陳榜，田愷，肖熙，宋旭

（1.中國(guó)航發(fā)航空科技股份有限公司；2.中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100032）

1 柔性制造系統(tǒng)定義與特征

柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，英國(guó)莫林斯（Molins）公司開(kāi)發(fā)出的“Molins System-24”被認(rèn)為是世界上第一個(gè)柔性制造系統(tǒng)。當(dāng)前，對(duì)于柔性制造系統(tǒng)幾種比較主流的定義，如表1所示。

表1

通過(guò)上述不同的描述可知，柔性制造系統(tǒng)具有以下特征：（1）從功能上看：柔性制造系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)制造、自動(dòng)交換工件、自動(dòng)換刀、自動(dòng)輸運(yùn)輸、自動(dòng)存儲(chǔ)生產(chǎn)資源、自動(dòng)故障監(jiān)視與報(bào)警、作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度等功能。（2）從使用范圍上看：適用于多品種小批量生產(chǎn)模式，當(dāng)產(chǎn)品品種或批量變化時(shí)，無(wú)需變動(dòng)基本的制造設(shè)備，只需更改執(zhí)行層和控制層的相關(guān)信息，更換相關(guān)刀具和夾具，即可完成新的生產(chǎn)任務(wù)。（3）從建設(shè)目的上看：建設(shè)柔性制造系統(tǒng)，主要目的是節(jié)約人力、提高設(shè)備利用率、提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性與一致性。

2 柔性制造系統(tǒng)的運(yùn)行流程

機(jī)械加工柔性制造系統(tǒng)，多采用數(shù)控加工中心作為“主機(jī)”，并配置有裝卸站、托盤緩沖站、托盤交換器、搬運(yùn)機(jī)器人、中央刀庫(kù)、刀具運(yùn)輸裝置、工具自動(dòng)交換裝置等。典型柔性制造系統(tǒng)的運(yùn)行流程如下。

（1）人工在人工裝卸站，按照管控軟件提示，將毛坯安裝在托盤上，裝卸站送料機(jī)構(gòu)將帶有工裝的托盤送入線內(nèi)。（2）工件搬運(yùn)機(jī)器人將托盤放入緩沖區(qū)庫(kù)位。（3）根據(jù)管控軟件調(diào)度指令，工件搬運(yùn)機(jī)器人將帶有工件的托盤搬運(yùn)至機(jī)床，并自動(dòng)定位夾緊。（4）根據(jù)加工需求，中央刀庫(kù)調(diào)出合適的刀具并自動(dòng)裝刀。（5）檢驗(yàn)就緒后，機(jī)床執(zhí)行加工程序。（6）加工完成后，工件搬運(yùn)機(jī)器人將帶工件托盤搬運(yùn)至沖洗、測(cè)量設(shè)備。（7）完成測(cè)量后，工件搬運(yùn)機(jī)器人將帶工件托盤放入緩存庫(kù)位。（8）待裝卸工人就位后，工件搬運(yùn)機(jī)器人將帶工件托盤送至人工裝卸站，由工人拆卸零件。典型柔性制造系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖1所示。

從上述工作流程可以看出，柔性制造系統(tǒng)內(nèi)主要包含以下幾類工藝設(shè)備：數(shù)控加工設(shè)備、加工輔助設(shè)備、倉(cāng)儲(chǔ)物流設(shè)備和管控軟件。

3 柔性制造系統(tǒng)工藝設(shè)備選型

3.1 數(shù)控加工設(shè)備

相比于單機(jī)生產(chǎn)的數(shù)控加工設(shè)備，柔性制造系統(tǒng)中的數(shù)控加工設(shè)備，其選型要點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：（1）加工性能。①?gòu)?fù)合加工功能：柔性制造系統(tǒng)中的數(shù)控機(jī)床需要適應(yīng)多種不同零件的加工，因此要求機(jī)床具有較強(qiáng)的復(fù)合加工功能。通常采用車銑、銑車復(fù)合加工中心。②加工精度和加工范圍：柔性制造系統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)中的工件交換依靠零點(diǎn)定位裝置，在設(shè)備選型時(shí)，需要考慮快換工裝的累積誤差，選擇精度更高的設(shè)備，同時(shí)，對(duì)設(shè)備的加工精度保持性要求很高；在加工范圍方面，快換工裝、可編程自動(dòng)液壓工裝的體積相比傳統(tǒng)工裝大很多，因此在數(shù)控機(jī)床選型時(shí)，加工范圍相較零件單機(jī)狀態(tài)的同類機(jī)床常需擴(kuò)大一個(gè)規(guī)格。

