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1、第二章 制造自动化技术,2-2、柔性制造系统技术(Flexible Manufacturing System),第二章,第一节 FMS概述,FMS产生的背景条件,一、随着经济的发展和消费水平的提高，人们更注重产品的不断更新和多样化，中小批量、多品种生产已成为机械制造业的一个重要特征；二、科学技术的迅猛发展推动了自动化程度和制造水平的提高。,FMS的产生过程,1950s，美国MIT诞生了第一台三坐标数控铣床以后，机电一体化及数控（NC）的概念出现了。机电一体化技术进一步发展，出现了计算机数控（CN）、计算机直接控制（又称群控）（DNC）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助设计（CAD）、成组技
2、术（GT）、计算机辅助工艺规程（CAPP）、工业机器人技术（ROBOT）等新技术。,FMS的产生过程,在这些新技术的基础上，为多品种、小批量生产的需要而兴起的柔性自动化制造技术得到了迅速的发展，作为这种技术具体应用的柔性制造系统（FMS）、柔性制造单元（FMC）和柔性制造自动线（FML）等柔性制造设备纷纷问世，其中柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）最具代表性。,FMS的产生过程,FMS的雏形源于美国MALROSE公司，该公司在1963年制造了世界上第一条多品种柴油机零件的数控生产线。FMS的概念由英国MOLIN公司最早正式提出，并在965年取得了
3、发明专利，1967年FMS正式形成。,FMS的发展状况,FMS是先进制造技术的一部分，在欧美、日本、俄罗斯有较大的发展；1985年世界各国已投入运行的FMS有500多套，88年近800套，90年超过1000套，目前约共有4000多套FMS在运行；我国是1984年开始研制FMS，1986年从日本引进第一套FMS。,FMS的主要特点：柔性和自动化,柔性，是指制造系统对系统内部及外部环境的一种适应能力，也是指制造系统能够适应产品变化的能力，可分为瞬时、短期和长期柔性三种。凡具备上述三种柔性特征之一的、具有物料或信息流的自动化制造系统都可以称为柔性自动化。,FMS的次要特点：,（1）设备利用率高，占地
4、面积小（2）减少直接劳动工人数（3）产品质量高而稳定（4）减少在制品库存量（5）投资高、风险大，开发周期长、管理水平要求高。,FMS的定义,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，FMS被定义为：“柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简称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。它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进行调整，适用于多品种、中小批量生产。”美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为：“使用计算机控制柔性工作站和集成物料运储装置来控制
5、并完成零件族某一系列工序的，或一系列工序的一种集成制造系统。”,FMS的组成,典型的FMS主要由以下三个子系统组成：（1）加工系统（2）运储系统（3）计算机控制系统,FMS的组成框图及功能特征,典型的柔性制造系统示意图1,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4,FMS的类型,配备互补机床的FMS配备可互相替换机床的FMS混合式FMS。,配备互补机床的FMS,这类FMS中，通过物料运储系统将数台NC机床连接起来，不同机床的工艺能力可以互补，工件通过安装站进入系统，然后在计算机控制下从一台机床到另一台机床，按顺序加工。工件通过
6、系统的路径是固定的。特点：非常经济，生产率较高，能充分发挥机床的性能。从系统的输入和输出的角度看，互补机床是串联环节，它减少了系统的可靠性，即当一台机床发生故障时，全系统将瘫痪。,配备可互相替换机床的FMS,系统中的机床可以互相代替，工件可被送到适合加工它的任一台加工中心上。计算机的存储器存有每台机床的工作情况，可以对机床分配加工零件、一台加工中心可以完成部分或全部加工工序。从系统的输出和输入看，它们是并联环节，因而增加了系统的可靠性，同时这种配置形式具有较大的柔性和较宽的工艺范围，可以达到较高的机床利用率。,混合式FMS,这类FMS是互补式FMS和替换式FMS的综合，即FMS中有一些机床按替
7、换式布置，而另一些机床按互补式安排，以发挥各自的优点。大多数FMS采用这种形式。,第二节、FMS的加工系统,加工系统在FMS中的作用:加工系统担任把原材料转化为最终产品的任务，是实际完成改变物性任务的执行系统.加工系统是FMS最基本的组成部分，也是FMS中耗资最多的部分，FMS的加工能力很大程度上是由它所包含的加工系统所决定的。,加工系统的要求,（l）工序集中（2）控制功能强、可扩展性好（3）高刚度、高精度、高速度（4）使用经济性好（5）操作性好、可靠性好、维修性好（6）具有自保护性和自维护性（7）对环境适应性与保护性好（8）其他如技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚，机床外形、颜色美观
