現(xiàn)代制造技術第6章-柔性制造技術課件

1、第6章 柔性制造技術 6.1 柔性制造系統(tǒng)（FMS）概述6.2 FMS的自動加工系統(tǒng)6.3 FMS的物料輸送與儲存系統(tǒng)6.4 FMS的刀具管理系統(tǒng)6.5 FMS的控制系統(tǒng)6.6 FMS的信息流支持系統(tǒng)6.7 FMS的應用與實施6.1 柔性制造系統(tǒng)（FMS）概述6.1.1 FMS的產(chǎn)生和發(fā)展6.1.2 FMS的基本組成及主要功能6.1.3 FMS的優(yōu)點及效益6.1.1 FMS的產(chǎn)生和發(fā)展世界上第一條FMS是英國Molins公司于20世紀60年代生產(chǎn)的Molins System（圖6-1），到20世紀70年代末80年代初，F(xiàn)MS開始走出實驗室而逐漸成為先進制造企業(yè)的主力裝備。目前反映工廠整體水平的

2、FMS是第一代FMS，日本從1991年開始實施的“智能制造系統(tǒng)（IMS）”國際性開發(fā)項目，屬于第二代FMS；而真正完善的第二代FMS在21世紀將會實現(xiàn)。圖6-1Molins System6.1.2 FMS的基本組成及主要功能1FMS的定義及基本組成 在我國有關標準中，F(xiàn)MS（Flexible Manufacturing System）被定義為：由數(shù)控加工設備、物流貯運裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)。 國外有關專家對FMS進行了更為直觀的定義：柔性制造系統(tǒng)是至少由兩臺機床、一套物料運儲系統(tǒng)（從裝載到卸載具有高度自動化）和一套計算機控制系統(tǒng)所組成的制造系統(tǒng)，它通過簡單地改變軟件的方法便

3、能制造出多種零件中任何一種零件。 從上述定義可以看出，F(xiàn)MS主要由以下三部分組成：多工位的數(shù)控加工系統(tǒng)、自動化的物料儲運系統(tǒng)和計算機控制的信息系統(tǒng)。其構成框圖如圖6-3所示。圖6-3 FMS的構成框圖（1）加工系統(tǒng) 加工系統(tǒng)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。加工系統(tǒng)的要求：工序集中；控制功能強、可擴展性好；高剛度、高精度、高速度；使用經(jīng)濟性好； 操作性好、可靠性好、維修性好； 具有自保護性和自維護性； 對環(huán)境適應性與保護性好； 其他如技術資料齊全，機床上的各種顯示、標 記等清楚，機床外形、顏色美觀且與系統(tǒng)協(xié)調(diào)。 （2）物流系統(tǒng) 在FMS中，工件、工具流統(tǒng)稱為物流，物

4、流系統(tǒng)即物料儲運系統(tǒng)，是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。物流系統(tǒng)由輸送系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)和操作系統(tǒng)組成，通常包含有傳送帶、有軌小車、無軌小車（AGV），如圖6-4所示為機器人與AGV，圖6-5為平行式上下料托盤交換器。圖6-4機器人與AGV 圖6-5平行式上下料托盤交換器（3）信息系統(tǒng) 信息系統(tǒng)包括過程控制及過程監(jiān)視兩個系統(tǒng)。其功能分別為：過程控制系統(tǒng)進行加工系統(tǒng)及物流系統(tǒng)的自動控制；過程監(jiān)控系統(tǒng)進行在線狀態(tài)數(shù)據(jù)自動采集和處理。圖是一個典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖 典型柔性制造系統(tǒng)示意圖2FMS的主要功能常見的FMS一般具有以下功能：（1）能自動管理工件的生產(chǎn)過程，自動控制制造質(zhì)量，自動進行故障診斷

5、及處理，自動進行信息收集及傳輸。（2）簡單地改變軟件或系統(tǒng)參數(shù)，便能制造出某一工件族的多種零件。 （3）物料的運輸和貯存必須是自動的. （4）能解決多機床條件下工件的混流加工，且不用額外增加費用。 （5）具有優(yōu)化調(diào)度管理功能，能實現(xiàn)無人化或少人化加工。6.1.3 FMS的優(yōu)點及效益從FMS的構成和功能可以看出，F(xiàn)MS具有下列的優(yōu)點和效益：（1）有很強的柔性制造能力（2）主要設備利用率高、投資減少。（3）減少設備成本與占地面積 （4）減少直接生產(chǎn)工人，提高勞動生產(chǎn)率 （5）減少在制品數(shù)量，提高對市場的反應能力 （6）產(chǎn)品質(zhì)量提高 （7）FMS可以逐步地實現(xiàn)實施計劃 6.2 FMS的自動加工系統(tǒng)6

