柔性制造系统FMS

1 引言 传统的制造系统不能满足市场对多品种小批量产品的需求，因此生产制造系统的柔性对系统的生存越来越重要。 一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。 “柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。但价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件。 如果想要获得其他品种的产品，则必须对其结构进行大调整，重新配置系统内各要素，其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下。刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品，难以应付多品种中小批量的生产。

2、柔性自动化的兴起 为了同时提高制造工业的柔性和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本，是终使中小批量生产能与大批量生产抗衡，柔性自动化系统便应运而生。 自从1954年美国麻省理工学院第一台数字控制铣床诞生后，70年代初柔性自动化进入了生产实用阶段。几十年来，从单台数控机床的应用逐渐发展到加工中心、柔性制造单元、柔性制造系统和计算机集成制造系统，使柔性自动化得到了迅速发展。

3、什么是柔性 柔性可以表述为两个方面。 第一方面是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量； 第二方面是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰（如机器出现故障）情况下，这时系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔性。

4、柔性主要包括： ●机器柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。     ●机器柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。     ●工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。     ●产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。     ●维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。     ●生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。     ●扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。     ●运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。

5、柔性制造系统 柔性制造系统FMS：是一套可编程的制造系统，含有自动物料输送设备，能在计算机的支持下，由计算机集成管理和控制，实现信息集成和物流集成，高效率地制造中小批量多品种零部件的自动化制造系统。 它具有：     ●多个标准的制造单元，具有自动上下料功能的数控机床； ●一套物料存储运输系统，可以在机床的装夹工位之间运送工件和刀具；         目前FMS 规模趋于小型化、低成本，演变成柔性制造单元FMC ，它可能只有一台加工中心，但具有独立自动加工能力。有的FMC 具有自动传送和监控管理的功能，有的FMC 还可以实现24小时无人运转。用于装备的FMS 称为柔性装备系统（FAS ）。

6、柔性制造系统的发展历程 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”。同年，美国的怀特·森斯特兰公司建成 Omniline I系统。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。 70年代末期，柔性制造系统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台设备组成的柔性制造系统为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。 迄今为止，全世界有大量的柔性制造系统投入了应用，仅在日本就有175套完整的柔性制造系统。国际上以柔性制造系统生产的制成品已经占到全部制成品生产的75%以上，而且比率还在增加。

7、柔性制造系统的组成 由于FMS是一项工程应用技术，它的内部组成根据使用目的而异，客观上很难有一个统一的模式。 系统由计算机控制和管理;系统采用了NC控制为主的多台加工设备和其他生产设备;系统中的加工设备和生产设备通过物料输送装置连接。 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。

为了实现制造系统的柔性, FMS必须包括下列组成部分。 　　（一）加工系统 　　自动加工系统，指以成组技术为基础，把外形尺寸（形状不必完全一致）、重量大致相似，材料相同，工艺相似的零件集中在一台或数台数控机床或专用机床等设备上加工的系统。 柔性制造系统采用的设备由待加工工件的类别决定,主要有加工中心、车削中心或计算机数控(CNC)车、铣、磨及齿轮加工机床等,用以自动地完成多种工序的加工。 　　（二）物料系统 　　物料系统用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸,以及完成工序间的自动传送、调运和存贮工作,包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等，它是柔性制造系统主要的组成部分。 　　

（三）计算机控制系统 　　指对加工和运输过程中所需各种信息收集、处理、反馈，并通过电子计算机或其他控制装置（液压、气压装置等），对机床或运输设备实行分级控制的系统。 计算机控制系统用以处理柔性制造系统的各种信息,输出控制CNC机床和物料系统等自动操作所需的信息。通常采用三级(设备级、工作站级、单元级)分布式计算机控制系统,其中单元级控制系统(单元控制器)是柔性制造系统的核心。 　　（四）系统软件 　　系统软件用以确保柔性制造系统有效地适应中小批量多品种生产的管理、控制及优化工作,包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系统管理和监控软件。 软件系统，指保证柔性制造系统用电子计算机进行有效管理的必不可少的组成部分。它包括设计、规划、生产控制和系统监督等软件。柔性制造系统适合于年产量1000～100,000件之间的中小批量生产。

