第8章柔性制造系统

2023/1/14武汉理工大学机电学院1/72一、FMS概述二、FMS加工系统三、FMS储运系统四、FMS控制系统第八章柔性制造系统五、CIMS系统2023/1/14武汉理工大学机电学院2/72一、FMS概述1、FMS的产生和特点2、FMS的定义、组成及其分类3、FMS的发展趋势2023/1/14武汉理工大学机电学院3/721、FMS的产生和特点FMS因应：产品更新换代周期缩短；需求日益个性化；4

柔性——是指制造系统对系统内部及外部环境的一种适应能力，也是指制造系统能够适应产品变化的能力。

加工箱体类零件的组合机床自动线刚性柔性

刚性自动线：按一定工艺顺序排列的若干台自动机床，用工件传送装置和控制系统联结起来，按照规定的生产节拍，工件自动地依次经过各个加工工位进行自动加工的连续作业线。

从自动线到柔性制造系统

5刚性自动线的特点与缺陷特点：具有统一的控制系统和严格的生产节拍，与自动化单机相比，结构复杂，完成的加工工序多，生产率很高。是少品种、大量生产必不可少的加工设备。缺点：投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。柔性制造系统产生2023/1/14武汉理工大学机电学院6/72世界上公认的第一条柔性制造系统是英国莫林斯（Molins）机床公司1967年建成的“MolinSystem-24”

。主要设备是6台模块化结构的多工序数字控制机床，该系统能24小时连续工作，因此称为“MolinSystem-24”

；20世纪70年代末和80年代初，计算机辅助管理物料自动搬运，刀具管理和计算机网络、数据库技术的发展以及CAD/CAM技术的成熟，出现了更加系统化、规模更加扩大的柔性制造系统。20世纪80年代末，FMS已经成为一项成熟的技术，并在世界范围得到广泛应用。柔性自动化制造技术的产生2023/1/14武汉理工大学机电学院7/72

我国采取引进和开发相结合的方针，引进箱体类零件、旋转体件及钣金件加工FMS的全部或部分硬件技术。1984是我国研制FMS

的起步时间，比国外晚了17年。我国第一套FMS系统是由北京机床研究所于1985年10月开发完成的（JCS-FMS-1），用于加工数控机床直流伺服电机中的主轴、端盖、法兰盘、壳体和刷架体等，它由5台国产加工中心、日本富士电机公司的AGV（自动导引车）及4台日本产的机器人组成，其控制系统由FANUC提供。据分析，它的投资回收期约为两年半。1983年－1985年，在国家的支持下北京第一机床厂、湖南江麓机床厂、郑州纺织机械厂、广西柳州开关厂等一些单位分别率先从德国、日本进口了国内第一批FMS。我国FMS的研究历程2023/1/14武汉理工大学机电学院8/721985年后在国家机电部“七五”重点科技攻关项目的支持和国家863高技术发展计划自动化领域的工作的带动下，FMS得到极大的重视和发展，进入了自行开发和部分进口的交叉阶段。1988年北京机床研究所为天津减速机厂提供的加工减速机机座的JCS-FMS-2系统是全部自行开发和配套的，它标志着我国已具有自主开发FMS系统的实力。近几年来，国内一些经济实力比较雄厚的工厂（北京第一机床厂，上海第二纺织机械厂，天津减速机总厂，山西经纬纺织机械厂等），为实施CIMS，又进口了一些国外的FMS系统。

9典型的柔性制造系统示意图110典型的柔性制造系统示意图211典型的柔性制造系统示意图32023/1/14武汉理工大学机电学院12/72FMS的柔性设备柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，设备随产品变化而加工不同零件的难易程度。工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。

