机电一体化概论第7章.ppt

第七章第七章  柔性制造系统（柔性制造系统（FMS））（（Flexible Manufacturing System））第一节第一节 柔性制造系统的概念柔性制造系统的概念 一一般般说说来来，，柔柔性性制制造造系系统统尚尚无无统统一一的的定定义义，，各各国国的的专专家家对对它它的看法不太一致的看法不太一致 美美国国出出版版的的《《柔柔性性制制造造系系统统手手册册》》对对柔柔性性制制造造系系统统的的定定义义比比较较简简明明：：由由计计算算机机控控制制的的、、由由若若干干半半独独立立的的工工作作站站和和一一个个物物料料传传送系统送系统所组成的、能高效率地制造所组成的、能高效率地制造多品种、中小批量多品种、中小批量零件的系统零件的系统       1967年，英国莫林斯年，英国莫林斯（（Molins））公司提出把多台数控机床联公司提出把多台数控机床联成一体的成一体的柔性制造系统柔性制造系统的设想后来，美国的设想后来，美国K&I公司实现了用计公司实现了用计算机控制的柔性制造系统随着电子技术和计算机技术的高速发算机控制的柔性制造系统随着电子技术和计算机技术的高速发展，从展，从20世纪世纪80年代初，柔性制造系统得到较快的发展（据年代初，柔性制造系统得到较快的发展（据1986年美国机械工程协会统计，当时已有年美国机械工程协会统计，当时已有370条柔性制造系统在运行中）条柔性制造系统在运行中）。

 第二节第二节 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成 一、柔性制造系统的概况一、柔性制造系统的概况 1. 1. 中央管理与控制计算机中央管理与控制计算机功能：功能：★★接收工厂主计算机的指令接收工厂主计算机的指令 ★★对整个对整个FMS实行监控实行监控 ★★对数控机床或制造单元的加工数据实行控制对数控机床或制造单元的加工数据实行控制 ★★对夹具、工具实现集中管理和控制对夹具、工具实现集中管理和控制 ★★协调各控制装置之间的动作协调各控制装置之间的动作 2. 2. 制制造造单单元元――――是是FMS的的基基础础组组成成部部分分，，由由CNC机机床床和和工工业机器人组成业机器人组成 3. 3. 物物流流控控制制装装置置――――对对自自动动化化（（零零件件））仓仓库库、、无无人人输输送送台台车车、、加工的毛坯和成品、加工用的夹具等实行集中管理和控制加工的毛坯和成品、加工用的夹具等实行集中管理和控制      （（4））自自动动化化（（零零件件））仓仓库库――将将毛毛坯坯、、半半成成品品和和成成品品进进行行自自动调用或储存。

动调用或储存         5. 无无人人输输送送台台车车――行行走走于于机机床床之之间间、、机机床床与与自自动动化化（（零零件件））仓仓库库之之间间、、机机床床与与中中央央刀刀具具库库之之间间的的自自动动化化（（无无人人驾驾驶驶））台台车车，，可以是有轨的或无轨的可以是有轨的或无轨的         6.  中央刀具库中央刀具库――刀具集中存储区刀具集中存储区         7.  夹具站夹具站――及时实现对夹具的调整和维护及时实现对夹具的调整和维护         8.  信息传输网络信息传输网络――FMS中的通讯系统中的通讯系统         9. 随随行行工工作作台台（（PS））――实实现现从从无无人人台台车车到到制制造造单单元元之之间间传传送的缓冲功能送的缓冲功能        二、柔性制造系统的主要组成部分二、柔性制造系统的主要组成部分 对对于于一一般般的的FMS，，通通常常是是由由四四大大类类设设备备组组成成：：主主机机、、联联线线设设备、控制系统备、控制系统和和辅助设备辅助设备 1 1．主机．主机 FMS的的主主机机一一般般为为数数控控机机床床，，并并且且多多为为加加工工中中心心机机床床（（多多用用卧卧式式加加工工中中心心）），，也也有有数数控控车车削削加加工工中中心心（（可可车车、、钻钻、、铣铣，，有有铣铣大螺旋升角的槽的功能）。

