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自动化制造系统包括刚性制造和柔性制造

作者:非标自动化  来源:本站  发表时间:2019-11-11 13:19:35   浏览:

  自动化制造系统

  自动化制造系统是指在较少的人工直接或间接干预下,将原材料加工成零件或将零件组装成产品,在加工过程中实现管理过程和工艺过程自动化。管理过程包括产品的优化设计;程序的编制及工艺的生成;设备的组织及协调;材料的计划与分配;环境的监控等。工艺过程包括工件的装卸、储存和输送;刀具的装配、调整、输送和更换;工件的切削加工、排屑、清洗和测量;切屑的输送、切削液的净化处理等。

  自动化制造系统包括刚性制造和柔性制造,“刚性”的含义是指该生产线只能生产某种或生产工艺相近的某类产品,表现为生产产品的单一性。刚性制造包括组合机床、专用机床、刚性自动化生产线等。“柔性”是指生产组织形式和生产产品及工艺的多样性和可变性,可具体表现为机床的柔性、产品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。柔性制造包括柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性制造线(FML)、柔性装配线(FAL)、计算机集成制造系统(CIMS)等。下面依据自动化制造系统的生产能力和智能程度进行分类介绍。

  一、刚性自动化生产

  1、刚性半自动化单机

  除上下料外,机床可以自动地完成单个工艺过程的加工循环,这样的机床称为刚性半自动化机床。这种机床一般是机械或电液复合控制式组合机床和专用机床,可以进行多面、多轴、多刀同时加工,加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列;切削刀具由人工安装、调整,实行定时强制换刀,如果出现刀具破损、折断,可进行应急换刀;例如:单台组合机床,通用多刀半自动车床,转塔车床等。从复杂程度讲,刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次,但是投资少、见效快,适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点是调整工作量大,加工质量较差,工人的劳动强度也大。

 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自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。辅助装置包括自动工件输送、上料,下料、自动夹具、升降装置和转位装置等;切屑处理一般由刮板器和螺旋传送装置完成。这种机床实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。这种机床往往需要定做或改装,常用于品种变化很小,但生产批量特别大的场合。主要特点是投资少、见效快,但通用性差,是大量生产最常见的加工装备。

  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。在刚性自动线上,被加工零件以一定的生产节拍,顺序通过各个工作位置,自动完成零件预定的全部加工过程和部分检测过程。因此,与刚性自动化单机相比,它的结构复杂,任务完成的工序多,所以生产效率也很高,是少品种、大量生产必不可少的加工装备。除此之外,刚性自动生产线还具有可以有效缩短生产周期,取消半成品的中间库存,缩短物料流程,减少生产面积,改善劳动条件,便于管理等优点。它的主要缺点是投资大,系统调整周期长,更换产品不方便。为了消除这些缺点,人们发展了组合机床自动线,可以大幅度缩短建线周期,更换产品后只需更换机床的某些部件即可(例如可更换主轴箱),大大缩短了系统的调整时间,降低了生产成本,并能收到较好的使用效果和经济效果。组合机床自动线主要用于箱体类零件和其他类型非回转体的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工。刚性自动化生产线目前正在向刚柔结合的方向发展。

  所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局图。该自动线年生产曲拐零件1700件,毛坯是球墨铸铁件。由于工件形状不规则,没有合适的输送基面,因而采用了随行夹具安装定位,便于工件的输送。

  该曲拐加工自动线由7台组合机床和1个装卸工位组成。全线定位夹紧机构由1个泵站集中供油。工件的输送采用步伐式输送带,输送带用钢丝绳牵引式传动装置驱动。因毛坯在随行夹具上定位需要人工找正,没有采用自动上下料装置。在机床加工工位上采用压缩空气喷吹方式排除切屑,全线集中供给压缩空气。切屑运送采用链板式排屑装置,从机床中间底座下方运送切屑。

