第8章-机械加工生产线总体设计分析课件

机械制造装备设计机械制造装备设计全国本科院校机械全国本科院校机械类创类创新型新型应应用人才培养用人才培养规规划教材划教材第第8 8章章 机械加工生产线总体设计机械加工生产线总体设计机械制造装备设计全国本科院校机械类创新型应用人才培养规划教材28.18.28.38.4 机械加工生产线概述机械加工生产线概述生产线设备布局设计生产线设备布局设计 柔性加工生产线设计柔性加工生产线设计 柔性制造系统柔性制造系统 本章分五个小节：本章分五个小节：8.5先进制造模式先进制造模式8.18.28.38.4 机械加工生产线概述生产线设备布局3 8.1 机械加工生产线概述机械加工生产线概述 机械加工生产线及其基本组成机械加工生产线及其基本组成 在机械产品生产过程中，对于一些加工工序较多的工件，为保证加工质量、提高生产率和降低成本，往往把加工装备按照一定的顺序依次排列，并用一些输送装置与辅助装置将它们连接成一个整体，使之能够完成工件的指定加工过程。这类生产作业线称为机械加工生产线。机械加工生产线由加工装置、工艺装置、输送装置、辅助装置和控制系统组成。数据管理 8.1 机械加工生产线概述 机械加工生产线及其基本组成4 8.1 机械加工生产线概述机械加工生产线概述 由于不同工件的加工工艺复杂程序不同，机械加工生产线的结构及复杂程度也常常有很大差别。1、2、3-组合机床组合机床;4-工件输送带工件输送带;5-传动装置传动装置;6-转位台转位台;7-转位鼓轮转位鼓轮;8-夹具夹具;9-切屑运输装置切屑运输装置;10-液压站液压站;11-操纵台操纵台;8.1 机械加工生产线概述 由于不同工件的加工工艺复杂5 8.1 机械加工生产线概述机械加工生产线概述 机械加工生产线的类型机械加工生产线的类型v 按所用加工装置分类 （1）通用机床生产线 这类生产线建线周期短、成本低，多用于加工盘类、轴、套、齿轮等中小旋转体工件。（2）组合机床生产线 这类生产线由组合机床联机构成，主要适用于加工箱体及杂类工件的大批量生产。（3）专用机床生产线 主要由专用机床构成，设计制造周期长、投资周期长、投资较大、适用于加工结构特殊、复杂的工件或产品结构稳定的大量生产类型。数据管理 8.1 机械加工生产线概述 机械加工生产线的类型数据管6v按生产线工件节拍特性分类 （1）固定节拍生产线 固定节拍是指生产线中所有设备的工件节拍等于或成倍于生产线的生产节拍。工件节拍成倍于生产线生产节拍的设备需配置多台并行工作，以满足每个生产节拍完成一个工件的生产任务。（2）非固定节拍生产线 非固定节拍生产线是指生产线中各设备的工作节拍不同，各设备的工作周期是其完成各自工序需要的实际时间。由于各设备的工作节拍不一样在相邻设备之间或在相隔若干台设备之间需设置储料装置数据管理 8.1 机械加工生产线概述机械加工生产线概述按生产线工件节拍特性分类数据管理 8.1 机械加工生产线7v 按生产目的和生产方式分类 （1）单件、小批生产线 单件、小批生产线的主要特征是其生产的产品为多品种、小批量。8.1 机械加工生产线概述机械加工生产线概述 按生产目的和生产方式分类 8.1 机械加工生产线概8 （2）中批量生产线 中批量生产线主要是为产品品种变化多，且每种产品都有一定的批量的状况而设计的。中批量生产线实际上是为了兼顾柔性与成本的折衷方案，它适于对工艺成熟的产品进行批量生产，其缺点是在生产过程中产品批量一旦确定就不易改变。（3）大批量生产线 大批量生产线是通过单一产品的大批量生产来最大限度地降低产品成本。为了减少加工准备时间和工件的等待时间，该类型生产线多采用专用机床并串联成流水线的形式。8.1 机械加工生产线概述机械加工生产线概述 （2）中批量生产线 8.1 机械加工生产线概述9 （4）单元生产线 单元生产线是在成组技术的基础上发展起来的，其基本思想是依据工件工艺的相似性对产品分族并将可加工同族产品的设备布置在一起，成为一个加工单元，对于简单的工件可在一个单元内完成加工，而复杂的工件则需几个单元组合完成加工。8.1 机械加工生产线概述机械加工生产线概述 （4）单元生产线 8.1 机械加工生产线概述10 8.1 机械加工生产线概述机械加工生产线概述 机械加工生产线设计原则机械加工生产线设计原则 1）保证在生产线设计寿命内稳定地满足工件的加工精度和表面质量要求 2）满足生产纲领的要求，并留有一定的生产潜力 3）保证足够高的可靠性 4）根据产品的批量和可持续生产的时间，应考虑生产线具有一定的可调整性 5）生产线布局应减小占地面积，还要便于操作者的操作、观察和维修，提供安全宜人的工作环境 6）降低生产线的投资费用 7）有利于资源和环境保护，实现洁净化生产数据管理 8.1 机械加工生产线概述 机械加工生产线设计原则数据11 8.1 机械加工生产线概述机械加工生产线概述 机械加工生产线设计的内容及步骤机械加工生产线设计的内容及步骤 1）制订生产线工艺方案，绘制工序图和加工示意图 2）拟定全线的自动化控制方案 3）确定生产线的总体布局，绘制生产线的总联系尺寸图 4）绘制生产线的工作循环周期表 5）生产线通用加工装备的选型和专用机床、组合机床的设计 6）生产线输送装置、辅助装置的选型及设计 7）液压、电气等控制系统的设计 8）编制生产线的使用说明书及维修注意事项等数据管理 8.1 机械加工生产线概述 机械加工生产线设计的内容及步12 8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 设备布局的任务设备布局的任务 设备布局的主要任务就是根据产品和生产纲领要求，在指定的车间有效空间内，将设备及生产相关的设施进行合理的布置、优化、仿真，以满足生产出合格产品的车间布局结构。