第8章柔性制造系统剖析课件

2024/7/12武汉理工大学机电学院1/72一、一、FMS概述概述二、二、FMS加工系统加工系统三、三、FMS储运系统储运系统 四、四、FMS控制系统控制系统第八章第八章 柔性制造系统柔性制造系统五、五、CIMS系统系统2024/7/12武汉理工大学机电学院2/72一、一、FMS概述概述1、FMS的产生和特点的产生和特点2、FMS的定义、组成及其分类的定义、组成及其分类3、FMS的发展趋势的发展趋势2024/7/12武汉理工大学机电学院3/721、FMS的产生和特点的产生和特点FMS因应：因应：u产品更新换代周期缩短；产品更新换代周期缩短；u需求日益个性化；需求日益个性化；4 柔性柔性柔性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，是指制造系统对系统内部及外部环境的一种适应能力，是指制造系统对系统内部及外部环境的一种适应能力，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。也是指制造系统能够适应产品变化的能力。也是指制造系统能够适应产品变化的能力。也是指制造系统能够适应产品变化的能力。加工箱体类零件的组合机床自动线刚性刚性柔性柔性 刚性自动线刚性自动线：按一定工艺顺序排：按一定工艺顺序排列的若干台自动机床，用工件传送装列的若干台自动机床，用工件传送装置和控制系统联结起来，按照规定的置和控制系统联结起来，按照规定的生产节拍，工件自动地依次经过各个生产节拍，工件自动地依次经过各个加工工位进行自动加工的连续作业线。加工工位进行自动加工的连续作业线。从自动线到柔性制造系统5刚性自动线的特点与缺陷特点：特点：具有统一的控制系统和严格的生产节拍，与自动化具有统一的控制系统和严格的生产节拍，与自动化单机相比，结构复杂，完成的加工工序多，单机相比，结构复杂，完成的加工工序多，生产率很高生产率很高。是是少品种、大量生产少品种、大量生产必不可少的加工设备。必不可少的加工设备。缺点：缺点：投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。柔性制造系统产生柔性制造系统产生2024/7/12武汉理工大学机电学院6/72u世界上公认的第一条柔性制造系统是英国莫林斯（世界上公认的第一条柔性制造系统是英国莫林斯（Molins）机床公司机床公司19671967年建成的年建成的“Molin System-24”。主要设备是。主要设备是6 6台台模块化结构的多工序数字控制机床，该系统能模块化结构的多工序数字控制机床，该系统能2424小时连续工小时连续工作，因此称为作，因此称为“Molin System-24”；u2020世纪世纪7070年代末和年代末和8080年代初，计算机辅助管理物料自动搬运，年代初，计算机辅助管理物料自动搬运，刀具管理和计算机网络、数据库技术的发展以及刀具管理和计算机网络、数据库技术的发展以及 CAD/CAM CAD/CAM 技技术的成熟，出现了更加系统化、规模更加扩大的柔性制造系术的成熟，出现了更加系统化、规模更加扩大的柔性制造系统。统。u2020世纪世纪8080年代末，年代末，FMS已经成为一项成熟的技术，并在世界已经成为一项成熟的技术，并在世界范围得到广泛应用。范围得到广泛应用。柔性自动化制造技术的产生柔性自动化制造技术的产生2024/7/12武汉理工大学机电学院7/72 我国采取我国采取引进和开发相结合引进和开发相结合的方针，引进箱体类零件、的方针，引进箱体类零件、旋转体件及钣金件加工旋转体件及钣金件加工FMS的全部或部分硬件技术。的全部或部分硬件技术。u19841984是我国研制是我国研制 FMS 的起步时间，比国外晚了的起步时间，比国外晚了1717年。年。我国我国第一套第一套 FMS FMS 系统是由北京机床研究所于系统是由北京机床研究所于19851985年年1010月开发完月开发完成的（成的（JCS-FMS-1），用于加工数控机床直流伺服电机中），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，它由的主轴、端盖、法兰盘、壳体和刷架体等，它由5 5台国产加台国产加工中心、日本富士电机公司的工中心、日本富士电机公司的 AGV（自动导引车）及（自动导引车）及4 4台日台日本产的机器人组成，其控制系统由本产的机器人组成，其控制系统由 FANUC提供。据分析，提供。据分析，它的投资回收期约为两年半。它的投资回收期约为两年半。u19831983年年19851985年，在国家的支持下北京第一机床厂、湖南江年，在国家的支持下北京第一机床厂、湖南江麓机床厂、郑州纺织机械厂、广西柳州开关厂等一些单位分麓机床厂、郑州纺织机械厂、广西柳州开关厂等一些单位分别率先从德国、日本进口了国内第一批别率先从德国、日本进口了国内第一批FMS。