第四章制造自动化技术主要内容：1. 概述2. 数控加工技术3. 工业机器人技术4. 柔性制造系统14.4 柔性制造系统(FMS)4.4.1 概述1. FMS的产生CNC、CAD/CAM/CAPP、机器人技术等新技术的出现，对刚性自动生产线产生了冲击。

所谓刚性自动线，即物流设备和加工工艺是相对固定的，它只能加工一个零件，或加工几个相类似的零件。

如需改变加工产品的品种，刚性自动线必须做较大的改动，在投资时间方面的耗资很大，难以满足市场化的需求。

但是刚性自动线的设备利用率高，生产率高。

结合刚性自动线和机电一体化、数控技术的特点，20世纪60年代，英国Molins公司的David Williamson提出了“柔性制造系统”的概念。

2柔性制造技术(flexible manufacturing technology, FMT)是为了适应多品种、中小批量生产而诞生的一项制造自动化技术。

所谓柔性是指制造系统(企业)对系统内部及外部环境的一种适应能力，也就是指制造系统能够适应产品变化的能力。

FMS是先进制造技术的一部分。

据统计，1985年投入运行的FMS有500多套，1988年800套，1990年1000套，目前约有3000多套FMS正在运行。

我国1984年开始研制FMS，1986年从日本引进第一套FMS。

32. FMS的定义、组成和类型(I)FMS的定义和组成“中华人民共和国国家军用标准”有关“武器装备柔性制造系统术语”的定义：FMS是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统。

它包括柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中等批量生产。

4美国制造工程师协会(计算机辅助系统和应用分会)的定义：FMS是使用计算机控制柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件族某一系列工序的，或一系列工序的一种集成制造系统。

5国内给出的定义：柔性制造系统是由数控加工设备、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，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量生产。

6FMS应具备的一些特点：(1)FMS的硬件组成部分：两台以上的数控机床或加工中心以及其他的加工设备，包括测量机、清洗机、动平衡机、各种特种加工设备；一套能自动装卸的运储系统，包括刀具的运储和工件原材料的运储，具体结构可采用传送带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘、交换工作站等；一套计算机控制系统(硬件)。

(2)FMS的软件组成部分：FMS的运行控制；FMS的质量保证；FMS的数据管理和通信网络。

(3)FMS的功能：能自动进行零件的批量生产；简单地改变软件，便能制造出某一零件族的任何零件；物料的运输和储存必须是自动的(包括刀具工装和工件)；能解决多台设备状态下零件的混合比，且无需额外增加费用。

78图1 典型的柔性制造系统示意图1-托盘交换站2-自动向导小车3-加工中心4-仓库进出站5-堆垛机6-自动化仓库9图2 自动化生产线(FMF 主轴法兰生产线)10图3 FMS 的工作原理(1) 主计算机用于企业生产计划、原材料购入、机算机辅助设计、人力资源管理，客户管理等，并对下一级控制计算机进行管理与控制。

(2) 控制计算机用于对整个FMS实施控制，包括对制造单元，对物流系统进行控制。

(3) 计算机网络用于整个FMS中各制造单元、物流系统的信息通信。

(4) 制造单元FMS的核心单元、由数控机床、机器人等组成。

(5) 工具夹具站集中管理工具和夹具的站点。

11(6) 自动化仓库用于毛坯、半成品及成品的自动存储与调度。

(7) 无人输送小车它是联接各个加工机床和自动化仓库之间的输送工具，完成零件的搬运和出入库等作业。

(8) 随行工作台站它是在无人输送小车和制造单元之间传递零件的载体，用于暂存毛坯或已加工零件。

12(II)FMS的类型FMS适用于中小批量的生产，既要兼顾对生产率和柔性的要求，也要考虑系统的可靠性和机床的负荷率。

因此，产生了三种类型的FMS，即配备互补机床的FMS 、配备互相替换机床的FMS 和混合式的FMS 。

1314(1)配备互补机床的FMS ：通过物料运储系统将数台NC 机床连接起来，不同机床的工艺能力可以互补，工件通过安装站进入系统，然后在计算机控制下从一台机床到另一台机床，按顺序加工。

工件通过系统的路径是固定的。

这种类型的FMS 是非常经济的，生产率较高。

从系统的输入和输出的角度看，互补机床是串联环节，它减少了系统的可靠性，即当一台机床发生故障时，全系统将瘫痪。

图4 配备互补机床的FMS15(2)配备互相替换机床的FMS ：纳入系统的机床是可以互相替换的，工件可以被送到适合加工它的任何一台加工中心上。

计算机的存贮器存有每台机床的工作情况，可以对机床分配加工零件。

一台加工中心可以完成部分或全部加工工序。

从系统的输入和输出看，它们是并联环节，因而增加了系统的可靠性，即当某一台机床发生故障时，系统仍能正常工作。

图5 配备互相替换机床的FMS16(3)混合式的FMS ：这类FMS 是互补式FMS 和替换式FMS 的综合，即FMS 中有一些机床按替换式布置，而另一些机床按互补式安排，以发挥各自的优点。

大多数FMS 采用这种形式。

图6 混合式的FMS(III)FMS的特点有了数控机床就能解决中小批量零件的加工，为什么还要FMS呢？实际上，一个普通零件逗留在工厂的全部时间中，近95%是在等待，2%用于装卸，只有3%的时间用于实际加工。