柔性制造系统由三个基本部分，如图所示，各部分的组成作用简述如下： FMS的构成

1．加工子系统 根据工件的工艺要求，加工子系统差别很大。如图1-11是一个FMS组成实例。加工子系统由数控车床（单元1）、数控端面外圆磨床（单元2）、数控车床（单元3）、立式加工中心（单元4）、卧式加工中心（单元5）组成，五个加工单元配有四台工业机器人，单元2还配有中心孔清洗机。该系统可以加工伺服电机的轴类、法兰盘类、支架体类、壳体类共14种零件。 2．物流子系统 该系统由自动输送小车、各种输送机构、机器人、工件装卸站。工件存储工位、刀具输入输出站、刀库等构成。物流子系统在计算机的控制下自动完成刀具和工件的输送工作。如图1-11中物流子系统由四个机器人、自动仓库、工件出入托盘站，机床前托盘站等五个和一辆自动搬运车组成。 3．信息流子系统 由主计算机、分级计算机及其接口、外围设备和各种控制装置的硬件和软件组成。信息流子系统的主要功能是实现各子系统之间的信息联系，对系统进行管理，确保系统的正常工作。对一个复杂系统，只有通过计算机分级管理才能对系统进行更有成效的管理，保证在工作时各部分保持协调一致。

一个FMS组成实例

C2板材加工柔性制造系统(FMS)

板材加工FMS是由仓库单元、冲孔单元、剪切单元、中央计算机控制室及后援设备组成。本系统可以根据用户的不同需要，提供整套板材加工FMS或各单元单独供货。

仓库单元：实现板材自动存放。 冲孔单元：实现板材自动冲孔工序的加工 剪切单元：实现板材自动剪切工序的加工 中央计算机控制室：是实现板材加工FMS的冲孔单元、剪切单元和仓库单元的集中控制和管理，并完成自动编程。 后援设备：完成对上线前或下线后板材进行剪切、折弯加工设备。

板材加工柔性制造系统适用于钣金行业的全自动柔性化生产，特别适合多品种、批量的生产，以满足现代制造业的短周期、多变化、高质量生产的要求。

8、柔性制造系统的分类 　　按规模大小, 柔性制造系统FMS可分为如下四类。 　　（一）柔性制造单元(FMC) 　　FMC的问世并在生产中使用约比FMS晚6~8年，它是由1~2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，具有适应加工多品种产品的灵活性。FMC可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向发展和一种产物，其特点是实现单机柔性化及自动化，迄今已进入普及应用阶段。 FMC的柔性最高。 　　（二）柔性制造线(FML) 　　它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床；亦可采用专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生产过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，迄今已进入实用化阶段。 

（三）柔性制造系统(FMS) 　　FMS通常包括3台以上的CNC机床(或加工中心),由集中的控制系统及物料系统连接起来,可在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。FMS是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。 （四）柔性制造工厂(FMF)  　　FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使计算机集成制造系统(CIMS)投入实际，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。FMF是自动化生产的最高水平，反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统(IMS)为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。 

9、柔性制造系统的特点 FMS有两个主要特点，即柔性和自动化。FMS与传统的单一品种自动生产线(相对而言，可称之为刚性自动生产线，如由机械式、液压式自动机床或组合机床等构成的自动生产线)的不同之处主要在于它具有柔性。一般认为，柔性在FMS中占有相当重要的位置，一个理想的FMS应具备多方面的柔性。     (1) 设备柔性     系统中的加工设备具有适应加工对象变化的能力。其衡量指标是当加工对象的类、族、品种变化时，加工设备所需刀、夹、铺具的准备和更换时间;硬、软件的交换与调整时间;加工程序的准备与调校时间等;     (2) 工艺柔性     系统能以多种方法加工某一族工件的能力。工艺柔性也称加工柔性或混流柔性，其衡量指标是系统不采用成批生产方式而同时加工的工件品种数;