8、且与系统协调。,加工设备选择的原则,设备应该是可靠的、自动化的、高效率的和高柔性的。选择时需考虑该FMS加工零件的尺寸范围、经济效益、零件工艺性、加工精度和材料。FMS上待加工的零件族决定着各加工设备（如加工中心）所需要的功率、加工尺寸范围和精度。此外，设备还会受物料运储系统连接问题限制。加工中心都具有刀具存储能力，采用斗笠式、鼓形和链形等各种形式的刀库。为满足柔性制造，通常加工中心具有一定的刀库容量。,加工系统中常用加工设备简介,加工中心（Machining Center，MC）是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。它的最大特点是工序集中和自动化程度高
9、，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。常见加工中心按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用（也称万能、五面体、复合）加工中心。,镗铣加工中心,是自身带有刀库和自动换刀装置（ATC）的一种多工序数控机床。工件经一次装夹后，能完成铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多种工序的加工，并且有多种选刀或换刀切能，从而使生产效率利自动化程度大大提高。,美国White Sundstrand公司生产的OMNIMIL80系列加工中心,第四节 FMS的
10、刀具管理系统,FMS的刀具管理系统的组成：刀具管理系统主要负责刀具的运输、存储和管理，适时地向加工单元提供所需的刀具，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或耐用度已耗尽的刀具，在保证正常生产的同时，最大程度地降低刀具的成本，刀具管理系统的功能和柔性程度直接影响到整个FMS的柔性和生产率。典型的FMS的刀具管理系统通常由刀库系统、刀具预调站、刀具装卸站、刀具交换装置以及管理控制刀具流的计算机组成。,刀具流的组成及运行过程,刀具交换加工中心的自动换刀,自动换刀装置自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储存量、刀库占地面积小以及安全可靠等基本要求。机械手是一种最常见的自动换刀装
11、置，因为它灵活性大、换刀时间短。,常用换刀机械手,常用双臂式机械手的手爪结构形式有钩手、抱手、伸缩手和叉手四种。（见下页）这些机械手都能够完成抓刀、拔刀、回转、换刀以及返回等全部动作过程。有些加工中心为降低成本，不用机械手而是直接利用主轴头的运动机能换刀。,钩手式、抱手式、伸缩式、叉手式等四种机械手,加工中心机床自动换刀方式,l）顺序选刀方式将所需使用的刀具按加工顺序，依次放入刀库的每个刀座内。每次换刀时，刀座按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需的刀具。2）刀座编码方式对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中，然后根据刀座编码选取刀具。3）刀具编码方式采用特殊结构的
12、刀柄，并对每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置，根据数控系统发出的换刀指令代码，在刀库中寻找所需要的刀具。这种装刀换刀方便，刀库容量减小，还可避免因刀具顺序的差错所造成的事故。,加工中心的刀库有转塔式、链式和盘式等基本类型。,转塔式刀库：所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量有限，通常为68把。扩展性好、在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。一般仅用于轻便简单机型，常见于车削中心和钻削中心。,加工中心的刀库有转塔式、链式和盘式等基本类型。,链式刀库：储存的刀具数量多，选刀、取刀动作简便，大型刀库通常采用此种方式，一般刀具数在30120把。当增加链条长度时就可增加刀具数，刀库结构有较
13、大的灵活性。,链式刀库示例,加工中心的刀库有转塔式、链式和盘式等基本类型。,盘式刀库：又称斗笠式刀库，这种刀库中的刀具沿盘面垂直排列、沿盘面径向排列或成锐角排列，刀库结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间的利用率低，如增加刀库容量必须使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增大，选刀运动时间长。刀具数量一般不多于32把。,盘式刀库示例,三、刀具的监控和信息管理,刀具的监控：主要是为了及时了解每时每刻在使用的大量刀具因磨损、破损而发生的性质变化。主要从刀具寿命、刀具磨损、刀具破损以及其他形式的刀具故障等方面进行。加工系统的刀具监控分加工前、加工中、加工后三个时间段。加工前和加工后的监控通常采用
