第三部分《制造自動化技術(shù)》

1、先進(jìn)制造技術(shù)課件Advanced Manufacturing Technology第三部分 制造自動化技術(shù)13.1 工業(yè)機(jī)器人（IR）3.2 柔性制造技術(shù)（FMS）3.3 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（FMS）3.4 智能制造系統(tǒng)（IMS）主要內(nèi)容23.1 工業(yè)機(jī)器人(Industrial Robot) 一、工業(yè)機(jī)器人的定義 對工業(yè)機(jī)器人可以理解為：擬人手臂、手腕和手功能的機(jī)械電子裝置；它可把任一物件或工具按空間位(置)姿(態(tài))的時變要求進(jìn)行移動，從而完成某一工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)要求，如夾持焊鉗或焊槍，對汽車或摩托車車體進(jìn)行點(diǎn)焊或弧焊；搬運(yùn)壓鑄或沖壓成型的零件或構(gòu)件；進(jìn)行激光切割；噴涂；裝配機(jī)械零、部件等。

2、3表3-1 工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手的區(qū)別 3.1 工業(yè)機(jī)器人4二、工業(yè)機(jī)器人的組成 1、執(zhí)行系統(tǒng)(1) 手部：又稱手爪或抓取機(jī)構(gòu)。其作用是直接抓取和放置物件(或工具)。(2) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件。其作用是調(diào)整或改變手部的方位(姿態(tài))。(3) 臂部：又稱手臂，是支承腕部的部件。其作用是承受物件或工具的荷重，并把它傳送到預(yù)定的工作位置。有時也將手臂和手腕統(tǒng)稱為臂部。 5(4) 立柱：是支承手臂的部件。其作用是帶動臂部運(yùn)動，擴(kuò)大臂部的活動范圍，如臂部的回轉(zhuǎn)、升降和俯仰運(yùn)動都與立柱有密切聯(lián)系。(5) 行走機(jī)構(gòu)：目前大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人沒有行走機(jī)構(gòu)，一般由機(jī)座支承整機(jī)。行走機(jī)構(gòu)是為了擴(kuò)大機(jī)器

3、人使用空間，實現(xiàn)整機(jī)運(yùn)動而設(shè)置的。其有兩種形態(tài)：模仿動物步行形態(tài)的足；模仿車子行走形態(tài)的滾輪。 62、驅(qū)動系統(tǒng)該系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的傳動裝置，常用的是液壓傳動、氣壓傳動和電傳動等。3、控制系統(tǒng)該系統(tǒng)通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作。對示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人來說，是指包括示教、存儲、再現(xiàn)、操作等各環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)。按控制信號對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時對機(jī)器人的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。控制系統(tǒng)還對生產(chǎn)系統(tǒng)(加工機(jī)械和其他輔助設(shè)備)的狀況作出反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的動作。控制系統(tǒng)是反映一臺工業(yè)機(jī)器人的功能和水平的核心部分。 74、檢測機(jī)構(gòu)該系統(tǒng)通過各種檢測器、傳感

4、器，檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，在與設(shè)定值進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證其動作符合設(shè)計要求，主要是對位置、速度和力等各種外部和內(nèi)部信息進(jìn)行檢測。 8三、工業(yè)機(jī)器人的分類1、按驅(qū)動方式分類(1) 液動式。液壓驅(qū)動機(jī)器人通常由液壓機(jī)(各種油缸、油馬達(dá))、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。通常它具有很大的抓舉能力(高達(dá)幾百公斤以上)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動，防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。 9(2) 氣動式。其驅(qū)動系統(tǒng)通常由汽缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。其特點(diǎn)是氣源方便，動作迅速，

5、結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。 10(3) 電動式。電力驅(qū)動是目前機(jī)器人使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大(關(guān)節(jié)型的持重已達(dá)400kg)，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)以及交流伺服電機(jī)(其中交流伺服電機(jī)為目前主要的驅(qū)動形式)。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu)(如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機(jī)構(gòu)等)。目前，有些機(jī)器人已開始采用無減速機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動，這既可以使機(jī)構(gòu)簡化，又可提高控制精度。(4) 混合驅(qū)動。液氣或