我国我国FMS的研究历程的研究历程2024/7/12武汉理工大学机电学院8/72u19851985年后在国家机电部年后在国家机电部“七五七五”重点科技攻关项目的支持和国重点科技攻关项目的支持和国家家863863高技术发展计划自动化领域的工作的带动下，高技术发展计划自动化领域的工作的带动下，FMS得到得到极大的重视和发展，进入了自行开发和部分进口的交叉阶段。极大的重视和发展，进入了自行开发和部分进口的交叉阶段。u19881988年北京机床研究所为天津减速机厂提供的加工减速机机座年北京机床研究所为天津减速机厂提供的加工减速机机座的的JCS-FMS-2系统是全部自行开发和配套的，它标志着我国已系统是全部自行开发和配套的，它标志着我国已具有自主开发具有自主开发FMSFMS系统的实力。系统的实力。u近几年来，国内一些经济实力比较雄厚的工厂（北京第一机床近几年来，国内一些经济实力比较雄厚的工厂（北京第一机床厂，上海第二纺织机械厂，天津减速机总厂，山西经纬纺织机厂，上海第二纺织机械厂，天津减速机总厂，山西经纬纺织机械厂等），为实施械厂等），为实施CIMS，又进口了一些国外的，又进口了一些国外的FMS系统。系统。9典型的柔性制造系统示意图典型的柔性制造系统示意图1 110典型的柔性制造系统示意图典型的柔性制造系统示意图2 211典型的柔性制造系统示意图典型的柔性制造系统示意图3 32024/7/12武汉理工大学机电学院12/72FMS的柔性的柔性q设备柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，设备随产品变化而加工不同零设备柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，设备随产品变化而加工不同零件的难易程度。件的难易程度。q工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。q产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。q维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。q生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。织生产的制造系统，这一点尤为重要。q扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。个更大系统的能力。q运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。产品，换用不同工序加工的能力。所谓柔性，是指制造系统（企业）对系统内部及外部环境的一种适应能力，也所谓柔性，是指制造系统（企业）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。是指制造系统能够适应产品变化的能力。通常体现在以下几个方面：通常体现在以下几个方面：2024/7/12武汉理工大学机电学院13/72(1)FMS的定义的定义q柔性制造系统（柔性制造系统（FMSFMS）是数控加工设备、物料运储装置和计）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，包括多个柔性制造算机控制系统等组成的自动化制造系统，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调整，适用于单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量生产。多品种、中小批量生产。(根据根据“中华人民共和国国家军用中华人民共和国国家军用标准标准武器装备柔性制造系统术语武器装备柔性制造系统术语”的定义的定义)q“使用计算机、柔性加工单元和集成物料储运装置完成零使用计算机、柔性加工单元和集成物料储运装置完成零件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统”。（美国。（美国制造工程师协会制造工程师协会(SME)(SME)的计算机辅助系统和应用协会）的计算机辅助系统和应用协会）2、FMS的定义、组成及其分类的定义、组成及其分类2024/7/12武汉理工大学机电学院14/72 更直观的定义是：更直观的定义是：“柔性制造系统是至少由两台数控机床，柔性制造系统是至少由两台数控机床，一套物料运输系统（从装载到卸载具有高度自动化）和一套计算一套物料运输系统（从装载到卸载具有高度自动化）和一套计算机控制系统所组成的制造自动化系统。它采用简单改变软件的方机控制系统所组成的制造自动化系统。它采用简单改变软件的方法便能制造出某些部件中的任何零件法便能制造出某些部件中的任何零件”。综上所述，各种定义的描述方法虽然有所不同，但都反映了综上所述，各种定义的描述方法虽然有所不同，但都反映了FMS应具备以下特点：应具备以下特点：1.