柔性制造技术

二、FMS的适用范围
FMS是在市场竞争的新形势下诞生的制造系 统，与传统的制造系统比较，在品种和批量组成 的二维空间中．它占据了专用机床组成的制造系 统和通用机床组成的制造系统所处的中间 区 域．即图1.3所示的状态。以箱体类零件加工为例， 图1.3可以具体化为图1.4。生产纲领 为1万件以上 称为大批量生产，10件至1万件称为中小批量生 产。从图1.4可以看出，对于箱体类零件，FMS适 用于5~1000件的批量，能完成5至上百种零件的 加工。
(9)辅助设备。如切屑处理装置(图1.14)。
二、FMS的分类
以上简述了FMS定义、功能和结构，然而在实际生产 中，FMS却没有统一标徒的形态； 按FMS承担的制造任 务，可将FMS分成柔性零件加工系统、柔性装配系统、柔 性检测系统。通常讨论的FMS如果不作特别说明，就是指 柔性零件加工系统。 按机床与物科输送系统的组合方式，将柔性零件加工 系统分成： (1)FMC(柔性加工单元) FMC由主机、工具交换装置(ATC)、托盘交换装置 (APC)三部分组成，若备有较大的托盘缓冲站，FMC可以 实现长时间无人运转。FMC能承担由多种零件组成的混流 作业计划，这就是 它的“柔性”。FMC如图1.15所示。
(1)当产品变更时，制造系统的基本设备配置不 应变化； (2)按订单生产，在库的零部件和产品不能多； (3)能在很短时间内交货； (4)产品的质量高，而价格应低于大批量生产模 式下制造的产品； (5)面对劳动力市场高龄、高学历、高智商带来 的问wenku.baidu.com，制造系统应该具有很高的自动化 水平，并 能够在无人(或少人)的条件下长时间连续运行。 在 这 种 背 景 下 ， 柔 性 制 造 系 统 (Flexible Manufacturing System，Fms)诞生了。
(4)FTL(Flexible Transfer Line) FTL称为柔性自动线较为恰当，它也是柔性制造系统的 一种。如果用固定的输送方式和路径将若干台设备(其中也 包括数控机床)固联在一起，就成为柔性自动线；FTL常用 来作为大 批量生产的制造系统，其机床多采用专用的高效 机床，如多轴头机床、专用NC机床。 西班牙ETXE-TAK公司推出了连杆加工FTL，其平面布 局图如图1.17所示。图中，“o”是上料工位，“4”是下料工 位。在“1”工位，组合机床1R从夹具右侧复合镗削连杆小 头孔，组合机床1L从侧给连杆大头孔倒角。在“2”工位，组 合机床2R用复合刀具对连杆大、小头孔销孔和倒角。在“3” 工位，组合机床3R精镗大、小头孔。1R和1L是拥有4个主 轴的组合机床，2R和3R是8主轴组合机床，因此能同时加 工4根连杆(连杆平行地安装在夹具上)。
按稳定成熟的工艺顺序把具有很强自动化功能的 机床排列起来，用自动输送工件设备和辅助设备把 它们联成有机整体；在由电气柜、液压(或气动)装 置构成的控制设备的控制下，工件以严格的生产节 拍、按 预定工艺顺序“流”过每个工位，无需工人 直接参预，自动完成工件的装卸、输送、定位夹紧、 切 削加工、切屑排除、质量监测，这种制造系统就 是自动线。
(2)FMC(群) 一个FMC就是一个自动化制造孤岛。如果用自动输送装置把 几个FMC联接起来，或者用统一的生产调度计划把它们结合 起来，这就组成了FMC群。FMC群实质上是一个制造系统, 因为各FMC承担的制造任务是相互关联的。 (3)FMS(典型) 用自动输送装置将若干台以数控机床为主体的机械设备 (或FMC)有机地组合起来，使其 成为独立的制造系统，并用 计算机来控制整个系统的运行，这就是典型意义上的FMS。 组成 FMS的机械设备不仅有机床，还有测量机、清洗机等。 由于物料的输送方法和输送路径不同，使FMS呈现出多 姿多彩的形态。FMS的物流路径可以归纳成图1.16所示的基 本形式。确定FMS的物流路径时主要考虑设备的种类、数量 以及 厂房结构和大小，反过来一旦物流路径确定后，FMS的 布局和性能就基本定型。
