第10章柔性制造系统.docx
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第10章柔性制造系统
10.1.1柔性制造系统定义
至今，对FMS尚无统一、严格的定义，许多国家的组织和协会从自己的理解给出了不同的描述。
这里我们引用《中华人民共和国国家军用标准——武器装备柔性制造系统》中关于FMS的术语：
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（FMC），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、小批量生产。
其中的FMC由计算机控制的数控机床或加工中心，环形（圆形或椭圆形）托盘输送装置或工业机器人所组成，可不停机转换工件进行连续生产。
图10-1为柔性制造单元的示意图。
图10-1典型的FMC配置
APC—托盘交换装置；MC—加工中心；CNC—计算机数字控制
柔性制造系统由两台或两台以上的数控加工设备（CNC数控机床、加工中心等）或柔性制造单元（FMC）所组成，配有物料自动输送装置，自动上下料装置（运输及装载设备、托盘库，自动化仓库，中央刀库等），并具有计算机综合控制功能，数据管理功能，生产计划和调度管理功能和监控功能等。
图10-2为FMS-500系统的示意图。
根据FMS在机械制造不同领域的应用，FMS可分为切削加工FMS、钣金加工FMS、焊接FMS、柔性装配系统等。
图10-2FMS-500示意图
FMS的类型有：
10.2柔性制造系统基本组成
FMS由制造工作站、自动化物料储运系统和FMS管理与控制系统三个主要部分组成。
制造工作站则主要包括机械加工工作站、清洗站和测量站。
10.2.1FMS制造工作站
1．机械加工工作站。
一般在柔性制造系统中主要的机械加工设备是加工中心，常带有机附刀库，可实现主轴和机附刀库的刀具交换，同时还带有自动托盘交换装置。
加工中心要集成到FMS中，需要满足以下的基本条件：
（1）硬接口托盘自动交换装置（AutomatedPalletChanger，APC）和第二刀具交换点；APC采用多种方式，最为常见的双交换台有平行式和回转式两种类型。
第二刀具交换点的功能是使加工中心机附刀库通过刀具机器人实现与外界交换刀具。
（2）软接口具有通过计算机网络或其它通信接口实现与上级控制计算机通信的功能，通常称FMS接口。
接口的功能是接收上级控制机发给加工中心的各种命令和数据，同时也能把各种数据和状态上传给控制机。
2．清洗站
清洗站可以放在柔性制造系统的生产线内，也可分开。
可以独立，也可与装卸站并为一体。
所谓清洗，主要指清除切屑和清洗油污，清洗对象包括零件、夹具和托盘。
清洗不包括去除零件毛刺，通常去毛刺工作在生产线外进行，因为它对装卸工作有干扰。
通过清洗保证零件在下一工序中的定位，装夹和顺利加工。
3．测量站
检验工序有在线和离线两种方式，各有优点。
在线检验仪可由编程令其投入工作，以判定加工误差并直接经由中央计算机进行刀具补偿调整。
在线检验的最大优点是能迅速确定制造中的问题，但由于一般检验的速度比生产速度低很多，难于做到在线100％的检验。
离线检验则由于检验工位离得远，零件定位和夹紧费时，或缺少自动检验装置等原因具有滞后性。
10.2.2物料储运系统
在柔性制造系统中，一般采用自动化物料储运系统，即物料的运输和存储过程均在计算机的统一管理和控制下自动完成。
物料储运包含了两个方面内容：
第一，FMS系统内部的物料装卸、搬运及存储；第二，FMS系统与外部储运系统或其它自动化制造系统之间的物料储运。
在FMS系统中采用物料储运系统，并不意味着完全排除人工参与。
事实上，在某些环节采用人工来实现有着良好的效果，如在FMS物料装卸站常采用人工装卸，因为在装卸时，由于在毛坯不统一的前提下，如采用机械手等，对机械手的要求很高，实际的操作可能又不能满意，时间长，效率低，编程复杂等，而人却能很容易做好这项工作。