等待时间包括设备故障、劳动力管理不善、定位、换刀测量和安装、停机及其他等待时间。

所以发挥数控机床的效率是FMS的设计目标。

17FMS有以下特点：(1)机床能够连续24小时运行机床日班，工人给设备提供毛坯和必要的维护，操作人员通过计算机进行调度和监控。

在夜班，由计算机独立监控加工情况。

(2)减少直接劳动工人数在FMS中，加工、换刀、装夹、测量和物料搬运，全部由计算机自动控制，工人只需要观察运行情况。

(3)缩短生产周期这是由于计算机能进行生产计划、调度和机床监控，提高了生产率。

18(4)减少在制品库存量FMS采用的是流水线加工原理，因此在制品的中间存储缓冲站可减少到最少。

(5)减少刀具和夹具在FMS生产的零件品种较多，所用的是通用刀具和夹具。

(6)柔性高FMS通过编程能运用于多品种、中小批量生产，柔性好，性能价格比高。

194.4.2 FMS的加工系统1. 加工系统的功能及要求(1)加工系统的作用加工系统担任把原材料转化为最终产品的任务，是FMS的基石。

(2)加工设备选择的原则FMS中的加工设备应该是可靠的、自动化的、高效率的和高柔性的。

在选用时需要考虑到该FMS加工零件的尺寸范围、经济效益、零件的工艺性、加工精度和材料等。

20(3)FMS对机床的要求由于FMS是高度自动化的制造系统，纳入FMS运行的机床必须具备三个特点，即工序集中、高柔性与高生产率和容易控制。

另外，FMS中的所有设备受到自身控制系统和FMS中央控制系统的调度、指挥，实现动态调度、资源共享、提高效率。

因此，FMS中所有设备的控制器必须建立标准接口和通讯协议，使各个生产设备、运储系统、控制系统等协调工作。

212. 典型加工设备(1)数控加工中心数控加工中心一般指铣削加工中心，是自身带有刀库和自动换刀装置的一种多工序数控机床。

工件经一次装夹后，能完成铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多种工序的加工，并且具有多种选刀或换刀功能，从而使生产效率和自动化程度大大提高。

2223图7 卧式加工中心1-主轴头2-换刀机构和刀库3-立轴(Y 坐标) 4-立轴底座(Z 轴坐标) 5-工作台6-工作台底座(X 轴坐标)(2)铣削加工中心车削加工中心是一种高精度、高效率的数控机床，并配有刀库和自动换刀装置，主要用于回转形零件的复合加工。

车削加工中心按主轴的方向是水平或垂直分为卧式和立式两大类。

车削加工中心主要适用于回转形零件的复合加工。

2425图8 车削加工中心1-刀库2-回转刀架3-换刀机械手4-上下工件机器人5-工件存储站(3)主轴箱更换式机床根据加工零件的需要，通过更换装在主轴驱动单元上的单轴、多轴或多轴头，从而实现机床加工的柔性与生产率，这就是主轴箱更换式机床的设计思想。

主轴箱更换式机床以1~2台主轴驱动单元为中心，在其周围设有可供更换主轴箱的箱库。

根据加工需要将要更换的主轴箱从其箱库中自动地输送到驱动单元的位置上与驱动单元连接后进行加工。

2627图9 循环式输送主轴箱更换式机床1-主轴箱移出站2-主轴箱3-圆形工作站4-诊断和信息系统5-主操纵台6-CNC 控制装置7-托盘更换站8-主轴箱更换装置9-驱动装置图10 直线输送主轴箱更换式机床2829图11 鼓轮式更换主轴箱机床1-立柱2-多轴交换主轴箱3-工作台(拖板) 4-往复转动挡杆主轴箱更换式机床控制简单，机械结构复杂，工作效率高，主轴箱价格高，柔性稍差。

这种机床适合于大批量生产且品种变化不频繁的场合。

303. 自动上下料装置在FMS中，自动上下料装置是完成加工设备(加工中心、清洗机等)之间、加工设备与自动化仓库之间等的输送和搬运。

通常，工件用夹具安装在托盘上，托盘成为机床的工作台，更换工件则连同托盘一起更换。

托盘的式样多种多样，它充当工件和机床之间的接口。

在FMS中，所有机床必须接受同一形式的托盘。

若在同一系统中，使用不同厂家的机床，必须设计统一标准的接口，以便托盘交换。

自动上下料装置通常有托盘交换器、多托盘库运载交换器、机器人等。

3132(1)托盘交换器--回转式托盘交换器图12 回转托盘交换器1-托盘2-托盘固定装置3-用于托盘装卸的回转工作台33图13往复式托盘交换器--往复式托盘交换器。

34(2)工业机器人--固定式机器人；--移动式机器人。

图14 柔性制造系统实例1-铣床2-钻床3-吊车4-存储器5-输入6-输出7-操作台8-加工中心9-车床图15 移动式机器人实例354.4.3 FMS的零件运储系统一个零件从原材料到产品的整个生命周期中，只有相当少的一部分时间用于机床的切削加工，而大部分的时间用于零件的运输和储存。

所以合理选择零件运储系统是FMS达到高柔性和高生产率的关键。

在FMS中，零件储运系统包括自动运输和自动存储两方面的工作。

361. 零件的运输系统零件运输系统主要完成两类不同的任务：一类是零件毛坯、原材料由外界搬运进系统，以及将加工好的成品从系统中搬走；另一类是毛坯、原材料、半成品在FMS内部的搬运。

通常，前者需要人工干预，后者由运输系统自动完成。

零件在FMS内部的搬运主要采用以下三种运输工具：传送带、自动运输小车和搬运机器人。

传送带主要是从传统的机械式自动线发展而来得，在新设计的系统中用得越来越少。