大螺旋升角的槽的功能） 2 2．联线设备（自动物料传输系统）．联线设备（自动物料传输系统） 联联线线设设备备是是指指在在机机床床之之间间、、仓仓库库与与机机床床之之间间、、托托板板存存放放站站之之间输送和搬运工件、工具的设备间输送和搬运工件、工具的设备 （（1 1）运输托板）运输托板 在在专专门门的的导导轨轨上上或或在在辊辊道道上上往往返返运运动动，，一一般般配配置置在在机机床床的的出出入工位之间入工位之间      （（2 2）叉车式吊车）叉车式吊车 主要用于自动化仓库主要用于自动化仓库 （（3 3）运输小车）运输小车 1) 1) 有轨小车有轨小车――沿导轨运动沿导轨运动 2) 2) 无轨小车无轨小车（以蓄电池为能源）（以蓄电池为能源） ★★电磁引导式电磁引导式――由无线探测埋在地面下的电缆导向由无线探测埋在地面下的电缆导向 ★★光学反射式光学反射式――用白色或能反射光线的线条制导小车行走用白色或能反射光线的线条制导小车行走 （（4 4）工业机器人）工业机器人 工业机器人用于小工件的装卸和机床间的运输。

工业机器人用于小工件的装卸和机床间的运输 对对于于按按集集群群式式机机床床布布置置时时，，所所有有机机床床围围成成圆圆形形，，一一台台工工业业机机器人可为多台数控机床服务器人可为多台数控机床服务 工工业业机机器器人人常常用用于于无无夹夹具具的的回回转转体体零零件件的的装装卸卸目目前前已已有有用用工业机器人和车削加工中心组成的车削生产单元工业机器人和车削加工中心组成的车削生产单元         3 3．控制系统．控制系统 根根据据FMS的的规规模模大大小小，，控控制制系系统统的的复复杂杂程程度度有有所所不不同同FMS的的控控制制系系统统一一般般多多采采用用多多级级（（通通常常为为三三级级））分分布布式式计计算算机机控控制制系系统 第第一一级级主主要要是是对对机机床床和和工工件件装装卸卸机机器器人人的的控控制制，，其其中中包包括括工工作命令的安排调度、系统的监测等作命令的安排调度、系统的监测等 第第二二级级相相当当于于DNC的的（（中中央央计计算算机机））控控制制，，其其中中包包括括整整个个系系统统运运转转的的管管理理、、零零件件流流动动的的控控制制、、零零件件加加工工程程序序的的分分配配，，以以及及第第一级生产数据的收集。

一级生产数据的收集 第第三三级级负负责责全全面面的的生生产产管管理理，，主主要要编编制制日日程程进进度度计计划划，，并并将将生生产产所所需需信信息息（（如如加加工工零零件件的的种种类类、、数数量量、、期期限限以以及及所所需需刀刀具具的的种类等）送到第二级系统管理计算机种类等）送到第二级系统管理计算机        4 4．辅助设备．辅助设备 （（1 1）刀具监视和管理系统）刀具监视和管理系统 对刀具磨损补偿、更换破损刀具、刀具寿命管理对刀具磨损补偿、更换破损刀具、刀具寿命管理 （（2 2）切屑排除系统）切屑排除系统 （（3 3）零件自动清洗设备）零件自动清洗设备 （（4 4）零件自动测量装置）零件自动测量装置 一般在一般在FMS中，多用中，多用坐标测量机坐标测量机实现自动测量实现自动测量刚性制造系统刚性制造系统柔性制造系统柔性制造系统1．通常把作业划分为较．通常把作业划分为较   多、简单的工序多、简单的工序2．按分批投入的方式，．按分批投入的方式，   顺序完成上述各简单顺序完成上述各简单   工序工序3．完成单道（简单）工．完成单道（简单）工   序时间很短序时间很短4．单个工序自动化．单个工序自动化1．把作业划分为几个工序．把作业划分为几个工序 2．不同批次的不同工序可．不同批次的不同工序可   以交叉投入，加工顺序以交叉投入，加工顺序   可变动可变动3．完成单道工序加工时间．完成单道工序加工时间   稍长，总加工时间较短稍长，总加工时间较短4．全部加工工序自动化（可．全部加工工序自动化（可  实现整个加工过程无人实现整个加工过程无人  操作）操作）第三节第三节  柔性制造系统的特点柔性制造系统的特点         一、柔性制造系统与刚性制造系统的区别一、柔性制造系统与刚性制造系统的区别        二、二、FMS的柔性（灵活性）的柔性（灵活性） 1 1．机床加工的柔性．机床加工的柔性 系系统统中中的的机机床床通通过过配配置置相相应应的的刀刀具具、、夹夹具具、、NC程程序序等等，，即即可可加工加工给定零件族给定零件族中的零件。