6、.2.1 自動加工系統(tǒng)的功能和機床配置6.2.2機床輔具及自動上下料裝置6.2.3FMS對加工系統(tǒng)的控制功能和其它項目的要求6.2.1自動加工系統(tǒng)的功能和機床配置1加工系統(tǒng)的作用和機床設備的選用 FMS是一個計算機化的自動制造系統(tǒng)，能以最少的人工干預加工任一范圍零件族的零件。在FMS中，用于把原料轉(zhuǎn)變?yōu)樽詈螽a(chǎn)品的機床設備與夾具、托盤和自動上下料機構等機床附件一道共同構成了FMS的加工系統(tǒng)。加工系統(tǒng)是FMS最基本的組成部分，F(xiàn)MS的加工能力很大程度上是由它所包含的加工系統(tǒng)所決定的。 目前，在FMS上加工的零件可分為兩大類、一類為棱體類零件、如箱體、框架等；另一類為回轉(zhuǎn)體零件。表6-1所示加工單元

7、機床配置。表6-1加工單元機床配置2FMS對加工設備的要求及配置形式（1）FMS對機床的要求 柔性制造系統(tǒng)對集成于其中的加工設備是有一定要求的，不是任何加工設備均可納入柔性制造系統(tǒng)。它對加工機床的具體要求如下： 加工工序集中 控制方便 兼顧柔性和生產(chǎn)率 具有通信接口 （2）FMS機床配置形式 柔性制造系統(tǒng)在兼顧柔性和生產(chǎn)率的要求之外，還要考慮到系統(tǒng)的工作可靠性和機床的負荷率。因此，數(shù)控加工設備在FMS中的配置有互替形式（并聯(lián)）、互補形式（并聯(lián)）和混合形式（串并聯(lián)）三種，其特征如圖6-10所示。機床配置形式與特征比較特征互替形式互補形式混合形式簡圖生產(chǎn)柔性低中高生產(chǎn)率低高中技術利用率低中高系統(tǒng)可

8、靠性高低中投資強度比高低中圖6-10 機床配置形式和特征比較6.2.2機床輔具及自動上下料裝置1 機床夾具 在機床上裝夾工件所使用的工藝裝備稱為機床夾具。 FMS機床夾具的合理選用具有如下主要作用：易于保證加工精度，并使一批工件的加工精度穩(wěn)定；縮短輔助時間，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本；減輕工人操作強度，降低對工人的技術要求；擴大機床的工藝范圍，實現(xiàn)一機多能；減少生產(chǎn)準備時間，縮短新產(chǎn)品試制周期。 目前，用于FMS機床的夾具有兩個重要的發(fā)展趨勢：其一，大量使用組合夾具，使夾具零部件標準化，組合夾具如圖所示；其二，開發(fā)柔性夾具，使一臺夾具能為多個加工對象服務，圖所示為柔性夾具。 組合夾具柔性夾具

9、2托盤 它是FMS加工系統(tǒng)中的重要配套件。在物料（工件）流動過程中，托盤不僅是一個載體，也是各單元間的接口。對加工系統(tǒng)來說，工件被裝夾在托盤上，由托盤交換器送給機床并自動在機床支承座上定位、夾緊，這時托盤相當于一個可移動的工作臺。圖6-13為ISO標準規(guī)定的托盤基本形狀 圖6-13ISO標準規(guī)定的托盤基本形狀 1-托盤導向面 2-側面定位面 3-安裝螺孔 4-工件安裝面 5-中心孔 6-托盤擱置面 7-底面8-工件固定孔 9-托盤夾緊面 10-托盤定位面3自動上下料裝置 這里所謂的自動上下料裝置是指機床與托盤站之間工件托盤的裝卸裝置，常見的這類裝置有托盤交換裝置（Automated Palle

