任务6.1 智能制造加工设备选用
柔性加工生产线
一、柔性制造系统FMS
1.FMS 的概念
柔性制造技术也称性集成制造技术，是现代先进制造技术的统称。柔性制造技术集自动化技术、信息技术和制作加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。
图6.1.1 所示为机械零件柔性制造常见系统，该系统包含了计算机管理、加工状态监视、检测单元、零件搬运、加工物识别、切割处理、零件存储、准备工位、车削加工、铣削加工、磨削加工、其他加工等。
图6.1.1 机械零件柔性制造常见系统
一个零件根据图纸和技术要求，通过管理系统计算机进行材料选择或者下料。根据零件形状，如果是回转体的轴类和套类零件，管理中心编写数控车削、铣削等程序并且安排数控车床进行加工，车削加工完成后，根据图纸要求进行铣削加工（例如铣六方、铣键槽、铣凸轮轮廓等），有的还需要安排其他加工（例如花键加工、齿轮加工）。根据精度要求，有的零件需要经过热处理和磨削加工才能达到技术要求。在整个制造过程中，管理中心都可以通过摄像头和传感器监视加工过程，每一道工序都要经过检测，合格以后才能进入下一道工序。零件在流动环节是通过管理中心调用搬运车和机器人（机械手），并且配合各类传感器完成的。加工合格的零件最后进行入库存储和统计，管理中心可以根据零件的订单、计划和入库、出库等通过互联网进行交易和管理。
2.柔性制造系统FMS 组成
柔性制造系统由硬件系统和软件系统构成，柔性制造系统的主要组成：工作站、物料传送系统、计算机控制系统、管理及控制软件、其他重要单元，如图6.1.2 和图6.1.3 所示。
图6.1.2 FMS 的组成
图6.1.3 FMS 控制系统硬件、软件组成
（1）硬件系统主要构成
制造设备：数控加工设备（如加工中心、数控车床）、测量机、清洗机等。
自动化储运设备：传送带、有轨小车、无轨智能小车、AGV、搬运机器人、机械手立体库、中央托盘库、物料或刀具装卸站、中央刀库等。
除制造设备和储运设备外，还包括计算机控制系统及网络通信系统。
（2）软件系统主要构成
系统支持软件：操作系统、网络操作系统、数据库管理系统等。
FMS 运行控制系统：动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统、物料（工件和刀具）管理控制系统等。
在此基础上，可以根据具体需求选择不同的辅助工具，如监控工作站、测量工作站等。为了实现制造系统的柔性，FMS 必须包括如图6.1.4 所示组成部分。
图6.1.4 柔性制造系统FMS 必须包括的组成部分
3.柔性制造系统硬件组成
柔性制造系统硬件组成主要包括数控车床、加工中心、立体仓库、机床上下料机器人、视觉检测分拣机器人、AGV 自动搬运小车、中控系统安装与调试等。
①自动化立体仓库的基本组成：货架（图6.1.5），用于存储货物的钢结构，主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式；托盘（图6.1.6），用于承载货物的器具，也称工位器具。
柔性加工单元
图6.1.5 货架
图6.1.6 托盘
②巷道堆垛机（图6.1.7），用于自动存取货物的设备，按结构形式，分为单立柱和双立柱两种；按服务方式，分为直道、弯道和转移车三种基本形式。
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图6.1.7 巷道堆垛机
智能仓储
③输送机系统（图6.1.8），立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。输送机种类多，常见的有辊道输送机、链条输送机、升降台、分配车、提升机、皮带机等。
图6.1.8 输送机系统
④AGV 系统（图6.1.9），即自动导向小车，根据其导向方式，分为感应式导向小车和激光导向小车。
图6.1.9 AGV 系统
⑤自动控制系统（图6.1.10），即驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统，以采用现场总线方式为控制模式为主。
图6.1.10 自动控制系统
控制系统采用现场控制总线直接通信的方式，真正做到计算机只监不控，所有的决策、作业调度和现场信息等均由堆垛机、出入库输送机等现场设备通过相互间的通信来协调完成。每个货位的托盘号分别记录在堆垛机和计算机的数据库里，管理员可利用对比功能来比较计算机的记录和堆垛机里的记录，并进行修改，修改可自动完成或手动完成。系统软、硬件功能齐全，用户界面清晰，便于操作维护。堆垛机有自动召回原点的功能，即无论任何情况，只要货叉居中且水平运行正常，就可按照下达的命令自动返回原点。这意味着操作人员和维护人员可以尽量不进入巷道。智能的控制系统，可以实现真正的自动盘库功能，避免了以往繁重的人工盘库工作，减轻了仓库管理人员的工作强度，同时保证了出库作业的出错率为零。
⑥存储信息管理系统（图6.1.11），也称中央计算机管理系统，是全自动化立体库系统的核心。典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统（如ORACLE、SYBASE 等）构筑典型的客户机／服务器体系，可以与其他系统（如ERP 系统等）联网或集成。
图6.1.11 存储信息管理系统
二、切削加工智能制造单元设备
切削加工智能制造单元生产设备介绍见表6.1.1。
表6.1.1 智能制造单元生产设备
（1）数控车床
数控车床的结构如图6.1.12 所示，采用FANUC 0i-TF PLUS 数控系统的NL201HA 滚动导轨型数控卧式车床。其具有45°整体的床身，并行贴塑导轨，高刚性，易排屑。配备高精度主轴，跳动小，主轴最高转速为6 000 r／min。刀架为液压刀架，工作平稳、转位速度快、可靠性高，可实现油缸套筒工件的外圆倒角加工。
（2）立式加工中心
采用FANUC 0i-MF PLUS 数控系统的VM740S 高效型立式加工中心。其配备高速主轴单元，主轴测试温升小、热变形小、加工精度高；高精度丝杠，长寿命轴承，重切削、高速切削导轨；刀库有嵌入“卡刀一键复原功能”，有效提高刀库故障解除效率；大功率、大扭矩主轴电动机，可选配德国进口的ZF 减速箱，增加输出转矩。立式加工中心还配备第四转台。加工中心可以实现油缸套筒工件的钻底孔、攻螺纹和铣侧面加工。图6.1.13 所示是加工中心的第四转台示意图。
图6.1.12 数控车床的结构
图6.1.13 第四转台示意图
（3）固定机器人
固定机器人采用FANUC 的M-20iD25 固定关节型机器人，总控轴数为6 轴。它安装在切削加工单元的固定位置，机器人双爪用于工件的拾取及上下料，有较高的定位精度和抓持稳定性，用于实现整个单元系统的机床上下料动作。
（4）主控系统
主控系统采用西门子S7-1200 PLC 控制器，运用人机界面对整个系统的运行状态进行监控，实现系统中实时和非实时数据的传输，具有高度可靠性和可维护性。主控系统装载了MES 生产执行系统，在从接收订单开始到完成成品期间，通过与上层业务计划层（ERP）和底层过程控制层（CNC、PLC、Robot）进行信息交互，实现生产过程的优化。图6.1.14 所示是主控系统图。安全设备采用门开关，作为机器人工作区域的安全防护，完全做到人机隔离，确保系统在自动运行中的人员安全。
图6.1.14 主控系统图