1、先進(jìn)制造技術(shù)課程大作業(yè) 2014 年 10 月 柔性制造系統(tǒng)原理與實(shí)踐 摘要：柔性制造系統(tǒng)的工作原理為系統(tǒng)接到上一級(jí)控制系統(tǒng)的有關(guān)生產(chǎn)計(jì)劃信息和技術(shù)信息后，由其信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理、分配，并按照所給程序?qū)ξ锪飨到y(tǒng)進(jìn)行控制。fms 具有高度復(fù)雜性，不僅涉及到工件、刀具、夾具等的管理同時(shí)還要自動(dòng)地完成物料流、刀具流及工位的控制。 關(guān)鍵詞：柔性制造 原理 控制 0 前言* 制造（manufacturing）是人類所有經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基石，是人類歷史發(fā)展和文明進(jìn)步的動(dòng)力?，F(xiàn)代制造技術(shù)所涉及的內(nèi)容及其廣泛，學(xué)科跨度大，有計(jì)算機(jī)數(shù)控（cnc） 、計(jì)算機(jī)輔助制造（cam） 、柔性制造系統(tǒng)（fms）等。 從

2、20 世紀(jì) 60 年代開始到 20 世紀(jì) 70 年代，計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床（cnc 機(jī)床）在自動(dòng)化領(lǐng)域中取代了機(jī)械式或液壓式的自動(dòng)機(jī)床。在 cnc 機(jī)床上，只要改變程序就可加工新的工件，處理加工對(duì)象的靈活性很大，而所需調(diào)整的時(shí)間卻很少，它為柔性制造系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。隨著人們將自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到中、 小批量生產(chǎn)領(lǐng)域，結(jié)合自動(dòng)流水線與 nc 機(jī)床的特點(diǎn)，將 nc 機(jī)床與物料輸送設(shè)備通過計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來， 形成一個(gè)系統(tǒng)，來解決中等批量、中等規(guī)模品種以及小批量生產(chǎn)領(lǐng)域的問題，就形成所謂的“柔性制造系統(tǒng)（flexible manufacturing information system）

3、” 。 fms 涉及的領(lǐng)域包括機(jī)床、電子技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等。 1 柔性制造系統(tǒng)的定義 在我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中， fms 被定義為:柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物流貯運(yùn)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，它包含多個(gè)柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進(jìn)行調(diào)整，適用于多品種、中小批量的生產(chǎn)。 美國制造工程師協(xié)會(huì)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)和應(yīng)用協(xié)會(huì)把柔性制造系統(tǒng)定義為：使用計(jì)算機(jī)控制、柔性工作站和集成物料運(yùn)貯裝置來控制，并完成工件族某一工序或一系列工序的一種集成制造系統(tǒng)。 由于柔性制造系統(tǒng)還在發(fā)展中，其概念尚無統(tǒng) 一的定義，但綜合起來可以認(rèn)為：柔性制造系統(tǒng)在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)和制造技術(shù)的基礎(chǔ)上

4、，通過計(jì)算機(jī)軟件科學(xué)，把工廠生產(chǎn)活動(dòng)中的自動(dòng)化設(shè)備有機(jī)的集合起來，打破設(shè)計(jì)和制造的界限，取消圖紙、工藝卡片，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)相互結(jié)合而成的，適用于中、小批量和較多品種生產(chǎn)的高柔性、高效率的制造系統(tǒng)。 2 fms 的組成、工作原理及特點(diǎn) 2.1 fms 的一般組成 柔性制造系統(tǒng)可概括為由下列三部分組成：多工位的數(shù)控加工系統(tǒng)，自動(dòng)化的物料貯運(yùn)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制的信息系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。 圖 1 fms 的結(jié)構(gòu)框圖 1.加工系統(tǒng) 加工系統(tǒng)的功能是以任意順序自動(dòng)加工各種工件，并能自動(dòng)地更換工件和刀具。通常由若干臺(tái)對(duì)工件加工的 cnc 機(jī)床和所使用的刀具構(gòu)成。 月 2014 年 10 月 劉