10、t Changing，ACP）、多托盤庫運載交換器、機器人等。（一）回轉(zhuǎn)式托盤交換器回轉(zhuǎn)式托盤交換器如圖6-14所示，其上有兩條平行的導軌以供托盤移動導向之用，托盤的移動和交換器的回轉(zhuǎn)通常由液壓驅(qū)動。 圖6-14回轉(zhuǎn)式托盤交換器（二）往復式托盤交換裝置 圖6-15所示為6位往復式兩托盤交換裝置，它由一個托盤庫和一個托盤交換器組成，托盤庫可以存放5個托盤。圖6-15往復式托盤交換器6.2.3 FMS對加工系統(tǒng)的控制功能和其它項目的要求1FMS對控制裝置的要求 （1）加工系統(tǒng)的控制裝置必須是CNC或相當?shù)脑O備，并具有DNC通信和數(shù)據(jù)交換功能，其加工控制程序應為整個FMS控制系統(tǒng)的一個組成部分。（2

11、）必須提供自動和手動兩種操作方式。自動方式：所要輸入的命令、程序和數(shù)據(jù)可由FMS控制器及輸入設備自動進行輸入；手動方式：通過按鈕或鍵盤由人工進行輸入。這樣，以保證在FMS出現(xiàn)故障或調(diào)整時機床能獨立地進行工作。（3）具有足夠存儲容量，以便存儲任意工位加工所需的最大零件加工程序，零件程序必須能隨機地而不是按照順序地進行選擇。（4）必須提供確定的手段，保證零件在開始下一道切削工序之前完成前一道工序。（5）在電源中斷或其它非計劃停機的情況下，至少在12小時內(nèi)不應丟失控制裝置中任何數(shù)據(jù)和失去任何同步。2FMS對支持設備的要求 （1）系統(tǒng)中每臺機床在接受夾具、托盤、刀具、零件程序時應具有互換性。 （2）機

12、床應備有足夠容量和速度的切屑輸送裝置，以便清除所有零件加工時產(chǎn)生的切屑。 （3）噴射冷卻系統(tǒng)應在無需人工調(diào)整的情況下，不管刀具的長度和直徑如何，都能使切削液指向所有正在工作的刀具刃部進行噴射。提供可靠的切削液回收系統(tǒng)，保證向任意長的加工工序提供足夠的、并經(jīng)過過濾的切削液。（4）要為所有機床安裝切屑和切削液濺射防護罩，并安裝合適的工作照明設備。（5）如果主控制設備安裝在其它地方，則應在裝卸工位再提供一個懸垂式操縱板或小型控制臺。它應包括主軸起動停止、緊急停機、加工循環(huán)準備中斷、托盤運送停止、程序輸入、進給停止等控制項目。6.3FMS的物料輸送與儲存系統(tǒng)6.3.1 物料輸送與儲存系統(tǒng)簡介6.3.2

13、 物料的輸送系統(tǒng)6.3.3 自動存貯與檢索系統(tǒng)6.3.1 物料輸送與儲存系統(tǒng)簡介 物料輸送與儲存系統(tǒng)是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。一個工件從毛坯到成品的整個生產(chǎn)過程中，只有相當小的一部分時間是用于機床的切削加工，而大部分時間則消耗于物料的輸送與儲存過程。FMS的物流系統(tǒng)包括：工件流支持系統(tǒng)和刀具支持流系統(tǒng)。（如圖6-16所示） 圖6-16 物流系統(tǒng)的組成框圖工件流支持系統(tǒng)主要有兩種形式：（1）面向大、中批量生產(chǎn)的柔性制造系統(tǒng)；（2）面向中、小批量生產(chǎn)的柔性制造系統(tǒng)； 在柔性制造系統(tǒng)中，自動化物流系統(tǒng)執(zhí)行搬運的輸送裝置目前比較實用的主要有三種：有軌運輸車、無軌運輸車和機器人。物料存儲設備主

14、要有：自動化倉庫（包括堆垛機）、托盤站和刀具庫。6.3.2 物料的輸送系統(tǒng)1有軌運輸車（RGV） 有軌運輸車（Rail Guided Vehicle，RGV），用于直線往返輸送物料。它往返于加工設備、裝卸站與立體倉庫之間，按指令自動運行到指定的工位（加工工位、裝卸工位、清洗站或立體倉庫位等）自動存取工件。如圖6-20a、圖6-20b所示圖6-20 有軌運輸車（RGV）有軌運輸車有三種工作方式： 在線工作方式 、 離線自動工作方式 、手動工作方式有軌小車的優(yōu)點如下：（1）控制技術相對成熟，可靠性比無軌小車好。 （2）控制系統(tǒng)相對簡單，因而制造成本低，便于推廣應用。（3）加速過程和移動速度都比較快