（1）分析产品工艺 （2）确定车间生产模式 （3）进行方案设计 （4）方案的筛选 （5）方案的优化 （6）布局方案的实施数据管理 8.2 生产线设备布局设计 设备布局的任务数据管理13 8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 设备布局的影响因素设备布局的影响因素 当车间的产品设计、工艺流程设计、生产组织和物料搬运等条件的变化，都会影响车间设备布局结果的影响。（1）产品因素）产品因素 （2）设备因素）设备因素 （3）车间物流因素）车间物流因素 （4）物料存储因素）物料存储因素 （5）厂房结构因素）厂房结构因素 （6）人的因素）人的因素 （7）与布局调整有关的因素）与布局调整有关的因素 （8）其它因素）其它因素数据管理 8.2 生产线设备布局设计 设备布局的影响因素数据管14 8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 设备布局的设计原则设备布局的设计原则 车间布局设计中常用的主要原则：（1）工艺性原则 工艺的合理不仅可以减少生产过程中的中断、等待和停顿，还可以避免系统配置的不平衡，减少生产能力的冗余，保证零件的加工要求。（2）物流简化原则 在物料搬运过程中应该尽量保证物料移动距离最短、搬运环节最少以及搬运作业最简。8.2 生产线设备布局设计 设备布局的设计原则15 8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 设备布局的设计原则设备布局的设计原则 （3）可持续性原则 一方面通过重组或变更串接的设备，就能方便地组成适应形状和工艺变动较大的零件加工的新设备布局；另一方面通过扩展或减少并联的设备，就可在不影响己有设备运行的前提下，根据市场的动向迅速无缝地调整产品的产量。（4）经济性原则 经济性是车间布局时应该考虑的一个重要原则，要用尽可能少的资金，到达满意的车间布局，提高企业的经济效益。8.2 生产线设备布局设计 设备布局的设计原则16 8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 设备布局的设计原则设备布局的设计原则 （5）柔性化可重构原则 在车间布局设计时应该尽可能根据企业的战略，将产品未来的变化考虑进来，采用柔性生产线以及可重构的车间布局形式，便于将来产品的变更。（6）充分利用空间和场地原则 根据产品的生产工艺，合理安排机器、物料的摆放位置以及人员的工位，在保证加工任务顺利完成的同时节约场地。（7）生产均衡原则 （8）安全性原则 8.2 生产线设备布局设计 设备布局的设计原则17 设备布局的设计方法设备布局的设计方法目前车间布局的方法主要有系统布置设计方法、布局集成设计方法以及计算机辅助设施布置设计方法 v 系统布置设计方法 系统布置设计方法是一种条理性很强、物流分析与作业单位关系密切程度分析相结合的，以求得合理布置的技术。设施系统布置首先是调查研究、收集资料，其次是分析有关资料的相互关系，在综合调研的基础上设计方案，最后对若干方案进行选择并组织实施。8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 设备布局的设计方法 8.2 生产线设备布局设计18 （1）原始数据准备 P、Q、R、S、T是布局设计中大多数计算的基础是解决布置问题的基本要素。（2）物流分析 物流分析包括确定物流在生产过程中每个必要的工序间移动的最有效的顺序，以及这些移动的强度或数量值。8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 （1）原始数据准备 8.2 生产线设备布局设计19 （3）作业单位相互关系分析 所谓作业单位，对于一个生产车间来说，可以是一台机床、一个装配台、一个检查设施等。作业单位相互关系的分析是对各单位或作业活动之间关系的密切程度进行评价。8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计符号符号含义含义比例（比例（%）符号符号含义含义比例（比例（%）A绝对重要绝对重要13O一般一般515E特别重要特别重要25U不重要不重要2085I重要重要38X不希望靠近不希望靠近010 （3）作业单位相互关系分析 8.2 生产线设备布局设20 （4）物流与作业单位相互关系的分析 在作业单位相互关系图完成以后，根据物流分析的结果，同时考虑到非物流相互关系就可以绘制表明各作业关系的“物流与作业单位相互关系图”。