柔性制造技术

第一章思考题
1.柔性制造系统与刚性自动线有何不同及相同之处
刚性自动线特点：设备和加工工艺固定,不灵活,只能加工一个零件, 或几个相互类似的零件,即具有刚性。

柔性制造系统：设备和加工工艺不固定,灵活,能加工多个零件, 或几个相互类似的零件,具有柔性。

2.举例说明FMS的基本组成、主要功能、适用范围
基本组成：加工系统、物料储运系统、计算机控制系统
主要功能：1. 自动进行某一零件族零件的生产(数控机床承担自动制造任务)；2. 自动运输、储存、交换物料（毛坯、工件、刀具等）；3. 自动监视、自动补偿、自诊断等(刀具磨损、破损的监测等）；4.作业计划与调度功能。

适用范围：1.产品类型2. 零件类型据统计,约70%的FMS用于箱体类的非回转体加工, 30%左右的FMS用于回转体的加工.3. 材料类型FMS所加工的材料范围很广,但大多是加工
铸铁件,其次是刚件和铝件。

4. 零件的品种与批量FMS适用于多品种,中小批量零件的生产FMS在各种加工方式中所处的地位
3. FMM、FMC、FTL、FMS 各自有何特点？它们相互关系如何？下面两个图示属于FMM、FMC、FTL、FMS 中的哪一类？
FMM特点:能独立运行, 能承担由多种零件组成的混流作业计划, 但不具备工件、
刀具的供应管理功能，没有生产调度功能。

FMC特点：由工件自动输送设备连接的2~3个FMM组成，能独立工作，具有一定的生产调度能力。

FTL特点：是工艺设备按照所采用的工艺操作顺序布置时的FMC ,适用于少品种、大批量生产。

FMS特点：在FMC基础上增加必要的加工中心台数，配备完善的物料和刀具储运系统, 通过计算机控制系统管理全部生产，具有实时控制能力。

连杆加工柔性自动线柔性制造系统
附加重点：
FMC与FMS的区别？
1、制造设备（单台多台）
2、制造功能（某一种制造功能多种制造功能）
3、制造规模（自动化制造孤岛与上位计算机联网并交换信息）
2.制造自动化系统：一定范围的加工对象、一定柔性和自动化水平的各种设备、高素质的人构成的有机整体
3.FMS的一般定义:1) 是一个计算机控制的生产系统;2) 系统采用半独立的数控机床;3) 这些机床通过物料输送系统联成一体.
4. 目前FMS发展主要趋势：
小型柔性制造单元成为热门高效率柔性制造线发展较快柔性系统向多功能方向发展系统
集成是制造业发展所需
5.FMS的分类
(一)按FMS承担的制造任务分类：柔性加工系统柔性装配系统柔性检测系统
(二)按机床与物料输送系统的组合方式分类，柔性零件加工系统分三类：柔性制造模块（FMM）柔性制造单元（FMC）（柔性自动线(FTL)）柔性制造系统（FMS）
(三)按物料输送路线的布置方式分类，FMS分三类：1、直线型FMS2、环路型FMS3、机器人型FMS
6.FTL与刚性自动线类似处：加工过程有一定的生产节拍，工件沿一定的方向顺序输送
不同处：FML多采用多轴主轴箱式加工中心,当工件变换时,各机床主轴箱可自动进行相应的更换.同时调入相应的数控程序,即有“柔性”.
7. 据统计,约70%的FMS用于箱体类的非回转体加工, 30%左右的FMS用于回转体的加工. 原因：箱体类零件平面、孔可同时加工；箱体类零件容易装载和输送；箱体类零件容易获得所需的加工精度；箱体类零件加工采用FMS容易收益
第二章思考题
1.FMS中的机床特征
具有高的柔性综合加工能力强，生产效率高结构布局便于工件自动交换有大容量刀库或辅助刀库高性能容易控制具有自保护装置和能力具有必要的辅助设备
2.互替机床与互补机床各自有何特点？
互替机床：纳入系统的机床可互相代替
* 柔性高* 工艺范围宽* 并连环节，可靠性高* 机床技术利用率低* 生产率低* 价格高互补机床：纳入系统的机床是互相补充的，各自完成某些特定的工序，各机床之间不能互相取代，工件在一定程度上必须按顺序经过工位
* 机床技术利用率高* 生产率提高* 价格较低* 柔性较低* 工艺范围较窄* 串联环节，可靠性低
3.加工中心的哪些功能对FMS的设计和运行有重要影响？为什么？
（1）刀具存储与自动换刀
刀库容量（关系到混流加工零件种类多少）
存储刀具的最大直径、长度、重量（关系到可加工工件的规格）
换刀可靠性（影响系统可靠性）
换刀速度（直接影响生产效率）
（2）工件自动交换
（3）工件找正、刀具监测(接触传感器作用)
4.车削中心的概念及其结构特点和工艺特点？
车削中心：是一种高精度、高效率的自动化机床，它的主体是数控车床，同时兼备车削和铣削等加工能力，具有自动交换刀具和工件的功能，能对多种工件实施柔性自动加工
车削中心的主要结构特点
（1）主传动系统
* 主传动系统与数控机床基本相同，采用直流或交流主轴电机——带传动和主轴箱内的变速齿轮——主轴旋转
* 增加主轴的数控轴（C轴）的坐标功能,实现车削/铣削状态转换
（2）刀架及自动换刀装置
* 回转刀架：在数控车床回转刀架基础上，使工具旋转。