  自动线布局采用直线式,工件输送带贯穿各工位,工件装卸工位4设在自动线末端。随行夹具连同工件毛坯经升降机5提升,从机床上方送到自动线的始端,输送过程中没有切屑撒落到机床上、输送带上和地面上。切屑运送方向与工件输送方向相反,斗式切屑提升机1设在自动线始端。中央控制台6设在自动线末端位置。

  刚性自动线生产率高,但柔性较差,当加工工件变化时,需要停机、停线并对机床、夹具、刀具等工装设备进行调整或更换(如更换主轴箱、刀具、夹具等),通常调整工作量大,停产时间较长。

  二、柔性制造单元FMC

  柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)是由单台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等组成。它是实现单工序加工的可变加工单元,单元内的机床在工艺能力上通常是相互补充的,可混流加工不同的零件。系统对外设有接口,可与其它单元组成柔性制造系统。

  1、FMC控制系统

  FMC控制系统一般分二级,分别是单元控制级和设备控制级。

  (1)设备控制级是针对各种设备,如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置等的单机控制。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。设备控制器的功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务,并通过各种传感器监控这些任务的执行。设备控制级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)单元控制级这一级控制系统是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。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。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

  (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。

  柔性制造单元

  1—数控车床2—加工中心3—装卸工位4—龙门式机械手5—机器人6—加工中心控制器

  7—车床数控装置8—龙门式机械手控制器9—小车控制器10—加工中心控制器11—机器人控制器

  12—单元控制器13、14—运输小车

  所示为一加工回转体零件为主的柔性制造单元。它包括1台数控车床,1台加工中心,两台运输小车用于在工件装卸工位3、数控车床1和加工中心2之间的输送,龙门式机械手4用来为数控车床装卸工件和更换刀具,机器人5进行加工中心刀具库和机外刀库6之间的刀具交换。控制系统由车床数控装置7,龙门式机械手控制器8,小车控制器9,加工中心控制器10,机器人控制器11和单元控制器12等组成。单元控制器负责对单元组成设备的控制、调度、信息交换和监视。

  带托盘库的柔性制造单元

  1-刀具库2-换刀机械手3-托盘库4-装卸工位5-托盘交换机构

  图8-3所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元主机是一台卧式加工中心,刀库容量为70把,采用双机械手换刀,配有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。托盘的选择和定位由可编程控制器控制,托盘库具有正反向回转、随机选择及跳跃分度等功能。托盘的交换由设在环形台面中央的液压推拉机构实现。托盘库旁设有工件装卸工位,机床两侧设有自动排屑装置。

  三、柔性制造系统FMS

  柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem)是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,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。这些加工设备都是计算机控制的,加工零件的改变一般只需要改变数控程序,因而具有很高的柔性。自动化加工设备是自动化制造系统最基本,也是最重要的设备。

  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。刀具库有中央刀库和机床刀库。刀具输送装置有不同形式的运输小车、机器人或机械手。刀具交换装置通常是指机床上的换刀机构,如换刀机械手。

  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:①自动清洗工作站;②自动去毛刺设备;③自动测量设备;④集中切屑运输系统;⑤集中冷却润滑系统等。

  5、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。

  FMS控制系统实例

  (1)设备控制级是针对各种设备,如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置以及储存/检索等的单机控制。这一级的控制系统向上与工作站控制系统用接口连接,向下与设备连接。设备控制器的功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务,并通过各种传感器监控这些任务的执行。

  (2)工作站控制级FMS工作站一般分成加工工作站和物流工作站。加工工作站完成各工位的加工工艺流程、刀具更换、检验等管理;物流工作站完成原料、成品及半成品的储存、运输、工位变换等管理。这一级控制系统是指挥和协调单元中一个设备小组的活动,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。设备控制级和工作站控制级等控制系统一般采用具有较强控制功能的有实时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。