在FMS中通常采用的自动化储运设备有传送机、有轨小车、自动导向小车（AutomatedGuidedVehicle，AGV）、工业机器人等。
1．传送机
传送机是自动化物料储运系统最早采用的形式之一，由于它造价低廉，控制相对比较容易，有着广泛的应用。
它通常有皮带式传送机、滚子式传送机和塑料铰链式传送机等。
在自动化制造系统中用传送机直接传送工件或托盘有很多应用实例，更常用的是传送托盘。
如图10-3所示。
传送机的驱动装置一般有牵引式和机械驱动式。
牵引式驱动装置适用于轻载荷、传送距离短的工作条件下，可采用链条、胶带等。
对于载荷较大，传动距离长可采用刚性的机械驱动装置。
机械驱动装置又可分为单个驱动和分组驱动两种。
图10-3传送机用来传送托盘
传送机上的托盘在驱动装置的驱动下，随链条或胶带向前平稳运动，其速度随载荷的变化而定。
托盘在每个制造工作站前可以精确定位，存放在托盘上的零件通过机器人等传送装置送入制造工作站处理。
工作站处理完毕的工件被送回到传送机的空托盘上。
托盘在传送机上的定位是根据系统控制机的命令自动实现的。
一般的方法为在托盘定位的前方运用传感器、滤码器或视觉系统来识别，确定是否需要定位。
如需要则令挡销或挡块将托盘挡住，然后令机器人或其它形式的传送设备进行传送机和制造工作站之间的物料交换。
传送机的另一种形式为单轨空架传送机。
单轨空架传送机将需要传送的工件放在一个悬挂式托架上，托架在一条长链的拖动下沿固定在厂房上空的空架导轨运动，通过控制驱动长链运动的电机，确定运或停。
这种传送带可以节省地面占用空间，但架设空架导轨会提高造价。
传送机具有控制相对简单、单位时间内输送量大、传送设备造价低廉、实施技术要求低、维护方便、工件（或托盘）定位准确性差、设备占地面积较大等特点。
2．有轨小车
有轨小车是一种无人驾驶的自动化搬运设备。
有轨小车沿着预先铺设的导轨，在牵引装置的推动下，按照控制指令行走，实现物料的自动传送。
有轨小车一般由导轨系统、小车控制器、车架和警告和安全装置组成。
如图10-4所示。
图10-4有轨小车组成
（1）导轨系统
导轨系统由底座、圆柱形导轨、传动齿条、回零挡块、越限挡块等组成。
圆柱形导轨用于承载小车和小车来回运动的导向，传动齿条实现与小车的驱动连接，它们固定在底座上。
小车的回零挡块安装在底座的适当位置上，当小车的回零开关与导轨上的回零挡块相撞，可使控制小车行走位置的高速计数器清零，同时回零挡块的位置也作为小车行走的参考点。
在底座两端装有小车越限挡块，当小车上的极限开关与导轨上的越限挡块相撞时，开关会发出越限急停信号。
（2）小车控制器
小车控制器是有轨小车的控制核心单元，它由控制单元和伺服驱动单元组成。
它需要有高的抗振动、抗干扰能力。
工业控制机和PLC，通常作为有轨小车的控制单元。
由于PLC具有高的可靠性，它通过配备高速计数器、通信模块等相应的专用模块，可以充分满足工程实际的需要。
有轨小车控制器的控制功能通常包括对小车行走的控制、物料交换控制、与上级控制器的通信、系统故障的处理和安全保护工作等。
（3）车架
车架是用来固定小车其它部件的，一般由钢架焊接或连接而成。
（4）警告和安全装置
警告装置用于系统报警时发出蜂鸣声及闪光，以提示操作员及时进行故障处理，确保设备安全。
安全装置是防止系统失控时作辅助控制用，它由光、电传感器或机械式触点开关作为传感元件，辅以其它机构组合而成。
物料运输小车的前后两侧和输送装置的左右两侧均装有安全挡板。
当小车的安全挡板受到冲击，压合触点开关后系统急停并报警。
有轨小车具有以下特点：
启动速度快，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。
3．自动导向小车
自动导向小车（AutomatedGuidedVehicle,AGV）是一个具有电磁或光学的自动导向装置，可以沿着事先预定的路径运行，具有依据应用需求进行编程和选择停靠点等功能的运输小车。