工艺特点一、多轴数控加工二、加工综合化三、加工节奏快
5. 熟悉教材P78“加工轿车铝车轮的车削中心”。

（附加：图4-13、4-14、4-15）
第二章额外
1、FMS中的机床配置形式
加工零件类型机床配置
箱体类CNC加工中心
回转体类CNC车削中心、CNC磨床
箱体类+回转体类CNC加工中心+CNC车削中心
特殊类专用CNC机床
2、加工中心固定刀库的四种常见形式
（1）盘式刀库（2）链式刀库（3）盒式刀库（4）架式刀库
第三章思考题
1、FMS对刀具有何要求及其对策?
一、控制刀具的数量
1> 产品设计模块化和标准化2> 刀具设计模块化和标准化3>采用复合刀具和多刃刀具
4> 充分利用机床的数控功能
二、刀具自动交换* 常规刀具自动交换采用机械手完成* 超常刀具自动交换：刀体安装于主轴上，刀具变换只需交换刀头
三、高可靠性* 采用不重磨刀具
2、简述刀具管理系统的任务及运作过程。

采购刀具计划刀具数据管理刀具计划刀具供应
1）.制定刀具准备计划2）.刀具准备及供应3.）刀具入库
3、熟悉刀具管理系统的设备组成。

⑴管理站⑵零件柜⑶刀具组装站⑷刀具预调仪⑸刀具缓冲站⑹加工中心盘形刀库⑺NC车床回转刀架⑻换刀机械手⑼备用刀具库⑽盘形刀库交换器⑾读写器⑿盘形刀库用托盘⒀控制器⒁夹具调整装置(15) 中央刀库(16) 刀具立体仓库
4、掌握主要刀具识别与刀具预调方法。