  (3)单元控制级单元控制级作为FMS的最高一级控制,是全部生产活动的总体控制系统,同时它还是承上启下、沟通与上级(车间)控制器信息联系的桥梁。因此,单元控制器对实现底三层有效的集成控制,提高FMS的经济效益,特别是生产能力,具有十分重要的意义。单元控制级一般采用具有较强实时处理能力的小型计算机或工作站。

  是一种较典型的FMS,4台加工中心直线布置,工件储运系统由托盘站2、托盘运输无轨小车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。刀具储运系统由中央刀库8、刀具进出站6、刀具输送机器人移动车7和刀具预调仪5等组成。单元控制器9、工作站控制器(图中未标出)和设备控制装置组成三级计算机控制。切屑运输系统没有采用集中运输方式,每台加工中心均配有切屑运输装置。

  具有装配功能的柔性制造系统

  1—控制柜2—手工工位3—紧固机器人4—装配机器人5—双臂机器人6—清洗站7—仓库

  8—车削加工中心9—多坐标测量仪10—镗铣加工中心11—刀具预调站12—装配机器人13—小件装配站14—装夹站15—AGV(自动导引小车)16—控制区

  所示是一个具有柔性装配功能的柔性制造系统。图的右部是加工系统,有一台镗铣加工中心10和一台车削中心8。9是多坐标测量仪,7是立体仓库、14是装夹具区。图的左部是一个柔性装配系统,其中有一个装载机器人12、三个装夹具机器人3、4、13;一个双臂机器人5、一个手工工位2和传送带。柔性加工和柔性装配两个系统由一个自动导向小车作为运输系统15连接。测量设备也集成在总控系统范围内。

  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。

  四、柔性制造线FML

  制造柔性线(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与柔性制造系统之间的界限也很模糊,两者的重要区别是前者象刚性自动线一样,具有一定的生产节拍,工作沿一定的方向顺序传送,后者则没有一定的生产节拍,工件的传送方向也是随机性质的。柔性制造线主要适用于品种变化不大的中批和大批量生产,线上的机床主要是多轴主轴箱的换箱式和转塔式加工中心。在工件变换以后,各机床的主轴箱可自动进行更换,同时调入相应的数控程序,生产节拍也会作相应的调整。

  柔性制造线的主要优点是: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。有时为了节省投资,提高系统的运行效率,柔性制造线常采用刚柔结合的形式,即生产线的一部分设备采用刚性专用设备(主要是组合机床),另一部分采用换箱或换刀式柔性加工机床。

  1、自动化加工设备组成FML的自动化加工设备有数控机床、可换主轴箱机床。可换主轴箱机床是介于加工中心和组合机床之间的一种中间机型。可换主轴箱机床周围有主轴箱库,根据加工工件的需要更换主轴箱。主轴箱通常是多轴的,可换主轴箱机床对工件进行多面、多轴、多刀同时加工,是一种高效机床。

  2、工件输送系统FML的工件输送系统和刚性自动线类似,采用各种传送带输送工件,工件的流向与加工顺序一致,依次通过各加工站。

  3、刀具可换主轴箱上装有多把刀具,主轴箱本身起着刀具库的作用,刀具的安装、调整一般由人工进行,采用定时强制换刀。

  为一加工箱体零件的柔性自动线示意图,它由2台对面布置的数控铣床,4台两两对面布置的转塔式换箱机床和1台循式换箱机床组成。采用辊道传送带输送工件。这条自动线看起来和刚性自动线没有什么区别,但它具有一定的柔性。FML同时具有刚性自动线和FMS的某些特征。在柔性上接近FMS,在生产率上接近刚性自动线。

  五、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,不可编程的自动装配装置和人工装配工位。

  2、物料输送装置

  在FAL中,物料输送装置根据装配工艺流程为装配线提供各种装配零件,使不同的零件和已装配成的半成品合理地在各装配点间流动,同时还要将成品部件(或产品)运离现场。输送装置由传送带和换向机构等组成。