两台以上的数控机床或加工中心以及其他加工设备，包两台以上的数控机床或加工中心以及其他加工设备，包括测量机、清洗机、动平衡机、各种特种加工设备等；括测量机、清洗机、动平衡机、各种特种加工设备等；2.一套能自动装卸的运输系统，包括刀具储运和工件及原一套能自动装卸的运输系统，包括刀具储运和工件及原材料储运。具体结构可采用传输带、有轨小车、无轨小材料储运。具体结构可采用传输带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘站等；车、搬运机器人、上下料托盘站等；3.一套计算机控制系统及信息通信网络。一套计算机控制系统及信息通信网络。2024/7/12武汉理工大学机电学院15/72FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信息传输网络工夹具站FMS的组成的组成物料储运系统物料储运系统计算机控制系统计算机控制系统加工系统加工系统2024/7/12武汉理工大学机电学院16/72FMS基本组成2024/7/12武汉理工大学机电学院17/72硬件组成硬件组成三个子系统三个子系统q加工系统加工系统q储运系统储运系统q计算机控制系统计算机控制系统(2)FMS的组成的组成2024/7/12武汉理工大学机电学院18/72软件组成软件组成u FMS系统支持软件系统支持软件操作系统、网络通信系统、操作系统、网络通信系统、数据库管理系统等；数据库管理系统等；uFMS的运行控制系统的运行控制系统动态调度系统、实时故障动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统、物料（工件和刀具）管理控诊断系统、生产准备系统、物料（工件和刀具）管理控制系统等。制系统等。2024/7/12武汉理工大学机电学院19/72FMS的功能的功能q能自动管理零件的生产过程，自动控制制造质量，自能自动管理零件的生产过程，自动控制制造质量，自动进行故障诊断及处理，自动进行信息收集及传输；动进行故障诊断及处理，自动进行信息收集及传输；q简单地改变软件或系统参数，便能制造出某一零件族简单地改变软件或系统参数，便能制造出某一零件族的多种零件；的多种零件；q物料的运输和储存必须为自动物料的运输和储存必须为自动(包括刀具等工装和工件包括刀具等工装和工件的自动运输的自动运输)；q能解决多机床条件下零件的混流加工，且无需额外增能解决多机床条件下零件的混流加工，且无需额外增加费用；加费用；q具有优化调度管理功能，能实现无人化或少人化加工。具有优化调度管理功能，能实现无人化或少人化加工。2024/7/12武汉理工大学机电学院20/72a)a)互替式互替式 b)b)互补式互补式 c)c)混合式混合式 FMS适适用用于于中中小小批批量量的的生生产产，既既要要兼兼顾顾对对生生产产率率和和柔柔性性的的要要求求，也也要要考考虑虑系系统统的的可可靠靠性性和和机机床床的的负负荷荷率率。因因此此，就产生了三种类型的就产生了三种类型的FMS：(3)FMS的机床配置形式的机床配置形式互替形式互替形式 所谓互替机床就是纳入所谓互替机床就是纳入系统的机床可以互相代替。系统的机床可以互相代替。例如，由数台加工中心例如，由数台加工中心组成的组成的FMS，由于加工中心，由于加工中心可以完成多种工序的加工，可以完成多种工序的加工，有时一台加工中心就能完成有时一台加工中心就能完成箱体的全部工序，工件可随箱体的全部工序，工件可随机地输送到系统中任何恰好机地输送到系统中任何恰好空闲的加工工位。系统具有空闲的加工工位。系统具有较大的柔性和较宽的工艺范较大的柔性和较宽的工艺范围，而且可以达到较高的时围，而且可以达到较高的时间利用率。从系统的输入和间利用率。从系统的输入和输出来看，它们是并联环节，输出来看，它们是并联环节，因而增加了系统的可靠性，因而增加了系统的可靠性，即当某一台机床发生故障时，即当某一台机床发生故障时，系统仍能正常工作。系统仍能正常工作。互补形式互补形式 所谓互补机床所谓互补机床就是纳入系统的机床就是纳入系统的机床是互相补充的，各自是互相补充的，各自完成某些特定的工序，完成某些特定的工序，各机床之间不能互相各机床之间不能互相取代，工件在一定程取代，工件在一定程度上必须顺序经过各度上必须顺序经过各加工工位。它的特点加工工位。它的特点是生产率较高，对机是生产率较高，对机床的技术利用率较高，床的技术利用率较高，即可以充分发挥机床即可以充分发挥机床的性能。从系统的输的性能。从系统的输入和输出的角度来看，入和输出的角度来看，互补机床是串联环节，互补机床是串联环节，它减少了系统的可靠它减少了系统的可靠性，即当一台机床发性，即当一台机床发生故障时，系统就不生故障时，系统就不能正常工作。能正常工作。