在绘制时可以考虑或不考虑作业单位的实际位置，也可以不考虑作业单位所需的面积。（5）面积设定 在实际的实施布置设计过程中，常受到现有厂房或可利用土地面积与形状等的限制，而不得不把需要的面积与可利用的面积结合起来权衡考虑。面积设定的方法如下表所示。8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 （4）物流与作业单位相互关系的分析 8.2 生产线设21 （6）面积相关图解 根据己经确定的物流及作业单位相互关系，以及确定的面积，就可以利用面积相关图进行图解，即把每个作业单位按面积用适当的形状和比例在图上进行配置。8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计方法方法特特 点点计算法计算法按照设备和作业空间要求计算所需面积，主要用于详细设计中确定按照设备和作业空间要求计算所需面积，主要用于详细设计中确定制造区域的面积制造区域的面积转化法转化法把现在需要的面积转化为将来布置方案中提出的必要面积，一般用把现在需要的面积转化为将来布置方案中提出的必要面积，一般用来确定辅助区和存储区的面积来确定辅助区和存储区的面积概率布置法概率布置法应用模拟或设备模型进行布置并确定面积，主要用于总体布置应用模拟或设备模型进行布置并确定面积，主要用于总体布置标准面积法标准面积法采用某种工业标准来确定面积采用某种工业标准来确定面积比例趋向预测法比例趋向预测法以单位人员和产品为基础来预测、复核设施总面积，主要用于设施以单位人员和产品为基础来预测、复核设施总面积，主要用于设施规划规划 （6）面积相关图解 8.2 生产线设备布局设计方法特22 （7）布置设计的寻优 根据现有设施空间的实际制约和各种修正条件，对各部门的位置、形状进行调整，最终形成几个可行和初步优化的布置方案。（8）布置的评价 对以上阶段初步筛选的各备选方案进行技术经济分析和综合评价，从定性和定量的结合，综合主观和客观两个方面，确定每个方案的“价值”，进行设施布置的评价和选择。（9）详细布置 对选中方案在其空间相互布置图的基础上予以改进，得到具体有可操作性的详细布置。8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 （7）布置设计的寻优 8.2 生产线设备布局设计23v 布局集成设计方法 随着计算机虚拟技术不断的发展，将计算机虚拟技术与数学模型相结合用来求解车间实体布局的方法，在当前有了较好的应用，这种方法叫布局集成设计方法。这种方法的具体做法是从设备实体布局中找出实体布局的特点，抽象出并且建立一个适合车间生产过程的统一的优化布局数学模型并要找到一个有效的求解算法对其进行求解计算，运用计算结果指导并完成设备实体的优化布局。8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 布局集成设计方法 8.2 生产线设备布局设计24v 布局集成设计方法 虚拟现实设计系统包含操作者、机器及人机接口三个基本要素。基于虚拟现实技术的人工交互布局是对纯计算数学模型布局不足的弥补，可以充分利用布局专家的人工经验，在计算机上模拟布局装配过程和调整过程。8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 布局集成设计方法 8.2 生产线设备布局设计25v 计算机辅助设施布置设计方法 计算机辅助设施布置程序为以下两种：（1）向新建型系统布置程序 主要有CORELAP（计算机辅助相关布置规划）和ALDEP（自动化布置设计）程序。（2）面向改进型的系统布置程序 主要有CRAFT（计算机辅助确定设施布置相对位置技术）和COFAD（计算机辅助设施设计）程序。近年来，伴随着生产系统的发展，设施规划较多的采用仿真技术来模拟物流运行的动态过程，从而求得最佳设计。8.2 生产线设备布局设计生产线设备布局设计 计算机辅助设施布置设计方法 8.2 生产线设备布26 柔性生产线的初步设计柔性生产线的初步设计 从分析市场生产状态出发，认定采用柔性生产线要达到什么目标；进而，从工厂的产品中筛选出适合采用柔性生产线的零件对这些零件作工艺分析，并以此为依据，来设定生产线的基本设备、工夹具、物流方式、系统管理和控制方案；最后按照厂房的状况，设计出生产线的结构图，编写出相应的文档 v 分析工厂生产状态、确定零件谱 分析生产状态、制订生产线的零件谱，应注意：（1）系列产品 （2）制造方法类似的零件 （3）零件的批量和生产节拍 8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 柔性生产线的初步设计 8.3 柔性加工生产线的设计27v 零件谱工艺分析 零件谱基本确定后，应该对谱中每个零件进行详细的工艺分析。分析时，要以正在设计的柔性生产线作为前提，确定零件的加工流程、切削用量、制造节拍、设备的型号规格、刀具的种类、夹具的结构。v 初步规划系统结构 初步设计完成时，应绘制出系统平面布局图，撰写出有关专题报告等。