    (3) 产品柔性     系统能够经济而迅速地转换到生产一族新产品的能力。产品柔性也称反应柔性。衡量产品柔性的指标是系统从加工一族工件转向加工另一族工件时所需的时间;     (4) 工序柔性     系统改变每种工件加工工序先后顺序的能力。其衡量指标是系统以实时方式进行工艺决策和现场调度的水平;     (5) 运行柔性     系统处理其局部故障，并维持继续生产原定工件族的能力。其衡量指标是系统发生故障时生产率的下降程度或处理故障所需的时间;     (6) 批量柔性     系统在成本核算上能适应不同批量的能力。其衡量指标是系统保持经济效益的最小运行批量;     (7) 扩展柔性     系统能根据生产需要方便地模块化进行组建和扩展的能力。其衡量指标是系统可扩展的规模大小和难易程度;

    (8) 生产柔性     系统适应生产对象变换的范围和综合能力。其衡量指标是前述7项柔性的总和。     FMS正是将“柔性”和“自动”两者相乘，以其实现下述的倍增效果:适应市场需求，以利于多品种、中小批量生产;提高机床利用率，缩减辅助时间，以利于降低生产成本;缩短生产周期，减少库存量，以利于提高市场响应能力;提高自动化水平，以利于提高产品质量、降低劳动强度、改善生产环境。FMS是有一个由计算机集成管理和控制的、用于高效率地制造中小批量多品种零部件的自动化制造系统。它具有:多个标准的制造单元，具有自动上下料功能的数控机床;一套物料存储运输系统，可以在机床的装夹工位之间运送工件和刀具。FMS是一套可编程的制造系统，含有自动物料输送设备，能在计算机的支持下实现信息集成和物流集成，它可同时加工具有相似形体特征和加工工艺的多种零件;能自动更换刀具和工件;能方便地上网，容易与其它系统集成;能进行动态调度，局部故障时，可动态重组物流路径。目前FMS规模趋于小型化、低成本，演变成柔性制造单元FMC，它可能只有一台加工中心，但具有独立自动加工能力。有的FMC具有自动传送和监控管理的功能，有的FMC还可以实现24小时无人运转。用于装备的FMS称为柔性装备系统。

10、关键技术  （1）.计算机辅助设计   （2）.模糊控制技术 （3）.人工智能、 专家系统及智能传感器技术 （4）.人工神经网络技术

11、柔性制造系统的优点 具体优点如下。 第一，设备利用率高。 一组机床编入柔性制造系统后，产量比这组机床在分散单机作业时的产量提高数倍。 第二，在制品减少80％左右。 第三，生产能力相对稳定。 自动加工系统由一自或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障机床的能力。“ 第四，产品质量高。 零件在加工过程中，装卸一次完成，加工精度嵩，加工形式稳定。 第五，运行灵活。 有些柔性制造系统的检验、装卡和维护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。 第六，产品应变能力大。 刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要。

12、柔性制造系统发展方向趋势 （1）向小型化、单元化方向发展 （2）向模块化、集成化方向发展 （3）单项技术性能与系统性能不断提高 （4）重视人的因素 （5）应用范围逐步扩大         因此归纳起来，可以说柔性制造系统的发展方向将是:     (1) 加快发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型FMS，因为FMC的投资比FMS少得多而效果相仿，更适合于财力有限的中小型企业。多品种、大批量生产中应用FML的发展趋势是用价格低廉的专用数控机床代替通用的加工中心;     (2) 完善FMS的自动化功能，FMS完成的作业内容扩大，由早期单纯的机械加工型向焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸锻等综合性领域发展，另外，FMS与计算机辅助设计和辅助制造技术(CAD/CAM)相结合，向全盘自动化工厂方向发展。