1、先進制造技術課程大作業 2014 年 10 月 柔性制造系統原理與實踐 摘要：柔性制造系統的工作原理為系統接到上一級控制系統的有關生產計劃信息和技術信息后，由其信息系統進行數據信息的處理、分配，并按照所給程序對物流系統進行控制。fms 具有高度復雜性，不僅涉及到工件、刀具、夾具等的管理同時還要自動地完成物料流、刀具流及工位的控制。 關鍵詞：柔性制造 原理 控制 0 前言* 制造（manufacturing）是人類所有經濟活動的基石，是人類歷史發展和文明進步的動力。現代制造技術所涉及的內容及其廣泛，學科跨度大，有計算機數控（cnc） 、計算機輔助制造（cam） 、柔性制造系統（fms）等。 從

2、20 世紀 60 年代開始到 20 世紀 70 年代，計算機控制的數控機床（cnc 機床）在自動化領域中取代了機械式或液壓式的自動機床。在 cnc 機床上，只要改變程序就可加工新的工件，處理加工對象的靈活性很大，而所需調整的時間卻很少，它為柔性制造系統打下了良好的基礎。隨著人們將自動化生產技術的發展重點轉移到中、 小批量生產領域，結合自動流水線與 nc 機床的特點，將 nc 機床與物料輸送設備通過計算機聯系起來， 形成一個系統，來解決中等批量、中等規模品種以及小批量生產領域的問題，就形成所謂的“柔性制造系統（flexible manufacturing information system）

3、” 。 fms 涉及的領域包括機床、電子技術、機器人技術等。 1 柔性制造系統的定義 在我國有關標準中， fms 被定義為:柔性制造系統是由數控加工設備、物流貯運裝置和計算機控制系統組成的自動化制造系統，它包含多個柔性制造單元，能根據制造任務或生產環境的變化迅速進行調整，適用于多品種、中小批量的生產。 美國制造工程師協會的計算機輔助系統和應用協會把柔性制造系統定義為：使用計算機控制、柔性工作站和集成物料運貯裝置來控制，并完成工件族某一工序或一系列工序的一種集成制造系統。 由于柔性制造系統還在發展中，其概念尚無統 一的定義，但綜合起來可以認為：柔性制造系統在自動化技術、信息技術和制造技術的基礎上

4、，通過計算機軟件科學，把工廠生產活動中的自動化設備有機的集合起來，打破設計和制造的界限，取消圖紙、工藝卡片，是產品設計、生產相互結合而成的，適用于中、小批量和較多品種生產的高柔性、高效率的制造系統。 2 fms 的組成、工作原理及特點 2.1 fms 的一般組成 柔性制造系統可概括為由下列三部分組成：多工位的數控加工系統，自動化的物料貯運系統和計算機控制的信息系統，其結構框圖如圖 1 所示。 圖 1 fms 的結構框圖 1.加工系統 加工系統的功能是以任意順序自動加工各種工件，并能自動地更換工件和刀具。通常由若干臺對工件加工的 cnc 機床和所使用的刀具構成。 月 2014 年 10 月 劉

5、磊：柔性制造系統原理與實踐 2 fms 的加工能力由它所擁有的加工設備決定。而 fms 里的加工中心所需要的功率、加工尺寸范圍和精度則由待加工的工件族決定。由于箱體、框架類工件在采用 fms 加工時經濟效益特別顯著，故在現有的 fms 中，加工箱體類工件的 fms 占得比重較大。 2.物流系統 在 fms 中工件、工具流統稱為物流，物流系統即物料貯運系統，是柔性制造系統中的一個重要組成部分。一個工件從毛坯到成品的整個過程中，只有相當小的一部分時間在機床上進行切削加工，大部分時間消耗在物料貯運的過程中。合理的選擇物料貯運系統，可以大大的減少物料的運送時間，提高整個系統的柔性和效率。 物料系統一般

6、有三部分組成： （1） 輸送系統 建立各加工設備之間的自動化聯系。 （2） 貯存系統 具有自動存取機能， 用以調節加工節拍的差異。 （3） 操作系統 建立加工系統同物流系統和貯存系統之間的自動化聯系。 3.控制與管理系統 控制與管理系統包括過程控制、過程調度及過程監控三個系統。控制與管理系統的核心是一個分布式數據庫管理系統和控制系統，整個系統采用分局控制結構，即 fms 中的信息由多級計算機進行處理和控制，其主要任務是：組織和指揮制造流程，并對制造流程進行控制和監視； 向 fms 的加工系統、物流系統提供全部控制信息并進行監視，反饋各種在線監測數據， 以便修正控制信息， 保證安全運行。2.2

