柔性制造系统

柔性制造系统（FMS）

一、概述

1.发展历史

1967年美国Molins公司制造首条FMS即System-24以及1970年美国K&T公司推出的飞机和拖拉机零件的多品种，小批量生产的自动线被人们公认为是世界上FMS的起源。FMS 的出现解决了在离散型工业生产中一直试图解决而未能解决的经常变换品种的中小批量生产自动化的问题。20多年来，FMT及FMS受到世界各国广泛重视，发展迅速并日趋成熟。79年代后期到80年代是FMS在世界上蓬勃发展的时期，1982年美国芝加哥国际机床展览会和日本11界大阪国际机床展鉴会充分说明了FMS已从试验阶段进入实用阶段并已开始商品化。美国、日本等工业发达国家都先后推出了一些大型的FMS的发展计划，耗资往往为几千万乃至上亿元，与此同时，考虑到企业的经济承受能力及投资风险性，也推出不少小型、经济型的FMS。70年代后期FMS及以后的独立制造的岛、P-FMS的出现，使企业的柔性化找到了一条经济、实用又可留有发展余地的道路。同时FMS的概念也已向其他生产领域移植，如从机械加工扩展到钣金、冲压、电火花加工、焊接、铸造等领域，从机械加工业扩展到服装。食品等行业等等。

FMS是数控机床或设备自动化的延伸，FMS的一般定义可以用以下三方面来概括：FMS是一个计算机控制的生产系统；系统采用半独立的NC机床；这些机床通过物料输送系统连成一体。其中，数控机床提供了灵活的加工工艺，物料输送系统将数控机床互相联系起来，计算机则不断对设备的动作进行监控，同时提供控制作用并进行工程记录，计算机还可通过仿真来预示系统各部件的行为，并提供必要的准确的量测。FMS的基本组成随侍加工工件及其他条件而变化，但是系统的扩展必须以模块结构为基础。用于切削加工的FMS主要由四部分组成：若干台数控机床、物料搬运系统、计算机控制系统、系统软件。FMS的柔性可以从几方面评价，如图

生产柔性

工艺柔性

设备柔性工序柔性生产柔性

流程柔性批量柔性

扩张柔性

柔性制造自动化技术包含FMS的四个基本部分中的自动化技术，及自动化的加工设备、自动化的刀具系统。自动化物流系统以及自动化控制欲管理系统，还包括各组成部分之间的有机结合和配合即物流和信息流集成技术以及人们与系统集成技术。FMT大致包括下列内容：规划设计自动化、设计管理自动化、作业调度自动化、加工过程自动化、系统监控自动化、离散事件动态系统（DEDS）的理论与方法、FMS的体系结构、FMS系统管理软甲技术、FMS中的计算机通信和数据库技术。

FMT及FMS发展之所欲迅猛，是因其高效率、高质量和高柔性三者于一体，解决了数百年来中小批量哥中大批量多品种和生产自动化之技术难题，FMS的问世和发展确实是机械制造业

生产和管理上的历史性变革，FMT和FMS能有力的支持企业实现优势。高效、低成本、短周期的竞争优势，已成为现代集成制造系统必不可少的基石和支柱。

2.发展趋势

(1)利用技术相对成熟的标准化模块去构造不同用途的系统。

(2)FMC功能进一步发展和完善：FMC比MC功能全，比FMS规模小。投资少、可靠，也便于连成功能课扩展的FMS。

(3)FMS效益显著，有向小型化、多功能化方向发展。

(4)在已有的传统组合机床及其自动线基础上发展起来了FTL，用计算机控制管理，保留了组合机床模块结构和高效特点，有加入了数控技术的有限柔性。

向集成化、自能化方向发展。

3、定义

柔性制造系统（简称FMS）是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产的变化迅速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。（依据：中华人民共和国国家军用标准－武器装备柔性制造系统术语）

二、FMS的功能

(1)能自动控制和管理零件的加工过程，包括制造质量的自动控制、故障的自动诊断和处理、制造信息的自动采集和处理；

(2)通过简单的软件系统变更，便能制造出某一零件族的多种零件；

(3)自动控制和管理物料（包括工件与刀具）的运输和存储过程；

(4)能解决多机床下零件的混流加工，且无需增加额外费用

(5)具有优化的调度管理功能，无需过多的人工介入，能做到无人加工。

三、FMS组成和结构

它主要由三部分组成:

(1)多台数控加工设备;

(2)可以在装夹工位、加工设备、交换工作站之间运送及储存工件的运储系统;

(3)相应的计算机控制系统。同时还可以配置切屑收集、工件清洗等配套设备。

按规模大小柔性制造系统FMS可分为如下4类:

(1)柔性制造单元(FMC)通常由单台数控加工设备、上下料机构构成。FMC可视为一个规模最小的FMS，其特点是实现单机柔性化及自动化。

(2 )柔性制造系统(FMS)通常包括多台数控机床，由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及治理。