一、编码环刀具识别系统* 编码环安装于刀柄尾部* 凸、凹两种圆环面代表“1”和“0”* 凸、凹两种圆环面的不同排列形成刀具码* 读码器与编码环接触识别刀具码* 可靠性差，寿命短
二、条形码刀具识别系统* 条形码与刀具编码一一对应* 条形码阅读器扫描条形码* 不易修改信息，信息量小
三、标识块识别系统( ID系统)* 标识块：与被标识的物料固联，存储该物料的信息* 读写器：通过读写器向标识块写入或读出信息* 识别控制单元：标识块识别系统与可编程控制器或上位计算机的接口
优缺点* 抗环境污染能力强* 存储的信息量大* 可重复存储数据
标识块识别系统应用* 检测线上将检测数据写入标识块* 出库线上从标识块读出产品名称，规格等数据* 装配线上把下道工序的作业数据写入标识块
标识块刀具识别系统* 标识块一般安装在刀柄上* 标识块数据可重写，且保存时间长
刀具预调：
* 进行工件加工的刀具都要进行预调
* 根据加工要求确定刀具的预调参数，测量其实际的刀具长度和直径等，将数据输入系统* 测得的刀具补偿值提供给机床控制器
5、刀具监控方法有那些?
一、刀具直接监控1.图象匹配法(CCD)2.接触法(接触传感器等)
二、刀具间接监控1.工件表面质量监测（激光传感器）2.切削温度监测（热电偶）3.超声波监测（超声波换能器和接受器）4.振动监测（振动传感器）5.切削力监测（应变力传感器）6.功率监测（功率传感器）7.声发射监测（声发射传感器）声发射（Acoustic Emission, AE）：固体因变形或破坏而释放出能量，并转变为超声波向四周传播的现象。

6、试举例说明你学习过的哪些技术可应用于FMS刀具管理系统？
附加刀具预调仪 1.刀具定位机构——刀具预调仪主轴*回转精度高*与刀柄锥面接触好*带拉紧刀柄机构*主轴的轴向尺寸基准面与机床主轴相同*主轴中心线对测量轴z、x平行度、垂直度等要求高2.测头部分* 接触式测头：千分表直接测刀齿最高点测量精度：（0.002-0.01）mm直观，易损伤表头、刀具切削刃*非接触式测量：显微投影仪测量精度0.005mm 可综合检查刃部质量3.测量数据处理刀具预调仪上配置计算机及附属装置，可存储、输出、打印预调数据，并将数据输送给系统。

方案一
优点：1）有备用刀具组2）有备用机床3）刀具传送系统简单
缺点：1）刀具需求量大2）机床重复存储NC程序3）要求机床刀库容量大
方案二
优点：1）有备用刀具2）每个NC程序只存储在一台机床上3）刀具传送系统简单
缺点：1）需有一组以上相同刀具2）无备用机床
方案三
优点：1）有备用刀具组2）每个NC程序只存储在一台机床上3）对机床刀具库容量要求低4）更换机床刀库中的刀具可形成备用机床
缺点：需有较复杂的刀具储存与管理系统
方案四
优点：1）有备用刀具组2）每个NC程序只存储在一台机床上3）对机床刀具库容量要求4）更换机床刀库中的刀具可形成备用机床5）相对前三种策略，刀具数量少，成本降低6）相对前三种策略，有利于刀具维护* 刀具子集：易于断裂的刀具以备用替代刀具：为零件替代工艺计划提供的刀具
缺点：需有较复杂的刀具储存与管理系统
第四章思考题
1、机器人与机械手有何不同?
机械手模拟人手和臂动作的机电系统,无自主能力，附属于主机设备动作相对简单只能做固定程序控制的重复性动作
