儲(chǔ)i3000-156x50（2）.jpg)
制造技術(shù)總是在市場(chǎng)需求及科技發(fā)展這兩方面的推動(dòng)下不斷演化著，當(dāng)前制造技術(shù)的前沿已經(jīng)發(fā)展到：以信息密集的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)方式滿足多品種、變批量的市場(chǎng)需求，并開始向知識(shí)密集的智能自動(dòng)化方向發(fā)展。
一、柔性制造系統(tǒng)（FMS）
1．概述
成組技術(shù)能解決外形結(jié)構(gòu)和加工工藝相差不大的工件的加工，但它不能很好地解決多品種、中小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化問(wèn)題。
隨著科技、生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，以及人們生活需求的多樣化，產(chǎn)品品種規(guī)格將不斷增加，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期將越來(lái)越短，無(wú)論是國(guó)際國(guó)內(nèi)，多品種、中小批量生產(chǎn)的零件仍占大多數(shù)。為了解決機(jī)械制造業(yè)多品種、中小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化問(wèn)題，除了用計(jì)算機(jī)控制單個(gè)機(jī)床及加工中心外，還可借助于計(jì)算機(jī)把多臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)接起來(lái)組成一個(gè)柔性制造系統(tǒng)。
柔性制造系統(tǒng)（FMS——Flexible Manufacturing System）就是由計(jì)算機(jī)控制的、以數(shù)控機(jī)床設(shè)備為基礎(chǔ)和以物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)連成的、能形成沒有固定加工順序和節(jié)拍的自動(dòng)加工制造系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是：
⑴ 高柔性 即具有較高的靈活性、多變性，能在不停機(jī)調(diào)整的情況下，實(shí)現(xiàn)多種不同工藝要求的零件加工和不同型號(hào)產(chǎn)品的裝配，滿足多品種，小批量的個(gè)性化加工需求。
⑵ 高效率 能采用合理的切削用量實(shí)現(xiàn)高效加工，同時(shí)使輔助時(shí)間和準(zhǔn)備終結(jié)時(shí)間減小到最低的程度。
⑶ 高度自動(dòng)化 加工、裝配、檢驗(yàn)、搬運(yùn)、倉(cāng)庫(kù)存取等，使多品種成組生產(chǎn)達(dá)到高度自動(dòng)化，自動(dòng)更換工件、刀具、夾具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝夾和輸送，自動(dòng)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程，有很強(qiáng)的系統(tǒng)軟件功能。
?、?經(jīng)濟(jì)效益好 柔性化生產(chǎn)可以大大減少機(jī)床數(shù)目、減少操作人員、提高機(jī)床利用率，可以縮短生產(chǎn)周期、降低產(chǎn)品成本，可以大大削減零件成品倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)存、大幅度地減少流動(dòng)資金、縮短資金的流動(dòng)周期，因此可取得較高的綜合經(jīng)濟(jì)效益。
2．FMS系統(tǒng)的組成
一個(gè)柔性制造系統(tǒng)可概括為由以下三部分組成，即多工位數(shù)控加工系統(tǒng)、自動(dòng)化的物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制的信息系統(tǒng)，如圖8-14所示。
圖8-14 FMS系統(tǒng)構(gòu)成圖
?、?加工系統(tǒng) 加工系統(tǒng)的功能是以任意順序自動(dòng)加工各種工件，并能自動(dòng)地更換工件和刀具。通常由若干臺(tái)加工零件的CNC機(jī)床和CNC板材加工設(shè)備以及操縱這種機(jī)床要使用的工具所構(gòu)成。在加工較復(fù)雜零件的FMS加工系統(tǒng)中，由于機(jī)床上機(jī)載刀庫(kù)能提供的刀具數(shù)目有限，除盡可能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，以便使用通用刀具和減少專用刀具的數(shù)量外，必要時(shí)還需要在加工系統(tǒng)中設(shè)置機(jī)外自動(dòng)刀庫(kù)以補(bǔ)充機(jī)載刀庫(kù)容量的不足。
