柔性制造系统原理与实践

1、先进制造技术课程大作业 2014 年 10 月 柔性制造系统原理与实践 摘要：柔性制造系统的工作原理为系统接到上一级控制系统的有关生产计划信息和技术信息后，由其信息系统进行数据信息的处理、分配，并按照所给程序对物流系统进行控制。fms 具有高度复杂性，不仅涉及到工件、刀具、夹具等的管理同时还要自动地完成物料流、刀具流及工位的控制。 关键词：柔性制造 原理 控制 0 前言* 制造（manufacturing）是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。现代制造技术所涉及的内容及其广泛，学科跨度大，有计算机数控（cnc） 、计算机辅助制造（cam） 、柔性制造系统（fms）等。 从

2、20 世纪 60 年代开始到 20 世纪 70 年代，计算机控制的数控机床（cnc 机床）在自动化领域中取代了机械式或液压式的自动机床。在 cnc 机床上，只要改变程序就可加工新的工件，处理加工对象的灵活性很大，而所需调整的时间却很少，它为柔性制造系统打下了良好的基础。随着人们将自动化生产技术的发展重点转移到中、 小批量生产领域，结合自动流水线与 nc 机床的特点，将 nc 机床与物料输送设备通过计算机联系起来， 形成一个系统，来解决中等批量、中等规模品种以及小批量生产领域的问题，就形成所谓的“柔性制造系统（flexible manufacturing information system）

3、” 。 fms 涉及的领域包括机床、电子技术、机器人技术等。 1 柔性制造系统的定义 在我国有关标准中， fms 被定义为:柔性制造系统是由数控加工设备、物流贮运装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包含多个柔性制造单元，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、中小批量的生产。 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贮装置来控制，并完成工件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统。 由于柔性制造系统还在发展中，其概念尚无统 一的定义，但综合起来可以认为：柔性制造系统在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上

4、，通过计算机软件科学，把工厂生产活动中的自动化设备有机的集合起来，打破设计和制造的界限，取消图纸、工艺卡片，是产品设计、生产相互结合而成的，适用于中、小批量和较多品种生产的高柔性、高效率的制造系统。 2 fms 的组成、工作原理及特点 2.1 fms 的一般组成 柔性制造系统可概括为由下列三部分组成：多工位的数控加工系统，自动化的物料贮运系统和计算机控制的信息系统，其结构框图如图 1 所示。 图 1 fms 的结构框图 1.加工系统 加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动地更换工件和刀具。通常由若干台对工件加工的 cnc 机床和所使用的刀具构成。 月 2014 年 10 月 刘

5、磊：柔性制造系统原理与实践 2 fms 的加工能力由它所拥有的加工设备决定。而 fms 里的加工中心所需要的功率、加工尺寸范围和精度则由待加工的工件族决定。由于箱体、框架类工件在采用 fms 加工时经济效益特别显著，故在现有的 fms 中，加工箱体类工件的 fms 占得比重较大。 2.物流系统 在 fms 中工件、工具流统称为物流，物流系统即物料贮运系统，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。一个工件从毛坯到成品的整个过程中，只有相当小的一部分时间在机床上进行切削加工，大部分时间消耗在物料贮运的过程中。合理的选择物料贮运系统，可以大大的减少物料的运送时间，提高整个系统的柔性和效率。 物料系统一般

6、有三部分组成： （1） 输送系统 建立各加工设备之间的自动化联系。 （2） 贮存系统 具有自动存取机能， 用以调节加工节拍的差异。 （3） 操作系统 建立加工系统同物流系统和贮存系统之间的自动化联系。 3.控制与管理系统 控制与管理系统包括过程控制、过程调度及过程监控三个系统。控制与管理系统的核心是一个分布式数据库管理系统和控制系统，整个系统采用分局控制结构，即 fms 中的信息由多级计算机进行处理和控制，其主要任务是：组织和指挥制造流程，并对制造流程进行控制和监视； 向 fms 的加工系统、物流系统提供全部控制信息并进行监视，反馈各种在线监测数据， 以便修正控制信息， 保证安全运行。2.2