图1．2所示FMS的主机是两台同型卧式加工中心和一 台立式加工中心。装卸站是毛坯、工件进入或离开FMS的 窗口，托盘缓冲站是存储毛坯、工件的临时仓库，把毛坯 送给加工中 心，把加工好的工件送出机床外的作业均由托 盘交换器承担，在装卸站、托盘缓冲站、托盘交换器之间 搬运毛坯和工件的工作由有轨自动小车(RGV)完成。加工 中心装备有盘形刀库，每台加工中心又附加了一个存储了 相当数量刀具的大容量刀库，机械手担负着大容量刀库与 盘形 刀库、盘形刀库与机床主轴之间交换刀具的职责。图 中所示的FMS管理系统实际上是控制整个FMS运行的计算 机系统的主体单元。
三、FMC与FMS的区别
应该强调的是，作为被广泛使用的名词术语，FMS并 没有权威的统一定义。产生这一现象的原因是因为FMS的 生产背景太复杂，面且还因为FMS发展很太快了，使欧美 国家与日本的学校和工厂对FMS的涵义不能也不可能取得 一致的认识。例如：在日本的工厂，一台机床组 成的系 统也校称为FMS；意大利制造厂商把两台加工中心、有轨 小车(RGV)、托盘缓冲站构成的系统也称为FMC。在学校 人们总要问个究竞：见比与贴到底有什么区别。 从广义上讲．FMC与典型风佃都属于柔性制造系统， 但深究一下它们之问的区别，可以归纳成为：
思考题
1.1 柔性制造系统(FMS)诞生的背景是什么? 1.2 试阐述“柔性”制造系统对“刚性”自动线的共同性和特 殊性。 1.3 筒要指出FMS的基本组成、主要功能、适用范围。
1.4 本书如何对贴分类?每种FMS有什么特点?
1.2 柔性制造系统的功能及适用范围
一、FMS的基本组成及主要功能
图1．2是FMS的一种布局图，从中可以看出： 一个制造系统包含三个基本组成部分： (1) 主机，即数控(NC)机床； (2) 物流系统，即毛坯、工件、刀具的存储、 输送、交换系统；（立体仓库视频） (3) 控制整个系统运行的计算机系统。 图1．2所示FMS的主机是两台同型卧式加工 中心和一台立式加工中心。装卸站是毛坯、
从图1．2还可以看到，常见的FMS具 有以下功能： (1)自动制造功能，在柔性制造系统中， 由数控机床这类设备承担制造任务； (2)自动交换工件和刀具的功能； (3)自动输送工件和刀具的功能； (4)自动保管毛坯、工件、半成品、工 夹具、模具的功能； (5)自动监视功能(即刀具磨损、破损 的监测)，自动补偿，自诊断等
(5) 交 换 装 置 。 如 托 盘 交 换 器 (Auto matic Pallet Changer，APC)、上科机器人等。图1.11所 示的加工单元， 由卧式加工中心和平行式APC组成。 (6)装卸站。毛坯安装到托盘上，工件从托盘上取下来， 这一过程通常由人在装卸站(因 1．12)完成。 (7)保管装置。如托盘缓冲站（平面仓库）、立体自动 仓库等。图1.13所示FMS的保管装置既有托盘缓冲站，又 有立体自动仓库。 (8)信息管理及控制装置。它由计算机 网络系统和FMS 管理与控制软件构成。管理 FMS的信息、控制FMS各设备 协调一致工作的 网络系统，可采取由中央计算机(公司级)、 主计算机(工厂级)、单元控制器(车间级)、CNC系统和 PLC(设备级)组成的多级分布式结构。 FMS的管理与控制 软件是一个庞大的计算机 软件系统，包括系统管理软件包、 工具管理软件包、工具室管理软件包、作业计划软件包、 统计管理软件包、系统故障诊断与维护软件包。
1.3柔性制造系统的结构与分类
一、FMS的结构 FMS的结构可用图1．5来描述
