制造柔性机械制造（共9篇）
制造柔性机械制造 篇1
工艺装备 (以下简称工装) 是产品制造过程中的保证, 它对产品的质量, 成本以及效率等起到了非常重要的作用, 所谓柔性化即单一工装设备能够完成多型号和不同结构组对的功能, 与产品的模块化设计相类似, 能够实现不同功能的组合, 依托成组技术和标准化技术, 将整体工装细分为多个可重组、可扩展的不同系列的规格化模块单元, 实现当产品结构发生变化时, 对应的模块快速调整适应变化的结构来完成工装制造和产品的焊接组对。
1 焊接工装在施工过程中需要注意的一些事项
焊接工装的特点是装配焊接工艺和焊接结构和焊接顺序决定的, 其主要有以下一些注意事项:
(1) 在焊接过程中, 当零件因焊接加热而伸长或因冷却而收缩, 为了减少焊接变形和焊接应力, 允许某些零件在某些制定的方向上是自由的, 有些零件利用定位装置定位即可, 不需要全部刚性固定。
(2) 在焊接进行装配时需要根据一定的顺序逐步进行, 其定位和夹紧也是根据相关的要求和加工工艺进行。
(3) 焊接产品出于施焊方便或更好的控制变形的原因, 装配和焊接两道工序可能是先装完再焊接, 也可能是边装边焊接, 装配焊接完成产品成为了一个大的整体, 结构更加复杂。
所以作为焊接施工所需要使用的工装需要满足实用性、经济性、可靠性、艺术性的原则, 明确产品加工的相关要求, 根据要求拟定相关柔性工装的方案, 进行必要的分析。
2 工装柔性化组合的模式
通过长期的应用和实践, 将工装单元划分为主体, 支撑模块, 夹紧装置, 定位模块, 导向模块等几大类, 各种工装总体上均为规格化不同系列的上述单元组合而成, 一般主体为工作台, 工作台承载能力高, 刚性稳定, 它的五个面上有各种均匀化的安装孔和T型槽等;支撑模块为组合式工装的结构单元, 在工装中起上下连接的作用, 如各种角铁、方箱、角尺等;夹紧装置用于保证组对各零部件之间的相对位置在焊接过程中不发生变化, 如快速夹具等;定位模块用于组对各零部件之间位置尺寸的定位, 导向模块用于夹具元件相对位置发生变化时变位导向作用。
3 柔性焊接工装的特点
柔性组合式焊接工作有如下几个特点:
(1) 模块化和柔性化, 所有模块, 进行了标准化和系列化的设计, 且他们之间相互匹配, 可以根据不同的需求进行不同的组合, 几乎可以达到任何专用夹具同样的定位和夹紧能力。
(2) 精度高, 工作台面和各种功能模块按照特定的尺寸精度加工配套, 任意孔的孔间距按照特定的尺寸要求和精度要求加工, 这种精度要求将会反应在所需加工产品的精度要求的基础上。
(3) 广泛性, 经过多年的发展, 各种功能的模块能够直接采购或者通过专业的生产厂家结合公司内部生产产品的特点定制各功能模块, 且很多模块都是有专利设计, 如快速夹具等。
(4) 立体三维, 模块中的各种方箱、角铁、角尺、拉杆、顶杆、连杆等可用于三维空间的拼接, 便于生产各种类型的立体结构。
(5) 多样性, 各类工装夹具模块的设计可以根据加工产品的类别进行专业定制, 如加工铝合金产品, 因为要求铝合金要和铁隔离开, 所以工装各模块在设计过程中可以采用铝合金或不锈钢材质。
4 柔性焊接工装的要求及作用
对于焊接工装夹具, 就是将焊件准确定位和可靠夹紧, 便于工件进行装配和焊接, 能够保证焊件结构精度方面要求的工艺装备, 柔性焊接工装的作用可以简单概括如下:
(1) 准确可靠的定位和夹紧。
(2) 有效防止变形。
(3) 工件处于最佳的施焊部位。
(4) 可以配合其他结构使用 (如翻转机构等) 。
其设计要求如下:
(1) 工装夹具具备足够的强度和刚度;夹具在生产中投入使用时要承受焊接带来的多种力的作用, 所以工装夹具应具备足够的强度和刚度。
(2) 夹紧装置要适用和可靠;夹紧时不能破坏工件的定位位置和保证产品形状、尺寸符合图样要求, 既不能允许工件松动滑移, 又不使工件的拘束度过大而产生较大的拘束应力。
(3) 组合后焊接操作要灵活可靠;使用夹具生产应保证足够的操作空间, 使操作人员有良好的视野和操作环境, 使焊接生产的全过程处于稳定的工作状态。
(4) 便于焊后的拆卸和重新组装;操作时应考虑制品在装配定位焊或焊接后能顺利的从夹具中取出, 还要制品在翻转或吊运使不受损害。
(5) 便于制造、安装和操作, 便于检验、维修和更换。
5 柔性焊接工装使用状况和行业的发展
中国工业正朝着“工业4.0”的目标发展, 焊接工艺装备在装备制造业中使用越来越广泛, 经过这几年的发展焊接工装夹具技术正朝着高精度、高效率、模块化、通用化和经济性的方向发展, 精密组合焊接工装系统凭借其在技术和生产应用方面的优异特点成为未来重点发展趋势, 相信他们将会和中国的整体工业水平一样朝着自动化、智能化和信息化的方向发展。
结语
通过实施工装柔性化的应用, 有效的解决了工装重复利用率低下、转产工装准备工作量大、周期长、费用高等问题, 为制造企业应对市场的敏捷、变化、高效、低成本提供了强有力的技术和质量支持, 随着市场需求的不同以及多品种、小批量产品的越来越多, 工装柔性化将在加工制造企业发挥越来越重要的作用。
摘要：随着社会经济的发展和加工制造业激烈的市场竞争, 对企业的产品研发、工艺准备、生产组织等环节的响应速度提出了更高的要求, 本文介绍了工装柔性化应用的意义, 工装制造的模式及对焊接的影响。
关键词：多样,柔性化,组合,工装,焊接
参考文献
[1]American Welding Society and Edison Welding Institute.Economic and Productivity of Welding[R].Heavy Manufacturing Industries Report.
[2]徐杜, 等.柔性制造系统原理与实践[M].北京:机械工业出版社, 2001.
