柔性制造系统FMS

1、柔性制造系统（FMS）1 .概述1.1柔性制造系统的发展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。同年，美国的怀特森斯特兰公司建成Omniline I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在少品种、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

2、年代初，先后开展了 FMS的研制工作。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12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。70年代末期，柔性制造系统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35台设备组成的柔性制造系统为最多，但也有规 模更庞大的系统投入使用。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5

3、0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。这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一 步。与此同时，还出现了若干仅具有柔性制造系统的基本特征，但自动化程度不很完善的经济型柔性制造系统 FMS，使柔性制造系统FMS的设计思想和技术成 果得到普及应用。迄今为止，全世界有大量的柔性制造系统投入了应用，仅在日本就有175套完整的柔性制造系统。国际上以柔性制造系统生产的制成品已经占到全部制成 品生产的75%以上，而且比率还在增加。1.2柔性制造系统的定义柔性制造系统（简称 FMS）是由数控加

4、工设备、物料储运装置和计算机控 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 生产的变化迅速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。（依据：中华人民共和国国家军用标准一武器装备柔性制造系统术语）美国国家标准局（UnitedStates National Bureau of Standards）认为是：“由一个传输系统联系起来的一些设备（通常是具有换刀装置的加工中心）。传输装置把工件放在托盘或其它联 接装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速和自动。中央计算机控制机床 和传输系统，可同时加工几种不同的工件”。它的出现标志了机械制造行业进入了一个新的发展阶段，克服了原来机

5、械生 产线只适合于大批量生产的刚性特征， 能够适应中小批量、多品种的柔性生产方 式，而且将手工操作减少到最低，具有很高的自动化特征。随着社会对多品种、 中小批量产品的认同，对短生产周期、低制造成本的需求增加，加上微电子技术、 计算机技术、通信技术、机械与控制设备技术的日益成熟， 柔性制造技术得到了 广泛的应用。2 . FMS的功能及优点2.1 FMS的功能(1) 能自动控制和管理零件的加工过程，包括制造质量的自动控制、故障的自 动诊断和处理、制造信息的自动采集和处理；(2) 通过简单的软件系统变更，便能制造出某一零件族的多种零件；(3) 自动控制和管理物料(包括工件与刀具)的运输和存储过程；(

6、4) 能解决多机床下零件的混流加工，且无需增加额外费用；(5) 具有优化的调度管理功能，无需过多的人工介入，能做到无人加工。2.2 FMS的优点采用柔性制造系统有许多优点，主要有以下几个方面：1) 设备利用率高一组机床编入柔性制造系统后的产量，一般可达这组机床在单机作业时的三 倍。柔性制造系统能获得高效率的原因，一是计算机把每个零件都安排了加工机 床，一俟机床空闲，即刻将零件送上加工，同时将相应的数控加工程序输入这台 机床。二是由于送上机床的零件早已装卡在托盘上 （装卡工作是在单独的装卸站 进行），因而机床不用等待零件的装卡。2）减少设备投资由于设备的利用率高，柔性制造系统能以较少的设备来完成

7、同样的工作量。 把车间采用的多台加工中心换成柔性制造系统，其投资一般可减少三分之二。3）减少直接工时费用由于机床是在计算机控制下进行工作，不需工人去操纵。唯一用人的工位是装卸站。这就减少了工时费用。4 ）减少了工序中在制品量，缩短了生产准备时间和一般加工相比，柔性制造系统在减少工序间零件库存数量上有良好效果。 有的减少了 80%。这是因为缩短了等待加工时间5 ）改进生产要求有快速应变能力柔性制造系统有其内在的灵活性，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。而且还能在不明显打乱正常生产计划的情况下， 插入备件和急件制造任务。6 ）维持生产的能力许多柔性制造系统设计成具

8、有当一台或几台机床发生故障时仍能降级运转 的能力。即采用了加工能力有沉余度的设计， 并使物料传送系统有自行绕过故障 机床的能力，系统仍能维持生产。7）产品质量高减少零件装卡次数，一个零件可以少上几种机床加工，设计更好的专用夹具， 更加注意机床和零件的定位都有利于提高零件的质量。8) 运行的灵活性运行的灵活性是提高生产率的另一个因素。有些柔性制造系统能够在无人照 看的情况下进行第二和第三班的生产。9) 产量的灵活性车间平面布局规划得合理，需要增加产量时，增加机床，以满足扩大生产能 力的需要。2.3 FMS柔性的体现机床的柔性，系统中的机床通过配置相应的刀具、夹具、NC程序等，即可加工给定零件族中