中的零件 2 2．加工工序的柔性．加工工序的柔性 对能每一种零件改变工序顺序对能每一种零件改变工序顺序 3 3．零件流动路线的柔性．零件流动路线的柔性 系系统统在在加加工工零零件件过过程程中中出出现现局局部部故故障障时时，，能能重重新新选选择择工工件件路路径，并继续加工径，并继续加工 4 4．生产的柔性．生产的柔性 以多种流程、不成批生产的方式加工一组类型不同、材料不以多种流程、不成批生产的方式加工一组类型不同、材料不同的零件同的零件 5 5．产品的柔性．产品的柔性 能够经济和迅速地转变生产的产品能够经济和迅速地转变生产的产品 6 6．产量的柔性．产量的柔性 系统能够适应不同产量并具有好的经济效益系统能够适应不同产量并具有好的经济效益 7 7．扩展的柔性．扩展的柔性 具有在需要时能够容易地、模块化地扩展系统的能力具有在需要时能够容易地、模块化地扩展系统的能力         三、三、FMS的适用范围的适用范围          FMS适用批量零件数适用批量零件数50～～2000件，零件种类件，零件种类4～～100种。

种第四节第四节  FMS的分类的分类    一、根据规模大小分类一、根据规模大小分类    1．柔性制造模块（．柔性制造模块（FMM））  M－－Module    单台单台CNC机床＋工件自动装卸装置（机器人或托板交换装置）机床＋工件自动装卸装置（机器人或托板交换装置）    2．柔性制造单元（．柔性制造单元（FMC））  C－－Cell    2～～3台台CNC机床＋工件自动装卸装置＋工件自动传输设备机床＋工件自动装卸装置＋工件自动传输设备    3．柔性制造系统（．柔性制造系统（FMS））    ≥4台台CNC机床＋工件自动装卸装置＋工件自动传输设备机床＋工件自动装卸装置＋工件自动传输设备                                                                 （可能包括自动化仓库）（可能包括自动化仓库）        二、按系统的特点分类二、按系统的特点分类 1 1．序列．序列FMS 该该系系统统在在一一个个时时期期加加工工一一批批零零件件，，可可以以很很快快调调整整为为加加工工另另一一批零件。

批零件 2 2．随机．随机FMS 系系统统对对不不同同类类型型零零件件可可进进行行随随机机顺顺序序的的加加工工，，能能够够在在一一段段时时间内间内加工加工2 2种或种或2 2种以上种以上的不同零件（这种加工可以混合进行）的不同零件（这种加工可以混合进行） 3 3．专用．专用FMS 系统专门用于系统专门用于有限有限的几种零件，但又不同于刚性生产线的几种零件，但又不同于刚性生产线  三、按照生产线的建造方式分类三、按照生产线的建造方式分类 1 1．工程．工程FMS 系统由卖方按用户的要求设计和安装，系统由卖方按用户的要求设计和安装，一次建成一次建成 2 2．模块化．模块化FMS 系系统统采采用用不不同同厂厂商商的的标标准准设设备备组组成成，，并并可可由由FMM向向FMS逐逐步步发展第五节第五节 成组技术（成组技术（Group Technology,  GT）） 成成组组技技术术是是一一门门生生产产技技术术科科学学，，主主要要研研究究如如何何识识别别和和发发掘掘生生产活动中有关事物的产活动中有关事物的相似性相似性，并利用这种相似性为生产服务。

