柔性制造單元
1.什么是柔性制造單元[1]
柔性制造單元是在制造單元的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，又具有一定的柔性，是柔性制造系統(tǒng)朝小型化與經(jīng)濟化發(fā)展的產(chǎn)物。
2.柔性制造單元的基本組成[1]
1．由數(shù)控車床和加工中心(含CNC)混合組成的加工設(shè)備
加工回轉(zhuǎn)體零件的車削單元的設(shè)備一般不超過4臺；加工非回轉(zhuǎn)體零件的單元一般選用一臺加工中心作為基本加工設(shè)備。
2．單元內(nèi)部的自動化工件運輸、交換和存儲設(shè)備
自動化工件運輸、交換和存儲設(shè)備具體隨工件特點及其在單元內(nèi)的輸送方式而定，工件在單元內(nèi)的輸送方式有以下兩種：
1)托板輸送方式。該類FMC適用于加工箱體或非回轉(zhuǎn)體類零件。為便于工件輸送及其在機床上夾固，工件(或工件及夾具)被裝夾在托板上，工件的輸送及其在機床上的夾緊都通過托板來實現(xiàn)。具體設(shè)備包括托板輸送裝置、托板存儲庫和托板自動交換裝置。
2)直接輸送方式。該類FMC適用于加工回轉(zhuǎn)體零件。工件直接由機器人或機械手搬運到數(shù)控車床、數(shù)控磨床或車削中心上夾緊加工。機床鄰近設(shè)有料臺用于存儲坯件或工件。若FMC需要與外部系統(tǒng)聯(lián)系，則料臺為托板交換臺，工件連同托板由外部輸送設(shè)備(如小車)輸入單元或自單元輸出。
3．FMC控制系統(tǒng)
FMC控制系統(tǒng)實現(xiàn)對于加工中信息的處理、存儲和傳輸，一般分兩級，分別是單元控制級和設(shè)備控制級。
(1)設(shè)備控制級設(shè)備控制級是針對各種設(shè)備，如機器人、機床、坐標測量機、小車及傳送裝置等的單機控制，功能是把工作站控制器命令轉(zhuǎn)換成可操作的、有次序的簡單任務，并通過各種傳感器監(jiān)控這些任務的執(zhí)行情況。設(shè)備控制級一般采用具有較強控制功能的微型計算機、總線控制機或可編程控制器等工程機。
(2)單元控制級單元控制級是指揮和協(xié)調(diào)單元中各設(shè)備的活動，處理由物料貯運系統(tǒng)交來的零件托盤，并通過控制工件調(diào)整、零件夾緊、切削加工、切屑清除、加工過程中檢驗、卸下工件以及清洗工件等功能對設(shè)備級各子系統(tǒng)進行調(diào)度。單元控制系統(tǒng)一般采用具有有限實時處理能力的微型計算機或工作站。單元控制級通過RS．232接口與設(shè)備控制級之間進行通信，并可以通過該接口與其他系統(tǒng)組成FMS。
圖1所示為一以加工回轉(zhuǎn)體零件為主的柔性制造單元。兩臺運輸小車在工件裝卸工位3、數(shù)控車床1和加工中心2之間的輸送工件，龍門式機械手4為數(shù)控車床裝卸工件和更換刀具，機器人5進行加工中心刀具庫和機外刀庫6之間的刀具交換。控制系統(tǒng)由車床數(shù)控裝置7、龍門式機械手控制器8、小車控制器9、加工中心控制器10、機器人控制器11和單元控制器12等組成。單元控制器負責對單元組成設(shè)備的控制、調(diào)度、信息交換和監(jiān)控。
