第四讲自动化制造系统的总体设计

*,第,四,章 自动化制造系统的总体设计,本 章 要 点,4.1,系统的可行性论证,4.2,系统分析及系统类型的选择,4.3,系统总体设计的内容及步骤,4.5,总体布局和设备配置设计,4.4,零件族的确定及工艺分析,4.6,自动化制造系统的控制与生产管理,4.7,自动化制造系统的可靠性分析,1,总体设计的目的是在所确定的自动化制造系统的总目标下，从全局出发，对各组成部分之间的联系及其规律加以分析，进行零件族的选择与工艺分析、设备选型与总体布局设计、明确各子系统的性能及技术指标、各机械接口和软件接口的设计等，以保证各部分之间的有机协调，使所建成的系统具有最大的设备利用率、尽可能高的生产率、良好的系统柔性及经济性，能较好地满足用户对该系统的要求。,自动化制造系统的总体设计,前 言,2,4.1,系统的可行性论证,一、进行可行性论证的意义,二、可行性论证的内容,1,、可行性论证的内涵,2,、,必要性论证,a,、现实的必要性,b,、预见的,必要性,3,、可行性论证应考虑的因素,4,、,系统技术方案的可行性分析,5,、投资概算,6,、,效益分析,7,、系统实施计划,8,、形成论证报告,3,4.2,系统分析及系统类型的选择,系统分析,自动化制造系统类型选择的意义和原则,压力加工,油漆,车身装配,内部装饰,驱动桥装配,变速箱装配,轮胎装配,底盘装配,车身安装 最后试验,发动机装配,发动机试验,机械加工,热处理,锻造,熔化,造型,浇铸,压铸,油漆,机械加工,自动线,热处理,4,4.3,总体设计的内容及步骤,自动化制造子系统逻辑关系,5,4.3,总体设计的内容及步骤,总体设计的内容,总体设计的步骤,需求订货信息,生产计划信息,进度计划信息,作业计划信息,生产结果数据,生产控制信息,生产技术信息,产品设计信息,综合生产计划,生产进度计划,作业计划,生产实施,生产控制,产品设计,工艺过程计划,工艺过程信息,计划阶段,实施阶段,控制阶段,制造系统的组成,6,批量法则,在大批量生产中，由于采用专用、高效和自动化的生产设备，可以获得高的生产率，低的生产成本，短的生产周期；而多品种、小批量生产则相反。,机床利用率,例：,CA6140,车床，最大加工直径,400,，,实际加工,90, 以上工件直径不足,100mm,，,机床利用率极低。,制造周期,在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约,5,，其余,95,均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间不足,30%,。,多品种、中小批量生产中存在的问题,4.4,零件族的确定及工艺分析,7,目前，单件小批量生产的产品占机械产品总数的,70, 以上，并有继续增大的趋势。解决多品种、中小批量生产的有效途径是采用,GT,。,5,95,调整、装夹、对刀、检测等,切削,30,70,加工时间,运输与等待时间,制造周期,加工时间,图,1-13,多品种、中小批量生产的时间分配,4.4,零件族的确定及工艺分析,8,GT,的客观基础,二次相似性,结构（形状、尺寸、精度,）,材料（材质、毛坯、热处理,）,工艺（加工方法、加工设备,）,一次相似性,机械零件之间存在相似性,这种相似性主要表现在三个方面：,机械产品中各类零件出现有明显的规律性（图,1-14,）,正是由于,70%,左右的零件属于相似件，构成实施成组技术的客观基础。,4.4,零件族的确定及工艺分析,9,标准件,复杂件,相似件,20,25%,70%,5,10%,零件复杂程度,零件出现频数,图,1-14,机械产品中不同复杂程度零件分布规律,4.4,零件族的确定及工艺分析,10,图,1-15,结构相似零件组,图,1-16,工艺相似零件组,4.4,零件族的确定及工艺分析,11,GT,定义,一般性定义：,GT,是一门生产技术科学，研究和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得最佳效果。,机械制造领域中定义：将多种零件（部件或产品）按其相似性分类成组，并以这些零件组（部件组或产品组）为基础组织生产，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。,GT,被认为,是一种,“,制造哲理,”,（,Manufacturing Philosophy,）,，,是现代制造技术的一个重要理论基础。