2024/7/12武汉理工大学机电学院21/72互替与互补机床配置的特征比较互替与互补机床配置的特征比较2024/7/12武汉理工大学机电学院22/72q柔性制造单元（柔性制造单元（FMC）小型小型FMS，由，由1-21-2台机床组成，自台机床组成，自动更换刀具，自动上下工件；动更换刀具，自动上下工件；q 柔性制造系统柔性制造系统（FMS）控制与管理功能比控制与管理功能比FMC强，管理强，管理通信要求高；通信要求高；q 柔性制造生产线柔性制造生产线（FML）数控组合机床设备，专用性强、数控组合机床设备，专用性强、生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用批量生产，为专用FMS。q 柔性制造工厂柔性制造工厂（FMF）全企业范围生产管理、设计开发、全企业范围生产管理、设计开发、加工制造和物料运储全盘自动化。加工制造和物料运储全盘自动化。(4)FMS的分类的分类2024/7/12武汉理工大学机电学院23/721）柔性制造单元（）柔性制造单元（FMC）由由一一台台或或数数台台数数控控机机床床或或加加工工中中心心构构成成的的加加工工单单元元。该该单单元元根根据据需需要要可可以以自自动动更更换换刀刀具具和和夹夹具具，加加工工不不同同的的工工件件。具具有有一一定定的的生生产产调调度度能能力力。柔柔性性制制造造单单元元适适合合加加工工形形状状复复杂杂，加加工工工工序序简简单单，加加工工工工时时较较，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。FMS的分类的分类2）柔性制造系统（）柔性制造系统（FMS）以以数数控控机机床床或或加加工工中中心心为为基基础础，配配以以物物料料传传送送装装置置组组成成的的生生产产系系统统。该该系系统统由由电电子子计计算算机机实实现现自自动动控控制制，能能在在不不停停机机的的情情况况下下，满满足足多多品品种种的的加加工工。柔柔性性制制造造系系统统适适合合加加工工形形状状复复杂杂，加加工工工工序序多多，批批量量大大的的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。3）柔性制造生产线（）柔性制造生产线（FML）把把多多台台可可以以调调整整的的机机床床(多多为为专专用用机机床床)联联结结起起来来，配配以以自自动动运运送送装装置置组组成成的的生生产产线线。该该生生产产线线可可以以加加工工批批量量较较大大的的不不同同规规格格零零件件。柔柔性性程程度度低低的的柔柔性性自自动动生生产产线线，在在性性能能上上接接近近大大批批量量生生产产用用的的自自动动生生产产线线；柔柔性性程程度度高高的的柔柔性性自自动动生生产产线线，则则接接近近于于小小批批量量、多多品品种种生生产产用用的的柔柔性性制造系统。制造系统。2024/7/12武汉理工大学机电学院24/72柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）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。其基本组成部分有：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.自动化加工设备组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。柔性制造系统FMS2024/7/12武汉理工大学机电学院25/72 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 FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。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。2024/7/12武汉理工大学机电学院26/725.多层计算机控制系统FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、工作站控制级、设备控制级。图8-4就是一个FMS控制系统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350卧式加工中心、XH714A立式加工中心和仓储设备等。（1）设备控制级。（2）工作站控制级。（3）单元控制级。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。2024/7/12武汉理工大学机电学院27/72图8-4FMS控制系统实例2024/7/12武汉理工大学机电学院28/72典型的FMS2024/7/12武汉理工大学机电学院29/72图8-6具有装配功能的柔性制造系统2024/7/12武汉理工大学机电学院30/72柔性制造线（FlexibleManufacturingLine）由自动化加工设备、工件输送系统和控制系统等组成。