柔性制造系统:自动化制造整链-中文百科频道

定义

在成组技术的基础上，以多台(种)数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。

解释

简称FMS，是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。

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。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。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。

没有固定加工顺序和生产节拍，适应多品种小批量生产的机械制造系统。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，选择相适应的数控机床或工件、工具等物料储运系统。柔性制造系统以计算机为核心进行系统管理，用无人搬运车进行工件传送，用数控技术实现自动化加工，用机器人进行自动装卸，并具有监视切削状态和精度、诊断和复原等功能，还能在一定范围内完成一种零件加工到另一种零件加工的自动转换。

发展概况

20世纪50年代，为了提高生产率，适用于大批量生产的组合机床和刚性自动线等专用设备得到很大发展。60年代，随着小批量高精度加工产品的不断增加，数控机床和加工中心进入了鼎盛时期。从70年代起，中小批量多品种的生产成为制造工业的生产特征。随着科学技术的发展和产品更新换代速度的加快，中小批量产品的比例还有进一步增大的趋势。这种情况迫使人们研制以适应中小批量多品种生产为主要目标的柔性制造系统。

1963年美国研制成加工多种柴油机零件的数控自动线。

1967年英国莫林公司首次提出完整的柔性制造系统的概念，并介绍了Molin-24系统的构想。随后苏联、日本、联邦德国都相继研究出这类系统，如苏联于1983年公布了加工轴类零件的柔性制造系统ГАСС和“设计制造综合自动化”系统КАΠΡИ。

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。

同年，美国的怀特·森斯特兰公司建成Online1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、德国等也都在60年代末至70年代初，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1～2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。

70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期已进入实用阶段，其中以由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。

组成部分

系统的组成

(1)中央管理和控制计算机

(2)物流控制装置

(3)自动化仓库

(4)无人输送台

(5)制造单元

(6)中央刀具库

(7)夹具站

(8)信息传输网络

(9)随行工作台

系统的功能

1)以成组技术为核心的对零件分析编组的功能。

2)以微型计算机为核心的编排作业计划的智能功能。

3)以加工中心为核心,自动换刀、换工件的加工功能。

4)以托盘和运输系统为核心的工件存放与运输功能。

5)以各种自动检测装置为核心的自动测量、定位与保护功能。

多工位数控加工系统　

传统的数控系统的功能基本上靠固定的逻辑线路来实现，如需要扩充或改变功能则必须更改硬件逻辑，灵活性较差。柔性制造系统采用计算机控制的加工中心，这种数控装置适应性强，能在硬件基本不变的情况下，通过修改软件来改变或扩充其功能。加工中心一般都具有换刀装置，工件一次装夹后能连续地完成钻、镗、铣、铰、锪等多种工序加工。如果用多台加工中心组成柔性制造系统，便可以任意顺序自动完成多种工件的多工位加工。

自动化物料流输送系统　

它包括存储、输送和搬运三个子系统，其功能为：

自动地以任意顺序存取工件和刀具；

自动地按可变的自由节拍完成柔性制造系统中各个生产装置的连接；

自动地实现输送装置和加工设备之间的连接。

柔性制造系统中的工件输送系统与其他制造系统中的工件输送系统有很大区别，它不是按固定节拍将工件从某一工位输送到下一工位，而是既不按固定节拍又不按固定顺序输送工件，甚至有时是将几种工件混杂在一起输送。在这种系统中一般都设置储料库，以调节各个工位上所需加工时间的差异。工件输送系统有直线输送、环形输送和闭环输送三种基本类型：

①直线输送：输送装置沿机床一边布置，或从两排机床中间通过。输送工具可以是各种类型的传送带和运送小车，主要用于顺序传送。这种输送装置本身的存储容量很小，常需设置中间储料库。

②环形输送：机床布置在环形输送线的外侧。输送工具除有各种类型的滚子传送带和运送小车外，还有架空单轨悬吊式输送器。在封闭环形输送线中常设置若干支路，作为储存工件和改变输送线路之用，便于实现随机传送,具有较大的灵活性。

③闭环输送:整个传送带由许多随行夹具和托板组成，借助托板上的编码器能自动识别地址，从而可以任意编排工件的传送顺序。除这三种基本方式外，还有工业机器人，它主要用于中等尺寸的零件输送和搬运。

计算机信息流控制系统　

信息流控制系统的主要设备为计算机，与直接数控系统相似，通常具有A、B两级或A、B、C三级计算机分级控制的结构形式。

在A级中安排有大型通用计算机，并包含有零件自动编程系统，其主要职能是：将应用某种编程语言编写的零件源程序处理成加工目的程序；完成管理控制，如分析原材料价格、记录生产历史资料、编制管理报告、综合市场信息、核算经济指标等。