,4.4,零件族的确定及工艺分析,12,图,1-17,成组技术基本原理,产品,部件,零件,零件组,A,B,C,A1,A2,A3,B1,B2,C1,C2,C3,C4,将多种零件按其相似性分类成组，人为扩大生产批量,重复使用原则：,资源重复使用，降低生产成本；,作业熟练程度增加，提高生产率。,GT,工作原理,4.4,零件族的确定及工艺分析,13,GT,发展简况,20世纪,50,年代，前苏联院士,在其,著作“,成组工艺科学原理,”,中首次提出,“,成组技术,”,。,20世纪,60,年代西欧研究,GT,形成高潮，代表人物首推阿亨工业大学,Opitz,教授，他所领导的小组进行了大量的调查研究工作，为成组技术提供了重要的理论依据。,20世纪,70,年代，美国、日本接受成组技术，并迅速与计算机技术联系在一起，使其得到更好的应用。,20世纪,80、90,年代，,GT,与各种新的制造方式相结合，,成为现代制造技术的基础。,GT,发展过程：,成组加工,成组工艺,成组技术,成组生产系统,4.4,零件族的确定及工艺分析,14,1,）,综合零件法,综合零件包含了零件组内所有零件的结构要素，它可以是一个实际零件，但更多情况是一个假想零件。,按综合零件编制工艺规程，则该工艺规程包含了零件组内所有零件的工艺内容。,综合零件法多用于回转体零件的成组工艺过程设计。,成组工艺过程设计,2,）,综合路线法,将零件组内所有零件的工艺内容综合在一起，形成成组工艺。,多用于非回转体零件的成组工艺过程设计。,4.4,零件族的确定及工艺分析,15,综合零件,图,1-23,综合零件,实际零件,【例】,4.4,零件族的确定及工艺分析,16,特征矩阵,综合零件,成组工艺过程卡,车间,零件组代号,页,工序号,工 序 名 称 及 内 容,机 床,适 用 零 件,车右端面,打中心孔,车外圆,(,留磨量,),车螺纹,倒角,切槽,切断,1,C6132,A B C D E,2,车左端面,打中心孔,倒角,铣键槽（铣横槽,铣扁）,3,C6132,X51W,4,调质,5,研中心孔,C6132,6,磨外圆,M121,1 2 3 4 5 6 7 8 9,01,2,3,4,5,6,7,8,9,4.4,零件族的确定及工艺分析,17,1,）,加工单元组织形式,成组单机,成组单元,成组流水线,成组柔性制造系统,图,1-24,成组单元布置形式,加工单元设计,a,）,机群式布局,G,G,G,D,D,M,M,进出料口,L,L,L,L,L,L,A,A,M,M,b,）,成组单元布局,L,L,L,M,M,D,D,G,G,A,出料口,进料口,4.4,零件族的确定及工艺分析,18,图1-25,FMS,自动仓库,工厂计算机,中央计算机,物流控制计算机,信 息 传 输 网 络,加工单元,1,加工单元,2,加工单元,n,运输小车,工,夹具站,4.4,零件族的确定及工艺分析,2,）,确定机床数量,式中,Q,j,计算的机床台数,N,i,第,i,种零件年需求量,t,ij,第,i,种零件在第,j,种机床上的单件工时,F,机床年台时基数,（,4-4,）,（4-4a）,F,=,250 ,M, 8 ,K,式中,M,班次,K,开机系数，常取,0.9,0.95,计算,机床台数,：,4.4,零件族的确定及工艺分析,20,一般要求,：,0.85,关键、稀少设备允许,=1.1,1.2,简单设备,值可适当减小,负荷调整与平衡：,负荷过低，可几个单元共用一台机床,也可扩大单元内零件组数或组内零件数,机床负荷率,：,（,4-6,）,实际机床台数,：,Q,j,Q,j,（4-5）,4.4,零件族的确定及工艺分析,21,4.5,总体布局和设备配置设计,自动化制造系统的组成,独立工作的设备,物料运贮系统,系统运行控制与通信系统,22,一、设备配置设计,一）、设备选择设计,二）、机械设备的配置,4.5,总体布局和设备配置设计,机械加工机床,工件装卸站,工件检测设备,其他工作设备,23,三）、,物料运贮系统的设备配置,4.5,总体布局和设备配置设计,物料的搬运,是指在同一场所范围内的、以改变物料的存放（支撑）状态（及狭义的装卸）和空间位置（既狭义的搬运）为主要目的的活动，即对物料、产品、零部件或其他物品进行搬上、卸下、移动的活动。,输送设备,是在一定的线路上，沿同一方向连续不断地输送物料的一种搬运设备。常见的输送设备有辊式、链式、轮式、带式、悬挂式等多种形式。