第六节柔性制造系统

第六节柔性制造系统

一、柔性制造系统的基本概念

柔性制造系统(flexible manufacturing system，FMS)是20世纪60年代末诞生的新技术。促成FMS技术产生和发展的原因是:适应现代产品频繁更新换代的要求，满足人们对产品的不同需求，降低成本，缩短制造周期。传统的多品种小批量生产方式，如采用普通机床、数控机床等进行加工，虽然具有较好的生产柔性(适应性)，但生产率低，成本高;而传统的少品种大批量生产方式，如采用专用设备的流水线进行加工，虽然能提高生产率和降低生产成本，但却缺乏柔性。FMS正是综合了上述两种生产方式的优点，兼顾了生产率和柔性，是适用于多品种、中小批量生产的自动化制造系统。

FMS是近年兴起的新的制造技术，至今并无确切的定义，通常所说的FMS是指以数控机床、加工中心及辅助设备为基础，用柔性的自动化运输、存储系统有机地结合起来，由计算机对系统的软、硬件资源实施集中管理和控制而形成的一个物料流和信息流密切结合的、没有固定的加工顺序和工作节拍的、主要适用于多品种中小批量生产的高效自动化制造系统。

二、FMS的发展历史

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20世纪60年代末至70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。

20世纪70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，并已进入实用阶段，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。

三、FMS应具备的功能

一般来说，要提高生产率就要降低柔性，反之亦然。而FMS则是从系统的整体角度出发，将系统中的物料流和信息流有机地结合起来，同时均衡系统的自动化程度和柔性，这就要求FMS应具备如下功能;

1.自动加工功能。

在成组技术的基础上，FMS应能根据不同的生产需要，在不停机的情况下，自动地变更各加工设备上的工作程序，自动更换刀具，自动装卸工件，自动地调整冷却切削液的供给状态及自动处理切屑等，这是制造系统实现自动化的基础。

2.自动搬运和储料功能。

为实现柔性加工，FMS应能按照不同的加工顺序，以不同的运输路线，按不同的生产节拍对不同的产品零件进行同时加工。同时，为提高物料运送的准确性和及时性，系统中还应具有自动化储料仓库、中间仓库、零件仓库、夹具仓库、刀具库等。自动搬运和储料功能是系统提高设备利用率，实现柔性加工的重要条件。

3.自动监控和诊断功能。

FMS应能通过各种传感测量的反馈控制技术，及时地监控和诊断加工过程，并作出相应的处理。这是保证系统正常工作的基础。

4.信息处理功能。

这是将以上三者综合起来的软件功能。应包括生产计划和管理程序的制订，自动加工和送料、储料及故障处理程序的制订，生产信息的论证及系统数据库的建立等。

四、FMS的组成及技术特点

柔性制造系统一般由下列几部分组成(图6-20):

图6-20　柔性制造系统

(1)标准的数控机床或制造单元。通常将具有自动上下料功能的多工位、加工型(或装配型)数控机床称为“制造单元”，它是FMS中的基本组成模块。

(2)一个在机床和装夹工位之间运送零件和刀具的传送系统。

(3)一个发布指令，协调机床、工件和刀具传送装置的总监控系统。

(4)中央刀具库及其管理系统。

(5)自动化仓库及其管理系统。

由上述可见，FMS并不等于几台CNC机床或FMC的简单叠加，而是增加了计算机统一管理(甚至作业调度)、物料传输与存储、监控等重要功能。

目前在切削加工领域有回转零件的FMS，有加工箱体(含壳体)零件的FMS及混合型的FMS。以加工箱体零件的为最多，约占FMS的70%。另外在钣金加工中FMS发展也十分迅速。

采用FMS的主要技术经济效果是:能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期;提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积;减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”;提高产品质量的一致性。

典型的柔性制造系统由两台或两台以上的数控机床或加工中心及自动物料系统和自动监控系统等组成。数控机床用于加工箱体类和板类零件，加工中心则用于加工轴类和盘类零件。中、大批量少品种生产中所用的FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。它也可以是多个柔性制造单元(FMC)组成的制造系统。

柔性制造系统未来将向发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型FMS;完善FMS的自动化功能;扩大FMS完成的作业内容，并与计算机辅助设计和辅助制造技术(CAD/CAM)相结合，向全盘自动化工厂方向发展。

五、FMS的经济效益

FMS是一项工程而不同于一般的单机自动化产品，因此其造价极高，目前世界上仅有100个左右，但其所取得的经济效益是惊人的。与传统的机群式自动化单机相比，目前国外较为成功的FMS所获得的经济效益大致为:操作人员减少50%，成本降低60%，产品的在制时间减少50%，机床台数减少50%，机床的利用率可达60%～80%。如美国的福特汽车公司的科隆工厂对铝压铸模和锻模的生产需求量每年多达12万件，且品种繁多，仅发动机和变速箱的型号就有500种之多。过去采用26台数控机床单机生产模具，仅能满足总需求量的15%，而采用一套包含电火花加工中心在内的FMS进行模具生产后，可满足总需求量的70%，缩短模具制造周期55%。可见FMS的经济效益是显著的，而且随着科学技术的发展，FMS的造价将不断下降。毫无疑问，在未来的机器制造业中，与当代高新技术紧密结合和相互渗透的柔性制造技术必将占有极其重要的地位。