第八章自动化制造系统 自动化制造设备（或系统）是应用于制造行业的机电一体化产品，它的自动化水平代表了 个国家制造业的发达程度，它的普及应用会有效做善劳动条件，提高劳动生产率，提高产品质量， 降低制造成本，提高劳动者素质，带动相关产业及技术发展，从而推动一个国家的制造业逐渐 劳动密集型产业向技术密集型产业发展。目前在我国乃至全球都非常重视制造自动化技术的发展， 第一节概述 自动化制造系统是指在较少的人工直接或间接干预下，将原材料加工成零件或将零件组装成 产品，在加工过程中实现管理过程和工艺过程自动化。管理过程包括产品的优化设计：程序的编 制及工艺的生成：设备的组织及协调：材料的计划与分配：环境的监控等。工艺过程包括工件的 装卸、储存和输送：刀具的装配、调整、输送和更换：工件的切削加工、排屑、清洗和测量：切 屑的输送、切削液的净化处理等。 自动化制造系统包括刚性制造和柔性制造，“刚性”的含义是指该生产线只能生产某种或生 产工艺相近的某类产品，表现为生产产品的单一性。刚性制造包括组合机床、专用机床、刚性自 动化生产线等。“柔性”是指生产组织形式和生产产品及工艺的多样性和可变性，可具体表现为机 床的柔性、产品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。柔性制造包括柔性制造单元(FMC)、柔 性制造系统(FMS)、柔性制造线(FML)、柔性装配线(FAL)、计算机集成制造系统(CIMS) 等。下面依据自动化制造系统的生产能力和智能程度进行分类介绍。 一、刚性自动化生产 1、刚性半自动化单机 除上下料外，机床可以自动地完成单个工艺过程的加工循环，这样的机床称为钢刚性半自动化 机床。这种机床一般是机械或电液复合控制式组合机床和专用机床，可以进行多面、多轴、多刀 同时加工，加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列：切削刀具由人工安装、调整，实行定时强 制换刀，如果出现刀具破损、折断，可进行应急换刀：例如：单台组合机床，通用多刀半自动车 床，转塔车床等。从复杂程度讲，刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次，但是投资 少、见效快，适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点是调整工作量大，加 工质量较差，工人的劳动强度也大。 2、刚性自动化单机 它是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。辅助 转置句括白动工件给关、上料，下料、白动夹且、升隆装置和转位置等：切屑处理一般由利板 器和螺旋传送装置完成。这种机床实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。这种机床往往需要 定做或改装，常用于品种变化很小，但生产批量特别大的场合。主要特点是投资少、见效快，但 通用性差，是大量生产最常见的加工转各 3、刚性自动化生产线 刚性自动化生产线是多工位生产过程，用工件输送系统将各种自动化加工设备和铺助设备按 一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。在刚性自动线上， 被加工零件以一定的生产节拍，顺序通过各个工作位置，自动完成零件预定的全部加工过程和部 分检测过程。因此，与刚性自动化单机相比，它的结构复杂，任务完成的工序多，所以生产效率 也很高，是少品种、大量生产必不可少的加工装备。除此之外，刚性自动生产线还具有可以有效 缩短生产周期，取消半成品的中间库存，缩短物料流程，减少生产面积，改善劳动条件，便于管
1 第八章 自动化制造系统 自动化制造设备（或系统）是应用于制造行业的机电一体化产品，它的自动化水平代表了一 个国家制造业的发达程度，它的普及应用会有效改善劳动条件，提高劳动生产率，提高产品质量， 降低制造成本，提高劳动者素质，带动相关产业及技术发展，从而推动一个国家的制造业逐渐由 劳动密集型产业向技术密集型产业发展。目前在我国乃至全球都非常重视制造自动化技术的发展。 第一节 概 述 自动化制造系统是指在较少的人工直接或间接干预下，将原材料加工成零件或将零件组装成 产品，在加工过程中实现管理过程和工艺过程自动化。管理过程包括产品的优化设计；程序的编 制及工艺的生成；设备的组织及协调；材料的计划与分配；环境的监控等。工艺过程包括工件的 装卸、储存和输送；刀具的装配、调整、输送和更换；工件的切削加工、排屑、清洗和测量；切 屑的输送、切削液的净化处理等。 自动化制造系统包括刚性制造和柔性制造，“刚性”的含义是指该生产线只能生产某种或生 产工艺相近的某类产品，表现为生产产品的单一性。