  3、控制系统

  FAL的控制系统对全线进行调度和监控,主要是控制物料的流向、自动装配站和装配机器人。

  柔性装配示意图

  1—无人驾驶输送装置2—传送带3—双臂装配机器人4—装配机器人

  5—拧螺纹机器人6—自动装配站7—人工装配工位8—投料工作站

  线中有无人驾驶输送装置1,传送带2,双臂装配机器人3,装配机器人4,拧螺纹机器人5,自动装配站6,人工装配工位7和投料工作站8等组成。投料工作站中有料库和取料机器人。料库有多层重叠放置的盒子,这些盒子可以抽出,也称之为抽屉,待装配的零件存放在这些盒子中。取料机器人有各种不同的夹爪,它可以自动地将零件从盒子中取出,并摆放在一个托盘中。盛有零件的托盘由传送带自动地送往装配机器人或装配站。

  六、计算机集成制造系统(CIMS)

  计算机集成制造系统(ComputerIntergratedManufacturingSystem)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务的全新的企业生产模式。

  1、CIMS的功能构成

  CIMS的功能构成包括下列内容,如图8-9所示。

  (1)管理功能CIMS能够对生产计划、材料采购、仓储和运输、资金和财务以及人力资源进行合理配置和有效协调。

  (2)设计功能CIMS能够运用CAD、CAE、CAPP(计算机辅助工艺编制)、NCP(数控程序编制)等技术手段实现产品设计、工艺设计等。

  (3)制造功能CIMS能够按工艺要求,自动组织协调生产设备(CNC、FMC、FMS、FAL、机器人等)、储运设备和辅助设备(送料、排屑、清洗等设备)完成制造过程。

  (4)质量控制功能CIMS运用CAQ(计算机辅助质量管理)来完成生产过程的质量管理和质量保证,它不仅在软件上形成质量管理体系,在硬件上还参与生产过程的测试与监控。

  (5)集成控制与网络功能CIMS采用多层计算机管理模式,例如工厂控制级、车间控制级、单元控制级、工作站控制级、设备控制级等,各级间分工明确、资源共享,并依赖网络实现信息传递。CIMS还能够与客户建立网络沟通渠道,实现自动定货、服务反馈、外协合作等。

  从上述介绍可知,CIMS是目前最高级别的自动化制造系统,但这并不意味着CIMS是完全自动化的制造系统。事实上,目前意义上CIMS的自动化程度甚至比柔性制造系统还要低。CIMS强调的主要是信息集成,而不是制造过程物流的自动化。CIMS的主要特点是系统十分庞大,包括的内容很多,要在一个企业完全实现难度很大。但可以采取部分集成的方式,逐步实现整个企业的信息及功能集成。

  2、CIMS的关键技术

  CIMS是传统制造技术、自动化技术、信息技术、管理科学、网络技术、系统工程技术综合应用的产物,是复杂而庞大的系统工程。CIMS的主要特征是计算机化、信息化、智能化和高度集成化。目前各个国家都处在局部集成和较低水平的应用阶段,CIMS所需解决的关键技术主要有信息集成、过程集成和企业集成等问题。

  (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,是改善企业技术和管理水平必须首先解决的问题。信息集成的首要问题是建立企业的系统模型。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,这是企业信息集成的基础。其次,由于系统中包含了不同的操作系统、控制系统、数据库和应用软件,且各系统间可能使用不同的通信协议,因此信息集成还要处理好信息间的接口问题。

  (2)过程集成企业为了提高T(效率)、Q(质量)、C(成本)、S(服务)、E(环境)等目标,除了信息集成这一手段外,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,如在产品设计时就考虑到下游工作中的可制造性、可装配性、可维护性等,并预见产品的质量、售后服务内容等。过程集成还包括快速反应和动态调整,即当某一过程出现未预见偏差,相关过程及时调整规划和方案。

  (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。

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