制造柔性机械制造 篇2
随着社会的进步和生活水平的提高,社会对产品多样化,低制造成本及短制造周期等需求日趋迫切,传统的制造技术已不能满足市场对多品种小批量,更具特色符合顾客个人要求样式和功能的产品的需求。90年代后,由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展,制造业自动化进入一个崭新的时代,技术日臻成熟。柔性制造技术已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。
1 基本概念
11 柔性柔性可以表述为两个方面。第一方面是系统适应外部环境变化的能力,可用系统满足新产品要求的程度来衡量;第二方面是系统适应内部变化的能力,可用在有干扰(如机器出现故障)情况下,系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量。“柔性”是相对于“刚性”而言的,传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。柔性主要包括 1) 机器柔性 当要求生产一系列不同类型的产品时,机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。
2) 工艺柔性 一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力;二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。
3) 产品柔性 一是产品更新或完全转向后,系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力;二是产品更新后,对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。
4) 维护柔性 采用多种方式查询、处理故障,保障生产正常进行的能力。
5) 生产能力柔性 当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统,这一点尤为重要。
6) 扩展柔性 当生产需要的时候,可以很容易地扩展系统结构,增加模块,构成一个更大系统的能力。
7) 运行柔性 利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品,换用不同工序加工的能力。
12 柔性制造技术柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。柔性制造技术是技术密集型的技术群,我们认为凡是侧重于柔性,适应于多品种、中小批量(包括单件产品)的加工技术都属于柔性制造技术。目前按规模大小划分为:
1) 柔性制造系统(FMS)
关于柔性制造系统的定义很多,权威性的定义有:
美国国家标准局把FMS定义为:“由一个传输系统联系起来的一些设备,传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备,使工件加工准确、迅速和自动化。中央计算机控制机床和传输系统,柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。国际生产工程研究协会指出“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统,在最少人的干预下,能够生产任何范围的产品族,系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。”而我国国家军用标准则定义为“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。”简单地说,FMS是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。目前常见的组成通常包括4台或更多台全自动数控机床(加工中心与车削中心等),由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来,可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。目前反映工厂整体水平的`FMS是第一代FMS,日本从1991年开始实施的“智能制造系统”(IMS)国际性开发项目,属于第二代FMS;而真正完善的第二代FMS预计本世纪十年代后才会实现。
2) 柔性制造单元(FMC)
FMC的问世并在生产中使用约比FMS晚6～8年,FMC可视为一个规模最小的FMS,是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物,它是由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成,其特点是实现单机柔性化及自动化,具有适应加工多品种产品的灵活性。迄今已进入普及应用阶段。
3) 柔性制造线(FML)
它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床;亦可采用专用机床或NC专用机床,对物料搬运系统柔性的要求低于FMS,但生产率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散型控制系统(DCS)为代表,其特点是实现生产线柔性化及自动化,其技术已日臻成熟,迄今已进入实用化阶段。
4) 柔性制造工厂(FMF)FMF是将多条FMS连接起来,配以自动化立体仓库,用计算机系统进行联系,采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。它包括了CAD/CAM,并使计算机集成制造系统(CIMS)投入实际,实现生产系统柔性化及自动化,进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。FMF是自动化生产的最高水平,反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体,以信息流控制物质流的智能制造系统(IMS)为代表,其特点是实现工厂柔性化及自动化。
2 柔性制造所采用的关键技术
2.1 计算机辅助设计
未来CAD技术发展将会引入专家系统,使之具有智能化,可处理各种复杂的问题。当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术,该项新技术是直接利用CAD数据,通过计算机控制的激光扫描系统,将三维数字模型分成若干层二维片状图形,并按二维片状图形对池内的光敏树脂液面进行光学扫描,被扫描到的液面则变成固化塑料,如此循环操作,逐层扫描成形,并自动地将分层成形的各片状固化塑料粘合在一起,仅需确定数据,数小时内便可制出精确的原型。它有助于加快开发新产品和研制新结构的速度。
2.2 模糊控制技术
模糊数学的实际应用是模糊控制器。最近开发出的高性能模糊控制器具有自学习功能,可在控制过程中不断获取新的信息并自动地对控制量作调整,使系统性能大为改善,其中尤其以基于人工神经网络的自学方法更引起人们极大的关注。
2.3 人工智能、专家系统及智能传感器技术
迄今,柔性制造技术中所采用的人工智能大多指基于规则的专家系统。专家系统利用专家知识和推理规则进行推理,求解各类问题(如解释、预测、诊断、查找
故障、设计、计划、监视、修复、命令及控制等)。由于专家系统能简便地将各种事实及经验证过的理论与通过经验获得的知识相结合,因而专家系统为柔性制造的诸方面工作增强了柔性。展望未来,以知识密集为特征,以知识处理为手段的人工智能(包括专家系统)技术必将在柔性制造业(尤其智能型)中起着日趋重要的关键性的作用。目前用于柔性制造中的各种技术,预计最有发展前途的仍是人工智能。预计到21世纪初,人工智能在柔性制造技术中的应用规模将在比目前大4倍。智能制造技术(IMT)旨在将人工智能融入制造过程的各个环节,借助模拟专家的智能活动,取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。在制造过程,系统能自动监测其运行状态,在受到外界或内部激励时能自动调节其参数,以达到最佳工作状态,具备自组织能力。故IMT被称为未来21世纪的制造技术。对未来智能化柔性制造技术具有重要意义的一个正在急速发展的领域是智能传感器技术。该项技术是伴随计算机应用技术和人工智能而产生的,它使传感器具有内在的“决策”功能。
24 人工神经网络技术
研究发动机柔性制造策略及工艺 篇3
关键词：发动机；柔性制造；策略；工艺
中图分类号： TH165 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）10-177-2
0 引言
汽车发动机的工艺改进和探索，可以让汽车的生产和使用进入一个新的阶段，并且极大减少汽车在生产过程中出现的问题，用较为先进的办法给生产和开发提供更多的空间，以此促进汽车生产效率的提升。
1 发动机柔性制造的工艺现状
伴随着机械制造业的大跨步前进，我国的产品在创新和深化探索方面有了突出的发展，在市场中，对于汽车产品的要求也呈现出更多的样式。发动机的机器加工和生产制造之间一定要适应市场需求的而变化，在柔性系统生产方面具备一定的高技能。以往的柔性生产，一般是建立在一个平台之上，工件的大小和定位的点保持不变，只是对个别的工件进行尺寸的研究，发生较小的变化。常用的办法是在让缸孔的直径以及曲轴的轴拐尺寸发生改变，这样才能有效的让排量发生变化。但是此种方式的局限是只能在比较小的范围内进行，因此与市场需求之间还有很大的距离。传统的方式较为单一，逐渐会为多平台的混线生产方式所代替。某企业在发动机生产过程中使用的就是这种多平台的3C件，共线生产模式，但是这种方式的生产在汽车的爬坡过程中存在诸多的问题，只有对问题进行具体性的分析才能够不断改进生产方式，让柔性制造发挥更好的作用[1]。
2 关于柔性制造的策略分析
为了能够让发动机生产制造適应国内外市场的需要，因此发动机生产也需要在发动机制造的需要方面满足各大需求，每一种类型的汽车所采用的策略是不相同的，因此本文主要对其中几种进行分析和研究：
首先，不同地点之间的3C零件总成的配送，然后由主机厂来装配发动机。这种方式的优势是投资的成本比较低，尤其是在一个公司中选择异地配送的方式，不仅仅降低了投资，而且还能够有效地对现有机的加工产能进行发挥。但是这种方式也存在一定的弊端，主要是零件在加工、运输以及包装盒防锈的过程中一定要保持一定的清洁度，否则加工件的质量一旦出现问题就难于进行生产和使用。当前某公司的轿车配备的事型号为GEN3型的发动机，但是因为此公司所能够发挥的加工能力是有限的，并且采购整机的成本还比较高，这样他们选择在国外采购加工零件，然后在主机厂装配发动机，节约了很大的成本。图1为GEN3型发动机。
其次，异地配送发动机总成，在整车厂进行装车。此种方式也是一种投资低的方式，但是每一台的成本就会在无形当中逐渐增加。如果一个企业按照每年所需要的30万元计算，并且每一台的成本按照150元计算，那么每年在这方面所花费的就是4500万元，这仅仅是在运输过程中的花费。在整车要求不高的情况下，完全可以采取这种形式，能够最大限度的满足不同品种之间平台发动机的需求。在当前阶段中，很多主流的汽车公司都采用这种方式。常见的由某公司的GSV发动机[2]。图2为GSV发动机曲轴。
3 关于柔性制造工艺的具体分析
3.1 加工工艺
发动机在生产和加工过程中，柔性生产最大的目标就是可以不更换任何一种硬件，只要在每一次换型以后，加工所用的首件是合格的就可以。因此要真正的实现加工的柔性生产或者是共线生产加工，一定要对毛坯工件进行研究，大小尺寸必须完全相同，定位的工具和定位的方式也需要按照新的设计来确定，如果要想满足不同切换件之间的差异性就需要设计师和工程师在设计发动机的过程中使用柔性的生产制造工艺，保障两种加工件在机床上的孔位或者基准点定位以及夹紧点之间的设计具有一致性。若是两种产品的定位和销孔的位置不同，在运行以后需要使用更换定位销的方式让两个不同的发动机实现柔性的生产[3]。
3.2 基准转换的减少，在方案允许全线的情况下使用同一个基准
在加工定位过程中，基准不一致可能产生的问题是公差积累尺寸存在问题。三坐标的基准若是同样的，那么要尽最大努力把吃讯和基准测量之间保持在同一个标准上，这样做的方式是为了避免不同尺寸转换之间可能存在的误差问题，并且也比较容易发现生产过程中的问题产生的原因，进而更加有效地解决问题。例如，在缸体C14，在OP30工序加工完成以后，孔位位置确定，那么后来的工序就可以全部的使用定位孔进行相应顺序的加工[4]。
3.3 装配工艺的运用
装配工艺是发动机柔性生产过程中不可或缺的一个步骤，那么要想让发动机的装配更加顺利就应该考虑到发动机的柔性和能够拓展的空间。发动机装配主要分成内部装配、外部装配以及分装的工艺，在自动化设备中会存在自动的打号机器，多个轴的拧紧机器以及气门间隙的专用装备等等。要根据市场的不同形式变化，对发动机的装线进行更多柔性的施加，并且最大限度的拓展发动机制造的空间。例如，发动机在托盘方面的设计，发动机专用的柔性设计以及工艺布局方面的规划等等，最后用冷试的方式对发动机的装配进行测试。
4 结束语
综上所述，本文对柔性制造策略在发动机生产方面的实现进行了分析和研究，并且也选择了举例的方式对发动机的柔性生产进行阐述，从不同的角度和不同的方面研究出
最佳的生产方式。另外，发动机在工艺布局方面还需要不断创新，对托盘等进行创新的设计，磨合实验台的装置等方面。
参 考 文 献
[1] 胡玉梅，胡冽，王述建，等.考虑车身柔性的发动机悬置参数分析与优化[J].汽车工程，2011，33（6）：507-511.