,物料输送、搬运在生产领域各个生产环节中起着相互连接与转换作用，使生产能连续正常进行。,24,物料搬运的一般原则有：,1.,保持或提高物料的搬运活性。,2.,减少环节，简化作业流程，实现物流合理化。,3.,以满足生产工艺的需要为前提，充分发挥机械设备的利用率。,4.,实现机械化、自动化的原则。,5.,贯彻系统化、标准化原则。,25,一、连续输送设备,输送机是物流系统作业中重要的且必不可少的设备，其特点在于：,生产率高，设备简单，操作方便。,一定类型的连续输送机只适合输送一定的物品，只能沿着一定路线定向输送，在使用上有一定的局限性。,按结构形式的分类方法分，连续输送机分为三大类：,具有挠性牵引构件的连续输送机,不具有挠性牵引构件的连续输送机,液体输送装置（管道输送）。,26,通用带式输送机,主要由输送带、支撑托辊、张紧装置、驱动装置、改向装置、装料装置、卸料装置、机架等装置组成。,27,气垫槽式带式输送机,28,带式输送机典型布置形式,29,圆管带式输送机,30,波状挡边带式输送机,1,卸料漏斗；,2,头部护罩；,3,传动滚筒；,4,清扫器；,5,挡边带；,6,凸弧段机架；,7,压带轮；,8,挡轮；,9,中间机架；,10,中间架支腿；,11,上托辊；,12,凹弧段机架；,13,改向滚筒；,14,下托辊；,15,导料槽；,16,空段清扫器；,17,尾部辊轮；,18,尾架；,19,拉紧装置。,31,波状档边输送带,32,（二）链式输送机,链式输送机由链条、链轮，以及电动机、减速器、联轴器等组成。长距离输送时，还应附加张紧装置和链条支撑导轨，有关电动机、减速器、联轴器的选用与带输送机相同。,33,链式输送机结构原理图,1,电动机；,2,平带；,3,链轮；,4,链条；,5,锥齿轮；,6,减速器。,34,1.,埋刮板式输送机,链式输送机的形式有平板式输送机、刮板式输送机、斗式提升机、埋刮板式输送机等。,埋刮板式输送机,水平型,b,）,z,型,c,）刮板链条,1,张紧段；,2,加料段；,3,水平段；,4,刮板链条；,5,头部；,6,弯曲段；,7,垂直中间段；,8,上回转段。,35,常用的链条类型,a,）,模锻链,b,）,套筒滚子链,c,）,板链,36,刮板的基本形状,a,）,T,型,b,）,V,型,c,）,U,型,d,）,B,型,e,）,O,型,f,）,H,型,g,）,L,型,37,2.,悬挂输送机,悬挂输送系统更加节省空间，更容易与工艺流程结合，因此广泛应用在各个工业部门的流水生产线的各工序之间，如机器制造业、汽车制造业、冶炼厂、建材工业、食品工业及其他经济部门。,38,悬挂输送机,39,悬挂输送机的自动装载,40,提式滑架,1,架空导轨；,2,滑架；,3,牵引链；,4,挂吊具,41,推式滑架,1,车体；,2,推头；,3,框板；,4,牵引轨道；,5,牵引链；,6,挡块；,7,承重轨道；,8,滚轮；,9,导向轮。,42,双滑架示意图,43,各种形式的吊具,a,）通过型,b,）导向型,c,）转向型,d,）旋转型,e,）屏蔽型,f,）装卸型,g,）柔性两点吊具,h,）刚性两点吊具,i,）多点吊具,44,坠重式张紧装置,45,3.,辊子输送机,辊子输送机主要用来输送具有一定规则形状、底部平直的成件物品。它结构简单、运行可靠、维护方便、经济节能；近,20,年来，各种通用的和专用的辊子输送机得到了迅速广泛发展。,46,辊道式输送机,1,辊子；,2,支架；,3,支腿；,4,物品；,5,传动装置；,6,驱动装置。,47,辊子链轮传动示意图 单链条传动,48,圆锥齿轮传动的辊子输送机,1,辊子轴；,2,锥齿轮；,3,传动轴；,4,减速箱；,5,电动机。,49,压辊胶带传动,50,辊子回转台,51,滚珠回转台,52,具有特殊构造的辊子转运机构,53,摆动式叉道,54,辊道式升降台,55,辊道式转运台,56,搬运机器人,1.,物料搬运的概念、作用及目的,在同一场所范围内、以改变物料的存放状态和空间位置为,主要目的的活动。,物料的输送、搬运在生产领域各个环节起着连接和转换作,用，使生产能够正常的进行。,正确的选择输送搬运设备，按一定的搬运原则对物料进行搬,运，是提高搬运效率、降低成本的先决条件。