柔性制造系统技术的现状与发展趋势

吉林大学机械工程张永胜2010414002两个重点1.知道什么是“柔性制造（系统）”;2.知道FMS在企业里是怎么应用的。本课主要内容一FMS相关背景三经典案例二FMS详解四结束语一FMS相关背景机械制造业被称为“日不落行业”，是因为它始终不渝的陪伴着人类，随着人类社会的形成、进步而产生发展。随着时代的发展，人类向机械制造的精度和效率不断提出更高要求，随之，在19世纪后半叶，机械制造业推出了机械制造自动化系统，其中，“柔性”制造自动化系统就是一个颇具代表性的系统，简称FMS。FMS是现代先进制造技术的一部分，在欧美、日本、俄罗斯有较大的发展，而其在我国还正处于发展的过程中。1.1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。2.同年，美国的怀特·森斯特兰公司建成OmnilineI系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。日本、前苏联、德国等也都在60年代末至70年代初，先后开展了FMS的研制工作。3.1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(简称FMC)，为发展FMS提供了重要的设备形式。柔性制造单元(FMC)一般由1～2台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。4.70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期已进入实用阶段，其中以由3～5台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。5.1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。6.需要强调的是，我国第一条自行研发的完整意义的FMS是在1996年，由原国防科工委组织、南京理工大学、长春55研究所、绵阳58研究所联合承研。近些年来，一些基于FMS的先进生产模式如：计算机集成制造系统（CIMS）、智能制造系统（IMS）、精良生产（LP）、敏捷制造（AM）也发展的很迅速。柔性制造总的趋势是，生产线越来越短，越来越简，设备投资越来越少；中间库存越来越少，场地利用率越来越高，成本越来越低；生产周期越来越短，交货速度越来越快；各类损耗越来越少，效率越来越高。可见，实现柔性制造可以大大地降低生产成本，强化企业的竞争力。既然柔性制造是一种全新的和高境界的制造理念，因此，它值得我们以持续改善的精神去创造去思考。二FMS详解1.柔性制造系统的定义：关于“柔性制造系统”，国际上尚没有对其作出一个统一的公认定义，其中很有代表性是我们“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（FlexibleManufacturingSystem，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。”通俗地，用老百姓的话说：“FMS”这玩意比较灵活，不那么刚性十足，它可以按市场需求，柔软地完成多种小批量生产任务。2.柔性制造系统的基本组成我们说，一个制造系统被称为柔性制造系统，至少应该包括三个基本部分：加工系统、物流系统以及控制管理系统。即毛坯、工件、刀具的存储、输送、交换系统FMS组成结构图控制整个系统的运行即由NC等组成的设备物流系统FMS微观层次宏观层次加工系统计算机控制（管理）系统FMS的详细框图FMS实物图1FMS实物图23.FMS的加工系统加工系统担任把原材料转化为最终产品的任务，是实际完成改变物性任务的执行系统.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。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。4.FMS的刀具管理系统的组成：刀具管理系统的功能和柔性程度直接影响到整个FMS的柔性和生产率。刀具管理系统主要负责刀具的运输、存储和管理，适时地向加工单元提供所需的刀具，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或耐用度已耗尽的刀具，在保证正常生产的同时，最大程度地降低刀具的成本。典型的FMS的刀具管理系统通常由刀库系统、刀具预调站、刀具装卸站、刀具交换装置以及管理控制刀具流的计算机组成。加工中心机床自动换刀方式：（1）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。（3）刀具编码方式采用特殊结构的刀柄，并对每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置，根据数控系统发出的换刀指令代码，在刀库中寻找所需要的刀具。这种装刀换刀方便，刀库容量减小，还可避免因刀具顺序的差错所造成的事故。5.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。