FMS和CIMS监测和诊断系统教学讲座PPT(1).ppt
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1、FMS和CIMS监测和制造系统,FMS和CIMS监测和制造系统,第一部分:柔性制造系统(FMS)1.1 FMS概述 1.2 FMS类型 1.3 FMS制造工作站 1.4 FMS状态监测与故障诊断第二部分:现代(计算机)集成制造系统(CIMS)2.1CIMS的产生与中国的发展现状 2.2CIMS内涵的新认识 2.3CIMS特征与组成 2.4CIMS递阶控制体系与技术优势 2.5CIMS环境下刀具故障监测第三部分:FMS和CIMS综述,第一部分:柔性制造系统(FMS),1.1 FMS概述,1.1.1 制造柔性,制造柔性是指一个制造设备或系统对生产需求变化的适应能力,通常制造柔性体现在以下几个方面:
2、,制造设备的柔性 制造设备通过配备相应的刀具、量具、夹具、NC程序等,使得此设备具有制造给定零件族中任何零件的能力;(这是一种固有的柔性,它与制造设备所具有的相关功能有关,如机附刀库的容量、控制的运动轴数等。),加工柔性 以不同加工工序和工艺加工一个零件的能力或在给定的一个工艺规划下以不同的加工路线实现零件的加工(制造工作站间和加工功能间的互换和替代)。,产品柔性 能够经济、快速地转变生产产品的能力。,零件流动路线柔性 当系统出现局部故障时,能重新选择零件加工路径,并继续进行加工的能力。,产量柔性 系统运行可适应不同的生产批量,并具有良好的生产效益。,系统重构柔性 系统具有重构柔性,可以生产需
3、求发生变化时,系统可以方便地扩展、收缩或重构。,故障控制柔性 当系统中的设备出现故障时,制造系统对故障的处理能力。,1.1.2 FMS定义,根据“中华人民共和国国家军用标准”有关“武器装备柔性制造系统术语”的定义,柔性制造系统(FMS)是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统,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调整,适用于多品种、中小批量生产。,美国制造工程师协会(SME)的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为“使用计算机、柔性加工单元和集成物料储运装置完成零件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统”。,更直观的定义是:“柔性制造系统是
4、至少由两台数控机床,一套物料运输系统(从装载到卸载具有高度自动化)和一套计算机控制系统所组成的制造自动化系统。它采用简单改变软件的方法便能制造出某些部件中的任何零件”。,综上所述,各种定义的描述方法虽然有所不同,但都反映了FMS应具备的特点。,1.1.3 FMS的组成与功能,硬件系统(第一部分),制造设备:数控加工设备(如加工中心)、测量机、清洗机等;自动化储运设备:传送带、有轨小车、AGV、搬运机器人、立体库、中央托盘库、物料或刀具装卸站、中央刀库等;计算机控制系统及网络通信系统。,软件系统(第二部分),系统支持软件:操作系统、网络操作系统、数据库管理系统等。FMS运行控制系统:动态调度系统
5、、实时故障诊断系统、生产准备系统,物料(工件和刀具)管理控制系统等,(1)FMS的组成,FMS组成框图及功能特征,FMS的组成示意图,(2)FMS的功能,能自动控制和管理零件的加工过程,包括制造质量的自动控制、故障的自动诊断和处理、制造信息的自动采集和处理;通过简单的软件系统变更,便能制造出某一零件族的多种零件;自动控制和管理物料(包括工件与刀具)的运输和存储过程;能解决多机床下零件的混流加工,且无需增加额外费用具有优化的调度管理功能,无需过多的人工介入,能做到无人加工。,1.1.4 FMS的特点,设备利用率高 减少设备投资 减少占地面积 减少直接工时费用 减少了在制品的数量,缩短了生产准备时
6、间 具有快速应变能力 维持生产能力强 产品质量高而稳定 系统运行灵活性大 产量变化适应性好 便于实现工厂自动化 投资高、风险大,开发周期长、管理水平要求高,1.2 FMS的类型,(1)按系统的规模分类,柔性制造单元(FMC),小型FMS,由1-2台机床组成,自动更换刀具,自动上下工件;,柔性制造系统(FMS),控制与管理功能比FMC强,管理通信要求高;,柔性制造生产线(FML),数控组合机床设备,专用性强、生产率高,相当于数控自动生产线,用于少品种、中大批量生产,为专用FMS。,(2)按应用对象分类,切削加工FMS,钣金加工FMS,焊接FMS,柔性装配系统等,(3)按系统布局分类,直线型,机器