圖2所示是某一帶托板庫的柔性制造單元。單元主機是一臺臥式加工中心，采用雙機械手換刀，配有8工位自動交換環(huán)形托盤庫。托盤庫3臺面支承在圓柱環(huán)形導軌上，由內(nèi)側(cè)的環(huán)鏈拖動回轉(zhuǎn)，鏈輪由電動機驅(qū)動。托盤的選擇和定位由可編程控制器控制，具有正反向回轉(zhuǎn)、隨機選擇及跳躍分度等功能。托盤的交換由設(shè)在環(huán)形臺面中央的液壓推拉機構(gòu)實現(xiàn)。托盤庫3旁設(shè)有工件裝卸工位，機床兩側(cè)設(shè)有自動排屑裝置。
3.柔性制造單元的基本形式[1]
1．托板存儲庫式FMC
這類柔性制造單元由加工中心和托板存儲系統(tǒng)組成，主要用來加工非回轉(zhuǎn)體零件，托板的選定和定位由PLC進行控制。按托板庫的結(jié)構(gòu)形式可分為以下3種：
1)環(huán)行托板庫FMC。圖3所示為由一臺加工中心和配有10位環(huán)形托板庫組成的FMC。托板庫沿長圓形軌道運行，實現(xiàn)托板的輸送和定位，托板上裝夾有工件。環(huán)形工作臺用于工件的輸送與中間存儲，托板座在環(huán)形導軌上由內(nèi)側(cè)的環(huán)鏈拖動而回轉(zhuǎn)，每個托板座上有地址識別碼。當一個工件加工完畢，加工中心發(fā)出信號，由托板交換裝置將加工完的工件(包括托板)拖至回轉(zhuǎn)臺的空位處，然后轉(zhuǎn)至裝卸工位，同時將待加工工件推至加工中心工作臺并定位加工。
2)圓環(huán)托板庫FMC。托板庫圓周分布，托板在裝卸工位、機床自托板庫各個位置之間輸送，通過庫中央的專門搬運裝置實現(xiàn)托板的輸送。
3)直線形托板庫FMC，托板庫為直線形，托板輸送裝置常為有軌小車。這種單元的優(yōu)點是具有擴展性，需要時可增加加工設(shè)備，加長運輸軌道和托板庫，擴展成更大的FMC或其他柔性制造系統(tǒng)。
2．機器人搬運式FMC
這種FMC由加工中心、數(shù)控機床、機器人和工件傳輸系統(tǒng)組成，有些單元還包括清洗設(shè)備。機器人搬運式FMC有以下兩種：
1)回轉(zhuǎn)機器人直接搬運的FMC。一般由1—4臺車削中心或其他數(shù)控機床以及固定安裝的回轉(zhuǎn)式機器人和工件存儲臺等組成，各設(shè)備都布置在機器人周圍或兩側(cè)，工件搬運由機器人自動實現(xiàn)。此類FMC的優(yōu)點是設(shè)有托板及其自動交換系統(tǒng)，設(shè)備費用低，但只適于加工回轉(zhuǎn)體零件。
2)龍門式機器人直接搬運的FMC。該類FMC的特點是：可搬運較大較重的零件和其他物料，搬運設(shè)備不占場地。
圖4所示是由數(shù)控機床和工業(yè)機器人組成的機器人搬運式FMC，工件的自動交換由機器人來完成。根據(jù)數(shù)控機床數(shù)量的不同有多種組合形式：圖4a所示為由數(shù)控車床和工業(yè)機器人組成的FMC，圖4b所示為由數(shù)控車磨床和工業(yè)機器人組成的FMC，圖4c所示為由三臺加工中心和工業(yè)機器人組成的FMC。
3．可換主軸箱式FMC
這種FMC以多軸加工為主，適于工件品種不多的中、大批量的生產(chǎn)，加工設(shè)備一般是可更換主軸箱的組合機床，單元內(nèi)設(shè)有主軸庫及其運輸交換裝置。工件通過托板交換裝置從外部系統(tǒng)進入單元，送上圓形回轉(zhuǎn)工作臺夾緊，然后由兩側(cè)裝有相應主軸箱的動力頭驅(qū)動加工。