14、离线直接测量法，加工中的监控主要采用在线间接测量法，因而要求检测方法快速、准确、稳定、可靠。,不同时间段的刀具监控方法,刀具磨损的监测方法,刀具破损的主要监测方法,刀具的信息管理,FMS中的刀具信息可以分为动态信息和静态信息两个部分。所谓动态信息是指在使用过程中不断变化的一些刀具参数，如刀具寿命、工作直径、工作长度以及参与切削加工的其它几何参数。这些信息随加工过程的延续，不断发生变化，直接反映了刀具使用时间的长短、磨损量的大小、对工件加工精度和表面质量的影响。而静态信息是一些加工过程中固定不变的信息，如刀具的编码、类型、属性、几何形状以及一些结构参数等。为便于刀具信息的输入、检索、修改和输出控
15、制，FMS以数据库形式对刀具信息进行集中的管理，其数据库模式通常采用四层次式结构。,FMS的刀具数据库层次结构,第五节、FMS的控制系统,控制系统的结构：通常采用递阶控制的结构形式，即通过对系统的控制功能进行正确、合理地分解，划分成若干层次，各层次分别进行独立处理，完成各自的功能，层与层之间在网络和数据库的支持下，保持信息交换，上层向下层发送命令，下层向上层回送命令的执行结果。通过信息联系，构成完整的系统，以减少全局控制的难度和控制软件开发的难度。FMS的递阶控制结构一般采用三层：,控制系统的特点,在上述三级递阶控制结构中，每层的信息流都是双向流动的：向下可下达控制指令，分配控制任务，监控下层
16、的作业过程；向上可反馈控制状态，报告现场生产数据。在控制的实时性和处理信息量方面，各层控制计算机是有所区别的：愈往底层，其控制的实时性要求愈高，而处理的信息量则愈小；愈到上层，其处理信息量愈大，而对实时性要求则愈小。,控制系统的任务中央管理计算机,负责全面的管理工作和支持FMS按计划的调度和控制（1）控制系统方面主要用来向下层实时地发送控制命令和分配数据。（2）监控系统方面主要用来实时采集现场工况，把收集的信息看作系统的反馈信号，以它们为基础作出决策，控制被监控的过程。（3）监测系统方面主要用来观察系统的运行情况，将所收到的信息登录备用，计算机将利用这些信息定期打印报告，供决策系统检索。,控制
17、系统的任务工作站层计算机,这层计算机主要是协调各种设备的操作。它需要作出如下的决策：零件的工艺路线；物料的运送；程序和命令的分配；刀具的管理；对异常事件的反应等。,控制系统的任务设备层计算机,该层计算机的任务是执行各种操作。系统中的主要设备是由CNC系统控制的，只要下达的程序和命令没有差错，所有设备都能按照指令完成规定的操作。这一级控制系统要完成的主要操作任务有：接收程序和命令；接受调度命令，运输物料；各类工作站设备按程序执行操作；为下一步操作准备刀夹具或更换已磨损的刀具；传感器信息采样，部分采样信息作为CNC系统的反馈信息，其它送往上层计算机。,第六节、FMS的应用实例,一、FMS的引进计划
18、通常研制和开发FMS多以用户（使用厂家）的“FMS设备计划书”为基础，根据用户的加工对象、加工技术与技巧、生产能力、生产计划等，由用户与供应商或制造厂家（大多为设计、制造FMS有丰富经验和大量实绩的机床厂）的工程技术人员一起共同承担与实施。,制定FMS引进计划的步骤,实施FMS的过程中应注意的问题（1）实施FMS的基本原则,l）应与企业的经营计划和发展方向挂钩，做到目标明确、资金落实。2）具体地、仔细地分析企业的技术力量和需求，做到技术落实。3）分析引进设备后对生产管理方面的影响，做到组织落实。4）制定与设备引进相关的人才培训计划，做到人员落实。,（2）加工对象的选择与分析选择FMS的加工对象
19、时应考虑如下因素：,1）多品种、中小批量、形状类似的工件（降低成本）。2）总附加价值高的工件（提高质量、缩短交货期、有可观的利润）。3）被切削性好、切屑处理容易、加工任务稳定的工件（易于无人值守自动加工）。4）加工部位的形状和切削条件稳定的工件（易于数控加工）。5）加工工序可大幅度集约的工件（缩短产品开发、研制周期，适合数控加工）。,（3）实施方法实施方法可采用外购、用户与制造厂家共同研制开发、用户自行开发三种方式。不管采用哪一种方式，应首先考虑用户现有设备、现有技术和特长的应用与发展。（4）设备投资费用的预算FMS投资费较高，在技术上选用适合于用户的最佳系统的同时，还须在经济上对系统设备投资
20、进行核算，筛选出对企业经营最合适的系统。（5）系统的扩展性由于很多不可预测的因素，如生产计划的变动、加工对象种类的增加等，实施时应充分考虑系统的可扩展性。,FMS的运行-（l）准备阶段,1）设备安装与系统调试的准备。2）工件毛坯的准备。3）工装夹具的准备。4）刀具的准备。5）数控加工程序的准备。6）系统操作实习。,FMS的运行-（2）系统调试与运行初期,1）严格把关，反复测试，确保系统及系统中所有设备的软、硬件性能均满足设计要求。2）在系统运行初期，应仔细观察、认真分析，找出系统的各种异常现象和原因，采取必要的改进措施，提高系统的稳定性。3）制定相应的管理制度和使用规程，以强化操作人员的责任心，方便管理，防止事故。4）总结经验，探求系统的最佳使用方法，提高系统应用水平。,FMS在航空发动机行业的应用实例,