柔性制造线(FML)FML的主要优点是：具有刚性自动线的绝大部分优点；当批量不很大时，生产成本比刚性自动线低得多；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。1.自动化加工设备;2.工件输送系统;3.刀具;2024/7/12武汉理工大学机电学院31/72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。柔性装配线(FAL)2024/7/12武汉理工大学机电学院32/722024/7/12武汉理工大学机电学院33/72FMS配置小型化配置小型化系统结构的模块化系统结构的模块化与计算机辅助设计和辅助制造系统相结合与计算机辅助设计和辅助制造系统相结合实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化生产过程自动化 不断提高不断提高FMS的性能的性能3、FMS的发展趋势的发展趋势2024/7/12武汉理工大学机电学院34/721 1、加工系统的功能与要求、加工系统的功能与要求 加工系统是加工系统是FMS的最基本的组成部分，也是的最基本的组成部分，也是FMS中耗资中耗资最多的部分，担任把原材料转化为最终产品的任务。加工系最多的部分，担任把原材料转化为最终产品的任务。加工系统的要求如下：统的要求如下：工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数；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；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；自保护与自维护性好；自保护与自维护性好；使用经济性好；使用经济性好；对环境的适应性与保护性好。对环境的适应性与保护性好。二二、FMS的加工系统的加工系统2024/7/12武汉理工大学机电学院35/722 2、加工系统中常用的加工设备简介、加工系统中常用的加工设备简介2.1 2.1 目前目前FMS的加工对象主要有两大类：的加工对象主要有两大类：箱体类箱体类回转体类回转体类2.2 2.2 加工中心加工中心 加工中心（加工中心（Machining Center，MC）是一种备有刀库）是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。效数控机床。箱体类：常用镗铣加工中心箱体类：常用镗铣加工中心回转体类：常用车削加工中心回转体类：常用车削加工中心2024/7/12武汉理工大学机电学院36/72加工中心的系统基本组成与一般数控机床一样，只是在此基础上增加了刀库和自动换刀装置而形成一类更复杂，但用途更广，效率更高的数控机床。加工中心配置有刀库和自动换刀装置，能在一台机床上完成车、铣、镗、钻、铰、攻螺纹、轮廓加工等多个工序的加工。加工中心机床具有工序集中，可以有效缩短调整时间和搬运时间，减少在制品库存，加工质量高等优点，因此常用于零件比较复杂，需要多工序加工，且生产批量中等的生产场合。加工中心通常是指镗铣加工中心，主要用于加工箱体及壳体类零件，工艺范围广。加工中心(MC)2024/7/12武汉理工大学机电学院37/722.3 2.3 加工系统的辅助装置加工系统的辅助装置q 机床夹具机床夹具 组合夹具：利用标准化夹具零部件快速拼装所需夹具；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。柔性夹具：一部夹具能为多个加工对象服务。q 托盘托盘（PalletPallet）承载工件和夹具完成加工任务，是各加工单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。元间的硬件接口。q 自动上下料装置自动上下料装置 托盘交换器：联接加工系统和物料运储系统桥梁；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。工业机器人：具有较大的柔性度。2024/7/12武汉理工大学机电学院38/72立式加工中心与卧式加工中心的比较立式加工中心与卧式加工中心的比较2024/7/12武汉理工大学机电学院39/72工件装卸站工件装卸站 设在设在 FMS 入口，由人工完成装卸；入口，由人工完成装卸；托盘缓冲站托盘缓冲站 工件中间存储站，起缓冲物料作用；工件中间存储站，起缓冲物料作用；物料存储装置物料存储装置 自动化仓库、自动料架、缓冲料架；自动化仓库、自动料架、缓冲料架；物物料料运运送送装装置置 负负责责在在机机床床、自自动动化化仓仓库库和和托托盘盘缓缓冲冲站站之之间间物料搬运作业。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；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；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。搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。1 1、FMS的物料储运系统组成的物料储运系统组成三、三、FMS的储运系统的储运系统2024/7/12武汉理工大学机电学院40/722 2、FMS 物料输送基本回路物料输送基本回路q直线输送回路直线输送回路 沿直线路线单向或双向移动，顺序地在各沿直线路线单向或双向移动，顺序地在各个连接点停靠；个连接点停靠；q环形输送回路环形输送回路 运载工具沿环形路线单向或双向移动；运载工具沿环形路线单向或双向移动；q网状输送回路网状输送回路 由多个回路相互交叉组成，可由一条环由多个回路相互交叉组成，可由一条环 路移动到另一回路。路移动到另一回路。2024/7/12武汉理工大学机电学院41/723 3、自动化仓库、自动化仓库q 货架货架 为一个个存储单元，设有地址编码，货架之为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。q 堆垛机堆垛机 由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动电由托架、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。动机以及传感器构成的三维搬运设备。q 控制与管理系统控制与管理系统 负责物料信息的登录、识别，负责物料信息的登录、识别，物料自动存取，仓库管理。物料自动存取，仓库管理。2024/7/12武汉理工大学机电学院42/72储运系统的任务和工作方式储运系统的任务和工作方式2024/7/12武汉理工大学机电学院43/72巷道式立体仓库巷道式立体仓库2024/7/12武汉理工大学机电学院44/724 工件储运设备 4.1 有轨小车（RGV）有轨小车（Rail Guide Vehicle）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。2024/7/12武汉理工大学机电学院45/72导轨系统导轨系统小车控制器小车控制器车架车架警告和安全装置警告和安全装置.地轨系统地轨系统安全装置安全装置小车控制器小车控制器托盘交换装置托盘交换装置有轨小车的组成有轨小车的组成2024/7/12武汉理工大学机电学院46/72q移动速度快，行走平稳，定位精确；移动速度快，行走平稳，定位精确；q承载能力大，适合搬运笨重零件；承载能力大，适合搬运笨重零件；q控制系统相对简便，可靠性高，成本低，易维护；控制系统相对简便，可靠性高，成本低，易维护；q传输路径柔性不高，一般适宜在直线布局的系统中采用。传输路径柔性不高，一般适宜在直线布局的系统中采用。有轨小车的特点有轨小车的特点2024/7/12武汉理工大学机电学院47/72 AGV无轨道，可以外部控制的自由运行的电动小车，无轨道，可以外部控制的自由运行的电动小车，以蓄电池作为电源，用某种制导方法（电磁制导及光学制以蓄电池作为电源，用某种制导方法（电磁制导及光学制导）控制其运行路线，不需设置导轨，柔性大。导）控制其运行路线，不需设置导轨，柔性大。(1)AGV的结构的结构 在在自自动动化化制制造造系系统统中中使使用用的的AGV大大多多数数是是磁磁感感应应式式AGV。图图8-13是是一一种种能能同同时时运运送送两两个个工工件件的的AGV，它它由由运运输小车、地下电缆和控制器三部分组成。输小车、地下电缆和控制器三部分组成。4.2 自动导向小车自动导向小车2024/7/12武汉理工大学机电学院48/722024/7/12武汉理工大学机电学院49/72 线导小车线导小车 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。遥控制导小车遥控制导小车 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。4.2.1 自动导向小车导向方法自动导向小车导向方法2024/7/12武汉理工大学机电学院50/72磁感应AGV自动导向原理图 小车底部装有弓形天线小车底部装有弓形天线3，跨设于以感应导线，跨设于以感应导线4为中心且与感应线垂直为中心且与感应线垂直的平面内。感应线通以交变电流，产生交变磁场。当天线的平面内。感应线通以交变电流，产生交变磁场。当天线3偏离感应线任偏离感应线任何一侧时，天线的两对称线圈中感应电压有差值，误差信号经过放大，驱何一侧时，天线的两对称线圈中感应电压有差值，误差信号经过放大，驱动左、右电动机动左、右电动机2，左右电动机有转速差，经驱动轮，左右电动机有转速差，经驱动轮1使小车转向，使感使小车转向，使感应线重新位于天线中心，直至误差信号为零。应线重新位于天线中心，直至误差信号为零。