4.柔性制造單元的基本功能及應用[1]
1．基本功能
1)自動化加工功能。可以自動完成車削、鉆鏜、銑削及攻螺紋等加工。
2)物料傳輸、存儲功能。柔性制造單元配備有運行物料存儲容量所需的在制品庫、物料傳輸裝備和工件裝卸交換裝置，并有刀具庫和換刀裝置。
3)自動檢驗、監(jiān)控等功能。FMC可以完成刀具檢測、工件在線測量或磨損檢測監(jiān)控、機床保護監(jiān)控等。
4)FMC還有清洗、檢驗及切屑處理等功能。
2．FMC的應用方式
1)作為獨立加工設(shè)備使用，其優(yōu)點有：提高了工件搬運和裝夾的效率，減輕勞動強度；機床利用率和加工效率比加工中心高；可實現(xiàn)晚闖無人看管生產(chǎn)，提高機床利用率；可方便地進行多品種零件(單元所限定的零件組范圍內(nèi))的同時混流生產(chǎn)。
2)作為其他柔性制造系統(tǒng)的基本組成模塊。當前柔性制造系統(tǒng)和柔性自動線日趨采用模塊化組合方式，以FMC作為其基礎(chǔ)模塊，優(yōu)點是可以為柔性制造系統(tǒng)分段建設(shè)創(chuàng)造條件。因此，F(xiàn)MC在結(jié)構(gòu)配置和控制等方面都趨于適應組成系統(tǒng)的需要。
3．FMC的應用范圍
FMC可以根據(jù)需要自動更換刀具和夾具，因此適于多品種、小批量生產(chǎn)。工件的全部加工一般是在一臺機床上完成，因此常用于箱體類復雜零件的加工。FMC在汽車制造業(yè)應用非常廣泛，而且也廣泛應用于液壓／氣動閥類、泵類、電動工具及冰箱壓縮機缸體等工件的加工。
柔性制造技術(shù)在各工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)得到廣泛的生產(chǎn)應用。FMC的投資比FMS少而經(jīng)濟效益相接近，更適用于財力有限的中、小型企業(yè)。目前，國外眾多廠家將FMC列為發(fā)展的重點。
4．引入或購置FMC前的技術(shù)準備
企業(yè)引入或購置FMC前需做以下準備工作：根據(jù)生產(chǎn)任務選擇適合在FMC上加工的零件，編制FMC待加工零件的情況表，主要內(nèi)容包括零件外形尺寸，最大、最小加工尺寸和加工要求，所用刀具類型、品種和數(shù)量，工裝、工時和年產(chǎn)量等。分析比較各種商品化FMC的結(jié)構(gòu)、性能及其價格，選出適當?shù)腇MC型號。根據(jù)零件情況表作刀具統(tǒng)計，確定刀庫容量。一般完成一件中等復雜程度零件的全部加工需30把以內(nèi)的刀具，考慮留有余地，實現(xiàn)混流生產(chǎn)，宜選60把左右刀具的刀庫容量。若考慮更復雜零件的混流生產(chǎn)，則應選100把左右刀具的容量。根據(jù)零件情況統(tǒng)計表確定托板庫工作臺的數(shù)量。為保證實現(xiàn)第二、三班無人照看生產(chǎn)，托板庫工作臺應保證可安裝的零件足夠使用。對兩班制，一般選6個工作臺。選購必要附件，如對刀儀、冷卻裝置及監(jiān)控裝置等。
5.柔性制造單元的實施效益[2]
(1)可以實現(xiàn)24 h連續(xù)運轉(zhuǎn)。
(2)增加了設(shè)備的柔性。FMC比單臺加工中心更容易實現(xiàn)多品種配套加工。
(3)生產(chǎn)利潤高。
(4)有利于實現(xiàn)計算機集成生產(chǎn)系統(tǒng)。