在B级中安排有中小型通用计算机，其主要职能是：将来自A级计算机的数据分发到各台数控或计算机数控装置和输送装置上去，并协调其工作，同时还对每台机床进行生产状态分析和判断，并根据情况发出修改控制参数的指令。

在C级中安排有小型计算机、微型机或专用数控装置，其主要职能是：执行来自上一级计算机的命令，直接控制机床加工，收集并处理检测数据，向上级计算机反映各台机床的生产状态。

工艺说明

典型的柔性制造系统由数字控制加工设备、物料储运系统和信息控制系统组成。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。

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)，实现各的口工过程的控制；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。

柔性制造系统按机床与搬运系统的相互关系可分为直线型、循环型、网络型和单元型。加工工件品种少、柔性要求小的制造系统多采用直线布局，虽然加工顺序不能改变，但管理容易；单元型具有较大柔性，易于扩展，但调度作业的程序设计比较复杂。

关键技术

在进行柔性制造系统的设计、规划时,主要涉及以下几个关键技术，包括：

1.柔性制造系统的监控和管理系统。

2.柔性制造系统的物流系统。

3.柔性制造系统的刀具管理系统。

4.柔性制造系统的通信。

5.柔性制造系统的辅助系统FMS的辅助系统包括清洗工作站、切削液自动排放和集中回收处理及集中供液、气等设施组成。

制造方法

细胞生产方式

与传统的大批量生产方式比较，细胞生产方式有两个特点：一个是规模小（生产线短，操作人员少），另一个是标准化之后的小生产细胞可以简单复制。

由于这两个特点，细胞生产方式能够实现：

（1）简单应对产量的变化，通过复制一个或一个以上的细胞就能够满足细胞生产能力整数倍的生产需求；

（2）减少场地占用，细胞是可以进行简单复制的（细胞生产线可以在一天内搭建完成），因此不需要的时候，可以简单拆除，节省场地；

（3）每一个细胞的作业人数少，降低了平衡工位间作业时间的难度，工位间作业时间差异小，生产效率高；

（4）通过合理组合员工，即由能力相当的员工组合成细胞，可以充分发挥员工最高的作业能力水平。如果能够根据每一个细胞的产能给予员工相应的奖励，还有利于促成细胞间的良性竞争。

一人生产方式

我们看到过这样的情形，某产品的装配时间总共不足10分钟，但是它还是被安排在一条数十米长的流水线上，而装配工作则由线上的数十人来完成，每个人的作业时间不过10、20秒。针对这样一些作业时间相对较短、产量不大的产品，如果能够打破常规（流水线生产），改由每一个员工单独完成整个产品装配任务的话，我们将获得意想不到的效果。同时，由于工作绩效（品质、效率、成本）与员工个人直接相关，一人生产方式除了具有细胞生产的优点之外，还能够大大地提高员工的品质意识、成本意识和竞争意识，促进员工成长。

一个流生产方式

一个流生产方式是这样实现的，即取消机器间的台车，并通过合理的工序安排和机器间滑板的设置让产品在机器间单个流动起来。它的好处是：

（1）极大地减少了中间产品库存，减少资金和场地的占用；

（2）消除机器间的无谓搬运，减少对搬运工具的依赖；

（3）当产品发生品质问题时，可以及时将信息反馈到前部，避免造成大量中间产品的报废。一个流生产方式不仅适用于机械加工，也适用于产品装配的过程。

柔性设备的利用

一种叫做柔性管的产品（有塑胶的也有金属的）开始受到青睐。从前，许多企业都会外购标准流水线用作生产，现在却逐步被自己拼装的简易柔性生产线取代。比较而言，柔性生产线首先可降低设备投资70-90%以上；设备安装不需要专业人员，一般员工即可快速地在一个周末完成安装；不需要时可以随时拆除，提高场地利用效率。

台车生产方式

我们经常看到一个产品在制造过程中，从一条线上转移到另一条线上，转移工具就是台车。着眼于搬动及转移过程中的损耗，有人提出了台车生产线，即在台车上完成所有的装配任务。

固定线和变动线方式

根据某产品产量的变动情况，设置两类生产线，一类是满足某一相对固定最的固定生产线，另一类是用来满足变动部分的变动生产线。通常，传统的生产设备被用作固定线，而柔性设备或细胞生产方式等被用作变动生产线。为了彻底降低成本，在日本变动线往往招用劳务公司派遣的零时工（Part-Time）来应对，不需要时可以随时退回。