并利用这种相似性为生产服务 成成组组技技术术是是第第二二次次世世界界大大战战后后提提出出的的概概念念，，但但一一直直没没有有受受到到人人们们足足够够的的重重视视，，直直到到它它与与FMS以以及及其其它它的的工工厂厂自自动动化化技技术术紧紧密密联系在一起时，才引起人们广泛的注意联系在一起时，才引起人们广泛的注意 一、定义一、定义 成成组组技技术术――――利利用用事事物物的的相相似似性性，，把把相相似似的的问问题题归归类类成成组组，，寻寻求求解解决决这这类类问问题题相相对对统统一一的的最最优优方方案案，，从从而而节节省省时时间间和和人人力力，，以取得所期望的经济效益以取得所期望的经济效益 这这个个定定义义内内涵涵非非常常广广泛泛，，但但人人们们通通常常仅仅仅仅将将成成组组技技术术同同生生产产应用联系起来应用联系起来       二、成组技术在生产中的应用二、成组技术在生产中的应用 1 1．在零件设计方面．在零件设计方面 许许多多零零件件具具有有类类似似的的形形状状，，可可将将它它们们归归并并为为设设计计族族。

一一个个新新零零件件的的设设计计可可以以通通过过修修改改一一个个现现有有同同族族零零件件的的图图纸纸和和技技术术要要求求形形成 应应用用这这个个概概念念，，可可以以人人为为地地合合成成一一个个““复复合合零零件件””这这个个复复合合零零件件集集中中了了全全族族零零件件的的所所有有功功能能要要素素新新零零件件的的设设计计可可以以通通过过这个复合零件派生出来这个复合零件派生出来 在构成复合零件后，要对其各在构成复合零件后，要对其各结构要素结构要素进行进行标准化标准化，最后将，最后将标准化的结构要素及其尺寸画成标准化的结构要素及其尺寸画成图表图表，就得到该复合零件的，就得到该复合零件的标准标准化设计资料化设计资料 在进行新零件设计时，根据新零件的草图就能从复合零件的在进行新零件设计时，根据新零件的草图就能从复合零件的标准化设计资料中得到该类零件的标准化设计资料中得到该类零件的形状形状、各、各结构要素结构要素的规格、尺的规格、尺寸等设计参数，只要从中选择合适的数据即可，不必再检索其它寸等设计参数，只要从中选择合适的数据即可，不必再检索其它图样和资料。

图样和资料 如果每位设计人员设计该类零件时，都注意如果每位设计人员设计该类零件时，都注意从复合零件从复合零件的的标标准化设计资料准化设计资料中选取标准的中选取标准的结构要素和尺寸参数结构要素和尺寸参数，零件的设计就，零件的设计就自然走向标准化了自然走向标准化了 这种成组技术的设计方法可以有效地避免传统零件设计方法这种成组技术的设计方法可以有效地避免传统零件设计方法的两大弊病的两大弊病――――设计的设计的““重复性重复性””和和““多样性多样性”” 由于由于设计过的图纸不容易查找设计过的图纸不容易查找，设计人员宁愿重新设计，也，设计人员宁愿重新设计，也不愿意查找与之相同或相似的老零件图，这样就造成了设计的不愿意查找与之相同或相似的老零件图，这样就造成了设计的重重复性复性 零零件件设设计计的的重重复复性性使使得得设设计计人人员员将将宝宝贵贵的的时时间间和和精精力力浪浪费费在在重复性劳动重复性劳动中 另另外外，，在在传传统统的的零零件件设设计计方方法法中中，，对对于于一一些些零零件件的的结结构构和和设设计计细细节节，，设设计计人人员员往往往往按按照照习习惯惯处处理理，，没没有有统统一一的的标标准准可可循循，，因因而而造造成成设设计计的的多多样样性性。

