1、现代制造系统,第5章 柔性与可重构制造系统（1） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,回顾现代制造的特点： 高效、 柔性、 集成。 柔性制造系统与可重构制造系统 都是通过先进技术实现“柔性+高效”的典型； 大规模定制既指制造系统的一个发展阶段， 也指这个阶段所用的一种先进制造模式， 是从管理流程角度实现企业柔性的代表方法。 最后，本章还介绍与制造系统柔性有关的若干种理论与方法。,第5章 柔性与可重构制造系统,第5章 柔性与可重构制造系统 5.1 柔性制造系统 5.2 可重构制造系统 5.3 大规模定制 5.4 其它相关理论与方法,基本概念： 刚性制造系统（dedicated manufact
2、uring system，DMS） 产品种类和工艺路线单一， 生产效率高，成本低， 但缺少柔性，市场需求变化时重构成本高。 柔性制造系统（flexible manufacturing system，FMS） 具有复合加工能力， 不需重构就能同时处理多种不同类型的产品， 通过高技术保持高生产效率， 技术要求高，实现成本较高。,柔性制造系统的“柔性”体现在哪些方面？ （1）物理上的柔性 （1.1）加工系统的柔性 （1.2）运输系统的柔性 （1.3）控制系统的柔性 （2）逻辑上的柔性 （2.1）任务分配的柔性 （2.2）工艺路线的柔性,（1.1）加工系统的柔性 代表性的柔性加工设备： 加工中心（ma
3、chine center，MC） 具有复合加工能力，通常拥有多把刀具， 有自动换刀装置（automatic tool changer，ATC）。 相关概念： 数控机床（computer numerical control，CNC）。 辨析：加工中心都是数控机床， 而数控机床不一定有复合加工能力, 因此，数控机床不一定是加工中心。,加工中心举例： OMNIMIL80系列车铣加工中心， 既是车床（刀具固定，零件旋转）， 也是铣床（零件固定，刀具旋转）， 还能完成镗、钻、铰、攻螺纹等多种工序。 加工中心的主要优点： 零件一次装夹就能完成多道工序的加工， 从而极大节约装卸时间， 同时保障很高的定位精度
4、 。,美国White Sundstrand公司生产的 OMNIMIL80系列加工中心,加工中心的技术特点： 刀具管理系统， 以应对不同的加工需求。,自动换刀装置,盘式刀库， 多种刀具安置在一个圆盘上，通过圆盘旋转和机械手换刀。 参考视频: “木雕机换刀“。,自动换刀装置链式刀库， 其它类型的刀库介绍略。,自动换刀方式有 顺序选刀方式：将所需使用的刀具按加工顺序，依次放入刀库的每个刀座内。每次换刀时，刀座按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需的刀具。 刀座编码方式：对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中，然后根据刀座编码选取刀具。 刀具编码方式：采用特殊结构的刀柄，并
5、对每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置，根据数控系统发出的换刀指令代码，在刀库中寻找所需要的刀具。这种装刀换刀方便，刀库容量减小，还可避免因刀具顺序的差错所造成的事故。,刀具监控装置 监控内容： 刀具位置、温度， 刀具磨损程度等。 监控方法： 激光传感器， 图像传感器， 温度传感器等。,刀具监控装置,加工中心的技术特点： 高自由度工作台。 举例： 传统工作台 固定、无自由度 或只有一个自由度。,加工中心的技术特点： 高自由度工作台举例： 回转工作台。,回转可以是多个方向的，即具有多自由度。,高自由度工作台举例： 万能工作台， 拥有6自由度。 参考视频： “万能工作台“。,加工中心的技术特点
6、：多轴联动技术。 举例：大连机床厂的九轴五联动机床。,多轴联动技术： 可以叠加多种运动，适合加工复杂曲面。 举例：发电机转子、柴油机曲轴、螺旋桨等。 参考视频：“九轴五联动加工“。,（1.2）运输系统的柔性 代表性的柔性运输设备： 自动导引车，也称作无人搬运车（automated guided vehicle，AGV）。,自动导引车分类： 有轨式自动导引车（左图）， 无轨式自动导引车（右图）。 参考视频：“自动导引车“。,有轨式自动导引车与自动生产线的区别： 有轨式自动导引车 路线可变，计算机可控制改变路线。 自动生产线 路线固定， 计算机仅控制 移动节拍。,运输系统的柔性： 工业机器人， 实
