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機床箱體類零件精密柔性制造系統的研發和示范應用

發布時間:2019-10-24 | 來源:互聯網 | 作者:
      隨著機床市場從批量化需求向多品種、小批量需求轉變,柔性制造系統憑借“能夠靈活應對市場需求的變化”這一優勢而日益受到重視。四川普什寧江機床有限公司(以下簡稱“普什寧江”)研制的箱體類零件加工柔性制造系統,由多臺精密臥式加工中心(可配清洗機、三坐標測量機等數控裝備)、物流貯運系統和總控系統組成,實現了物流、加工及輔助設備的一體化集成,能夠確保在一定的時間內,實現機床的零停機,從而滿足了用戶對高效加工的要求。由于是多臺機床(一般為3~6臺)的集成,使得機床、刀具、清洗和檢測等資源得到了最大程度的共享利用。在總控控制下,該柔性制造系統可以實現多種零件的混流加工,并允許長時間的無人看管連續運行。

      2016年5月25日,由普什寧江牽頭承擔的“機床箱體類精密柔性制造系統研發及示范應用”課題通過了任務終驗收。該課題由普什寧江聯合武漢華中數控股份有限公司、四川大學和重慶大學共同完成,目標是研制精密柔性制造系統,實現多品種箱體類零件的單件或批量的柔性、高效、高精加工,并在機床企業實現示范應用。

      課題從2012年1月開始實施,歷經3年多時間,完成了任務書規定的所有研究內容。根據機床制造企業提升設備能力、適應機床箱體類零件多品種、變批量、柔性、自動化及智能化加工的需求,該課題設計制造了機床箱體類零件精密柔性制造系統,研制出630mm和800㎜規格(各4 臺)的兩條精密柔性制造系統FMS63和FMS80,其中,FMS80配套進口數控系統,FMS63配套國產數控系統。兩條精密柔性制造系統的工作臺交換重復定位精度0.002mm,運輸小車快移速度75m/min,精密臥式加工中心THM6380的平均故障間隔時間MTBF為1645.1h。

      課題開展了基于國產數控系統的FMS應用技術、在線測量及監控技術、可靠性技術、刀具及工裝夾具管理技術以及基于MES無縫集成的FMS應用支撐技術等技術的研究。建成的兩套 FMS在普什寧江的精密加工事業部實現了箱體類零件的混流加工,對可靠性理論和方法進行了驗證,并開展了國產數控系統與進口數控系統的對比試驗,使國產數控系統在應用驗證中得到改進。


  機床箱體類零件精密柔性制造系統FMS80和FMS63的應用現場

產品性能介紹

      作為新一代產品,機床箱體類零件精密柔性制造系統FMS具有高柔性、自動化和智能化等特點。

      高柔性:研制成功的FMS63和FMS80兩條機床箱體類零件精密柔性制造系統,滿足了床身、立柱等8種機床零件、4種工藝路線并行加工的要求,實現了多品種、變批量的混流加工。

      自動化:自主研制的RGV輸送小車,集成自動上下料、物流、智能識別及自動控制等技術,具備作業計劃制定、任務分配、可視化操作和監控等功能,能24h連續工作,并能在無人看管的情況下連續運行16h。

      智能化:自主開發的總控系統,能夠完成對FMS中所有設備的監控、計劃管理和零件調度。向下層,可對物流系統與加工系統進行控制,實現零件的換裝、混流和混工序;向上層,MES系統實現信息的傳遞。通過智能識別、智能調度等功能,實現零件的柔性化加工。在更換加工對象時,借助零件識別、智能調度和混流加工技術,無需對FMS進行停機調試即可實現品種的自動轉換,從而實現了基于混流加工的“零”調整。