?、?物流系統(tǒng) FMS中的物流系統(tǒng)與傳統(tǒng)的自動(dòng)線或流水線有很大的差別，整個(gè)工件輸送系統(tǒng)的工作狀態(tài)是可以進(jìn)行隨機(jī)調(diào)度的，而且都設(shè)置有儲(chǔ)料庫(kù)以調(diào)節(jié)各工位上加工時(shí)間的差異。物流系統(tǒng)包含工件的輸送和儲(chǔ)存兩個(gè)方面。
1）工件輸送包括工件從系統(tǒng)外部送入系統(tǒng)和工件在系統(tǒng)內(nèi)部傳送兩部分。目前，大多數(shù)工件的送入系統(tǒng)和在夾具上裝夾工件仍由人工操作，系統(tǒng)中設(shè)置裝卸工位，較重的工件可用各種起重設(shè)備或機(jī)器人搬運(yùn)。工件輸送系統(tǒng)按所用運(yùn)輸工具可分成自動(dòng)輸送車、軌道傳送系統(tǒng)、帶式傳送系統(tǒng)和機(jī)器人傳送系統(tǒng)四類。
2）工件的存儲(chǔ)。在FMS的物料系統(tǒng)中，設(shè)置適當(dāng)?shù)闹醒肓蠋?kù)和托盤庫(kù)及各種形式的緩沖儲(chǔ)存區(qū)來(lái)進(jìn)行工件的存儲(chǔ)，保證系統(tǒng)的柔性。
?、?信息系統(tǒng) 信息系統(tǒng)包括過(guò)程控制及過(guò)程監(jiān)視兩個(gè)子系統(tǒng)，其功能主要是進(jìn)行加工系統(tǒng)及物流系統(tǒng)的自動(dòng)控制、以及在線狀態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理。FMS中信息由多級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和控制。
3．FMS的類型及其適應(yīng)范圍
柔性制造系統(tǒng)一般可以分為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、柔性制造生產(chǎn)線和無(wú)人化工廠幾種類型。
?、?柔性制造單元（flexible manufacturing cell—FMC） 由1、2臺(tái)數(shù)控機(jī)床或加工中心，并配備有某種形式的托盤交換裝置，機(jī)械手或工業(yè)機(jī)器人等夾具工件的搬運(yùn)裝置組成，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行適時(shí)控制和管理。是一種帶工件庫(kù)和夾具庫(kù)的加工中心設(shè)備，F(xiàn)MC能夠加工多品種的零件，同一種零件數(shù)量可多可少，特別適合于多品種、小批量零件的加工。
⑵ 柔性制造系統(tǒng)（flexible manufacturing system—FMS） 柔性制造系統(tǒng)由兩個(gè)以上柔性制造單元或多臺(tái)加工中心組成（4臺(tái)以上），并用物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和刀具系統(tǒng)將機(jī)床連接起來(lái)，工件被裝夾在隨行夾具和托盤上，自動(dòng)地按加工順序在機(jī)床間逐個(gè)輸送。適合于多品種、小批量或中批量復(fù)雜零件的加工。柔性制造系統(tǒng)主要應(yīng)用的產(chǎn)品領(lǐng)域是汽油機(jī)、柴油機(jī)、機(jī)床、汽車、齒輪傳動(dòng)箱，武器等。加工材料中鑄鐵占的比例較大，因?yàn)槠淝行驾^容易處理。
?、?柔性生產(chǎn)線（flexible manufacturing line—FML）
零件生產(chǎn)批量較大而品種較少的情況下，柔性制造系統(tǒng)的機(jī)床可以完全按照工件加工順序而排列成生產(chǎn)線的形式，這種生產(chǎn)線與傳統(tǒng)的剛性自動(dòng)生產(chǎn)線不同之處在于能同時(shí)或依次加工少量不同的零件，當(dāng)零件更換時(shí)，其生產(chǎn)節(jié)拍可作相應(yīng)的調(diào)整，各機(jī)床的主軸箱也可自行進(jìn)行更換。較大的柔性制造系統(tǒng)由兩個(gè)以上柔性制造單元或多臺(tái)數(shù)控機(jī)床、加工中心組成，并用一個(gè)物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)將機(jī)床連接起來(lái)，工件被裝夾在夾具和托盤上，自動(dòng)地按加工順序在機(jī)床間逐個(gè)輸送。根據(jù)加工需要自動(dòng)調(diào)度和更換刀具，直至加工完畢。