2024/7/12武汉理工大学机电学院51/72AGV电磁感应制导原理电磁感应制导原理感应线圈（左）感应线圈（左）感应线圈（右）感应线圈（右）导向线导向线 导引电流一般频率较导引电流一般频率较低（小于低（小于15kHz），低），低压（小于压（小于40V），消耗），消耗电流的强度小于电流的强度小于 600mA。2024/7/12武汉理工大学机电学院52/72 AGV运行路径的选择，是运行路径的选择，是AGV使用过程中一个重要的问使用过程中一个重要的问题，因为题，因为AGV从一个站点运行到另一个站点往往有多条路径从一个站点运行到另一个站点往往有多条路径可选择，我们希望能选择一条合理的运行路径，从而提高系可选择，我们希望能选择一条合理的运行路径，从而提高系统的效率。统的效率。ADBCOEOA ACCDDEOAABBDDEOAABBCCDDE。从从O点到点到E点：点：AGV运行路径的选择运行路径的选择2024/7/12武汉理工大学机电学院53/724.2.2 FMS中使用AGV的优点l较高的柔性 l实时监视和控制l安全可靠l维护方便2024/7/12武汉理工大学机电学院54/722024/7/12武汉理工大学机电学院55/724.2.3 AGV 性能指标 1）外形尺寸外形尺寸 一般长度从一般长度从750mm至2500mm，宽450mm至1500mm，高550mm至650mm左右。2）载重量载重量 可从50至2000kg，选择载重量时不应仅仅考选择载重量时不应仅仅考虑工件的重量，还应考虑托盘和夹具的重量。虑工件的重量，还应考虑托盘和夹具的重量。3）运行速度）运行速度 1070 mmin 4）转弯半径）转弯半径 一般指在某种速度下，最小的转弯半径。例一般指在某种速度下，最小的转弯半径。例如在每分钟如在每分钟10m的速度时，最小转弯半径为的速度时，最小转弯半径为600mm等。等。2024/7/12武汉理工大学机电学院56/725)5)蓄电池的电压、每两次充电之间的平均寿命。蓄电池的电压、每两次充电之间的平均寿命。6)6)安全设备是否有安全杠，警报扬声器，警告灯。全速行驶安全设备是否有安全杠，警报扬声器，警告灯。全速行驶时的停车距离。时的停车距离。7)7)载物平台的结构，是否有液压或其他形式的提升器，以及载物平台的结构，是否有液压或其他形式的提升器，以及平台的拉升高度。平台的拉升高度。8)8)控制方式控制方式 人工控制，有线控制或遥控。人工控制，有线控制或遥控。9)9)定位方式定位方式 托盘在小车上的固定方法。托盘在小车上的固定方法。10)10)兼容的控制计算机类型。兼容的控制计算机类型。2024/7/12武汉理工大学机电学院57/72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四、四、FMS的控制系统的控制系统三级递阶控制结构三级递阶控制结构2024/7/12武汉理工大学机电学院58/72 递阶控制结构：将复杂系统分层分模块设置，各层相对递阶控制结构：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。独立，便于系统的开发和维护。递递阶阶控控制制特特点点：愈愈往往底底层层，实实时时性性愈愈强强；愈愈到到上上层层，处处理信息量愈大，实时性要求愈小。理信息量愈大，实时性要求愈小。FMS三层递阶控制结构三层递阶控制结构q系统管理与控制层（单元控制层）系统管理与控制层（单元控制层）-接受上级任务，制接受上级任务，制 定系统作业计划，进行任务分配，监控系统执行；定系统作业计划，进行任务分配，监控系统执行；q过程协调与监控层（工作站层）过程协调与监控层（工作站层）-加工程序分配、协调加工程序分配、协调 工件流动、运行状态采集监控、向上层反馈信息；工件流动、运行状态采集监控、向上层反馈信息；q设备控制层设备控制层-控制设备工作循环，执行上层控制指令，控制设备工作循环，执行上层控制指令，反馈现场数据。反馈现场数据。FMS控制与管理系统的体系结构控制与管理系统的体系结构2024/7/12武汉理工大学机电学院59/72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YGFMS单元控制器层次结构2024/7/12武汉理工大学机电学院60/72q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；q系统信息管理-对单元信息进行存储、管理和维护；q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；q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；q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。