（2）數(shù)控系統(tǒng)。①開(kāi)放性：柔性制造系統(tǒng)是多種工藝設(shè)備的集成，設(shè)備與管控軟件間需要通訊的數(shù)據(jù)種類多、數(shù)量大，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性要求很高。②沖突機(jī)制：對(duì)于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)NC來(lái)說(shuō)，需要實(shí)時(shí)接收解析柔性制造系統(tǒng)管控軟件傳遞的指令；對(duì)于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)PLC來(lái)說(shuō)，不僅執(zhí)行自身NC傳遞的指令，還需執(zhí)行柔性制造系統(tǒng)PLC主站發(fā)出的指令。這就需要數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理的沖突機(jī)制和中斷機(jī)制，保證系統(tǒng)整體運(yùn)行完整。③運(yùn)算性能：柔性制造系統(tǒng)要求數(shù)控系統(tǒng)配備更為強(qiáng)大的CPU和更大的內(nèi)存，具備較高的運(yùn)算性能，在實(shí)時(shí)狀態(tài)上傳和指令下達(dá)接收過(guò)程中不影響加工程序執(zhí)行。

（3）刀具系統(tǒng)。①大容量刀庫(kù)/中央刀庫(kù)：柔性制造系統(tǒng)中的加工中心需要承擔(dān)多種零件混線加工的任務(wù)，所需的刀具種類相應(yīng)增多；另一方面，為了實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間（8～24h）無(wú)人值守的生產(chǎn)要求，需要配置更多數(shù)量的刀具，機(jī)床通常需要配置更大容量的刀庫(kù)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。②刀具預(yù)調(diào)信息讀取功能：在柔性制造系統(tǒng)中，為減少人工干預(yù)，通常采用數(shù)字化對(duì)刀儀將刀具對(duì)刀結(jié)果寫入刀柄RFID芯片中，工人將刀具裝入機(jī)床刀庫(kù)時(shí)，通過(guò)機(jī)床刀庫(kù)的RFID讀頭將芯片內(nèi)寫入的刀具編號(hào)和刀補(bǔ)信息傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，并由數(shù)控系統(tǒng)向上反饋給柔性線管控軟件。③機(jī)內(nèi)對(duì)刀功能：主要是為了在無(wú)人或少人值守狀態(tài)下的加工過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的健康管理，包括刀具壽命管理和斷刀監(jiān)控兩部分。

（4）工裝系統(tǒng)。①零點(diǎn)定位工裝：工件交換是柔性制造系統(tǒng)必備的功能。在柔性制造系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)工件交換的方法是采用基于零點(diǎn)定位技術(shù)的快換工裝，如圖2所示。②可編程自動(dòng)液壓工裝：可編程控制工裝是擴(kuò)展機(jī)床加工能力的有效手段。采用可編程自動(dòng)液壓工裝，可將工裝動(dòng)作編入NC程序中，可實(shí)現(xiàn)在走刀執(zhí)行過(guò)程中工裝自動(dòng)避讓，提高復(fù)雜性，如圖3所示。

3.2 檢測(cè)設(shè)備

對(duì)于柔性制造系統(tǒng)，除數(shù)控機(jī)床設(shè)備外，常集成進(jìn)線的主要是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，并配套測(cè)量前所必須的清洗設(shè)備。柔性制造系統(tǒng)中的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)選型，除了常規(guī)的精度、測(cè)量范圍選擇外，還需對(duì)溫濕度控制、工裝接口、軟件接口等方面進(jìn)行一定的定制。

3.3 倉(cāng)儲(chǔ)物流設(shè)備

（1）工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人用于工件托盤搬運(yùn)，是線內(nèi)物流實(shí)現(xiàn)的核心。工業(yè)機(jī)器人種類繁多，機(jī)械加工柔性制造系統(tǒng)中常用的工業(yè)機(jī)器人包括關(guān)節(jié)式、桁架式和堆垛式機(jī)器人三類。如圖4。

（2）緩存庫(kù)。緩存庫(kù)是柔性制造系統(tǒng)中工件托盤存放的關(guān)鍵設(shè)備。每個(gè)庫(kù)位有唯一編碼標(biāo)識(shí)，并設(shè)計(jì)有接近開(kāi)關(guān)以及RFID讀取器，可實(shí)時(shí)感知物料的儲(chǔ)存位置、數(shù)量、狀態(tài)（空工裝、毛料、半成品、成品）等信息，并通過(guò)PLC傳遞給上位控制系統(tǒng)。常用的緩存庫(kù)形式包括貨架型、平臺(tái)型、回轉(zhuǎn)型和三種。

