柔性制造系統(tǒng)技術(shù)

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1、 5.4 柔性制造系統(tǒng)技術(shù) 20 世紀 60 年代以前，剛性自動化生產(chǎn)系統(tǒng)或生產(chǎn)線已有長足的進步，對于大批量生產(chǎn)具有效率高、成本低、質(zhì)量好、程序固定等優(yōu)點，對生產(chǎn)水平的提高起到了很大的作用。然 而，面對日益增長的用戶需求多樣化、 個性化的市場， 這種剛性系統(tǒng)越來越暴露出其內(nèi)在缺 陷，即產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)或換型后原生產(chǎn)工藝裝備改造費用大，周期長，調(diào)整困難甚至無法調(diào)整。在 市場牽引和技術(shù)推動下， 20 世紀 60 年代中期就出現(xiàn)了柔性制造的新理念和新模式， 1967 年英國莫林公司率先推出著名的“莫林系統(tǒng) -24 ”(Molins Syste

2、m-24) 柔性制造系統(tǒng)。 5.4.1 概述 柔性制造 (Flexible Manufacturing ，F(xiàn)M) 是指用可編程、多功能的數(shù)字控制設(shè)備更換 剛性自動化設(shè)備； 用易編程、易修改、易擴展、易更換的軟件控制代替剛性聯(lián)結(jié)的工序過程， 使剛性生產(chǎn)線實現(xiàn)柔性化， 以快速響應(yīng)市場的需求， 多快好省地完成多品種、 中小批量的生 產(chǎn)任務(wù)。 需要特別指出的是柔性制造中的柔性具有多種涵義， 除了加工柔性外， 還包含設(shè)備柔性、 工藝柔性、產(chǎn)品柔性、流程柔性、批量柔性、擴展柔性和生產(chǎn)柔性。 柔性制造單元 (Flexible Manufacturin

3、g Cell ， FMC) 是由一臺或幾臺設(shè)備組成，在毛 坯和工具儲量保證的情況下， 具有部分自動傳送和監(jiān)控管理功能， 并具有一定的生產(chǎn)調(diào)度能 力的獨立的自動加工單元。高檔的 FMC可進行 24 小時無人運轉(zhuǎn)。 FMC工件和物料裝卸的方 式：數(shù)控機床配上機械手，由機械手完成工件和物料的裝卸；加工中心配上托盤交換系統(tǒng)， 將加工工件裝夾在托盤上，通過拖動托盤，可以實現(xiàn)加工工件的流水線式加工作業(yè)。 柔性制造系統(tǒng) (Flexible Manufacture System) 將 FMC進行擴展，增加必要的加工中 心數(shù)量，配備完善的物料和刀具運送管理系統(tǒng)，并通過一套

4、中央控制系統(tǒng)，管理生產(chǎn)進度， 對物料搬運和機床群的加工過程實行綜合控制，就可以構(gòu)成一個完善的 FMS。 FMS 的基本構(gòu)成框架，如圖 5-24 所示。 原材料  產(chǎn)品 物料運輸裝置 物流系統(tǒng) 加 加 加 輔 清 檢 工 工 工 助 洗 測 加工系統(tǒng) 設(shè) 設(shè) 設(shè) 設(shè) 設(shè) 設(shè) 備 備 備 備 備 備 計算機控制與管理 控制與管理系統(tǒng) 圖 5-24 FMS 的基本構(gòu)成 FMS由控制與管理、加工、物流等三個子系統(tǒng)

5、構(gòu)成： 1）控制與管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)的采集和處理、運行仿真和故障診斷等功能。 2）加工系統(tǒng)能實現(xiàn)自動加工多種工件、更換工件和刀具及工件的清洗和測試。 3）物流系統(tǒng)由工件流和刀具流組成，能滿足變節(jié)拍生產(chǎn)的物料自動識別、存儲、輸送和交換的要求，并實現(xiàn)刀具的預(yù)調(diào)和管理等功能。 這三個子系統(tǒng)有機地結(jié)合，構(gòu)成了 FMS的能量流、物料流和信息流。 自動流水線作業(yè)的物流設(shè)備和加工工藝相對固定， 只能加工一個或相似的幾個品種的零件，缺少靈活性，所以也稱為固定自動化或剛性自動化，適用于大批量、少品種的生產(chǎn)。單 臺數(shù)控機床的加工靈活性好， 但相對于自動流水