9、的零件。生产需求发生变化时，系统可以方便地扩展、收缩 或重构。(2) 加工柔性，以不同加工工序和工艺加工一个零件的能力或在给定的一个工艺规划下以不同的加工路线实现零件的加工 (制造工作站间和加工功能间的互 换和替代)。(3) 产品的柔性，能够经济和迅速地转变生产产品。(4) 零件流动路线柔性，系统在加工零件过程中出现局部故障时，能重新选择工件路径并继续加工。(5) 产量柔性，运行系统适应不同产量并具有好的操作效益。(6) 扩展的柔性，能够在需要时容易地、模块化地扩展系统的可能性。(7) 操作柔性，能对每一种零件改变工序顺序。(8) 生产柔性，FMS能够生产各类零件。(9) 故障控制柔性，当系统

10、中的设备出现故障时，制造系统对故障的处理能力3. FMS的分类3.1按系统的规模(1) FMC柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)般是由12台数控机床、加工中心、工业机器人及物料运输存贮设备等组成。 数控加工设备间由小规模的 工件自动运输装置连接，并由计算机对它们进行生产控制和管理， 具有适应加工 多品种产品的灵活性。可将其视为一个规模最小的FMS，系统对外设有接口，可与其它单元组成FMS。它是FMS向廉价化小型化方向发展的一种产物。FMC 问世并应用于生产比FMS晚68年。其特点是实现单机柔性自动化，迄今已 进入普及应用程度。FMC有两大类：加工中心配上托盘

11、交换系统 APC (Automatic Pallet Changer)(3-1 )具有托盘交换系统的 FMC数控机床配工业机器人(3-2 )由NC机床和 ROBOT组成的FMC(2) FMSFMS通常包括4台或更多的数控加工设备(加工中心与切削中心等、FMM 或FMC，是由FMC为子系统构成的系统。FMS的控制、管理功能也比FMC 强，对数据管理与通信网络的要求更高。由集中的控制系统及物料系统连接起来， 可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工管理。FMS是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。(3) FML柔性制造生产线(Flexible Manufacturing Line)是处

12、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。它是以离散型生产中 的FMS和连续性生产过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是实现 生产线柔性化及自动化，但柔性较低，专用性较强、生产率较高、生产量较大， 相当于数控化的自动生产线，一般用于少品种、中批量生产。因此，可以说FML 相当于专用FMS,对物料系统的柔性要求低于FMS，但生产效率更高。(4) FMF柔性制造工厂(Flexible ManufacturingFactory )是以FMS为子系统构成，柔性制造由FMS扩大到全厂范围。配以自动化立体仓库，用计算机系统进 行有机的联系，采用从订货、设计、加工、装

13、配、检验、运送至发货的完整FMS< 实现全厂范围内的生产管理过程、 设计过程、制造过程和物料运储过程的全盘自 动化，即实现自动化工厂的目标。3.2按应用对象分类(1) 切削加工FMS(2) 钣金加工FMS(3) 焊接FMS(4) 柔性装配系统等4. FMS的组成和结构4.1 FMS的组成柔性制造系统的主要组成：(1) 工作站(2) 物料传送系统(3) 计算机控制设备(4) 管理及控制软件(5) 其它重要单元硬件系统制造设备：数控加工设备（如加工中心）、测量机、清洗机等；自动化储运设备：传送带、有轨小车、AGV、搬运机器人、立体库、中央托盘库、 物料或刀具装卸站、中央刀库等；计算机控制系统

14、及网络通信系统。简单介绍如下：加工系统柔性制造系统采用的设备由待加工工件的类别决定，主要有加工中心、车削 中心或计算机数控（CNC）车、铣、磨及齿轮加工机床等，用以自动地完成多种工序 的加工。磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装 满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以 自动更换。物料系统物料系统用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸 ，以及完成工序间的自 动传送、调运和存贮工作，包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及专用 起吊运送机等。储存和搬运系统搬运的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和 切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库

15、， 也有储存量较大的巷道式立体仓 库。毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域 内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。 固定轨道 式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的柔性制造系统， 自动引导台车搬 送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。工业机器人可在有限的范围内为14台机床输送和装卸工件，对于较大的 工件常利用托盘自动交换装置（APC）来传送，也可采用在轨道上行走的机器人， 同时完成工件的传送和装卸。软件系统系统支持软件：操作系统、网络操作系统、数据库管理系统等；FMS运行控制系统：动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统，