6、電液混合驅(qū)動。 112、按用途分類(1) 搬運(yùn)機(jī)器人。這種機(jī)器人用途很廣，一般只需點(diǎn)位控制，即被搬運(yùn)零件無嚴(yán)格的運(yùn)動軌跡要求，只要求始點(diǎn)和終點(diǎn)位置準(zhǔn)確。如機(jī)床上用的上、下料機(jī)器人，工件堆垛機(jī)器人以及彩管搬運(yùn)機(jī)器人等。(2) 噴涂機(jī)器人。這種機(jī)器人多用于噴漆生產(chǎn)線上，重復(fù)位姿精度要求不高。但由于噴霧易燃，因此一般采用液壓驅(qū)動或交流伺服電機(jī)驅(qū)動。 12(3) 焊接機(jī)器人。這是目前使用最多的一類機(jī)器人，它又可分為點(diǎn)焊和弧焊兩類。點(diǎn)焊機(jī)器人負(fù)荷大、動作快，工作點(diǎn)的位姿要求較嚴(yán)，一般要有6個自由度?；『笝C(jī)器人負(fù)載小、速度低，通常有5個自由度即能進(jìn)行焊接作業(yè)。為了更好地滿足焊接質(zhì)量對焊槍姿勢的要求，伴隨機(jī)

7、器人的通用化和系列化，現(xiàn)在大多使用6自由度機(jī)器人?；『笇C(jī)器人的運(yùn)動軌跡要求較嚴(yán)，必須實現(xiàn)連續(xù)路徑控制，即在運(yùn)動軌跡的每一點(diǎn)都必須實現(xiàn)預(yù)定的位置和姿態(tài)要求。 13(4) 裝配機(jī)器人。這類機(jī)器人要有較高的位姿精度，手腕具有較大的柔性。目前大多用于機(jī)電產(chǎn)品的裝配作業(yè)。(5) 專門用途的機(jī)器人。例如醫(yī)用護(hù)理機(jī)器人、航天用機(jī)器人、探海用機(jī)器人以及探險作業(yè)機(jī)器人等。 143、按操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)形式和自由度數(shù)量分類機(jī)器人操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)形式是機(jī)器人重要的外形特征，故常用作分類的依據(jù)。按這一分類標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球(極)坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型機(jī)器人(或擬人機(jī)器人)。操作機(jī)本身的軸數(shù)(自由度數(shù)

8、)最能反應(yīng)機(jī)器人的工作能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類機(jī)器人可分為4軸(自由度)、5軸(自由度)、6軸(自由度)和7軸(自由度)等機(jī)器人。 15按其他的分類方式，機(jī)器人還可分為點(diǎn)位控制機(jī)器人和連續(xù)控制機(jī)器人；按負(fù)載大小可分為重型、中型、小型、微型機(jī)器人；按機(jī)座形式分為固定式和移動式機(jī)器人；按操作機(jī)運(yùn)動鏈的形式可分為開鏈?zhǔn)?、閉鏈?zhǔn)?、局部閉鏈?zhǔn)綑C(jī)器人；按應(yīng)用機(jī)能又可分為順序控制機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人、數(shù)值控制機(jī)器人、智能機(jī)器人等。 16四、現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)1、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)機(jī)器人是由用若干關(guān)節(jié)(運(yùn)動副)連在一起的構(gòu)件所組成的具有多個自由度的開鏈型空間連桿機(jī)構(gòu)。開鏈的一端固接在機(jī)座上，

9、另一端是末端執(zhí)行器，中間由一些構(gòu)件(剛體)用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串連而成。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)就是要建立各運(yùn)動構(gòu)件與末端執(zhí)行器空間的位置、姿態(tài)之間的關(guān)系，為機(jī)器人運(yùn)動的控制提供分析的手段和方法。 17機(jī)器人運(yùn)動學(xué)主要研究兩個問題：一個是運(yùn)動學(xué)正問題，即給定機(jī)器人手臂、腕部等各構(gòu)件的幾何參數(shù)及連接各構(gòu)件運(yùn)動的關(guān)節(jié)變量(位置、速度和加速度)，求機(jī)器人末端執(zhí)行器對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)；另一個是運(yùn)動學(xué)逆問題，即已知各構(gòu)件的幾何參數(shù)，機(jī)器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，求是否存在實現(xiàn)這個位姿的關(guān)節(jié)變量及有幾種解。 182、工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)主要是研究其機(jī)構(gòu)的動力學(xué)。研究的主要目的是解決