7、fms 的工作原理 fms 的模型和原理框图如图 2 所示。 fms 工作过程可以这样来描述，柔性制造系统接到上一级控制系统的有关生产计划信息和技术信息后，由其信息系统进行数据信息的处理、分配，并按照所给程序对物流系统进行控制。 物料库和夹具库根据生产的品种及调度计划信息提供相应品种的毛坯，选出加工所需的夹具。毛坯的随行夹具由输出系统送出。工业机器人或自动装卸机按照信息系统的指令和工件及夹具的编码信息，自动识别和选择所装卸的工件及夹具，并将其安装到相应的机床上。 图 2 fms 的模型及其原理框图 机床的加工程序识别装置根据送来的工件及加工程序编码，选择所需的加工程序，并进行检验。全部加工完毕

8、后，由装卸及运输系统送人成品库，同时把加工质量、数量信息送到监视和记录装置，随行夹具被送回夹具库。 中央计算机控制着系统中物料的循环，执行进度安排、调度和传送协调等功能。它不断收集每个工位上的统计数据和其他制造信息，以便做出系统的控制决策。 2.3 fms 的特点 柔性制造系统是一个自动化的制造系统，其主要特点表现在柔性和效益两个方面。 （1）系统柔性 1） 可在同一时间内随机的加工零件， 可根据市场的要求快速的组织生产，适应市场的能力强。 2） 系统中个别设备发生故障时， 可通过控制系统的调度，用其他设备代替，而不致影响生产。 3）具有无人看管、自动运行的能力。日班将准备工作做好， 晚班无需

9、人的照管， 系统可自动运行。 （2）系统效益 1） 充分提高了机床的利用率， 显著缩短了生产周期，提高了劳动生产力。fms 中减少了工序中零件积存数量，缩短了零件等待加工的时间。 2） 减少了工序间制品的数量， 提高零件加工质量。fms 通过工序集中在加工中心上进行，减少了工件装夹的次数及所需的设备量。fms 具有高度的自动化水平、较少的装夹次数、较少的使用设备都有利于提高单个零件加工质量。 3）减少操作人员。 月 2014 年 10 月 刘 磊：柔性制造系统原理与实践 3 3 柔性制造系统实践 柔性制造系统是一个以网络为基础、面向车间的开放式集成制造系统， 是 cims 的制造单元和重要基础

10、。fms 的控制系统具有高度复杂性，主要表现为：它不仅涉及到工件、刀具、夹具托盘、工艺规程、数控程序以及加工设备等基本数据的管理，进行制定作业计划所要求的混合分批、负荷平衡、加工准备等数据处理的复杂工作，同时还必须按照加工资源与优化目标进行作业的静态调度与动态调度， 从而自动的完成物料流、 刀具流与工位的控制。因而系统具有大量的集成信息和复杂的控制结构，要求有调度和监控上的实时性和功能分布上的并发性， 同时又必须具有能向 cims 扩展的开放性。 这里主要以汕头大学的一个典型的实验教学模型et-fms-i 柔性制造系统为例， 简单的介绍它的信息流支持系统、物流支持系统、自动化加工系统。 （1）

11、fms 信息流支持系统 1）fms 中的信息流以及网络通信结构 2）fms 中的 novell net ware 结构 3）集成化 fms 的建模与 petri 网结构 4）fms 实时调度与控制决策 5）fms 视觉系统 （2）fms 物流传输支持系统 1）物料传输系统（mhs） 2）工业机器人控制系统及路径编程 （3）fms 自动加工系统 1）cnc 机床自动化加工 2）编制车削中心的程序 3）车削中心的操作 4）编制加工中心的程序 5）加工中心的操作 6）dnc 加工 4 结论 柔性制造系统由于其本身具有以随机次序接受任何数量的零件加工， 所以它不同于其他制造系统。但由于其系统的组成受诸

12、多方面因素的影响，发展 呈现出阶梯性的特点。 （1） 柔性制造单元得到大力发展 柔性制造单元发展初期被认为是初级的、 简单的柔性制造系统，但经过多年来的应用，人们发现，由于柔性制造单元的投资少、柔性高，深受企业的欢迎，发展速度相当惊人。 特别是随着局部网络技术的发展与应用，fmc 具有很强的扩展性。 这些都非常适合中小型企业提高市场适应能力。同时，很多企业又不断的进行总结，使柔性制造单元的功能和应用范围得到提高与扩大，从而使它的应用领域从机械制造向其他领域扩展。 （2） 柔性加工原理在其他制造方法中得到推广 柔性制造的最大的优点是合理安排机床、人员，快速适应市场，这种思想对于改造传统企业的生产方式也同样有作用。企业不可能一步到位地全部采用cn