AGV由于具有良好的柔性、高的可靠性、容易扩展、易于与其它自动化系统集成等优点，因而是最具有潜力和优势的FMS自动化运输设备。
但AGV也有其自身的缺点，主要表现为一次性投入成本较高，因而投资回收期变长。
另外它主要适用于室内，在环境恶劣的露天环境不宜采用，对于磁导向装置的AGV，不能在金属地面上运行。
尽管AGV的形式和使用场合千变万化，但是它的基本组成部分可以分为：
车架、电池、导向单元、车载充电器、安全装置、车载控制器、通讯单元、精确定位装置、工作平台等，AGV的核心部件如图10-5所示。
（1）车架
车架是AGV的本体，它通常采用金属焊接，表面用铝合金面板封装而成。
（2）电源及充电器
AGV采用的动力源，通常为24V或48V工业电池，由于电池使用时间短，因而电源需要再充电或重新更换。
AGV电池更新的方法通常有充电和更换两大类。
充电方式也有两种方式：
随时充电及周期性充电，随时充电方式是指AGV空闲时，随时可以到充电区进行充电，周期性充电是指当AGV退出服务时，去充电区内长时间充电，充足电后，又投入运行，一般说完成一次充电需6小时，其中完成充电时间为4小时，冷却2小时，可使用17小时。
AGV和充电器之间联系分自动对接和人工对接两种。
更换方式是指依据AGV的工作时间，如工作了一班或二班，用充好电的电池将旧电池替换下来，以满足下一班的生产要求。
图10-5AGV的核心部件
（3）AGV控制系统
AGV控制系统是AGV的重要组成部分，它由车载控制器和地面站控制器所组成。
车载控制器由中央控制计算机、直流伺服系统驱动单元、电气系统和电磁阀四大部分组成，中央控制计算机和直流伺服单元是核心部分。
中央控制计算机由主机板、A/D、D/A转换板、计数器板、输入/输出板、导向信号采集板、伺服驱动板等组成。
AGV车载控制器可以实现以下控制功能：
1）通过脉冲编码器记录AGV运行的距离，并以此来控制AGV的运行速度和确定AGV的位置。
2）监控各种离散信号的输入，如手动控制信号、安全装置激活信号、电池状态信号、导向限位开关、刹车状态等，并作相应处理。
3）提供输出激发或控制AGV的执行机构，如电机控制器、充电连接器、安全报警系统及导向单元等。
4）通过通信单元接收地面站控制命定，或反馈小车的状态信息。
地面站控制器的主要功能为：
1）1）存储AGV的运行路径；
2）2）生成AGV的运动控制命定并经通信单元向AGV发送命定；
3）3）接收AGV反馈的状态信息，并进行分析、处理；
4）4）通过通信接口接收上位机的控制命定，或反馈状态信息；
5）5）采集各类离散信号，并作相应处理。
（4）导向系统
导向系统是用来实现AGV朝不同方向运行的控制单元，导向控制单元由导向天线、导向电机、速度控制器放大器和导向限位开关组成。
导向控制单元组成
（5）定位机构
AGV要满足应用实际的需求，无论其在任何一个站点定位时都要保证一定的精度。
由于AGV在地面上运行时是依靠驱动轮转数累积计算运行距离，由于受各种因素的影响，如温度、湿度、地面摩擦力等，因而用轮转数计算行程存在误差。
一般行程越大，误差累积也越大，为了保证AGV准确定位，必须设法消除运行误差的累积并选择恰当的定位方法。
分段清零是消除累积误差的常用方法；二次定位即粗定位和精定位相结合也是AGV常用的定位方法。
粗定位（一次定位）
二次定位（精定位）
（6）通信单元
通信单元是联系AGV与上位机（FMS系统控制机或地面站）的桥梁。
命令的接收和状态的反馈都得依赖通信单元。
通信单元按照其采用的方式可分为连续通信和离散通信。
连续通信是指AGV和上位机之间一直保持联系，可以随时发送和接收信息。
连续通信实现的途径可通过无线通信和红外线收发器。
无线通信就是分别在地面站和AGV上安装无线电发射装置，通过以一定的功率和频率发送和接收信息。
但它一般易受雷击或别的干扰源（大功率电机、电焊机等）的影响，降低通信质量。
