柔性制造系统技术

5.4 柔性制造系统技术

20世纪60年代以前，刚性自动化生产系统或生产线已有长足的进步，对于大批量生产具有效率高、成本低、质量好、程序固定等优点，对生产水平的提高起到了很大的作用。然而，面对日益增长的用户需求多样化、个性化的市场，这种刚性系统越来越暴露出其内在缺陷，即产品转产或换型后原生产工艺装备改造费用大，周期长，调整困难甚至无法调整。在市场牵引和技术推动下，20世纪60年代中期就出现了柔性制造的新理念和新模式，1967年英国莫林公司率先推出著名的“莫林系统-24”(Molins System-24)柔性制造系统。

5.4.1 概述

柔性制造(Flexible Manufacturing ，FM) 是指用可编程、多功能的数字控制设备更换刚性自动化设备；用易编程、易修改、易扩展、易更换的软件控制代替刚性联结的工序过程，使刚性生产线实现柔性化，以快速响应市场的需求，多快好省地完成多品种、中小批量的生产任务。

需要特别指出的是柔性制造中的柔性具有多种涵义，除了加工柔性外，还包含设备柔性、工艺柔性、产品柔性、流程柔性、批量柔性、扩展柔性和生产柔性。 柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell ，FMC) 是由一台或几台设备组成，在毛坯和工具储量保证的情况下，具有部分自动传送和监控管理功能，并具有一定的生产调度能力的独立的自动加工单元。高档的FMC 可进行24小时无人运转。FMC 工件和物料装卸的方式：数控机床配上机械手，由机械手完成工件和物料的装卸；加工中心配上托盘交换系统，将加工工件装夹在托盘上，通过拖动托盘，可以实现加工工件的流水线式加工作业。

柔性制造系统(Flexible Manufacture System) 将FMC 进行扩展，增加必要的加工中心数量，配备完善的物料和刀具运送管理系统，并通过一套中央控制系统，管理生产进度，对物料搬运和机床群的加工过程实行综合控制，就可以构成一个完善的FMS 。 FMS 的基本构成框架，如图5-24所示。

计算机控制与管理

控制与管理系统

图5-24 FMS 的基本构成

FMS 由控制与管理、加工、物流等三个子系统构成：

1）控制与管理系统可以实现在线数据的采集和处理、运行仿真和故障诊断等功能。 2）加工系统能实现自动加工多种工件、更换工件和刀具及工件的清洗和测试。

3）物流系统由工件流和刀具流组成，能满足变节拍生产的物料自动识别、存储、输送和交换的要求，并实现刀具的预调和管理等功能。

这三个子系统有机地结合，构成了FMS的能量流、物料流和信息流。

自动流水线作业的物流设备和加工工艺相对固定，只能加工一个或相似的几个品种的零件，缺少灵活性，所以也称为固定自动化或刚性自动化，适用于大批量、少品种的生产。单台数控机床的加工灵活性好，但相对于自动流水线来说生产效率低，制造成本高，适用于小批量、多品种生产。柔性制造单元或柔性制造系统，综合了自动流水线和单台数控机床各自的优点，将几台NC与物料输送设备、刀具库等通过一个中央控制单元联接起来，形成既具有一定柔性又具有一定连续作业能力的加工系统，适用于中等批量、中等品种生产。

5.4.2 FMS的加工系统

1．加工系统的构成

FMS中的加工系统是实际完成加工任务，将工件从原材料转变为产品的执行装置。它主要由数控机床、加工中心等加工设备构成，带有工件清洗、在线检测等辅助设备。目前FMS 的加工对象主要有棱柱体和回转体两类。

（1）加工棱柱体类工件由立、卧式加工中心，数控组合机床和托盘交换器组成。

（2）加工回转体类工件由数控车床、切削中心、数控组合机床和上、下料机械手或机器人及棒料输送装置等构成。

2．加工系统的配置

一般来说，为了适应不同的加工要求，增加FMS的适应性，FMS最少应配备4～6台以上的数控加工设备。

（1）配置原则主要有以下几条：

1）配多功能数控机床、加工中心等，以便集中工序，减少工位数和物流负担，保证加工质量。

2）选用模块化结构，外部通信功能和内部管理功能强，内装可编程控制器含有用户宏程序的数控系统，以容易连接上下料、检测等辅助设备并增加各种辅助功能等，保证控制功能强、可扩展性好。

3）选用切削功能强，加工质量稳定，生产效率高的机床，采用高刚度，高精度，高速度的切削加工。

4）节能降耗，导轨油可回收，排屑处理快速彻底以延长刀具使用寿命等，节省系统运行费用，经济性好。

5）操作性好、可靠性好、维修性好，具有自保护和自维护性。能设定切削力过载保护、功率过载保护、运行行程和工作区域限制等，具有故障诊断和预警等功能。

6）对环境适应性与保护性好。对工作环境的温度、湿度、噪声、粉尘等要求不高，各种密封件性能可靠无泄漏，切削液不外溅，能及时排除烟雾、异味。噪声振动小，能保护良好的工作环境。

（2）配置方式有并联、串联、混合三种。

5.4.3 FMS中的物流管理

1．工件流支持系统

工件在柔性制造系统中的流动，是输送和存储两种功能的结合，包括夹具系统、工件输送系统、自动化仓库及工件装卸工作站。

（1）夹具系统在柔性制造系统中加工对象多为小批量多品种的产品，采用专用夹具会降低系统的柔性。因此，多采用组合夹具、可调整夹具、数控夹具或托盘等装夹方式。

（2）工件输送系统工件输送系统决定FMS的布局和运行方式，一般有直线输送、机器人输送、环型输送等方式。

（3）自动化仓库 FMS中输送线本身的储存能力一般较小，当须加工的工件较多时，大多设立自动化仓库。可细分成两种。

1）平面自动化仓库主要应用于大型工件的存储。

2）立体自动化仓库是通过计算机和控制系统将搬运、存取、储存等功能集于一体的新型自

动化仓库。

自动化仓储系统，如图5-25所示。

根据不同的立体仓库使用要求，配置多种形式堆垛机，如图5-26所示。

（4）工件装卸工作站主要有毛坯入库工作站和成品出库工作站两种。

1）入库工作站位于FMS物料输入的开始部位。

2）出库工作站位于FMS的物料输出部分。

图5-25 自动化仓储系统图5-26 堆垛机 2．刀具流支持系统

主要由中央刀具库、刀具室、刀具装卸站、刀具交换装置及刀具管理系统几部分组成。FMS刀具流支持系统，如图5-27所示。