[2] 段继豪，史耀耀，张军锋，等.航空发动机叶片柔性抛光技术[J].航空学报，2012，33（3）：573-578.
[3] 房长兴，罗和平，高志永，等.发动机缸体加工工艺研究[J].机械设计与制造，2013，3（3）：262-264.
机械制造业的柔性化变革 篇4
“柔性制造”是相对于“刚性制造”而言的。传统的“刚性”流水生产线主要追求单一品种的大批量生产。“柔性制造”是满足消费者个性化、多样化需求最坚实的支撑。在卖方市场环境下, 企业生产什么消费者就只能购买什么。而今消费者所需要的不仅仅是一种标准化商品, 而是个性化需求的满足, 这在客观上需要柔性制造系统的支撑。同时“柔性制造”是降低生产成本、提高经济效益的有效手段。由于柔性制造是一种智能型的生产方式, 它将高科技“嵌入”到制造设备与制造产品中, 实现硬设备的“软”提升, 并提高制造产品的性能和质量, 因而不仅能提高劳动生产率, 而且能提升产品的附加价值;另外, 柔性制造还是一种市场导向型的生产方式, 它要求制造厂商与顾客实行互动式的信息交流, 及时掌握顾客对相关产品的需求信息, 严格按照顾客的意愿和要求组织生产, 因而能消除制造商生产的不确定性, 同时使各制造商之间避免因过度竞争而造成两败俱伤的现象, 从而使各制造商减少损失, 提高经济效益。要适应柔性化的变革, 机械制造业的企业需要在以下四个方面下功夫:
1. 转变企业管理方式, 实施柔性管理, 保证柔性制造系统高效运行。
常言道:“三分技术, 七分管理”。柔性制造需要柔性管理。柔性制造方式的实施必然要求变革传统的管理思想、管理组织和管理方法。首先, 要树立与柔性制造系统相适应的柔性管理思想, 这是实施柔性制造的先决条件。柔性管理思想的核心是“人性化和个性化”, 它注重平等尊重、主动创新、远见和价值控制等思想观念。其次, 应增强组织机构的柔性。组织机构设置是否合理、是否具有柔性, 将直接影响到企业对外部市场需求的反应能力和决策能力。目前大部分制造企业的组织结构层次多, 信息传递的渠道长、环节多、速度慢, 不能适应柔性制造对信息传递快速准确的需要, 因而必须采取项目型、虚拟型、有机型等柔性组织形式, 以增强组织结构的柔性和活力。再次, 采用柔性的管理方法。柔性制造是一种新的先进的生产方式, 这在客观上要求采用诸如动态计划、弹性预算等柔性管理方式, 以获得以变应变的效果。
2. 全面采用柔性化技术。
柔性制造所采用的关键技术包括: (1) 计算机辅助设计。未来CAD技术 (计算机辅助设计) 将会引入专家系统, 使之具有智能化, 可处理各种复杂的问题。当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术, 该技术是直接利用CAD数据, 通过计算机控制的激光扫描系统, 将三维数字模型分成若干层二维片状图形, 并按二维片状图形对池内的光敏树脂液面进行光学扫描, 被扫描到的液面则变成固化塑料, 如此循环操作, 逐层扫描成形, 并自动地将分层成形的各片状固化塑料粘合在一起, 仅需确定数据, 数小时内便可制出精确的原型。它有助于加快开发新产品和研制新结构的速度。 (2) 模糊控制技术。最近开发出的高性能模糊控制器具有自学习功能, 可在控制过程中不断获取新的信息并自动地对控制量作调整, 使系统性能大为改善, 其中尤其以基于人工神经网络的自学方法更引起人们极大的关注。 (3) 人工智能、专家系统及智能传感器技术。专家系统利用专家知识和推理规则进行推理, 求解各类问题 (如解释、预测、诊断、查找故障、设计、计划、监视、修复、命令及控制等) 。由于专家系统能简便地将各种事实及经验证过的理论与通过经验获得的知识相结合, 因而专家系统为柔性制造的诸方面工作增强了柔性。以知识密集为特征, 以知识处理为手段的人工智能 (包括专家系统技术必将在柔性制造业 (尤其智能型) 中起着日趋重要的作用。 (4) 人工神经网络技术。人工神经网络 (ANN) 是模拟智能生物的神经网络对信息进行加工、处理的一种方法, 也是一种人工智能工具。在自动控制领域, 神经网络将并列于专家系统和模糊控制系统, 成为现代自动化系统中的一个组成部分。
3. 形成柔性化的系统。
柔性制造的关键是对客户的需求作出快速反应, 因此, 需要以整个系统的优化为起点, 对企业的业务流程进行重新构造, 使之具有更大的灵活性和更强的适应性。为了实现制造系统的柔性, 在积极应用以上柔性化技术的基础上, 机械制造企业应加大力度构建柔性化制造系统。 (1) 加工系统。柔性制造系统采用的设备由待加工工件的类别决定, 主要有加工中心、车削中心或计算机数控车、铣、磨及齿轮加工机床等, 用以自动地完成多种工序的加工。磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换, 也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。 (2) 物料系统。物料系统用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸, 以及完成工序间的自动传送、调运和存贮工作包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等。储存和搬运系统搬运的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等;储存物料的方法有平面布置的托盘库, 也有储存量较大的巷道式立体仓库。 (3) 计算机控制系统。计算机控制系统用以处理柔性制造系统的各种信息, 输出控制CNC机床和物料系统等自动操作所需的信息。通常采用三级 (设备级、工作站级、单元级) 分布式计算机控制系统, 其中单元级控制系统是柔性制造系统的核心。柔性制造系统的信息控制系统其结构组成形式很多, 比如群控方式的递阶系统。第一级为各个工艺设备的计算机数控装置, 实现过程的控制;第二级为群控计算机, 负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息, 分配给第一级中有关设备的数控装置, 同时把它们的运转状况等信息上报给上级计算机;第三级是主计算机, 其功能是制订生产作业计划, 实施整个系统运行状态的管理, 及各种数据的管理;第四级是全厂的管理计算机。 (4) 系统软件。系统软件用以确保柔性制造系统有效地适应中小批量多品种生产的管理、控制及优化工作, 包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系统管理和监控软件。性能完善的软件是实现柔性制造系统的功能的基础, 除支持计算机工作的系统软件外, 更多数量的软件是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件, 大体上包括控制软件 (控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统) 、计划管理软件 (调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等) 和数据管理软件 (仿真、检索和各种数据库) 等。 (5) 模块化制造。为了保证系统工作的可靠性和经济性, 可将其主要组成部分标准化和模块化。加工件的输送模块, 有感应线导轨小车输送和有轨小车输送;刀具的输送和调换模块, 有刀具交换机器人和与工件共享输送小车的刀盒输送方式等。利用不同的模块组合, 构成不同形式的具有物料流和信息流的柔性制造系统, 自动地完成不同要求的全部加工过程。
