单元五柔性制造系统FMS及应用.docx
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单元五柔性制造系统FMS及应用
单元五柔性制造系统（FMS）及应用
5．1产教结合型柔性制造系统
5．1．1、产教结合型FMS系统的组成
产教结合型FMS系统由控制分系统、信息分系统和底层设备分系统构成。
整个FMS系统，在网络、数据库及CORBA的基础上，建成了一个以计算机控制技术和通信技术为支持的、以两台数控加工设备为基本的生产单位、集成化信息管理与系统总控系统为中枢的计算机控制自动化制造系统。
图5–1为产教结合型FMS的总体框架，它几乎概括了一个自动化车间生产的所有基本活动。
1.产教结合型FMS总体结构的逻辑模型
产教结合型FMS系统是由计算机对制造过程进行监测和控制的自动化系统，即计算机过程监测和控制系统。
参照图5-2所示的ISO制造企业层次模型，其中“企业”对应最高层级，“设备”对应最低层级，同时考虑到纯递阶控制的先天缺陷，因此设计的产教结合型FMS系统是一个多级递阶分布控制的模式，如图5-3。
图5-1FMS的总体框架图5-2ISO制造企业层次模型
图5-3FMS总体结构逻辑模型
2.产教结合型FMS系统的平面布置
产教结合型FMS系统平面布置如图5-4。
图5-4FMS系统平面布置图
图5-5产教结合型FMS现场照片
3.产教结合型FMS控制系统的设计特点
（1）软件结构
产教结合型FMS采用如图5-6所示的模块化积木式软件结构，为控制系统的软件开发提供多层次的开放性。
图5-6FMS的开放式软件结构
其特点主要有：
1）相对应用过程的独立性。
系统的控制功能不仅仅局限于制造领域，它也应该为装配或辅助工装准备等领域提供过程控制。
2）相对控制层次的独立性，系统可用于任何一个递阶控制层次上。
3）相对制造环境的独立性，系统适用于多种制造环境。
4）相对计算机的独立性。
相对于操作系统的独立性：
系统可在、或稍加改动即可在不同操作系统上运行；相对于硬件结构的独立性：
控制系统可以适应不同类型的计算机和网络系统。
（2）递阶分布式控制结构
产教结合型FMS控制系统将整个控制任务按照控制层次分为尽可能独立的、递阶分布的功能单元，如图5-7，每一个功能单元决定该制造控制系统内的一个确定的功能范围（如车间层的作业计划、单元层的调度执行等）。
按照制造信息标准（MMS）中有关服务的定义，功能单元提供一系列的对象为其它单元使用。
随着控制层次的深入，功能单元与设备的相关性增加。
在每一层次中，都有一个运行控制模块协调其所在层次所有单元之间的运行，并唯一负责同上层运行控制模块联系；在同一层次中，各个功能单元之间能直接通讯，这就加强了系统的稳定性。
这样的递阶分布式控制结构既可以支持整体系统的实现，又能以功能单元的形式实现某一单项功能，从而具有控制任意层次上生产系统的可能。
二、产教结合型FMS系统的功能
1．FMS功能体系结构
产教结合型FMS系统功能体系结构有三个分系统：
FMS控制分系统、FMS信息分系统和底层设备分系统组成。
根据美国国家标准局关于自动化功能体系结构控制模型的四层递阶控制的结构，其主要的功能可概括如下：
1）工厂层：
包括生产任务及相关生产经营信息的下达、技术信息编制等。
2）车间层：
定单管理、工艺装备管理、工艺计划数据管理、数控数据管理、车间作业计划的编制及其调度执行。
3）单元层：
可编程设备的上层控制和监测。
4）设备层：
可编程设备的自动化控制。
产教结合型FMS系统功能结构框图，如图5-8。
图5-8FMS的功能结构框图
（1）FMS信息分系统
FMS信息分系统包括工作日历管理、定单管理、数控程序管理、工艺计划管理和工装（包括刀具、夹具、托盘）数据管理。
1）工作日历管理
完成对系统内各加工设备工作日历的管理。
具体内容包括各台设备的工作日历的输入、修改查询等。
2）定单管理
完成对FMS系统生产定单的管理。
具体内容包括定单的输入、添加、删除、修改等；
3）数控数据、工艺计划管理
完成对本系统内的工艺过程和数控程序的管理。