刚性制造包括组合机床、专用机床、刚性自 动化生产线等。“柔性”是指生产组织形式和生产产品及工艺的多样性和可变性，可具体表现为机 床的柔性、产品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。柔性制造包括柔性制造单元（FMC）、柔 性制造系统（FMS）、柔性制造线（FML）、柔性装配线（FAL）、计算机集成制造系统（CIMS） 等。下面依据自动化制造系统的生产能力和智能程度进行分类介绍。 一、刚性自动化生产 1、刚性半自动化单机 除上下料外，机床可以自动地完成单个工艺过程的加工循环，这样的机床称为刚性半自动化 机床。这种机床一般是机械或电液复合控制式组合机床和专用机床，可以进行多面、多轴、多刀 同时加工，加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列；切削刀具由人工安装、调整，实行定时强 制换刀，如果出现刀具破损、折断，可进行应急换刀；例如：单台组合机床，通用多刀半自动车 床，转塔车床等。从复杂程度讲，刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次，但是投资 少、见效快，适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点是调整工作量大，加 工质量较差，工人的劳动强度也大。 2、刚性自动化单机 它是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。辅助 装置包括自动工件输送、上料，下料、自动夹具、升降装置和转位装置等；切屑处理一般由刮板 器和螺旋传送装置完成。这种机床实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。这种机床往往需要 定做或改装，常用于品种变化很小，但生产批量特别大的场合。主要特点是投资少、见效快，但 通用性差，是大量生产最常见的加工装备。 3、刚性自动化生产线 刚性自动化生产线是多工位生产过程，用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按 一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。在刚性自动线上， 被加工零件以一定的生产节拍，顺序通过各个工作位置，自动完成零件预定的全部加工过程和部 分检测过程。因此，与刚性自动化单机相比，它的结构复杂，任务完成的工序多，所以生产效率 也很高，是少品种、大量生产必不可少的加工装备。除此之外，刚性自动生产线还具有可以有效 缩短生产周期，取消半成品的中间库存，缩短物料流程，减少生产面积，改善劳动条件，便于管
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2 图 8-1 曲拐加工自动线 a）正视图 b）俯视图 1－斗式切削提升机 2－链板式排屑装置 3－全线泵站 4－工件传送带机工件装卸台 5－工件提升机 6－中央控制台
理等优点。它的主要缺点是投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。为了消除这些缺点，人 们发展了组合机床自动线，可以大幅度缩短建线周期，更换产品后只需更换机床的某些部件即可 (例如可更换主轴箱)，大大缩短了系统的调整时间，降低了生产成本，并能收到较好的使用效果 和经济效果。组合机床自动线主要用于箱体类零件和其他类型非回转体的钻、扩、较、镗、攻螺 纹和铣削等工序的加工。刚性自动化生产线目前正在向刚柔结合的方向发展。 图&1所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局图。该自动线年生产曲拐零件1700件，毛 坯是球墨铸铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面，因而采用了随行夹具安装定位， 便于工件的输送 该曲拐加工自动线由7台组合机床和1个装却工位组成。全线定位夹紧机构由1个泵站集中 供油。工件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式传动装置驱动。因毛坯在随行夹具 定位需要人工找正，没有采用自动上下料装置。在机床加工工位上采用压缩空气喷吹方式排 切屑，全线集中供给压缩空气。切屑运送采用链板式排屑装置，从机床中间底座下方运送切屑。 自动线布局采用直线式，工件输送带贯穿各工位，工件装卸工位4设在自动线末端。随行为 具连同工件毛坯经升降机5提升，从机床上方送到自动线的始端，输送过程中没有切屑撒落到 床上、输送带上和地面上。切屑运送方向与工件输送方向相反，斗式切屑提升机1设在自动线始 端。