柔性生產線設備選型與設計要點

陳榜，田愷，肖熙，宋旭

（1.中國航發航空科技股份有限公司；2.中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100032）

1 柔性制造系統定義與特征

柔性制造系統（Flexible Manufacturing System，FMS）出現在20世紀60年代，英國莫林斯（Molins）公司開發出的“Molins System-24”被認為是世界上第一個柔性制造系統。當前，對于柔性制造系統幾種比較主流的定義，如表1所示。

表1

通過上述不同的描述可知，柔性制造系統具有以下特征：（1）從功能上看：柔性制造系統能夠實現自動制造、自動交換工件、自動換刀、自動輸運輸、自動存儲生產資源、自動故障監視與報警、作業計劃與調度等功能。（2）從使用范圍上看：適用于多品種小批量生產模式，當產品品種或批量變化時，無需變動基本的制造設備，只需更改執行層和控制層的相關信息，更換相關刀具和夾具，即可完成新的生產任務。（3）從建設目的上看：建設柔性制造系統，主要目的是節約人力、提高設備利用率、提升產品質量穩定性與一致性。

2 柔性制造系統的運行流程

機械加工柔性制造系統，多采用數控加工中心作為“主機”，并配置有裝卸站、托盤緩沖站、托盤交換器、搬運機器人、中央刀庫、刀具運輸裝置、工具自動交換裝置等。典型柔性制造系統的運行流程如下。

（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，裝卸站送料機構將帶有工裝的托盤送入線內。（2）工件搬運機器人將托盤放入緩沖區庫位。（3）根據管控軟件調度指令，工件搬運機器人將帶有工件的托盤搬運至機床，并自動定位夾緊。（4）根據加工需求，中央刀庫調出合適的刀具并自動裝刀。（5）檢驗就緒后，機床執行加工程序。（6）加工完成后，工件搬運機器人將帶工件托盤搬運至沖洗、測量設備。（7）完成測量后，工件搬運機器人將帶工件托盤放入緩存庫位。（8）待裝卸工人就位后，工件搬運機器人將帶工件托盤送至人工裝卸站，由工人拆卸零件。典型柔性制造系統運行流程如圖1所示。

從上述工作流程可以看出，柔性制造系統內主要包含以下幾類工藝設備：數控加工設備、加工輔助設備、倉儲物流設備和管控軟件。

3 柔性制造系統工藝設備選型

3.1 數控加工設備

相比于單機生產的數控加工設備，柔性制造系統中的數控加工設備，其選型要點包括以下幾點：（1）加工性能。①復合加工功能：柔性制造系統中的數控機床需要適應多種不同零件的加工，因此要求機床具有較強的復合加工功能。通常采用車銑、銑車復合加工中心。②加工精度和加工范圍：柔性制造系統自動化生產中的工件交換依靠零點定位裝置，在設備選型時，需要考慮快換工裝的累積誤差，選擇精度更高的設備，同時，對設備的加工精度保持性要求很高；在加工范圍方面，快換工裝、可編程自動液壓工裝的體積相比傳統工裝大很多，因此在數控機床選型時，加工范圍相較零件單機狀態的同類機床常需擴大一個規格。

（2）數控系統。①開放性：柔性制造系統是多種工藝設備的集成，設備與管控軟件間需要通訊的數據種類多、數量大，對數控系統的開放性要求很高。②沖突機制：對于機床數控系統NC來說，需要實時接收解析柔性制造系統管控軟件傳遞的指令；對于機床數控系統PLC來說，不僅執行自身NC傳遞的指令，還需執行柔性制造系統PLC主站發出的指令。這就需要數控系統設計合理的沖突機制和中斷機制，保證系統整體運行完整。③運算性能：柔性制造系統要求數控系統配備更為強大的CPU和更大的內存，具備較高的運算性能，在實時狀態上傳和指令下達接收過程中不影響加工程序執行。

（3）刀具系統。①大容量刀庫/中央刀庫：柔性制造系統中的加工中心需要承擔多種零件混線加工的任務，所需的刀具種類相應增多；另一方面，為了實現較長時間（8～24h）無人值守的生產要求，需要配置更多數量的刀具，機床通常需要配置更大容量的刀庫，以保證系統穩定高效運行。②刀具預調信息讀取功能：在柔性制造系統中，為減少人工干預，通常采用數字化對刀儀將刀具對刀結果寫入刀柄RFID芯片中，工人將刀具裝入機床刀庫時，通過機床刀庫的RFID讀頭將芯片內寫入的刀具編號和刀補信息傳遞給數控系統，并由數控系統向上反饋給柔性線管控軟件。③機內對刀功能：主要是為了在無人或少人值守狀態下的加工過程中，實現對刀具的健康管理，包括刀具壽命管理和斷刀監控兩部分。