具体内容包括工艺及数控程序的输入、添加、删除、修改等。
4）工装管理功能
完成对FMS系统内的工装（包括刀具、夹具、托盘）管理。
具体内容包括工装基本数据的输入、添加、删除、修改等；工装使用计划的制定、管理等。
（2）FMS控制分系统
FMS控制分系统主要包括详细计划子系统、调度仿真子系统和设备控制子系统组成。
1）详细计划功能
根据上级管理系统下达至车间的定单，对某一个时间区间内的生产定单进行组织、分配和管理；同时根据其所对应的工艺规程把将其分解到生产系统中特定的加工设备上基于托盘的系统任务及系统过程任务；明确地安排系统中所有的系统任务及系统过程任务的计划开始和结束时间、操作地点，相互间的顺序和优先关系等；计算出各个系统过程任务的计划批量大小和工装需求；得出试行性作业计划和工装准备计划。
2）调度和仿真
对试行性作业计划根据系统当时的实际情况进行仿真。
一旦仿真的结果可行，则此试行性计划便成为正式的作业计划，同时生成控制各种硬件设备的动作链；如不可行，可重新进行调度和调整作业计划。
该模块在满足生产要求的同时，兼顾了教学中学生进行调度和仿真的实验要求。
3）设备控制
根据动作链，完成各种设备（机床、运输系统、机器人和各种终端、装卸站、缓冲区等）的上层协调控制。
（3）底层设备分系统
底层设备分系统主要包括：
1）装卸站控制子系统
2）运输系统控制子系统
3）机器人控制子系统
4）机床控制子系统
5）立体仓库子系统
2.FMS系统网络结构
产教结合型FMS系统的网络结构如图5-9。
其中以终端服务器实现FMS系统底层设备的网络控制，包括机器人、加工中心、运输系统、装卸站设备等。
采用TCP/IP网络传输协议，实现数控车床、堆垛机与立体仓库等设备的控制、FMS局域网内控制管理信息的共享，以及与工厂局域网的信息交换等。
图5-9FMS系统的网络结构
三、产教结合型FMS系统的设计
产教结合型FMS设计时主要依据以下原则：
1）采用IDEF0结构化分析方法来描述系统的功能活动和联系。
2）采用逐步细化、逐步求精的原则，采用递阶层次分解结构。
3）设计模块化原则。
使各功能模块具有较好的独立性。
4）全局性原则。
以全局的观点对整个系统进行建模，从全局的高度来揭示各功能之间的相互联系和相互制约关系。
考虑到以上原则，产教结合型FMS的功能模型树如图5-10所示，针对总体目标，FMS信息分系统分为5个子系统；FMS控制分系统分解为3个子系统；底层设备分系统分解为6个子系统，内容包括从顶层至末层的所有功能。
图5-10产教结合型FMS的功能模型树
四、产教结合型FMS系统的运行
以“装备集成管理系统”为例说明产教结合型FMS系统的操作过程。
工艺装备集成管理系统是整个FMS系统中的一个子系统，它对工装数据、数控程序数据、工艺数据、订单数据进行统一的集成管理，实现订单信息、工艺信息、数控程序信息及工装信息的输入、修改及删除等操作。
该系统的主要特点如下：
（1）本系统为用户提供了友好的操作界面，用户可方便、快捷地进行数据管理与维护；
（2）本系统可进行即时地数据检测。
对用户输入的信息进行实时检验，如有错误，提示用户并要求重新输入；
（3）由于本系统采取了一次性读取数据库中的数据，因此系统的运行速度快。
1.功能说明
本系统分成五个功能子模块，分别是：
工装管理子模块、数控程序管理子模块、工艺管理子模块、订单管理子模块以及工作日历管理子模块。
（1）订单管理子模块：
完成生产订单的管理。
具体内容包括订单的输入、添加、删除、修改等操作。
本模块可对输入的数据进行正确性的检测。
（2）工艺管理子模块
完成零件加工工艺的管理，具体内容包括零件加工工艺的输入、添加、修改等。
（3）数控程序管理子模块
完成加工零件的数控程序的管理，具体内容包括数控程序的输入、添加、修改等。
（4）工装管理子模块
完成对FMS系统内工装的管理，包括刀具管理、夹具管理、托盘管理。
具体内容包括工装基本数据的输入、添加、删除、修改等。
（5）工作日历管理
完成对系统内各加工设备工作日历的管理。
具体内容包括各台设备的工作日历的输入、修改、删除及查询等。