16、物料 （工件和刀具）管理控制系统等。简单介绍如下：计算机控制系统计算机控制系统用以处理柔性制造系统的各种信息，输出控制CNC机床和 物料系统等自动操作所需的信息。通常采用三级 （设备级、工作站级、单元级）分 布式计算机控制系统，其中单元级控制系统（单元控制器）是柔性制造系统的核心。 系统软件系统软件用以确保柔性制造系统有效地适应中小批量多品种生产的管理、控制及优化工作，包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系 统管理和监控软件。性能完善的软件是实现柔性制造系统的功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，更多数量的软件是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件， 大体上包括控制

17、软件（控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统）、计划管 理软件（调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等）和数据管理软件（仿真、检 索和各种数据库）等。机械加工站（加工中心），一工作站装卸站测量机清洗机C传送带、有轨小车（RGV-Rail Guided Vehicle ） 物料传送系统y无轨小车（agv Automated Guided Vehicle ）、 J机器人、自动化仓库等,计算机FMS组成J计算机控制系统Y PLCL网络生产准备,动态调度 管理及控制软件5监视及诊断j作业计划、CAM CAPP仿真J其它重要单元扌缓冲区、夹具和托盘、冷却液和切屑处理系统（4-1）FMS的组成4.2

18、 FMS控制系统组成，计算机网络（硬件操作系统数据库管理系网络通信生产准备动态调度系统监视系统诊断I外设rFMS空制系统Qr系统支持软件L软件彳广L应用软件v（4-2）FMS控制系统组成5. FMS的运行与调度5.1 FMS递阶控制结构FMS通常都采用集中管理，分散控制的分级集散系统一般采用三级控制：第一级为管理级；第二级为系统控制级；第三级为设备控制级。如下图所示：(5-1 ) FMS三级递阶控制结构5.2基于递阶控制结构的FMS调度和控制体系(5-2 )基于递阶控制结构 FMS调度和控制体系521 FMS管理级的主要功能FMS作业计划编制与优化；作业计划运行仿真；计算机辅助工艺计划编制（C

19、APP）；数控程序自动编制与刀具轨迹模拟。522 FMS系统控制级的主要功能（1）单元控制器是FMS控制系统软件的核心，它在 FMS运行管理中起着十分重要的作用。一个FMS性能的高低、功能的强弱在某种意义上取决于单元控制的功能。单元控制器的基本功能包括：单元控制系统的通信管理、系统运行历史资料的管 理、单元控制系统的总控管理、单元控制系统的起停控制、生产运行监控、作业 计划的实时动态调度、系统资源的控制与管理、系统刀具、物料的配置管理与实 时动态调度、系统故障的在线诊断与处理、数控程序的传送与管理。这些功能通 常按照一定的生产控制逻辑和时序组成几个功能性的子系统来实现。1）生产准备系统2）动态

20、调度系统3）故障诊断与系统监控系统（2）工作站控制器1 ）刀具工作站控制系统；2）物料工作站控制系统；3）制造工作站控制系统。如果FMS体系结构总中没有设置工作站级，工作站控制器的功能通常被分配到单元控制器上和(或)设备控制器上。(3) 设备级控制器设备控制器通常是由设备制造商提供，运行在设备控制机上，如 NC、CNC等。 设备控制器的主要功能是对设备进行控制和管理， 实现相应的功能，对于集成到 FMS中的设备还必须实现FMS接口功能。523 FMS单元控制器的控制与调度模型(1) FMS单元控制器的数据关系1) 生产管理信息：生产作业计划、物料需求计划、能力需求计划。2) 生产工艺信息：工艺

21、计划信息；数控加工程序。3) 系统设备状态信息：制造设备的状态信息；物料储运系统状态信息；刀具储运系统状态信息。(2) FMS生产准备系统：获取生产作业计划、工艺计划与NC程序；刀具准备； 工装与工件毛坯准备；系统配置与数据核对。(3) FMS实时动态调度：单元控制器在系统加工过程中，依据系统当前的实时状 态，对生产活动进行动态优化控制。(4) FMS动态调度决策规则：工件的投入；工件选择设备；设备选择工件；传送 设备选择；成品退出系统等。(5) FMS实时监控系统1) FMS生产过程监控：刀具状态监控；设备运行状态监控；工件加工状态监控； 故障诊断与处理。2) FMS生产过程质量监控：对FM