15、，適合搬運重型工件。（4）軌道固定，行走平穩(wěn)，停車時定位精度較高，輸送距離大。2無軌運輸車（AGV） 無軌運輸車即自動導向小車（Automatic Guided Vehicle）。AGV是FMS實際工作中廣泛使用的運輸工具。自動導向小車如圖所示 自動導向小車AGV具有以下特點：（1）配置靈活，可實現(xiàn)隨機存取,幾乎可完成任意回流曲線的輸送任務。當主機配置有改動或增加時，很容易改變巡行路線及擴展服務對象。適應性、可變性好，具有一定的柔性。 （2）由于不設輸送軌道等固定式設備，因此不占用車間地面及空間，使機床的可接近性好，便于機床的管理和維修。（3）可保證物料分配及輸送的優(yōu)化，使用數(shù)量最少的托盤，減

16、少產(chǎn)品損壞和物流噪聲。（4）使托盤和其它物料貯存庫簡化，并遠離加工設備區(qū)。能夠與各種外圍系統(tǒng)，如機床、機器人和傳輸系統(tǒng)相聯(lián)接。 （5）AGV能以低速運行，一般在1070m/min范圍內(nèi)運行。通常AGV由微處理器控制，能同本區(qū)的控制通信，可以防止相互之間的碰撞，以及工件卡死的現(xiàn)象。 （6）缺點是制造成本高，技術難度較大。 無軌小車如圖： 無軌小車 無軌舉升小車3物料輸送系統(tǒng)的基本回路零件運輸系統(tǒng)是為FMS服務的，它決定著FMS的布局及運行方式，但物料運送線路的布局往往是一個比較復雜的問題，其主要原因為：（1）運輸路線較長，柔性很大的機器人無法使用。（2）運送物料的種類多，除了工件之外，至少還需考

17、慮刀具運輸問題。（3）聯(lián)接點的性質(zhì)不一。除通常的加工工作站作為聯(lián)接點之外，往往還需要聯(lián)接自動化倉庫、裝卸站、托盤緩沖站以及各種輔助處理工作站。 FMS中物料輸送系統(tǒng)的基本回路可分為以下5種形式（圖6-25）： 圖6-25 FMS中物料輸送系統(tǒng)的基本回路（1）直線順序裝卸運輸回路 ，運輸工具只能沿線路單向移動，順序地在各個聯(lián)接點裝卸物料。（2）環(huán)形順序裝卸運輸回路，載工具也只能沿環(huán)形線路單向移動，順序到達各個聯(lián)接點，通過環(huán)形線路自動返回起始點。（3）帶支路直線移動運輸回路，運載工具具有隨時地改變運動方向的能力，且包含有支路。（4）帶支路環(huán)形運輸回路 ，它是以一個環(huán)形回路作為基礎，包含有若干支路。

18、（5）網(wǎng)絡式運輸回路 ，由多個回路交叉組成的，運載工具可由一個環(huán)路移動到另一環(huán)路。6.3.3 自動存貯與檢索系統(tǒng) 自動化存貯與檢索系統(tǒng)，通常稱為ASRS。它與機器人、AGV和傳輸線等其它設備連接，以提高加工單元和FMS的生產(chǎn)能力。1工件裝卸站 工件裝卸站設在FMS的入口處，用于完成工件的裝卸工作。在這里，通常由人工完成對毛坯和待加工零件的裝卸。2托盤緩沖站 在FMS物流系統(tǒng)中，除了必須設置適當?shù)闹醒肓蠋旌屯斜P庫外，還必須設置各種形式的緩沖貯區(qū)來保證系統(tǒng)的柔性。托盤緩沖站是一種待加工零件的中間存儲站，也稱為托盤庫。3自動化倉庫自動化倉庫是指用巷式起重堆垛機的立式倉庫。自動化倉庫主要有庫房、堆垛起

19、重機、控制計算機、狀態(tài)檢測器等組成。圖6-30為有平面?zhèn)}庫和立體倉庫的FMS。 圖6-30 有平面?zhèn)}庫和立體倉庫的FMS6.4FMS的刀具管理系統(tǒng)6.4.1 FMS的刀具管理系統(tǒng)的組成及其作業(yè)過程6.4.2 刀具的交換與存貯6.4.3 刀具的監(jiān)控與信息管理6.4.1 FMS的刀具管理系統(tǒng)的組成及其作業(yè)過程 刀具管理系統(tǒng)主要負責刀具的運輸、存儲和管理，適時地向加工單元提供所需的刀具，監(jiān)控管理刀具的使用，及時取走已報廢或耐用度已耗盡的刀具，在保證正常生產(chǎn)的同時，最大程度地降低刀具的成本，刀具管理系統(tǒng)的功能和柔性程度直接影響到整個FMS的柔性和生產(chǎn)率。典型的FMS的刀具管理系統(tǒng)通常由刀庫系統(tǒng)、刀具預

