柔性制造系统及其应用实例

1随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑战。这种挑战不仅对中小企业形成了威胁，而且也困扰着国有大中型企业。因为，在大批量生产方式中，柔性和生产率是相互矛盾的。众所周知，只有品种单一、批量大、设备专用、工艺稳定、效率高，才能构成规模经济效益；反之，多品种、小批量生产，设备的专用性低，在加工形式相似的情况下，频繁的调整工夹具，工艺稳定难度增大，生产效率势必受到影响。为了同时提高制造工业的柔性和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本，是终使中小批量生产能与大批量生产抗衡，柔性自动化系统便应运而生。自从1954年美国麻省理工学院第一台数字控制铣床诞生后，70年代初柔性自动化进入了生产实用阶段。几十年来，从单台数控机床的应用逐渐发展到加工中心、柔性制造单元、柔性制造系统和计算机集成制造系统，使柔性自动化得到了迅速发展。柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，英文缩写为FMS。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制。故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产，并能及时地改变产品以满足市场需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。它具有设备利用率高、生产能力相对稳定、产品质量高、运行灵活和产品应变能力大的优点。一、柔性制造系统及其组成1.柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem）简称FMS，是在计算机统一控制下，由自动装卸与输送系统将若干台数控机床或者加工中心连接起来而构成的一种适合于多品种、中小批量生产的先进的制造系统。图1所示是典型的2FMS示意图：图1柔性制造系统从图1可以看出，FMS一般由5个功能系统构成。1）自动加工系统。一般由2台以上的数控机床、加工中心或柔性制造单元（FMS）以及其他的加工设备构成。2）自动物流系统。该系统包括运送工件、刀具、冷却润滑液等加工过程所需“物资”的搬运装置以及装卸工作站。3）自动仓库系统。由设置在搬运线始端或末端的自动仓库和设在搬运线内的缓冲站构成，用以存放毛坯、半成品和成品。4）自动监视系统。由各种传感器检测和识别整个FMS及各分系统的运行状态，对系统进行故障诊断和处理，保证系统的正常运行。5）计算机控制系统。实现对FMS的运行控制、刀具管理、质量控制及数据管理和网络通信。2.由以上可见，FMS具有如下功能：1）系统完全由计算机控制和管理，可以通过重新编制机床操作程序进而加工多种不同的零件。系统采用NC控制为主的多台加工设备和其他生产设备，可以在已有的机床上提供零件加工所需要的全部工具。2）系统中党的加工设备和生产设备通过物料输送装置连接，可以实现工件工厂计算机中央计算机物流控制计算机信息传输网络加工单元1加工单元2加工单元n自动仓库运输小车工具夹站……3在不同机床间的流动传递，并实现工件的自动加、卸载。3.FMS具有如下特点1）制造柔性高。FMS因内在的灵活性，能适应由于市场需求变化和工程设计变更所出现的变动，进行多品种生产。2）设备利用率高、占地面积少。设备的利用率一般可达70%以上，系统布局紧凑，占地面积可减少20%~50%。3）产品质量高且稳定。FMS采用全自动化加工，减少了人为因素，保证了产品的质量。4）减少制品数量、缩短生产准备时间。在FMS中，加工设备集中在一个很小的场地内，各种工序集中在加工中心，减少了零件装夹次数和零件经过的机床数目。5）维持生产能力强。当一台或几台机床发生故障时，仍可降级运转。6）减少直接工时费用。由于机床是在计算机的控制下进行工作的，不需要工人去操作。7）投资高、风险大，开发周期长，管理水平高。二、柔性制造系统的类型按规模大小FMS可分为如下4类：（1)柔性制造单元(FMC)：FMC的问世并在生产中使用约比FMS晚6-8年。它是由12台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成具有适应加工多品种产品的灵活性。FMC可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向发展和一种产物。其特点是实现单机柔性化及自动化。迄今已进入普及应用阶段。(2)柔性制造系统(FMS)：通常包括4台或更多台全自动数控机床(加工中心与车削中心等)。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、中小批量的加工及管理。(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4(DCS)为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，迄今已进入实用化阶段。(4)柔性制造工厂(FMF)：FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。