22、S生产过程的质量监控主要是对在 FMS中 零件加工的质量进行实时的测量和控制。6 . FMS国内外著名产品介绍(1) 图示是南京航空航天大学 CIMS工程研究中心在九十年代购置的一套柔性 制造系统，它主要用于学生的教学和培训。 这套系统经过了多次改造，现在能够 正常的运行。主控计算机与单元控制器之间由RS485 口进行通讯，用来传送数据和检查是否传送有误。另外也有总体检查，以防止信号内的噪声干扰。FMS系统配有托盘输送系统在自动制造单元之间进行毛坯和零件的传递。每个托盘有 一个唯一的标识码， 由装在托盘站的传感器进行检测，零件的差别意味着要改 变加工过程。托盘码有奇偶检验位，防止识别错误，使得

23、传送更为可靠。托盘站用于将零件从输送带送至加工单元这套FMS教学系统主要由以下设备组成:1) 自动化物料仓库(Automatic Storage and Retrieval System,AS/RS ), 它主要完成毛坯和成品的存储。2) 传送带(Conveyer )，它是一个环形物料传送设备，具有缓冲的能力，把工件传送带各个工作站。3) CNC车削中心(CNC Lathe )，它完成工件的车削加工。4) CNC铣削加工(CNC Mill )，它完成工件的铣削加工。5) 机器人1( Robot1 )，它完成工件在自动化物料仓库与传送带之间的传递。南京航空航天大学硕士学位论文6) 机器人2( R

24、obot2 )，它完成工件在传送带、车削中心和铣削中心之间的传递。7) 设备控制计算机。在此计算机上安装了威达工控设计的工业控制卡，它对 应每一个FMS设备都有相应的I/O点，与设备进行交互。并且，在此计r机上还实现了一个针对此工业控制卡的OPC Server，对外提供了标准的控制接口。8 )中央控制计算机。在FMS监控系统的支持下，实现对系统的管理、调 度和控制。(2) 郑州纺织机械股份有限公司于 1994年引进日本村田钣金FMS柔性加工 统，是我国引进的第一条真正意义上的钣金 FMS柔性加工系统。该生产线主要有计算机CADP/CAM 编程系统、DATABAN K数据库远程控制系统、108工

25、位立体仓库、C - 3000HYB 数控激光转塔复合冲床(40工位、1 500 W 激光)、SABER9000直角剪床以及物流系统、分拣系统等组成。联线生产时最大加工板材规格2500 mm X1 250 mm ,最大加工板厚 6. 3 mm。(3) 天津减速机厂用于机座加工的JCS FMS 2，于1990年由重庆大学与北 京机床研究所联合研制而成，并通过了 863/CIMS专家组联合组织的鉴定。它在 单元层计算机的控制管理下，自动完成静态、动态调度等十几项功能。(4) 1985年北京机床研究所从日本富士通引进 JCS FMS 1，用于旋转体加 工；(5) 国防科工委在长春兵器工业总公司55所的

26、具有一定生产能力的武器装备柔性 制造实验系统BQ FMS ;(6) 湖南江麓机械厂从德国 WENER公司引进FFS- 500 2;(7) 国防科工委在北京625所开发的BFEC FMS.7 . FMS在企业中的应用7.1 JCS-FMS-1综述北京机床研究所为了掌握当代机械制造的先进技术，为了发展伺服电机的生产，与日本发那科(Fanuc)公司合作建立了我国第一条柔性制造系统 JCS-FMS-I， 该系统于1985年10月初装调完成，已投入生产运行之中。该系统用以生产直流伺服电机的轴类、法兰盘类、壳体类、刷架体类等14种零件，计划年产量为5000台以上。JCS-FMS-1是在Fanuc系统F系列

27、的B 型基础上结合具体生产要求而开发的，系统采用了五台国产数控机床以三个加工 单元的形式组成。系统总体布置(7-1 )系统总体布置TV 监控器PS 1-3机床前托盘站CPU计算机ROBOT M1工业机器人M1PF程序库RC 1-4工业机器人控制系统PG自动编程机CCU1-3单兀控制器1-3PMS搬运管理装置CIU1-5单元接口 1-5MCP搬运控制装置全系统包括有CNC机床五台、工业机器人四台、线导式自动搬运车一台、 平面仓库一个、工业监视机一台、摄像头五个以及包括中央管理系统在内的系统 控制。沈阳第三机床厂生产 上海机床厂生产 长城机床厂生产 北京机床研究所生产 青海第一机床厂生产（1 ）机

