制造自动化系统.docx

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制造自动化系统

制造自动化系统

重庆大学工业工程系

胡立德教授、博士

版权所有：

重庆大学工业工程系

1.制造系统

1.1制造系统概述

∙制造（Manufacturing）：

人类按照市场需求，运用主观掌握的知识和技能，借助于手工或可以利用的客观物质工具，采用有效的方法，将原材料转化为最终物质产品并投放市场的全过程。

∙制造系统（ManufacturingSystem）：

为了达到预定的制造目的而构造的物理或组织系统。

广义的制造系统应包括整个制造企业的组织机构、厂房设备、技术工艺、质量管理系统、物资供应系统、销售管理系统、运输系统等，如计算机集成制造系统（CIMS）。

狭义的制造系统则只包括生产现场的加工设备、物料输送系统、控制系统、操作管理人员等，如柔性制造系统（FMS）。

∙制造系统中存在着物流、信息流和能量流。

∙实现制造自动化的理由

-提高生产率和降低制造成本

-稳定制造质量

-适应恶劣的制造环境

在很多情况下，实施制造自动化同时需要满足上述多项要求。

1.2制造系统的分类

∙按工艺类型分类：

连续制造系统：

产品连续不断生产如化工、纺织等。

离散制造系统：

制造对象按单个产品分离生产如机械产品、家用电器等。

∙按品种和批量分类：

单一品种大量生产：

只生产一种产品，尽量利用设备生产能力大量生产，如化肥、石油等。

少品种大批量生产：

少量的产品种类，每种产品的生产批量很大，如摩托车配件、计算机产品等。

多品种中小批量生产：

产品品种多，各类产品轮翻生产，如装载机、机床、办公家具等。

单件订货生产：

按用户订单安排生产（包括按用户要求进行设计），每次生产数量很少甚至只有一件，如大型锅炉、大型水力发电机等

∙按自动化程度分类：

人工制造系统

半自动制造系统

自动制造系统

∙按系统柔性分类：

刚性制造系统

柔制造系统

1.3产品的品种和批量与制造系统柔性的关系

∙产品的品种数越少、批量越大，则自动化程度应越高，采用专用设备的比例越高

∙产品的品种数越大，生产批量越小，则生产系统的柔性要求越高，采用通用设备的比例越高

2.自动化制造系统的组成

2.1自动化加工系统

（1）刚性自动化加工设备

∙专用自动机床：

专门为加工某种产品而设计制作的自动化设备，加工对象单一，没有冗余的功能，效率非常高。

∙组合机床：

由标准部件（床身、滑台、动力头等）和少量专用部件（主轴箱、工作台等）组合而成，能够较快地组成，可多面、多工位、多轴同时加工，效率高。

∙采用刚性自动化加工设备的基本原则：

–加工对象生产批量大；

–产品结构定型，生命周期相对较长；

–加工工艺合理、可靠；

（2）柔性自动化加工设备

∙数控机床：

柔性好，自动化程度高，加工精度高，质量稳定，具有通讯功能，可集成到更大的制造系统中。

∙加工中心：

在数控机床的基础上增加了刀具库及自动刀具交换装置可在一次装夹下完成多道工序、多面的加工。

∙一般在零件品种较多、产品生命周期较短、更新换代快、技术工艺不成熟等情况下应采用柔性自动化加工设备。

（3）辅助设备

∙三坐标测量机

∙清洗机

∙工件翻转机

∙冷却液、切屑等废弃物处理装置

2.2物料运储系统

∙物料运储系统负责制造系统内所有物料的运输和存储

（1）物料运储的对象：

∙工件（包括毛坯、半成品和成品）、刀具、夹具（包括托盘）和其它物品（如切屑、冷却液等）。

（2）物料的运输

∙管道输送装置

∙悬挂式输送装置

∙传送带

∙有轨小车（RGV）

∙自动导向小车（AGV）

（3）物料的存储

∙自动仓库

应具备存储、物料进出、检索的自动化（堆垛机、条码阅读机、控制系统等）

立体仓库、平面仓库

∙缓冲存储

主要用于消除或缓解因各种原因造成的系统内各加工机床负荷不平衡而引起的停顿或阻塞现象，也可用于在自动化制造系统中预先安装一些零件，以便在一段时间内实现无人加工，还可用于适应其它特殊要求（如工序间的人工检测、清洗、冷却等）

