柔性製造系統

1967年，英國莫林斯公司首次根據威廉森提出的FMS基本概念，研製了“系統24”。其主要設備是六台模塊化結構的多工序數控機牀，目標是在無人看管條件下，實現晝夜24小時連續加工，但最終由於經濟和技術上的困難而未全部建成。

1967年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成Omniline I系統，它由八台加工中心和兩台多軸鑽牀組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節拍在各機牀間傳送和進行加工。這種柔性自動化設備適於少品種、大批量生產中使用，在形式上與傳統的自動生產線相似，所以也叫柔性自動線。日本、前蘇聯、德國等也都先後開展了FMS的研製工作。

1976年，日本發那科公司展出了由加工中心和工業機器人組成的柔性製造單元(簡稱FMC)，為發展FMS提供了重要的設備形式。柔性製造單元(FMC)一般由12台數控機牀與物料傳送裝置組成，有獨立的工件儲存站和單元控制系統，能在機牀上自動裝卸工件，甚至自動檢測工件，可實現有限工序的連續生產，適於多品種小批量生產應用。

隨着時間的推移，FMS在技術上和數量上都有較大發展，實用階段，以由3－5台設備組成的FMS為最多，但也有規模更龐大的系統投入使用。

1982年，日本發那科公司建成自動化電機加工車間，由60個柔性製造單元（包括50個工業機器人）和一個立體倉庫組成，另有兩台自動引導台車傳送毛坯和工件，此外還有一個無人化電機裝配車間，它們都能連續24小時運轉。

這種自動化和無人化車間，是向實現計算機集成的自動化工廠邁出的重要一步。與此同時，還出現了若干僅具有FMS基本特徵，但自動化程度不很完善的經濟型FMS，使FMS的設計思想和技術成就得到普及應用。 ^[2] 

加工設備主要採用加工中心和數控車牀，前者用於加工箱體類和板類零件，後者則用於加工軸類和盤類零件。中、大批量少品種生產中所用的FMS，常採用可更換主軸箱的加工中心，以獲得更高的生產效率。

儲存和搬運系統搬運的的物料有毛坯、工件、刀具、夾具、檢具和切屑等；儲存物料的方法有平面佈置的托盤庫，也有儲存量較大的桁道式立體倉庫。

毛坯一般先由工人裝入托盤上的夾具中，並儲存在自動倉庫中的特定區域內，然後由自動搬運系統根據物料管理計算機的指令送到指定的工位。固定軌道式台車和傳送滾道適用於按工藝順序排列設備的FMS，自動引導台車搬送物料的順序則與設備排列位置無關，具有較大靈活性。

工業機器人可在有限的範圍內為1－4台機牀輸送和裝卸工件，對於較大的工件常利用托盤自動交換裝置(簡稱APC)來傳送，也可採用在軌道上行走的機器人，同時完成工件的傳送和裝卸。

磨損了的刀具可以逐個從刀庫中取出更換，也可由備用的子刀庫取代裝滿待換刀具的刀庫。車牀卡盤的卡爪、特種夾具和專用加工中心的主軸箱也可以自動更換。切屑運送和處理系統是保證 FMS連續正常工作的必要條件，一般根據切屑的形狀、排除量和處理要求來選擇經濟的結構方案。

FMS信息控制系統的結構組成形式很多，但一般多采用羣控方式的遞階系統。第一級為各個工藝設備的計算機數控裝置(CNC)，實現各加工過程的控制；第二級為羣控計算機，負責把來自第三級計算機的生產計劃和數控指令等信息，分配給第一級中有關設備的數控裝置，同時把它們的運轉狀況信息上報給上級計算機；第三級是FMS的主計算機(控制計算機)，其功能是制訂生產作業計劃，實施FMS運行狀態的管理，及各種數據的管理；第四級是全廠的管理計算機。

性能完善的軟件是實現FMS功能的基礎，除支持計算機工作的系統軟件外，數量更多的是根據使用要求和用户經驗所發展的專門應用軟件，大體上包括控制軟件(控制機牀、物料儲運系統、檢驗裝置和監視系統)、計劃管理軟件(調度管理、質量管理、庫存管理、工裝管理等)和數據管理軟件(仿真、檢索和各種數據庫)等。