(3)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。

(4) 柔性制造工厂(FMF)是由计算机系统和网络，通过制造执行系统MES将设计、工艺、生产治理及制造过程的所有柔性单元FMC、柔性线FMS连接起来，配以自动化立体仓库，实现

从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整的数字化制造过程。它将制造、产品开发及经营治理的自动化连成一个整体，是以信息流控制物质流的智能制造系统(IMs)为代表，其特点是实现整个工厂的柔性化及自动化

四、FMS的运行

1、硬件环境

1)制造设备：数控加工设备（如加工中心）、测量机、清洗机等；

(2)自动化储运设备：传送带、有轨小车、AGV、搬运机器人、立体库、中央托盘库、物料或刀具装卸站、中央刀库等；

(3)计算机控制系统及网络通信系统。

2、软件环境

操作系统、网络操作系统、数据库管理系统等。

3、运行过程

动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统，物料（工件和刀具）管理控制系统等

五、FMS国内外著名产品介绍

1、南京航空航天大学CMS工程研究中心在九十年代购置的一套柔性制造系统，它主要用于学生的教学和培训。这套系统经过多次改造，现在能够正常的运行。主控计算机与单元控制器之间由RS485口进行通信，用来传送数据和检查是否传送有误另外也有总体检查，以防止信号内的噪声干扰。FMS系统配有托盘传输系统在自动化制造单元之间进行毛坯和零件的传递，每个托盘都有唯一的标识码，由装在托盘站的传感器进行检测，零件的差别意味着要改变加工过程。托盘码有奇偶检验位，防止识别错误，使得传送更加可靠。托盘站用于将零件从输送带传送至加工单元。

这套FMS教学系统主要由以下设备组成：

1)自动化物料仓库（automatic storage and retrieval system ,AS/RS）,

它主要完成毛坯和成品的储存。

2)传送带（conveyer）,它是一个环形物料传送设备，具有缓冲能力，把工件传

送至各个工作站。

3)CNC车削中心(CNC Lathe)，它完成工件的车削加工。

4)CNC铣削加工(CNC Mill)，它完成工件的铣削加工。

5)机器人1(Robert1)，它完成在自动化物料仓库与传送带之间的传递。

6)机器人2(Robert2)，它完成工件在传送带，车削中心和铣削中心之间的传递。

7)设备控制计算机，在此计算机上安装了威达工控设计的工业控制卡，它对应

的每一个FMS设备都有相应的I/O点，与设备进行交互，并且，在此计算机上还实现了一个针对此工业控制卡的OPC Server，对外提供了标准的控制接口。

8)中央控制计算机。在FMS监控系统的支持下，实现对系统的管理、调度和

控制。

2、郑州纺织机械股份有限公司于1994年引进日本村田钣金FMS柔性加工系统，是我国引进的第一条真正意义上的钣金FMS柔性加工系统，该生产线主要有计算机CAPP/CAM编程系统、DATABAN K数据库远程控制系统、108工位立体仓库、C-3000HYB

数控激光转塔复合冲床（40工位、1500W激光）、SABER-9000直角剪床以及物流系统，分拣系统等组成，联线生产时最大加工板材规格2500mm*1250mm，最大加工板厚6,3mm

3、天津减速机厂用于机座加工的JCS-FMS-2，于1990年由重庆大学与北京机床研究所联合研制而成，并通过863/CIMS专家联合组织的鉴定。它在单元层计算机控制管理下，自动完成静态、动态调度等十几项功能。

4、1985年北京机床研究所从日本富士通引进JCS-FMS-1用于旋转体加工。

六、FMS应用实例

1、柔性单元(FMC)的应用

目前在小巨人公司有6种形态的柔性单元在使用。

(1)带棒料输送器的柔性加工单元(QTN200M/500U)

棒料输送机将一根长棒料通过中空卡盘送人机床，车铣复合加工机床按照预定程序进行加工，加工完的工件由工件收集器收集并放人储物箱或传送带。棒料输送机根据机床数控系统发出的动作信号继续送料，开始第二个工件的加工。

(2)带自动下料机的柔性加工单元(INT200SY)

机床本身配有切割机与机床并列错位摆放，机床将一根长棒料按照已经编好程序，切成需要的原材料，自动送进机床，然后机床按照已经设好的程序进行工件的加工(车铣复合、利用主副双主轴多工序同时加工)，全部加工完成后切割机的上下料装置再将加工完成的工件取出，放到传送带上送出，并再送人原材料，依此类推，实现连续自动加工。机床的自动加工效率较高，机床开动率可达75%，无人运转时间8h以上。

(3)倒立车构成的柔性加工单元(IVS200)