表 FMS63和FMS80的主要技術參數


關鍵技術研究

1.典型機床箱體類零件加工工藝技術及FMS系統集成設計

      根據箱體類零件工序比較集中的特點,開展了典型機床箱體類零件工藝需求分析和加工工藝技術研究,完成了機床箱體類精密FMS的總體設計;開展了柔性生產制造技術研究,實現了機床箱體類零件的多品種、小批量的柔性、高效、高精及混流加工的生產示范;建立了加工工藝參數數據庫;開展了機床箱體類零件加工特征自動建模技術的研究;開展了國產數控刀具切削性能和高效柔性夾具運用的研究。

      (1)基于機床箱體類零件加工具有工序長、種類多以及精度高的特點,采用半精加工和精加工的加工中心進行共線配置,同時采用刀具配送、加工程序后臺保障等方式,確定了機床箱體類零件的精密FMS 集成方案,規劃設計了其物理布局、設備和控制結構等。

      (2)完成了柔性制造系統模塊化、單元化設計;掌握了單機聯線裝配調試等技術,形成了相應的工藝和質量控制文件;在CAPP平臺基礎上,初步建立了加工工藝參數數據庫 。

      (3)實現了刀具、夾具的智能化管理,開展了夾具定位和裝夾等技術的研究和試驗,通過設備應用,對國產數控系統與進口數控系統進行了對比驗證,完成了機床箱體類零件的多品種、變批量的柔性、高效、高精和混流加工的生產示范和應用驗證。

2.基于開放式數控系統的FMS集成控制技術

      開展了基于開放式數控系統的FMS 集成控制技術的研究,針對兩套FMS,分別組成了4臺共計8臺的臥式加工中心。針對分別以國產數控系統和進口數控系統為控制平臺的兩條機床箱體類零件精密柔性制造系統,完成了電氣控制系統的開發設計、制造、調試改進、技術驗證、車間應用以及對比測試和驗證等工作。建成了FMS80和FMS63柔性制造系統,實現了多品種箱體類零件的單件或批量的柔性、高效、高精加工示范應用。

      (1)提出了一套以臥式加工中心為主體,含多托板庫物流自動搬運、計算機總控系統和電氣控制系統在內的集成方案;實施建設了基于以太網及現場總線技術的分布式網絡系統,實現了對FMS 運行狀態信息的遠程實時采集和在線監測。

      (2)形成了具有自主知識產權和寧江特色的,采用計算機軟件技術、自動控制技術、網絡信息化技術和開放式數控系統應用技術平臺開發的機床箱體類零件的管理系統控制軟件,用于柔性制造系統的控制和管理。該軟件具有效率優先、先進先出、急事先辦、安全高效、高柔性并行及采用混流工藝的FMS 無人化自動調度加工的特點。

      (3)集成開發了以國產HNC8數控系統為控制平臺的FMS63柔性制造系統,圍繞集成特點和性能,開展了進口數控系統與國產數控系統的對比研究,將國產FMS63柔性制造系統實際應用于機床箱體類零件的柔性化批量制造中。

3.基于國產數控系統的FMS應用技術研究
   
      實現了基于華中8型數控系統的功能擴展及基于NCUC-BUS總線的控制、物流和信息的網絡融合;實現了FMS多個數控系統的分布與協同控制;實現了刀具自動識別、監測及自動換刀的功能;完成了綜合精度測量技術研究;完成了物流布局、節拍、流程和邏輯控制的研究;實現了托盤編碼及自動識別等功能;實現了物流子系統的安全控制;實現了網絡化作業計劃管理及智能調度;完成了機床箱體零件的在線檢測測量;實現了精密臥式加工中心監控的功能。

      (1)對比進口數控系統的功能,開展了基于HNC8型數控系統的功能擴展研究,實現了國產數控系統在柔性制造系統中的首次應用,以及國產FMS63柔性制造系統主機及物流的集成控制。