所谓柔性，是指制造系统（企业）对系统内部及外部环境的一种适应能力，也是指制造系统能够适应产品变化的能力。通常体现在以下几个方面：2023/1/14武汉理工大学机电学院13/72(1)FMS的定义柔性制造系统（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，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调整，适用于多品种、中小批量生产。(根据“中华人民共和国国家军用标准——武器装备柔性制造系统术语”的定义)“使用计算机、柔性加工单元和集成物料储运装置完成零件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统”。（美国制造工程师协会(SME)的计算机辅助系统和应用协会）2、FMS的定义、组成及其分类2023/1/14武汉理工大学机电学院14/72

更直观的定义是：“柔性制造系统是至少由两台数控机床，一套物料运输系统（从装载到卸载具有高度自动化）和一套计算机控制系统所组成的制造自动化系统。它采用简单改变软件的方法便能制造出某些部件中的任何零件”

。综上所述，各种定义的描述方法虽然有所不同，但都反映了FMS应具备以下特点：两台以上的数控机床或加工中心以及其他加工设备，包括测量机、清洗机、动平衡机、各种特种加工设备等；一套能自动装卸的运输系统，包括刀具储运和工件及原材料储运。具体结构可采用传输带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘站等；一套计算机控制系统及信息通信网络。2023/1/14武汉理工大学机电学院15/72FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信息传输网络工夹具站FMS的组成物料储运系统计算机控制系统加工系统2023/1/14武汉理工大学机电学院16/72FMS基本组成

2023/1/14武汉理工大学机电学院17/72硬件组成——三个子系统加工系统储运系统计算机控制系统(2)FMS的组成2023/1/14武汉理工大学机电学院18/72软件组成

FMS系统支持软件——操作系统、网络通信系统、数据库管理系统等；FMS的运行控制系统——动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统、物料（工件和刀具）管理控制系统等。2023/1/14武汉理工大学机电学院19/72FMS的功能能自动管理零件的生产过程，自动控制制造质量，自动进行故障诊断及处理，自动进行信息收集及传输；简单地改变软件或系统参数，便能制造出某一零件族的多种零件；物料的运输和储存必须为自动(包括刀具等工装和工件的自动运输)；能解决多机床条件下零件的混流加工，且无需额外增加费用；具有优化调度管理功能，能实现无人化或少人化加工。2023/1/14武汉理工大学机电学院20/72a)互替式b)互补式c)混合式FMS适用于中小批量的生产，既要兼顾对生产率和柔性的要求，也要考虑系统的可靠性和机床的负荷率。因此，就产生了三种类型的FMS：(3)FMS的机床配置形式互替形式所谓互替机床就是纳入系统的机床可以互相代替。例如，由数台加工中心组成的FMS，由于加工中心可以完成多种工序的加工，有时一台加工中心就能完成箱体的全部工序，工件可随机地输送到系统中任何恰好空闲的加工工位。系统具有较大的柔性和较宽的工艺范围，而且可以达到较高的时间利用率。从系统的输入和输出来看，它们是并联环节，因而增加了系统的可靠性，即当某一台机床发生故障时，系统仍能正常工作。互补形式所谓互补机床就是纳入系统的机床是互相补充的，各自完成某些特定的工序，各机床之间不能互相取代，工件在一定程度上必须顺序经过各加工工位。它的特点是生产率较高，对机床的技术利用率较高，即可以充分发挥机床的性能。从系统的输入和输出的角度来看，互补机床是串联环节，它减少了系统的可靠性，即当一台机床发生故障时，系统就不能正常工作。2023/1/14武汉理工大学机电学院21/72互替与互补机床配置的特征比较2023/1/14武汉理工大学机电学院22/72柔性制造单元（FMC）小型FMS，由1-2台机床组成，自动更换刀具，自动上下工件；柔性制造系统（FMS）控制与管理功能比FMC强，管理通信要求高；柔性制造生产线（FML）数控组合机床设备，专用性强、生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用FMS。柔性制造工厂（FMF）全企业范围生产管理、设计开发、加工制造和物料运储全盘自动化。(4)FMS的分类2023/1/14武汉理工大学机电学院23/721）柔性制造单元（FMC）由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。具有一定的生产调度能力。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。