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 零件谱工艺分析 8.3 柔性加工生产线的设计28 柔性生产线的详细设计柔性生产线的详细设计 v 零件谱及其制造工艺的再分析 零件种类增加对生产线的设计工作带来以下影响：（1）如果不限定零件的种类，就不能确定生产线制造设备的种类、规格、自动化水平和规模；（2）零件种类增加导致制造刀具的增加，只有限定了零件的种类，才能有效地防止零件种类和刀具数量不匹配的现象出现；（3）零件种类还直接影响由工件装卸、输送、保管等设备组成的物流系统的设计；（4）零件种类被限定后，才能制定出负荷均衡的作业计划。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 柔性生产线的详细设计 8.3 柔性加工生产线的设计29v 选定制造设备和工具 选定设备，就是调查已有或将要添置的设备具有怎样的制造能力，并从中选出型号、规格、售价合适的设备。选定制造设备和刀具应与工序切换这个问题同步考虑，为此必须研究如下问题：（1）柔性生产线的运行效率 提高生产线的运行效率，首先是提高每台制造设备的运行效率。设r为制造设备运行时间、t为工序切换时间、w为等待时间、s为故障停机时间，则 8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 选定制造设备和工具 8.3 柔性加工生产线的设计30 （1）柔性生产线的运行效率 对工序分散、每道工序只需较短加工时间的零件来说，缩短工序切换时间和工序等待时间具有重要意义。反之，如果零件送到机床上要连续加工很长时间（如8小时），那么工序切换和工序等待时间对生产线的运行效率的影响就不很显著。某道工序完成后，工件应从占用的设备中退出来然后再送一个工件进设备，如果工件种类不同，切换工序要完成以下作业：1）判别工件、交换工件；2）变更制造设备的数控程序；3）更换模具、夹具、刀具；4）更换工业机器人的手爪及作业工具。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 （1）柔性生产线的运行效率 8.3 柔性加工生31 （2）工件自动交换 为了缩短工序切换时间，常常用工业机器人来交换工件，用于交换工件的机器人可以是制造设备的一个部件，也可以是一台独立的设备。如果生产线的制造设备主要是加工中心，那么就应该用托盘交换器来交换工件。工件交换包括调度、识别、领取、输送、交换等作业，这些作业不需要加工中心承担，因此可以与零件加工同步进行，所以装备托盘交换器可以极大地缩短工件交换时间，从而极大地提高生产线的运行效率。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 （2）工件自动交换 8.3 柔性加工生产线的设32 （3）刀具自动交换 为了缩短工序切换时间，柔性生产线的刀具自动交换常常采用下述方式：1）刀具自动交换器 2）交换刀库 3）交换带有若干刀 具的多轴头 4）移动式刀库与机械 手组成的刀具交换 装置 5）模具自动交换装置 8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 （3）刀具自动交换 8.3 柔性加工生产线的设33 （4）夹具 合理使用夹具，是提高生产线的运行效率的有效手段之一。设计夹具时，除了注意与刀具的碰撞、便于工件装卸外，还要使工序尽可能集中，以减少工序和工序切换次数。另个，夹具应有一定通用性一个夹具能用于若干不同的零件；为了缩短工序切换时间，还应采用液压、气动这类高效夹紧装置。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 （4）夹具 8.3 柔性加工生产线的设计34v 选定物流系统 选定物流系统涉及到物料的搬运设备、存取方式和存储设备等问题。（1）搬运设备 常用于柔性生产线的搬运设备有三类：1）输送带：也称为传送带，包括滚子驱动式输送带、链式输送带，托盘链也可以归纳到输送带的范围。2）小车：包括有轨自动小车(RGV)、自动导向小车(AGV)、牵引车、链式驱动车，堆垛机也可以归纳到小车的范畴。3）机器人：包括固定式机器人和移动式机器人。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 选定物流系统 8.3 柔性加工生产线的设计35 （1）搬运设备 选定搬运设备应着重考虑如下问题：a）物流通畅。）物流通畅。选定搬运设备，既要考虑它给每台设备输送物料的可能性和完成该任务需要的时间，还要综合考虑物流系统的其他环节，使各台设备都连续运行，使物料流通畅无阻。b）性能。）性能。为了使物流通畅，应正确设定搬运设备的数量和搬运速度。c）界面。）界面。选定搬运设备，还应考虑该设备与其他设备的关系。d）访问方式。）访问方式。搬运设备访问生产线的其他设备有两种方式：顺序访问和随机访问。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 （1）搬运设备 8.3 柔性加工生产线的设计36 （2）搬运设备的选定 几种搬运设备的应用范围及优缺点如下：1）有轨自动小车(RGV)。