∙中央刀具库

（4）物料的装卸和交换

∙物料的装卸：

工件、刀具等物料进入和退出系统，通常是由人工完成，对于化工、等行业也可以是自动完成。

∙物料的交换：

工件、刀具等在加工机床与小车之间等不同装置之间的交换。

2.3工业机器人（Robot）

∙工业机器人是一种可编程的多功能操作器

∙工业机器人在制造系统中可完成多种任务

∙工业机器人的特点：

-动作灵巧，可完成各种复杂的三维空间运动

-改变运动要求容易（编程、示教）

-运动精度和重复定位精度高

-动作范围较小（以手臂长度为直径）

-承载能力小

∙工业机器人的组成

-机械结构部分

包括机械主体（是机器人的支撑体，容纳了机器人的传动和驱动部件，可有固定式和移动式两种类型）、“肘节”（是支撑“手”作灵巧运动的环节，可弯曲、旋转）、“手”（是直接工作的部分，可有手指，手的形式多样）。

-传动和驱动部分

-传感检测部分

-信息处理部分

-对外接口部分

∙工业机器人的分类

（1）按机器人肘节的运动分类：

-直角坐标型，沿三个坐标轴作直线运动

-圆柱坐标型，有两个直线运动坐标和一个回转运动坐标

-球坐标型，有一个直线运动坐标和两个回转运动坐标

-关节型，有三个回转坐标轴

（2）按工业机器人的移动分类：

-固定式机器人：

机器人的机械主体固定不动

-移动式机器人：

机器人整体可作一定范围的移动

（3）按工业机器人的动作控制分类：

-可编程机器人

-示教机器人

-智能机器人

2.4制造自动化系统的控制系统

（1）制造企业控制管理的递阶层次结构模型

∙企业的管理控制职能一般都是按递阶层次展开的。

∙企业控制管理层次的划分不是绝对的，它与企业的规模、生产特点和采用的组织形式等有关。

∙各层次之间存在双向信息流，一般来说，上层传给下层的是控制信息或指令信息，下层传给上层的是状态反馈信息或指令执行情况汇报信息。

按递阶结构，信息不能越级传递。

∙各层次管理自上而下，涉及范围越来越小，工作内容越来越越细，时标越来越短，实时性要求越来越高。

∙一般来说制造企业的控制管理可以分为决策层、管理层和执行层三个控制层次

（2）离散制造业的五层递阶控制模型

∙工厂层：

-主要负责决策管理如市场预测、经营计划、战略规划、制造工程等

-其决策周期一般从几个月到几年

∙车间层

-主要负责业务职能管理如制造资源管理、生产任务分配等

-其决策周期一般从几周到几个月

∙单元层

-主要负责自动化制造系统的生产调度、控制、批量管理与系统监控等

-其决策周期一般从数小时到周

∙工作站层

-接口通讯、工作指令分解、加工顺序控制、加工过程监控等

-其决策周期一般从数分钟到数小时

-可有加工工作站、物流工作站、刀具工作站、检测工作站等

∙设备层

-执行上层的控制命令，完成零件加工、装配、储运、检测等工作

-决策时间一般从毫秒到数分钟

（3）连续制造业的五层递阶控制模型

∙决策层

∙管理层

∙调度层

∙过程控制层

∙设备控制层

（4）不同企业层次结构的对应关系（图2-2）

（5）制造自动化系统的控制系统

•制造自动化系统在企业递阶控制层次模型中对应于执行层

•在离散制造和连续制造五层递阶控制模型中履盖了其中的底三层。

•制造自动化系统控制系统的功能主要包括（以离散制造为例）：

–生产计划的调度安排；

–协调系统内各设备的工作；

–系统状态监控；

–故障诊断与自动排除；

–通讯联络；

–数控程序管理；

–生产数据统计等。

3.刚性自动化制造

3.1刚性自动化制造

（1）刚性自动化单机制造

•由专用自动化机器或组合机床自动加工

•适用于加工工艺简单，只需很少机床种类就可完成全部加工任务的情况。

如搓丝机、制钉机、钢球加工等

（2）流水线系统

•加工对象按照一定的工艺路线，并按照一定的生产速度（节拍）完成工艺作业的连续重复生产

•组成流水线的加工设备可以是自动化、半自动化和非自动化加工设备

•流水线的物料一般都是自动运输

3.2流水线制造系统的基本特征

•工作地专业化程度高

•生产具有明显的节奏性，即按照节拍进行生产。

所谓节拍，是指流水线上出产相邻两件制品的时间间隔

•各道工序的工作地（设备）数量与该工序单件工时的比值相一致

如设流水线上各道工序的工作地（设备）数分别是：

s1,s2,……,sn

各工序的工时定额为：

t1,t2,……,tn

流水线的生产节拍为：

r

则有：

