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1發(fā)展歷程

西門子自動化柔性制造系統(tǒng)

1967年，英國莫林斯公司根據(jù)威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系統(tǒng)24”。其主要設備是六臺模塊化結構的多工序數(shù)控機床，目標是在無人看管條件下，實現(xiàn)晝夜24小時連續(xù)加工，但終由于經濟和技術上的困難而未全部建成。

1967年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成Omniline I系統(tǒng)，它由八臺加工中心和兩臺多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機床間傳送和進行加工。這種柔性自動化設備適于少品種、大批量生產中使用，在形式上與傳統(tǒng)的自動生產線相似，所以也叫柔性自動線。日本、前蘇聯(lián)、德國等也都先后開展了FMS的研制工作。

1976年，日本發(fā)那科公司展出了由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元（簡稱FMC），為發(fā)展FMS提供了重要的設備形式。柔性制造單元（FMC）一般由12臺數(shù)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(tǒng)，能在機床上自動裝卸工件，甚至自動檢測工件，可實現(xiàn)有限工序的連續(xù)生產，適于多品種小批量生產應用。

隨著時間的推移，F(xiàn)MS在技術上和數(shù)量上都有較大發(fā)展，實用階段，以由3－5臺設備組成的FMS為多，但也有規(guī)模更龐大的系統(tǒng)投入使用。

1982年，日本發(fā)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(yè)機器人）和一個立體倉庫組成，另有兩臺自動引導臺車傳送毛坯和工件，此外還有一個無人化電機裝配車間，它們都能連續(xù)24小時運轉。

這種自動化和無人化車間，是向實現(xiàn)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(xiàn)了若干僅具有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。

2系統(tǒng)組成

加工設備

加工設備主要采用加工中心和數(shù)控車床，前者用于加工箱體類和板類零件，后者則用于加工軸類和盤類零件。中、大批量少品種生產中所用的FMS，常采用可更換主軸箱的加工中心，以獲得更高的生產效率。

儲存和搬運

儲存和搬運系統(tǒng)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(qū)域內，然后由自動搬運系統(tǒng)根據(jù)物料管理計算機的指令送到*的工位。固定軌道式臺車和傳送滾道適用于按工藝順序排列設備的FMS，自動引導臺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(yè)機器人可在有限的范圍內為1－4臺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(tǒng)是保證 FMS連續(xù)正常工作的必要條件，一般根據(jù)切屑的形狀、排除量和處理要求來選擇經濟的結構方案。

信息控制

FMS信息控制系統(tǒng)的結構組成形式很多，但一般多采用群控方式的遞階系統(tǒng)。級為各個工藝設備的計算機數(shù)控裝置（CNC），實現(xiàn)各加工過程的控制；第二級為群控計算機，負責把來自第三級計算機的生產計劃和數(shù)控指令等信息，分配給級中有關設備的數(shù)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），其功能是制訂生產作業(yè)計劃，實施FMS運行狀態(tài)的管理，及各種數(shù)據(jù)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(xiàn)FMS功能的基礎，除支持計算機工作的系統(tǒng)軟件外，數(shù)量更多的是根據(jù)使用要求和用戶經驗所發(fā)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(tǒng)、檢驗裝置和監(jiān)視系統(tǒng)）、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(shù)據(jù)管理軟件（仿真、檢索和各種數(shù)據(jù)庫）等。

為保證FMS的連續(xù)自動運轉，須對刀具和切削過程進行監(jiān)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號；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(jù)此對其進行補償。

3系統(tǒng)類型

柔性制造是指在計算機支持下，能適應加工對象變化的制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)有以下三種類型：

柔性制造單元

柔性制造單元由一臺或數(shù)臺數(shù)控機床或加工中心構成的加工單元。該單元根據(jù)需要可以自動更換刀具和夾具，加工不同的工件。柔性制造單元適合加工形狀復雜，加工工序簡單，加工工時較長，批量小的零件。它有較大的設備柔性，但人員和加工柔性低。

柔性制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)是以數(shù)控機床或加工中心為基礎，配以物料傳送裝置組成的生產系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電子計算機實現(xiàn)自動控制，能在不停機的情況下，滿足多品種的加工。柔性制造系統(tǒng)適合加工形狀復雜，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料傳送柔性大，但人員柔性仍然較低。

柔性自動生產線

柔性自動生產線是把多臺可以調整的機床（多為專用機床）聯(lián)結起來，配以自動運送裝置組成的生產線。該生產線可以加工批量較大的不同規(guī)格零件。柔性程度低的柔性自動生產線，在性能上接近大批量生產用的自動生產線；柔性程度高的柔性自動生產線，則接近于小批量、多品種生產用的柔性制造系統(tǒng)。

4系統(tǒng)優(yōu)點

柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)點 ：

柔性制造系統(tǒng)是一種技術復雜、高度自動化的系統(tǒng)，它將微電子學、計算機和系統(tǒng)工程等技術有機地結合起來，理想和圓滿地解決了機械制造高自動化與高柔性化之間的矛盾。具體優(yōu)點如下。

1、設備利用率高。一組機床編入柔性制造系統(tǒng)后，產量比這組機床在分散單機作業(yè)時的產量提高數(shù)倍。

2、在制品減少80%左右。

3、生產能力相對穩(wěn)定。自動加工系統(tǒng)由一臺或多臺機床組成，發(fā)生故障時，有降級運轉的能力，物料傳送系統(tǒng)也有自行繞過故障機床的能力。