28、床与工业机器人布置 五台数控机床如下：STARTURNI200 数控车床H160 /1数控端面外圆磨床CK7815数控车床JCS-018立式加工中心XH754卧式加工中心每台CNC机床均配以Fanuc6M（或6T）数控系统。以上5台CNC机床采用直线排列，每台机床配有工件存放站（PS）。四 台M1型工业机器人用以在机床上装卸工件，并在工件托盘存放站与机床之间传 送工件。除二台加工中心共用一台工业机器人之外，其余每台机床配用一台工业机器人。五台CNC机床分成三个加工单元，由三个单元控制器进行控制。各单 元的机床分配为上述的第（1）第（2）二台机床为一个单元、第（3）台机床为一个单 元、第(4)第

29、(5)二台机床为另一个单元。(2) 物料贮运系统有线导引式自动搬运车，用以在平面仓库与机床前托盘存放站之间搬运工件。平面仓库选用有15个工件出入托盘站组成。(3) 监视摄像系统由一台WV 72型工业监视器和五个 WV 85型摄像头组成，监视部位 有M160 /1的磨削实况，JCS 018加工实况和XH754加工实况，平面仓库和总 体运行情况。控制系统构成自菊目壽显越E rJCS-JU(7-2 )控制系统构成全系统采用“集中管理、分散控制”方式，使系统扩展方便，个别加工单元 发生故障，易于和全系统脱离排除故障。整个系统是三级控制结构，第一级 FMS中央管理系统，第二级为单元控制 器，第三级为CN

30、C与工业机器人控制装置等。中央管理系统采用富士通FM-11AD2微型机，与第二级之间的通信采用光 缆局域网。局域网络单元（LAN PC-J ）采用PC-J型PLC。自动编程系统PG和 程序文件存储器可通过局域网把零件程序送到各CNC.物流控制系统包括搬运管理计算机，采用富士电机公司的 PMS-200型。加 工单元控制器采用PC-J型PLC。负责连接单元内各CNC与工业机器人，并对 它们的自动运转进行协调与控制。各机床的 CNC采用FANUC6系统。该系统取得了良好的经济效益。用原来十分之一的设备与人员，产生了数倍 的生产利润。7.2 FMS的现状与在中小企业中的实现FMS虽然是一种较新的有很大

31、发展前景的生产系统，它的优越性是以多品种、中小批量生产和快速市场响应为前提的，但它也不是万能的。如果用 FMS 加工大批量单一品种，则其效率比不上刚性自动生产线。 FMS在20世纪80年 代有过辉煌的历史，并在部分企业中取得成功，但总的来说，更多的企业未能取 得预期的效果，甚至有些原来应用很成功的企业在 20世纪90年代后也遇到困 难，究其原因，主要有：（1）盲目的前期投资，忽视市场容量，生产能力过剩，部分设备处于空闲状态， 不但没有充分发挥FMS的自身优势，而且造成前期的大量投资不能收回，形成 亏损。（2）过分依赖设备的先进性。追求高、新技术，忽视人在系统中的主观能动性。 有知识的人员是企业

32、中最宝贵的财富，而传统做法总是只追求设备的先进水平，追求企业硬件的柔性，而忽视人员的作用，甚至追求无人化。这样不但提高了 FMS的成本，也造成设备柔性不能充分发挥。人的智能因素是任何先进设备无 法替代的，只有人力因素的积极参与，才能保证整个系统的顺利运行和对外部环 境变化的快速反应。那种片面追求“无人化”的运作模式是对FMS的曲解。为了保证人员的高素质，必须加强对人的后续教育与培训。(3) 片面追求高技术，忽视组织管理的跟进。高技术是企业不可少的硬件设备， 的确可以带来生产过程的重大改变， 甚至可能带来生产观念的巨大更新， 对提高 产品生产效率，提高产品质量有着不可估量的作用。 但若没有相应的软件，绝对 不可能充分发挥其效用。而与硬件相应的管理模式正是促使硬件设备充分发挥作 用的软件平台，因此必须注重企业组织管理的跟进。 旧的管理模式是多极的、金 字塔型的结构，减慢了信息的传递速度，造成企业对外界反应的延迟。如果仍以 旧的管理方式进行预测，组织生产，必然会由于决策的低水平和组织的慢反应、 低柔性而导致设备柔性的不充分发挥， 而不能实现整体柔性的提高，并且由于设 备投入具有投资大、周期长的特点，相应地增加了系统的风险。另一方面，我国的大多数制造行业和企业的生产、 加工装备大多数是传统的 机床，而且多数是役龄在10年以上