10、如何來控制工業(yè)機(jī)器人的問題，同時為工業(yè)機(jī)器人的最優(yōu)化設(shè)計提供有力的證據(jù)。在工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)的研究中，要解決的問題很多，但歸納起來不外乎兩大類。第一類問題是動力學(xué)的力分析，或稱之為動力學(xué)的正問題。它是指已知系統(tǒng)必要的運(yùn)動，通過運(yùn)動學(xué)分析，計算與已知運(yùn)動鏈各連桿間的位移、速度和加速度，而后求得各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力或反力。第二類問題是動力學(xué)的運(yùn)動分析，或稱之為動力學(xué)的逆問題。它是指已知作用在機(jī)構(gòu)上的外力和各關(guān)節(jié)上的驅(qū)動力，計算各關(guān)節(jié)和連桿的加速度和反力，而后對加速度進(jìn)行積分，求得所需要的速度和位移。 193、工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，它的機(jī)能類似于人的大腦。工業(yè)機(jī)器人要與外圍設(shè)

11、備協(xié)調(diào)動作，共同完成作業(yè)任務(wù)，就必須具備一個功能完善、靈敏可靠的控制系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)總的可分為兩大部分：一部分是對其自身運(yùn)動的控制，另一部分是工業(yè)機(jī)器人與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。工業(yè)機(jī)器人控制研究的重點(diǎn)是對自身的控制。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等項。20五、工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展1、工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展工業(yè)機(jī)器人最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)器人延伸了人的手足和大腦功能，它可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證

12、產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工中心、自動搬運(yùn)小車以及自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。 21工業(yè)機(jī)器人是精密機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它在工廠自動化和柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢是：(1) 提高運(yùn)動速度和動作精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊組合化；將機(jī)器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰和擺動等各種功能的機(jī)械模塊和控制模塊、檢測模塊組合成結(jié)構(gòu)和用途不同的機(jī)器人。 22(2) 開發(fā)新型結(jié)構(gòu)，如開發(fā)微動機(jī)構(gòu)以保證動作精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和手指；研制新型的行走機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)各種作業(yè)

13、需要。(3) 研制各種傳感檢測裝置，如視覺、觸覺、聽覺和測距傳感器等，用傳感器獲取有關(guān)工作對象和外部環(huán)境信息，來完成模式識別，并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解，動作規(guī)則，采用微機(jī)控制。 232、目前研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下10個方面：(1) 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 24(2) 機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化

14、以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點(diǎn)。(3) 多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。 25(4) 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈?。憾哒惑w化方向發(fā)展。(5) 機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)：多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。(6) 虛擬機(jī)器

15、人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。 26(7) 多智能體(Multi-Agent)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個嶄新領(lǐng)域，主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)，相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃，群體行為控制等方面進(jìn)行研究。(8) 微型和微小機(jī)器人技術(shù)(Micro/Miniature Robotics)：這是機(jī)器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向，過去在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會引起機(jī)器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進(jìn)步和人類活動的各個方面將產(chǎn)生不可估量的影響。微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方

16、式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 27(9) 軟機(jī)器人技術(shù)(Soft Robotics)：主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料。軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的，機(jī)器人對人是友好的。(10) 仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行了一些基礎(chǔ)研究。 28提高機(jī)器人的智能化、機(jī)動性、可靠和安全性、以及與人類環(huán)境的完美的融入性，所追求的主要目標(biāo)是“融入人類的生活，和人類一起協(xié)同工作。從事一些人類無法從事的工作，以更大的靈活性給人類社會帶

