二、柔性制造系统
（一）柔性制造系统的基本概念
（1）柔性制造系统（FMS）的定义。柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）就是由计算机控制的、以数控机床设备为基础和以物料储运系统连成的、能形成没有固定加工顺序和节拍的自动加工制造系统。
（2）FMS的特征。柔性制造系统具有：柔性高，适应多品种中小批量生产；系统内的机床在工艺能力上相互补充或相互替代；可混流加工不同的零件；局部调整或维修不中断整个系统的运作；递阶结构的计算机控制；可进行三班无人值守生产等特征。
FMS的柔性，一般是指设备、工艺、产品、工序、运行、批量和扩展等所具有的柔性。设备柔性，即适应加工对象变化的能力；工艺柔性，指能够同时加工零件品种数；产品柔性，指产品变更时系统转换所需要的时间；工序柔性，指改变零件先后加工顺序的能力；运行柔性，指处理局部故障并维持原定生产的能力；批量柔性，指在成本核算上能适应不同批量的能力；扩展柔性，指可根据生产需要增加或重组的能力。
（二）柔性制造系统的分类
（1）柔性制造单元（FMC）。由1～2台数控机床或加工中心，并配备有某种形式的托盘交换装置、机械手或工业机器人等夹具、工件的搬运装置组成，由计算机进行适时控制和管理。特别适合于多品种、小批量零件的加工。
（2）柔性制造系统（FMS）。柔性制造系统由两个以上柔性制造单元或多台加工中心组成，并用物料储运系统和刀具系统将机床连接起来，工件被装夹在随行夹具和托盘上，自动地按加工顺序在机床间逐个输送。适合于多品种、小批量或中批量复杂零件的加工。
（3）柔性生产线（FML）。零件批量较大而品种较少的情况下，柔性制造系统的机床可以完全按照工件加工顺序而排列成生产线的形式，这种生产线与传统的刚性自动生产线的不同之处在于能同时或依次加工少量不同的零件，当零件更换时，其生产节拍可作相应的调整，各机床的主轴箱也可自行进行更换。
（4）工厂自动化（FA）。在一定数量柔性制造系统的基础上，用高一级计算机把它们联结起来，对全部生产过程进行调度管理，加上立体仓库和工业机器人进行装配，就组成了生产的无人化工厂。
（三）柔性制造系统的组成
从FMS的定义可以看出，FMS主要由加工系统（数控加工设备，一般是加工中心）、物料运储系统（工件和刀具运输和存储）以及计算机控制系统（中央计算机及其网络）组成，如图6-14所示。
图6-14 FMS基本组成
（1）加工系统。由若干台加工零件的CNC机床，与夹具、托盘和自动上下料机构等机床附件，一道共同构成了FMS的加工系统。加工系统用于将工件毛坯转变为最后产品，其功能就是直接实现对零件的切削与成形。
按加工工件类别来分，加工系统的主要类型包括如下内容。
①箱体加工FMS。以加工箱体类零件为主，这类FMS 配备有数控镗铣加工中心和CNC机床。(https://www.daowen.com)
②回转体FMS。以加工回转体类零件为主，这类FMS配备有数控车削中心和CNC车床或CNC磨床。
③混合加工FMS。适于混合零件加工，既能够加工箱体类零件，又可以加工回转体类零件的FMS，它们既配备有数控镗铣加工中心，又配备有数控车削中心或CNC车床。
加工系统中加工设备的性能，决定了其加工能力。加工设备的功率、尺寸范围及精度等级，依据所加工的零件族尺寸及精度要求选取。
加工系统中机床的配置常采用三种形式：互换式机床配置，机床并联，功能互替，工件随机；互补式配置，机床串联，功能互补，工件顺序；混合式配置，互换与互补混合。
加工系统的辅助装置主要包括：组合夹具（或柔性夹具）、托盘、托盘交换器及自动上下料装置（装卸机器人）。
另外，考虑到与物料输送系统的集成，加工系统宜采用具有托盘装置的机床。从控制角度看，机床与外部环境的通信能力，即信息交换的种类、数量以及通信接口支持的网络标准也是FMS中机床的重要特性之一。
（2）物流系统。FMS中的物料流动简称物流。物料主要是指工件和刀具。物流系统主要由物料输送装置、工件装卸站、托盘缓冲站和自动化仓库组成。
物流系统主要完成物料的输送和存储。物料输送包括物料在系统与外界之间的交换以及物料在系统内部的传输，在一般情况下，前者需要人工干预，即物料的送人和装夹都是人工操作，而后者可以在计算机的统一管理和控制下自动完成。
在FMS中，需要经常将工件装夹在托盘（或随行夹具）上进行输送和搬运。通过物料输送系统可以实现工件在机床之间、加工单元之间、自动仓库与机床或加工单元之间以及托盘存放站与机床之间的输送和搬运。有时还负责刀具和夹具的运输。由于FMS中的物料输送系统可以进行随机调度，即可以不按固定节拍运送工件，工件的传输也没有固定的顺序，甚至是几种零件混杂在一起输送。
物料输送系统所用的运输工具为传输带、自动运输小车和搬运机器人等。工件的存储，包括物品在仓库中的保管和生产过程中在制品的临时性停放。这就要求FMS的物料系统中设置适当的中央料库和托盘库以及各种形式的缓冲储区，以保证系统的柔性。
中央料库和托盘库常用自动化立体仓库。该仓库由高层货架、堆垛起重机、控制计算机、状态检测器、条形码扫描器组成，由计算机统一控制和管理。在该系统中，堆垛起重机将根据主计算机的控制指令动作，主计算机与各物料搬运装置的计算机联机并负责进行数据处理和物料管理工作。自动化立体仓库不仅解决了FMS中仓库不能占地面积过大的难题，而且实现了出入库作业的自动化，并增强了对库存信息的处理、反馈能力。
（3）计算机控制系统。系统的主要控制功能，是通过主控计算机或分布式计算机系统来实现的。计算机控制系统通常采用三级分布式体系结构。第一级为设备层，主要是对机床和工件装卸机器人的控制，包括对各种加工作业的控制和监测；第二级是工作站层，它包括对整个系统运转的管理、零件流动的控制、零件程序的分配以及对第一级生产数据的收集；第三级为单元层，主要编制日程进度计划，把生产所需的信息如加工零件信息、刀夹具信息等送到第二级系统管理计算机。FMS中的单元级控制系统，即单元控制器是FMS控制系统的核心，也是实现FMS柔性的主要组成部分。
除了上述三个主要组成部分之外，FMS还包括冷却系统、刀具监视和管理系统、切屑排除系统以及零件的自动清洗和自动测量设备等附属系统。
（四）柔性制造系统的工作原理
各个制造单元沿着一个中央物料输送系统（如传输带、自动输送小车等）来分布，而传输带上可以传送许多不同的工件和零件。当一个工件在传输带上靠近所要到达的制造单元时，相应的机器人将其拾取，并将它安装在制造单元的某台CNC 机床上进行加工。加工完成后，机器人会将加工后的工件从机床上卸下并送回到输送带上，如需要继续加工，传送带会将它传送到下一个制造单元处，依此直至全部加工完毕后，工件会在规定路径的终点卸下，进入自动检验站，合格后该工件离开FMS。各个制造单元之间的协调以及工件在传输带上的流程均由中央计算机统一管理和控制。
FMS的优势是：机床利用率高、系统柔性大、辅助时间短，有利于提高产品的市场响应能力。FMS有利于提高产品质量，同时降低了劳动强度、改善了生产环境，能获得良好的社会效益。