•工艺过程是封闭的，并且工作地（设备）按工艺顺序排列在链索形式，加工对象在工序间作单向移动

•加工对象如同流水般地从一个工序到下一个工序，消除或最大限度地减少了加工对象的耽搁时间和机床设备的间断时间，生产过程具有高度的连续性

3.3流水线的分类

（1）按生产对象的移动方式分类

•固定流水线：

生产对象固定，工人携带工具沿着顺序排列的生产移动，经过一个循环完成一批产品的加工，如大型部件的焊接加工等。

•移动流水线：

–工作式流水线：

工人直接在流水线的传送带上进行工作，制品不从传送带上取下来，传送带是连续移动的，工人在传送带前进时进行作业。

–分配式流水线：

工作地配置在传送带两旁，在传送带旁工作的每个工人由传送带上取下工件，完成自己的作业后再把工件放到传送带上，以便继续进行下一道作业。

–自动机床流水线：

由自动机床和自动化输送装置组成，工件在一道工序加工完成后，自动地由一机床送到另一机床，这时，流水线线上的工人起监督和管理作用。

（2）按流水线上生产对象的数目分类

•单一对象流水线

•多对象流水线：

–可变流水线

–成组流水线

（3）按生产的连续程度分类

•连续流水线：

•间断流水线：

（4）按流水线的节拍性程度分类

•强制节拍流水线：

•自由节拍流水线：

•粗略节拍流水线：

（5）按流水线的机械化程度分类

•手工流水线：

•机械化流水线

•自动生产线

3.4组织流水线生产的必要条件

•产品结构和工艺相对稳定

–产品结构能反映现代科学技术成就并基本定型

–有良好的工艺性并符合流水线生产工艺及工序同期化的要求

–能分解成可独立进行加工、装配与试验的零部件，以便于组织流水线的平行生产

–有良好的互换性，保证加工与装配时间的稳定

–工艺规程能稳定地保证产品质量

–采用先进的、经济合理的工艺方法、高效率的专用机床、组合机床、自动化半自动化加工机床和专用工具

•工艺过程能划分为简单的工序，又能根据工序同期化的要求把某些工序适当合并和分解，和工序的工时不能相差太大

•产品产量足够大，单位劳动量也大，以保证流水线各工作地（设备）有足够的负荷

3.5流水线组织设计的准备工作

•产品零件的分类

•改进产品结构

•审查和修改工艺规程

•收集整理设计所需资料

3.6流水线的技术设计和组织设计

流水线的设计包括技术设计和组织设计两个方面

（1）流水线的技术设计

•指工艺路线、工艺规程的制订

•专用设备的设计、设备改装设计

•专用工具设计

•运输传送装置的设计等

通常可称为流水线的“硬件”设计。

（2）流水线的组织设计

•流水线的节拍和生产速度的确定

•设备需要量和负荷的计算

•工序同期化设计

•工人配备

•生产对象运输传送方式的设计

•流水线平面布置设计

•流水线工作制度、服务组织和标准计划图表的制订等

也称为流水线的“软件”设计。

3.7单一对象流水线的组织设计

（1）

确定流水线的节拍

式中：

r—流水线节拍（分／件）

Fe—计划期有效工作时间（分）

N—计划期制品产量（件）

Fo—计划期制度工作时间（分）

η—时间有效利用系数

•系数η主要考虑设备拍拍拍检修时间、设备调整时间、更换工具时间与工人班内休息时间等因素，一般取0.9–0.96

•如果计算出来的节拍数值很小，同时制品的体积、重量也很小，不适于按件传送时，则需衽成批传送。

这时，顺序出产两批同样制品之间的时间间隔称为节奏或运输批节拍，它等于节拍与运输批量的乘积

rg=r·n

式中：

rg—节奏（分／批）

n—运输批量（件／批）

（2）确定各工序所需的工作地（设备）数，计算设备负荷系数

（a）工作地数的确定

式中：

Si—流水线第i道工序所需工作地（设备）数（台）

ti—流水线第i道工序的单件时间定额（分／件）

•工序单件时间定额内应包括从传送带上取／放工件的时间

•计算出来的工作地数应圆整成整数Sei

（b）设备负荷系数的计算

●由于计算工作地数Si常常不为整数，实际工作地数Sei>Si造成该工序在加工每件制品后发生间断，间断时间为：

式中：

tei—第i道工序加工每件制品之后的间断时间（分）

●由于tei>0使设备负荷不足，反映设备负荷情况的设备负荷系数：

式中：

Ki—第i道工序的设备负荷系数

●流水线的总设备负荷系数：

式中：

Ka—流水线总设备负荷系数

m—流水线工序数

●设备负荷系数决定了流水线的连续程度，当Ka<0.75时，宜组织单数流水线

