柔性制造系统

通过信息联系，构成完整的系统，以减少全局 控制的难度和控制软件开发的难度。 FMS的递阶控制结构一般采用三层：
控制系统的特点
在上述三级递阶控制结构中，每层的信息流都 是双向流动的：向下可下达控制指令，分配控制任 务，监控下层的作业过程；向上可反馈控制状态， 报告现场生产数据。 在控制的实时性和处理信息量方面，各层控制 计算机是有所区别的：愈往底层，其控制的实时性 要求愈高，而处理的信息量则愈小；愈到上层，其 处理信息量愈大，而对实时性要求则愈小。
配备可互相替换机床的FMS


系统中的机床可以互相代替，工件可 被送到适合加工它的任一台加工中心 上。计算机的存储器存有每台机床的 工作情况，可以对机床分配加工零件、 一台加工中心可以完成部分或全部加 工工序。 从系统的输出和输入看，它们是并联 环节，因而增加了系统的可靠性，同 时这种配置形式具有较大的柔性和较 宽的工艺范围，可以达到较高的机床 利用率。
FMS的产生过程

FMS的雏形源于美国MALROSE公司，该 公司在1963年制造了世界上第一条多品种 柴油机零件的数控生产线。
FMS的概念由英国MOLIN公司最早正式提 出，并在965年取得了发明专利，1967年 FMS正式形成。

FMS的发展状况

FMS是先进制造技术的一部分，在欧美、 日本、俄罗斯有较大的发展； 1985年世界各国已投入运行的FMS有500多 套，88年近800套，90年超过1000套，目前 约共有4000多套FMS在运行； 我国是1984年开始研制FMS，1986年从日本 引进第一套FMS。
加工设备选择的原则

设备应该是可靠的、自动化的、高效率的和高柔 性的。选择时需考虑该FMS加工零件的尺寸范围、 经济效益、零件工艺性、加工精度和材料。 FMS上待加工的零件族决定着各加工设备（如加 工中心）所需要的功率、加工尺寸范围和精度。 此外，设备还会受物料运储系统连接问题限制。
加工中心都具有刀具存储能力，采用斗笠式、鼓 形和链形等各种形式的刀库。为满足柔性制造， 通常加工中心具有一定的刀库容量。
盘式刀库示例
三、刀具的监控和信息管理


刀具的监控：主要是为了及时了解每时每刻 在使用的大量刀具因磨损、破损而发生的性 质变化。主要从刀具寿命、刀具磨损、刀具 破损以及其他形式的刀具故障等方面进行。 加工系统的刀具监控分加工前、加工中、加 工后三个时间段。加工前和加工后的监控通 常采用离线直接测量法，加工中的监控主要 采用在线间接测量法，因而要求检测方法快 速、准确、稳定、可靠。
钩手式、抱手式、伸缩式、叉手式等四种机械手
加工中心机床自动换刀方式
l）顺序选刀方式
将所需使用的刀具按加工顺序，依次放入刀库的每个刀座内。每次换刀 时，刀座按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需的刀具。
2）刀座编码方式
对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的 刀座中，然后根据刀座编码选取刀具。
臂，储刀数量有限，通常为6~8把。 扩展性好、在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。 一般仅用于轻便简单机型，常见于车削中心和钻削中心。
加工中心的刀库有转塔式、链式和盘式 等基本类型。

链式刀库：储存的刀具数量多，选刀、取刀动作简便，
大型刀库通常采用此种方式，一般刀具数在30~120把。当增 加链条长度时就可增加刀具数，刀库结构有较大的灵活性。
柔性制造系统技术
第一节 FMS概述
FMS产生的背景条件
一、随着经济的发展和消费水平的提高，人 们更注重产品的不断更新和多样化，中小 批量、多品种生产已成为机械制造业的一 个重要特征；
二、科学技术的迅猛发展推动了自动化程度 和制造水平的提生了第一台三坐标数控 铣床以后，机电一体化及数控（NC）的概 念出现了。 机电一体化技术进一步发展，出现了计算 机数控（CN）、计算机直接控制（又称群 控）（DNC）、计算机辅助制造（CAM）、 计算机辅助设计（CAD）、成组技术 （GT）、计算机辅助工艺规程（CAPP）、 工业机器人技术（ROBOT）等新技术。
镗铣加工中心

是自身带有刀库和自动换刀装置（ATC） 的一种多工序数控机床。
工件经一次装夹后，能完成铣、镗、钻、 铰、攻螺纹等多种工序的加工，并且有多 种选刀或换刀切能，从而使生产效率利自 动化程度大大提高。