17、來更多的價值”。目前機(jī)器人還存在以下三種新的發(fā)展趨勢：微型化：體積越來越小，結(jié)構(gòu)越來越精細(xì)。智能化：越來越脫離機(jī)械化的程式。擬人化：機(jī)器人越來越接近人，不論結(jié)構(gòu)還是功能。 293.2 柔性制造系統(tǒng) (Flexible Manufacturing System,FMS)1、柔性制造系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)械制造自動化已有幾十年的歷史，從20世紀(jì)30年代到50年代，人們主要在大量生產(chǎn)領(lǐng)域里，建立由自動車床、組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床組成的剛性自動化生產(chǎn)線。這些自動線具有固定的生產(chǎn)節(jié)拍，要改變生產(chǎn)品種是非常困難和昂貴的。由于從20世紀(jì)60年代開始到70年代計算機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，計算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床(CNC機(jī)床

18、)在自動化領(lǐng)域中取代了機(jī)械式的自動機(jī)床，因此使建立適合于多品種、小批量生產(chǎn)的柔性加工生產(chǎn)線成為可能。作為這種技術(shù)具體應(yīng)用的柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性制造單元(FMC)和柔性制造自動線(FML)等柔性制造設(shè)備紛紛問世，其中柔性制造系統(tǒng)(FMS)最具代表性。 30FMS是一種高效率、高精度、高柔性的加工系統(tǒng)，是制造業(yè)向現(xiàn)代自動化發(fā)展(計算機(jī)集成制造系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)、無人工廠)的基礎(chǔ)設(shè)備。柔性制造技術(shù)將數(shù)控技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及生產(chǎn)管理技術(shù)等融為一體，通過計算機(jī)管理和控制實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時調(diào)度，最大限度地發(fā)揮設(shè)備的潛力，減少工件搬運(yùn)過程中的等待時間損失，使多品種、中小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益

19、接近或達(dá)到大批量生產(chǎn)的水平，從而解決了機(jī)械制造業(yè)高效率與高柔性之間矛盾的難題，被稱為是機(jī)械制造業(yè)中一次劃時代的技術(shù)革命。 311994年初，據(jù)統(tǒng)計世界各國已投入運(yùn)行的FMS約有3000多個，其中日本擁有2100多個，占世界首位。目前反映工廠整體水平的FMS是第一代FMS，日本從1991年開始實施的“智能制造系統(tǒng)(IMS)”國際性開發(fā)項目，屬于第二代FMS；而真正完善的第二代FMS在21世紀(jì)將會實現(xiàn)。屆時，智能化機(jī)械與人之間將相互融合、柔性地全面協(xié)調(diào)從接受訂單至生產(chǎn)、銷售這一企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的全部活動。 322、FMS的基本組成及主要功能1) FMS的定義及基本組成在我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)MS被定義為：

20、由數(shù)控加工設(shè)備、物流儲運(yùn)裝置和計算機(jī)控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)。它包括多個柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境變化迅速進(jìn)行調(diào)整，適用于多品種，中、小批量生產(chǎn)。國外有關(guān)專家對FMS進(jìn)行了更為直觀的定義：柔性制造系統(tǒng)是至少由兩臺機(jī)床、一套物料運(yùn)儲系統(tǒng)(從裝載到卸載具有高度自動化)和一套計算機(jī)控制系統(tǒng)所組成的制造系統(tǒng)，它通過簡單地改變軟件的方法便能制造出多種零件中的任何一種零件。 33圖3-2 FMS的構(gòu)成框圖 34(1) 加工系統(tǒng)。加工系統(tǒng)的功能是以任意順序自動加工各種工件，并能自動地更換工件和刀具。加工系統(tǒng)通常包括由兩臺以上的數(shù)控機(jī)床、加工中心或柔性制造單元(FMC)以及其他的加工設(shè)備所組