中央控制台6设在自动线末端位置。 刚性自动线生产率高，但柔性较差，当加工工件变化时，需要停机、停线并对机床、夹具 刀具等工装设备进行周整或更换（如更换主轴箱、刀具、夹具等），通常调整工作量大，停产时间 较长。 二、柔性制造单元M1C 柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)是由单台数控机床、加工中心、工件自动输送及 更换系统等组成。它是实现单工序加工的可变加工单元，单元内的机床在工艺能力上通常是相互 补充的，可混流加工不同的零件。系统对外设有接口，可与其它单元组成柔性制造系统。 1、FMC控制系统 FMC控制系统一般分二级，分别是单元控制级和设备控制级。 (1)设备控制级是针对各种设备，如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置等的 单机控制。这一级的控制系统向上与单元控制系统用接口连接，向下与设备连接。设备控制器的 功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感器监控这些任 务的执行。设备控制级一般采用具有较强控制功能的微型计算机、总线控制机或可编程控制器等 工控机。 (2)单元控制级这一级控制系统是指挥和协调单元中各设备的活动，处理由物料贮运系 统交来的零件托盘，并通过控制工件调整、零件夹紧、切削加工、切屑清除、加工过程中检验、 卸下工件以及清洗工件等功能对设备级各子系统进行调度。单元控制系统一般采用具有有限实 处理能力的微型计算机或工作站。单元控制级通过RS232接口与设备控制级之间进行通讯，并可 以诵衬该接口与其它系统组成MS 2、FMC的基本控制功能 (1)单元中各加工设备的任务管理与调度，其中包括制定单元作业计划、计划的管理与调 度、设名和单元坛行状态的脊录与上报 (2)单元内物流设备的管理与调度，这些设备包括传送带、有轨或无轨物料运输车、机器 人、托盘系统、工件装卸站等。 (3)刀具系统的管理，包括向车间控制婴和刀具预调仪提出刀具请求、将刀具分发至需要 它的机床等
3 理等优点。它的主要缺点是投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。为了消除这些缺点，人 们发展了组合机床自动线，可以大幅度缩短建线周期，更换产品后只需更换机床的某些部件即可 （例如可更换主轴箱），大大缩短了系统的调整时间，降低了生产成本，并能收到较好的使用效果 和经济效果。组合机床自动线主要用于箱体类零件和其他类型非回转体的钻、扩、铰、镗、攻螺 纹和铣削等工序的加工。刚性自动化生产线目前正在向刚柔结合的方向发展。 图 8-1所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局图。该自动线年生产曲拐零件1700件，毛 坯是球墨铸铁件。由于工件形状不规则，没有合适的输送基面，因而采用了随行夹具安装定位， 便于工件的输送。 该曲拐加工自动线由 7台组合机床和 1 个装卸工位组成。全线定位夹紧机构由 1个泵站集中 供油。工件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式传动装置驱动。因毛坯在随行夹具 上定位需要人工找正，没有采用自动上下料装置。在机床加工工位上采用压缩空气喷吹方式排除 切屑，全线集中供给压缩空气。切屑运送采用链板式排屑装置，从机床中间底座下方运送切屑。 自动线布局采用直线式，工件输送带贯穿各工位，工件装卸工位 4设在自动线末端。随行夹 具连同工件毛坯经升降机5 提升，从机床上方送到自动线的始端，输送过程中没有切屑撒落到机 床上、输送带上和地面上。切屑运送方向与工件输送方向相反，斗式切屑提升机 1设在自动线始 端。中央控制台 6 设在自动线末端位置。 刚性自动线生产率高，但柔性较差，当加工工件变化时，需要停机、停线并对机床、夹具、 刀具等工装设备进行调整或更换（如更换主轴箱、刀具、夹具等），通常调整工作量大，停产时间 较长。 二、柔性制造单元 FMC 柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）是由单台数控机床、加工中心、工件自动输送及 更换系统等组成。它是实现单工序加工的可变加工单元，单元内的机床在工艺能力上通常是相互 补充的，可混流加工不同的零件。系统对外设有接口，可与其它单元组成柔性制造系统。 1、FMC 控制系统 FMC 控制系统一般分二级，分别是单元控制级和设备控制级。 （1）设备控制级 是针对各种设备，如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置等的 单机控制。这一级的控制系统向上与单元控制系统用接口连接，向下与设备连接。