2.运行环境
（1）运行的硬件环境
一台PC机，基本配置要求为：
CPU：
PIII533以上；
内存：
256M以上；
硬盘：
20G以上。
（2）运行的软件环境
Windows2000/XP Server/Workstation
MicrosoftSQLServer2000数据库系统
3.系统安装与启动
（1）系统安装
本系统安装只需将执行文件及相关的文件复制到安装目录下即可。
（2）系统启动
双击安装目录下的执行文件即可进行系统界面。
界面如图5-11所示：
图8-16工艺装备集成管理系统的主界面
4.系统使用操作说明
进入系统后，一般按以下几个步骤进行数据管理：
第1步：
安排各机床的工作日历；
第2步：
输入FMS系统中所配置的装备，包括机床信息、刀具信息及夹具信息；
第3步：
输入加工订单信息；
第4步：
根据订单所要加工的零件，制定并输入加工工艺；
第5步：
编制加工零件的数控程序。
图5-11 工艺装备集成管理系统的主界面
5．2柔性制造系统的基本概念
5．2．1、刚性自动化生产线
刚性自动化生产线是多工位生产过程，用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。
在刚性自动线上，被加工零件以一定的生产节拍，顺序通过各个工作位置，自动完成零件预定的全部加工过程和部分检测过程。
与刚性自动化单机相比，它的结构复杂，任务完成的工序多，所以生产效率也很高，是少品种、大量生产必不可少的加工装备。
除此之外，刚性自动生产线还具有可以有效缩短生产周期，取消半成品的中间库存，缩短物料流程，减少生产面积，改善劳动条件，便于管理等优点。
它的主要缺点是投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。
为了消除这些缺点，人们发展了组合机床自动线，可以大幅度缩短建线周期，更换产品后只需更换机床的某些部件即可（例如可更换主轴箱），大大缩短了系统的调整时间，降低了生产成本，并能收到较好的使用效果和经济效果。
组合机床自动线主要用于箱体类零件和其他类型非回转体的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工。
图5-12所示为加工曲拐零件的刚性自动线总体布局图。
该自动线年生产曲拐零件1700件，毛坯是球墨铸铁件。
由于工件形状不规则，没有合适的输送基面，因而采用了随行夹具安装定位，便于工件的输送。
该曲拐加工自动线由7台组合机床和1个装卸工位组成。
全线定位夹紧机构由1个泵站集中供油。
工件的输送采用步伐式输送带，输送带用钢丝绳牵引式传动装置驱动。
因毛坯在随行夹具上定位需要人工找正，没有采用自动上下料装置。
在机床加工工位上采用压缩空气喷吹方式排除切屑，全线集中供给压缩空气。
切屑运送采用链板式排屑装置，从机床中间底座下方运送切屑。
自动线布局采用直线式，工件输送带贯穿各工位，工件装卸工位4设在自动线末端。
随行夹具连同工件毛坯经升降机5提升，从机床上方送到自动线的始端，输送过程中没有切屑撒落到机床上、输送带上和地面上。
切屑运送方向与工件输送方向相反，斗式切屑提升机1设在自动线始端。
中央控制台6设在自动线末端位置。
刚性自动线生产率高，但柔性较差，当加工工件变化时，需要停机、停线并对机床、夹具、刀具等工装设备进行调整或更换（如更换主轴箱、刀具、夹具等），通常调整工作量大，停产时间较长。
5．2．2、柔性制造单元FMC
柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）是由单台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等组成。
它是实现单工序加工的可变加工单元，单元内的机床在工艺能力上通常是相互补充的，可混流加工不同的零件。
系统对外设有
图5-12曲拐加工自动线a）正视图b）俯视图
1－斗式切削提升机2－链板式排屑装置3－全线泵站
4－工件传送带机工件装卸台5－工件提升机6－中央控制台
