[科普中國]-柔性制造系統(tǒng)

發(fā)展歷程

1967年，英國莫林斯公司首次根據(jù)威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系統(tǒng)24”。其主要設(shè)備是六臺模塊化結(jié)構(gòu)的多工序數(shù)控機(jī)床，目標(biāo)是在無人看管條件下，實現(xiàn)晝夜24小時連續(xù)加工，但最終由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的困難而未全部建成。

1967年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成Omniline I系統(tǒng)，它由八臺加工中心和兩臺多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機(jī)床間傳送和進(jìn)行加工。這種柔性自動化設(shè)備適于少品種、大批量生產(chǎn)中使用，在形式上與傳統(tǒng)的自動生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動線。日本、前蘇聯(lián)、德國等也都先后開展了FMS的研制工作。

1976年，日本發(fā)那科公司展出了由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(簡稱FMC)，為發(fā)展FMS提供了重要的設(shè)備形式。柔性制造單元(FMC)一般由12臺數(shù)控機(jī)床與物料傳送裝置組成，有獨立的工件儲存站和單元控制系統(tǒng)，能在機(jī)床上自動裝卸工件，甚至自動檢測工件，可實現(xiàn)有限工序的連續(xù)生產(chǎn)，適于多品種小批量生產(chǎn)應(yīng)用。

隨著時間的推移，F(xiàn)MS在技術(shù)上和數(shù)量上都有較大發(fā)展，實用階段，以由3－5臺設(shè)備組成的FMS為最多，但也有規(guī)模更龐大的系統(tǒng)投入使用。

1982年，日本發(fā)那科公司建成自動化電機(jī)加工車間，由60個柔性制造單元（包括50個工業(yè)機(jī)器人）和一個立體倉庫組成，另有兩臺自動引導(dǎo)臺車傳送毛坯和工件，此外還有一個無人化電機(jī)裝配車間，它們都能連續(xù)24小時運轉(zhuǎn)。

這種自動化和無人化車間，是向?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)集成的自動化工廠邁出的重要一步。與此同時，還出現(xiàn)了若干僅具有FMS基本特征，但自動化程度不很完善的經(jīng)濟(jì)型FMS，使FMS的設(shè)計思想和技術(shù)成就得到普及應(yīng)用。1

系統(tǒng)組成加工設(shè)備加工設(shè)備主要采用加工中心和數(shù)控車床，前者用于加工箱體類和板類零件，后者則用于加工軸類和盤類零件。中、大批量少品種生產(chǎn)中所用的FMS，常采用可更換主軸箱的加工中心，以獲得更高的生產(chǎn)效率。

儲存和搬運儲存和搬運系統(tǒng)搬運的的物料有毛坯、工件、刀具、夾具、檢具和切屑等；儲存物料的方法有平面布置的托盤庫，也有儲存量較大的桁道式立體倉庫。

毛坯一般先由工人裝入托盤上的夾具中，并儲存在自動倉庫中的特定區(qū)域內(nèi)，然后由自動搬運系統(tǒng)根據(jù)物料管理計算機(jī)的指令送到指定的工位。固定軌道式臺車和傳送滾道適用于按工藝順序排列設(shè)備的FMS，自動引導(dǎo)臺車搬送物料的順序則與設(shè)備排列位置無關(guān)，具有較大靈活性。

工業(yè)機(jī)器人可在有限的范圍內(nèi)為1－4臺機(jī)床輸送和裝卸工件，對于較大的工件常利用托盤自動交換裝置(簡稱APC)來傳送，也可采用在軌道上行走的機(jī)器人，同時完成工件的傳送和裝卸。

磨損了的刀具可以逐個從刀庫中取出更換，也可由備用的子刀庫取代裝滿待換刀具的刀庫。車床卡盤的卡爪、特種夾具和專用加工中心的主軸箱也可以自動更換。切屑運送和處理系統(tǒng)是保證 FMS連續(xù)正常工作的必要條件，一般根據(jù)切屑的形狀、排除量和處理要求來選擇經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)方案。

信息控制FMS信息控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成形式很多，但一般多采用群控方式的遞階系統(tǒng)。第一級為各個工藝設(shè)備的計算機(jī)數(shù)控裝置(CNC)，實現(xiàn)各加工過程的控制；第二級為群控計算機(jī)，負(fù)責(zé)把來自第三級計算機(jī)的生產(chǎn)計劃和數(shù)控指令等信息，分配給第一級中有關(guān)設(shè)備的數(shù)控裝置，同時把它們的運轉(zhuǎn)狀況信息上報給上級計算機(jī)；第三級是FMS的主計算機(jī)(控制計算機(jī))，其功能是制訂生產(chǎn)作業(yè)計劃，實施FMS運行狀態(tài)的管理，及各種數(shù)據(jù)的管理；第四級是全廠的管理計算機(jī)。