6、線來說生產(chǎn)效率低， 制造成本高， 適用于小批量、多品種生產(chǎn)。 柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)， 綜合了自動流水線和單臺數(shù)控機床各自的優(yōu)點，將幾臺 NC與物料輸送設(shè)備、刀具庫等通過一個中央控制單元聯(lián)接起來，形成既具有一定柔性又具有一定連續(xù)作業(yè)能力的加工系統(tǒng)，適用于中等批量、中等品種生產(chǎn)。 5.4.2 FMS 的加工系統(tǒng) 1．加工系統(tǒng)的構(gòu)成 FMS中的加工系統(tǒng)是實際完成加工任務(wù)，將工件從原材料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的執(zhí)行裝置。它主 要由數(shù)控機床、加工中心等加工設(shè)備構(gòu)成，帶有工件清洗、在線檢測等輔助設(shè)備。目前的加工對象主要有棱柱體和回轉(zhuǎn)體兩類。  FMS （ 1）加工

7、棱柱體類工件由立、臥式加工中心，數(shù)控組合機床和托盤交換器組成。 （ 2）加工回轉(zhuǎn)體類工件 由數(shù)控車床、切削中心、數(shù)控組合機床和上、下料機械手或機器人及棒料輸送裝置等構(gòu)成。 2．加工系統(tǒng)的配置 一般來說，為了適應(yīng)不同的加工要求，增加 上的數(shù)控加工設(shè)備。 （ 1）配置原則 主要有以下幾條：  FMS的適應(yīng)性，  FMS最少應(yīng)配備  4～6  臺以 1）配多功能數(shù)控機床、加工中心等，以便集中工序，減少工位數(shù)和物流負擔，保證加 工質(zhì)量。 2）選用模塊化結(jié)構(gòu)，外部通信功能和內(nèi)部管理功能強，內(nèi)裝可編程控制器含有用戶宏

8、 程序的數(shù)控系統(tǒng)， 以容易連接上下料、 檢測等輔助設(shè)備并增加各種輔助功能等，保證控制功能強、可擴展性好。 3）選用切削功能強，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高的機床，采用高剛度，高精度，高速 度的切削加工。 4）節(jié)能降耗，導軌油可回收，排屑處理快速徹底以延長刀具使用壽命等，節(jié)省系統(tǒng)運 行費用，經(jīng)濟性好。 5）操作性好、 可靠性好、 維修性好， 具有自保護和自維護性。 能設(shè)定切削力過載保護、 功率過載保護、運行行程和工作區(qū)域限制等，具有故障診斷和預(yù)警等功能。 6）對環(huán)境適應(yīng)性與保護性好。對工作環(huán)境的溫度、濕度、噪聲、粉塵等要求不高，各種密封件性能可靠無泄漏，切削

9、液不外濺，能及時排除煙霧、異味。噪聲振動小，能保護良好的工作環(huán)境。 （ 2）配置方式 有并聯(lián)、串聯(lián)、混合三種。 5.4.3 FMS 中的物流管理 1．工件流支持系統(tǒng) 工件在柔性制造系統(tǒng)中的流動， 是輸送和存儲兩種功能的結(jié)合， 包括夾具系統(tǒng)、 工件輸送系統(tǒng)、自動化倉庫及工件裝卸工作站。 （ 1）夾具系統(tǒng) 在柔性制造系統(tǒng)中加工對象多為小批量多品種的產(chǎn)品， 采用專用夾具會降低系統(tǒng)的柔性。因此，多采用組合夾具、可調(diào)整夾具、數(shù)控夾具或托盤等裝夾方式。 （ 2）工件輸送系統(tǒng) 工件輸送系統(tǒng)決定 FMS的布局和運行方式， 一般有直線輸送、 機器人輸送、環(huán)