红外线收发器目前也是常用的方法。
通常在AGV上安装一个红外线收发器，然后在AGV运行范围内安装一定数量的红外线收发器，确保AGV运行到任一站点或位置可以保持和上位机的通信。
在我国自行研制的柔性制造系统BFEC中AGV系统采用的通信单元就是红外线收发器，它在系统内安装了3个红外线收发器。
离散通信是指AGV和上位机通信联系只能在某些事先设定的站点进行，在其它位置则无法通信。
AGV的离散通信方式
（7）安全装置
第二类为红外线障碍物检测装置，它安装在AGV四周的中部。
检测距离通常为0.3~1m内可调，红外线检测装置可以通过检测到的信号作出相应的反应。
一种为将AGV减慢速度到0.6m/min左右，并发出警告信号；另一种反应为立即使AGV停止。
4．工业机器人
通用工业机器手（人）一般由机械主体、传感器、驱动系统和控制器等四部分组成。
如图10-6为日本三菱公司生产的机器手。
图10-6机械手
机械主体构成了机器人执行动作的基础部件。
它通常由机器人基座、关节、手爪等组成。
基座是机械主体的基础，通常有移动型和固定型两类。
关节与人的关节相类似，工业机器人的关节在控制器的控制下通常可使其上的两个零（部）件相对移动或转动。
工业机器人所配置的关节可分为五类：
线性关节、正交关节、回转关节、扭转关节和旋转关节。
它使得机器人的手爪实现灵巧的动作。
手爪是接触工作物的部件。
手爪包括手指及安全机构，并对作业对象的不同，有不同种类的手爪供使用者选择。
机器人只有借助各种各样的传感器才得以使它具有实用性和通用性，去完成许多类似于操作人员所做的工作。
机器人的各个关节需要一定的驱动装置来驱动，这些驱动装置可以是电气的、液压的或气动的。
控制器是工业机器人的控制和指挥中心，它通过输入设备接收人或其它控制系统的命令，并进行运送与控制，指挥机器人的机座、关节及手爪执行作业。
依据对不同类型的机器人控制的需要，控制器也可以分为不同的类型，通常有点位控制器、连续轨迹控制器、单一动作控制器和智能控制器。
由于工业机器人夹持的重量受到一定的限制，所以通常用来传输重量较轻的零件或刀具，因此，在轴类零件FMS中机器人得到广泛的应用。
另外由于机器人的工作范围是一定的，所以有时可通过与有轨小车的组合来延伸其工作范围。
如图10-7所示。
图10-7机器人在FMS中的应用实例
5．自动化物料仓库
在自动化制造系统中，通常希望系统具有较大的存储容量，这样便于实现无人化生产。
为了达到这一目的，大多系统通过设立自动化立体库来解决。
自动化物料仓库又称自动存取系统（AutomatedStorageandRetrievalSystem，AS/RS）。
自动化物料库采用集中式的存储方式，将生产过程中流动的各种物料（如工件、夹具、托盘、刀具、量具等）在自动化制造系统的主控系统和物料系统控制机的控制下，实时地完成制造系统中工作站之间的各种物料的传送和存储。
自动化立体库通常由货架、巷道堆垛机和控制系统等组成
自动化物料库有多种形式，一般可分为平面库和立体库两种。
平面库通常应用于大型工件的存储，在一些自动化制造系统，如FMS中，又称它为中央托盘库。
平面库空间利用率低，主要应用在系统规模较小的制造系统中物料的存储。
自动化立体库采用高层货架，用计算机及PLC等管理和控制，货物自动地按给定的控制指令通过巷道，堆垛机和辅助设备进行入库及出库作业的新型仓库。
自动化立体库具有占地面积小、空间利用率高、存储量大、周转快、自动化程度高等特点，在FMS等自动化制造系统中得到了广泛的应用，成为现代化生产工厂内物流自动化的重要标志之一。
自动化立体库集存储控制、信息管理于一体，在对实现物料的自动化管理、加速资金周转、保证生产均衡诸方面带来了巨大的效益。
10.2.3FMS管理与控制系统
1．FMS管理与控制系统体系结构
管理与控制系统是FMS的核心和灵魂。
由于FMS管理和控制的复杂性，为了降低控制系统的复杂性，简化实施过程，采用横向或纵向的分解与集成而形成的多层递阶控制结构。
