柔性制造系統:自動化制造整鍊-中文百科頻道

定義

在成組技術的基礎上，以多台(種)數控機床或數組柔性制造單元為核心，通過自動化物流系統将其聯接，統一由主控計算機和相關軟件進行控制和管理，組成多品種變批量和混流方式生産的自動化制造系統。

解釋

簡稱FMS，是一組數控機床和其他自動化的工藝設備，由計算機信息控制系統和物料自動儲運系統有機結合的整體。柔性制造系統由加工、物流、信息流三個子系統組成。

FMS的工藝基礎是成組技術，它按照成組的加工對象确定工藝過程，選擇相适應的數控加工設備和工件、工具等物料的儲運系統，并由計算機進行控制，故能自動調整并實現一定範圍内多種工件的成批高效生産(即具有“柔性”)，并能及時地改變産品以滿足市場需求。

FMS兼有加工制造和部分生産管理兩種功能，因此能綜合地提高生産效益。FMS的工藝範圍正在不斷擴大，可以包括毛坯制造、機械加工、裝配和質量檢驗等。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于沖壓和焊接的。采用FMS的主要技術經濟效果是：能按裝配作業配套需要，及時安排所需零件的加工，實現及時生産，從而減少毛坯和在制品的庫存量，及相應的流動資金占用量，縮短生産周期；提高設備的利用率，減少設備數量和廠房面積；減少直接勞動力，在少人看管條件下可實現晝夜24小時的連續“無人化生産”；提高産品質量的一緻性。

沒有固定加工順序和生産節拍，适應多品種小批量生産的機械制造系統。FMS的工藝基礎是成組技術，它按照成組的加工對象确定工藝過程，選擇相适應的數控機床或工件、工具等物料儲運系統。柔性制造系統以計算機為核心進行系統管理，用無人搬運車進行工件傳送，用數控技術實現自動化加工，用機器人進行自動裝卸，并具有監視切削狀态和精度、診斷和複原等功能，還能在一定範圍内完成一種零件加工到另一種零件加工的自動轉換。

發展概況

20世紀50年代，為了提高生産率，适用于大批量生産的組合機床和剛性自動線等專用設備得到很大發展。60年代，随着小批量高精度加工産品的不斷增加，數控機床和加工中心進入了鼎盛時期。從70年代起，中小批量多品種的生産成為制造工業的生産特征。随着科學技術的發展和産品更新換代速度的加快，中小批量産品的比例還有進一步增大的趨勢。這種情況迫使人們研制以适應中小批量多品種生産為主要目标的柔性制造系統。

1963年美國研制成加工多種柴油機零件的數控自動線。

1967年英國莫林公司首次提出完整的柔性制造系統的概念，并介紹了Molin-24系統的構想。随後蘇聯、日本、聯邦德國都相繼研究出這類系統，如蘇聯于1983年公布了加工軸類零件的柔性制造系統ГАСС和“設計制造綜合自動化”系統КАΠΡИ。

1967年，英國莫林斯公司首次根據威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系統24”。其主要設備是六台模塊化結構的多工序數控機床，目标是在無人看管條件下，實現晝夜24小時連續加工，但最終由于經濟和技術上的困難而未全部建成。

同年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成Online1系統，它由八台加工中心和兩台多軸鑽床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節拍在各機床間傳送和進行加工。這種柔性自動化設備适于少品種、大批量生産中使用，在形式上與傳統的自動生産線相似，所以也叫柔性自動線。日本、前蘇聯、德國等也都在60年代末至70年代初，先後開展了FMS的研制工作。

1976年，日本發那科公司展出了由加工中心和工業機器人組成的柔性制造單元（簡稱FMC），為發展FMS提供了重要的設備形式。柔性制造單元(FMC)一般由1～2台數控機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，能在機床上自動裝卸工件，甚至自動檢測工件，可實現有限工序的連續生産，适于多品種小批量生産應用。

70年代末期，FMS在技術上和數量上都有較大發展，80年代初期已進入實用階段，其中以由3～5台設備組成的FMS為最多，但也有規模更龐大的系統投入使用。

1982年，日本發那科公司建成自動化電機加工車間，由60個柔性制造單元（包括50個工業機器人）和一個立體倉庫組成，另有兩台自動引導台車傳送毛坯和工件，此外還有一個無人化電機裝配車間，它們都能連續24小時運轉。

這種自動化和無人化車間，是向實現計算機集成的自動化工廠邁出的重要一步。與此同時，還出現了若幹僅具有FMS基本特征，但自動化程度不很完善的經濟型FMS，使FMS的設計思想和技術成就得到普及應用。