接口，可与其它单元组成柔性制造系统。
1、FMC控制系统
FMC控制系统一般分二级，分别是单元控制级和设备控制级。
（1）设备控制级是针对各种设备，如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置等的单机控制。
这一级的控制系统向上与单元控制系统用接口连接，向下与设备连接。
设备控制器的功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感器监控这些任务的执行。
设备控制级一般采用具有较强控制功能的微型计算机、总线控制机或可编程控制器等工控机。
（2）单元控制级这一级控制系统是指挥和协调单元中各设备的活动，处理由物料贮运系统交来的零件托盘，并通过控制工件调整、零件夹紧、切削加工、切屑清除、加工过程中检验、卸下工件以及清洗工件等功能对设备级各子系统进行调度。
单元控制系统一般采用具有有限实时处理能力的微型计算机或工作站。
单元控制级通过RS232接口与设备控制级之间进行通讯，并可以通过该接口与其它系统组成FMS。
2、FMC的基本控制功能
（1）单元中各加工设备的任务管理与调度，其中包括制定单元作业计划、计划的管理与调度、设备和单元运行状态的登录与上报。
（2）单元内物流设备的管理与调度，这些设备包括传送带、有轨或无轨物料运输车、机器人、托盘系统、工件装卸站等。
（3）刀具系统的管理，包括向车间控制器和刀具预调仪提出刀具请求、将刀具分发至需要它的机床等。
图5-13所示为一加工回转体零件为主的柔性制造单元。
它包括1台数控车床，1台加工中心，两台运输小车用于在工件装卸工位3、数控车床1和加工中心2之间的输送，龙门式机械手4用来为数控车床装卸工件和更换刀具，机器人5进行加工中心刀具库和机外刀库6之间的刀具交换。
控制系统由车床数控装置7，龙门式机械手控制器8，小车控制器9，加工中心控制器10，机器人控制器11和单元控制器12等组成。
单元控制器负责对单元组成设备的控制、调度、信息交换和监视。
图5-13柔性制造单元
1—数控车床2—加工中心3—装卸工位4—龙门式机械手5—机器人
6—加工中心控制器7—车床数控装置8—龙门式机械手控制器
9—小车控制器10—加工中心控制器11—机器人控制器
12—单元控制器13、14—运输小车
图5-14所示是加工棱体零件的柔性制造单元。
单元主机是一台卧式加工中心，刀库容量为70把，采用双机械手换刀，配有8工位自动交换托盘库。
托盘库为环形转盘，托盘库台面支承在圆柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电机驱动。
托盘的选择和定位由可编程控制器控制，托盘库具有正反向回转、随机选择及跳跃分度等功能。
托盘的交换由设在环形台面中央的液压推拉机构实现。
托盘库旁设有工件装卸工位，机床两侧设有自动排屑装置。
图5-14带托盘库的柔性制造单元
1－刀具库2－换刀机械手3－托盘库4－装卸工位5－托盘交换机构
5．2．3、柔性制造系统FMS
柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem）是由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化，其基本组成部分有：
自动化加工设备，工件储运系统，刀具储运系统，多层计算机控制系统等。
1、自动化加工设备
组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。
这些加工设备都是计算机控制的，加工零件的改变一般只需要改变数控程序，因而具有很高的柔性。
自动化加工设备是自动化制造系统最基本，也是最重要的设备。
2、工件储运系统
FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。
工件库包括自动化立体仓库和托盘（工件）缓冲站。
工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等。