递阶控制结构的优点是将一个复杂的系统分解成几个子系统，减少全局控制和开发的难度。
这种体系结构是目前技术最成熟，应用最广泛的。
FMS管理与控制系统通常可采用三级递阶控制结构。
对这种控制结构系统内的设备数量不宜过多，FMS单元控制机直接实施对设备或子系统的实时控制，对目前计算机性能不断提高，相反FMS规模向中小型方向发展的情况，这种体系结构是比较适宜的。
如果FMS系统的规模比较大，采用三级递阶控制结构对单元控制机来说负荷较大时，则可在第二、三级中间加入工作站级。
图10-8为具有工作站级的FMS四级递阶控制结构。
图10-8FMS四级递阶控制结构
由于FMS生产计划控制与调度的作用区域在制造企业递阶控制结构中的车间、单元、工作站、设备层。
因此，FMS生产计划控制与调度是通过对制造过程中物料流的合理计划、调度和控制，来缩短产品的制造周期，减少在制品，降低库存，提高生产设备的利用率，最终达到提高FMS生产率的目的。
为了达到上述目的，需要依据FMS所采用的体系结构和运行特点对FMS的生产计划控制与调度的逻辑结构进行合理的规划，提出系统合理的软件配置，确定每个软件的具体功能。
图10-9表示了一种FMS计划控制与调度系统的逻辑结构。
2．FMS管理系统及其功能
FMS管理系统的功能是准备FMS正常运行的各种数据，即作业清单，零件NC程序，刀具文件等。
有的FMS系统，为了在实际系统运行前对作业计划进行验证，要用到仿真软件。
仿真软件能完成对作业计划的评估，并为实际系统的运行提供参考。
综上所述，FMS管理系统软件主要由FMS作业计划管理系统、CAM系统、CAPP系统、模拟仿真系统组成。
图10-9FMS计划控制与调度系统的逻辑结构
作业计划是管理系统软件中的一个重要组成部分，它制定日作业计划，把周、旬或更长时间的计划逐步落实到FMS中完成。
FMS作业计划是生产活动（生产准备、加工）的时间表，它根据厂方提供的生产计划（零件种类，供货日期，需求量等），优化得出月、周、日／班FMS加工的零件及各班次刀具配置清单，夹具清单和原材料清单。
编制和执行FMS作业计划，是为了保证按期、按质、按量完成加工任务。
首先要满足生产任务，即在规定的交货期内交货，以满足订货，装配要求；其次要使FMS有效地运转起来，以降低产品成本，提高系统的生产率，取得良好的经济效益。
CAM是FMS中的一个重要环节。
在FMS中，所有的加工设备都是数控加工、检测和清洗设备，这些设备都需要用数控加工程序进行控制，因此，FMS要用到大量的数控加工程序。
在CIMS环境中，CAM和CAD组成一个独立的功能子系统，通过网络和FMS系统相联接。
而在本章中，把CAM归到FMS最上层管理软件中。
由于在FMS中加工的零件都比较复杂，FMS对数控加工程序也有特殊的要求，因此，采用CAM生成FMS所用的数控加工程序是非常重要的。
CAPP是CAD和CAM的桥梁，该软件提供零件的加工工艺过程，包括零件加工工艺路线，刀具、夹具、量具清单。
这些清单是作业计划中的刀、夹、量具清单的数据源头。
模拟仿真是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。
计算机仿真则是借助计算机，用系统的模型对真实系统或设想的系统进行实验的一门综合性技术。
系统仿真是指用仿真技术来研究各种系统，通过仿真可以对系统进行评估，也可以对系统的输入进行评估。
FMS仿真，在FMS的设计阶段，用于对系统进行评估，当FMS建立后，就用于FMS的运行仿真，从而对系统的输入进行评估，以达到优化的目的，并为真实系统的运行提供参考。
3．FMS控制系统及其功能
FMS控制系统通常由硬件和软件两方面组成，其组成如图10-10所示。
计算机
硬件网络（网络接口卡、连接电缆、服务器）
外设（打印机等）
生产准备
FMS控制系统动态调度
应用软件系统监控
软件故障诊断