FMS的分类2）柔性制造系统（FMS）以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。

3）柔性制造生产线（FML）把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。

2023/1/14武汉理工大学机电学院24/72柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem）由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现了物料流和信息流的自动化。其基本组成部分有：自动化加工设备、工件储运系统、刀具储运系统和多层计算机控制系统等。1.自动化加工设备组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。

柔性制造系统FMS2023/1/14武汉理工大学机电学院25/722.工件储运系统

FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库和托盘（工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等;工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。

3.刀具储运系统

FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。

4.辅助设备

FMS可以根据生产需要配置辅助设备。辅助设备一般包括自动清洗工作站,自动去毛刺设备,自动测量设备,集中切屑运输系统和集中冷却润滑系统等。2023/1/14武汉理工大学机电学院26/72

5.多层计算机控制系统

FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、工作站控制级、设备控制级。图8-4就是一个FMS控制系统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350卧式加工中心、XH714A立式加工中心和仓储设备等。 （1）设备控制级。 （2）工作站控制级。 （3）单元控制级。 图8-5是一种较典型的FMS，四台加工中心直线布置，工件储运系统由托盘站2、托盘输送车4、工件装卸工位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组成。2023/1/14武汉理工大学机电学院27/72图8-4FMS控制系统实例2023/1/14武汉理工大学机电学院28/72典型的FMS2023/1/14武汉理工大学机电学院29/72图8-6具有装配功能的柔性制造系统2023/1/14武汉理工大学机电学院30/72柔性制造线（FlexibleManufacturingLine）由自动化加工设备、工件输送系统和控制系统等组成。柔性制造线(FML)

FML的主要优点是：具有刚性自动线的绝大部分优点；当批量不很大时，生产成本比刚性自动线低得多；当品种改变时，系统所需的调整时间又比刚性自动线少得多，但建立系统的总费用却比刚性自动线高得多。

1.自动化加工设备; 2.工件输送系统; 3.刀具;2023/1/14武汉理工大学机电学院31/72 柔性装配线（FlexibleAssemblyLine）通常由装配站、物料输送装置和控制系统等组成。

1.装配站

FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人,不可编程的自动装配装置和人工装配工位。

2.物料输送装置

3.控制系统

FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要控制物料的流向和自动装配站、装配机器人。图8-8是FAL的示意图。柔性装配线(FAL)2023/1/14武汉理工大学机电学院32/722023/1/14武汉理工大学机电学院33/72FMS配置小型化系统结构的模块化与计算机辅助设计和辅助制造系统相结合实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化不断提高FMS的性能3、FMS的发展趋势2023/1/14武汉理工大学机电学院34/721、加工系统的功能与要求加工系统是FMS的最基本的组成部分，也是FMS中耗资最多的部分，担任把原材料转化为最终产品的任务。加工系统的要求如下：

工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数；控制功能强、扩展性好；高刚度、高精度、高速度；自保护与自维护性好；使用经济性好；对环境的适应性与保护性好。二、FMS的加工系统2023/1/14武汉理工大学机电学院35/722、加工系统中常用的加工设备简介2.1目前FMS的加工对象主要有两大类：箱体类回转体类2.2加工中心加工中心（MachiningCenter，MC）是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。箱体类：常用镗铣加工中心回转体类：常用车削加工中心2023/1/14武汉理工大学机电学院36/72加工中心的系统基本组成与一般数控机床一样，只是在此基础上增加了刀库和自动换刀装置而形成一类更复杂，但用途更广，效率更高的数控机床。加工中心配置有刀库和自动换刀装置，能在一台机床上完成车、铣、镗、钻、铰、攻螺纹、轮廓加工等多个工序的加工。加工中心机床具有工序集中，可以有效缩短调整时间和搬运时间，减少在制品库存，加工质量高等优点，因此常用于零件比较复杂，需要多工序加工，且生产批量中等的生产场合。加工中心通常是指镗铣加工中心，主要用于加工箱体及壳体类零件，工艺范围广。加工中心(MC)2023/1/14武汉理工大学机电学院37/722.3加工系统的辅助装置机床夹具组合夹具：利用标准化夹具零部件快速拼装所需夹具；柔性夹具：一部夹具能为多个加工对象服务。托盘（Pallet）承载工件和夹具完成加工任务，是各加工单元间的硬件接口。自动上下料装置