机器人具有独立的机械机构和控制系统具有高度的自主能力可实现复杂运动和任意定位可根据需要进行重复编程
2、机器人由几个子系统构成?
执行系统驱动系统控制系统检测系统
3、工业机器人分类方法有哪些?
按控制系统分类按驱动方式分类按抓举重量和动作范围分类按运动方式分
按结构形式分类
笛卡儿坐标机器人（直角坐标机器人）* 适用于高精度装配领域
圆柱坐标型机器人* 使用于着色、定位和工件装载等场合
球坐标型机器人* 适用于焊接等场合
关节型* 使用于常规场合
4、举例说明工业机器人在物料搬运中的应用.
1.自动堆垛系统
2.物料供给系统
5、举例说明工业机器人在加工制造中的应用.
1>焊接2>切割3>喷漆4>涂敷
6.工业机器人的选用要点( 教材).
第五章思考题
1、自动化仓库的主要功能是什么?
1>物料存储2>定时控制物料流动3>准确统计库存物料的种类、规格、数量4>对物流和制造实施统一管理5>为上层管理系统提供必要的信息6>在计算机信息管理系统支持下，实现订货、生产计划、物料控制的集成
2、有几种自动化仓库? 试介绍固定式自动化仓库的结构.
1.固定式自动仓库1> 货架2> 堆垛机（自动巷道车）3> 进出库作业站4> 载货工具5> 进出库控制装置
2.循环式自动仓库1> 水平循环自动仓库2> 垂直循环自动仓库3> 多层水平循环自动仓库
3、自动化物料传送设备有哪些?各自有什么特点?
一、传送机
传送机特点：* 控制相对简单* 具有连续输送的能力，单位时间内输送量大* 传送设备造价低廉* 实施的技术要求低、维护方便* 工件（或托盘）定位准确性差
二、有轨小车
特点:* 移动速度快,行走平稳,定位精确* 承载能力大,适合搬运笨重零件* 控制系统相对简便,可靠性高,成本低易维护* 运输路径柔性不高,一般适合在直线布局的系统中采用
三、自动导向小车（Automatic Guide Vehicle, AGV)定义:具有电磁或光学的自动导向装置,可以沿着事先预定的路径运行,具有依据应用需求编程及选择停靠点等特殊功能的运输小车. 特点*具有良好的柔性*可减少劳动力需求和提高生产率*不同的AGV能够在同一个系统中运行*系统中个别AGV不能正常工作,系统也不会瘫痪*系统容易扩展*提高了产品设备运输的安全性*占用空间少*耗能少,运行噪音低*容易安装,维护方便*易于与其它自动化系统集成4、AGV常用的制导方式有哪些?简述其原理.（见书）
1>电磁制导2>激光制导* 特点:对地面无特殊要求3>光反射制导4>标记跟踪制导5>磁制导6>三面直角棱镜制导7>外景识别制导
5、FMS选用AGV时应考虑的主要指标有哪些？
外形尺寸载重量运行速度转弯半径蓄电池电压及每两次充电之间的平均寿命安全设备载物平台的结构控制方式定位方式兼容的控制计算机类型
6、试介绍一个采用了自动化仓库和AGV的FMS
思考题
7.某企业目前运行的FMS需扩充立体化仓库，已知该系统采用5台加工中心和2台车削中心，每天24小时运行，所加工工件平均加工时间为6分钟/托盘，每天工件加工准备时间约8小时，用于存储工件的待用托盘数为300个，系统目前中央刀库可以满足所有刀具的存储要求，试估算该系统立体化仓库的存储数量和出入库频率。

