔料及配件等在各個加工工位間及各個輔助工位間的輸送，完成工件向加工設(shè)備的輸送與位姿交換。刀具流支持系統(tǒng)完成適時地向加工單元提供所需刀具，取走報廢或耐用度耗盡的刀具。圖8-3物流系統(tǒng)的組成框圖一、物流系統(tǒng)的組成與功能在柔性制造中，物流系統(tǒng)主要完成兩種工作：一是零件毛坯、原材料、工具和配套件等由外界傳送進(jìn)系統(tǒng)，以及將加工好的成品及換下的工具從系統(tǒng)中移走；二是零件、工具和配套件等在系統(tǒng)內(nèi)部的搬運(yùn)和存儲。所以，物流系統(tǒng)主要完成物料的存儲、輸送、裝卸、管理等功能。物流系統(tǒng)中物流設(shè)備的布置方案有直線排列布局、環(huán)形布局、梯形布局、環(huán)形與梯形組合的開放式布局以及以機(jī)器人為中心的單元。機(jī)器人能夠模仿人體功能的某些特點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，具有視覺和觸覺能力，工作靈活性強(qiáng)，工作精度高，所以，以機(jī)器人為中心的布局近年來在物流系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。二、物流系統(tǒng)的工件流為了使柔性制造系統(tǒng)中的各臺加工設(shè)備都能不停地工作，工件流系統(tǒng)內(nèi)一般裝有較多工件并連續(xù)循環(huán)流動。當(dāng)某臺機(jī)床加工完畢后，工件（隨同托盤）自動送入輸送系統(tǒng)，在緩沖工位排隊等待加工的工件自動送入加工工位，加工完畢的成品進(jìn)入裝卸工位進(jìn)行換裝，送入自動倉庫存儲。半成品則繼續(xù)留在輸送系統(tǒng)內(nèi)，等待選擇機(jī)床進(jìn)行加工。為了不致阻塞工件向其他工位的輸送，輸送線路中可設(shè)置若干個側(cè)回路或多個交叉點(diǎn)的并行料庫以暫時存放故障工位上的工件。二、物流系統(tǒng)的工件流為了使柔性制造系統(tǒng)正常工作，工件流支持系統(tǒng)一般由自動化倉庫、裝卸工作站、工件輸送系統(tǒng)以及緩沖站四部分組成，如圖8-4所示。圖8-4典型的工件流支持系統(tǒng)控制框圖三、物流系統(tǒng)的刀具流刀具流主要負(fù)責(zé)刀具的運(yùn)輸、存儲和管理，適時向加工單元提供所需刀具，監(jiān)控管理刀具的使用，及時取走已報廢或耐用度已耗盡的刀具，在保證正常生產(chǎn)的同時，最大限度降低刀具成本。刀具流管理系統(tǒng)的功能和柔性程度直接影響FMS的柔性和生產(chǎn)效率。典型的FMS的刀具流管理系統(tǒng)通常由刀庫系統(tǒng)、刀具預(yù)調(diào)站、刀具裝卸站、刀具交換裝置及管理控制刀具流的計算機(jī)系統(tǒng)組成，如圖8-5所示。FMS的刀庫系統(tǒng)包括機(jī)床刀庫和中央刀庫兩部分。機(jī)床刀庫存放加工單元當(dāng)前所需要的刀具，容量有限，一般存放40～120把刀具，而中央刀庫的容量很大，有些FMS的中央刀庫可容納數(shù)千把刀具，供加工單元共享。三、物流系統(tǒng)的刀具流圖8-5

FMS刀具流管理系統(tǒng)三、物流系統(tǒng)的刀具流（1）刀具管理系統(tǒng)構(gòu)成一個典型的刀具管理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括三部分：刀具準(zhǔn)備車間（室）、刀具供給系統(tǒng)和刀具輸送系統(tǒng)。刀具管理系統(tǒng)軟件構(gòu)成如圖8-6