5、磊：柔性制造系統(tǒng)原理與實(shí)踐 2 fms 的加工能力由它所擁有的加工設(shè)備決定。而 fms 里的加工中心所需要的功率、加工尺寸范圍和精度則由待加工的工件族決定。由于箱體、框架類工件在采用 fms 加工時(shí)經(jīng)濟(jì)效益特別顯著，故在現(xiàn)有的 fms 中，加工箱體類工件的 fms 占得比重較大。 2.物流系統(tǒng) 在 fms 中工件、工具流統(tǒng)稱為物流，物流系統(tǒng)即物料貯運(yùn)系統(tǒng)，是柔性制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。一個(gè)工件從毛坯到成品的整個(gè)過程中，只有相當(dāng)小的一部分時(shí)間在機(jī)床上進(jìn)行切削加工，大部分時(shí)間消耗在物料貯運(yùn)的過程中。合理的選擇物料貯運(yùn)系統(tǒng)，可以大大的減少物料的運(yùn)送時(shí)間，提高整個(gè)系統(tǒng)的柔性和效率。 物料系統(tǒng)一般

6、有三部分組成： （1） 輸送系統(tǒng) 建立各加工設(shè)備之間的自動(dòng)化聯(lián)系。 （2） 貯存系統(tǒng) 具有自動(dòng)存取機(jī)能， 用以調(diào)節(jié)加工節(jié)拍的差異。 （3） 操作系統(tǒng) 建立加工系統(tǒng)同物流系統(tǒng)和貯存系統(tǒng)之間的自動(dòng)化聯(lián)系。 3.控制與管理系統(tǒng) 控制與管理系統(tǒng)包括過程控制、過程調(diào)度及過程監(jiān)控三個(gè)系統(tǒng)?？刂婆c管理系統(tǒng)的核心是一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用分局控制結(jié)構(gòu)，即 fms 中的信息由多級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和控制，其主要任務(wù)是：組織和指揮制造流程，并對(duì)制造流程進(jìn)行控制和監(jiān)視； 向 fms 的加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)提供全部控制信息并進(jìn)行監(jiān)視，反饋各種在線監(jiān)測數(shù)據(jù)， 以便修正控制信息， 保證安全運(yùn)行。2.2

7、fms 的工作原理 fms 的模型和原理框圖如圖 2 所示。 fms 工作過程可以這樣來描述，柔性制造系統(tǒng)接到上一級(jí)控制系統(tǒng)的有關(guān)生產(chǎn)計(jì)劃信息和技術(shù)信息后，由其信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理、分配，并按照所給程序?qū)ξ锪飨到y(tǒng)進(jìn)行控制。 物料庫和夾具庫根據(jù)生產(chǎn)的品種及調(diào)度計(jì)劃信息提供相應(yīng)品種的毛坯，選出加工所需的夾具。毛坯的隨行夾具由輸出系統(tǒng)送出。工業(yè)機(jī)器人或自動(dòng)裝卸機(jī)按照信息系統(tǒng)的指令和工件及夾具的編碼信息，自動(dòng)識(shí)別和選擇所裝卸的工件及夾具，并將其安裝到相應(yīng)的機(jī)床上。 圖 2 fms 的模型及其原理框圖 機(jī)床的加工程序識(shí)別裝置根據(jù)送來的工件及加工程序編碼，選擇所需的加工程序，并進(jìn)行檢驗(yàn)。全部加工完畢

8、后，由裝卸及運(yùn)輸系統(tǒng)送人成品庫，同時(shí)把加工質(zhì)量、數(shù)量信息送到監(jiān)視和記錄裝置，隨行夾具被送回夾具庫。 中央計(jì)算機(jī)控制著系統(tǒng)中物料的循環(huán)，執(zhí)行進(jìn)度安排、調(diào)度和傳送協(xié)調(diào)等功能。它不斷收集每個(gè)工位上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和其他制造信息，以便做出系統(tǒng)的控制決策。 2.3 fms 的特點(diǎn) 柔性制造系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)化的制造系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在柔性和效益兩個(gè)方面。 （1）系統(tǒng)柔性 1） 可在同一時(shí)間內(nèi)隨機(jī)的加工零件， 可根據(jù)市場的要求快速的組織生產(chǎn)，適應(yīng)市場的能力強(qiáng)。 2） 系統(tǒng)中個(gè)別設(shè)備發(fā)生故障時(shí)， 可通過控制系統(tǒng)的調(diào)度，用其他設(shè)備代替，而不致影響生產(chǎn)。 3）具有無人看管、自動(dòng)運(yùn)行的能力。日班將準(zhǔn)備工作做好， 晚班無需