大小工件均可采用RGV运送，其定位精度高，有较好的性能价格比。2）自动导向小车(AGV)。大小工件均可采用AGV运送。由于小车行走不需要固定的铁轨，其路径容易变更，因而具有很高“柔性”。3）输送带。大小工件均可采用输送带，可以对大工件实施连续输送，价格便宜。4）机器人。其优点是能实现搬运和安装作业一体化。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 （2）搬运设备的选定 8.3 柔性加工生产线的37 （2）搬运设备的选定 设计柔性生产线时，人们选定搬运设备常常参照下述惯例：a）棱体类零件，多装夹在托盘上用小车来搬运；b）回转体零件，常用机器人；c）无人小车是柔性生产线中实现随机访问的必备设备；d）工夹具的搬运采用输送带不失为一种好方法；e）有轨自动小车是大型工件及其托盘系统搬运的首选设备。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 （2）搬运设备的选定 8.3 柔性加工生产线的38v 柔性生产线的方案设计 （1）设计准则 设计制造柔性生产线可以用工厂的已有设备。以老设备为基础设计柔性生产线应注意：1）保证新增的物流系统通畅。这不仅涉及到搬运设备的选择和输送线的布局，还涉及到工件交换和刀具交换的方式、结构尺寸、制造精度；2）保证新构造的信息流通畅。这决定于生产线中若干规格、型号、功用不同的计算机系统之间的有效集成，从而实现对机械设备的统一管理和控制 8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 柔性生产线的方案设计 8.3 柔性加工生产线的设计39 （2）绘制平面布局图 绘制生产线平面布局图是方案设计的一项基本工作，其步骤是：1）布局制造设备。设备布局应适合整个零件谱，应按照其工艺流程来排列。2）设计人行通道和物料输送通路。3）选定搬运设备。选定好了搬运设备，就可以在生产线布局图上画出物流入口、出口，以及工序之间物料交换装置。4）确定辅助工作区。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 8.3 柔性加工生产线的设计40 （3）方案确定 判别一个方案是否可取，可以参照以下条件：1）物流是否简单；2）是否便于操作人员工作；3）系统是否易于操作和维护；4）车间各作业点是否易于相互观察；5）环境是否宜人；6）各机器设备的工作负荷是否平衡；7）系统是否便于扩充和改造；8）是否符合预定目标；9）运行费和维护费；10）投资回收率。8.3 柔性加工生产线的设计柔性加工生产线的设计 （3）方案确定 8.3 柔性加工生产线的设计41 柔性制造系统的定义及分类柔性制造系统的定义及分类 v 柔性制造系统的定义 柔性制造系统（FMS）是由若干台数控加工设备自动化物料储运系统和计算机控制系统组成的具有很大柔性的自动化制造系统，能根据制造任务或生产的变化快速进行调整适用于多品种以及中小批量生产。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统的定义及分类 8.4 柔性制造系统42v 柔性制造系统的分类 （1）柔性制造单元 柔性制造单元(FMC)一般是由12台数控机床、加工中心、工业机器人及物料运输存贮设备等组成。（2）柔性制造系统 FMS通常由4台或更多的数控加工设备（或FMC）有机组合起来，使其成为独立的制造系统，并用计算机来控制整个系统的运行 （3）柔性制造生产线 柔性制造生产线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。（4）柔性制造工厂 柔性制造工厂是以FMS为子系统构成，柔性制造由FMS扩大到全厂范围。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统的分类 8.4 柔性制造系统43 柔性制造系统的功能及特点柔性制造系统的功能及特点 v 柔性制造系统的功能（1）能自动控制和管理零件的加工过程，包括制造质量的自动控制、故障的自动诊断和处理、制造信息的自动采集和处理；（2）通过简单的软件系统变更，便能制造出某一零件族的多种零件；（3）自动控制和管理物料的运输和存储过程；（4）能解决多机床下零件的混流加工，且无需增加额外费用；（5）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。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统的功能及特点 8.4 柔性制造系统44v 柔性制造系统的特点 采用柔性制造系统主要有以下几个方面：（1）设备利用率高（2）减少设备投资（3）减少直接工时费用（4）减少了工序中在制品量，缩短了生产准备时间（5）改进生产要求有快速应变能力（6）维持生产的能力（7）产品质量高（8）运行的灵活性（9）产量的灵活性 8.4 柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统的特点 8.4 柔性制造系统45 柔性制造系统的加工系统柔性制造系统的加工系统 典型的FMS一般由3个子系统组成。