組成部分

系統的組成

(1)中央管理和控制計算機

(2)物流控制裝置

(3)自動化倉庫

(4)無人輸送台

(5)制造單元

(6)中央刀具庫

(7)夾具站

(8)信息傳輸網絡

(9)随行工作台

系統的功能

1)以成組技術為核心的對零件分析編組的功能。

2)以微型計算機為核心的編排作業計劃的智能功能。

3)以加工中心為核心,自動換刀、換工件的加工功能。

4)以托盤和運輸系統為核心的工件存放與運輸功能。

5)以各種自動檢測裝置為核心的自動測量、定位與保護功能。

多工位數控加工系統　

傳統的數控系統的功能基本上靠固定的邏輯線路來實現，如需要擴充或改變功能則必須更改硬件邏輯，靈活性較差。柔性制造系統采用計算機控制的加工中心，這種數控裝置适應性強，能在硬件基本不變的情況下，通過修改軟件來改變或擴充其功能。加工中心一般都具有換刀裝置，工件一次裝夾後能連續地完成鑽、镗、銑、鉸、锪等多種工序加工。如果用多台加工中心組成柔性制造系統，便可以任意順序自動完成多種工件的多工位加工。

自動化物料流輸送系統　

它包括存儲、輸送和搬運三個子系統，其功能為：

自動地以任意順序存取工件和刀具；

自動地按可變的自由節拍完成柔性制造系統中各個生産裝置的連接；

自動地實現輸送裝置和加工設備之間的連接。

柔性制造系統中的工件輸送系統與其他制造系統中的工件輸送系統有很大區别，它不是按固定節拍将工件從某一工位輸送到下一工位，而是既不按固定節拍又不按固定順序輸送工件，甚至有時是将幾種工件混雜在一起輸送。在這種系統中一般都設置儲料庫，以調節各個工位上所需加工時間的差異。工件輸送系統有直線輸送、環形輸送和閉環輸送三種基本類型：

①直線輸送：輸送裝置沿機床一邊布置，或從兩排機床中間通過。輸送工具可以是各種類型的傳送帶和運送小車，主要用于順序傳送。這種輸送裝置本身的存儲容量很小，常需設置中間儲料庫。

②環形輸送：機床布置在環形輸送線的外側。輸送工具除有各種類型的滾子傳送帶和運送小車外，還有架空單軌懸吊式輸送器。在封閉環形輸送線中常設置若幹支路，作為儲存工件和改變輸送線路之用，便于實現随機傳送,具有較大的靈活性。

③閉環輸送:整個傳送帶由許多随行夾具和托闆組成，借助托闆上的編碼器能自動識别地址，從而可以任意編排工件的傳送順序。除這三種基本方式外，還有工業機器人，它主要用于中等尺寸的零件輸送和搬運。

計算機信息流控制系統　

信息流控制系統的主要設備為計算機，與直接數控系統相似，通常具有A、B兩級或A、B、C三級計算機分級控制的結構形式。

在A級中安排有大型通用計算機，并包含有零件自動編程系統，其主要職能是：将應用某種編程語言編寫的零件源程序處理成加工目的程序；完成管理控制，如分析原材料價格、記錄生産曆史資料、編制管理報告、綜合市場信息、核算經濟指标等。

在B級中安排有中小型通用計算機，其主要職能是：将來自A級計算機的數據分發到各台數控或計算機數控裝置和輸送裝置上去，并協調其工作，同時還對每台機床進行生産狀态分析和判斷，并根據情況發出修改控制參數的指令。

在C級中安排有小型計算機、微型機或專用數控裝置，其主要職能是：執行來自上一級計算機的命令，直接控制機床加工，收集并處理檢測數據，向上級計算機反映各台機床的生産狀态。

工藝說明

典型的柔性制造系統由數字控制加工設備、物料儲運系統和信息控制系統組成。加工設備主要采用加工中心和數控車床，前者用于加工箱體類和闆類零件，後者則用于加工軸類和盤類零件。中、大批量少品種生産中所用的FMS，常采用可更換主軸箱的加工中心，以獲得更高的生産效率。儲存和搬運系統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域内，然後由自動搬運系統根據物料管理計算機的指令送到指定的工位。固定軌道式台車和傳送滾道适用于按工藝順序排列設備的FMS，自動引導台車搬送物料的順序則與設備排列位置無關，具有較大靈活性。

工業機器人可在有限的範圍内為1～4台機床輸送和裝卸工件，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是保證FMS連續正常工作的必要條件，一般根據切屑的形狀、排除量和處理要求來選擇經濟的結構方案。

FMS信息控制系統的結構組成形式很多，但一般多采用群控方式的遞階系統。第一級為各個工藝設備的計算機數控裝置(CNC)，實現各的口工過程的控制；第二級為群控計算機，負責把來自第三級計算機的生産計劃和數控指令等信息，分配給第一級中有關設備的數控裝置，同時把它們的運轉狀況信息上報給上級計算機；第三級是FMS的主計算機(控制計算機)，其功能是制訂生産作業計劃，實施FMS運行狀态的管理，及各種數據的管理；第四級是全廠的管理計算機。