,57,搬运机器人类型、功能与应用,生产过程中的物料搬运机器人,货场物料搬运机器人,搬运自动化设备,搬运机器人,自动搬运小车,58,柔性加工单元的机器人,59,柔性加工系统中机器人,1,拉床,2,车床,3,插齿机,4,剃齿机,5,塔式存储架,6,机器人,7,去毛刺机,三台机器人分别负责柔性加工系统上下料工作,60,焊接线上的搬运机器人,61,电子板装配、打包机器人,62,码垛机器人,63,自动搬运小车,自动搬运小车是生产系统中搬运物料的一种重要工具。又称自动导引小车,AGV,（,Automatic Guided Vehicle,）。,AGV,是以电池为动力，装有非接触导向装置、独立寻址系统的无人驾驶自动运输车，是物流系统的重要搬运设备，随着工厂自动化、计算机集成系统技术和物流业的发展，自动导向搬运车得到了广泛的应用。,64,分拣装置,分拣是指把物品按不同的品种、不同的地点和单位及顾客的定货要求，把货按一定方式进行分类、集中并分配到指定地点。,按分拣的手段不同，分拣可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。,自动分拣是指在从货物进入分拣系统直到将货物送到指定的分配位置的过程中，货物的运送都是按照一定的指令，依靠自动分拣装置来完成。,65,自动分拣设备的结构及组成,自动分拣系统,1,输入输送带；,2,喂料输送带；,3,钢带输送带；,4,刮板式分流器；,5,送出辊道；,6,分拣道口；,7,信号给定器；,8,激光读码器；,9,通过捡出器；,10,磁信号发生器；,11,控制器；,12,磁信号读取器,66,升降机构,升降机构由电动机、制动器、卷筒或链轮、柔性件，以及防落安全装置组成。常用的柔性件有钢丝绳和起重链。,升降机构的工作速度一般控制在,15-25m/min,，最高可达,45m/min,。升降速度应备有慢速挡，如,3-5m/min,，主要用于堆垛机平稳准停、货叉短距离取货、放货时的升降。,67,起动链传动升降机构 钢丝绳传动升降机构,68,载货台及装、取货伸缩机构,货叉的伸缩速度一般控制在,15m/min,以下，最高可达,30m/min,。为了便利起动和制动，当伸缩速度大于,10m/min,时，应设置慢速挡。,69,梁式起重机,a,手动单梁起重机,b,手动双梁起重机,c,手动单梁悬挂起重机,70,起重设备,固定旋转起重机,港口起重机,71,轮胎起重机,1,起重臂；,2,变副滑轮组；,3,机棚；,4,人字架；,5,支腿；,6,后桥；,7,回转滚盘；,8,底架；,9,前桥；,10,吊钩,72,自动化存储,自动化存储的特点,（,1,）高层货架存储。,（,2,）自动存取。,（,3,）计算机控制。,73,74,自动化存储区的布置,叉车出入库台方式,1-,计算机；,2,叉车；,3,控制台；,4,货箱停放站；,5,立体货架；,6,堆垛机；,7,机轨。,高层货架区和作业区的衔接方式,75,自动引导小车出入库台方式,1,叉车；,2,货箱停放台；,3,宽度、高度检验；,4,辊子货台；,5,长度检验；,6,辊子输送机；,7,入库台；,8,控制室；,9,自动引导小车；,10,出入库台；,11,堆垛机；,12,转移台车；,13,出库台；,14,辊子输送机；,15,货架。,76,自动引导小车输送机方式,1,输送机；,2,自动引导小车；,3,托盘码放机；,4,堆垛机,77,货物单元出、入高层货架的形式,贯通式,:,指货物从巷道的一段入库，从另一端出库。该方式总体布置简单，便于管理和维修。,同端出入式,:,指货物入库和出库在巷道的同一端。这,种方式采用就近入库和出库的原则，能,缩短出入库周期，提高搬运效率。,旁流式,:,指货物从仓库的一端（或者侧面）入库，从,侧面（或者一端）出库，该方式在货架中间分开，设立通道，同侧门相通，从而减少了货格，即较少了库存量。,78,总体平面布局设计,1,、目标、依据及原则,2,、基本形式,3,、设备平面布局的设计方法,79,4-6,自动化制造系统的控制与生产管理,一、自动化制造系统控制系统的任务,1,、,各种设备的自动控制,2,、生产计划调度管理,3,、制造质量控制,4,、信息与通信管理,5,、系统状态监控,二、自动化制造系统的递阶控制结构,三、柔性制造系统的单元控制器,四、自动化制造系统的网络方案,五、自动化制造系统控制系统的设计,80,4-7,自动化制造系统的可靠性分析,一、系统可靠性分析的目的,二、系统可靠性分析的主要内容,三、系统可靠性分析的有关术语和定义,四、系统可靠性分析的基本方法与步骤,五、提高自动化制造系统可靠性的有效途径,81,