操作系统
系统支持软件网络操作系统
数据库管理系统
图10-10FMS控制系统组成
FMS控制系统的基本功能如下：
1）传送数据（如物料参数、NC程序、刀具数据等）给FMS中的物料系统和加工设备；
2）协调FMS中各设备的活动，保证把工件和刀具及时地提供给加工设备，使加工设备高效运转；
3）提供友好的操作界面，使操作者能够输入数据，控制、运行和监视FMS运行；
4）当FMS发生故障，能帮助操作者进行故障诊断和故障处理。
（1）生产准备
任何一个FMS系统自动运行前必须完成生产准备工作。
生产准备工作可以在每天下班前或上班后系统自动运行前进行。
生产准备的主要内容有：
1）获取生产作业计划、工艺计划与NC程序。
在系统自动运行前，需要从车间控制器或系统决策支持机中获取当天系统加工所需的FMS作业计划，有的系统中获取的是双日班计划。
在获取作业计划的同时下载相应的刀具需求计划和物料需求计划。
检查完成该给作业计划中零件加工所需的工艺计划和NC程序是否齐备，如不全则从CAD/CAM系统或上位机中获取。
2）刀具准备。
由于刀具准备需要一定的时间，为了保证FMS有较高的生产率，加工设备高的利用率，一般情况下当天系统加工所需的刀具在系统运行前都已事先进入系统。
除非加工中出现刀具破损或刀具寿命到的情况，才临时从系统外进刀。
因此，在FMS开工前，应当依据刀具需求清单，事先将所需的刀具进行装配、对刀、并通过生产准备系统将刀具送入FMS的中央刀库，相应的刀具参数存入FMS单元控制机的数据库系统中和刀具管理控制机上。
对不设中央刀库的FMS应将刀具送入相应的制造工作站的机附刀库中。
3）工装与工件毛坯准备。
工装准备是指准备FMS系统完成当日作业计划所需的夹具并安装到随行托盘上，调整完毕。
对于使用较为复杂的柔性夹具，准备的周期应适当加长。
因为夹具的安装和调整时间，与使用夹具的复杂程度和操作人员的技术水平相关。
毛坯准备是指将需在FMS中加工的零件毛坯送到现场或存放在物料库中。
4）系统配置与数据核对。
因为一个柔性制造系统可能包括多台加工设备，有时系统运行时，依据作业的需要或某种特殊的情况（设备临时维修等），某台设备决定临时离线。
可通过生产准备系统进行系统设置。
系统数据核对也是FMS运行前一项重要的工作，因为系统中每一个数据将直接影响系统的运行，可能会因一个微小的数据错误造成系统严重的故障，通常采用的办法是将存放在不同位置的数据进行校验，如将存放在单元控制器数据库中数据与制造工作站的数据校验，一旦发现差异需人工进行校核，并通过生产准备系统中的数据管理系统进行纠正。
生产准备除了完成上述四个主要内容外，一般还具有一些对系统中的每个设备或子系统进行单步控制的功能，通过单步控制功能对系统进行操作，可以使得单元控制器上的数据和制造工作站或底层设备上的数据保持一致。
如果通过底层设备控制器对所控制的设备进行单步操作，这样往往会造成上下数据的不一致，给系统维护造成一定的麻烦。
（2）动态调度
动态调度就是协调各子系统之间的合作关系；实现工件流、刀具流和信息流自动化传输；使FMS能高度自动化地加工。
动态调度系统是FMS控制系统的核心内容，它将FMS生产作业计划调度与控制问题在时间与空间上进行分解。
FMS的运行过程中系统中设备状态的变化是十分复杂的，面对这种复杂和快速的实时状态变化，动态调度系统必须作出实时的反应，使FMS整个系统保持正常、优化运行。
因此，FMS实时动态调度是一项十分复杂的任务。
每发出一个实时动态调度命令，首先需要采集系统内所有设备的实时状态数据，并对这些数据进行分析；在数据分析的基础上结合调度优化策略，进行系统运行优化决策，最后生成实时动态调度命令。
因此，要开发这样复杂的控制系统必须要有一套严格、有效的工具和方法来保证系统开发的成功，通常称这种辅助开发工具为系统建模工具。
对
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