10、型輸送等方式。 （ 3）自動化倉庫 FMS 中輸送線本身的儲存能力一般較小，當須加工的工件較多時，大 多設(shè)立自動化倉庫?？杉毞殖蓛煞N。 1）平面自動化倉庫主要應(yīng)用于大型工件的存儲。 2）立體自動化倉庫是通過計算機和控制系統(tǒng)將搬運、存取、儲存等功能集于一體的新 型自 動化倉庫。 自動化倉儲系統(tǒng)，如圖 5-25 所示。 根據(jù)不同的立體倉庫使用要求，配置多種形式堆垛機，如圖 5-26 所示。 （ 4）工件裝卸工作站 主要有毛坯入庫工作站和成品出庫工作站兩種。 1）入庫工作站位于 FMS物料輸入的開始部位。 2）出庫工作站位于

11、  FMS的物料輸出部分。 圖 5-25 自動化倉儲系統(tǒng) 圖 5-26 堆垛機 2 ．刀具流支持系統(tǒng) 主要由中央刀具庫、刀具室、刀具裝卸站、刀具交換裝置及刀具管理系統(tǒng)幾部分組成。 FMS刀具流支持系統(tǒng)，如圖 5-27 所示。 中央刀具庫 刀具室 刀具交換裝置 機 刀 刀具預(yù)調(diào)儀 床 具 裝 交

12、 卸 刀具交換裝置 換 字釘 條碼 站 裝 置 刀具管理系統(tǒng) 圖 5-27 FMS 刀具流支持系統(tǒng) 1）中央刀具庫是刀具系統(tǒng)的暫存區(qū)， 它集中儲存 FMS的各種刀具， 并按一定位置放置。 中央刀具庫通過換刀機器人或刀具傳輸小車為若干加工單元進行換刀服務(wù)。 不同的加工單元可以共享中央刀具庫的資源，提高系統(tǒng)的柔性程度。 2）刀具室是進行刀具預(yù)調(diào)及刀具裝卸的區(qū)域， 刀具進入 FMS以前，應(yīng)先在刀具預(yù)調(diào) ( 也稱對刀儀 ) 上測出其主要參數(shù)，安裝刀套，打印鋼號或貼條形碼標簽，并進行刀具登記。然

13、 后將刀具掛到刀具裝卸站的適當位置，通過刀具裝卸站進入 FMS。 3) 刀具裝卸站負責刀具進入或退出FMS，或 FMS內(nèi)部刀具的調(diào)度，其結(jié)構(gòu)多為框架式， 裝卸站的主要指標有：刀具容量；可掛刀具的最大長度；可掛刀具的最大直徑；可掛刀具的 最大重量。 為了保證機器人可靠地取刀和送刀， 還應(yīng)該對刀具在裝卸站上的定位精度進行一定的技術(shù)要求。 4）刀具交換裝置一般是指換刀機器人或刀具輸送小車，它們完成刀具裝卸站與中央刀 庫或中央刀庫與加工機床之間的刀具交換。 刀具交換裝置按運行軌道的不同， 可分為有軌和無軌的。實際系統(tǒng)多采用有軌裝置， 價格較低，且安全可靠。 無軌裝置一

14、般要配有視覺系統(tǒng)，其靈活性大，但技術(shù)難度大，造價高，安全性還有待提高。 5）刀具管理系統(tǒng)主要包括： 刀具存貯、 運輸和交換， 刀具狀況監(jiān)控， 刀具信息處理等。 現(xiàn)在刀具管理系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)一般由刀具數(shù)據(jù)庫和刀具專家系統(tǒng)組成。 3．輸送設(shè)備 物流系統(tǒng)中的輸送設(shè)備主要有輸送機、輸送小車和工業(yè)機器人等。 （ 1）輸送機 具有連續(xù)輸送和單位時間輸送量大的特點，常應(yīng)用于環(huán)路型布局的 FMS 中。其結(jié)構(gòu)形式有滾子輸送機、鏈式輸送機和直線電動機輸送機。 （ 2）輸送小車 是一種無人駕駛的自動搬運設(shè)備。分有軌小車和無軌小車兩種類型。 1）有軌小車由平行導向鋼軌和在其上行