FMS单元控制器功能单元控制器功能2024/7/12武汉理工大学机电学院61/72（1）FMS单元控制器的数据关系单元控制器的数据关系 生产管理信息生产管理信息 生产作业计划生产作业计划 物料需求计划物料需求计划 能力需求计划能力需求计划 生产工艺信息生产工艺信息 工艺计划信息工艺计划信息 数控加工程序数控加工程序 系统设备状态信息系统设备状态信息 制造设备的状态信息制造设备的状态信息 物料储运系统状态信息物料储运系统状态信息 刀具储运系统状态信息刀具储运系统状态信息 FMS单元控制器的控制与调度模型单元控制器的控制与调度模型2024/7/12武汉理工大学机电学院62/72（2）FMS生产准备系统生产准备系统 获取生产作业计划、工艺计划与获取生产作业计划、工艺计划与NC程序程序 刀具准备刀具准备 工装与工件毛坯准备工装与工件毛坯准备 系统配置与数据核对系统配置与数据核对 （3）FMS实时动态调度实时动态调度 单元控制器在系统加工过程中，依据系统当前的实单元控制器在系统加工过程中，依据系统当前的实时状态，对生产活动进行动态优化控制。时状态，对生产活动进行动态优化控制。2024/7/12武汉理工大学机电学院63/72MC AMC B中央托盘区中央托盘区物料小车物料小车装卸站装卸站1.拖夹具到装卸站；拖夹具到装卸站；2.向装卸站发装工件的命令向装卸站发装工件的命令；3.送毛坯从装卸站送毛坯从装卸站MC1或或MC2；4.下载下载NC程序；程序；5.启动加工启动加工；FMS控制器控制器6.然后重复上述过程（拉托盘装工件送加然后重复上述过程（拉托盘装工件送加工中心加工）；工中心加工）；7.运送完成加工的零件到下一工序或出系统运送完成加工的零件到下一工序或出系统；8.卸工件卸工件；9.装工件或送夹具回装工件或送夹具回。注意：注意：上述过程按照系统运行逻辑并行运行，直至生产作业计划完成为止。上述过程按照系统运行逻辑并行运行，直至生产作业计划完成为止。FMS动态调度过程动态调度过程2024/7/12武汉理工大学机电学院64/72（4）FMS实时动态调度系统建模实时动态调度系统建模 离散控制系统常用的系统建模工具有：离散控制系统常用的系统建模工具有：Petri网理论、活网理论、活动循环图法（动循环图法（Activity Cycle Diagram，ACD）等）等（5）FMS动态调度决策规则动态调度决策规则l工件的投入；工件的投入；l工件选择设备；工件选择设备；l设备选择工件；设备选择工件；l传送设备选择；传送设备选择；l成品退出系统等。成品退出系统等。零件投入规则零件投入规则 每种零件的批量比例关系每种零件的批量比例关系 零件的优先级（按交货日期确定）零件的优先级（按交货日期确定）当前装卸站的夹具优先等当前装卸站的夹具优先等2024/7/12武汉理工大学机电学院65/72 工作站控制器的功能工作站控制器的功能l刀具工作站控制系统；刀具工作站控制系统；l物料工作站控制系统；物料工作站控制系统；l制造工作站控制系统。制造工作站控制系统。如果如果FMS体系结构总中没有设置工作站级，工作站控制体系结构总中没有设置工作站级，工作站控制器的功能通常被分配到单元控制器上和（或）设备控制器器的功能通常被分配到单元控制器上和（或）设备控制器上。上。设备级控制器的功能设备级控制器的功能 设备控制器通常是由设备制造商提供，运行在设备控设备控制器通常是由设备制造商提供，运行在设备控制机上，如制机上，如NC、CNC等。设备控制器的主要功能是对设备等。设备控制器的主要功能是对设备进行控制和管理，实现相应的功能，对于集成到进行控制和管理，实现相应的功能，对于集成到FMS中的中的设备还必须实现设备还必须实现FMS接口功能。接口功能。2024/7/12武汉理工大学机电学院66/72五、计算机集成制造系统五、计算机集成制造系统（CIMS）1.CIMS的功能构成2024/7/12武汉理工大学机电学院67/72CIMS递阶控制结构2024/7/12武汉理工大学机电学院68/72CIMS递阶控制结构 在由工厂、车间、单元、工作站、设备等五层控制所织在由工厂、车间、单元、工作站、设备等五层控制所织成的成的CIMS体系结构模型中，柔性制造系统覆盖了其中的底体系结构模型中，柔性制造系统覆盖了其中的底三层，即单元层、工作站层和设备层。在工厂的经营管理、三层，即单元层、工作站层和设备层。在工厂的经营管理、工程设计、制造三大功能中工程设计、制造三大功能中FMS负责制造功能的实施，所负责制造功能的实施，所有产品的物理转换部是由制造单元完成的。工厂的经营管理有产品的物理转换部是由制造单元完成的。工厂的经营管理所制定的经营目标、设计部门所完成的产品设计、工艺设计所制定的经营目标、设计部门所完成的产品设计、工艺设计等都要出制造单元来实现。可见制造单元的运行特性对整个等都要出制造单元来实现。可见制造单元的运行特性对整个工厂具有举足轻重的作用。工厂具有举足轻重的作用。2024/7/12武汉理工大学机电学院69/722.CIMS的关键技术（1）信息集成；（2）过程集成；（3）企业集成。