      (2)開發了基于國產數控系統的物流控制系統,節拍、精度控制及流程邏輯控制技術,隨行托盤自動識別技術和物流系統安全控制技術。

      (3)實現了多個數控系統的分布式管理與協同控制,包括主控PC對數控系統的分布式管理及物流車對數控系統的協同控制。

      (4)基于對NCUC-BUS 總線的數控、物流和信息3個層次網絡融合技術的研究,完成了單個數控系統的現場總線、以太網集成工作,在單個數控系統上實現了現場總線與以太網的并行傳輸,現場總線控制周期為1ms,以太網傳輸周期為50ms。完成了多個數控系統的現場總線、以太網互聯方案設計。

4.基于國產數控系統的在線測量與監控技術

      研究了基于國產數控系統的刀具在線檢測、工件在線檢測技術,實現了工件、刀具的在線檢測和補償。整個過程在測量軟件的控制下自動完成,避免了人為誤差。

      研究了基于國產數控系統的監控技術,實現了零件物流的動態模擬監視,以圖形化的形式顯示機床狀況、加工狀態和信號數據的實時信息;開發了柔性制造系統的歷史數據管理系統,以同步記錄柔性制造系統的重要事件,包括機床的報警、托板的物流和設備的在線/離線等,便于歷史追溯和問題分析。

      (1)提出了“采用國產精密臥式加工中心作為核心檢測設備,充分利用其精密特點和測量功能,實現FMS的在線測量”的方案。

      (2)形成了基于國產數控系統設備對刀、刀具破損檢測、工件找正、序中測量和首件檢測的解決方案;

      (3)開發了基于國產數控系統的刀具在線檢測和工件在線檢測技術,實現了工件、刀具的在線檢測與補償,整個過程在測量軟件的控制下自動完成,避免了人為誤差。

      (4)開展了基于國產數控系統的FMS數據、信息和視頻的實時監控技術研究,實現了數字與視頻的動態監視與記錄。

      (5)開發了圖形化顯示機床狀況、加工狀態和信號數據的實時信息系統;開發了柔性制造系統的歷史數據管理系統,可同步記錄柔性制造系統的重要事件,包括機床的報警、托板的物流以及設備的在線/離線等,便于歷史追溯和問題分析;開發了FMS動態運動視頻監控與存儲系統。

 5.柔性制造系統可靠性技術研究

      以柔性制造系統(FMS)的可靠性研究為主線,通過對FMS的可靠性進行建模、預計和分配,形成了對FMS可靠性狀況的科學認識。在此基礎上,針對該FMS的典型分系統,開展了可靠性技術和可靠性試驗研究,形成了一套相對完整的針對FMS的可靠性研究體系。該體系對理論研究和可靠性試驗進行了有機結合,以理論指導試驗的制定,又通過試驗結果確定進一步的試驗方向,不斷循環改進,使FMS柔性制造系統的可靠性水平顯著提高,最終使該FMS的加工單元THM6380的MTBF超過1500h。

      (1)提出了以廣義隨機Petri網對FMS 的可靠性進行建模的構思,以及系統混合可靠性分配方法、FMS 典型分系統的可靠性強化試驗方案和基于任務的FMS可靠性預計模型。

      (2)形成了FMS的兩個典型分系統的可靠性強化試驗方案。

      (3)建立了表征機床工作狀態的譜系(零件譜、工況譜、載荷譜、功能譜和故障譜)結構,以及有軌小車狀態監測與故障診斷系統總體框架。

6.FMS刀具及工裝夾具管理系統

      刀具智能管理系統是柔性生產線必備的關鍵模塊之一,特別是對于機械生產車間,刀具、夾具和量具的管理是否合理、科學,在很大程度上決定了柔性生產線的可靠性、柔性程度和生產效率的高低。因此,刀具必須納入企業的物流和信息流之中,建立完整的、實時的刀具數據庫,實現無紙化的刀具管理和信息集成已成為柔性制造的一個重要環節。