20、調(diào)站、刀具裝卸站、刀具交換裝置以及管理控制刀具流的計算機組成，如圖6-32所示。圖6-32 FMS的刀具流FMS的刀具管理系統(tǒng)的作業(yè)過程（圖6-33）描述如下： 圖6-33刀具管理系統(tǒng)作業(yè)過程6.4.2 刀具的交換與存貯FMS中的刀具運載通常由換刀機器人或刀具運輸小車來實現(xiàn)。它們負責來完成在刀具裝卸站、中央刀庫以及各加工單元（機床）之間的刀具搬運和交換。FMS中的刀具交換包含有三個不同方面的內(nèi)容：（1）加工機床刀具庫與工作主軸之間的刀具交換，這由加工機床附設的換刀裝置自動完成換刀任務；（2）刀具裝卸站、中央刀庫以及各加工單元之間的刀具交換；（3）AGV運載刀架與機床刀庫之間的刀具交換。1加工機

21、床刀具庫與工作主軸之間的刀具交換 FMS中的所有加工中心都備有自動換刀裝置（ATC），用于將機床刀庫中的刀具更換到機床主軸上，并取出使用過的刀具放回到機床刀庫。機械手是一種常見的自動換刀裝置，因為它靈活性大、換刀時間短。換刀機械手一般具有一個或兩個刀具夾持器，因而又可稱為單臂式機械手和雙臂式機械手，圖6-35所示的為雙臂式機械手。 圖6-35機械手 a) 鉤手 c) 伸縮手 d)叉手 b) 抱手 目前常用的加工中心機床自動換刀的方式有如下幾種：（1）順序選擇方式這種方式是將所需使用的刀具按加工順序依次放入刀庫的每個刀座內(nèi)。每次換刀時，刀具按順序轉(zhuǎn)動一個刀座的位置取出所需的刀具，并將已使用過的刀

22、具放回原來的刀位。（2）刀座編碼方式刀座編碼方式是對刀庫的刀座進行編碼，并將與刀座編碼相對應的刀具一一放入指定的刀座內(nèi)，然后根據(jù)刀座編碼選取刀具。刀座編碼方式分為永久性和臨時性（圖6-36示）。 永久性 臨時性圖6-36刀座編碼方式（3）刀具編碼方式這種方式采用特殊結構的刀柄對每把刀具進行編碼。對于特殊刀柄結構編碼方式分為接觸式和非接觸式（圖6-37示）。 接觸式 非接觸式圖6-37 特殊刀柄結構編碼方式2刀具裝卸站、中央刀庫以及各加工機床之間的刀具交換 在FMS的刀具裝卸站、中央刀庫以及各加工機床之間進行遠距離的刀具交換，必須有刀具運載工具的支持。3運載工具（如AGV）上的刀架與機床刀庫之間

23、的刀具交換 有些柔性制造系統(tǒng)是通過AGV將待交換的刀具輸送到各臺加工機床，在AGV上放置一個裝載刀架，該刀架可容納520把刀具，由AGV將這刀架運送到機床旁邊。 在如今的FMS中，將刀具由AGV裝載刀架自動裝入機床刀庫的方法通常有以下幾類： （1）采用過渡裝置 利用機床主軸作為過渡裝置，把刀具由AGV裝載刀架自動裝入機床刀庫。（2）采用專門的刀具取放裝置 AGV把裝載刀架運送到機床尾部，在那里通過刀具取放裝置將刀架上的刀具逐個裝入機床刀庫內(nèi)，并把舊刀具送回裝載刀架。這種方法的優(yōu)點在于可在機床工作時進行交換刀具，其不足之處是增加了設備費用。（3）AGV-ROBOT換刀方式 在AGV上裝有專用換刀