7、人型,环 型,13 FMS制造工作站,131 机械加工工作站,加工中心(Machining Center or Production Center),柱体类:常用镗铣加工中心 回转体类:常用车削加工中心,(1)类别,一般在柔性制造系统中主要的机械加工设备是加工中心,常带有机附刀库,可实现主轴和机附刀库的刀具交换;同时MC还带有自动托盘交换装置,对工件进行多工序加工的高效数控机床。,卧式加工中心,1-主轴头 2-刀库 3-刀库 4-立柱底座 5-回转工作台、6-工作台底座,1-刀库 2-回转刀架 3-换刀机械手 4-上下工件机器人 5-工件存储站,车销加工中心,集中了较多工序连续加工,节省设备投
8、资;工件一次装卡,既减少装夹具次数,又提高了加工精度;缩短了更换刀具、装卸工件等辅助时间,提高了生产率。,(2)加工中心的主要特点,(3)集成加工中心到FMS的基本条件,硬接口:托盘自动交换装置(Automated Pallet Changer-APC)和第二刀具交换点;软接口:具有通过计算机网络或其它通信接口实现与上 级控制计算机通信的功能。,1.4 柔性制造系统()状态监测与故障诊断,设备故障可分为结构故障、运行故障以及工况或状态异常。结构故障一般很少见,较常见的是后两种故障。,设备工况或状态异常对于工件流系统,主要指有轨运输小车的伺服系统故障、伺服电机异常、速度反馈和位置反馈故障、小车定
9、位超差等。对于刀具流系统,主要指换刀机器人各自由度伺服系统故障、伺服电机异常、速度反馈和位置反馈、机器人振动过大、控制柜过热、传动机构异常、机器人的定位不良等。对于加工系统,主要指加工中心的刀具磨破损,驱动电机和进给电机的电流、电压、功率、温度及各伺服电机和测速电机的电压、电流不正常,主轴传动箱部位振动过大,传动机构异常,液、气压力信号变化,环境改变或误操作带来的加工状态异常以及不可预见的突发性故障和异常,1.4.1 FMS故障类型:,图 FMS中设备无故障时间(表格来自机械设备故障诊断技术及应用),1.4.2基于Internet的FMS远程监测与故障诊断技术,远程监测与故障诊断系统的总体框架
10、,机械设备远程诊断监测系统是一个开放的分布式系统,主要由监测设备、传输设备、传输通道、信息处理系统和网络管理系统和诊断系统构成。系统的主要功能如图所示,设备状态信息(包括振动、声、力、温度、超声、油污染等)的采集与存储,设备状态信息的处理(包括数字信号滤波和图像信号的处理),远距离网络传输,信息接收,设备状态信息加工,监测信息输出,诊断专家或专家系统进行分析诊断,诊断结果经远距离网络传输至设备现场,图 机械设备远程监测与故障诊断系统总体结构,设备现场的在线监测系统是该远程监测与故障诊断中心的起点,它完成对FMS中换刀机器人、加工中心的主要状态信息的采集、存储和处理,以及简易诊断,状态信息经加工
11、处理后可以直接通过网络进行远距离传输,也可以将简易诊断后的结果直接传输给诊断中心。,远程诊断中心为该用户建立虚拟现实的现场图象,根据传输来的信号模拟现场设备的加工状态,由专家和专家系统综合现场和经网络传输来的监测信息,得出诊断结果并给出维修决策,通过网络反馈至现场指导维修排除故障。也可以用现场在线监测简易诊断的结果直接启动远程诊断中心专家系统的相应模块,或者询问远程中心的专家,获得精密诊断结果,并由远程中心将结果传输至现场。,在线监测系统,在线监测系统的信息流图,FMS在线监测系统监测底层设备的主要部位、部件的传感器信号、可直接测量的设备运行信号、控制网络可上传的故障代码、底层设备及控制器的故
12、障报警灯和状态变换指示灯信号、数控设备CRT显示器上可显示的软件报警代码。在线监测系统一方面综合这些信号对FMS状态进行识别,并对紧急故障作出快速诊断,对其它故障作出大体定位。通知现场的FMS主控制器进行相应处理,并伴随声音和画面报警。另一方面将所有监测信息加工成可以在网上传输的形式,发送给远程监测和诊断中心,由这里的专家和专家系统作出精密诊断。,数据和图像传输,利用LabVIEW软件中的NetDDE在局域网上实现动态数据交换,可以使用客户申请模式、服务器建议模式及同步传输3种模式。LabVIEW可以对数据进行多种数学分析,并可以直观的显示分析结果,专家或专家系统可以直接从此获取分析后的数据。