它们是加工系统、物流系统和控制与管理系统，各子系统的构成框图及功能特征如下图所示。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统的加工系统 8.4 柔性制造系统46 加工系统由数控机床和加工中心等加工设备构成系统中的加工设备在工件、刀具和控制3个方面都具有可与其他子系统相连接的标准接口。目前金属切削FMS的加工对象主要有两类工件：棱柱体类（包括箱体形、平板形）和回转体类（长轴形、盘套形）。对加工系统而言，通常用于加工棱柱体类工件的FMS由立、卧式加工中心，数控组合机床（数控专用机床、可换主轴箱机床、模块化多动力头数控机床等）和托盘交换器等构成；用于加工回转体类工件的FMS由数控车床、车削中心、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构成。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 加工系统由数控机床和加工中心等加工设备构成系统中47 机床的配置有互替形式、互补形式和混合形式 8.4 柔性制造系统柔性制造系统 机床的配置有互替形式、互补形式和混合形式 8.48柔性制造系统的加工系统在选用时应考虑以下几点 8.4 柔性制造系统柔性制造系统操作性、可靠性、维修性好操作性、可靠性、维修性好 工序集中工序集中 自保护性、自维护性好自保护性、自维护性好 对环境的适应性与保护性好对环境的适应性与保护性好 其他其他 控制功能强、扩展性好控制功能强、扩展性好高刚度、高精度、高速度高刚度、高精度、高速度使用经济性好使用经济性好 柔性制造系统的加工系统在选用时应考虑以下几点 8.4 49 柔性制造系统的物流系统柔性制造系统的物流系统 物流是FMS中物料流动的总称。在FMS中流动的物料主要有工件、刀具、夹具、切屑及切削液。物流系统是从FMS的进口到出口，实现对这些物料自动识别、存储、分配、输送、交换和管理功能的系统。因为工件和刀具的流动问题最为突出，通常认为FMS的物流系统由工件流系统和刀具流系统两大部分组成。物流系统主要由输送装置、交换装置、缓冲装置和存储装置等组成。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统的物流系统 8.4 柔性制造系统50v 物流系统的输送装置（1）FMS物流系统对输送装置的要求有以下几点：a）通用性 b）变更性 能快速地、经济地变更运行轨迹，尽量增大系统的柔性。c）扩展性 能方便地根据系统规模扩大输送范围和输送量。d）灵活性 e）可靠性 平均无故障时间长。f）安全性 定位精度高，定位速度快。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 物流系统的输送装置 8.4 柔性制造系统51 （2）输送装置依照FMS控制与管理系统的指令，将FMS内的物料从某一指定点送往另一指定点。输送装置在FMS中的工作路径有3种常见方式。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 FMS常见的输送装置主要有输送带、自动小车以及机器人等常见的输送装置主要有输送带、自动小车以及机器人等 （2）输送装置依照FMS控制与管理系统的指令，将FM52v 物流系统的物料装卸与交换装置 物流系统中的物料装卸与交换装置负责FMS中物料在不同设备之间或不同工位之间的交换或装卸。常见的装卸与交换装置有箱体类零件的托盘交换器、加工中心的换刀机械手、自动仓库的堆垛机、输送系统与工件装卸站的装卸设备等。常见自动小车的装卸方式可分为被动装卸和主动装卸两种。被动装卸方式的小车自己不具有完整的装卸功能，而是采用助卸方式，常见的助卸方式有滚柱式台面和升降式台面。主动装卸方式是指自动小车自己具有装卸功能。常见的主动装卸方式有单面推拉式、双面推拉式、叉车式、机器人式。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 物流系统的物料装卸与交换装置 8.4 柔性制造系统53v 物流系统的物料存储装置 FMS对物料存储装置的要求有：（1）其自动化机构与整个系统中的物料流动过程的可衔接性；（2）存放物料的尺寸、重量、数量和姿势与系统的匹配性；（3）物料的自动识别、检索方法和计算机控制方法与系统的兼容性；（4）放置方位，占地面积、高度与车间布局的协调性。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 物流系统的物料存储装置 8.4 柔性制造系统54v 物流系统的监控 物流系统的监控主要具备以下功能：（1）采集物流系统的状态数据，包括物流系统各设备控制器和各监测传感器传回的当前任务完成情况、当前运行状况等状态数据；（2）监视物流系统状态；（3）处理异常情况；（4）人机交互；（5）接受上级控制与管理系统下发的计划和任务并控制执行机构去完成。