24、機器手，當AGV到達換刀位置時，由機器手進行刀具交換操作。其原理如圖6-40所示。 圖6-40 AGV-ROBOT換刀方式1AGV；2裝載刀架；3機器人；4機床刀庫（4）更換刀庫以實現(xiàn)刀具的交換 將機床刀庫作為交換對象進行刀具交換，日本YAMAZAKI公司的FMS即采用這一方案。機床上的刀庫可以拆卸，另一個備用刀庫放在機床旁邊的滑臺上，交換時機床上的刀庫滑到AGV上，滑臺上的刀庫裝入機床。這種可交換式刀庫的容量較小，大約有25把刀左右。這是一種新型刀具交換方法，很有發(fā)展前途。6.4.3 刀具的監(jiān)控與信息管理 FMS工作時，刀具始終處于動態(tài)的變化過程。由于FMS中所使用的刀具品種多、數(shù)量大、規(guī)格

25、型號不一，涉及的信息量較大，刀具的實際工作狀態(tài)對加工質(zhì)量、切削效率、制造系統(tǒng)正常運行有直接影響，因此，刀具的監(jiān)控與信息管理就顯得十分復雜和必要。 1.刀具監(jiān)控 刀具監(jiān)控主要是為了及時地了解每時每刻所使用的刀具因磨損、破損而發(fā)生的性質(zhì)的變化。2.刀具的信息管理 FMS中的刀具信息可以分為動態(tài)信息和靜態(tài)信息兩個部分。所謂動態(tài)信息是指在使用過程中不斷變化的一些刀具參數(shù)，如刀具壽命、工作直徑、工作長度以及參與切削加工的其它幾何參數(shù)。而靜態(tài)信息是一些加工過程中固定不變的信息，如刀具的編碼、類型、屬性、幾何形狀以及一些結構參數(shù)等。刀具數(shù)據(jù)的組織和數(shù)據(jù)流如圖6-41所示。 圖6-41 刀具數(shù)據(jù)的組織和信息流

26、 為便于刀具信息的輸入、檢索、修改和輸出控制，F(xiàn)MS以數(shù)據(jù)庫形式對刀具信息進行集中的管理，其數(shù)據(jù)庫模式通常采用四層次式結構，如圖所示6-42。圖6-42 FMS的刀具數(shù)據(jù)庫層次結構6.5 FMS的控制系統(tǒng)6.5.1 對FMS控制系統(tǒng)結構的要求6.5.2 控制系統(tǒng)的體系結構6.5.3 控制系統(tǒng)的任務6.5.1 對FMS控制系統(tǒng)結構的要求 作為柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacture System)核心部件的控制系統(tǒng),對FMS的性能起著決定性的作用。一個FMS整體性能優(yōu)劣，除了制造系統(tǒng)內(nèi)設備(如機床、運輸裝置等)性能的優(yōu)劣外，在很大程度上還取決于控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣?？刂葡到y(tǒng)是FMS的

27、大腦，負責控制整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)、優(yōu)化、高效的運行。由于FMS是一個復雜的自動化集成體，其控制系統(tǒng)的體系結構和性能直接影響整個FMS的柔性、可靠性和自動化程度。6.5.2 控制系統(tǒng)的體系結構 FMS系統(tǒng)的最小單元是柔性加工單元，因此研究加工單元的控制是研究FMS控制系統(tǒng)的基礎，如圖6-43所示。 圖6-43 FMS控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的具體要求如下：（1）能夠容納大量的加工程序 （2）要具備高度的可靠性 （3）具有適合無人化運行的功能 目前幾乎所有的FMS都采用了多級計算機遞階控制結構。多級分布式控制系統(tǒng)是對柔性制造自動化過程進行管理和控制的完備形式，計算機網(wǎng)絡技術是其技術基礎。FMS的控制系統(tǒng)通常采用

28、兩級或三級遞階控制結構形式，其參考模型如圖6-44所示。 圖6-44 FMS多級遞階控制系統(tǒng)在上述三級遞階控制結構中，每層的信息流都是雙向流動的：向下可下達控制指令，分配控制任務，監(jiān)控下層的作業(yè)過程；向上可反饋控制狀態(tài)，報告現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)。然而，在控制的實時性和處理信息量方面，各層控制計算機是有所區(qū)別的：愈往底層，其控制的實時性要求愈高，而處理的信息量則愈??；愈到上層，其處理信息愈大，而對實時性要求則愈小。例如，設備層的控制規(guī)劃時間通常在幾毫秒到幾分鐘范圍內(nèi)；在工作站層，作用時間可以從幾分鐘到幾小時；而最上層其規(guī)劃期可達幾小時到幾周范圍。6.5.3 控制系統(tǒng)的任務 在FMS控制系統(tǒng)的遞階控制結構