它包括了CAD／CAM。并使计算机集成制造系统(ClMS)投入实际实现生产系统柔性化及自动化。进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。FMF是自动化生产的最高水平。反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统(IMS)为代表。其特点是实现工厂柔性化及自动化。二、柔性制造系统的应用实例（一拖实习）1、FMS在加工回转类零件中的应用1）加工对象为轴、盘类零件。2）加工系统为以5台国产数控机床为基础模块（CNC车床2台，数控磨床1台，立式和卧式加工中心各一台）与4台搬运型工业机器人结合构成的加工单元。3）物流系统采用自动认址感应式无轨小车，机床前设有托板站，系统设有平面托板存储库。4）控制系统。A.中央管理系统（MAINCPU）：总体管理和决策控制。由计算机（CPU）通过光缆LAN与各单元、物流系统、控制机和自动编程机等联成控制网络。B.单元控制装置（CCU）：单元生产过程控制。C.搬运控制和管理装置（MCU）：物流控制。D.计算机数控（CNC）：切削加工控制。E.其他：中心孔清洗和工业监视电视系统等装置。2、FMS在箱体加工中的应用1）加工对象为箱体类零件。2）加工系统是由3台立式数控机床和7台加工中心结合构成的加工单元。3）物流系统采用无轨导向小车自动完成零件的运送。4）控制系统。5A.中央管理系统（MAINCPU）：总体管理和决策控制。B.单元控制装置（CCU）：单元生产过程控制。C.搬运控制和管理装置（MCU）：物流控制。D.计算机数控（CNC）：切削加工控制。E.其他：托盘库和装卸站。零件的识别采用托盘库里托盘编码方式识读。在装卸站由工人完成零件装卸，采用无轨导向车自动完成零件的运送。零件加工切削由地下冷却液和切削系统集中处理，冷却液可循环利用。机床主轴和机床刀库之间自动换刀，机床刀库和外界换刀、测量和检验都是在每道工序加工完成后由人工进行。采用本系统后，获得的主要效益是提高机床利用率50%，缩短生产周期35%。提高了产品的质量，保证了产品质量的一致性。3、拖拉机零件加工用柔性制造系统1）加工对象：约10种拖拉机变速箱体，批量为50~2000件。材料是压铸铝件、铸铁件和压铸铸铁件等。2）系统概要：它是以加工中心为主体组成的柔性制造系统。设备有加工中心6台，数控双头铣床1台，清洗装置1台，数控自动测量机1台，搬运设备1套，控制装置1套，中央显示屏2套。A.加工工序：鉴于该柔性线的工件是箱体类，铣削加工多，因此，为了提高切削效率，配备了高刚性双端面铣床。另外还配备了数控自动测量机，用气动内径测量内径，并把测量结果反馈给系统，以确保加工质量。B.自动传送装置：采用环形驱动式辊子传送带。在工件装卸传送带处，工人把工件装到循环托盘上。每个循环托盘设有编码器，通过读取该编码器的相应号，可以知道装在循环托盘上的工件种类、批量号、加工工序以及该循环托盘的去向，并可调出相应的加工程序进行加工。三、柔性制造系统的组建柔性加工线在工艺安排上，应尽可能将零件中同一面上，加工定位基准相同、精度等级相同或相近的孔，安排在同一工序中加工，即工序集中。工序集中后，加工中心应考虑刀具库容量能否满足加工要求；模块化钻床应考虑各钻轴在主轴箱中能否排开。总之，要综合考虑各种影响因素。柔性加工设备的加工节拍，要满足生产要求。按照被加工零件的工艺要求，6在初步安排好柔性线中各加工工序的加工内容、加工顺序及所用加工设备后，应逐道工序计算工序节拍，确保工艺方案的工艺节拍协调一致，满足生产要求。FMS加工中心应有很大的刀具储备量，使用的加工刀具，不仅要有较高的精度，而且还要有较好的精度保持性，尽量利用耐用度高的新刀具和通用刀具。同时为保证实现加工中心刀库和后备刀库刀具的顺利交换，加工中心刀库换刀点的刀座位置也必须要有较高的要求。FMS中所用的夹具，应尽可能设计成柔性组合式夹具，夹具能够方便的调整和使用，以提高柔性加工线的产品加工能力，节约夹具制造费用。FMS的加工中心或数据控制设备，应选用易掌握的，并且可靠性、统一性都比较高的数控系统。一个FMS中，可能同时使用不同厂家制造的加工设备或者同一厂家制造的不同型号的加工设备。这些不同厂家、不同型号的加工中心或数控设备，应选用相同的数控系统，以便于加工编程、系统维护和数控操作。各种设备的程序控制器应带有统一的计算机输入接口，以方便程序的输入和调试。四、结束语柔性制造技术是集数控技术、计算机技术、机器人技术以及现代生产管理技术于一体的先进制造技术。随着科技、经济的发展和人民生活水平的提高，多品种、中小批量生产已成为机械制造业一个重要的发展趋势，FMS作为一种高效率、高精度的制造系统，已成为当今乃至今后机械自动化发展的重要方向之一。柔性制造系统的发展趋势大致有两个方面。一方面是与计算机辅助设计扣辅助制造系统相结合，利用原有产品系列的典型工艺资料，组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统。另一方面是实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化，特别是管理层次自动化的计算机集成制造系统。在这个大系统中，柔性制造系统只是它的一个组成部分。