托盘交换器：联接加工系统和物料运储系统桥梁；工业机器人：具有较大的柔性度。2023/1/14武汉理工大学机电学院38/72立式加工中心与卧式加工中心的比较2023/1/14武汉理工大学机电学院39/72工件装卸站设在FMS

入口，由人工完成装卸；托盘缓冲站工件中间存储站，起缓冲物料作用；物料存储装置自动化仓库、自动料架、缓冲料架；物料运送装置负责在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间物料搬运作业。传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损；自动运输小车：分有轨小车、无轨小车；搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。1、FMS的物料储运系统组成三、FMS的储运系统2023/1/14武汉理工大学机电学院40/722、FMS物料输送基本回路直线输送回路沿直线路线单向或双向移动，顺序地在各个连接点停靠；环形输送回路运载工具沿环形路线单向或双向移动；网状输送回路由多个回路相互交叉组成，可由一条环路移动到另一回路。2023/1/14武汉理工大学机电学院41/723、自动化仓库货架为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。堆垛机由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动电动机以及传感器构成的三维搬运设备。控制与管理系统负责物料信息的登录、识别，物料自动存取，仓库管理。2023/1/14武汉理工大学机电学院42/72储运系统的任务和工作方式2023/1/14武汉理工大学机电学院43/72巷道式立体仓库2023/1/14武汉理工大学机电学院44/724工件储运设备

4.1有轨小车（RGV）

有轨小车（RailGuideVehicle）是一种沿着铁轨行走的运输工具，有自驱和它驱两种驱动方式。自驱动有轨小车通过车上的小齿轮和安装在铁轨一侧的齿条啮合，利用交、直流伺服电动机驱动。它驱式有轨小车由外部链索牵引，在小车底盘的前、后各装一导向销，地面上修有一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟槽内，保证小车行进时沿着沟槽移。2023/1/14武汉理工大学机电学院45/72导轨系统小车控制器车架警告和安全装置

..地轨系统安全装置小车控制器托盘交换装置有轨小车的组成2023/1/14武汉理工大学机电学院46/72移动速度快，行走平稳，定位精确；承载能力大，适合搬运笨重零件；控制系统相对简便，可靠性高，成本低，易维护；传输路径柔性不高，一般适宜在直线布局的系统中采用。

有轨小车的特点2023/1/14武汉理工大学机电学院47/72

AGV无轨道，可以外部控制的自由运行的电动小车，以蓄电池作为电源，用某种制导方法（电磁制导及光学制导）控制其运行路线，不需设置导轨，柔性大。

(1)AGV的结构在自动化制造系统中使用的AGV大多数是磁感应式AGV。图8-13是一种能同时运送两个工件的AGV，它由运输小车、地下电缆和控制器三部分组成。

4.2自动导向小车2023/1/14武汉理工大学机电学院48/722023/1/14武汉理工大学机电学院49/72

线导小车电磁感应导向，柔性大、扩展性好、不怕污染、工作可靠。光导小车采用带有荧光材料油漆或色带，通过光电制导，改变线路非常容易，对环境要求严格。遥控制导小车小车顶部装有激光装置，通过固定位置反射激光束信息，确定小车位置。

4.2.1自动导向小车导向方法2023/1/14武汉理工大学机电学院50/72磁感应AGV自动导向原理图

小车底部装有弓形天线3，跨设于以感应导线4为中心且与感应线垂直的平面内。感应线通以交变电流，产生交变磁场。当天线3偏离感应线任何一侧时，天线的两对称线圈中感应电压有差值，误差信号经过放大，驱动左、右电动机2，左右电动机有转速差，经驱动轮1使小车转向，使感应线重新位于天线中心，直至误差信号为零。