零零件件设设计计的的多多样样性性必必然然使使零零件件品品种种增增加加，，给给后后续续工工作作――――工工装装的的采采用用、、工工艺艺规规程程的的制制定定和和加加工工制制造造带带来来麻麻烦，最终导致产品的烦，最终导致产品的成本提高成本提高 成成组组技技术术可可以以通通过过相相似似零零件件设设计计标标准准化化最最大大限限度度地地减减少少零零件件的的品品种种和和规规格格在在设设计计过过程程中中，，利利用用已已标标准准化化的的复复合合零零件件的的设设计计资资料料，，最最大大限限度度地地减减少少零零件件设设计计的的工工作作量量，，实实现现设设计计标标准准化化，，最最终终达达到到缩缩短短设设计计周周期期、、提提高高设设计计质质量量、、减减少少产产品品品品种种、、降降低低产产品品成本的目的成本的目的 根根据据国国外外资资料料介介绍绍，，按按成成组组技技术术进进行行新新产产品品设设计计，，约约有有75％％以以上上的的零零件件图图可可以以利利用用（（重重复复使使用用或或稍稍加加修修改改））已已有有的的图图样样，，只只有有25％％左右的新产品零件要重新设计左右的新产品零件要重新设计。

 2．．在零件加工制造方面在零件加工制造方面 形形状状不不同同的的零零件件有有可可能能要要求求类类似似的的加加工工过过程程，，即即它它们们的的加加工工工艺相似工艺相似，因此它们的工艺设计可以得到简化因此它们的工艺设计可以得到简化 根根据据这这一一特特点点，，可可把把加加工工工工艺艺相相似似的的零零件件归归为为一一个个零零件件族族按按相相似似零零件件族族制制定定工工艺艺、、设设计计制制造造夹夹具具，，生生产产时时按按零零件件族族投投料料、、加加工工，，这这样样就就把把多多品品种种、、中中小小批批量量产产品品的的生生产产转转变变成成较较大大批批量量的的生产了 可可建建立立加加工工单单元元来来制制造造同同族族零零件件对对每每个个加加工工单单元元来来说说只只针针对对一一族族零零件件因因此此，，每每个个加加工工单单元元所所需需刀刀具具和和夹夹具具的的种种类类会会大大大大减减少少在在更更换换加加工工的的产产品品时时，，刀刀具具几几乎乎可可以以不不用用更更换换，，夹夹具具更更换换较为方便或不用更换较为方便或不用更换 通通过过上上述述的的方方式式能能够够使使得得FMS更更换换产产品品非非常常容容易易，，由由此此实实现现对对多品种、中小批量多品种、中小批量产品的产品的高效率生产方式高效率生产方式。

 三、零件的相似性三、零件的相似性 不不同同机机械械产产品品中中多多种种零零件件之之间间存存在在大大量量的的相相似似性性，，这这是是成成组组技术的客观基础技术的客观基础 例例如如，，德德国国对对26个个机机床床、、发发动动机机、、仪仪器器仪仪表表和和军军械械等等不不同同类类型型的的工工厂厂中中45000种种零零件件统统计计分分析析的的结结果果，，表表明明任任何何机机械械产产品品均均可分为可分为A、、B、、C三类零件三类零件 对于相似件，可根据对于相似件，可根据作用相似作用相似和和结构特征相似结构特征相似进一步细分进一步细分 结构相似结构相似功功能能相相似似                        一次相似一次相似                                                      二次相似二次相似              （设计信息）（设计信息）                                             （工艺信息）（工艺信息）名名称称相相似似形形状状相相似似尺尺寸寸相相似似精精度度相相似似种种类类相相似似处处理理相相似似坯坯形形相相似似流流程程相相似似设设备备相相似似工工装装相相似似材料相似材料相似工艺相似工艺相似功能、名称相似功能、名称相似结构特征相似结构特征相似作用相似作用相似零件相似性零件相似性 柔柔性性制制造造系系统统是是利利用用工工艺艺相相似似（（二二次次相相似似――――工工艺艺信信息息））的的特特点点减减少少加加工工设设备备、、刀刀具具、、夹夹具具等等的的数数量量，，实实现现多多品品种种、、中中小小批批量的零件生产。