?、?無(wú)人化自動(dòng)工廠（automation factory—AF） 在一定數(shù)量的柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用高一級(jí)計(jì)算機(jī)把它們聯(lián)結(jié)起來(lái)，對(duì)全部生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)度管理，加上立體倉(cāng)庫(kù)和運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行裝配，就組成了生產(chǎn)的無(wú)人化工廠。日本近年來(lái)出現(xiàn)了采用柔性制造系統(tǒng)的無(wú)人化工廠。無(wú)人搬運(yùn)車從原材料自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)將毛坯運(yùn)至加工站，然后由機(jī)械手完成機(jī)床工作地的裝卸工作。機(jī)床在加工過(guò)程中有監(jiān)視裝置。加工完畢后轉(zhuǎn)入零件和部件自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)，并能自動(dòng)完成產(chǎn)品的裝配工作。對(duì)這種工廠來(lái)說(shuō)，由于生產(chǎn)的高度自動(dòng)化，白天在車間中只有幾十名工人，夜班時(shí)在車間中沒有工人，只有一個(gè)人在控制室內(nèi)，而所有機(jī)床能在夜間無(wú)人照管下加工零件。這樣在一天24小時(shí)中機(jī)床的可用時(shí)間接近100％，而機(jī)床的實(shí)際利用率平均達(dá)到65~70％。結(jié)果在這一面積僅20000m2的工廠中，每月生產(chǎn)100臺(tái)機(jī)器人、75臺(tái)加工中心和75臺(tái)線切割機(jī)床．可見它顯著地提高了投資效益。
應(yīng)當(dāng)指出，柔性制造系統(tǒng)的投資是很大的。柔性制造系統(tǒng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益如減少機(jī)床數(shù)，減少操作人員，提高機(jī)床利用率，縮短生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本等是巨大的。但上述經(jīng)濟(jì)效益能否使投資在短期內(nèi)回收，將是采用柔性制造系統(tǒng)進(jìn)行決策的一個(gè)重要依據(jù)。因而國(guó)外從70年代起就一直在研究和開發(fā)柔性制造系統(tǒng)的模擬技術(shù)，使在新系統(tǒng)建立（或老系統(tǒng)的改造）之前，借助于計(jì)算機(jī)上的系統(tǒng)模擬，以便找到最優(yōu)的系統(tǒng)構(gòu)成。
4．FMS中的機(jī)床設(shè)備和夾具
⑴ 加工設(shè)備 FMS的機(jī)床設(shè)備一般選擇臥式、立式或立臥兩用的數(shù)控加工中心（MC）。數(shù)控加工中心機(jī)床是一種帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置（ATC）的多工序數(shù)控機(jī)床，工件經(jīng)一次裝夾后，能自動(dòng)完成銑、鏜、鉆、鉸等多種工序的加工，并且有多種換刀和選刀功能，從而可使生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度大大提高。
在FMS的加工系統(tǒng)中還有一類加工中心，它們除了機(jī)床本身之外，還配有一個(gè)儲(chǔ)存工件的托盤站和自動(dòng)上下料的工件交換臺(tái)。當(dāng)在這類加工中心機(jī)床上加工完一個(gè)工件后，托盤交換裝置便將加工完的工件連同托盤一起拖回環(huán)形工作臺(tái)的空閑位置，然后按指令將下一個(gè)待加工的工件/脫盤轉(zhuǎn)到交換裝置，由托盤交換裝置將它送到機(jī)床上進(jìn)行定位夾緊以待加工。這類具有儲(chǔ)存較多工件/托盤的加工中心是一種基礎(chǔ)形式的柔性制造單元（FMC）。
FMS對(duì)機(jī)床的基本要求是：① 工序集中；② 易控制；③ 高柔性度和高效率；④ 具有通信接口。
?、?機(jī)床夾具 目前，用于FMS機(jī)床的夾具有兩個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)：
1）大量使用組合夾具，使夾具零部件標(biāo)準(zhǔn)化，可針對(duì)不同的服務(wù)對(duì)象快速拼裝出所需的夾具，使夾具的重復(fù)利用率提高；
2） 開發(fā)柔性?shī)A具，使一套夾具能為多個(gè)加工對(duì)象服務(wù)。
5．自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)
FMS的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)與一般倉(cāng)庫(kù)不同。它不僅是儲(chǔ)存和檢索物料的場(chǎng)所，同時(shí)也是FMS物料系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。它由FMS的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所控制，從功能性質(zhì)上說(shuō)，它是一個(gè)工藝倉(cāng)庫(kù)。正因?yàn)槿绱?，它的布置和物料存放方法也以方便工藝處理為原則。目前，自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)一般采用多層立體布局的結(jié)構(gòu)形式，所占用的場(chǎng)地面積較小。