工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。
3、刀具储运系统
FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。
刀具库有中央刀库和机床刀库。
刀具输送装置有不同形式的运输小车、机器人或机械手。
刀具交换装置通常是指机床上的换刀机构，如换刀机械手。
4、辅助设备
FMS可以根据生产需要配置辅助设备。
辅助设备一般包括：
①自动清洗工作站；②自动去毛刺设备；③自动测量设备；④集中切屑运输系统；⑤集中冷却润滑系统等。
5、多层计算机控制系统
FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、工作站控制级、设备控制级。
图5-15就是一个FMS控制系统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350卧式加工中心、XH714A立式加工中心和仓储设备等。
（1）设备控制级是针对各种设备，如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置以及储存/检索等的单机控制。
这一级的控制系统向上与工作站控制系统用接口连接，向下与设备连接。
设备控制器的功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感
器监控这些任务的执行。
（2）工作站控制级FMS工作站一般分成加工工作站和物流工作站。
加工工作站完成各工位的加工工艺流程、刀具更换、检验等管理；物流工作站完成原料、成品及半成品的储存、运输、工位变换等管理。
这一级控制系统是指挥和协调单元中一个设备小组的活动，处理由物料贮运系统交来的零件托盘，并通过控制工件调整、零件夹紧、切削加工、切屑清除、加工过程中检验、卸下工件以及清洗工件等功能对设备级各子系统进行调度。
设备控制级和工作站控制级等控制系统一般采用具有较强控制功能的有实时控制功能的微型计算机、总线控制机或可编程控制器等工控机。
（3）单元控制级单元控制级作为FMS的最高一级控制，是全部生产活动的总体控制系统，同时它还是承上启下、沟通与上级（车间）控制器信息联系的桥梁。
因此，单元控制器对实现底三层有效的集成控制，提高FMS的经济效益，特别是生产能力，具有十分重要的意义。
单元控制级一般采用具有较强实时处理能力的小型计算机或工作站。
图5-15FMS控制系统实例
图5-16是一种较典型的FMS，4台加工中心直线布置，工件储运系统由托盘站2、托盘运输无轨小车4、工件装卸工位3和布置在加工中心前面的托盘交换装置12等组成。
刀具储运系统由中央刀库8、刀具进出站6、刀具输送机器人移动车7和刀具预调仪5等组成。
单元控制器9、工作站控制器（图中未标出）和设备控制装置组成三级计算机控制。
切屑运输系统没有采用集中运输方式，每台加工中心均配有切屑运输装置。
图5-17所示是一个具有柔性装配功能的柔性制造系统。
图的右部是加工系统，有一台镗铣加工中心10和一台车削中心8。
9是多坐标测量仪，7是立体仓库、14是装夹具区。
图的左部是一个柔性装配系统，其中有一个装载机器人12、三个装夹具机器人3、4、13；一个双臂机器人5、一个手工工位2和传送带。
柔性加工和柔性装配两个系统由一个自动导向小车作为运输系统15连接。
测量设备也集成在总控系统范围内。
图5－16柔性制造系统的组成
1－加工中心2－托盘站3－工件装卸工位4－托盘输送车5－刀具预调仪6－刀具进出站
7－机器人移动车8－刀具库9－单元控制器10－控制终端11－切屑输送装置12－托盘交换装置
图5-17具有装配功能的柔性制造系统
1—控制柜2—手工工位3—紧固机器人4—装配机器人5—双臂机器人6—清洗站7—仓库8—车削加工中心9—多坐标测量仪10—镗铣加工中心11—刀具预调站12—装配机器人13—小件装配站14—装夹站15—AGV16—控制区
柔性制造系统的主要特点有：