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：最高层：车间计算机中央管理计算机中间层:制造单元计算机Xi物流计算机设备层：CNC、机器人自动导引小车（AGV）自动仓库6.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。7.实施FMS的过程中应注意的问题（1）实施FMS的基本原则1）应与企业的经营计划和发展方向挂钩，做到目标明确、资金落实。2）具体地、仔细地分析企业的技术力量和需求，做到技术落实。3）分析引进设备后对生产管理方面的影响，做到组织落实。4）制定与设备引进相关的人才培训计划，做到人员落实。（2）加工对象的选择与分析选择FMS的加工对象时应考虑如下因素：1）多品种、中小批量、形状类似的工件（降低成本）。2）总附加价值高的工件（提高质量、缩短交货期、有可观的利润）。3）被切削性好、切屑处理容易、加工任务稳定的工件（易于无人值守自动加工）。4）加工部位的形状和切削条件稳定的工件（易于数控加工）。5）加工工序可大幅度集约的工件（缩短产品开发、研制周期，适合数控加工）。（3）实施方法实施方法可采用外购、用户与制造厂家共同研制开发、用户自行开发三种方式。不管采用哪一种方式，应首先考虑用户现有设备、现有技术和特长的应用与发展。（4）设备投资费用的预算FMS投资费较高，在技术上选用适合于用户的最佳系统的同时，还须在经济上对系统设备投资进行核算，筛选出对企业经营最合适的系统。（5）系统的扩展性由于很多不可预测的因素，如生产计划的变动、加工对象种类的增加等，实施时应充分考虑系统的可扩展性。8.实施FMS的运行步骤：FMS运行可以分成两大步：（1）准备阶段1）设备安装与系统调试的准备。2）工件毛坯的准备。3）工装夹具的准备。4）刀具的准备。5）数控加工程序的准备。6）系统操作实习。（2）系统调试与运行初期1）严格把关，反复测试，确保系统及系统中所有设备的软、硬件性能均满足设计要求。2）在系统运行初期，应仔细观察、认真分析，找出系统的各种异常现象和原因，采取必要的改进措施，提高系统的稳定性。3）制定相应的管理制度和使用规程，以强化操作人员的责任心，方便管理，防止事故。4）总结经验，探求系统的最佳使用方法，提高系统应用水平。三经典案例奇瑞公司——发动机二厂的轴类生产线奇瑞公司的“发动机二厂”是根据汽车制造业多品种、柔性化生产的需求而建造的一个具有国际领先水平的现代化柔性工厂。该工厂在产品设计时就采用同步工程并充分预留后期产品的共用性，以便根据市场及产品需求，在生产线上共线生产多个品种。其中，发动机二厂的轴类生产线是由高精度加工中心、CNC自动车床和全自动磨，以及抛光、清洗及检测等各个制造单元FMC所组成的柔性制造系统FMS。凸轮轴生产线内的机床选用了Siemens840D、FANUC（发那科）18i这些目前顶尖的系统来实现FMS的自动控制；通过奇瑞的技术人员与机床、控制系统开发商的共同研究，在原有平台上新扩展和开发了多种控制功能和软件。例如端面加工单元，其控制系统为Siemens840D，为了配合多品种生产所需的大容量刀具存储单元以及高速切削中的刀具寿命管理，Siemens数控系统中增加了ARTIS刀具检测软件，在切削过程中检测主轴电机扭矩的变化，通过仿真及对比来监控刀具状态，确保加工的可靠性及稳定性。同时，生产线的自动控制系统还扩展了主动检测功能，在切削过程中实时对加工尺寸进行检测，并将数据反馈至控制系统，随机修正切削参数，以保证加工精度。运储技术直接关系到FMS的自动化程度以及可靠性，影响生产线的物流、开通率及品种切换周期等。轴类生产线利用高速龙门式机械手以及带工件识别功能的中转料仓组成了生产线的运储系统，机械手在X轴的运行速度可达120m/min，同时能够根据各个加工单元发送的上料信号，在控制系统中通过高速、高精度的计算，在0.01s内确定出最优化路径的上料次序，保证生产线的加工节拍。凸轮轴生产线的运储系统还考虑到高湿环境以及地区地基的特点，增加了温度的自动补偿以及地基下沉补偿功能。系统能够周期性地检测外界环境的变化以及自身精度的差异，通过系统中模块化软件的计算，进行自我诊断及补偿，减少定位偏差。凸轮轴生产线能够共线加工多种型号的凸轮轴，加工范围覆盖了长度范围300～600mm的三缸/四缸汽/柴油发动机用凸轮轴，可以说建立这样一条柔性生产线，相当于建立了7条以上的传统凸轮轴线，其意义已不仅是一个柔性制造系统，而是一个凸轮轴制造集中厂。温度、地基补偿运储技术控制功能共线加工FMS四结束语面对计算机技术、通信技术、检测技术及传感器技术的飞速发展，刀具芯片自动识别技术、模块化夹具及机床的广泛应用，以及市场多元化需求的增加，FMS正在发挥越来越大的作用。目前，我国FMS领域已经迈出了坚实的步伐，但较西方国家而言，我们的FMS还有不少提升空间，这离不开我们机械行业各位同志的开拓创新和努力拼搏。“现代制造”的科学技术领域将会给大家提供一个广阔的舞台，所以，只要同学们抓住机会，辛辛苦苦学习，踏踏实实做事，我们的未来一定会美好无比。一言以蔽之，“极目前程春尚好，扬波东海傲江湖。”