7、现多种零件的自动装卸工作， 注意这种机器人通常只有 手（机械手）、眼（传感器）和 脑（计算机或其它自控装置）。,一种传统的搬运机器装置被称为 托盘自动交换装置 （automatic pallet change，APC）， 其通过编程能在固定的几个位置之间交互托盘。,目前被适应范围更广、功能更强大的手型机器人逐步取代。 两者的主要区别在于手型机器人能够通过传感器识别不同的托盘。,运输系统的柔性：自动化仓库。,举例： 旋转货架。,自动化仓库。 举例：立体货架， 参考视频：“立体车库“。,自动化搬运装置的 综合应用： 自动轨道， 机器手， 立体货架。 参考视频： “自动化立体仓库“。 在烟草、医药、
8、机械等行业应用较多，目前国内已有几千家建成并投入使用。,（1.3）控制系统的柔性 利用各种计算机系统 灵活应对市场变化，实现柔性生产控制。 企业级的管理信息系统通常称为 企业资源计划（enterprise resource plan，ERP）, Gartner公司1990年提出的概念。 车间级的管理信息系统通常称为 制造执行系统（manufacturing execution system，MES）， 美国AMR研究中心在ERP出现后不久提出的概念。 上述两类管理信息系统的主要功能在于“集成”，因此放在后续章节介绍。,（2.1）任务分配的柔性 刚性制造系统 一种零件由固定的设备和工人完成。 柔
9、性制造系统 一种零件可由多个不同的设备和工人完成。 可根据实际生产负荷灵活调配， 对设备和人员的技术水平要求较高。,（2.2）工艺路线的柔性 刚性制造系统 工艺路线固定。 柔性制造系统 工艺路线在一定范围内根据实际负荷灵活调节。 对管理水平和工艺人员的技术水平要求较高。,柔性制造系统举例1：,柔性制造系统举例2：,柔性制造系统举例3：,柔性制造系统举例4,柔性制造系统 举例5,柔性制造系统的特点： 主要特点：柔性 与 自动化。 多数情况下特指应用先进技术的单元级制造系统。 优点与缺点： （1）设备利用率高，占地面积小； （2）减少直接劳动工人数； （3）产品质量高而稳定； （4）减少在制品库存
10、量； （5）投资高、风险大，开发周期长； （6）管理水平要求高。,柔性制造系统的发展历程： 上世纪50年代，美国麻省理工学院（MIT）诞生了第一台三坐标数控铣床以后，机电一体化及数控（NC）的概念出现了。 1963年美国MALROSE公司制造了世界上第一条多品种柴油机零件的数控生产线，为FMS的雏形。 英国MOLIN公司最早正式提出FMS的概念，并在1965年取得了发明专利，1967年该公司正式建成FMS。 1984年我国开始研制FMS。 1986年我国从日本引进第一套FMS，编号为JCS-FMS-2。,JCS-FMS-2的实物照片：,JCS-FMS-2的系统结构：,柔性制造系统的应用问题：
11、案例：北京第一机床厂在“七五”期间，花了几百万美金引进了两条柔性制造系统（JCS-FMS-2），但很长时间没有充分利用。 分析原因：主要不在于车间本身，而是相关部门与系统的配合问题，例如： 上线毛坯尺寸不能差别太大，需要精密铸造； 每加工一种新零件，需要进行数控编程、工装设计，需要工艺部门CAPP系统支持； 每加工一种新零件，需要工具车间补充刀具； 能否得到加工任务，还需要得到生产车间调度处MRP计划的支持，如果生产车间调度处认为用FMS加工不仅工时费用高，而且准备时间长，还不如派给普通机床。,柔性制造系统的发展现状： 尽管FMS的相关技术日渐成熟， 其应用范围却越来越小。 主要原因是系统的应
12、用成本过高， 仅应用一些在需要精密加工的制造领域。 目前，国内大型制造企业都会购买一些加工中心，但罕有大范围使用。 当前，柔性制造系统的主要问题： 柔性与成本之间的矛盾。,当前，柔性制造系统面临成本过高的限制， 那么柔性制造系统该如何发展？ 分析问题： 市场需求虽是复杂多变，但也不是每天都变， 柔性制造系统却是随时可以改变加工能力。 如此看来，系统具备的柔性实际需要的柔性， 能否牺牲部分柔性换来降低成本？ 新的发展：可重构制造系统。,总结柔性制造系统： 是通过先进技术实现“柔性+高效”的典型。 成本过高是柔性制造系统最大的缺点。 与看板系统对比： 看板系统主要针对同类型产品的需求数量波动，对产品需求的多样化无能为力，其上述特点称为灵活性或敏捷性； 柔性制造系统则主要应对产品需求的多样化，同时由于其加工的高效率，对产品的需求数量波动也能很好的应对，此特点称为柔性。,课程要求（5.1）,知道柔性制造系统的主要特点：柔性、自动化； 知道柔性制造系统主要应用在单元级； 知道柔性制造系统的优点与缺点（共6条）； 知道柔性制造系统与刚性制造系统的主要区别。 知道柔性制造系统的柔性体现在何处（5点）； 理解加工中心与数控机床的包含关系； 知道加工中心的主要技术特点（3点）； 知道代表性的柔性运输设施（3个）。,