①柔性高，适应多品种中小批量生产；②系统内的机床工艺能力上是相互补充和相互替代的；③可混流加工不同的零件；④系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；⑤多层计算机控制，可以和上层计算机联网；⑥可进行三班无人干预生产。
5．3计算机集成制造系统
5．3．1、CIMS的涵义
计算机的产生、发展及其在工业中的广泛应用，使机械工业传统的生产方式孕育着一次新的技术革命。
这次技术革命的主要特征是由局部自动化走向全局自动化，即由原来的局限于产品制造过程的自动化发展到产品设计过程、生产过程和经营管理过程的自动化，由此即出现了计算机集成制造系统。
当今计算机集成制造系统已成了生产自动化的热点。
这一方面是由于单项技术的发展如数控加工中心、柔性生产单元、工业机器人、CAD/CAM、资源信息管理及生产调度技术等提供了可供集成为一个整体系统的技术基础；另一方面是由于世界市场竞争的日益激烈，为了在竞争中求生存、求发展，必须加快产品更新换代、提高质量、降低成本。
生产过程本身是一个有机的整体，通过信息的集成能够带来更高的技术和经济上的效益，因此产生了对CIM的巨大需求。
自从1973年美国的约瑟夫·哈林顿博士首次提出了CIMS的概念以来，至今尚未有一个公认的定义。
一种共同的认识是CIMS是一种改进整个生产过程、提高企业竞争力的战略技术手段，是一种新型生产模式。
因此CIMS的概念可理解为：
“CIMS是运用系统工程的整体优化观点，在人的核心作用下将现代信息技术与生产技术结合起来，从信息技术和组织上将全生产过程的各项工作系统和信息系统连接起来，以便有效地提高企业对市场需求的响应能力和生产率，从而保持企业的生存和发展”。
CIMS更多地被理解为是一个全面应用信息技术的生产策略。
它包括各项单元技术。
而CIMS通常是指CIMS对一个企业的具体应用，将CIMS的各项技术、组织和人员综合起来组成一个实现企业生产经营目标的具体生产系统。
5．3．2、CIMS的构成
CIMS包括工厂企业设计、生产及经营等全部活动。
制造型企业的CIMS功能模型通常包括以下六个应用分系统。
如图5－18所示。
图5-18CIMS系统的组成
1．管理信息分系统（MIS） 该系统支持生产计划和控制、销售、采购、仓库、财会等功能，用以处理生产任务方面的信息。
2．技术信息分系统（TIS） 该系统包括CAD、CAPP和NCP等子系统，用以支持产品的设施工艺准备等功能，处理有关产品结构方面的信息。
3．制造自动化分系统（MAS） 该系统包括各种不同自动化程度的制造系统，如NC机床、DNC、FMC、FMS和其它制造单元等。
用来实现信息流对物流的控制和完成物流的转换。
它是信息流和物流的结合部，用来支持企业的制造功能。
4．计算机辅助质量保证系统（CAQ） 该系统用来支持生产过程的质量和保证功能，它不仅处理管理信息、废品率和设备能力系数，也处理技术信息，如测量产品性能等。
5．数据管理分系统（DAS） 该系统用以管理整个CIMS的数据，实现数据的集成和共享。
6．网络分系统（NSE） 该系统用以传递CIMS各个分系统内部和之间的信息，实现CIMS的数据传递和系统通信功能。
由上述定义和构成可见，CIMS可以说成是信息流、物料流和组织的集成。
通过集成技术，打破了部门的界线，减少了重复多余的信息，加速了物料流和信息流的畅通，使企业的生产技术、生产管理和经营管理将发生彻底变革。
5．3．3、CIMS的分级控制结构
CIMS的控制系统均采用模块式的分级结构。
每一模块均接受上一级命令并将状况反馈至上一级，每一模块都具有独立的数据存取接口，通过这种分级式控制结构和模块化系统可将复杂的整体任务一级一级地分解成更细的具体任务来完成。
现有的CIMS系统多采用3~6级控制结构。
美国国家标准局自动化实验基地在对传统的制造管理系统进行深入分析的基础上采用了5级控制结构，即工厂级、车间级、单元级、工作站级、设备级。
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