设备控制器的 功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感器监控这些任 务的执行。设备控制级一般采用具有较强控制功能的微型计算机、总线控制机或可编程控制器等 工控机。 （2）单元控制级 这一级控制系统是指挥和协调单元中各设备的活动，处理由物料贮运系 统交来的零件托盘，并通过控制工件调整、零件夹紧、切削加工、切屑清除、加工过程中检验、 卸下工件以及清洗工件等功能对设备级各子系统进行调度。单元控制系统一般采用具有有限实时 处理能力的微型计算机或工作站。单元控制级通过 RS232接口与设备控制级之间进行通讯，并可 以通过该接口与其它系统组成 FMS。 2、FMC 的基本控制功能 （1）单元中各加工设备的任务管理与调度，其中包括制定单元作业计划、计划的管理与调 度、设备和单元运行状态的登录与上报。 （2）单元内物流设备的管理与调度，这些设备包括传送带、有轨或无轨物料运输车、机器 人、托盘系统、工件装卸站等。 （3）刀具系统的管理，包括向车间控制器和刀具预调仪提出刀具请求、将刀具分发至需要 它的机床等
图8.2柔性制造单元 1一数控车床2一肛中心一装工位4一门式机城手5一机器人一加工中心制播 一车床数控装置8一龙门试机械手控制器9一小车控制器10一加工中心控刺器11一机器人控制器 12一单元控制器13、14一运输小车 图&2所示为一加工回转体零件为主的柔性制造单元。它包括1台数控车床，1台加工中心 两台运输小车用于在工件装卸工位3、数控车床1和加工中心2之间的输送，龙门式机械手4用 来为数控车床装卸工件和更换刀具，机器人5进行加工中心刀具库和机外刀库6之间的刀具交换。 控制系统由车床数控装置7，龙门式机械手控制器8，小车控制器9，加工中心控制器10，机器人 控制器11和单元控制器12等组成。单元控制器负贵对单元组成设备的控制、调度、信息交换利 监视。 图8-3带托盘库的柔性制造单元 1一刀具库2一换刀机械手3一托盘库4一装卸工位5一托盘交换机构 图83所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70 把，采用双机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。托盘库为环形转盘，托盘库台面支承在圆 4
4 图 8-2 柔性制造单元 1—数控车床 2—加工中心 3—装卸工位 4—龙门式机械手 5—机器人 6—加工中心控制器 7—车床数控装置 8—龙门式机械手控制器 9—小车控制器 10—加工中心控制器 11—机器人控制器 12—单元控制器 13、14—运输小车 图 8-2所示为一加工回转体零件为主的柔性制造单元。它包括 1台数控车床，1 台加工中心， 两台运输小车用于在工件装卸工位 3、数控车床 1 和加工中心 2 之间的输送，龙门式机械手 4 用 来为数控车床装卸工件和更换刀具，机器人5 进行加工中心刀具库和机外刀库6 之间的刀具交换。 控制系统由车床数控装置 7，龙门式机械手控制器8，小车控制器 9，加工中心控制器 10，机器人 控制器 11和单元控制器12 等组成。单元控制器负责对单元组成设备的控制、调度、信息交换和 监视。 图 8-3 带托盘库的柔性制造单元 1－刀具库 2－换刀机械手 3－托盘库 4－装卸工位 5－托盘交换机构 图 8-3所示是加工棱体零件的柔性制造单元。单元主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70 把，采用双机械手换刀，配有 8工位自动交换托盘库。托盘库为环形转盘，托盘库台面支承在圆
柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。托盘的选择和定位由可编程控制器 控制，托盘库具有正反向回转、随机选择及跳跃分度等功能。托盘的交换由设在环形台面中央的 液压推拉机构实现。托盘库旁设有工件装卸工位，机床两侧设有自动排屑装置。 三、柔性制造系统FMS 柔性制造系统(Flexible Manufacturing System)是由两台或两台以上加工中心或数控机床组 成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化，其基本组成部分有：自动化加工设 备，工件储运系统，刀只储运系统，多层计算机控制系统等 1、自动化加工设备 组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。 这些加工设备都是计算机控制的，加工零件的改变一般只需要改变数控程序，因而具有很高的柔 性。自动化加工设备是自动化制造系统最基本，也是最重要的设备。 