性能完善的軟件是實現(xiàn)FMS功能的基礎(chǔ)，除支持計算機(jī)工作的系統(tǒng)軟件外，數(shù)量更多的是根據(jù)使用要求和用戶經(jīng)驗所發(fā)展的專門應(yīng)用軟件，大體上包括控制軟件(控制機(jī)床、物料儲運系統(tǒng)、檢驗裝置和監(jiān)視系統(tǒng))、計劃管理軟件(調(diào)度管理、質(zhì)量管理、庫存管理、工裝管理等)和數(shù)據(jù)管理軟件(仿真、檢索和各種數(shù)據(jù)庫)等。

為保證FMS的連續(xù)自動運轉(zhuǎn)，須對刀具和切削過程進(jìn)行監(jiān)視，可能采用的方法有：測量機(jī)床主軸電機(jī)輸出的電流功率，或主軸的扭矩；利用傳感器拾取刀具破裂的信號；利用接觸測頭直接測量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的變化；累積計算刀具的切削時間以進(jìn)行刀具壽命管理。此外，還可利用接觸測頭來測量機(jī)床熱變形和工件安裝誤差，并據(jù)此對其進(jìn)行補(bǔ)償。

系統(tǒng)類型柔性制造是指在計算機(jī)支持下，能適應(yīng)加工對象變化的制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)有以下三種類型：

柔性制造單元柔性制造單元由一臺或數(shù)臺數(shù)控機(jī)床或加工中心構(gòu)成的加工單元。該單元根據(jù)需要可以自動更換刀具和夾具，加工不同的工件。柔性制造單元適合加工形狀復(fù)雜，加工工序簡單，加工工時較長，批量小的零件。它有較大的設(shè)備柔性，但人員和加工柔性低。

柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)是以數(shù)控機(jī)床或加工中心為基礎(chǔ)，配以物料傳送裝置組成的生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電子計算機(jī)實現(xiàn)自動控制，能在不停機(jī)的情況下，滿足多品種的加工。柔性制造系統(tǒng)適合加工形狀復(fù)雜，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料傳送柔性大，但人員柔性仍然較低。

柔性自動生產(chǎn)線柔性自動生產(chǎn)線是把多臺可以調(diào)整的機(jī)床(多為專用機(jī)床)聯(lián)結(jié)起來，配以自動運送裝置組成的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線可以加工批量較大的不同規(guī)格零件。柔性程度低的柔性自動生產(chǎn)線，在性能上接近大批量生產(chǎn)用的自動生產(chǎn)線；柔性程度高的柔性自動生產(chǎn)線，則接近于小批量、多品種生產(chǎn)用的柔性制造系統(tǒng)。

系統(tǒng)優(yōu)點柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)點 ：

柔性制造系統(tǒng)是一種技術(shù)復(fù)雜、高度自動化的系統(tǒng)，它將微電子學(xué)、計算機(jī)和系統(tǒng)工程等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，理想和圓滿地解決了機(jī)械制造高自動化與高柔性化之間的矛盾。具體優(yōu)點如下。

1、設(shè)備利用率高。一組機(jī)床編入柔性制造系統(tǒng)后，產(chǎn)量比這組機(jī)床在分散單機(jī)作業(yè)時的產(chǎn)量提高數(shù)倍。

2、在制品減少80%左右。

3、生產(chǎn)能力相對穩(wěn)定。自動加工系統(tǒng)由一臺或多臺機(jī)床組成，發(fā)生故障時，有降級運轉(zhuǎn)的能力，物料傳送系統(tǒng)也有自行繞過故障機(jī)床的能力。

4、產(chǎn)品質(zhì)量高。零件在加工過程中，裝卸一次完成，加工精度高，加工形式穩(wěn)定。

5、運行靈活。有些柔性制造系統(tǒng)的檢驗、裝卡和維護(hù)工作可在第一班完成，第二、第三班可在無人照看下正常生產(chǎn)。在理想的柔性制造系統(tǒng)中，其監(jiān)控系統(tǒng)還能處理諸如刀具的磨損調(diào)換、物流的堵塞疏通等運行過程中不可預(yù)料的問題。

6、產(chǎn)品應(yīng)變能力大。刀具、夾具及物料運輸裝置具有可調(diào)性，且系統(tǒng)平面布置合理，便于增減設(shè)備，滿足市場需要。