21、成，例如測量機(jī)、清洗機(jī)、動平衡機(jī)和各種特種加工設(shè)備等。(2) 物流系統(tǒng)。在FMS中，工件、工具流統(tǒng)稱為物流，物流系統(tǒng)即物料儲運(yùn)系統(tǒng)，是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。物流系統(tǒng)由輸送系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)和操作系統(tǒng)組成，通常包含有傳送帶、有軌運(yùn)輸車、無軌運(yùn)輸車、搬運(yùn)機(jī)器人、上下料托盤、交換工作臺等機(jī)構(gòu)，能對刀具、工件和原材料等物料進(jìn)行自動裝卸和運(yùn)儲。 35(3) 信息系統(tǒng)。信息系統(tǒng)包括過程控制及過程監(jiān)視兩個系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對FMS的運(yùn)行控制、刀具監(jiān)控和管理、質(zhì)量控制，以及FMS的數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)通信。圖3-3所示是一個典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由4臺臥式加工中心、3臺立式加工中心、2臺平面磨床、2臺

22、自動導(dǎo)向運(yùn)輸車、2臺檢驗機(jī)器人組成，此外還包括自動倉庫、托盤站和裝卸站等。在裝卸站由人工將工件毛坯安裝在托盤夾具上；然后由物料傳送系統(tǒng)把毛坯連同托盤夾具輸送到第一道工序的加工機(jī)床旁邊，排隊等候加工； 361自動倉庫；2裝卸站；3托盤站；4檢驗機(jī)器人；5自動運(yùn)輸車；6臥式加工中心；7立式加工中心；8磨床；9組裝交付站；10計算機(jī)控制室 圖3-3 典型的柔性制造系統(tǒng) 372) FMS的主要功能常見的FMS一般具有以下功能：(1) 自動制造功能，在柔性制造系統(tǒng)中，由數(shù)控機(jī)床這類設(shè)備承擔(dān)制造任務(wù)；(2) 自動交換工件和刀具的功能；(3) 自動輸送工件和刀具的功能；(4) 自動保管毛坯、工件、半成品、工

23、夾具、模具的功能；(5) 自動監(jiān)視功能(即刀具磨損、破損的監(jiān)測)，自動補(bǔ)償，自診斷等；(6) 作業(yè)計劃與調(diào)度。 38 物料傳輸系統(tǒng) 又稱立體倉庫或自動化倉庫系統(tǒng)，由高層料架 、堆垛機(jī)、控制計算機(jī)和物料識別裝置等組成。具有自動化程度高、料位空間尺寸和額定存放重量大、料位總數(shù)可根據(jù)實際需求擴(kuò)展、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。 自動倉庫自動倉庫運(yùn)輸小車出入庫裝卸站堆垛機(jī)料架39 鉆頭破損檢測器內(nèi)存有以往采集的鉆頭破損的信號或鉆頭破損模擬信號，與檢測信號進(jìn)行比較。當(dāng)鉆頭破損被確認(rèn)后，發(fā)出換刀信號。 加工過程監(jiān)控與檢測 重點(diǎn)是刀具磨損、破損監(jiān)控與檢測。下圖為鉆頭破損檢測裝置示意圖。加工過程中，一旦鉆頭破損，聲發(fā)射傳

24、感器檢測到鉆頭破損信號，將其送至鉆頭破損檢測器進(jìn)行處理。鉆頭破損檢測器聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖交換機(jī)床控制器工件折斷工作臺聲發(fā)射傳感器破損信號40柔性制造系統(tǒng)的上述功能是在計算機(jī)系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)一致地、連續(xù)地、有序地實現(xiàn)的。制造系統(tǒng)運(yùn)行所必需的作業(yè)計劃以及加工或裝配信息，預(yù)先存放在計算機(jī)系統(tǒng)中，根據(jù)作業(yè)計劃，物流系統(tǒng)從倉庫調(diào)出相應(yīng)的毛坯、工夾具，并將它們交換到對應(yīng)的機(jī)床上。在計算機(jī)系統(tǒng)的控制下，機(jī)床依據(jù)已經(jīng)傳送來的程序，執(zhí)行預(yù)定的制造任務(wù)。柔性制造系統(tǒng)的“柔性”就是計算機(jī)系統(tǒng)賦予的，被加工的零件種類變更時，只需變換其“程序”，而不必改動設(shè)備。 413、FMS的優(yōu)點(diǎn)及效益(1) 有很強(qiáng)的柔性