4. 构建柔性化供应体系。
要进行柔性化变革, 仅靠单个企业是难以实现的, 必须有供应商、零售商的配合, 进一步形成与柔性制造相适应的供应链体系。从流程的角度看, 贯穿供应链全过程的供应、制造、物流以及相应的信息系统都应具备一定柔性。除以上所述的制造系统柔性外, 还要有: (1) 供应链物流系统柔性。在外部环境条件变化的情况下, 以合理的成本水平, 采用合适的运输方式, 在合适的时间和地点收集和配送合适的产品或服务, 以满足顾客及合作伙伴的需要。 (2) 整个供应链的信息系统柔性。由于供应链在其整个生命周期运作过程中具有动态性, 期间会发生供应链各个层面的重组或重构, 信息子系统应能够相应地调整以适应变化。柔性信息系统具有可重组、可重构、模块化、可扩展以及热插拔的特性等。 (3) 供应系统战略柔性。整个供应链企业应根据顾客或合作伙伴的需要改变供应计划, 以便提高服务水平及合作水平。具有供应柔性的供应链能够适时调整生产计划, 改变零件或产品的产量、种类或组合, 以满足合作伙伴或顾客的需要。
柔性制造单元综合服务体系的构建 篇5
1 柔性制造单元服务体系现状
柔性制造单元是由数控车床、数控铣床、加工中心、机械手、物料输送机构、计算机等相关部件有机组合起来的。数控车床、数控铣床、加工中心的使用维修经过数年的发展已经相当成熟, 也自然地形成了它的服务体系, 总结一下, 这个体系至少包括以下三个要素。
(1) 专业培训。数控机床的操作者通常都受到专业训练。随着数控机床的大量应用, 许多学校和培训机构都开设数控专业, 专门培养学生数控机床的操作、编程能力。
(2) 分工明确“操作工”“工艺员”等都是常见的职业工种。对于数控机床的加工有工艺员专门制订零件的加工工艺, 有程序员编制相应的程序, 最后有操作由操作工完成加工。用户一般可以做到小修大修不出厂, 有问题自我消化, 很少再找生产厂的。
(3) 服务社会化。服务机构社会化, 第一是“数控加工厂”遍布各地, 它提供各类零件的数控加工;第二是维修技术教育化, 许多工科技术学校都设置数控维修专业, 一般可以做到小修大修不出厂, 有问题自我消化, 很少再找生产厂的。
柔性制造单元是典型的机电一体化产品, 除数控机床作基础外, 一般配备有机械手、物料输送机构、传感器, 有的还有专门的计算机控制系统, 集中了机械、电子、传感、计算机技术于一体。因而柔性制造单元更加需要完善的、有效的、及时的服务。
然而, 就我国的柔性制造单元而言, 一开始就显得动力不足。分析其原因, 可以看到, 虽然我国的数控技术有一定的能力, 但是相关行业人才较少, 尤其是机器人技术控制方面, 人才需求缺口更大, 而数控设备的配套部分往往需要这方面的专业技术和专业人才。机床厂对柔性制造单元的服务准备不充分、系统建造不完善。目前, 数控机床厂涉及到的物料运输小车、机械手等服务工作还都依赖于配套厂, 不能自主地进行柔性单元技术服务的工作, 在一些简单的生产过程中, 都需要生产厂与配套厂进行配合, 浪费了大量的时间和精力。
柔性制造单元的用户, 绝大部分属于机械加工, 他们对于电子技术的力量较为薄弱, 特别是控制技术、总线技术、编程技术等与柔性制造单元相关的技术, 所以, 他们往往只会简单操作而缺乏配套部分的维修知识, 出现一些故障就束手无策, 甚至停机待修, 影响生产。数控机床有了小的故障, 使用者应该能够根据经验特别是柔性单元的自检功能判断故障原因并解除故障。所以说到底, 人们对柔性制造单元服务的认识没有到位, 观念没有更新, 服务体系没有构建起来。
2 构建柔性制造单元服务体系
当前, 虽然柔性制造单元也在不断发展完善, 相关厂家也做出了相对应的调查, 完善自己的服务体系, 通过培训, 提高自身素质。但是由于起点不高, 认识不深, 自身条件不足, 还不能从根本上解决服务问题。
因此必须尽快构建与柔性制造单元相适应的综合服务体系, 才能加快柔性制造单元的发展和普及。根据我国柔性制造单元发展的现状, 参考其它行业的服务体系, 我国的柔性制造单元的综合服务体系需要以下几点。
(1) 必须由柔性制造单元生产厂家主动承担全面服务, 即由他们承担包括机床、配套部分在内的全部服务, 改变目前机床厂和各个配套厂分散服务的状况。因为他们是产品的最终完成者, 直接面对用户, 承担全面服务是理所当然。数控机床厂的提升转型基本可以生产柔性制造单元, 数控系统对于数控机床厂是核心技术。机械手、物料输送装置等控制技术与数控技术也有相通之处, 但是需要他们提高自身素质和能力, 掌握这些技术, 增强竞争力。
柔性制造单元使用中反映的问题是相互关联和影响的, 初期很难判断问题在那个部分。如机械手失灵, 就要机械手本身的机械部分、电气部分是否有问题, 若没有问题就要检查整个的控制系统哪个环节出了问题, 如线路问题, 程序问题或者是传感器问题等等。如果分别由配套厂来检查和证明自己配套部分没有问题, 或是发现问题解决了, 各自的时间和费用已经浪费了。这种看似不可能的情况, 其实是经常发生的。
柔性制造单元生产厂实行综合的全面服务, 提高服务人员技术素质后, 可以精简人员, 提高效率。同时, 减少配套单位的服务, 也会得到相应的经济补偿, 有利于降低成本。
(2) 要强调培训考核后上岗, 建立针对不同层面的培训体系柔性制造单元生产厂自身要培养出一支掌握机电一体化技术的队伍, 以适应生产、检验、服务工作。尤其要使服务人员能独立承担柔性制造单元的调试及维修工作。
柔性制造单元生产厂要强调对用户进行培训, 要形成制度。培训考核合格后方可允许操作柔性制造单元。培训要求是使用户能正确使用、规范操作、能处理常见故障。拥有柔性制造单元较多的用户, 应尽量培训出专职维修人员, 能独立排除故障, 做到修理基本不出厂门。
继续并加强在各类大、中专学校办好机电一体化专业, 为社会输送和储备合格人才。不断补充和完善针对柔性制造单元的内容。已经从事此项工作的, 要给以再学习的机会和条件。
(3) 逐步在柔性制造单元的用户集中地建立维修点可以由厂家自己建立, 也可以发动社会力量建立。把分散的维修力量集中组织起来, 使柔性制造单元的维修专业化、社会化, 做到就地解决柔性制造单元的维修和另配件供应。
3 结语
综上所述, 柔性制造单元的综合服务体系概括地说, 就是以数控机床生产厂为主、配套厂为辅的服务构架;其核心是培训, 是机床厂自身的、用户的、行业和社会的培训。有了高素质的数控机床服务人才和队伍, 才有构建数控机床综合服务体系的基础, 有了这个基础, 才会有高素质的用户, 整个行业和社会的素质才能得以提升。
参考文献
[1]张鹏.浅谈柔性制造系统[J].中国外资, 2011 (11) .