美国White Sundstrand公司生产的 OMNIMIL80系列加工中心
第四节 FMS的刀具管理系统
FMS的刀具数据库层次结构
第五节、FMS的控制系统
控制系统的结构 ： 通常采用递阶控制的结构形式，即通过对系统 的控制功能进行正确、合理地分解，划分成若干层
次，各层次分别进行独立处理，完成各自的功能， 层与层之间在网络和数据库的支持下，保持信息交 换，上层向下层发送命令，下层向上层回送命令的 执行结果。
（2）减少直接劳动工人数 （3）产品质量高而稳定 （4）减少在制品库存量 （5）投资高、风险大，开发周期长、管理水 平要求高。
FMS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，FMS被定义为：“柔性制 造系统（Flexible Manufacturing System，简称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。它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进行调整，适用于多品 种、中小批量生产。” 美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔 性制造系统定义为：“使用计算机控制柔性工作站和集 成物料运储装置来控制并完成零件族某一系列工序的， 或一系列工序的一种集成制造系统。”
FMS的产生过程

在这些新技术的基础上，为多品种、小批 量生产的需要而兴起的柔性自动化制造技 术得到了迅速的发展，作为这种技术具体 应用的柔性制造系统（FMS）、柔性制造 单元（FMC）和柔性制造自动线（FML） 等柔性制造设备纷纷问世，其中柔性制造 系统（Flexible Manufacturing System， FMS）最具代表性。
刀具流的组成及运行过程
刀具交换——加工中心的自动换刀


自动换刀装置自动换刀装置应当满足换刀 时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀 具储存量、刀库占地面积小以及安全可靠 等基本要求。 机械手是一种最常见的自动换刀装置，因 为它灵活性大、换刀时间短。
常用换刀机械手



常用双臂式机械手的手爪结构形式有钩手、 抱手、伸缩手和叉手四种。（见下页） 这些机械手都能够完成抓刀、拔刀、回转、 换刀以及返回等全部动作过程。 有些加工中心为降低成本，不用机械手而 是直接利用主轴头的运动机能换刀。


加工系统中常用加工设备简介



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。它的最大特点是工 序集中和自动化程度高，可减少工件装夹次数， 避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助 时间，实现高质、高效加工。 常见加工中心按工艺用途可分为镗铣加工中心、 车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心 及磨削加工中心等。 加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式 加工中心、卧式加工中心、立卧两用（也称万能、 五面体、复合）加工中心。
控制系统的任务——工作站层计算机
这层计算机主要是协调各种设备的操作。 它需要作出如下的决策：
① ② ③ ④ ⑤


FMS的主要特点：柔性和自动化

柔性，是指制造系统对系统内部及外部环 境的一种适应能力，也是指制造系统能够 适应产品变化的能力，可分为瞬时、短期 和长期柔性三种。 凡具备上述三种柔性特征之一的、具有物 料或信息流的自动化制造系统都可以称为 柔性自动化。

FMS的次要特点：
（1）设备利用率高，占地面积小
不同时间段的刀具监控方法
刀具磨损的监测方法
刀具破损的主要监测方法
刀具的信息管理




FMS中的刀具信息可以分为动态信息和静态信息两个部分。 所谓动态信息是指在使用过程中不断变化的一些刀具参数， 如刀具寿命、工作直径、工作长度以及参与切削加工的其 它几何参数。这些信息随加工过程的延续，不断发生变化， 直接反映了刀具使用时间的长短、磨损量的大小、对工件 加工精度和表面质量的影响。 而静态信息是一些加工过程中固定不变的信息，如刀具的 编码、类型、属性、几何形状以及一些结构参数等。 为便于刀具信息的输入、检索、修改和输出控制，FMS以 数据库形式对刀具信息进行集中的管理，其数据库模式通 常采用四层次式结构。
加工系统是FMS最基本的组成部分，也是FMS 中耗资最多的部分，FMS的加工能力很大程度 上是由它所包含的加工系统所决定的。
加工系统的要求
（l）工序集中 （2）控制功能强、可扩展性好 （3）高刚度、高精度、高速度 （4）使用经济性好 （5）操作性好、可靠性好、维修性好 （6）具有自保护性和自维护性 （7）对环境适应性与保护性好 （8）其他如技术资料齐全，机床上的各种显 示、标记等清楚，机床外形、颜色美观且与 系统协调。
配备可互相替换机床的FMS 混合式FMS。


配备互补机床的FMS


这类FMS中，通过物料运储系统将数台NC机 床连接起来，不同机床的工艺能力可以互补， 工件通过安装站进入系统，然后在计算机控 制下从一台机床到另一台机床，按顺序加工。 工件通过系统的路径是固定的。 特点：非常经济，生产率较高，能充分发挥 机床的性能。从系统的输入和输出的角度看， 互补机床是串联环节，它减少了系统的可靠 性，即当一台机床发生故障时，全系统将瘫 痪。
控制系统的任务——中央管理计算机
负责全面的管理工作和支持FMS按计划的调度和控制 （1）控制系统方面主要用来向下层实时地发送控制 命令和分配数据。 （2）监控系统方面主要用来实时采集现场工况，把 收集的信息看作系统的反馈信号，以它们为基础作出 决策，控制被监控的过程。 （3）监测系统方面主要用来观察系统的运行情况， 将所收到的信息登录备用，计算机将利用这些信息定 期打印报告，供决策系统检索。