13、为了进一步了解FMS设备现场的运行状态,更好地进行远程监测、诊断,并指导用户进行设备的使用和维修,在用户和FMS监测与故障诊断中心之间进行实时的设备运行状态图象传输。,为了减小网上图象数据的传输量,提高数据的传输速度,利用VRML(虚拟现实建模语言)技术,制作FMS仿真现场的3维图形,并利用VRML的动画及交互功能,使FMS 3维动画程序能够根据人和传输信号的控制,产生相应的运动变化,从而虚拟出FMS现场的工作流程和工作状态。,VRML2.0编写的程序可以实现动态的交互,即在程序的运行过程中,用特定的信号实时控制程序所定义的3维物体的运动。交互作用的产生主要靠传感器节点与内插器节点和路径语句。
14、VRML2.0的传感器节点有6种,它们可以在程序运行的过程中改变物体的一些状态,如颜色、位置、尺寸等。路径语句的主要作用是感知一些状态变化,并把这些变化传给其他节点,进而使物体的一些状态发生变化。,利用VRML所具有的动画功能及交互作用,将FMS系统里的设备工作运动状态通过传感器节点、内插器节点及路径语句再现出来,实现远程图象的虚拟传输。,开放式远程诊断专家系统,FMS远程诊断专家系统完成对FMS主要设备换刀机器人、有轨运输车、立式加工中心、车削中心、卧式加工中心、立体仓库、3坐标测量机的诊断。该系统主要由知识库、数据库、模糊推理模块、知识库管理系统和维修库管理系统和机器学习模块。,开放式远程
15、诊断专家系统,知识库,数据库,模 糊 推理模块,知识库管理系统,维修库管理系统,学习模块,模糊推理模块:是专家系统的核心,主要完成由故障现象寻找故障原因的过程,采用模糊反向推理算法和基于意向的神经网络快速推理算法实现多种有效的推理;,知识库:包括规则库、概念库和图形库。规则库是专家系统推理的知识部分,图形库是推理中提供检测信息的图形集合,概念库是规则的基础,规则库由概念库自动生成;,知识库管理:对知识库进行管理和控制,完成对知识库的各类操作,包括系统的维护,日常系统事务管理,使用权限管理。,机器学习:随着FMS的不断运行,可能出现新的故障,也可能发现原来知识库中的某些知识不正确。机器学习就是自
16、动在维修记录库中发现新的知识完善原来的知识库。,FM S远程诊断中心的运行模式,远程监测与故障诊断系统可分为两种运行模式:实时诊断和远程查询诊断。,两者的主要区别在于实时诊断时专家可以通过视讯会议系统与其他专家现场监测人员一起实时讨论,并可根据需要对现场进行实时监测,然后给出诊断意见。,而远程查询诊断模式,一种是现场人员访问远程诊断中心,申请对设备进行诊断,远程诊断专家以现场监测系统传输过来的信息为依据进行分析判断,以电子信函方式将诊断结果反馈至监测现场。另外一种是直接通过网络查询远程诊断中心的专家系统得到诊断结果。,基于Internet的FMS远程监测与故障诊断技术提高FMS设备故障诊断和排
17、除的速度,加快维修需求的响应能力以及降低停机维修的费用,提高全球规范服务能力。,典型的柔性制造系统示意图 1,1-自动仓库;2-装卸站;3-托盘站;4-检验机器人;5-自动小车;6-卧式加工中心;7-立式加工中心;8-磨床;9-组装交付站;10-计算机控制室,典型的柔性制造系统示意图 2,典型的柔性制造系统示意图 3,典型的柔性制造系统示意图 4,典型的柔性制造系统示意图 5,西门子柔性制造系统,第二部分 现代(计算机)集成制造系统(CIMS),目录2.1 CIMS的产生与我国的发展2.2 CIMS内涵的新认识2.3 CIMS特征与组成2.4 CIMS递阶控制体系与技术优势2.5 CIMS环境
18、下刀具故障监测,2.1 CIMS的产生与在我国的发展,CIMS的产生背景在工业从生产过程参数的监测、控制、优化,生产过程及装置的调度,到企业的管理、经营、决策,计算机及其网络已成为帮助企业全面提高生产和经营效率、增强市场竞争力的重要工具计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems)正是反映了工业企业计算机应用的这种趋势。CIM(Computer Integrated Manufacturing,计算机集成制造)最早是由美国人约瑟夫哈林顿博士于1973年提出的。针对激烈的市场竞争以及计算机技术在工业生产中的应用,哈林顿博士提出的C
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