性能完善的軟件是實現FMS功能的基礎，除支持計算機工作的系統軟件外，數量更多的是根據使用要求和用戶經驗所發展的專門應用軟件，大體上包括控制軟件(控制機床、物料儲運系統、檢驗裝置和監視系統)、計劃管理軟件(調度管理、質量管理、庫存管理、工裝管理等)和數據管理軟件(仿真、檢索和各種數據庫)等。

為保證FMS的連續自動運轉，須對刀具和切削過程進行監視，可能采用的方法有：測量機床主軸電機輸出的電流功率，或主軸的扭矩；利用傳感器拾取刀具破裂的信号；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行刀具壽命管理。此外，還可利用接觸測頭來測量機床熱變形和工件安裝誤差，并據此對其進行補償。

柔性制造系統按機床與搬運系統的相互關系可分為直線型、循環型、網絡型和單元型。加工工件品種少、柔性要求小的制造系統多采用直線布局，雖然加工順序不能改變，但管理容易；單元型具有較大柔性，易于擴展，但調度作業的程序設計比較複雜。

關鍵技術

在進行柔性制造系統的設計、規劃時,主要涉及以下幾個關鍵技術，包括：

1.柔性制造系統的監控和管理系統。

2.柔性制造系統的物流系統。

3.柔性制造系統的刀具管理系統。

4.柔性制造系統的通信。

5.柔性制造系統的輔助系統FMS的輔助系統包括清洗工作站、切削液自動排放和集中回收處理及集中供液、氣等設施組成。

制造方法

細胞生産方式

與傳統的大批量生産方式比較，細胞生産方式有兩個特點：一個是規模小（生産線短，操作人員少），另一個是标準化之後的小生産細胞可以簡單複制。

由于這兩個特點，細胞生産方式能夠實現：

（1）簡單應對産量的變化，通過複制一個或一個以上的細胞就能夠滿足細胞生産能力整數倍的生産需求；

（2）減少場地占用，細胞是可以進行簡單複制的（細胞生産線可以在一天内搭建完成），因此不需要的時候，可以簡單拆除，節省場地；

（3）每一個細胞的作業人數少，降低了平衡工位間作業時間的難度，工位間作業時間差異小，生産效率高；

（4）通過合理組合員工，即由能力相當的員工組合成細胞，可以充分發揮員工最高的作業能力水平。如果能夠根據每一個細胞的産能給予員工相應的獎勵，還有利于促成細胞間的良性競争。

一人生産方式

我們看到過這樣的情形，某産品的裝配時間總共不足10分鐘，但是它還是被安排在一條數十米長的流水線上，而裝配工作則由線上的數十人來完成，每個人的作業時間不過10、20秒。針對這樣一些作業時間相對較短、産量不大的産品，如果能夠打破常規（流水線生産），改由每一個員工單獨完成整個産品裝配任務的話，我們将獲得意想不到的效果。同時，由于工作績效（品質、效率、成本）與員工個人直接相關，一人生産方式除了具有細胞生産的優點之外，還能夠大大地提高員工的品質意識、成本意識和競争意識，促進員工成長。

一個流生産方式

一個流生産方式是這樣實現的，即取消機器間的台車，并通過合理的工序安排和機器間滑闆的設置讓産品在機器間單個流動起來。它的好處是：

（1）極大地減少了中間産品庫存，減少資金和場地的占用；

（2）消除機器間的無謂搬運，減少對搬運工具的依賴；

（3）當産品發生品質問題時，可以及時将信息反饋到前部，避免造成大量中間産品的報廢。一個流生産方式不僅适用于機械加工，也适用于産品裝配的過程。

柔性設備的利用

一種叫做柔性管的産品（有塑膠的也有金屬的）開始受到青睐。從前，許多企業都會外購标準流水線用作生産，現在卻逐步被自己拼裝的簡易柔性生産線取代。比較而言，柔性生産線首先可降低設備投資70-90%以上；設備安裝不需要專業人員，一般員工即可快速地在一個周末完成安裝；不需要時可以随時拆除，提高場地利用效率。

台車生産方式

我們經常看到一個産品在制造過程中，從一條線上轉移到另一條線上，轉移工具就是台車。着眼于搬動及轉移過程中的損耗，有人提出了台車生産線，即在台車上完成所有的裝配任務。

固定線和變動線方式

根據某産品産量的變動情況，設置兩類生産線，一類是滿足某一相對固定最的固定生産線，另一類是用來滿足變動部分的變動生産線。通常，傳統的生産設備被用作固定線，而柔性設備或細胞生産方式等被用作變動生産線。為了徹底降低成本，在日本變動線往往招用勞務公司派遣的零時工（Part-Time）來應對，不需要時可以随時退回。