[2]姚松丽.柔性制造系统在实践教学中的应用[J].实验室研究与探索, 2011 (5) .
制造柔性机械制造 篇6
基于国内机械手自动化生产线的广阔发展前景, 近几年机器人技术人才需求一直非常紧张。为使相关专业的学生能尽快掌握机械手在自动化生产方面的运用, 达到一个较高的起点和水平, 一些高校研究开发了机械手自动化实训室[1]。作为国家骨干高职院校, 内蒙古机电职业技术学院也在积极改革包括机电一体化技术、机械制造自动化、数控技术等专业体系, 积极探索机器人、 自动化生产线、机床电气控制与PLC应用等相关课程的理实一体化教学。内蒙古机电学院机电工程系拥有全区最大的中央财政支持的数控基地, 现有数控车、数控铣、加工中心等各类生产型设备59台, 每年承担近千名学生的校内实训实习。因此结合教学实际, 在现有数控基地的基础上开发了基于PLC的数控机械手的毛坯件上下料柔性制造系统。
2总体方案与功能确定
2.1加工工件的选定
学院数控基地常年承担大量学生实训、实习、 比赛及社会培训, 对毛坯件的需求相对较大。如果毛坯件由指导教师在普通车床加工, 由人工装夹, 平均每分钟只能加工1个, 其中切削加工时间只有20s , 而两次装夹需要40s左右, 一天工作8小时最多加工480件, 而且工作环境差, 劳动强度大, 存在较大的安全隐患, 即费时费工又不环保, 并且整个加工过程没有起到教学作用, 造成资源浪费。因此将教学数控机械手柔性制造系统加工工件选定为毛坯件上下料项目, 既能满足相关课程的教学需求又解决了实际问题。
2.2加工件工艺分析
以定位销轴为例, 如图1所示, 材料为45号圆钢毛坯件, 内容包含了车圆柱面、阶台、锥面、切槽、切断的走刀路线设计, 其毛坯件加工需要经过下料—车削各表面—去毛刺—检验四道工序, 其中车削各表面需在车床上进行两次装夹调头加工。自动上下料机械手配合数控车床加工此毛坯工件完全可行。
2.3数控车床的选定
本系统选用的沈阳机床厂CAK40100v1数控车床是一种半闭环式数控车床, 可完成各种回转面工件的加工, 采用fanuc0i-tc数控系统, 可采用手工或自动编程自动加工方式,能够与PLC通信,是一种编程格式简单, 界面友好, 操作方便的数控机床, 其加工精度完全能够满足工件需要[2,3]。外形如图2所示。
2.4系统应满足的要求
本系统针对数控基地学生加工用毛坯件, 设计数控机械手柔性制造系统, 来实现自动上下料、毛坯件加工工作。根据实际工作要求, 系统应满足以下要求:
(1) 上下料机械手可用于不同材料、尺寸的毛坯件数控机床加工, 要求机械手具有较高的柔性与自适应性;
(2) 根据需输送毛坯件重量及形状尺寸的不同, 系统要设计出具有一定灵活性的送料及卸料装置;
(3) 为方便教学展示, 系统控制需要单步、单周期及连续等多种控制模式, 控制系统需要有较强的可扩展性;
(4) 整个系统机构要尽量简单化, 尤其是机械手的末端执行器部分, 作为整个系统最末端的关键部件, 其大小重量等参数对整个系统的性能及控制有很大影响[2,3,4]。
2.5系统总体方案与功能
根据对加工件工艺的分析, 本系统需要完成送料、 机械手一次装夹、数控车、机械手对工件掉头二次装夹、 数控车、卸料六步, 整个过程可以采用两种方案。方案流程图如图3所式。方案一由一台机械手完成抓料、一次装夹、二次装夹、卸料全部动作。方案二由第一台机械手完成抓料、一次装夹, 第二台机械手完成掉头二次装夹、卸料。通过对比, 第一种方案节约成本但是工作周期长, 第二种方案需要两台机械手投资大, 但是可实现卸料与下一工件一次装夹同时进行, 方案一整体结构更紧凑[5]。
鉴于前两种方案的优点, 本文设计出第三种方案, 由一台机械手配置两个末端执行器,1号末端执行器用于抓料、一次装夹、二次掉头装夹,2号末端执行器用于卸料。方案流程图如图4所式,1号末端执行器抓料、 一次装夹、二次掉头装夹后可以在数控车床对工件二次加工的同时去抓取下一个工件, 待前一工件加工完, 由2号末端执行器卸下,1号末端执行器将下一工件装夹完成后, 再由2号末端执行器将前一工件放入卸料装置。本方案与前两种方案相比, 机械手结构由串联型改成了并联型, 就像人体的两只手协调的完成了上下料的任务, 即可提高效率节约成本又使整个系统结构更加紧凑。
3机械手设计
3.1 IRB1410机器人
本系统选用内蒙古机电职业技术学院现有的IRB1410型ABB机器人( 如图5所示) 作为上下料机械手系统的开发平台。IRB1410是一种可靠性高、噪音低、维护间隔时间长、精度高( 可达0.05mm)、工作范围大、工作周期较短的6轴机器人, 其承重能力为5kg, 满足系统对自由度要求及工件和机械手爪质量的要求[6]。
3.2机械手末端执行器设计
末端执行器是接触工件并最终执行作业任务的装置, 根据用途和结构的不同, 机械手末端执行器大致可分为: 吸附式末端执行器、机械夹持器和专用夹持器三类。通常要根据生产加工过程中的具体要求设计执行器的结构及尺寸, 一般设计要求是: 需要有足够的夹持位置精度, 需要能够满足工作所需求的夹持力, 为减轻手臂的负载, 要求末端执行器结构简单、重量轻。一般通用末端执行器使用范围广, 但结构复杂, 价格昂贵, 因此本系统根据要求设计专用的末端执行器[7,8]。
根据工艺要求,1号末端执行器要完成二次掉头装夹需要加持工件进行1800旋转, 因此将1号末端执行器安装在IRB1410机器人轴6端面, 其轴心与机器人轴6轴心重合, 利用机器人轴6的-2000 ~ +2000旋转功能完成二次掉头装夹。2号末端执行器只需要卸下工件放入卸料装置, 因此将2号末端执行器安装在1号末端执行器上方, 考虑到二者要避免干涉, 将两个执行器安装在不同平面。
1、机器人轴 6 2、支撑板 3、气缸 (2 号 ) 4、移动手 (2 号 ) 5、固定手指 (2 号 ) 6、手指关节 1(1 号 ) 7、手指关节 2(1 号 ) 8、手爪连 9、气缸 (1 号 )
工业应用中机器人末端执行器多采用双指结构, 其运动方式可分为平移型和回转型, 回转型手爪又可分为单支点回转型和双支点回转型, 按夹式方式可分为外夹式和内撑式, 按驱动方式可分为电动( 或电磁)、液压和气动三种。本系统需要末端执行器加持的工件重量不超过3kg, 直径不超过100mm, 长度不超过150mm并且均为轴类工件。考虑到本系统的教学功能, 将两个末端执行器设计成不同结构, 其中1号执行器为单支点回转型外夹式双指结构,2号执行器为平移型外夹式双指结构, 两执行器均为气动驱动。末端执行器结构及安装位置如图6所示。
4控制方案设计
本系统是机器人、数控车床与输送装置联合控制工作的柔性制造系统, 控制系统需要协调机器人与数控车床以及机器人与输送装置的工作, 需要建立各单元之间安全可靠的通讯机制。采用机器人控制系统作为上位机,PLC控制器( 西门子S7—200) 和车床数控系统(CNC) 作为下位机, 采用快速IO通讯模式,PLC的输入信号包括启动、停止等主令开关信号, 机械手气爪驱动气缸的工作限位信号等; 输出信号包括输出到卸料位、末端执行器的继电器控制信号, 输出到伺服电机驱动器的脉冲信号和驱动方向信号以及显示系统的工作状态指示信号等[9]。在硬件方面, 通过屏蔽信号电缆将各单元之间的PLC处理器中相应的输入与输出点进行连接, 屏蔽电缆可以保证信号传输的稳定性。软件方面, 通过ABB机器人专用应用软件, 根据采集数控车床、 输送装置和机器人当前状态, 编写相应的符合加工过程的控制程序, 最终达到各单元的有效通讯[10]。
5结束语
制造柔性机械制造 篇7