2、工件储运系统 FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库 和托盘（工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等。工件更 换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。 3、刀具储运系统 FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。刀具库有中央刀库和机床 刀库。刀具输送装置有不同形式的运输小车、机器人或机械手。刀具交换装置通常是指机床上的 换刀机构，如换刀机械手 4、辅助设备 FMS可以根据生产需要配置辅助设备。辅助设备一般包括：①泊动清洗工作站：②白动去毛 刺设备：③自动测量设备：④集中切屑运输系统：⑤集中冷却润滑系统等。 5、多层计算机控制系统 FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、工作站控制级、设备控制级。图84就 是一个FMS控制系统实例，系统包括自动导向小车(AGV)、TH6350卧式加工中心、X714 立式加工中心和仓储设备等 R5232c元圖5232c 加工工作站sc1 物克工作站Tsc2 RS232CRS232元 5232c RS232C Gv空制图 PC-E FC-B H6350 TE350 图84 FMS控制系统实例 (1)设备控制级是针对各种设备，如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置以及 储存检索等的单机控制。这一级的控制系统向上与工作站控制系统用接口连接，向下与设备连接。 设备控制器的功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感
5 柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。托盘的选择和定位由可编程控制器 控制，托盘库具有正反向回转、随机选择及跳跃分度等功能。托盘的交换由设在环形台面中央的 液压推拉机构实现。托盘库旁设有工件装卸工位，机床两侧设有自动排屑装置。 三、柔性制造系统 FMS 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）是由两台或两台以上加工中心或数控机床组 成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化，其基本组成部分有：自动化加工设 备，工件储运系统，刀具储运系统，多层计算机控制系统等。 1、自动化加工设备 组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。 这些加工设备都是计算机控制的，加工零件的改变一般只需要改变数控程序，因而具有很高的柔 性。自动化加工设备是自动化制造系统最基本，也是最重要的设备。 2、工件储运系统 FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库 和托盘（工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等。工件更 换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。 3、刀具储运系统 FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。刀具库有中央刀库和机床 刀库。刀具输送装置有不同形式的运输小车、机器人或机械手。刀具交换装置通常是指机床上的 换刀机构，如换刀机械手。 4、辅助设备 FMS可以根据生产需要配置辅助设备。辅助设备一般包括：①自动清洗工作站；②自动去毛 刺设备；③自动测量设备；④集中切屑运输系统；⑤集中冷却润滑系统等。 5、多层计算机控制系统 FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、工作站控制级、设备控制级。图 8-4就 是一个 FMS 控制系统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350 卧式加工中心、XH714A 立式加工中心和仓储设备等。 图 8-4 FMS 控制系统实例 （1）设备控制级 是针对各种设备，如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置以及 储存/检索等的单机控制。这一级的控制系统向上与工作站控制系统用接口连接，向下与设备连接。 设备控制器的功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感