15、走的小車組成，它利用定位槽銷等機械結(jié)構(gòu)控 制小車 的準確?？?，其定位精度可高達 O.1mm。有軌小車 AGV，如圖 5-28 所示。 2）無軌小車沒有導向的鋼軌， 小車直接在地面上行走， 其制導方式主要有磁性、 光學、 電磁、激光、掃描制導等。 （ 3）工業(yè)機器人 是一種可編程的多功能操作手，用于物料、工件和工具的搬運，通過程序編程完成多種任務(wù)。由機器人本體、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)等構(gòu)成。 圖 5-28 有軌小車

16、 AGV 5.4.4 FMS 中的信息流管理 1． FMS信息流結(jié)構(gòu) FMS信息流結(jié)構(gòu)圖，如圖 5-29 所示。 信息流子系統(tǒng)是 FMS的核心組成部分， 它完成 FMS加工過程中系統(tǒng)運行狀態(tài)的在線監(jiān)測， 數(shù)據(jù)采集、處理、分析等任務(wù)，控制整個 FMS的正常運行。信息流子系統(tǒng)的核心是分布式數(shù)據(jù)庫管理和控制系統(tǒng)，按功能可分為四個層次。 （ 1）廠級信息管理指總廠的生產(chǎn)調(diào)度、年度計劃等信息。 （ 2）車間層 它一般包括兩個信息單元， 即設(shè)計單元和管理單元。 設(shè)計單元主要控制產(chǎn) 品設(shè)計、 工藝設(shè)計、 仿真分析等設(shè)計信息的流向。

17、管理單元管理車間級的產(chǎn)品信息和設(shè)備信息，包括作業(yè)計劃、工具管理、在制品 ( 包括半成品、毛坯 ) 管理、技術(shù)資料管理等。 （ 3）設(shè)備控制單元層 為設(shè)備控制級， 它包括對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備、 輔助工具以及現(xiàn)場物流狀態(tài)的各種控制設(shè)備。 （ 4）執(zhí)行層 各種現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備，主要是加工中心或數(shù)控機床在設(shè)備控制單元的控制下完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)， 并通過傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和工況以便進行加工過程的監(jiān)測和管理。 2． FMS信息流特征 按 FMS所管理的信息范圍和控制對象，可分為以下五類。 （ 1）刀具信息 包括刀具的參數(shù)， 使用狀況， 安裝形式， 刀具損壞原因， 刀具處理情況，刀具使用

18、頻率統(tǒng)計和歸屬機床等。 FMS 數(shù)據(jù)庫 FMS單元 控制器 機 機 機 測 床 床 器 量 1 1 人 機  廠級管理信息系統(tǒng) 層車間 CAD 生產(chǎn)作業(yè)管理 管理信息 CAPP 技術(shù)資料管理 數(shù)據(jù)庫 CAE 設(shè)備管理 設(shè)備控制層

19、 現(xiàn)場控制通信服務(wù)器 FMS單元 FMS單元 控制器 控制器 執(zhí)行層 機 機 機 測 床 床 器 量 1 1 人 機 圖 5-29 FMS 信息流結(jié)構(gòu) （ 2）機床狀態(tài)信息 包括機床是否處于工作狀況，機床的工況，機床故障發(fā)生情況，機床故障排除情況，機床加工參數(shù)等。 （ 3）運行狀態(tài)信息 包括小車的工況，托盤的工況，中央刀庫刀具所處狀態(tài) ( 空閑或正在某機 床上工作 ) ，工件的位置，測量站工況，機器人工況，清洗站工況等。 （ 4）在線檢測信

20、息 主要指所加工產(chǎn)品的合格情況， 不合格產(chǎn)品應(yīng)進行報廢或返工的處理等。三坐標測量機，如圖 5-30 所示。 （ 5）系統(tǒng)安全信息 包括供電系統(tǒng)的安全情況， 系統(tǒng)本身的安全情況；系統(tǒng)工作環(huán)境的安全情 況，如環(huán)境溫度、濕度等，系統(tǒng)工作設(shè)備的安全信息，如小車保證不會相互碰撞、刀具安裝可靠，以及工作人員的安全情況等。 3． FMS信息流程 FMS的信息運行流程，如圖 5-31 所示。 零件信息 加工