      為此,研究并提出了兩種單元控制系統:在線柔性制造系統刀具管理和靜態刀具管理模型。結合FMS 生產管理的需要,研究了內容中調度要求的對柔性制造系統的動態管理;刀具壽命管理:將柔性制造系統上的刀具信息與FMS刀具管理軟件平臺服務器進行共享,對刀具壽命進行實時動態的管理。

      (1)提出了兩種單元控制系統:在線FMS刀具管理和靜態刀具管理模型。

      (2)形成了完整、詳細的刀具編碼規范及編寫方法。

      (3)開發了FMS刀具及工裝夾具管理系統。

      (4)提出了JSP綜合刀具流調度數學模型。

      (5)提出了PSO-BP神經網絡預測刀具壽命模型,并對FMS刀具進行了動態壽命管理。

7. MES無縫集成的FMS應用支撐技術的研究

      設計了FMS應用支撐系統,連接了企業上層MIS、ERP和現場柔性線,有效提高了FMS的柔性和生產效率,支持了FMS實現多品種、多工藝的混流生產模式,為精密柔性制造系統提供了應用支撐,為大幅度提高柔性制造系統的綜合性能及運行效率打下了基礎。

      (1)提出了FMS信息化管理系統與運行控制系統一體化的思路,并結合了基于約束理論的排產算法。

      (2)實現了FMS多品種、多工藝混流的生產模式。

      (3)加強了FMS資源信息的集成化管理,向下實現了與設備層總線技術的實時數據采集,向上實現了與MES的無縫接入,從而能夠將現場制造信息實時反饋給企業級MIS/ERP系統,以制定能夠快速響應市場需求的合理生產計劃,有效提高了FMS的柔性和效率。

      (4)研究開發了一套適合國內企業運行和使用的柔性制造系統的運行支撐系統。

8. 精密柔性制造系統綜合性能測評技術與規范研究

      通過對FMS綜合性能指標的評測研究,找出了提高FMS精度穩定性和FMS加工效率的有效辦法,有效提高了FMS的柔性和生產效率。重點研究了FMS精度指標集建立技術、FMS精度測試技術和FMS綜合性能評測技術等,為大幅度提高精密柔性制造系統的綜合性能及運行效率打下了基礎。

      (1)提出了以球桿儀、激光干涉儀、數控機床動態誤差檢測技術和基于機床實時狀態監測的機床動態精度分析技術為基礎、檢測柔性制造系統設備單元誤差的方法。

      (2)形成了針對確定綜合性能指標的數控機床進行性能測試的規范。

      (3)開發了數控機床誤差源分析及精度評價指標集設計技術、柔性制造系統精度指標檢測技術、柔性制造系統加工效率和設備利用率測評技術,以及基于層次分析法的數控機床精度測評技術。

      (4)建立了基于層次分析法的數控機床綜合性能評價體系。

成果應用及推廣情況

      “機床箱體類精密柔性制造系統研發及示范應用”課題研制的FMS63、FMS80兩條精密柔性制造系統,已被普什寧江用于精密箱體零件的加工。現已實現了8種以上機床箱體類零件的混流加工、4種工藝路線的并行生產以及年產能1200件的驗證;開展了可靠性理論和可靠性方法驗證,對國產數控系統進行了應用驗證和改進,并與進口數控系統進行了對比試驗;對FMS應用支撐系統的資源集成管理、生產計劃管理和智能調度等各項功能進行了驗證,并通過對機床典型箱體類零件的加工及示范應用,形成了FMS應用規范,為FMS的推廣應用奠定了基礎。

      承擔專項課題以來,普什寧江研制完成了近30套柔性制造系統,并已應用到機床、汽車、船舶、能源、航空航天和通用機械等重要行業領域,很好地滿足了用戶的需求,在行業內起到了良好的示范作用。

      柔性制造系統,尤其是配備國產數控系統的柔性制造系統的研制,是在“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項的支持下形成的智能制造裝備,隨著產業化的進一步推進,將在更多加工領域實現少人化、柔性化和智能化的加工,將更快、更好地促進加工制造業的轉型升級。

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