仓库的存储数量N N ≥Tn/t + a + b = （24－8）×7/0.1+300=1420(个)
T ：“无人”加工时间n ：系统中机床台数t：托盘上所装工件的平均加工时间
a：存储工件的待用托盘数b：储存刀具所用的托盘数出入库频率出入库频率P
P = n / t = 7 / 0.1= 70 （个/小时）
第六章思考题
复习题
1、掌握FMS控制系统的结构。

一、多级分布式控制系统1.公司级2.工厂级3.车间级4.设备级
二、数据库1. 层次数据模型（树结构）2.网状数据模型3. 关系数据模型
三、计算机网络1〉子网络2〉工厂主干网3〉FMS控制系统的子网络互联
2、熟悉刀体加工FMS的组成、工艺及控制，了解什么是DNC控制。

面向FMS的NC系统特点：1>由PLC直接控制NC系统2> PLC与NC有明确分工PLC：机械设备的动作顺序控制NC程序的检索和启/停操作主轴控制
NC：进给轴控制选择主轴转速和刀具执行辅助功能
DNC控制系统直接数控（群控）（Direct Numerical Control）：利用直接联接计算机与数控机床的通信线进行数控程序的传输，实现计算机对各设备的直接控制与管理。

3.了解FMS控制系统的计算机网络构成、网络协议。

计算机网络1〉子网络2〉工厂主干网3〉FMS控制系统的子网络互联
网络通信协议(Communication Protocol)在OSI同等层间通信必须遵守的一系列规则或约定
4. 为什么说由单元控制器管理控制的制造单元自身就是一个能独立运行的“FMS”?
5. 简述在FMS中PLC的功能.
* 由顺序控制(继电器)→多功能扩展
（1）数据处理和数值运算功能（2）大量信息的高速处理——高性能CPU和大容量内存（3）外围设备多样化（4）网络功能（5）故障诊断
第七章思考题
1.FMS制造过程中的质量控制的含义?
FMS制造过程中的质量控制是在传感技术、信号处理技术、计算机技术的基础上，通过计算机及其软件，实现在加工过程中对质量数据的获取、处理、分析，并对加工过程进行有效的控制，从而保证产品的加工质量满足设计要求。

2.何为在线控制?何为离线控制?比较其特点.
在线式（On—Line）以实时、在线的方式获取质量信息，并实现反馈的质量控制
* 实时性强，效率高* 易于实现质量过程控制* 系统复杂，可靠性、经济性较差
离线式（Off-Line）：对产品本身的质量检测采用离线的方式进行，再根据检测结果去调节生产* 实时性差，效率低* 系统简单，可靠性高，* 成本低。

3.试述坐标测量机在FMS质量保证系统中的作用.
加工好工件送至测量工位→坐标测量机自动测量→分析系统分析测量结果，并与技术标准比较→分析误差原因，采取补偿措施→控制加工过程和设备
4.FMS应实施哪些方面的质量监控？
制造过程系统故障设备运行精度安全
第八章思考题
FMS主要的管理软件有哪些？说明各自的功能。

系统管理软件（ 1.实时作业计划：平衡生产2. 局部控制管理能。

3. 人/机控制室界面4. 装卸站管理5. 制造资源计划6. FMS运行的动画仿真）
刀具管理软件（1. 实时管理FMS的全部刀具2. 监测重要的刀具数据：在线刀具的寿命、状态、位置3. 刀具在机床上使用时及使用后其特征数据的管理4. 人机界面的管理）
刀具室管理软件（刀具组装刀具预调刀具检测刀具存储）
生产规划软件作业规划软件统计报告软件
预防维护软件（1.调整维护工作时间2.维护管理（需要维护的设备，维护时间，维护周期等）3.改进和说明维护工作）
第九章思考题
何为计算机仿真?试述其基本步骤及特点.
定义: 在计算机上对系统的计算机模型进行实验研究的仿真
基本步骤(1)建模(2)编程：将模型转化为计算机仿真程序(3)进行仿真实验：选择输入数据，在计算机上运行仿真程序，以获得实验数据(4)结果统计及分析(5)总结：对模型的适用范围、可信度及运行费用进行总结。

特点:* 仿真结果是实验选出的较优解;* 仿真结果的价值及可信度与仿真模型、仿真方法及仿真实验输入数据有关
举例说明什么是FMS排队模型、活动循环图模型和Petri网模型, 并掌握其涵义
排队模型：将系统表述为由若干工位组成的排队网络。

用于FMS的规划阶段设计，对不同的方案进行主要性能的比较分析, 从而对系统进行评价
活动循环图模型：以直观方式显示系统的状态变化和运行过程，利于理解、分析
原理：认为系统中的每一种实体都按各自的方式循环地发生变化，而在这一循环中只有两种状态——静止状态和活动状态，这两种状态在循环中交替地出现。

用Petri网建立FMS模型的优点：1）能用简单、清晰的网络图形描绘制造系统2）能以严密的数学工具来分析、预测系统的状态变化以及引起变化的因素3）能依据该模型直接实现对系统的控制（例子见书）
3、图示FMS加工设备为三台加工中心和两台车削中心、物料运输由自动小车完成。

目前有两种不同的工艺路线设计方案，实行工艺路线（一）则装夹在L上的工件送到MC和VL 的概率均为0.5，经过MC加工的零件送到VL和U的概率分别为0.4和0.6, 经过VL加工的零件送到MC和U的概率分别为0.7和0.3；实行工艺路线（二）则装夹在L上的工件送
到MC和VL的概率为分别为0.4和0.6，经过MC加工的零件送到VL和U的概率分别为0.5和0.5, 经过VL加工的零件送到MC和U的概率分别为0.6和0.4。