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 物流系统的监控 8.4 柔性制造系统55 柔性制造系统的控制和管理系统柔性制造系统的控制和管理系统 FMS的控制与管理系统实质上是实现FMS加工过程、物料流动过程的控制、协调、调度、监测和管理的信息流系统。8.4 柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统的控制和管理系统 8.4 柔性制造系统56这些功能模块并非相互完全独立的，而是相对独立相互关联的。8.4 柔性制造系统柔性制造系统这些功能模块并非相互完全独立的，而是相对独立相互关联的。57 计算机集成制造系统计算机集成制造系统 计算机集成制造系统（CIMS）是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的，它是在信息技术自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。v CIMS分类 由于CIMS 作为一种生产管理系统，不同的企业环境有不同的运作方式，市场上没有具体的、现成的产品，也没有严格的分类标准。8.5 先进制造模式先进制造模式 计算机集成制造系统 8.5 先进制造模式58 （1）从生产工艺方面分，CIMS可大致分为：1）离散型制造业CIMS：这个行业的特点是加工生产过程不是连续的，而实现先加工单个零件，然后再将单个零件进行组装，装配成半成品或成品。2）连续性制造业CIMS：这个行业的特点是原材料加工装置连续不断地进行规定的物理化学变化而最终得到符合需要的产品。3）混合型制造业CIMS：这个行业的特点生产过程中既有离散型生产环节，又有连续性生产环节。从CIMS体系结构来分，也可以分成集中性、分散性和混合型三种。一般不用这种方法。8.5 先进制造模式先进制造模式 （1）从生产工艺方面分，CIMS可大致分为：8.5 59v CIMS体系结构 CIMS体系结构是用来描述研究对象整个系统的各个部分和各个方面的相互关系和层次结构，从大系统理论角度研究，将整个研究对象分为几个子系统，各个子系统相对独立自治、分布存在、并发运行和驱动等。8.5 先进制造模式先进制造模式 CIMS体系结构 8.5 先进制造模式60v CIMS体系结构 从功能层方面分析，CIMS大致可以分为六层：第一层：生产/制造系统 第二层：硬事务处理系统 第三层：技术设计系统 第四层：软事务处理系统 第五层：信息服务系统 第六层：决策管理系统 CIMS逻辑结构不仅体现了信息的传递与交换，更能反映出人在CIMS系统中的重要作用。因此可以说人为因素是实施CIMS能否取得实际成效的关键。8.5 先进制造模式先进制造模式 CIMS体系结构 8.5 先进制造模式61v CIMS的主要关键技术 CIMS是一个庞大的系统工程，需要相关技术支持其实施。8.5 先进制造模式先进制造模式 计算机辅助质量管理分系统计算机辅助质量管理分系统CAQ 管理信息分系统管理信息分系统MIS 数据管理支持子系统数据管理支持子系统 网络支持子系统网络支持子系统 技术信息系统技术信息系统TIS 制造自动化分系统制造自动化分系统MAS 集成系统集成系统 CIMS的主要关键技术 8.5 先进制造模式 62v CIMS实例 日本的日立制作所规划的某CIMS的物理布局 8.5 先进制造模式先进制造模式 CIMS实例 8.5 先进制造模式63 智能制造系统智能制造系统 v 智能制造的概念 智能制造（IM）应当包含智能制造技术（IMT）和智能制造系统（IMS）。智能制造系统是智能技术集成应用的环境，也是智能制造模式展现的载体。智能制造技术是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、智能制造技术是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动，并将这些智能活动与智能机推理、构思和决策等智能活动，并将这些智能活动与智能机器有机地融合起来，将其贯穿应用于整个制造企业的各个子器有机地融合起来，将其贯穿应用于整个制造企业的各个子系统，以实现整个制造企业经营动作的高度柔性化和集成化，系统，以实现整个制造企业经营动作的高度柔性化和集成化，从而取代或延伸制造环境中专家的部分脑力劳动，并对制造从而取代或延伸制造环境中专家的部分脑力劳动，并对制造业专家的智能信息进行收集、存储、共享、继承和发展的一业专家的智能信息进行收集、存储、共享、继承和发展的一种极大地提高生产效率的先进制造技术。种极大地提高生产效率的先进制造技术。8.5 先进制造模式先进制造模式 智能制造系统 8.5 先进制造模式64v 智能制造系统的特点 和传统的制造系统相比，智能制造系统具有以下几个特征：8.5 先进制造模式先进制造模式 整个制造系统的智能集成整个制造系统的智能集成 自组织能力自组织能力 人机一体化智能系统人机一体化智能系统 虚拟现实虚拟现实 自律能力自律能力 自学习和自维护能力自学习和自维护能力 智能制造系统智能制造系统的特点的特点 智能制造系统的特点 8.5 先进制造模式 双击65v 智能制造系统的体系结构 智能制造系统结构的主要类型有：以提高制造系统智能为目标，智能机器人、智能体等为手段的智能制造系统；通过互联网把企业的建模、加工、测量、机器人的操作一体化的智能制造系统；采用生物问题求解方法的生物智能制造系统等。