1、机械工程学科前沿结课报告柔性制造系统FMS中 国 地 质 大 学研究生课程论文封面课程名称 机械工程前沿 教师姓名 研究生姓名 研究生学号 研究生专业 机械工程 所在院系 机电学院 类别： B.硕士 日期： 年 月 日 评 语对课程论文的评语：平时成绩：课程论文成绩：总 成 绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。柔性制造系统(FMS)摘要:柔性制造系统(FMs)系指具有自动化程度高的制造系统。目前所谈及的FMS通常是指在批量切削加工中以先进的自动化和高水平的柔性为目标的制造系统。随着社
2、会对产品多样化、低制造成本及短制造周期等需求日趋迫切，FMS发展颇为迅速，并且由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展，也促使柔性制造技术日臻成熟，80年代后，制造业自动化进入一个崭新时代，即基于计算机的集成制造(CIMS)时代，FMS已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。关键词:柔性制造系统 计算机辅助设计 柔性制造系统的应用Abstract: flexible manufacturing systems (FMs) refers to a high degree of automation of manufacturing systems. FMS curren
3、tly talking about usually refers to the batch machining of advanced automation and a high level of flexible manufacturing systems for the target. With the social demand for product diversification, low manufacturing costs and shorter manufacturing cycle increasingly urgent, FMS develop quite rapidly
4、, and because of the development of micro-electronics technology, computer technology, communications technology, machinery and control equipment, also contributed to the flexible manufacturing technology maturity, after 80 years, manufacturing automation into a new era, that computer-based integrat
5、ed manufacturing (CIMS) era, FMS has become the industrialized countries in the development of manufacturing automation development priorities.Keywords: flexible manufacturing systems computer-aided design applications of flexible manufacturing systems1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
6、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
7、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50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
8、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
9、产。（依据：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）美国国家标准局(United States 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
10、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。2FMS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；（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
11、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
12、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
13、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(1)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
14、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，当系统中的设备出现故障时，制造系统对故障的处理能力 。 3FMS的分类3.1 按系统的规模（1）FMC 柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）一般是由12台数控机床、加工中心、工业机器人
15、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（
16、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
17、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 Manufacturing Factory）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4FMS的组成
18、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4.1.1 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
19、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，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
20、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。4.1.2 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，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
21、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。FMS组成（4-1）FMS的组成4.2 FMS控制系统组成 （4-2）FMS控制系统组成5FMS的运行与调度 5.1 FMS递阶控制结构
22、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5.2.1 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（CAPP）；数控程序自动编制与刀具轨迹模拟。 5.2.2 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。
23、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
24、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。 5.2.3 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
25、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FMS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 。6FMS国内著名产品介绍（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，
26、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（Convey
27、er），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（Robot2），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，在此计算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
28、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。7 FMT的发展趋势7.1 发展FMT的支撑条件(1)技术培训。应用FMT的用户需要建立一支自己的自动化领域专家和专业技术人员队伍，因而，对有关人员进行技术培训极为重要。(2)自动化应用经验。企业应用自动化技术的经验对于成功应用FMS是极为重要的，这种应用经验是一种积累的过程。(3)上级主管部门和领导的支持。在国有企业中，成功应用FMT的一个必要条件是得到上级主管部门和领导的有力支持，上级主管部门和领导支持的强弱对于缩短实施周期和回收期有着重大影响。(4)工程主管者。发展FMT必须任命一位有权威的工程主管
29、者(工程负责人)。这位工程主管者通常应处于上级主管部门或工厂级主管人员的地位。(5)供应商。发展FMT，争取软、硬件供应商的技术支持极为重要，即使是技术水平较高、应用经验较丰富的用户，这种支持也是必要的。7.2 FMC将成为发展和应用的热门技术FMC的投资比FMS少得多而效益接近。更适用于财力有限的中小型企业。7.3 发展效率更高的FML多品种、大批量的生产企业，如汽车及拖拉机等工厂对FML的需求引起了FMS制造厂的极大关注。采用价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心将是FML的发展趋势。7.4 朝多功能方向发展由单纯加工型FMS进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具
30、的多种功能FMS。FMS是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势，是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS。真正完善的第二代FMS将是智能化机械与人之间相互融合、柔性地全面协调从接受订单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。FMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，在计算机及其软件的支撑下，构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统，以实现全局动态最优化，总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的智能制造系统。参考文献1 严隽薇.现代集成制造系统概论.清华大学出版社,2004.7:
31、334-3402 严隽琪.制造系统信息集成技术.上海交通大学出版社，2001.8: 138-1583 刘飞.CIMS制造自动化.机械工业出版社，1997.3：25-804 吴季良.柔性制造系统实例.机械工业出版社，1989.7：117-1205 曹阳,李小宁.FMS 控制系统升级关键技术的研究及实现J.组合机床与自动化加工技术，2002（2）：10-156 田海宽.企业柔性制造系统运行方式研究J.科技信息2009（8）：3067 霍艳芳,齐二石.FMS的应用现状与改进措施J.工业工程与管理，1999（1）：8-108 王永红.旧数控机床改造的意义及其技术途径J.机械制造与自动化，2008（6）：161-162