工件抵达L的到达率λL＝15件／小时。

试根据该FMS的仿真排队模型，通过确定加工中心、车削中心、自动小车和拆卸站的利用率比较两种工艺路线的设计方案。

（答案上课例题）
第十章思考题
1.了解FMS的总体设计过程。

1.确定采用FMS的目标
2.零件谱的确定及工艺分析
3.建立系统的功能模型与信息模型
4.确定系统的技术方案
5.系统配置的仿真优化
6.系统的可靠性分析与综合评价
2.什么是成组技术? 试述其在FMS设计中的作用.
成组技术（GT）含义通过对零件之间客观存在的相似性进行标识，按相似性准则将零件分类归族，在零件族的基础上完成产品生产的各个环节，从而实现产品设计、制造、工艺和生产管理的合理化。

作用1）利用零件之间的相似性分类归族，扩大了生产批量2）减少了专用工艺装备的数量，减少了生产准备时间和费用，降低生产成本，缩短生产周期
3.举例说明影响FMS布局设计的技术因素有哪些?
1)厂房与FMS布局2)工艺流程与FMS布局3)制造设备与FMS布局4)物流系统与FMS布局
你4.掌握设备平面布局设计方法—从至表法。

5.仔细阅读教材11-6节设计实例,总结其主要特点.
6.功能模型：在进行复杂系统的设计时，为了使设计人员、用户以及维修人员对系统的功能达成一致的理解，而采用一种通用性强、规则严格、没有歧义的模型对系统功能进行描述。

信息模型：全面描述和分析系统的信息需求，为数据库设计和有关控制器设计提供必要的技术准备，以实现系统内部以及内部与外部环境间的全面信息集成.
设FMS有8台加工设备成直线排列, 每台设备之间的距离为一个单位; 共加工10种零件,其产量如下:
1)绘制工艺路线图
3)计算在本排列方式下零件移动的总距离L = ∑iji其中i 为穿过从至数各斜线编号;ji 为编号为i 的斜线穿过的从至数之和经计算得: L = 391
4)分析改进从至表, 求得较优的设备布置方案* 四象限法要求S = S1 - ( S2 + S3 )
≤0其中，S1为Ⅰ、Ⅲ象限从至数和；S2为Ⅱ、Ⅳ象限从至数和；S3为两设备之间零件移动从至数和。

5)若S = S1 - ( S2 + S3 ) ﹥0 则两设备对调计算得S =31对调后,零件移动的总距离L = 360
布局设计基本原则1)利于提高机床的加工精度；2) 便于整个车间的物流畅通和自动化；3) 通信线路畅通且不受外界强磁场干扰；4) 模块化结构布局便于系统扩展；5) 物料运输路线愈短愈好；6) 利于切屑排除和输送；7) 利于人身安全,设置安全防护网
第十一章思考题
1.试分析柔性装配系统和柔性加工系统的共性和个性.
柔性装配系统* 一个装配作业站（机器人）能完成若干零（部）件的装配* 适合于多品种、中小批量产品的装配作业
柔性加工系统1. 自动进行某一零件族零件的生产(数控机床承担自动制造任务)；2. 自动运输、储存、交换物料（毛坯、工件、刀具等）；3. 自动监视、自动补偿、自诊断等(刀具磨损、破损的监测等）；4.作业计划与调度功能
2.举例说明柔性装配系统供送料系统的特点.
装配中心* 由多个装配装置组成* 快速更换装配工具和装配夹具，以适应零件变化* 工作台定位由PLC控制伺服执行机构来实现
装配机器人特点：各臂水平方向运动象人一样柔顺；垂直插入方向运动速度和精度又具有机械一样的特性·重复定位精度±0.05mm·一次装配时间：20s
用于发电机FAS的机器人* 圆柱座标式机器人
* 完成零件的抓取、传送和装配工作* 能够自动更换和使用装配工具
3.举例说明传感器在柔性装配系统中的应用.
一、视觉传感器二、光电传感器三. 位移传感器四、接近传感器五、压力传感器
第十二章（几个图）。