為保證FMS的連續自動運轉，須對刀具和切削過程進行監視，可能採用的方法有：測量機牀主軸電機輸出的電流功率，或主軸的扭矩；利用傳感器拾取刀具破裂的信號；利用接觸測頭直接測量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的變化；累積計算刀具的切削時間以進行刀具壽命管理。此外，還可利用接觸測頭來測量機牀熱變形和工件安裝誤差，並據此對其進行補償。

柔性製造是指在計算機支持下，能適應加工對象變化的製造系統。柔性製造系統有以下三種類型：

柔性製造單元

柔性製造單元由一台或數台數控機牀或加工中心構成的加工單元。該單元根據需要可以自動更換刀具和夾具，加工不同的工件。柔性製造單元適合加工形狀複雜，加工工序簡單，加工工時較長，批量小的零件。它有較大的設備柔性，但人員和加工柔性低。

柔性製造系統

柔性製造系統是以數控機牀或加工中心為基礎，配以物料傳送裝置組成的生產系統。該系統由電子計算機實現自動控制，能在不停機的情況下，滿足多品種的加工。柔性製造系統適合加工形狀複雜，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料傳送柔性大，但人員柔性仍然較低。

柔性自動生產線

柔性自動生產線是把多台可以調整的機牀(多為專用機牀)聯結起來，配以自動運送裝置組成的生產線。該生產線可以加工批量較大的不同規格零件。柔性程度低的柔性自動生產線，在性能上接近大批量生產用的自動生產線；柔性程度高的柔性自動生產線，則接近於小批量、多品種生產用的柔性製造系統。

柔性製造系統的優點 ：

柔性製造系統是一種技術複雜、高度自動化的系統，它將微電子學、計算機和系統工程等技術有機地結合起來，理想和圓滿地解決了機械製造高自動化與高柔性化之間的矛盾。具體優點如下。

1、設備利用率高。一組機牀編入柔性製造系統後，產量比這組機牀在分散單機作業時的產量提高數倍。

2、在製品減少80%左右。

3、生產能力相對穩定。自動加工系統由一台或多台機牀組成，發生故障時，有降級運轉的能力，物料傳送系統也有自行繞過故障機牀的能力。

4、產品質量高。零件在加工過程中，裝卸一次完成，加工精度高，加工形式穩定。

5、運行靈活。有些柔性製造系統的檢驗、裝卡和維護工作可在第一班完成，第二、第三班可在無人照看下正常生產。在理想的柔性製造系統中，其監控系統還能處理諸如刀具的磨損調換、物流的堵塞疏通等運行過程中不可預料的問題。

6、產品應變能力大。刀具、夾具及物料運輸裝置具有可調性，且系統平面佈置合理，便於增減設備，滿足市場需要。

7、經濟效果顯著。採用FMS的主要技術經濟效果是：能按裝配作業配套需要，及時安排所需零件的加工，實現及時生產，從而減少毛坯和在製品的庫存量，及相應的流動資金佔用量，縮短生產週期；提高設備的利用率，減少設備數量和廠房面積；減少直接勞動力，在少人看管條件下可實現晝夜24小時的連續“無人化生產”；提高產品質量的一致性。

柔性製造系統的發展趨勢大致有兩個方面。 ^[3]  一方面是與計算機輔助設計扣輔助製造系統相結合，利用原有產品系列的典型工藝資料，組合設計不同模塊，構成各種不同形式的具有物料流和信息流的模塊化柔性系統。另一方面是實現從產品決策、產品設計、生產到銷售的整個生產過程自動化，特別是管理層次自動化的計算機集成製造系統。在這個大系統中，柔性製造系統只是它的一個組成部分。

模塊化的柔性製造系統

為了保證系統工作的可靠性和經濟性，可將其主要組成部分標準化和模塊化。加工件的輸送模塊，有感應線導軌小車輸送和有軌小車輸送；刀具的輸送和調換模塊，有刀具交換機器人和與工件共用輸送小車的刀盒輸送方式等。利用不同的模塊組合，構成不同形式的具有物料流和信息流的柔性製造系統，自動地完成不同要求的全部加工過程。圖1是典型模塊化柔性製造系統特徵圖。由圖1可見，刀具的供給方式、工件的輸送存儲和交換方式，是影響系統複雜程度的最大因素。

