现代机械制造技术【业界研究】

1、柔 性 制 造 技 术,1,专业倾力,目 录,2,专业倾力,1、柔性制造系统的组成、原理,柔性制造系统的定义 根据“中华人民共和国国家军用标准”有关“武器装备柔性制造系统术语”的定义，柔性制造系统（FMS）是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量生产。 美国制造工程师协会(SME)的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为“使用计算机、柔性加工单元和集成物料储运装置完成零件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统”。 更直观的定义是：柔性制造系统是一组数控机床和其他自动化的工艺设

2、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，在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。,3,专业倾力,我国FMS的研究状况 我国采取引进和开发相结合的方针，引进箱体类零件、旋转体件及钣金件加工FMS的全部或部分硬件技术。 1984是我国研制FMS的起步时间，比国外晚了17年。我国第一套FMS系统是由北京机床研究所于1985年10月开发完成的（JCS-FMS-1），用于加工数控机床直流伺服电机中的主轴、端盖、法兰盘、壳体和刷架体等，它由5台国产加工中心、日本富士电机公司的AGV（自动导引车）及4台日本产的机器人组成，其控制系统由

3、FANUC提供，据分析它的投资回收期约为两年半。 1983年1985年，在国家的支持下北京第一机床厂、湖南江麓机床厂、郑州纺织机械厂、广西柳州开关厂等一些单位分别率先从德国、日本进口了国内第一批FMS。,4,专业倾力,1985年后在国家机电部“七五”重点科技攻关项目的支持和国家863高技术发展计划自动化领域的工作的带动下，FMS得到极大的重视和发展，进入了自行开发和部分进口的交叉阶段。 1988年北京机床研究所为天津减速机厂提供的加工减速机机座的JCS-FMS-2系统是全部自行开发和配套的，它标志着我国已具有自主开发FMS系统的实力。 近几年来，国内一些经济实力比较雄厚的工厂（北京第一机床厂，

4、上海第二纺织机械厂，天津减速机总厂，山西经纬纺织机械厂等），为实施CIMS，又进口了一些国外的FMS系统。,5,专业倾力,柔性制造系统组成,柔性制造系统,加工系统,物流系统,控制与管理系统,加工设备,辅助设备,检测设备,工件流,刀具流,过程控制,过程调度,过程监视,以任意顺序自动加工多种工件，自动更换工件和刀具，增加功能后可实现工件自动清洗与测量等,满足可变节拍生产的物料自动识别、存储、输送和交换的要求。可实现刀具的预调和管理等,加工系统和物流系统的自动控制和作业协调，在线资料自动采集和处理，运行仿真及故障诊断等,6,专业倾力,7,专业倾力,8,专业倾力,综上所述，各种定义的描述方法虽然有所不

5、同，但都反映了FMS应具备以下特点： 硬件组成： （1）两台以上的数控机床或加工中心以及其他加工设备，包括测量机、清洗机、动平衡机、各种特种加工设备等。 （2）一套能自动装卸的运输系统，包括刀具储运和工件及原材料储运。具体结构可采用传输带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘站等。 （3）一套计算机控制系统及信息通信网络。 软件组成： （1）FMS的运行控制系统 （2）FMS的质量保证系统 （3）FMS的数据管理和通信网络系统,9,专业倾力,2、柔性制造系统的类型、应用,FMS适用于中小批量的生产，既要兼顾对生产率和柔性的要求，也要考虑系统的可靠性和机床的负荷率。因此，就产生了三种类型的

6、FMS：,a)互替式 b)互补式 c)混合式,10,专业倾力,FMS 机床配置形式与特征比较,说明：这些配置主要取决于机床功能、FMS的物料流和信息流，而并非取决于加工设备的物理布局。,11,专业倾力,FMS 机床配置形式,配备可互相替换机床的FMS 这一类FMS采用多个同构的或可互相替换的机床构成FMS。例如，由八台加工中心、一个贮料系统和一条往复式物料运输线及计算机控制设备构成FMS。 在该类系统中，工件可以被送到适合加工它的任一台加工中心上；由计算机根据各台机床任务量和状态对机床分配加工零件，每台机床都有自动换刀装置，并可完成部分或全部加工工序。 此类FMS的最大优点是当设备发生故障时系

7、统只须局部停机即可，但由于机床种类单一，可能会造成加工能力不足或造价过高。,12,专业倾力,配备互补机床的FMS 这一类FMS通过物料运储系统将数台不同的NC机床连接起来，使不同机床的工艺加工能力可以互补。 工件通过安装站进入系统，然后在计算机控制下从一个工作站到另一工作站，按顺序加工，每台机床所完成的工序数取决于工件的设计和机加工艺，不同的零件可采用不同的机床加工。 这类FMS比较经济，且加工能力互补，但一旦设备出现故障可能因影响到系统的加工能力而造成系统停机。可采用后备机床弥补这一不足。,13,专业倾力,混合式FMS 这在一个FMS中包含不同类的机床，但每一类机床又都有多台机床存在。 在实