7、經(jīng)濟(jì)效果顯著。采用FMS的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果是：能按裝配作業(yè)配套需要，及時安排所需零件的加工，實現(xiàn)及時生產(chǎn)，從而減少毛坯和在制品的庫存量，及相應(yīng)的流動資金占用量，縮短生產(chǎn)周期；提高設(shè)備的利用率，減少設(shè)備數(shù)量和廠房面積；減少直接勞動力，在少人看管條件下可實現(xiàn)晝夜24小時的連續(xù)“無人化生產(chǎn)”；提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

發(fā)展趨勢柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢大致有兩個方面。2一方面是與計算機(jī)輔助設(shè)計扣輔助制造系統(tǒng)相結(jié)合，利用原有產(chǎn)品系列的典型工藝資料，組合設(shè)計不同模塊，構(gòu)成各種不同形式的具有物料流和信息流的模塊化柔性系統(tǒng)。另一方面是實現(xiàn)從產(chǎn)品決策、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)到銷售的整個生產(chǎn)過程自動化，特別是管理層次自動化的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)。在這個大系統(tǒng)中，柔性制造系統(tǒng)只是它的一個組成部分。

模塊化的柔性制造系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)工作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，可將其主要組成部分標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。加工件的輸送模塊，有感應(yīng)線導(dǎo)軌小車輸送和有軌小車輸送；刀具的輸送和調(diào)換模塊，有刀具交換機(jī)器人和與工件共用輸送小車的刀盒輸送方式等。利用不同的模塊組合，構(gòu)成不同形式的具有物料流和信息流的柔性制造系統(tǒng)，自動地完成不同要求的全部加工過程。圖1是典型模塊化柔性制造系統(tǒng)特征圖。由圖1可見，刀具的供給方式、工件的輸送存儲和交換方式，是影響系統(tǒng)復(fù)雜程度的最大因素。

計算機(jī)集成制造系統(tǒng)從1870－1970年的100年中，加工過程的效率提高了2000%，而生產(chǎn)管理的效率只提高了80%，產(chǎn)品設(shè)計的效率僅提高了20%左右。顯然，后兩種的效率已成為進(jìn)一步發(fā)展生產(chǎn)的制約因素。因此，制造技術(shù)的發(fā)展就不能局限在車間制造過程的自動化，而要全面實現(xiàn)從生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計到銷售的整個生產(chǎn)過程的自動化，特別是管理層次工作的自動化。這樣集成的一個完整的生產(chǎn)系統(tǒng)就是計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。

CIMS的主要特征是集成化與智能化。集成化即自動化的廣度，它把系統(tǒng)的空間擴(kuò)展到市場、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、檢驗、銷售和為用戶服務(wù)等全部過程；智能化的自動化朝深度，不僅包含物料流的自動化，而且還包括信息流的自動化。

決策圖2是CIMS的模型。決策層是企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，通過管理信息系統(tǒng)掌握扔連接各部門的信息。生產(chǎn)活動的信息源來自生產(chǎn)對象——產(chǎn)品的訂貨。根據(jù)用戶對產(chǎn)品功能的要求，CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)系統(tǒng)提供有關(guān)產(chǎn)品的全部信息和數(shù)據(jù)。產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)是企業(yè)生產(chǎn)活動初始的信息源，所以，智能化的CAD系統(tǒng)是CIMS的基礎(chǔ)。CAPP(計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計)系統(tǒng)不僅要編制工藝規(guī)程，設(shè)計工夾量具，確定工時和工序費用，還要與CAM(計算機(jī)輔助制造)系統(tǒng)連接，為數(shù)控機(jī)床提供工藝數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)計劃、作業(yè)調(diào)度、質(zhì)量管理和成本核算提供數(shù)據(jù)，井將諸如制造可能性和成本等信息反饋至CAD系統(tǒng)，生產(chǎn)計劃與控制系統(tǒng)是全廠的生產(chǎn)指揮樞紐。為使生產(chǎn)有條不紊地進(jìn)行，必須相應(yīng)建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)來集系統(tǒng)，以此構(gòu)成一個能反映生產(chǎn)過程真實情況的信息反饋系統(tǒng)。

工藝基礎(chǔ)FMS的工藝基礎(chǔ)是成組技術(shù)，它按照成組的加工對象確定工藝過程，選擇相適應(yīng)的數(shù)控加工設(shè)備和工件、工具等物料的儲運系統(tǒng)，并由計算機(jī)進(jìn)行控制，故能自動調(diào)整并實現(xiàn)一定范圍內(nèi)多種工件的成批高效生產(chǎn)(即具有“柔性”)，并能及時地改變產(chǎn)品以滿足市場需求。

FMS兼有加工制造和部分生產(chǎn)管理兩種功能，因此能綜合地提高生產(chǎn)效益。FMS的工藝范圍正在不斷擴(kuò)大，可以包括毛坯制造、機(jī)械加工、裝配和質(zhì)量檢驗等。投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于沖壓和焊接的。