所示。圖8-6

刀具管理系統(tǒng)軟件構(gòu)成三、物流系統(tǒng)的刀具流（1）刀具管理系統(tǒng)構(gòu)成FMS中的刀具信息分為動態(tài)信息和靜態(tài)信息兩種。動態(tài)信息是指加工過程中不斷變化的一些刀具參數(shù)，如刀具壽命、刀具直徑、工作長度及參與加工的其他幾何參數(shù)，直接反映了刀具使用時間的長短、磨損量的大小，對工件加工精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。靜態(tài)信息是一些加工過程中固定不變的信息，如刀具的編碼、類型、屬性、幾何形狀及一些結(jié)構(gòu)參數(shù)等。三、物流系統(tǒng)的刀具流（2）刀具交換在FMS的刀具裝卸站、中央刀庫及各加工機(jī)床之間進(jìn)行的遠(yuǎn)距離的刀具交換，必須有刀具運(yùn)載工具的支持。刀具運(yùn)載工具常見的有換刀機(jī)器人（機(jī)械手）和刀具輸送小車。按運(yùn)行軌道的不同，刀具運(yùn)載工具可分為有軌和無軌兩種，實際應(yīng)用中多采用有軌刀具運(yùn)載工具。有軌運(yùn)載工具又分為地面軌道和高架軌道兩類，高架軌道的空間利用率高，結(jié)構(gòu)緊湊，一般采用雙列直線式導(dǎo)軌，平行于加工中心和中央刀庫布置，便于換刀機(jī)器人在加工中心和中央刀庫之間進(jìn)行移動。刀具裝卸站是一種專用的刀具排架，結(jié)構(gòu)多為框架式。三、物流系統(tǒng)的刀具流（2）刀具交換有些柔性制造系統(tǒng)是通過刀具運(yùn)輸小車將待交換的刀具輸送到各加工機(jī)床，在刀具運(yùn)輸小車上放置一個裝載刀架，該刀架可容納5～20把刀具，由刀具運(yùn)輸小車將這個裝載刀架運(yùn)送到機(jī)床旁邊，再將刀具從裝載刀架上自動裝入機(jī)床刀庫。圖8-7所示為AGV-ROBOT換刀方式。圖8-7AGV-ROBOT換刀方式§8.3柔性制造的信息系統(tǒng)

為了使柔性制造中的各種設(shè)備與物料系統(tǒng)自動協(xié)調(diào)地工作，并能迅速響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)、外部的變化，及時調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)鍵是要準(zhǔn)確規(guī)劃信息流，使各個子系統(tǒng)之間的信息有效、合理地流動。柔性制造的信息系統(tǒng)包括5個層級，如圖8-8所示。圖8-8柔性制造的信息系統(tǒng)模型圖中，計劃層屬于工廠級，包括產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)計劃和庫存管理等任務(wù)，完成任務(wù)的時間長度可從幾個月到幾年；管理層屬于車間或系統(tǒng)管理級，包括作業(yè)計劃、工具管理、在制品及毛坯管理和工藝系統(tǒng)分析等任務(wù)，完成任務(wù)時間從幾周到幾個月；單元層屬于柔性制造系統(tǒng)控制級，擔(dān)負(fù)分布式數(shù)控、輸送單元與加工單元的協(xié)調(diào)、工況和機(jī)床數(shù)據(jù)采集等任務(wù)，完成任務(wù)時間從幾小時到幾周；控制層屬于設(shè)備控制級，包括機(jī)床數(shù)控、機(jī)器人控制、運(yùn)輸和倉庫控制等任務(wù)，完成任務(wù)時間從幾分鐘到幾小時；執(zhí)行層也稱“設(shè)備級層”，通過伺服系統(tǒng)執(zhí)行控制指令，或通過傳感器采集數(shù)據(jù)和監(jiān)控工況等，完成任務(wù)時間從幾毫秒到幾分鐘。所以信息由多級計算機(jī)進(jìn)行處理和控制，比如管理層和單元層由高性能微機(jī)作為平臺，控制層大多由具有通信功能的可編程控制器組成。柔性制造系統(tǒng)中包含三種不同類型的數(shù)據(jù)：基本數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)?；緮?shù)據(jù)

