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1、摘要柔性制造系统(FMS)系指具有自动化程度高的制造系统。目前所谈及的FMS通常是指在批量切削加工中以先进的自动化和高水平的柔性为目标的制造系统。随着社会对产品多样化、低制造成本及短制造周期等需求日趋迫切，FMS发展颇为迅速，并且由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展，也促使柔性制造技术日臻成熟，80年代后，制造业自动化进入一个崭新时代，即基于计算机的集成制造(CIMS)时代，FMS已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。FMS作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技，为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图，将成为21世纪机构制造业的主要生产模式。本文主要讲述了FM
2、S系统得加工组成及结构，刀具及夹具的选用。加工监控系统的优点，组成部分及工作要求。为了使FMS控制软件系统具有开放性,本文提出了基于CORBA面向对象的FMS控制系统模型,将相关可编程设备的物理单元抽象为对象。文章最后浅析了柔性制造系统的关键技术，发展趋势及美好的发展前景。 目 录第1章 柔性制造系统的加工组成和结构11.1 柔性制造系统的加工系统11.2 加工系统的配置与要求21.3 加工系统中常用加工设备介绍31.4 加工系统中的刀具与夹具8第2章 加工系统的监控152.1 组成部分162.2 工作要求17第3章 基于CORBA面向对象的FMS控制系统模型243.1 引言243.2 面向对
3、象的FMS集成模型253.3 FMS对象类的设计283.4 CORBA机制的Client/Server接口323.5 面向对象的FMS集成模型的实现33第4章 柔性制造系统的关键技术及发展趋势354.1 规模354.2 关键技术364.3 发展趋势38参考文献40 第1章 柔性制造系统的加工和结构第1章 柔性制造系统的加工组成和结构1.1 柔性制造系统的加工系统 典型的FMS一般由三个子系统组成。它们是加工系统、物流系统和控制与管理系统，各子系统的构成框图及功能特征如图1所示。三个子系统的有机结合，构成了一个制造系统的能量流（通过制造工艺改变工件的形状和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和
4、信息流（制造过程的信息和数据处理）。 加工系统在FMS中好像人的手脚，是实际完成改变物性任务的执行系统。加工系统主要由数控机床、加工中心等加工设备（有的还带有工件清洗、在线检测等辅助与检测设备）构成，系统中的加工设备在工件、刀具和控制三个方面都具有可与其他子系统相连接的标准接口。从柔性制造系统的各项柔性含义中可知，加工系统的性能直接影响着FMS的性能，且加工系统在FMS中又是耗资最多的部分，因此恰当地选用加工系统是FMS成功与否的关键。加工系统中的主要设备是实际执行切削等加工，把工件从原材料转变为产品的机床。 1.2 加工系统的配置与要求 目前金属切削FMS的加工对象主要有两类工件：棱柱体类（
5、包括箱体形、平板形）和回转体类（长轴形、盘套形）。对加工系统而言，通常用于加工棱柱体类工件的FMS由立、卧式加工中心，数控组合机床（数控专用机床、可换主轴箱机床、模块化多动力头数控机床等）和托盘交换器等构成；用于加工回转体类工件的FMS由数控车床、车削中心、数控组合机床和上下料机械手或机器人及棒料输送装置等构成。 因为棱柱体类工件的加工时间较长，且工艺复杂，为实现夜间无人值守自动加工，加工棱柱体类工件的FMS首先得到了发展。小型FMS的加工系统多由46台机床构成，这些数控加工设备在FMS中的配置有互替形式（并联）、互补形式（串联）和混合形式（并串联）三种，见表1。应该说明，这些配置主要取决于机
6、床功能、FMS的物料流和信息流，而并非取决于加工设备的物理布局。 表 1 机床配置形式与特征比较 FMS的加工系统原则上应是可靠的、自动化的、高效的、易控制的，其实用性、匹配性和工艺性好，能满足加工对象的尺寸范围、精度。材质等要求。因此在选用时应考虑： 1）工序集中。如选用多功能机床、加工中心等，以减少工位数和减轻物流负担，保证加工质量。 2）控制功能强、扩展性好。如选用模块化结构，外部通信功能和内部管理功能强，有内装可编程序控制器，有用户宏程序的数控系统，以易于与上下料、检测等辅助装置连接和增加各种辅助功能，方便系统调整与扩展，以及减轻通信网络和上级控制器的负载。 3）高刚度、高精度、高速度
7、。选用切削功能强，加工质量稳定，生产效率高的机床。 4）使用经济性好。如导轨油可回收，断、排屑处理快速、彻底等，以延长刀具使用寿命。节省系统运行费用，保证系统能安全、稳定、长时间无人值守而自动运行。 5）操作性、可靠性、维修性好。机床的操作、保养与维修方便，使用寿命长。 6）自保护性、自维护性好。如设有切削力过载保护、功率过载保护、行程与工作区域限制等。导轨和各相对运动件等无须润滑或能自动加注润滑，有故障诊断和预警功能。 7）对环境的适应性与保护性好。对工作环境的温度、湿度、噪声、粉尘等要求不高，各种密封件性能可靠、无渗漏，冷却液不外溅，能及时排除烟雾、异味，噪声、振动小，能保护良好的生产环境