2023/1/14武汉理工大学机电学院51/72AGV电磁感应制导原理感应线圈（左）

感应线圈（右）导向线

导引电流一般频率较低（小于15kHz），低压（小于40V），消耗电流的强度小于600mA。

2023/1/14武汉理工大学机电学院52/72

AGV运行路径的选择，是AGV使用过程中一个重要的问题，因为AGV从一个站点运行到另一个站点往往有多条路径可选择，我们希望能选择一条合理的运行路径，从而提高系统的效率。

ADBCOEOA→AC→CD→DEOA→AB→BD→DEOA→AB→BC→CD→DE。

从O点到E点：AGV运行路径的选择2023/1/14武汉理工大学机电学院53/724.2.2FMS中使用AGV的优点较高的柔性实时监视和控制安全可靠维护方便2023/1/14武汉理工大学机电学院54/722023/1/14武汉理工大学机电学院55/724.2.3AGV性能指标1）外形尺寸一般长度从750mm至2500mm，宽450mm至1500mm，高550mm至650mm左右。

2）载重量可从50至2000kg，选择载重量时不应仅仅考虑工件的重量，还应考虑托盘和夹具的重量。

3）运行速度10～70m／min4）转弯半径一般指在某种速度下，最小的转弯半径。例如在每分钟10m的速度时，最小转弯半径为600mm等。2023/1/14武汉理工大学机电学院56/725)蓄电池的电压、每两次充电之间的平均寿命。6)安全设备是否有安全杠，警报扬声器，警告灯。全速行驶时的停车距离。7)载物平台的结构，是否有液压或其他形式的提升器，以及平台的拉升高度。8)控制方式人工控制，有线控制或遥控。9)定位方式托盘在小车上的固定方法。10)兼容的控制计算机类型。2023/1/14武汉理工大学机电学院57/72单元控制器铣削工作站车削工作站……物流管理工作站CNCNo1CNCNo2PLC自动化仓库AGVROBOT刀具管理...FMS递阶控制结构CNCNo1CNCNo2PLC...单元层工作站层设备层四、FMS的控制系统——三级递阶控制结构2023/1/14武汉理工大学机电学院58/72

递阶控制结构：将复杂系统分层分模块设置，各层相对独立，便于系统的开发和维护。递阶控制特点：愈往底层，实时性愈强；愈到上层，处理信息量愈大，实时性要求愈小。FMS三层递阶控制结构系统管理与控制层（单元控制层）-接受上级任务，制定系统作业计划，进行任务分配，监控系统执行；过程协调与监控层（工作站层）-加工程序分配、协调工件流动、运行状态采集监控、向上层反馈信息；设备控制层-控制设备工作循环，执行上层控制指令，反馈现场数据。FMS控制与管理系统的体系结构2023/1/14武汉理工大学机电学院59/72现场总线ProfibusethernetWin-ACCP5613(一类主站)P4微机Win-CC(二类主站)ET200I/O接口工业机器人数控铣床加工中心成品库毛坯库RGV缓冲库CAD/CAMMISProfibus接口DNC管理层单元层设备层YG－FMS单元控制器层次结构2023/1/14武汉理工大学机电学院60/72通信管理与运行控制--实现上下层信息通讯，控制内部模块运行；系统信息管理--对单元信息进行存储、管理和维护；作业计划制定--根据上级下达任务制定本单元作业计划，并进行计划调整；系统作业调度--具有系统仿真、静/动态调度、系统资源调度等功能；系统过程监控--监控系统状态变化，故障处理，其结果传送至系统信息管理模块和上级控制器。FMS单元控制器功能2023/1/14武汉理工大学机电学院61/72（1）FMS单元控制器的数据关系

生产管理信息

生产作业计划物料需求计划能力需求计划

生产工艺信息

工艺计划信息数控加工程序

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

FMS单元控制器的控制与调度模型2023/1/14武汉理工大学机电学院62/72（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。2023