在柔性制造系統(tǒng)開始運(yùn)行時建立，并在運(yùn)行中逐漸補(bǔ)充，包括系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)（機(jī)床編號、類型、存儲工位號和數(shù)量等）和物料基本數(shù)據(jù)（刀具幾何尺寸、類型、耐用度、托盤的基本規(guī)格、相匹配的夾具類型和尺寸等）。控制數(shù)據(jù)

有關(guān)加工工件的數(shù)據(jù)，包括工藝規(guī)程、數(shù)控程序、刀具清單和加工任務(wù)單（加工任務(wù)類型、批量及完成期限）等。狀態(tài)數(shù)據(jù)

描述資源利用情況，包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（加工中心、清洗機(jī)、測量機(jī)、裝卸系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)等裝置的運(yùn)行時間、停機(jī)時間及故障原因等），物料狀態(tài)數(shù)據(jù)（隨行夾具、刀具的壽命、破損、斷裂情況及地址識別等）和工件統(tǒng)計數(shù)據(jù)（工件實際加工進(jìn)度、實際加工工位、加工時間、存放時間、輸送時間及成品數(shù)和廢品率等）?！?.4柔性制造的網(wǎng)絡(luò)通信

柔性制造中各個組成部分的信息依靠計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互和集成。信息涉及車間層、現(xiàn)場層（或工作站層）和設(shè)備層，與工業(yè)環(huán)境下的分這種網(wǎng)絡(luò)具有一般局域網(wǎng)的共同特征，但又有特殊性，顯著的是在工業(yè)局域網(wǎng)中包含大量的智能化程度不一、來自不同廠商的設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)的開放性尤為重要。圖8-9所示為網(wǎng)絡(luò)的物理配置結(jié)構(gòu)。圖8-9網(wǎng)絡(luò)物理配置示意圖單元控制器與工作站控制器之間一般用LAN連接，選擇的LAN應(yīng)符合ISO/OSI參考模型，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選用MAP3.0，也可以選用TCP/IP與其他軟件相結(jié)合的方式，如Ethernet標(biāo)準(zhǔn)。工作站控制器與設(shè)備層之間的連接可采用幾種方式：①直接采用RS-232C或RS-422異步通信接口；②采用現(xiàn)場總線；③使用集中器將幾臺設(shè)備連接在一起，再連接到工作站控制器上。FMS網(wǎng)絡(luò)是支撐柔性制造功能目標(biāo)的專用工業(yè)計算機(jī)局域網(wǎng)系統(tǒng)，覆蓋了車間、單元、工作站和設(shè)備層，這些層次上信息的特征、交換形式和要求各不相同，選用的通信聯(lián)網(wǎng)形式和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也不相同?！?.5柔性制造的監(jiān)控系統(tǒng)

柔性制造過程的監(jiān)控內(nèi)容主要涉及：刀具磨損和破損的監(jiān)視；工件在機(jī)床工作空間的位置測量；工件質(zhì)量的控制；各組成部分功能檢驗及故障診斷。具體監(jiān)控功能如圖8-10所示。圖8-10柔性制造加工過程監(jiān)控功能集成刀具監(jiān)控。刀具監(jiān)控的目標(biāo)是在廢品可能產(chǎn)生前檢測出刀具的破損和有缺陷的刀具，以免造成機(jī)床、工件和夾具的損壞。為此刀具監(jiān)視系統(tǒng)必須考慮到柔性制造技術(shù)的特殊要求，即提供某些在功能上相互補(bǔ)充的監(jiān)視系統(tǒng)以滿足應(yīng)用需求。刀具狀態(tài)監(jiān)視方法分為直接和間接方法，目前采用的主要是間接方法，通過檢測切削力參數(shù)或由其導(dǎo)致的其他物理量（如扭矩、功率、電流等）來檢測刀具狀態(tài)。集成故障診斷。對加工中心功能和所有系統(tǒng)部件進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，在系統(tǒng)控制單元的過程控制級進(jìn)行。所有發(fā)生的故障均被記錄在一個診斷文件中，對其進(jìn)行評估后在控制面板上報警顯示。利用專家診斷系統(tǒng)對故障進(jìn)行模擬研究，實現(xiàn)快速故障診斷。集成工件監(jiān)控。工件監(jiān)控是指工件的識別、具有零偏置的工件位置確定、加工過程中工件質(zhì)量的檢查等。工件的監(jiān)視項目有：工序監(jiān)視（是否為所要求的加工）、工件監(jiān)視（是否是規(guī)定的加工件）、工件安裝位置監(jiān)視（是否位于正確安裝的位置）、尺寸與形狀誤差監(jiān)視、表面粗糙度監(jiān)視等。工序監(jiān)視、工件監(jiān)視和工件安裝位置監(jiān)視多采用機(jī)器視覺或光視方法。§8.6柔性制造的機(jī)器人工作單元