我国“十二五”期间节能目标为单位GDP能耗下降16% ,实现节约能源6. 7亿t标准煤[1],节能形势非常严峻。随着全球能源问题的日益突出,面向节能的柔性制造系统( FMS) 逐渐成为了当今先进制造领域的研究热点之一。寻求降低制造企业的能源消耗,即提高生产系统的能源利用效率的呼声越来越高,因此进行面向节能的柔性制造系统仿真及优化研究就显得尤为迫切。
本文以一个实际的柔性制造系统为参考背景, 对柔性制造系统中的设备能耗进行了建模,完成了基于Lab VIEW的考虑设备能耗的柔性制造系统的仿真开发,并通过平衡生产线的节拍以及运用遗传智能算法优化生产调度等两个途径实现了对柔性制造系统的节能优化,从而可以进一步指导实际的生产系统进行合理的节能生产。
1面向节能的FMS仿真模型开发
1.1柔性制造系统概况
本文选取的柔性制造系统由数控加工设备、物料运储装置和计算机管理系统等组成[2],主要包括四台数控机床和一条柔性装配线。该系统以多品种小批量流水加工车间为例,主要解决流水车间的生产作业的调度问题,主要的任务是把加工的零件进行排序,确定工件加工的先后顺序。
1.2FMS设备能耗建模
本文的FMS系统设备能耗是指在柔性制造系统运行过程中各设备所消耗的电能的总和。通过对相关文献的查阅[3,4]和总结,本文提出了一种简易的FMS系统能耗模型用来表达FMS系统的设备能耗变化情况。
通过对数控铣床进行加工时的实际功率变化曲线的研究,定义其能耗主要有: 加工能耗、等待能耗、 峰值能耗和辅助能耗,如图1所示。
加工能耗( Machining Energy,简称ME) 是指在机床上用于工件加工所消耗的能量,加工过程中所必须进行的空转能耗也包含在内。等待能耗( Waiting Energy,简称WE) 是指机床运行过程中由于上一工件已经加工完成但下一工件尚未达到而呈现待机状态所消耗的能量。峰值能耗( Peak Energy,简称PE) 是指机床在运行过程中其状态发生突然改变所引起的功率大幅度变化所产生的能耗,如机床启动、停止能耗等。因其持续时间一般很短,故虽然功率比较大,但所消耗的能量仍是比较小。辅助能耗 ( Assisting Energy,简称AE) 是指机床为完成工件加工除以上三种能耗之外其他能耗,主要是机床在运行期间照明、数控机床电子控制面板等的能耗。
数控铣床加工中心的总能耗计算公式为
式中UMEij———表示第i个工件在第j个机床上的单位时间加工能耗;
UMEj、UAEj、PEj———分别表示第j个机床的单位等待能耗、单位辅助能耗、峰值能耗;
WTj、CTj———分别表示第j个机床总的等待时间、总运行时间;
Tij———表示第i个工件在第j个机床上的加工时间;
n———表示工件数;
m———表示数控机床数。
柔性线装配能耗( Flexible Assembling Energy, 简称FAE) 主要是指在完成工件装配期间装配线上各工位所消耗的能量,包括传送带、电子看板和工位照明等消耗的能量。与完工时间成正比。其计算公式为
式中UFAE———表示FMS系统柔性装配线单位时间的能耗;
FT———表示柔性装配线完成所有产品装配总的完成时间。
其他设备的能源消耗还有计算机能耗、分拣机能耗、运输能耗( 包括AGV和输送机) 、码垛机能耗、机械手能耗以及公共能耗等六类能耗。为简化计算,可假定这六类能耗与完成的产品( 从分拣到最终出库整个运作周期) 的数量成正比,总记为联合能耗UE( Union Energy) ,故本文暂不将其列入节能考虑范畴。
综上可知FMS系统设备总能耗( Sum FMS) 是数控加工中心能耗 ( Sum CNC) 、柔性装配线能耗 ( FAE) 及联合能耗( UE) 之和,其计算公式为
在之后面向节能的FMS系统优化方面措施有二: ( 1) 柔性线装配线能耗可以通过平衡生产线合理制定生产节拍以降低最大完成时间达到降低该部分设备能耗的目的;
( 2) 可以通过调整四台数控加工中心的生产调度顺序以达到优化该部分设备能耗的目的。
1.3面向节能的FMS仿真模型开发
运用Lab VIEW对FMS系统建模仿真[5]:
( 1) 设计可视化界面
将该仿真系统划分为八个模块: 指令框模块和分拣机模块、下订单模块、数控加工模块、柔性装配线模块、质检模块、入库模块和出库模块。
( 2) 建立设备模型
依据设备的基本工作流程和模式,结合LabVIEW的各个控件的特点,建立一个能够显示出设备工作情况及逻辑的模型,用来代表FMS系统的各个设备。
( 3) 建立设备之间的连接
在工序与工序、设备与设备之间,通过对加工工艺分析,建立设备之间连接的逻辑关系。本文通过添加Buffer( 工位缓存区) 实现了设备之间的相互连接,从而实现整条生产线的连通。
( 4) 设定相关参数并运行程序
设置相应的参数,以合理的表达加工单元和柔性装配线等单元的生产制造过程,并通过延时控件的延时时间参数设定,调节仿真运行的时间和速率。
2面向节能的柔性生产线平衡
2.1柔性装配线生产问题
平衡生产线即是对生产的全部工序进行平均化,调整作业负荷,以使各作业时间尽可能相近的技术手段与 方法。本FMS柔性装配 线可以完 成WPA / WPO两种减速器的装配生产任务,现仅对WPA减速器( 以装配10个为例) 进行生产线的平衡,其组装工艺流程及加工时间具体见表1,WPO同此理。
设定柔性装配线每个工位的单位时间能耗为UFAE = 0. 2 k J / s。 将工序8拆分为时 间分别是20 s、17 s的两个工序,将工序9拆分为时间分别是40 s、60 s的两个工序,并且设定WPA的生产节拍为c = 60 s/unit。则最小工作站数
故S应取5。调整后的WPA共设有5个工作站,合并相邻工序,使总时间接近但又不大于60 s即可实现生产线的平衡。
2.2生产线平衡结果与节能分析
装配n个WPA减速器所需时间T、装配线效率 η 和柔性线设备能耗FAE的计算公式如下
对WPA减速器进行生产线平衡前后的T、η 和FAE进行计算,结果整理如表2所示。
综上所述,生产线平衡过后,装配同样数量WPA减速器,总装配时间大大减小,装配线效率显著提升,柔性线的设备能耗也有了很大改善。
3面向节能的优化调度
考虑FMS设备能耗的调度问题是求n个工件的最优加工顺序,使相关评价指标最优化。我们的调度问题为: 有6个工件的4道工序在4台数控机床依次进行加工。
在本文案例中使用遗传算法[6]设置的一些参数如下。种群规模取10,随机产生初始化种群,进化代数取200代,交叉率取0. 8,并采用顺序交叉方法,变异率取0. 02,选择采取精英保留和轮盘赌混合策略。可得设备能耗最小的目标函数随迭代次数的变化曲线和生产任务甘特图如图2所示。
由于该FMS系统生产调度规模较小,因此目标函数在10代时基本已经收敛到最小值。从生产任务甘特图中可以看出,此时的调度方案为[6 5 3 4 1 2],完工时间为84 s。
以节能为目标函数( 方案A) 和以最短完工时间为目标函数( 方案B) 的详细数据对比分析结果见表3所示。
从上表中可以发现,对该生产任务调度问题进行优化时,只考虑设备能耗( 方案A) 与只考虑完工时间( 方案B) 相比,总完工时间多了4 s,但总能耗则下降了130 k J,这主要体现总等待时间上下降了46 s,进而也使得等待能耗下降了74 k J,由于设备的利用率提 高了,所以设备 的辅助能 耗也下降 了46 k J。
4结论
本文针对面向节能的柔性制造系统进行了仿真优化研究,主要的研究成果如下:
( 1) 利用Lab VIEW软件,通过可视化编程方法进行了面向节能的FMS系统仿真模型的建立;
( 2) 通过设计实验算例,对面向节能的FMS系统进行了平衡柔性生产线及优化生产调度的节能研究,以更好的指导实际生产系统进行改进,从而提高实际生产系统中的设备能源利用率。