計算機集成製造系統

從1870－1970年的100年中，加工過程的效率提高了2000%，而生產管理的效率只提高了80%，產品設計的效率僅提高了20%左右。顯然，後兩種的效率已成為進一步發展生產的制約因素。因此，製造技術的發展就不能侷限在車間製造過程的自動化，而要全面實現從生產決策、產品設計到銷售的整個生產過程的自動化，特別是管理層次工作的自動化。這樣集成的一個完整的生產系統就是計算機集成製造系統(CIMS)。

CIMS的主要特徵是集成化與智能化。集成化即自動化的廣度，它把系統的空間擴展到市場、產品設計、加工製造、檢驗、銷售和為用户服務等全部過程；智能化的自動化朝深度，不僅包含物料流的自動化，而且還包括信息流的自動化。

決策

圖2是CIMS的模型。決策層是企業的領導機構，通過管理信息系統掌握扔連接各部門的信息。生產活動的信息源來自生產對象——產品的訂貨。根據用户對產品功能的要求，CAD(計算機輔助設計)系統提供有關產品的全部信息和數據。產品原始數據是企業生產活動初始的信息源，所以，智能化的CAD系統是CIMS的基礎。CAPP(計算機輔助工藝過程設計)系統不僅要編制工藝規程，設計工夾量具，確定工時和工序費用，還要與CAM(計算機輔助製造)系統連接，為數控機牀提供工藝數據，為生產計劃、作業調度、質量管理和成本核算提供數據，井將諸如製造可能性和成本等信息反饋至CAD系統，生產計劃與控制系統是全廠的生產指揮樞紐。為使生產有條不紊地進行，必須相應建立生產數據來集系統，以此構成一個能反映生產過程真實情況的信息反饋系統。

FMS的工藝基礎是成組技術，它按照成組的加工對象確定工藝過程，選擇相適應的數控加工設備和工件、工具等物料的儲運系統，並由計算機進行控制，故能自動調整並實現一定範圍內多種工件的成批高效生產(即具有“柔性”)，並能及時地改變產品以滿足市場需求。

FMS兼有加工製造和部分生產管理兩種功能，因此能綜合地提高生產效益。FMS的工藝範圍正在不斷擴大，可以包括毛坯製造、機械加工、裝配和質量檢驗等。投入使用的FMS，大都用於切削加工，也有用於衝壓和焊接的。

柔性製造系統（FMS）是一種把自動化加工設備、物流自動化加工處理和信息流自動處理融為一體的智能化加工系統。柔性製造系統可同時提高製造工業的柔性和生產效率，使之在保證產品質量的前提下，縮短產品生產週期，降低產品成本。

1967年，英國莫林斯公司首次根據威廉森提出的FMS基本概念，研製了“系統24”。其主要構成為六台模塊化結構的多工序數控機牀，目標是在無人值守的條件下，實現晝夜24小時連續加工，但最終由於經濟和技術上的困難而未全部建成。1976年，日本發那科公司研究出了由加工中心和工業機器人組成的柔性製造單元（簡稱FMC），為發展FMS提供了重要的設備形式。

隨着時間的推移，FMS在技術上和數量上都有較大發展，實用階段由3到5台設備組成的FMS最多，但也有規模更龐大的系統投入使用。大多數FMS系統由優化零件流程的材料處理系統、控制材料運動的中央控制計算機和工作機器組成，具有設備利用率高、生產能力相對穩定、產品質量高、運行靈活等優點。可分為以下三種類型：柔性製造單元、柔性製造系統、柔性自動生產線。

2021年，我國國內製造業增加值31.4萬億元，連續12年位居世界首位，佔GDP的比重高達27.4%。隨着“中國製造”向“中國智造”的轉變，國家層面在製造業領域持續加大政策支持力度，推動企業智能化升級，越來越多的企業進行產業升級，“柔性化生產”“柔性製造”等新型方式及模式開始備受關注。迄今為止，全世界有大量的柔性製造系統投入應用，國際上以柔性製造系統生產的機加工產品已經佔到全部機加工產品的75%以上，而且佔比還在持續增加。智能製造是推動國內製造業從高速度增長轉向高質量發展的關鍵，柔性製造作為智能製造的重要內容，將會成為機械製造自動化與智能化的研發重點 ^[4]  。