由開式運(yùn)動鏈機(jī)構(gòu)及并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成的機(jī)器人和機(jī)械手，可在任意位置、任意方向和任意環(huán)境下獨(dú)立地、協(xié)同地進(jìn)行工作。相較于人工，機(jī)器人具有快速精準(zhǔn)、自由靈活、工作空間需求低、工作范圍廣、成本低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，在柔性制造中起著不可替代的作用。實際應(yīng)用中，工業(yè)機(jī)器人還有一些配套的硬件，例如傳送機(jī)構(gòu)托盤、夾具、機(jī)床、工作站或裝配站、檢驗站（或三坐標(biāo)測量機(jī)）等，工業(yè)機(jī)器人常常與它們相互連接成工作單元。圖8-11所示為以機(jī)器人為中心的工作單元，其他設(shè)備或設(shè)施環(huán)繞布置。這種布置方案適用于一臺機(jī)器人為一兩臺數(shù)控機(jī)床或裝備服務(wù)，機(jī)器人主要用于完成工件的裝卸。圖8-11以機(jī)器人為中心的工作單元圖8-12所示為成行排列的機(jī)器人工作單元，機(jī)器人沿物料傳輸線排列，工件的傳輸由物料傳輸裝置完成，機(jī)器人在其位置上完成零件的裝配、處理或加工工作。這種單元的物料傳輸有不同類型，如連續(xù)傳輸、間歇傳輸或異步傳輸?shù)?。圖8-12成行排列的機(jī)器人工作單元圖8-13所示為移動機(jī)器人單元。單元中的機(jī)器人由軌道（落地式或架空式）傳送機(jī)構(gòu)提供運(yùn)動，完成在不同位置上的作業(yè)任務(wù)。這種布置的一個重要考慮是它比以機(jī)器人為中心的方案節(jié)省生產(chǎn)面積。圖8-13移動式機(jī)器人工作單元§8.7柔性加工單元應(yīng)用實例

北京精雕開發(fā)的JDFMS系列是以精雕高速加工中心為核心，將生產(chǎn)各環(huán)節(jié)納入自動化體系，深度整合自動供料模塊，適用于多品種、小批量產(chǎn)品加工的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)已形成JDFMS10、JDFMS30等6個型號產(chǎn)品，可適配多款機(jī)床構(gòu)成柔性制造單元。JDFMS包含四個子系統(tǒng)：加工系統(tǒng)，供料系統(tǒng)，裝夾系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。精雕在推廣柔性制造模式的過程中，提出四個基本要求：能加工的內(nèi)容多、現(xiàn)場人員能操作、物料循環(huán)運(yùn)行可靠、信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可控。為了滿足上述要求，精雕采取了一系列措施，為柔性制造模式的有效實施提供了全方面保障。加工系統(tǒng)：以精雕高速加工中心為主體，搭載刀具檢測系統(tǒng)、在機(jī)測量系統(tǒng)、關(guān)鍵附件等，并完成物料循環(huán)中的刀具循環(huán)、廢屑循環(huán)，為連續(xù)生產(chǎn)提供穩(wěn)定可靠的保障（圖8-14）。為了提高加工精度，穩(wěn)定生產(chǎn)品質(zhì)，利用在機(jī)測量和智能修正技術(shù)提高產(chǎn)品品