摘要：本文立足于仿真和优化面向节能的柔性制造系统,通过深入研究柔性制造系统生产过程,对柔性制造系统中的设备能耗进行建模,完成了基于Lab VIEW的考虑设备能耗的柔性制造系统的仿真开发。并通过平衡生产线的节拍以及运用遗传算法优化生产调度等两个途径实现了对柔性制造系统的节能优化,这对指导实际生产系统降低能源消耗,提高能源利用率具有重要意义。
制造柔性机械制造 篇8
随着环境保护意识的加强,对能源和排放的要求越来越高,市场需求变化的不断加剧,发动机制造企业的产品更新换代加剧。批量生产中以组合机床和专用机床为主组成的专用生产线逐步被以加工中心为主的柔性生产线取代。而传统的加工中心在工序设置时多以工序集中为原则,即零部件一次装夹,尽可能多地完成加工内容,从而造成了流程中各工序的加工时间不一,使工序间的衔接脱节,生产节拍的设定无法实行。因此在工艺设计过程中,提出了平衡性原则,即工序间的加工时间基本一致,使整个生产流程顺畅无卡滞。
我们以某新型缸盖的工艺设计为例,阐述在工艺设计过程中实现工序平衡性的必要性和相关原理,将工序时间引入工艺设计的过程中,从而能根据实际的设备和工艺装备情况制定出合理的工艺流程。某型缸盖示意图见图。1
1 新型缸盖的加工内容及工时
1.1 工艺流程
新型缸盖的工艺流程按本厂的工艺习惯有以下主要加工方面:
毛坯检验—→划上下平面线—→上下平面加工—→划十字中心线—→罩壳面孔系综合加工—→燃烧室面孔系综合加工—→四周面综合加工—→工序检验—→补充加工—→清理—→清洗—→完工检验。
1.2 主要工序加工内容及所需工时
对缸盖的加工内容进行统计和工时核算见表1(所需工时为走刀时间,不包含上下料、机床换刀等辅助工时)。
从工时统计分析中可以看出不同的主要加工部位所需工时不统一,差别较大,部分卡滞工序将极大地影响到整个生产流程的顺畅。
在保证产品质量的基础上,将加工内容合理地分配到不同的加工中心来承担,高效稳定地完成加工内容。
2 工序分类和性质
2.1 工序的分类与性质
大量采用加工中心组成的柔性生产系统,采用不同的工艺装备调整零部件在工作台上的安装状态,使不同工序在同一台设备上或不同设备加工同一工序成为可能,因此可以将零件工序分别赋予不同的工艺属性,分为以下4类。
开始工序:零件进入加工工序,包括毛坯检验和划线等工序。开始工序从零部件毛坯状态起始,主要确定零部件的粗加工基准。
关键工序:关键工序加工的内容主要为各种基准面、孔,包括加工基准、定位基准和测量基准等。
关键工序承担着基准部位的加工,只有完成基准的加工,后续工序才能定位、安装和裁量,因此具有严格的前后顺序,只有关键工序加工完成,其后的并行工序才可进入加工。
并行工序:并行工序相互之间没有严格的前后关系,在关键工序加工完成后可以进行交叉作业,甚至可以拖后到结束工序进行。
结束工序:零件进入完工工序,包括钳工的补充加工、清理、清洗等扫尾工作以及检验。该工序完成后零件即可进入装配状态。
2.2 零部件工序特点和分布情况
柔性生产系统中的工序,具有典型的双金字塔结构,随着关键工序的逐步加工完成,并行工序的数量急剧增加,工序安排的灵活性逐步加大,甚至可以进行拖后越级加工,并行工序的数量到达峰值后逐步回落。因此以关键工序作为工序排列的“节点”,将整个工序流程分为不同“层次”,见图。2
需要注意的是,并行工序中如果相互间具有装配关系的加工内容需在工序安排中作统一处理,即在同一工序中加工完成。
2.3 某型缸盖关键工序和并行工序的确定
针对以上分析,某型缸盖的工序或者说加工内容可以进行如下划分,见表1。
从表1中可以看出,某型气缸盖的加工定位基准比较统一:在面基准和孔基准完成后,定位方式统一采用“一面两销”定位。因此在关进工序K3完成后,其后的加工工序均可以作为并行工序。由于部分加工内容具有严格的装配关系,不能作为单独工序存在。如并行K3-1和K3-2,K3-7,K3-8和K3-9等工序,在工序安排时必须作为同一工序安排加工。
3 工艺设计中的平衡性解决措施
根据批量生产年度纲领和现有的设备情况,要求单班生产60件以上,核定每件单道工序时间不能超过0.15,并以此作为依据对缸盖的工时进行限定。
3.1 工序设计平衡性考虑因素
在进行工序平衡性设置过程中,对于平行工序,因其具有较强的灵活性,并且所需的工时较大,需要考虑的因素很多,主要包括以下几点:
a.加工内容相互间是否具有严格的装配或空间关系,如果两者之间具有严格的装配或空间关系,需要一次定位夹紧完成。
b.加工部位的定位和夹紧方式对刀具和机床进给方式的影响。
c.机床的刀库容量是否满足加工部位所需刀具种类和数量。
d.重载切削(包括粗加工等)是否产生对轻载加工(包括精加工等)影响,如粗加工的应力变形、对定位结构的冲击造成定位不准等,因而需进行粗精加工分开。
e.尽量将相同的结构安排在同一工序,减少换刀时间,提高加工效率。
3.2 缸盖加工工序分析
根据上述工序安排原则,对某型缸盖的工序进行分析,同时对工序进行划分和设备确定:
a.上下平面的加工包含两道关键工序,其中部分工序的加工时间超过0.15,由于采用的是数控立车进行车削加工,一次装夹完成多件缸盖的加工,单件工时少于0.15,符合限定要求。
b.罩壳面孔系加工需安排6台加工中心进行,由于刀库容量限制,单台加工中心不可能完成全部的加工内容,因此需对每台加工中心指定加工内容。
其中安装螺栓孔和定位销孔之间具有严格的安装关系,因此只能在一次装夹内完成,两者之间工时合计0.25,需安排两台加工中心同时加工。
燃烧室面的加工:非单独工序加工时间核定需4台加工中心承担工序加工。
四周面加工考虑四周面刀校加工时对设备和工艺装备的冲击比较大,精度要求较低,其安排单独的设备承担。
通过以上分析,共需24台加工中心组成柔性生产线来承担某型缸盖的加工,加工效率较低。
4 提高单道工序加工效率的措施
柔性生产系统的加工效率,因其工序设计过于集中等原因,一般加工效率较专用机床组成的生产线低40%左右。为提高加工效率多采用以下措施:
4.1 工序拆分
工序拆分,以所需工时较大的加工内容的工时为限制条件,对承担加工的机床进行工序平衡性核算,将集中安排在单一设备上的工序尽量拆分,由多台设备共同承担,确保每台设备发挥最大效益。
4.2 尽量多采用组合刀具
组合刀具的大量采用,可以极大提高加工中心的加工效率:
减少换刀时间,组合刀具将同一结构加工所需的刀具组合在一起,取消了不必要的换刀时间。
缩短走刀时间,将空行程时间压缩至最短。
例如护套孔的加工刀具,未采用组合刀具前,需14把刀具,而采用组合刀具后只需3把刀具,工时由0.20 h减少到0.05 h,提高效率80%以上。
4.3 结构设计时尽量采用标准结构,采用统一刀具加工
采用统一的结构设计,不仅可以减少刀具数量,缩短换刀时间,而且可以针对统一结构设计专用的组合刀具,进一步减少提高加工效率:如对螺孔而言,对同一标准螺孔的底孔规定长度,则可以设计专用的“底孔钻+孔口倒角”刀具,一次完成钻底孔和孔口倒角工序,缩短加工时间近1/3。
4.4 采用随动夹具,缩短零件的定位、装夹时间
箱体类零件的定位基准要求统一,为随动夹具的施行提供条件,因此在柔性生产系统中大量采用随动夹具不仅可以保证加工质量,而且减少零件的装夹时间,提高加工效率。据统计资料介绍,采用随动夹具可以提高加工效率25%以上。
5 结束语
柔性生产系统的工艺设计不仅需要利用其较高的加工精度和高柔性,而且应充分考虑其生产的平衡性,避免因工序过分集中带来的人为生产瓶颈。
在工艺设计中,需要充分考虑零部件加工内容间的相互关系,特别是具有装配关系的加工内容一定要安排在同一工序进行加工完成,避免多次定位带来的形位误差。
参考文献
[1]山东内燃机学会质量标准专业委员会.内燃机标准资料汇编.