目前，较多采用的是基于Agent的分布式网络化IMS的模型。8.5 先进制造模式先进制造模式 智能制造系统的体系结构 8.5 先进制造模式66v 智能制造系统和CIMS CIMS强调的是企业内部物料流的集成和信息流的集成，而IMS强调的则是更大范围内的整个制造过程的自组织能力。从某种意义上讲，后者难度更大，但比CIMS更实用、更实际。CIMS中的众多研究内容是IMS的发展基础，而IMS也将对CIMS提出更高的要求。集成是智能的基础，而智能也将反过来推动更高水平的集成。IMT和IMS的研究成果将不只是面向21世纪的制造业，不只是促进CIMS达到高度集成，而且对于FMS、MS、CNC以至一般的工业过程自动化或精密生产环境而言，均有潜在的应用价值。8.5 先进制造模式先进制造模式 智能制造系统和CIMS 8.5 先进制造模式67 精益生产精益生产v 精益生产的概念 精益生产（Lean Production，LP），又称精良生产，其中“精”表示精良、精确、精美；“益”表示利益和效益等等。精益生产就是以企业利润最大化为目标，及时制造，消除原料采购、储运、生产、包装等生产环节中的一切浪费。精益生产的概念是美国麻省理工学院在一项名为“国际汽车计划”（IMVP）的研究项目中提出来的。欧美学者在做了大量的调查和对比后，认为日本丰田汽车公司的成功是因为该公司采取精益生产。8.5 先进制造模式先进制造模式 精益生产 8.5 先进制造模式68v 精益生产的实施 （1）传统生产方式的弊病 传统生产与精益生产相比，可以由下表的12个关键指标看出两者的明显区别。8.5 先进制造模式先进制造模式 精益生产的实施 8.5 先进制造模式69 （2）精益生产的实施步骤 精益生产的研究者总结出精益生产实施成功的五个步骤：从样板线开始；画出价值流程图；开展价值流程图指导下的持续改进研讨会；营造支持精益生产的企业文化；推广到整个公司。1）选择要改进的关键流程 2）画出价值流程图 3）开展持续改进研讨会（消除质量检测环节和返工现象；消除零件不必要的移动；消灭库存；合理安排生产计划；减少生产准备时间；消除停机时间；提高劳动利用率）4）营造企业文化 5）推广到整个公司 8.5 先进制造模式先进制造模式 （2）精益生产的实施步骤 8.5 先进制造模式70 （2）精益生产的实施步骤 传统企业的精益之路可以形象地表示为下图所示总而言之，精益生产是一个永无止境的精益求精的过程，它总而言之，精益生产是一个永无止境的精益求精的过程，它致力于改进生产流程和流程中的每一道工序，尽最大可能消致力于改进生产流程和流程中的每一道工序，尽最大可能消除价值链中一切不能增加价值的活动，提高劳动利用率，消除价值链中一切不能增加价值的活动，提高劳动利用率，消灭浪费，按照顾客订单生产的同时也最大限度的降低库存。灭浪费，按照顾客订单生产的同时也最大限度的降低库存。8.5 先进制造模式先进制造模式 （2）精益生产的实施步骤 8.5 先进制造模式71 敏捷制造敏捷制造v 敏捷制造的定义及内涵 敏捷制造（AM）是指制造业采用现代通信手段通过快速配置各种资源，以有效、协调的方式响应用户的需求，实现制造的敏捷性。其核心是企业在不断变化、不可预测的经营环境中的快速重构能力，具体表现为多个企业的核心制造能力构成的动态组织。敏捷制造系统思想的出发点是基于对多元化和个性化市场发展趋势的分析，认为制造系统应尽可能具有高的柔性和快速反应能力，从而在变幻莫测、竞争激烈的市场中具有高的竞争力。8.5 先进制造模式先进制造模式 敏捷制造 8.5 先进制造模式72 敏捷制造敏捷制造v 敏捷制造的定义及内涵 通过从市场/用户、企业能力和合作伙伴三个方面来理解敏捷制造的内涵。（1）敏捷制造的出发点是快速响应市场/用户的需求。（2）敏捷制造要求不断提高企业能力 （3）敏捷制造强调采用动态组织 8.5 先进制造模式先进制造模式 敏捷制造 8.5 先进制造模式73v 敏捷制造的关键技术 在敏捷制造中，人、组织和技术是三个最基木的要素。敏捷制造模式的构筑和实施需要多种技术支持，制造模式要和先进技术相匹配才能充分发挥其优势。（1）并行工程（CE）技术 （2）虚拟制造（VM）技术 （3）网络技术 （4）模块化技术 （5）系统集成技术 （6）动态联盟 （7）产品数据管PDM技术 8.5 先进制造模式先进制造模式 敏捷制造的关键技术 8.5 先进制造模式74v 敏捷制造的发展趋势 （1）开发并完善敏捷制造参考模型 敏捷化工程模型正逐步受到重视。（2）进一步开发支持实施敏捷制造的各种技术和工具 进一步加强经营决策工具和实验性实施设计策略开发工作，以便能包含更丰富的信急和形成成熟的标准。（3）敏捷制造实际应用的探索 今后敏捷的概念、内涵以及实践都将得到更深入的研究和进一步的发展，以便更好地应用于中小企业。8.5 先进制造模式先进制造模式 敏捷制造的发展趋势 8.5 先进制造模式本章结束！本章结束！Thank You!本章结束！