图中，垂直方向代表FMS的信息流动状况，水平方向 表物料流动状况。进一步讲，对机械制造厂而言，其FMS 由如下单元组合而成： (1)加工设备。有立式加工中心、卧式加工中心、五面 体加工中心、数控铣床、数控车床 等。图1.6所示FMS的 加工设备是4台六角头数控机床。 (2)装配设备。例如,由装配站和机器人组成的装配单 元。因1.7是彩色电视机组装线的一个装配单元。 (3)检调设备。有清洗机、三坐标调量机、田且用机器 人等。因1.8是拖拉机齿轮箱在线测量机器人。 (4)输送装置。有输送带、埃垛机、有轨小车(RGV)、 自动导向小车(AGV)等。图1.9所示的汽车轮壳刹车片果性 装配系统，采用淡子杨送带搬运工件；图1.10所示FMS中， 机器人乘坐AGV给数控车床交换工件。
第一章 柔性制造系统
制造过程中，当制造条件发生变化的时候，经 过培训拥有一定技能的人能够迅速调整自己 的状 态，完成预定的任务。作为制造系统的一个组成 部分，人具有很高的“柔性”。然而从经典 的意 义上讲，柔性制造技术并不指人的“柔性”，它 是与“刚性”制造自动化相对应提出来的新概 念， 是以数值控制、计算机、信息处理、精密机械等 技术为基础的先进制造技术。
(6)作业计划与调度。
柔性制造系统的上述功能，是在计算机 系统的控制下，协调一致地、连续地、有序 地实现的。制造系统运行所必须的作业计划 以及加工或装配信息，预先存放在计算机系 统中，根据作业计划，物流系统从仓库中调 出相应的毛坯、夹具，并将它们交换到对应 的机床上。在计算机系统的控制下，机床依 据已经传送来的程序，执行预定的制造任务。 柔性制造系统的“柔性”，就是计算机系统 赋予的，被加工的零件种类变更时只需变换 其“程序”，不必改动设备 。
(1)FMC是由单台(或少数几台)制造设备构成 的小系统，而FMS可以是由很多设备构成 的大系 统； (2)FMC只具有某一种制造功能，而典型FMS 应该有多种制造功能，例如加工、检测、装配等； (3)FMC是自动化制造孤岛，而典型FMS应该 与上位计算机系统联网并交换信息； (4)一个很小的FMS其功能也比复杂的FMC强 大得多。 柔性装配系统(Flexible Assembly System,FAS)也被看成FMS的一种。FAS的特点 完全由担 负装配作业的设备决定，常用的装配设 备有四类：自动装配机、装配机器人、装配中心、 焊接机器人。
某个(某几个)零件的成熟制造工艺 是设计一条 自动线的前提，为了提高生产效率和产品质量，自 动线还采用了功能和结构都有很强针对性的工艺装 备(刀具、夹具等)，因此一条自动线只能承担某个 (或几个)零件的制造任 务，从这层意义上来看，人 们又称自动线为“刚性”自动线。
第二次世界大战后，市场对商品的需求量远 远大于生产厂家的制造能力。自动线承担着 单一 品种大批量生产的任务，从自动线上源源不断地 “流”出了价廉物美的产品，极大地满足了 市场 的需求，使社会财富迅速积累起来。 20世纪70年代，先进工业国家在经济上取得 了显著发展，人们生活水平得到很大提高。 这些 成就反映在消费市场中，就是消费者对消费的多 样化要求，就是商品的生命周期变得很 短。以市 场经济为基础的现代制造业，因此面临着严峻的 挑战，制造厂商要想在激烈的市场竞 争中获利， 必须将单一品种大批量生产模式转变成多品种小 批量生产模式，并解决以下问 题：
1.1 从自动线到柔性制造系统
1947年，美国底特律福特汽车公司建成了机械 加工自动线，将机械制造自动化技术推向 新的发 展阶段。 图1.1是加工箱体类零件的组合机床自动线的 示意图，其中，组合机床1、2、3是加工设备 (主 机)，工件输送装置4、输送传动装置5、转位装置 6、转位鼓轮7等是工件自动输送设备，夹 具8、 切屑运输装置9等是辅助设备，液压站10、操作台 11等是控制设备。