25、制造能力。由于FMS備有較多的刀具、夾具以及數(shù)控加工程序，因而能接受各種不同的零件加工，柔性度很高，有的企業(yè)將多至400種不同的零件安排在一個FMS中加工。FMS的這一“柔性”特點(diǎn)，對新產(chǎn)品開發(fā)特別有利。(2) 提高設(shè)備利用率。在FMS中，工件是安裝在托盤上輸送的，并通過托盤能夠快速地在機(jī)床上進(jìn)行定位與夾緊，節(jié)省了工件裝夾時間。此外，因借助計算機(jī)管理而使加工不同零件時的準(zhǔn)備時間大為減少，有很多準(zhǔn)備工作可在機(jī)床工作時間內(nèi)同時進(jìn)行。因而，零件在加工過程中其等待時間大大減少，從而可使機(jī)床的利用率提高到75%90%。 42(3) 減少設(shè)備成本與占地面積。機(jī)床利用率的提高使得每臺機(jī)床的生產(chǎn)率提高，相應(yīng)地

26、可以減少設(shè)備數(shù)量。據(jù)美國通用電氣公司的資料表明，一條具有9臺機(jī)床的FMS代替了原來29臺機(jī)床，還使加工能力提高了38%，占地面積減少了25%。(4) 減少直接生產(chǎn)工人，提高勞動生產(chǎn)率。FMS除了少數(shù)操作由人力控制外(如裝卸、維修和調(diào)整)，可以說正常工作完成是由計算機(jī)自動控制的。在這一控制水平下，F(xiàn)MS通常實施24小時工作制，將所有靠人力完成的操作集中安排在白班進(jìn)行，晚班除留一人看管之外，系統(tǒng)完全處于無人操作狀態(tài)下工作，直接生產(chǎn)工人大為減少，勞動生產(chǎn)率提高。 43(5) 減少在制品數(shù)量，提高對市場的反應(yīng)能力。由于FMS具有高柔性、高生產(chǎn)率以及準(zhǔn)備時間短等特點(diǎn)，能夠?qū)κ袌龅淖兓龀鲚^快的反應(yīng)，沒有

27、必要保持較大的在制品和成品庫存量。按日本MAZAK公司報道，使用FMS可使庫存量減少75%，可縮短90%的制造周期；另據(jù)美國通用電氣公司提供的資料反映，F(xiàn)MS使全部加工時間從原來的16天減少到16小時。(6) 產(chǎn)品質(zhì)量提高。由于FMS自動化水平高，工件裝夾次數(shù)和要經(jīng)過機(jī)床數(shù)減少，夾具的耐久性好，這樣，技術(shù)工人可把注意力更多地放在機(jī)床和零件的調(diào)整上，有助于零件加工質(zhì)量的提高。 44(7) FMS可以逐步地實現(xiàn)實施計劃。若建一條剛性自動線，則要等全部設(shè)備安裝調(diào)試建成后才能投入生產(chǎn)，因此它的投資必須一次性投入。而FMS則可進(jìn)行分步實施，每一步的實施都能進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)，因為FMS的各個加工單元都具有相

28、對獨(dú)立性。 45 1、CIMS的概念 CIMS的概念是1974年由美國學(xué)者哈靈頓博士率先提出的，它含有兩個基本觀點(diǎn)：（1）系統(tǒng)的觀點(diǎn)。企業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，即從市場分析產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、經(jīng)營管理到售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動是一個不可分割的整體，要緊密連接，統(tǒng)一考慮。（2）信息化的觀點(diǎn)。整個生產(chǎn)過程實質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)的采集、傳遞和加工處理的過程，最終形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。3.3 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)463.3 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS） 2、CIMS的內(nèi)涵 CIMS是一種組織、管理與運(yùn)行企業(yè)的哲理，是應(yīng)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)于一體的系統(tǒng)工程。 它將