8、际使用中，很少有前两类FMS，通常采用两类的综合方式，即在一个FMS中包含不同类的机床，但每一类机床又都有多台机床存在。这样，不同类机床可相互互补加工能力，又可避免因单台设备故障造成系统瘫痪。只是在系统控制上更加复杂一些。,14,专业倾力,不同类型的柔性制造设备 柔性制造模块（FMM）相当于功能齐全的加工中心。 柔性制造单元（FMC）小型FMS，由1-2台机床组成，自动更换刀具，自动上下工件。 柔性制造系统（FMS）控制与管理功能比FMC强，管理通信要求高。 柔性制造生产线（FML）数控组合机床设备，专用性强、生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用FMS。 柔性制造工

9、厂（FMF）全企业范围生产管理、设计开发、加工制造和物料运储全盘自动化。,15,专业倾力,柔性制造系统的应用,16,专业倾力,实际柔性制造生产线,17,专业倾力,3、FMS的加工系统,加工系统的功能与要求： 加工系统是FMS的最基本的组成部分，也是FMS中耗资最多的部分，担任把原材料转化为最终产品的任务。 具体要求如下： （1）工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数； （2）控制功能强、扩展性好； （3）高刚度、高精度、高速度； （4）自保护与自维护性好； （5）使用经济性好； （6）对环境的适应性与保护性好。,18,专业倾力,加工系统中常用的加工设备简介,目前FMS的加工对象主要有两大类： （

10、1）棱柱体类 （2）回转体类 加工中心 加工中心（Machining Center，MC）是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。 （1）棱柱体类：常用镗铣加工中心 （2）回转体类：常用车削加工中心,19,专业倾力,卧式加工中心,20,专业倾力,1、刀库 2、回转刀架 3、换刀机械手 4、上下工件机器人 5、工件存储站,车削加工中心,21,专业倾力,4、FMS的物料运储系统,FMS的物料运储系统组成 工件装卸站 设在FMS入口，由人工完成装卸； 托盘缓冲站 工件中间存储站，起缓冲物料作用； 物料存储装置 自动化仓库、自动料架、缓冲料架； 物料运送装置 负责

11、在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间物料搬运作业。 （1）传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损； （2）自动运输小车：分有轨小车、无轨小车； （3）搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。,22,专业倾力,FMS物料输送基本回路 直线输送回路 沿直线路线单向或双向移动，顺序地在各个连接点停靠； 环形输送回路 运载工具沿环形路线单向或双向移动； 网状输送回路 由多个回路相互交叉组成，可由一条环路移动到另一回路。,23,专业倾力,自动化仓库 货 架 为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。 堆垛机 由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动电动机以及传感器构成的三维搬

12、运设备。 控制与管理系统 负责物料信息的登录、识别，物料自动存取，仓库管理。,24,专业倾力,自动化仓库示意图,25,专业倾力,FMS的刀具管理系统,刀具运储系统的组成 刀具预调站 设在FMS之外，按要求对刀具进行装配和调整； 刀具装卸站 是刀具进出FMS入口，多为排架式框架结构； 刀具库系统 存放当前加工所需的机床刀库，容量小；存放各加工单元共享的中央刀库，容量大； 刀具运载交换装置 负责刀具运输和交换，适时向加工单元提供所需刀具； 计算机控制管理系统 控制刀具运输、存储和管理，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或寿命已耗尽的刀具。,26,专业倾力,刀具运储系统作业过程,刀具刃磨 人工组装,

13、刀具 预调,刀具 装卸站,中央 刀具库,需重磨或报废刀具,加工单元刀库,加工单元刀库,加工单元刀库,27,专业倾力,5、FMS的控制系统,FMS控制与管理系统的体系结构 递阶控制结构：将复杂系统分层分模块设置，各层相对独立，便于系统的开发和维护。 递阶控制特点：愈往底层，实时性愈强；愈到上层，处理信息量愈大，实时性要求愈小。 FMS三层递阶控制结构 系统管理与控制层（单元控制层）-接受上级任务，制 定系统作业计划，进行任务分配，监控系统执行； 过程协调与监控层（工作站层）-加工程序分配、协调 工件流动、运行状态采集监控、向上层反馈信息； 设备控制层-控制设备工作循环，执行上层控制指令， 反馈现场数据。,28,专业倾力,单元控制器,铣削工作站,车削工作站,物流管理工作站,CNC No1,CNC No2,PLC,自动化仓库,AGV,ROBOT,刀具管理,.,CNC No1,CNC No2,PLC,.,单元层,工作站层,设备层,FMS递阶控制结构