倒立车主轴与卡盘采用倒立设计，适用于短轴及盘类零件加工。本单元采用MAZAK公司的WS20倒立式数控车配双排并列环形回转传送装置构成。输送装置一排放置成品，一排放置毛坯料，利用主轴与卡盘倒立的特性，将主轴与卡盘在上下料时当机械手使用。工件加工完成后，主轴及卡盘夹持工件沿X轴向移动到传送带上方，将工件放下，再次移动到并列摆放的毛坯料上方，夹持毛坯料返回刀塔上方，开始下一工件的加工。传送带移动，换上新的毛坯料及工件存放位置。此单元将主轴及卡盘的夹持功能及X轴的位移在装卸工件时转换成机械手使用，巧妙地构造出了一种独特的柔性加工单元。

(4)带机械手的柔性加工单元(INT400GL)

由MAZAK公司INT400GL复合加工设备及FLEX-GL300F机械手构成。机械手最大夹持重量30kg，最大夹持尺寸40mm。加工设备五轴联动，车铣复合，带自动中心架和自动尾架。将已经下好的材料排放在机床的托盘上，机械手自动进行上料，上料完成后机床自动进行加工。一次性装卡加工同一工序的所有车铣部位，铣削主轴，X、Y、Z、B、C可同时加工，精度高，机床行程大，尾架和中心架均能够通过程序自动控制，通过自动找正机构找正，保证工件装卡平整，工件装卡相位通过红外测头进行角度检测，有效地保证了加工质量。加工完成后机械手将已经加工好的工件卸下，以此类推。目前开动率可以达到70%以上，无人运转时间8h以上。

(5)带机器人的柔性自动加工单元(E-500H ROBOT)

由MAZAK公司INTe500/150多功能车铣复合加工设备及日本FANUC公司具有3D视觉识别系统的ROBOT900i350型机器人和托盘物流线构成。这个单元在我公司主要用于刀塔的加工，可以实现从毛坯到成品的完整工序加工。机器人搬运重量350kg。机器人对物流装置上的材料进行3D视觉识别(八角型毛坯)，确定夹持面后夹持送人机床内，INTe500/1500除了车削功能外，还具有与加工中心同等的铣削加工能力，铣轴最高转速10000r/min，相位通过红外测头自动检测，自动找正夹紧，一次装夹加工同一工序的所有车、铣部位，铣削主轴，x、y、z、B、c轴可同时加工。加工完成后机器人再将工件卸下，重新送人新的原材料，进行加工，依此类推。目前此单元可以达到开动率75%以上，在配备料塔的情况下，可以实现720h连续无人化运行。

(6)五面加工及大型工件柔性加工单元(V设备)

由MAZAK公司V08五面加工机及双交换工作台构成。五面加工机具有立、卧转换主轴，工件一次装卡可完成顶面和四个侧面所有工序的粗、精加工。一个工作台加工时，另一个工作台装卡工件，大幅度地缩短了作业预备时间，有效保证了工件的加工精度，保证机床能连续自动运行。目前机床均匀开动率可达77%，无人化运行时间8h以上。

以上几种FMC均由单机、上下料机构或机械手、机器人以及物料传送装置构成，没有专用的系统控制计算机。物流线、上下料机构、机器人有自己的控制装置，接收加工程序中的M 代码指令进行相关程序控制。

3 柔性制造系统FMS的应用

(1) FH6800平面FMS柔性系统

系统由5台MAZAK公司生产的FH6800型卧式加工中心、52个交换托盘、1台清洗机、1台自动上下料机器人，通过MAZAK公司的INETLLIGENTMAZATROLFMS主控单元控制实现系统控制(目前实际配置4台机床)。单机刀库106把刀。最大工作直径1050mm，最大工作高度1m，最大工作重量1500kg。主要担负中小零件的自动加工。具有刀具破损检测功能、红外线测头机内检测功能。5台机床刀具配置相同，采用冗余控制原则进行控制，系统自动安排加工任务至空闲机床。可同时实现72h连续运转，24h无人运转。

(2)FH8800立体FMS柔性系统

系统由3台MAZAK公司生产的FH880型卧式加工中心、36个交换托盘、1台两位置自动上下料机器人，一台清洗机，通过MAZAK公司的INTELLlEGNT MAZATROL FMS主控单元控制实现系统控制(目前实际配置1台机床)。

最大工作直径250mm，最大工作高度1250mm，最大工件重量2200kg。控制原理、特点同上一条线相同。主要担负中型箱体类零件的加工。但此条线交换托盘分上下两层立体放置，同样数目的交换托盘立体放置将大大节约柔性系统的占地面积。与传统的交换托盘平面放置系统相区别，此类FMS被称为立体FMS。系统可实现72h连续运转，24 h无人运转。