6．物料運(yùn)載裝置
物料運(yùn)載裝置直接擔(dān)負(fù)著工件、刀具以及其他物料的運(yùn)輸，包括物料在加工機(jī)床之間，自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)與托盤存儲(chǔ)站之間以及托盤存儲(chǔ)站與機(jī)床之間的輸送與搬運(yùn)。FMS中常見的物料運(yùn)載裝置有傳送帶、自動(dòng)運(yùn)輸小車和搬運(yùn)機(jī)器人等。
7．刀具管理系統(tǒng)
刀具管理系統(tǒng)在FMS中占有重要的地位，其主要職能是負(fù)責(zé)刀具的運(yùn)輸、存儲(chǔ)和管理，適時(shí)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(shí)取走已報(bào)廢或耐用度已耗盡的刀具，在保證正常生產(chǎn)的同時(shí)，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(gè)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(kù)系統(tǒng)、刀具預(yù)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(jì)算機(jī)組成。
8．控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是FMS的核心。它管理和協(xié)調(diào)FMS內(nèi)各項(xiàng)活動(dòng)，以保證生產(chǎn)計(jì)劃的完成，實(shí)現(xiàn)最大的生產(chǎn)效率。FMS除了少數(shù)操作由人工控制外（如裝卸、調(diào)整和維修），可以說(shuō)正常的工作完全是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的。FMS的控制系統(tǒng)通常采用兩級(jí)或三級(jí)遞階控制結(jié)構(gòu)形式，在控制結(jié)構(gòu)中，每層的信息流都是雙向流動(dòng)的。然而，在控制的實(shí)時(shí)性和處理信息量方面，各層控制計(jì)算機(jī)又是有所區(qū)別的。這種遞階的控制結(jié)構(gòu)，各層的控制處理相對(duì)獨(dú)立，易于實(shí)現(xiàn)模塊化，使局部增、刪、修改簡(jiǎn)單易行，從而增加了整個(gè)系統(tǒng)的柔性和開放性。
二、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）
1．CIMS的概念
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的軟件系統(tǒng)是分別研制、開發(fā)的。生產(chǎn)技術(shù)的高度發(fā)展要求設(shè)計(jì)與制造在產(chǎn)品生產(chǎn)中有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一體化，從而發(fā)展形成集成制造系統(tǒng)。用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程的各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)地集合成一個(gè)整體，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高度柔性化、自動(dòng)化和集成化，達(dá)到高效率、高質(zhì)量、低成本的生產(chǎn)目的，這種系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（computer integrated manufacturing system——CIMS）。
CIMS的概念包含兩個(gè)基本觀點(diǎn)：
⑴ 系統(tǒng)的觀點(diǎn) 企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，即從市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營(yíng)管理到售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動(dòng)是一個(gè)不可分割的整體，要緊密連接，統(tǒng)一考慮。
?、?信息化的觀點(diǎn) 整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)的采集、傳遞和加工處理的過(guò)程，最終形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。