3.4 管控軟件

管控軟件是柔性制造系統(tǒng)的大腦，也是柔性制造系統(tǒng)中重要的組成部分。管控軟件能夠?qū)拥缴衔幌到y(tǒng)（MES/ERP/CAPP等）信息、接收下位系統(tǒng)（PLC）反饋結(jié)果，通過(guò)整理、分析、計(jì)算、生成指令、指令分發(fā)一系列處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的自動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)管理、協(xié)調(diào)和控制各種資源運(yùn)行及集成控制，從而提高生產(chǎn)效率，并且能夠直觀的掌握生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。管控軟件通常為非標(biāo)設(shè)計(jì)，其設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)為各種功能。典型的柔性制造系統(tǒng)管控軟件主要功能包括以下幾個(gè)方面：

（1）計(jì)劃管理：用于輔助計(jì)劃人員執(zhí)行柔性制造系統(tǒng)內(nèi)加工的零件與工序的計(jì)劃排程，主要包括計(jì)劃管理、任務(wù)管理、需求分析、任務(wù)下發(fā)、任務(wù)檢查等功能。（2）機(jī)內(nèi)協(xié)同：主要起到在任務(wù)進(jìn)行中的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理作用。通過(guò)軟件管控柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中的毛坯準(zhǔn)備、工裝裝卡、物流上下料、機(jī)加執(zhí)行以及出線卸裝相關(guān)的任務(wù)信息。（3）物流管理：是柔性制造系統(tǒng)快速高效、安全可靠運(yùn)行的重要輔助模塊，是決定整個(gè)產(chǎn)線能否正常序運(yùn)行的關(guān)鍵組成部分之一。主要針對(duì)生產(chǎn)線夾具緩存區(qū)進(jìn)行管理，管理對(duì)象包括毛坯、半成品、成品及報(bào)廢工件。（4）刀具管理：刀具編碼管理，通過(guò)與線外刀具管理系統(tǒng)的信息集成，實(shí)現(xiàn)刀具編碼及對(duì)應(yīng)刀具規(guī)格參數(shù)（包括刀具材料結(jié)構(gòu)參數(shù)、刀具對(duì)應(yīng)工序信息、刀具供應(yīng)廠家信息等）的信息管理與應(yīng)用，全面記錄每一把刀具對(duì)應(yīng)的規(guī)格參數(shù)信息。（5）設(shè)備管理：實(shí)現(xiàn)設(shè)備基本信息管理，通過(guò)導(dǎo)入、交互輸入等方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備編碼、規(guī)格參數(shù)（包括設(shè)備類型、加工精度、設(shè)備供應(yīng)商等）、使用記錄、電子保養(yǎng)手冊(cè)、備件信息及檢修維護(hù)信息（故障次數(shù)、故障類型、保養(yǎng)記錄、維修記錄等）的繼承應(yīng)用，支持設(shè)備基本信息可視化查詢及相關(guān)管理業(yè)務(wù)功能。（6）業(yè)績(jī)管理：在管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，形成產(chǎn)線業(yè)績(jī)指標(biāo)體系、建立權(quán)責(zé)機(jī)制，構(gòu)建自上而下的體系化業(yè)績(jī)指標(biāo)監(jiān)管工具，通過(guò)多終端交互的方式，以圖表、報(bào)表的形式展示生產(chǎn)管理績(jī)效，并支持及時(shí)推送異常告警信息至指定責(zé)任人。（7）資源管理：管理整個(gè)生產(chǎn)線制造資源，包括數(shù)控機(jī)床、工裝、工件、刀具等內(nèi)容。主要功能包括每種資源的錄入和移除、資源位置和狀態(tài)、資源歷史信息以及針對(duì)各類型資源的可以進(jìn)行的獨(dú)立操作等。（8）系統(tǒng)管理：集中化管理應(yīng)用的不同環(huán)境，不同集群的配置，并集中管理任務(wù)過(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)日志，和系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)。主要包括人員數(shù)據(jù)（工作人員姓名，職位等基本信息）、權(quán)限數(shù)據(jù)（編輯相應(yīng)人員的具體權(quán)限）、日志數(shù)據(jù)（接口日志、系統(tǒng)操作日志、數(shù)據(jù)采集日志、告警日志等）、接口服務(wù)（對(duì)第三方接口進(jìn)行啟用/操作開(kāi)關(guān)、ERP/MES/CAPP等系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)）、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)源配置等。在管控軟件非標(biāo)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)把握上述關(guān)鍵功能，避免缺失與遺漏，造成產(chǎn)線運(yùn)行的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在機(jī)械加工柔性制造系統(tǒng)的定義、特征、運(yùn)行邏輯與組成等進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究關(guān)鍵組成的工藝設(shè)備選型要點(diǎn)，以及集成關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)柔性制造系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)形成支撐。