（4）工裝系統。①零點定位工裝：工件交換是柔性制造系統必備的功能。在柔性制造系統中，實現工件交換的方法是采用基于零點定位技術的快換工裝，如圖2所示。②可編程自動液壓工裝：可編程控制工裝是擴展機床加工能力的有效手段。采用可編程自動液壓工裝，可將工裝動作編入NC程序中，可實現在走刀執行過程中工裝自動避讓，提高復雜性，如圖3所示。

3.2 檢測設備

對于柔性制造系統，除數控機床設備外，常集成進線的主要是三坐標測量機，并配套測量前所必須的清洗設備。柔性制造系統中的三坐標測量機選型，除了常規的精度、測量范圍選擇外，還需對溫濕度控制、工裝接口、軟件接口等方面進行一定的定制。

3.3 倉儲物流設備

（1）工業機器人。工業機器人用于工件托盤搬運，是線內物流實現的核心。工業機器人種類繁多，機械加工柔性制造系統中常用的工業機器人包括關節式、桁架式和堆垛式機器人三類。如圖4。

（2）緩存庫。緩存庫是柔性制造系統中工件托盤存放的關鍵設備。每個庫位有唯一編碼標識，并設計有接近開關以及RFID讀取器，可實時感知物料的儲存位置、數量、狀態（空工裝、毛料、半成品、成品）等信息，并通過PLC傳遞給上位控制系統。常用的緩存庫形式包括貨架型、平臺型、回轉型和三種。

3.4 管控軟件

管控軟件是柔性制造系統的大腦，也是柔性制造系統中重要的組成部分。管控軟件能夠對接到上位系統（MES/ERP/CAPP等）信息、接收下位系統（PLC）反饋結果，通過整理、分析、計算、生成指令、指令分發一系列處理，實現系統整體的自動運行，通過管理、協調和控制各種資源運行及集成控制，從而提高生產效率，并且能夠直觀的掌握生產運行狀態。管控軟件通常為非標設計，其設備主要技術指標為各種功能。典型的柔性制造系統管控軟件主要功能包括以下幾個方面：

（1）計劃管理：用于輔助計劃人員執行柔性制造系統內加工的零件與工序的計劃排程，主要包括計劃管理、任務管理、需求分析、任務下發、任務檢查等功能。（2）機內協同：主要起到在任務進行中的實時監控與管理作用。通過軟件管控柔性制造系統生產過程中的毛坯準備、工裝裝卡、物流上下料、機加執行以及出線卸裝相關的任務信息。（3）物流管理：是柔性制造系統快速高效、安全可靠運行的重要輔助模塊，是決定整個產線能否正常序運行的關鍵組成部分之一。主要針對生產線夾具緩存區進行管理，管理對象包括毛坯、半成品、成品及報廢工件。（4）刀具管理：刀具編碼管理，通過與線外刀具管理系統的信息集成，實現刀具編碼及對應刀具規格參數（包括刀具材料結構參數、刀具對應工序信息、刀具供應廠家信息等）的信息管理與應用，全面記錄每一把刀具對應的規格參數信息。（5）設備管理：實現設備基本信息管理，通過導入、交互輸入等方式，實現設備編碼、規格參數（包括設備類型、加工精度、設備供應商等）、使用記錄、電子保養手冊、備件信息及檢修維護信息（故障次數、故障類型、保養記錄、維修記錄等）的繼承應用，支持設備基本信息可視化查詢及相關管理業務功能。（6）業績管理：在管控系統數據采集與數據集成的基礎上，形成產線業績指標體系、建立權責機制，構建自上而下的體系化業績指標監管工具，通過多終端交互的方式，以圖表、報表的形式展示生產管理績效，并支持及時推送異常告警信息至指定責任人。（7）資源管理：管理整個生產線制造資源，包括數控機床、工裝、工件、刀具等內容。主要功能包括每種資源的錄入和移除、資源位置和狀態、資源歷史信息以及針對各類型資源的可以進行的獨立操作等。（8）系統管理：集中化管理應用的不同環境，不同集群的配置，并集中管理任務過程中產生的系統日志，和系統支撐數據。主要包括人員數據（工作人員姓名，職位等基本信息）、權限數據（編輯相應人員的具體權限）、日志數據（接口日志、系統操作日志、數據采集日志、告警日志等）、接口服務（對第三方接口進行啟用/操作開關、ERP/MES/CAPP等系統的開關）、系統配置、數據源配置等。在管控軟件非標設計過程中，應把握上述關鍵功能，避免缺失與遺漏，造成產線運行的問題。

4 結語

本文在機械加工柔性制造系統的定義、特征、運行邏輯與組成等進行分析的基礎上，研究關鍵組成的工藝設備選型要點，以及集成關鍵技術，對柔性制造系統規劃建設形成支撐。