适用于柔性制造的排产优化系统 篇9
电子行业作为一个20世纪中期才产生的新兴行业, 生产工艺、生产设备、管理方法等方面都走在科技前沿。从电子产品的制造来说, 由于电子产品更换快的特性, 及其“多批次小批量”的生产模式决定了电子产品的生产与其他产品的生产有着不同的管理模式[1]。SMT (表面组装技术) 车间排产优化系统是柔性制造平台的子系统, 是对生产线上物料的调度与分配。由于批量小、批量不等、产品多样化等因素的影响, 生产线的组成和负荷情况会经常变化。为了减少闲置时间、节省劳力, 在组装产品变化时必须进行相应的调整, 以便提高生产线的生产效率。SMT车间排产优化系统根据这一特点, 通过采集计划管理软件和物料管理软件中产生的数据, 从多种“可行”的方案式中选出一个“最优”的, 形成优化的车间排产方案[2]。
1 系统分析与设计
SMT车间排产优化系统是将SMT车间的生产计划细化为具体的生产作业过程, 即对企业现有的流程、设备、计划定单细化为生产作业过程, 形成优化的车间排产方案。通过从计划管理软件和物料管理软件中所获得的数据, 从多种“可行”的安排方式中选出一个“最优”的排产方案。本系统采取一种包括多个优化级的分层优化模型来处理此优化问题, 该优化模型分为三个不同的优化层次, 生产线之间的系统级优化、生产线级优化、组装设备级优化。如图1所示。
系统级优化主要是处理多条生产线之间的配置、工作流程优化。可以采用建立组 (群) 的方法, 通过工作任务分组编排和合理分配来协调各生产线的工作任务。此处的分组是以该任务组中的不同产品所需组装的元器件基本相同为分组依据。这样, 在同组产品的组装生产时, 根本不需要调整生产线的结构与配置, 或者是使需要调整的可能性和调整时间最小化。图2是多工作任务分组编排和分配的示意图。它将SMT组装系统所承担的多个产品组装工作任务进行分组, 并将其分配到各条生产线。最终达到的理想情况是一条生产线只分配到一个组的工作任务。
生产线级的优化是通过预先选择合适的工作顺序以便使产品组装时间最小, 以及因产品变更而要调整生产线设备时需要的时间最小。可以考虑使用的优先调度规则有:SPT (Shortest Processing Time) 法则、MWKR (Most Work Remaining) 法则、EDD (Earliest Due Date) 法则、SST (Shortest Slack Time) 法则、SCR (Smallest Critical Ratio) 法则。
组装设备级的优化主要是单台设备的优化问题。由于SMT生产线的速度是由贴片机决定的, 所以组装设备级的排产优化主要是针对贴片机的。首先决定贴装轨迹路线, 然后建立贴装顺序。图3为SMT生产线贴片机物料分配及调度优化原理框图。
其中从CAD文件中获得的数据有:PIK (贴装文件) 、BOM表和各类元器件的典型贴装时间。PIK文件中包括元器件在PCB上的贴片位置坐标, BOM表给出贴装工艺提供了所需要的元器件规格、种类和数量等信息。最终的输出结果包括每台贴片机的元器件分配表, 和每台贴片机的供料器位置、元器件贴装排序表及PCB最终贴装路径图等。
2 系统实现
2.1 开发工具选择
生产计划管理系统的开发采用的Visual C++ 6.0版平台, Visual C++微软公司出品的高级可视化计算机程序开发工具。他提供了一套开发环境, 这种可视化编程环境可以令程序员花更多精力在程序功能的实现上, 而不是底层的建设上, 这就大大加快了程序开发速度和效率, 这也是Visual C++一个显著的特点。利用Visual C++编译出的程序空间小, 运行快, 比其他的编译工具编译出的软件占据较多优势[3]。数据库系统采用Access数据库管理系统。
2.2 系统功能实现
根据需求分析, 排产优化系统可分为四个子模块:基础数据维护、生产排产、生产线优化、路径优化。其功能结构图如图4所示。
基础数据维护模块的功能是对贴片机的参数、生产线信息、订单信息进行添加, 修改和删除操作。为排产优化、生产线优化和路径优化提供基础。贴片机的参数设置界面如图5所示。
生产排产模块的功能是将现有的订单在现有生产线上进行排产, 在多个可行的执行方案中选择“最优”的一个。排产的实现界面如图6所示。
生产线优化模块的功能是计算特定产品在特定生产线上的工作顺序, 节省调整生产线的时间。实现效率优化。路径优化模块的功能是从CAD文件中获得PCB板的原始数据, 根据贴片机型号, 所贴元器件种类及贴片速度, 利用优化算法及相应的数学模型进行优化计算, 最后将元器件分别调度到各台贴片机上, 达到生产线组装时间最小和生产平衡。
3 结 语
本文针对SMT行业的特点, 开发出一个适用于“小批量多批次”的排产优化平台。根据SMT的生产流程, 把优化过程分为三级, 从而有效节约了生产时间, 提高了生产效率。由于本系统的参考模型是54所的生产线, 所以运用到整个行业中可能会有不够普遍的地方, 这些不足会在以后的工作中进行改进, 使系统逐渐完善。
摘要：从介绍电子行业的发展历史开始, 提出电子行业的生产具有“多批次小批量”的特点。针对SMT行业的这种特点, 开发一套适用于柔性制造的排产优化系统, 重点按照软件开发的流程介绍了本系统的开发过程。首先详细分析系统的业务流程并提出具体的软件设计方案, 接着把系统划分成四个子模块并分别介绍每个子模块的功能, 最后介绍开发该系统使用的开发工具。
关键词：柔性制造,排产优化,SMT,设计方案
参考文献
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