9、人的照管， 系統(tǒng)可自動(dòng)運(yùn)行。 （2）系統(tǒng)效益 1） 充分提高了機(jī)床的利用率， 顯著縮短了生產(chǎn)周期，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)力。fms 中減少了工序中零件積存數(shù)量，縮短了零件等待加工的時(shí)間。 2） 減少了工序間制品的數(shù)量， 提高零件加工質(zhì)量。fms 通過工序集中在加工中心上進(jìn)行，減少了工件裝夾的次數(shù)及所需的設(shè)備量。fms 具有高度的自動(dòng)化水平、較少的裝夾次數(shù)、較少的使用設(shè)備都有利于提高單個(gè)零件加工質(zhì)量。 3）減少操作人員。 月 2014 年 10 月 劉 磊：柔性制造系統(tǒng)原理與實(shí)踐 3 3 柔性制造系統(tǒng)實(shí)踐 柔性制造系統(tǒng)是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、面向車間的開放式集成制造系統(tǒng)， 是 cims 的制造單元和重要基礎(chǔ)

10、。fms 的控制系統(tǒng)具有高度復(fù)雜性，主要表現(xiàn)為：它不僅涉及到工件、刀具、夾具托盤、工藝規(guī)程、數(shù)控程序以及加工設(shè)備等基本數(shù)據(jù)的管理，進(jìn)行制定作業(yè)計(jì)劃所要求的混合分批、負(fù)荷平衡、加工準(zhǔn)備等數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜工作，同時(shí)還必須按照加工資源與優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行作業(yè)的靜態(tài)調(diào)度與動(dòng)態(tài)調(diào)度， 從而自動(dòng)的完成物料流、 刀具流與工位的控制。因而系統(tǒng)具有大量的集成信息和復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，要求有調(diào)度和監(jiān)控上的實(shí)時(shí)性和功能分布上的并發(fā)性， 同時(shí)又必須具有能向 cims 擴(kuò)展的開放性。 這里主要以汕頭大學(xué)的一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型et-fms-i 柔性制造系統(tǒng)為例， 簡單的介紹它的信息流支持系統(tǒng)、物流支持系統(tǒng)、自動(dòng)化加工系統(tǒng)。 （1）

11、fms 信息流支持系統(tǒng) 1）fms 中的信息流以及網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu) 2）fms 中的 novell net ware 結(jié)構(gòu) 3）集成化 fms 的建模與 petri 網(wǎng)結(jié)構(gòu) 4）fms 實(shí)時(shí)調(diào)度與控制決策 5）fms 視覺系統(tǒng) （2）fms 物流傳輸支持系統(tǒng) 1）物料傳輸系統(tǒng)（mhs） 2）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)及路徑編程 （3）fms 自動(dòng)加工系統(tǒng) 1）cnc 機(jī)床自動(dòng)化加工 2）編制車削中心的程序 3）車削中心的操作 4）編制加工中心的程序 5）加工中心的操作 6）dnc 加工 4 結(jié)論 柔性制造系統(tǒng)由于其本身具有以隨機(jī)次序接受任何數(shù)量的零件加工， 所以它不同于其他制造系統(tǒng)。但由于其系統(tǒng)的組成受諸

12、多方面因素的影響，發(fā)展 呈現(xiàn)出階梯性的特點(diǎn)。 （1） 柔性制造單元得到大力發(fā)展 柔性制造單元發(fā)展初期被認(rèn)為是初級(jí)的、 簡單的柔性制造系統(tǒng)，但經(jīng)過多年來的應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，由于柔性制造單元的投資少、柔性高，深受企業(yè)的歡迎，發(fā)展速度相當(dāng)驚人。 特別是隨著局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，fmc 具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。 這些都非常適合中小型企業(yè)提高市場適應(yīng)能力。同時(shí)，很多企業(yè)又不斷的進(jìn)行總結(jié)，使柔性制造單元的功能和應(yīng)用范圍得到提高與擴(kuò)大，從而使它的應(yīng)用領(lǐng)域從機(jī)械制造向其他領(lǐng)域擴(kuò)展。 （2） 柔性加工原理在其他制造方法中得到推廣 柔性制造的最大的優(yōu)點(diǎn)是合理安排機(jī)床、人員，快速適應(yīng)市場，這種思想對(duì)于改造傳統(tǒng)企業(yè)的生產(chǎn)方式也同樣有作用。企業(yè)不可能一步到位地全部采用cn