29、中，各層計算機相互通信、相互協(xié)同地工作，但又分擔著各自不同的任務。1中央管理計算機 中央管理計算機管理著整個系統(tǒng)的營運狀態(tài)，在綜合數(shù)據(jù)庫的支持下，它收集并處理市場和銷售的信息，制定中、長期生產(chǎn)計劃，收集并積累產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)，它通過如下的三個方面與下層系統(tǒng)進行聯(lián)接：（1）控制系統(tǒng)方面，主要用來向下層實時地發(fā)送控制命令和分配數(shù)據(jù)。為了支持控制系統(tǒng)的工作，F(xiàn)MS的中央計算機能夠接受它上層計算機所提供的工藝過程設計、NC零件程序、工時標準以及生產(chǎn)計劃和調(diào)度信息，及時合理地向它下層系統(tǒng)分配任務、發(fā)送控制指令。 （2）系統(tǒng)方面，主要用來實時采集現(xiàn)場工況，把收集的信息看作系統(tǒng)的反饋信號，以它們?yōu)榛A做出決策，

30、控制被監(jiān)控的過程。（3）監(jiān)測系統(tǒng)方面，主要用來觀察系統(tǒng)的運行情況，將所收到信息登錄備用，計算機將利用這些信息定期打印報告，供決策系統(tǒng)檢索。2. 工作站層計算機 為了提高生產(chǎn)設備的運行效率和系統(tǒng)的運行效果，為了實現(xiàn)車間管理工作自動化，多級分布式控制系統(tǒng)讓單元計算機承擔起制造單元的管理任務。3. 設備層計算機 該層計算機的任務是執(zhí)行各種操作。系統(tǒng)中的主要設備是由CNC系統(tǒng)控制的，只要下達的程序和命令沒有差錯，所有設備都能按照指令完成規(guī)定的操作。這一級控制系統(tǒng)要完成的主要操作任務有：接收程序和命令；接受調(diào)度命令，運輸物料；各類工作站設備按程序執(zhí)行操作；為下一步操作準備刀夾具或更換掉已磨損的刀具；傳感

31、器信息采樣，部分采樣信息作為CNC系統(tǒng)的反饋信息，其它送往上層計算機。6.6 FMS的信息流支持系統(tǒng)6.6.1 FMS的信息流模型6.6.2 FMS的信息流要素、聯(lián)系和特征6.6.1 FMS的信息流模型信息流支持系統(tǒng)，指對加工和運輸過程中所需各種信息收集、處理、反饋，并通過電子計算機或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等)，對機床或運輸設備實行分級控制的系統(tǒng)。實施對整個FMS的控制和監(jiān)督管理。由一臺中央計算機 (主機)與各設備的控制裝置組成分級控制網(wǎng)絡，構成信息流。圖6-45所示是柔性制造自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡模型。 圖6-45 柔性制造自動化信息模型從上圖可以看出柔性制造自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡

32、模型從上到下，可以分為5層，其中底三層為FMS的信息網(wǎng)絡模型：（1）計劃層 這是屬于工廠一級，包括產(chǎn)品設計、工藝設計、生產(chǎn)計劃、庫存管理等。其規(guī)劃的時間范圍（指任何控制級完成任務的時間長度）可從幾個月到幾年。（2）管理層這是屬于車間或系統(tǒng)管理級，包括作業(yè)計劃、工具管理、在制品及毛坯管理、工藝系統(tǒng)分析等。其規(guī)劃時間從幾周到幾個月。（3）單元層 這是指系統(tǒng)控制級，各分布式數(shù)控、運輸系統(tǒng)與加工系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，工況和機床數(shù)據(jù)采集等。其規(guī)劃時間可從幾小時到幾周。（4）設備控制層這是指設備控制級，各機床數(shù)控、機器人控制、運輸和倉儲控制等。其規(guī)劃時間范圍可從幾分鐘到幾小時。（5）動作執(zhí)行層 通過伺服系統(tǒng)執(zhí)行控制

