[科普中国]-柔性制造系统

发展历程

1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。

1967年，美国的怀特·森斯特兰公司建成Omniline I系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。日本、前苏联、德国等也都先后开展了FMS的研制工作。

1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(简称FMC)，为发展FMS提供了重要的设备形式。柔性制造单元(FMC)一般由12台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。

随着时间的推移，FMS在技术上和数量上都有较大发展，实用阶段，以由3－5台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。

1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。

这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。1

系统组成加工设备加工设备主要采用加工中心和数控车床，前者用于加工箱体类和板类零件，后者则用于加工轴类和盘类零件。中、大批量少品种生产中所用的FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。

储存和搬运储存和搬运系统搬运的的物料有毛坯、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，也有储存量较大的桁道式立体仓库。

毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。

工业机器人可在有限的范围内为1－4台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置(简称APC)来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。

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。切屑运送和处理系统是保证 FMS连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。

信息控制FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用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(CNC)，实现各加工过程的控制；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信息上报给上级计算机；第三级是FMS的主计算机(控制计算机)，其功能是制订生产作业计划，实施FMS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。

性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的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。

为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有：测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。

系统类型柔性制造是指在计算机支持下，能适应加工对象变化的制造系统。柔性制造系统有以下三种类型：

柔性制造单元柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。

柔性制造系统柔性制造系统是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。

柔性自动生产线柔性自动生产线是把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。

系统优点柔性制造系统的优点 ：

柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。具体优点如下。

1、设备利用率高。一组机床编入柔性制造系统后，产量比这组机床在分散单机作业时的产量提高数倍。

2、在制品减少80%左右。

3、生产能力相对稳定。自动加工系统由一台或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障机床的能力。

4、产品质量高。零件在加工过程中，装卸一次完成，加工精度高，加工形式稳定。

5、运行灵活。有些柔性制造系统的检验、装卡和维护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。

6、产品应变能力大。刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要。

7、经济效果显著。采用FMS的主要技术经济效果是：能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；提高产品质量的一致性。

发展趋势柔性制造系统的发展趋势大致有两个方面。2一方面是与计算机辅助设计扣辅助制造系统相结合，利用原有产品系列的典型工艺资料，组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统。另一方面是实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化，特别是管理层次自动化的计算机集成制造系统。在这个大系统中，柔性制造系统只是它的一个组成部分。

模块化的柔性制造系统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用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。图1是典型模块化柔性制造系统特征图。由图1可见，刀具的供给方式、工件的输送存储和交换方式，是影响系统复杂程度的最大因素。

计算机集成制造系统从1870－1970年的100年中，加工过程的效率提高了2000%，而生产管理的效率只提高了80%，产品设计的效率仅提高了20%左右。显然，后两种的效率已成为进一步发展生产的制约因素。因此，制造技术的发展就不能局限在车间制造过程的自动化，而要全面实现从生产决策、产品设计到销售的整个生产过程的自动化，特别是管理层次工作的自动化。这样集成的一个完整的生产系统就是计算机集成制造系统(CIMS)。

CIMS的主要特征是集成化与智能化。集成化即自动化的广度，它把系统的空间扩展到市场、产品设计、加工制造、检验、销售和为用户服务等全部过程；智能化的自动化朝深度，不仅包含物料流的自动化，而且还包括信息流的自动化。

决策图2是CIMS的模型。决策层是企业的领导机构，通过管理信息系统掌握扔连接各部门的信息。生产活动的信息源来自生产对象——产品的订货。根据用户对产品功能的要求，CAD(计算机辅助设计)系统提供有关产品的全部信息和数据。产品原始数据是企业生产活动初始的信息源，所以，智能化的CAD系统是CIMS的基础。CAPP(计算机辅助工艺过程设计)系统不仅要编制工艺规程，设计工夹量具，确定工时和工序费用，还要与CAM(计算机辅助制造)系统连接，为数控机床提供工艺数据，为生产计划、作业调度、质量管理和成本核算提供数据，井将诸如制造可能性和成本等信息反馈至CAD系统，生产计划与控制系统是全厂的生产指挥枢纽。为使生产有条不紊地进行，必须相应建立生产数据来集系统，以此构成一个能反映生产过程真实情况的信息反馈系统。

工艺基础FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。

FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。