21、計劃 FMS 數(shù)據(jù)庫 調(diào)整計劃  圖 5-30 三坐標測量機 加工作 業(yè)計劃 工藝流程 設(shè)備資料 NC代碼 加工準備 工藝流程  作業(yè)計劃

22、 準備就緒信息 設(shè)備資料 NC代碼 圖 5-31 FMS 信息流程  過程 控制  過程信息 系統(tǒng)監(jiān)控 5.4.5 FMS 發(fā)展趨勢 （ 1）小型化 為了適應(yīng)眾多中小型企業(yè)的需要， FMS 開始向小型、經(jīng)濟、易操作和維修的方向發(fā)展，因此， FMS也開始得到眾多用戶的認可。 （ 2）模塊化和集成化為了利于用戶按需要有選擇地分期購買設(shè)備，逐步擴展和集成 FM

23、S， FMS的軟硬件都向模塊化方向發(fā)展，并由這些基本模塊集成 FMS，而且也利于今后以 FMS為基礎(chǔ)進一步集成到 CIMS。 （ 3）性能不斷提高 采用各種新技術(shù)，提高加工精度和加工效率，綜合利用先進的檢 測手段，網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫和人工智能技術(shù)，提高 FMS各個環(huán)節(jié)的自我診斷，自我排錯，自我積累，自我學習能力。 （ 4）應(yīng)用范圍逐步擴大 從加工批量上， FMS 向適合單件和大批量方向擴展；另一方面， FMS從傳統(tǒng)的金屬切削加工向金屬熱加工、裝配等整個機械制造范圍發(fā)展。 5.4.6 柔性制造系統(tǒng)應(yīng)用案例 午夜快車板材加工 FMS生產(chǎn)線，如圖 5

24、-32 所示。 圖 5-32 午夜快車板材加工 FMS生產(chǎn)線 午夜快車板材加工 FMS生產(chǎn)線是由芬蘭著名跨國機床生產(chǎn)企業(yè) FINN-POWER研制。國內(nèi)某電器 制造類企業(yè)引進 ，投入使用后 對加快該企業(yè)的制造信息化進程， 縮短新產(chǎn)品研發(fā)和制造周期，提升產(chǎn)品市場競爭力都起到了推動作用， 已經(jīng)獲得顯著的經(jīng)濟效益。 其構(gòu)成與加工流程如下： 1．立體倉庫 NTW3200和中央計算機 立體倉庫主要用于碼放原

25、材料及其沖剪成品的暫存；中央計算機主要對本條流水線加工的控制，以及對板材加工程序的編制。 2．沖剪中心上料臺 沖剪中心上料臺主要對從立體倉庫取出的原材料的碼放， 到?jīng)_剪 單元。沖剪中心上料臺，如圖 5-33 。 3．沖剪中心  及用自動上料裝置的板料輸送 沖剪中心主要對板料按所編零件的程序沖、剪操作。沖剪中心，如圖  5-34  所示。 圖 5-33 

26、 沖剪中心上料臺  圖 5-34  沖剪中心 4．自動下料碼垛裝置 自動下料碼垛裝置主要對從沖剪單元下來的成品或半成品進行碼放。 自動下料碼垛裝置， 如圖 5-35 所示。 5．自動折彎單元上料裝置 自動折彎單元上料裝置主要對要經(jīng)過曲彎工序的零件的碼放， 以及傳動到自動曲彎機操 作臺上。自動折彎單元上料裝置，如圖 5-36 所示。 圖 5-35 自動下料碼垛裝置 圖 5-36 自動折彎單元上料裝置 6．自動折彎單元 自動折彎單元主要對曲彎零件進行曲彎操作。自動折彎單元，如圖 5-37 所示。 7．板材出入站臺 主要對原材料的出入起識別、監(jiān)控等作用。板材出入站臺，如圖 5-38 所示。 圖 5-37 自動折彎單元 圖 5-38 板材出入站臺