33、指令而產(chǎn)生機械運動，或通過傳感器采集數(shù)據(jù)和監(jiān)控工況等。6.6.2 FMS的信息流要素、聯(lián)系和特征 要實現(xiàn)FMS的控制管理，首先必須明確了解在制造過程中有哪些信息和數(shù)據(jù)需要采集；這些信息和數(shù)據(jù)從哪里產(chǎn)生；它們流向何處；又是怎樣進行處理、交換和利用的。（1）歸納起來，F(xiàn)MS系統(tǒng)中中共有三種不同類型的數(shù)據(jù)：基本數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。 基本數(shù)據(jù) 這是在柔性制造系統(tǒng)開始運行時一次建立的，并在運行中逐漸補充，它包括系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)和物料基本數(shù)據(jù)，系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)有機床編號、類型、存貯工位號、數(shù)量等?？刂茢?shù)據(jù) 它是有關加工零件的數(shù)據(jù)，包括：工藝規(guī)程、數(shù)控程序和刀具清單技術控制數(shù)據(jù)；加工任務單，指明加工任務種類、

34、批量及完成期限（組織控制數(shù)據(jù)）。狀態(tài)數(shù)據(jù) 它描述了資源利用的工況，包括：設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)；物料的狀態(tài)數(shù)據(jù)；零件實際加工進度，如零件實際加工工位、加工時間、存放時間、輸送時間的記錄以及成品數(shù)、廢品數(shù)的統(tǒng)計等。（2）在系統(tǒng)運行過程中，這些數(shù)據(jù)互相之間發(fā)生了各種聯(lián)系，它們主要表現(xiàn)在以下三種形式：數(shù)據(jù)聯(lián)系 這是指系統(tǒng)中不同功能模塊或不同任務需要同種數(shù)據(jù)或者有相同的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，就產(chǎn)生數(shù)據(jù)聯(lián)系。決策聯(lián)系 當各個功能模塊對各自問題的決策相互有影響時，就產(chǎn)生決策聯(lián)系，這不僅是數(shù)據(jù)聯(lián)系，更重要的是邏輯和智能的聯(lián)系。組織聯(lián)系 系統(tǒng)運行的協(xié)調(diào)性對FMS來說是極其重要的。工件、刀具等物料流是在不同地點、不同時刻完成控制

35、要求，這種組織上的聯(lián)系不僅是一種決策聯(lián)系，而且具有實時動態(tài)性和靈活性。（3）FMS管理控制信息流程，是由加工作業(yè)計劃、加工準備、過程控制與系統(tǒng)監(jiān)控等功能模塊組成，如圖6-46所示。 圖6-46 FMS管理和控制信息流程FMS管理和控制信息流程特點如下：結構特征 按照計算機分級分布式控制系統(tǒng)的要求，F(xiàn)MS控制系統(tǒng)可以劃分為制定與評價管理、過程協(xié)調(diào)控制及設備控制三個層次，這種模塊化的結構，它們在功能上和時間上既獨立又相互聯(lián)系。時間特征根據(jù)信息流不同層次，它們對能通信數(shù)據(jù)量與時間的要求也并不相同，計劃管理模塊內(nèi)的通信主要是文件傳送和數(shù)據(jù)庫查詢、更新、存取、傳送大量數(shù)據(jù)，因此，往往需要較長時間。6.7

36、 FMS的應用與實施6.7.1 FMS的應用6.7.2 FMS的實施步驟6.7.1 FMS的應用 FMS可廣泛用于汽車、船舶、航空、計算機和紡織機械等制造行業(yè)中。自動堆垛機作文高柔性化的物流技術貯備在FMS生產(chǎn)系統(tǒng)的應用具有很好的發(fā)展前景。如圖6-47為汽車制造車間中的FMS設備。 圖6-47 汽車制造車間中的FMS設備 圖6-48為一個柔性制造單元FMC的結構簡圖。它的加工系統(tǒng)是由一臺車削加工中心和一臺NC機床組成、由刀具倉庫和刀具交換器構成了刀具支持系統(tǒng)、由工業(yè)機器人、運輸小車構成了工件流支持系統(tǒng)。通過工業(yè)局域網(wǎng)，F(xiàn)MC的計算機控制系統(tǒng)與上位計算機聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)計劃控制FMC系統(tǒng)的工作，形成了信息流支持系統(tǒng)。 圖6-48 柔性制造單元FMC的結構簡圖FMS在航空發(fā)動機行業(yè)的應用實例見表6-3 表6-36.7.2 FMS的實施步驟工廠引進FMS將冒巨大的投資風險，出現(xiàn)差錯會使整個工廠陷入困境。為防止重大差錯出現(xiàn)，應該按照以下步驟來實施FMS：1選擇零件和機床