29、傳統(tǒng)的制造技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，借助計算機(jī)(硬、軟件)，使企業(yè)產(chǎn)品的生命周期(市場需求分析一產(chǎn)品意義一研究開發(fā)一設(shè)計一制造一支持，包括質(zhì)量、銷售、采購、發(fā)送、服務(wù)以及產(chǎn)品最后報廢、環(huán)境處理等)各階段活動中有關(guān)的人、組織、經(jīng)費(fèi)管理和技術(shù)等要素及信息流、物流和價值流有機(jī)集成并優(yōu)化運(yùn)行，實現(xiàn)企業(yè)制造活動中的計算機(jī)化、信息化、智能化、集成優(yōu)化，以達(dá)到產(chǎn)品上市快、高質(zhì)、低耗、服務(wù)好、環(huán)境清潔，提高企業(yè)的柔性、健壯性、敏捷性，使企業(yè)在市場競爭中立于不敗之地 。 CIMS的核心在于集成，在于企業(yè)內(nèi)的人、生產(chǎn)經(jīng)營和技術(shù)這三者之間的信息集成，以便在信息集成的基礎(chǔ)上使企

30、業(yè)組成一個統(tǒng)一的整體，保證企業(yè)內(nèi)的工作流程、物質(zhì)流和信息流暢通無阻。 47 3、CIMS的基本組成 （2）工程設(shè)計自動化系統(tǒng)CAD、CAPP、CAM。 （3）制造自動化系統(tǒng)CNC機(jī)床、加工中心、FMS。 （4）質(zhì)量保證系統(tǒng)質(zhì)量決策、質(zhì)量檢測、質(zhì)量評價、質(zhì)量信息綜合管理與反饋控制等功能。 （5）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持CIMS各系統(tǒng)并覆蓋企業(yè)全部信息。 （6）計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將CIMS各個功能分系統(tǒng)的信息聯(lián)系起來，支持資源共享、分布處理、分層遞階和實時控制。 （1）管理信息系統(tǒng)預(yù)測、經(jīng)營決策、生產(chǎn)計劃、技術(shù)、銷售、供應(yīng)、財務(wù)、成本、設(shè)備、人力資源等各項管理模塊。3.3 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）48

31、 （1）目標(biāo) 我國“863計劃”中將CIMS確定為自動化領(lǐng)域的主題研究項目之一，并規(guī)定了我國863CIMS的戰(zhàn)略目標(biāo)為：跟蹤國際CIMS有關(guān)技術(shù)的發(fā)展；掌握CIMS關(guān)鍵技術(shù)；在制造業(yè)中建立能獲得綜合經(jīng)濟(jì)效益并能帶動全局的CIMS示范工廠，通過推廣應(yīng)用及產(chǎn)品化促進(jìn)我國CIMS高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。4、CIMS在我國的發(fā)展 （2）方針 效益驅(qū)動、總體規(guī)劃、重點(diǎn)突破、分步實施、推廣應(yīng)用。3.3 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）49 經(jīng)過二十多年的努力，我國CIMS事業(yè)取得了迅速發(fā)展，已形成了一個健全的組織和一支研究隊伍； 實現(xiàn)了我國CIMS研究和開發(fā)的基本框架。建設(shè)樂一個國家CIMS實驗工程中心和7個單元技術(shù)開放實驗室，完成了一大批課題的研究工作，選定了一批CIMS典型應(yīng)用工廠示范點(diǎn)； 1994年，清華大學(xué)CIMS工程中心達(dá)到國際先進(jìn)水平； 1995年，北京第一機(jī)床廠CIMS工程獲“工業(yè)領(lǐng)先獎”； 目前，我國的CIMS工廠已擴(kuò)展到100多家，這些工廠包括飛機(jī)、機(jī)床、大型鼓風(fēng)機(jī)、紡織機(jī)械、汽車、家電、服裝以及鋼鐵、化工等行業(yè)。（3）發(fā)展3.3 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）50 實施CIMS的效益主要體現(xiàn)在信息集成的效益上： 由于系統(tǒng)集成度提高，使各功能分系統(tǒng)間的配合和參數(shù)配置更加優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力得到更有效的利用，減少實際存在