●当大多数工序的时间定额超过流水线的出产节拍时，可考虑采用两条或两条以上生产同一对象的流水线。

（3）工序同期化

•工序同期化是通过技术组织措施来调整流水线各工序的时间定额，使它们等于流水线节拍或其整数倍

（工序同期化是组织连续流水线的必要条件，也是提高设备负荷、提高劳动生产率和缩短产品生产周期的重要方法）

•机械加工工序同期化的主要措施

–在影响同期化的关键工序上采取措施调整工序时间（如改装机床、增加机床附件、多工件同时加工等）

–采用高效专用工艺装备，减少辅助时间（如装夹零件、更换刀具、测量等）

–改进工作地布置和操作方法，减少辅助作业时间（工作地紧靠传送带，标准化操作规范等）

–改变切削用量（减少走刀次数等）

–提高工人的操作熟练程度和工作效率

（4）计算所需作业人数

•以手工劳动和使用手工工具为主的流水线

　　　　　　　　　　　　　Pi=Sei·Wi·g

式中：

Pi—第i道工序所需工人人数（人）

Wi—第i道工序每一工作地同时工作人数（人／台·班）

g—每日工作班次（班）

Sei—流水线上第i道工序实际采用的设备数

整个流水线所需的工人数就是所有工序所需工人数之和，在这种流水线上可以不考虑后备工人

•以设备加工为主的流水线

式中：

P—整个流水线操作工人总数（人）

b—后备工人百分比（考虑代替缺勤工人和流水线上临时离开的工人）

fi—第i道工序每个工人的设备看管定额（台／人）

（5）确定流水线节拍性质，选择运输方式和运输装置

•确定流水线节拍性质

–对连续流水线应选用强制节拍流水线或自由节拍流水线

–当工艺和工件条件许可时应尽量采用强制节拍流水线

–对间断流水线，可选用自由节拍或粗略节拍

•选择运输方式和运输装置

–强制节拍流水线

•分配式传送带、连续式工作传送带和间歇式工作传送带

–自由节拍流水线

•连续式运输带、滚道（辊道）、平板运输车等

–粗略节拍流水线

•滚道、重力滑道、手推车、吊车、叉车等

（6）流水线的平面布局设计

•流水线平面布局设计的原则

–有利于工人操作方便

–在制品运动路线最短

–有利于流水线之间的自然衔接

–用于生产面积的充分利用

•流水线的平面布局形式

–有直线形、直角形、U形、山字形、S形、环形等

•工作地的排列方式

–单列：

工作地排列在传送带的一边

–双列：

工作地排列在传送带的两面

3.8多对象流水线的组织设计

•多对象流水线的组织设计与单一对象流水线的设计过程类似，主要是节拍和设备需要量的计算有所差别

（1）可变流水线

（a）可变流水线的主要特征

•流水线上的加工对象在结构和工艺上相近似

•加工对象成批轮番生产。

当更换加工对象时，设备和工装要进行调整，但调整工作比较容易，且工作量不大

•每种加工对象在流水线上所有工序上设备负荷系数应大致相同

•在计划期内（如月，季等）可有多种加工对象，但在同一加工时段只有一种加工对象，流水线如同单一对象流水线一样工作

（b）可变流水线的节拍计算

设有三种加工对象：

A、B、C

计划期产量分别为：

NA、NB、NC

在流水线上加工的单件时间定额为：

TA、TB、TC

•代表零件法

首先选定一种零件作为代表零件，将各种零件的产量按加工劳动量折合为代表零件产量，然后以代表零件的产量计算节拍。

–首先选定代表零件，如零件A

–计算代表零件的产量：

N=NA+NB·ε1+NC·ε2

式中：

–计算各零件的节拍：

rB=rA·ε1

rC=rA·ε2

式中：

Fo—计划期制度工作时间（分）

η—时间有效利用系数

•加工劳动量比重法

按各种零件在流水线上加工总劳动量中所占的比重分配有效工作时间，然后据此计算各种零件的节拍

–计算各零件加工劳动量在总劳动量中所占的比重：

式中全部零件的总劳动量：

∑NjTj=NATA+NBTB+NCTC

–计算各零件的节拍：

（c）可变流水线设备数量的计算

•计算各零件每道工序的设备需要量：

Sji=tji/rj

式中：

j为零件种类，分别取A、B、C

i为第i道工序

•应确保每种零件在各道工序上的设备需要量基本相等，即：

　　　　　　　　　　　　　　　　SAi=SBi=SCi

（d）设备负荷系数的计算

●

各工序的设备负荷系数：

式中：

Ki—第i道工序的设备负荷系数

tji—第j种工件在第i道工序的单件工时定额（分／件）

q—零件种数

●流水线总负荷系数

式中：

Ka—流水线的总设备负荷系数