7、fms 的工作原理 fms 的模型和原理框圖如圖 2 所示。 fms 工作過程可以這樣來描述，柔性制造系統接到上一級控制系統的有關生產計劃信息和技術信息后，由其信息系統進行數據信息的處理、分配，并按照所給程序對物流系統進行控制。 物料庫和夾具庫根據生產的品種及調度計劃信息提供相應品種的毛坯，選出加工所需的夾具。毛坯的隨行夾具由輸出系統送出。工業機器人或自動裝卸機按照信息系統的指令和工件及夾具的編碼信息，自動識別和選擇所裝卸的工件及夾具，并將其安裝到相應的機床上。 圖 2 fms 的模型及其原理框圖 機床的加工程序識別裝置根據送來的工件及加工程序編碼，選擇所需的加工程序，并進行檢驗。全部加工完畢

8、后，由裝卸及運輸系統送人成品庫，同時把加工質量、數量信息送到監視和記錄裝置，隨行夾具被送回夾具庫。 中央計算機控制著系統中物料的循環，執行進度安排、調度和傳送協調等功能。它不斷收集每個工位上的統計數據和其他制造信息，以便做出系統的控制決策。 2.3 fms 的特點 柔性制造系統是一個自動化的制造系統，其主要特點表現在柔性和效益兩個方面。 （1）系統柔性 1） 可在同一時間內隨機的加工零件， 可根據市場的要求快速的組織生產，適應市場的能力強。 2） 系統中個別設備發生故障時， 可通過控制系統的調度，用其他設備代替，而不致影響生產。 3）具有無人看管、自動運行的能力。日班將準備工作做好， 晚班無需

9、人的照管， 系統可自動運行。 （2）系統效益 1） 充分提高了機床的利用率， 顯著縮短了生產周期，提高了勞動生產力。fms 中減少了工序中零件積存數量，縮短了零件等待加工的時間。 2） 減少了工序間制品的數量， 提高零件加工質量。fms 通過工序集中在加工中心上進行，減少了工件裝夾的次數及所需的設備量。fms 具有高度的自動化水平、較少的裝夾次數、較少的使用設備都有利于提高單個零件加工質量。 3）減少操作人員。 月 2014 年 10 月 劉 磊：柔性制造系統原理與實踐 3 3 柔性制造系統實踐 柔性制造系統是一個以網絡為基礎、面向車間的開放式集成制造系統， 是 cims 的制造單元和重要基礎

10、。fms 的控制系統具有高度復雜性，主要表現為：它不僅涉及到工件、刀具、夾具托盤、工藝規程、數控程序以及加工設備等基本數據的管理，進行制定作業計劃所要求的混合分批、負荷平衡、加工準備等數據處理的復雜工作，同時還必須按照加工資源與優化目標進行作業的靜態調度與動態調度， 從而自動的完成物料流、 刀具流與工位的控制。因而系統具有大量的集成信息和復雜的控制結構，要求有調度和監控上的實時性和功能分布上的并發性， 同時又必須具有能向 cims 擴展的開放性。 這里主要以汕頭大學的一個典型的實驗教學模型et-fms-i 柔性制造系統為例， 簡單的介紹它的信息流支持系統、物流支持系統、自動化加工系統。 （1）

11、fms 信息流支持系統 1）fms 中的信息流以及網絡通信結構 2）fms 中的 novell net ware 結構 3）集成化 fms 的建模與 petri 網結構 4）fms 實時調度與控制決策 5）fms 視覺系統 （2）fms 物流傳輸支持系統 1）物料傳輸系統（mhs） 2）工業機器人控制系統及路徑編程 （3）fms 自動加工系統 1）cnc 機床自動化加工 2）編制車削中心的程序 3）車削中心的操作 4）編制加工中心的程序 5）加工中心的操作 6）dnc 加工 4 結論 柔性制造系統由于其本身具有以隨機次序接受任何數量的零件加工， 所以它不同于其他制造系統。但由于其系統的組成受諸

12、多方面因素的影響，發展 呈現出階梯性的特點。 （1） 柔性制造單元得到大力發展 柔性制造單元發展初期被認為是初級的、 簡單的柔性制造系統，但經過多年來的應用，人們發現，由于柔性制造單元的投資少、柔性高，深受企業的歡迎，發展速度相當驚人。 特別是隨著局部網絡技術的發展與應用，fmc 具有很強的擴展性。 這些都非常適合中小型企業提高市場適應能力。同時，很多企業又不斷的進行總結，使柔性制造單元的功能和應用范圍得到提高與擴大，從而使它的應用領域從機械制造向其他領域擴展。 （2） 柔性加工原理在其他制造方法中得到推廣 柔性制造的最大的優點是合理安排機床、人員，快速適應市場，這種思想對于改造傳統企業的生產方式也同樣有作用。企業不可能一步到位地全部采用cn