4、產品質量高。零件在加工過程中，裝卸一次完成，加工精度高，加工形式穩(wěn)定。

5、運行靈活。有些柔性制造系統(tǒng)的檢驗、裝卡和維護工作可在班完成，第二、第三班可在無人照看下正常生產。在理想的柔性制造系統(tǒng)中，其監(jiān)控系統(tǒng)還能處理諸如刀具的磨損調換、物流的堵塞疏通等運行過程中不可預料的問題。

6、產品應變能力大。刀具、夾具及物料運輸裝置具有可調性，且系統(tǒng)平面布置合理，便于增減設備，滿足市場需要。

7、經濟*。采用FMS的主要技術經濟效果是：能按裝配作業(yè)配套需要，及時安排所需零件的加工，實現(xiàn)及時生產，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，縮短生產周期；提高設備的利用率，減少設備數(shù)量和廠房面積；減少直接勞動力，在少人看管條件下可實現(xiàn)晝夜24小時的連續(xù)“無人化生產”；提高產品質量的一致性。

5發(fā)展趨勢

柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢大致有兩個方面。一方面是與計算機輔助設計扣輔助制造系統(tǒng)相結合，利用原有產品系列的典型工藝資料，組合設計不同模塊，構成各種不同形式的具有物料流和信息流的模塊化柔性系統(tǒng)。另一方面是實現(xiàn)從產品決策、產品設計、生產到銷售的整個生產過程自動化，特別是管理層次自動化的計算機集成制造系統(tǒng)。在這個大系統(tǒng)中，柔性制造系統(tǒng)只是它的一個組成部分。

圖1 典型模塊化柔性制造系統(tǒng)特征圖

模塊化的柔性制造系統(tǒng)

為了保證系統(tǒng)工作的可靠性和經濟性，可將其主要組成部分標準化和模塊化。加工件的輸送模塊，有感應線導軌小車輸送和有軌小車輸送；刀具的輸送和調換模塊，有刀具交換機器人和與工件共用輸送小車的刀盒輸送方式等。利用不同的模塊組合，構成不同形式的具有物料流和信息流的柔性制造系統(tǒng)，自動地完成不同要求的全部加工過程。圖1是典型模塊化柔性制造系統(tǒng)特征圖。由圖1可見，刀具的供給方式、工件的輸送存儲和交換方式，是影響系統(tǒng)復雜程度的大因素。

計算機集成制造系統(tǒng)

從1870－1970年的100年中，加工過程的效率提高了2000%，而生產管理的效率只提高了80%，產品設計的效率僅提高了20%左右。顯然，后兩種的效率已成為進一步發(fā)展生產的制約因素。因此，制造技術的發(fā)展就不能局限在車間制造過程的自動化，而要全面實現(xiàn)從生產決策、產品設計到銷售的整個生產過程的自動化，特別是管理層次工作的自動化。這樣集成的一個完整的生產系統(tǒng)就是計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。

CIMS的主要特征是集成化與智能化。集成化即自動化的廣度，它把系統(tǒng)的空間擴展到市場、產品設計、加工制造、檢驗、銷售和為用戶服務等全部過程；智能化的自動化朝深度，不僅包含物料流的自動化，而且還包括信息流的自動化。

決策

圖2 CIMS模型

圖2是CIMS的模型。決策層是企業(yè)的領導機構，通過管理信息系統(tǒng)掌握扔連接各部門的信息。生產活動的信息源來自生產對象——產品的訂貨。根據(jù)用戶對產品功能的要求，CAD（計算機輔助設計）系統(tǒng)提供有關產品的全部信息和數(shù)據(jù)。產品原始數(shù)據(jù)是企業(yè)生產活動初始的信息源，所以，智能化的CAD系統(tǒng)是CIMS的基礎。CAPP（計算機輔助工藝過程設計）系統(tǒng)不僅要編制工藝規(guī)程，設計工夾量具，確定工時和工序費用，還要與CAM（計算機輔助制造）系統(tǒng)連接，為數(shù)控機床提供工藝數(shù)據(jù)，為生產計劃、作業(yè)調度、質量管理和成本核算提供數(shù)據(jù)，井將諸如制造可能性和成本等信息反饋至CAD系統(tǒng)，生產計劃與控制系統(tǒng)是全廠的生產指揮樞紐。為使生產有條不紊地進行，必須相應建立生產數(shù)據(jù)來集系統(tǒng)，以此構成一個能反映生產過程真實情況的信息反饋系統(tǒng)。

6工藝基礎

FMS的工藝基礎是成組技術，它按照成組的加工對象確定工藝過程，選擇相適應的數(shù)控加工設備和工件、工具等物料的儲運系統(tǒng)，并由計算機進行控制，故能自動調整并實現(xiàn)一定范圍內多種工件的成批生產（即具有“柔性”），并能及時地改變產品以滿足市場需求。

FMS兼有加工制造和部分生產管理兩種功能，因此能綜合地提高生產效益。FMS的工藝范圍正在不斷擴大，可以包括毛坯制造、機械加工、裝配和質量檢驗等。投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于沖壓和焊接的。