(3)0PT0-PATH柔性加工线

饭金加工柔性系统是FMS从传统的金属切削加工柔性系统发展出来的新领域的应用。系统由2台MAZAK公司生产的HG510激光切割机、ro层料库、上下料机械手、系统控制计算机构成，是从原材料运送到成品分检作业全部自动化完成的饭金激光切割机FMS系统。机械手根据系统指令从料库将需要的钢板送到激光切割机，激光切割机按照上传到数控系统中的展开及套裁图进行切割。激光头X、Y轴移动均由直线电动机驱动。由高质量的CCD照相机对激光头现在装有的喷嘴进行圆度和激光束是否在喷嘴中心进行检测，保证切割精度和正确性。机床配有4个激光头的存放位置，可以实现加工过程中进行随时更换，和对需要维护的激光头进行机外维护、保养、调整功能，保证加工过程不中断。激光切割机配置双交换工作台，保证了工作效率。由7200个单独配置的小吸盘组成的工件分检装置，能够依据CAD信息，自动适应工件的外形，单个吸盘分别进行ON/OFF控制的智能分检系统只对选中的工件进行吸附作业，将工件及边角料自动分离。

4 柔性制造工厂FMF的构成

小巨人机床有限公司是中国第一座智能网络化机床制造工厂。智能网络机床制造工厂构成如下:

小巨人所有技术治理通过PDM系统(Prduction Data Manaser:产品数据治理)对产品结构、设计变更、变更的历史进行治理和记录。PDM数据是核心数据，该数据是MRP系统进行订单分解的唯一依据，也是工艺系统、生产系统运行的主要数据来源。这个系统实现了产品相关数据的电子化、无纸化处理，为产品相关数据的共享提供良好的平台。生产现场的所有数据终端均可在PDM系统支持下工作。

(2)计算机网络

小巨人公司内的每一个角落都被计算机网络所覆盖。网络联通到每一台加工设备、柔性单元、柔性系统、物流中心、数字化丈量终端、饭金、装配的信息终端，售后服务在产品网络功能的基础上实现了在线服务(online)系统。构成了一个庞大的信息神经系统。信息流、数据流高速、实时交换，为各种指令的迅速下达、各种信息的及时反馈提供了可靠而有效的手段。

(3)具有网络功能的数字化生产制造设备

小巨人主要生产设备由具有强大网络功能的单机数控加工设备、数十个加工柔性单元FMC、3台加工柔性线FMS、2条饭金生产柔性线FMS等生产设备、自动立体库为主的物流系统、自动粉体涂装线、品质保证数字化丈量系统等构成。生产设备均使用了先进的MazatrolFusion640数控系统，这种融合PC和CNC的64位数控系统可实现更深层次的机电一体化和工厂治理一体化。该数控系统所提供的独占的双向通讯功能使得治理职员不仅可以通过网络直接向设备传送加工计划、加工程序、刀具数据等信息，而且还可以实现加工设备的实时远程监控。实现了作业日程安排、工艺治理以及数控机床运行状态的监控，使生产全过程控制实现了由车间级细化到每台数控机床。

(4)制造执行系统MES及其他治理系统

制造执行治理系统是企业CIMS信息集成的纽带，是实施企业灵敏制造战略和实现车间生产灵敏化的基本技术手段。执行系统的功能有三方面:第一，面向车间的生产过程治理与实施信息系统，它主要解决车间生产任务的执行题目;第二，为了进步车间生产过程治理的自动化和智能化水平，必须对车间生产过程进行集成化的治理，实现信息集成与共享，从而达到车间生产过程整体优化的目标;第三，通过MRI，系统输人的生产制造订单，把生产和计划实时地关联起来，成为连接两者的桥梁。小巨人公司应用的制造执行系统叫智能生产中心，缩写为CPC(Cyber Production Center智能生产中心)，它具有自动编程、智能日程治理、智能刀具治理和智能监控4个模块。

小巨人公司制造执行系统CCP的应用使工厂的生产和治理过程实现了并行化、网络化，大幅度降低了生产过程中的非加工时间，从而有效进步了生产效率，实现了作业日程安排、工艺治理、生产预备以及数控机床运行状态的监控，使生产全过程控制实现了由车间级细化到每台数控机床，保证了生产进度和生产本钱控制，使机床开动率大幅进步。

通过覆盖公司的计算机系统和网络，数字化产品结构、数字化生产设备及制造执行系统，将制造、产品开发、售前、售后服务及经营治理有机连接在一起，以信息流控制物质流，实现了整个工厂的柔性化及自动化，构筑起了一个现代化的柔性制造工厂。

参考文献

[1]王明耀，《机械制造技术》，机械工业出版社，2008年1月。

[2]任家隆，《机械制造技术》，机械工业出版社，2012年1月。

[3]沈向东，《柔性制造技术》，机械工业出版社，2013年4月。

[4]刘延林，《柔性制造自动化概论》，华中科技大学出版社，2010年6月