由此可知，CIMS的內(nèi)涵可以表述為：C1MS是一種組織、管理與運(yùn)行企業(yè)的哲理，它將傳統(tǒng)的制造技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，借助計(jì)算機(jī)（硬、軟件），使企業(yè)產(chǎn)品的生命周期（市場(chǎng)需求分析→產(chǎn)品意義→研究開發(fā)→設(shè)計(jì)→制造→支持，包括質(zhì)量、銷售、采購(gòu)、發(fā)送、服務(wù)以及產(chǎn)品最后報(bào)廢、環(huán)境處理等）各階段活動(dòng)中有關(guān)的人、組織、經(jīng)費(fèi)管理和技術(shù)等要素及信息流、物流和價(jià)值流有機(jī)集成并優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)企業(yè)制造活動(dòng)中的計(jì)算機(jī)化、信息化、智能化、集成優(yōu)化，以達(dá)到產(chǎn)品上市快、高質(zhì)、低耗、服務(wù)好、環(huán)境清潔，提高企業(yè)的柔性、健壯性、敏捷性，使企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。
2．CIMS系統(tǒng)的組成
CIMS是一項(xiàng)發(fā)展中的技術(shù)，它的組成還沒有統(tǒng)一的模式。但是根據(jù)前面所述的概念，可以認(rèn)為C1MS是由以下六大系統(tǒng)組成的，其相互關(guān)系如圖8-15所示：
1）集成化工程設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)（CAD/CAE/CAPP/CAM）；
2）集成化生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（CAPM或MIS）；
3）柔性制造系統(tǒng)（FMS/FMC）；
4）數(shù)據(jù)庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)（DB與NW）；
5）質(zhì)量保證系統(tǒng)（QCS）；
6）物料儲(chǔ)運(yùn)和保障系統(tǒng)。
圖8-15 CIMS的基本組成及其相互關(guān)系
3．C1MS的關(guān)鍵技術(shù)
?、?信息集成 針對(duì)設(shè)計(jì)、管理和加工制造中大量存在的自動(dòng)化獨(dú)立制造島（指由多臺(tái)機(jī)床組成的系統(tǒng)，由于其具有一定的自主性和封閉性，故稱之為“獨(dú)立島”），實(shí)現(xiàn)信息正確、高效的共享和交換，是改善企業(yè)技術(shù)和管理水平必須首先解決的問(wèn)題。信息集成的主要內(nèi)容有：企業(yè)建模、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、軟件工具和規(guī)范，這是企業(yè)信息集成的基礎(chǔ)；異構(gòu)環(huán)境下的信息集成。
?、?過(guò)程集成 企業(yè)除了信息集成這一技術(shù)手段之外，還可以對(duì)過(guò)程進(jìn)行重構(gòu)。產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的各個(gè)串行過(guò)程盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿羞^(guò)程，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到下游工作中的可制造性、可裝配性，設(shè)計(jì)時(shí)考慮質(zhì)量（質(zhì)量功能分配），則可以減少反復(fù)，縮短開發(fā)時(shí)間。
⑶ 企業(yè)集成 為了充分利用全球制造資源，把企業(yè)調(diào)整成適應(yīng)全球經(jīng)濟(jì)、全球制造的新模式，CIMS必須解決資源共享、信息服務(wù)、虛擬制造、并行工程、資源優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)，以更快、更好、更省地響應(yīng)市場(chǎng)。
實(shí)施CIMS要花費(fèi)巨大的投資，而且需要雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，包括企業(yè)應(yīng)用CIMS單項(xiàng)技術(shù)的水平以及一支強(qiáng)大的技術(shù)隊(duì)伍。它涉及許多工作新技術(shù)，除了硬件之外，還需要功能齊全的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和系統(tǒng)管理軟件。
CIMS的發(fā)展水平和完善程度代表著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展水平。近年來(lái)，我國(guó)在汽車、民用飛機(jī)以及機(jī)床生產(chǎn)等行業(yè)，已經(jīng)開始建立CIMS系統(tǒng)，有些系統(tǒng)即將啟用，這標(biāo)志著我國(guó)的機(jī)械制造水平已發(fā)展到了一個(gè)新的階段。
關(guān)注本刊微信訂閱號(hào)