8、。 8）其他。如技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚，机床外形、颜色美观且与系统协调。 1.3 加工系统中常用加工设备介绍 加工中心是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。它的最大特点是工序集中和自动化程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。 常见加工中心按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用（也称万能、五面体、复合）加工中心。 在实际应用中，以加工棱柱体类工件为主的镗铣
9、加工中心和以加工回转体类工件为主的车削加工中心最为多见。由于镗铣加工中心（1958年由美国KM公司在数控铣床上加刀库） 最早出现，且名为加工中心（Machining Center），所以习惯上常把“键铣加工中心”称为“加工中心”。我们不妨也沿用此习惯。 （1）加工中心 加工中心可完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作，它与普通数控镗床和数控铣床的区别之处，主要在于它附有刀库和自动换刀装置，如图2所示。衡量加工中心刀库和自动换刀装置的指标有刀具存储量、刀具（加刀柄和刀杆等）最大尺寸与重量、换刀重复定位精度、安全性、可靠性、可扩展性、选刀方法和换刀时间等。 加工中心的刀库有链式、盘式和转塔式等基本类型，如图
10、3所示。链式刀库的特点是存刀量多、扩展性好、在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。盘式和转塔式刀库的特点是构造简单、适当选择刀库位置还可省略换刀机械手，但刀库容量有限。根据用途，加工中心刀库的存刀量可为几把到数百把，最常见的是2080把。 加工中心的自动换刀装置常采用公用换刀机械手。公用换刀机械手有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等。由于双臂式机械手换刀时，可在一只手臂从刀库中取刀的同时，另一只手臂从机床主轴上拔下已用过的刀具，这样既可缩短换刀时间又有利于使机械手保持平衡，所以被广泛采用。常用双臂式机械手的手爪结构形式有钩手、抱手、伸缩手和叉手，如图4所示。除上述的公用机械手换刀方式外，还有多
11、机械手换刀方式，即刀库中每把刀有一个机械手，此外，还有不用机械手的直接换刀方式。 加工中心换刀时需从刀库中选择指定的刀具，主轴头也必须回到换刀位置。从刀库中挑选所需刀具的方法有顺序选择法、刀座编码法、刀具编码法和刀具刀座跟踪记忆法。其中，刀具刀座跟踪记忆法在加工设备内使用最为方便，刀具编码法适合于FMS刀具的集中管理，所以在FMS中常将这两种方法混合使用。 加工中心的换刀时间有两种定量方法：刀对刀换刀时间（主轴和刀库刀座都回到换刀点后交换刀具所需的时间）和加工对加工换刀时间（从上一把刀加工结束到刀具交换后下一把刀进入加工所需的时间）。通常加工中心的技术参数中给出的换刀时间是刀对刀换刀时间（或称
12、净换刀时间），目前最快为0.45s，一般为5s左右。换刀时间取决于换刀机构（如机械式快于机液（气）式）、刀柄规格（如小规格刀柄换刀速度快）、刀具重量（如刀具轻换刀速度快）、机床规格、机械手尺寸和惯量等。因此，通常刀柄号越大，换刀速度越低。 加工中心中最为常见的换料装置是托盘交换器（Automatic Pal1et ChangerAPC），它不仅是加工系统与物流系统间的工件输送接口，也起物流系统工件缓冲站的作用。托盘交换器按其运动方式有回转式和往复式两种，如图5所示。托盘交换器在机床单机运行时是加工中心的一个辅件，但在FMS的整体功能分析上，它完成或协助完成物料（工件）的装卸与交换，并起缓冲作用
13、，因此从系统分析出发，又可把它划为物流系统。 通常托盘交换器、刀库及换刀机械手都由加工设备数控系统的可编程序控制器控制，驱动源有液压、气压和电能。交换托盘、选刀和换刀应允许手动操作，以适应维修和调整用。 （2）车削加工中心 车削加工中心简称为车削中心（Turning Center），它是在数控车床的基础上为扩大其工艺范围而逐步发展起来的。车削中心目前尚无比较权威性的明确定义，但一般都认为车削中心应具有如下特征： 带刀库和自动换刀装置；带动力回转刀具；联动轴数大于2。由于有这些特征，车削中心在一次装夹下除能完成车削加工外，还能完成钻削、攻螺纹、铣削等加工。车削中心的工件交换装置多采用机械手或行走
14、式机器人。随着机床功能的扩展，多轴、多刀架以及带机内工件交换器和带棒料自动输送装置的车削中心在FMS中发展较快，这类车削中心也被称为车削FMM（见图6）。如对置式双主轴箱、双刀架的车削中心可实现自动翻转工件，在一次装夹下完成回转体工件的全部加工。 （3）数控组合机床数控组合机床（见图7）是指数控专用机床、可换主轴箱数控机床、模块化多动力头数控机床等加工设备。这类机床是介于加工中心和组合机床之间的中间机型，兼有加工中心的柔性和组合机床的高生产率的特点，适用于中大批量制造的柔性生产线（FML或FTL）。这类机床可根据加工工件的需求，自动或手动更换装在主轴驱动单元上的单轴、多轴或多轴头，或更换具有驱
15、动单元的主轴头本身。 1.4 加工系统中的刀具与夹具 FMS的加工系统要完成它的加工任务，必须配备相应的刀具、夹具和辅具。目前国内在设计FMS和选择FMS加工设备时，或者在介绍国外的制造水平时往往都强调系统功能和设备功能。而从国外众多使用FMS的企业来看，他们更重视实用性，即机床和刀、夹、辅具的合理配合与有效利用，企业现有制造技术和工艺诀窍在FMS中的应用。一般而言，一台加工中心要能充分发挥它的功能，所需刀、夹、辅具的价格近于或高于加工中心本身的价格。据国外资料统计，一台加工中心一年在刀具上消耗的资金约为购买一台新加工中心费用的2/3。 因此在选择加工设备时，就应充分考虑刀、夹、辅具问题。 （1）刀具系统 从数控加工的立场看，刀具系统是数控加工中工具系统下的子系统，包括刀具配置、刀具准备及加工程序中的刀具管理等。而我们在这里讲的刀具系统是指：“从以机床主轴孔连接