Se—流水线采用的设备总数

（e）各种零件在不同工序上的设备负荷比

式中：

Kji—第j种零件在第i道工序的设备负荷比

●应尽量使同一零件在每道工序上的设备负荷比接近，若差别太大，则应采取措施进行工序同期化

（2）成组流水线

（a）顺序生产成组流水线

•顺序生产成组流水线的特点

–零件成组进行加工，成组在工序之间转移

–组内零件按品种顺序加工（在一组零件中先加工完零件A，再加工零件B）

–零件组在各道工序加工的时间与流水线节拍相等或成整数倍关系（一组零件在该工序的全部加工时间）

–在同一组零件中更换零件时，不需要对设备和工艺装备进行重新调整

•顺序生产成组流水线的节奏

式中：

rg—成组加工的节奏

Ng—计划期内计划加工组数

•顺序生产成组流水线各工序所需工作地数：

　　　　　　　　　　　　　Si=tgi/rg

式中：

tgi—第i道工序加工一组工件的工时定额

（b）平行生产成组流水线

•平行生产成组流水线的特点

–零件成组进行加工，成组在工序之间转移

–组内零件平行加工

–设备上可安装多套工具，可进行多工位多刀加工

–和工序加工的零件中，最长工序的工时定额与节拍相等或成整数倍

•平行生产成组流水线节奏的计算与顺序生产成组流水线相同

•每道工序的设备需要量根据工序工时定额最长的零件计算

3.9自动生产线的生产管理

（1）制订期量标准

•节拍

•自动化作业指示图表

•在制品占用量定额

（2）制订生产作业计划

（3）自动生产线的生产活动控制

4.柔性自动化制造

4.1概述

（1）多品种、中小批量产品的制造

•多品种、中小批量产品的生产在国民生产总值中所占比重很大，且越来越大

•产品寿命周期越来越短，更新换代越来越快

•在传统加工方式中，多品种、中小批量产品的生产率非常低

•在传统加工方式中，多品种、中小批量生产的设备利用率非常低

（2）柔性自动化制造系统的类型

•柔性制造模块

•成组制造单元（GTProductionCell）

•柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell,FMC）

•分布数字控制（DistributedNumericalControl,DNC）

•柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem,FMS）

（3）柔性制造系统的组成

•柔性加工系统

•物料运储系统

•计算机控制管理系统

4.2柔性制造系统的分系统

（1）柔性加工系统

•柔性加工系统负责实现FMS中零件的加工生产

•柔性加工系统由具有柔性的加工设备组成

•加工系统除加工机床外还包括一些辅助设备（如三坐标测量机、清洗机等）

•组成加工系统的设备应具有通讯能力（软件接口），零件、工具的交换能力（硬件接口）

（2）物料运储系统

•物料运储系统负责各种物料在FMS内和FMS与外界之间的运输、交换与存储

•在FMS中要求物料运输设备具有柔性

•物料的存储包括自动存储和缓冲存储

•毛坯和制品的进、出交换

（3）计算机控制系统

•计算机控制系统控制管理系统一切活动

•FMS计算机控制系统一般为递阶控制结构。

FMS计算机控制系统包括单控制器、工作站控制器和设备控制器，履盖了CIMS五层递阶控制结构的底三层。

•单元控制器是控制系统的核心

–生产计划的安排调度

–系统资源的调度管理

–系统状态的监控

–故障的诊断与自动排除

–通讯联络

–数控程序管理

–生产统计

4.3实例分析

（1）简介

•JCS-FMS-2：

由北京机床研究所与重庆大学等单位联合研制，

•应用单位：

国内某减速机厂，主要生产行星摆线针轮减速机

•完成时间：

1992年11月

（2）加工对象

•该厂产品结构较复杂，属典型的多品种、中小批量生产。

且产品更新换代快

•选择减速机座作为加工对象。

机座为形状结构较复杂的壳体类零件

•加工对象选择从3号机座到7号机座共5种，机座尺寸从320*155*200到470*380*400（宽*厚*高），材料为铸铁：

HT20–40

•零件工艺较复杂，需加工的面较多

•年生产纲领为15000台，机座3～7号轮番生产

（3）系统组成

•加工系统

–一台立式加工中心（XH714A）。

刀库容量为18

–两台卧式加工中心（TH6350）。

刀库容量为40

•物料运储系统

–一台自动导向小车

–平面仓