FMS及其結構組成與發展趨勢分析

王俊偉

（武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430072）

1 FMS系統簡介

柔性制造系統是由統一的信息控制系統、物料儲運系統和一組數字控制加工設備組成，能適應加工對象變換的自動化機械制造系統（Flexible Manufacturing System），英文縮寫為FMS。

FMS的工藝基礎是成組技術，它按照成組的加工對象確定工藝過程，選擇相適應的數控加工設備和工件、工具等物料的儲運系統，并由計算機進行控制，故能自動調整并實現一定范圍內多種工件的成批高效生產（即具有“柔性”），并能及時地改變產品以滿足市場需求。

FMS兼有加工制造和部分生產管理兩種功能，因此能綜合地提高生產效益。FMS的工藝范圍正在不斷擴大，可以包括毛坯制造、機械加工、裝配和質量檢驗等。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于沖壓和焊接的。

采用FMS的主要技術經濟效果是:能按裝配作業配套需要，及時安排所需零件的加工，實現及時生產，從而減少毛坯和在制品的庫存量，及相應的流動資金占用量，縮短生產周期；提高設備的利用率，減少設備數量和廠房面積；減少直接勞動力，在少人看管條件下可實現晝夜24小時的連續“無人化生產”；提高產品質量的一致性。

FMS信息控制系統的結構組成形式很多，但一般多采用群控方式的遞階系統。第一級為各個工藝設備的計算機數控裝置（CNC），實現各個加工過程的控制；第二級為群控計算機，負責把來自第三級計算機的生產計劃和數控指令等信息，分配給第一級中有關設備的數控裝置，同時把它們的運轉狀況信息上報給上級計算機；第三級是FMS的主計算機（控制計算機），其功能是制訂生產作業計劃，實施FMS運行狀態的管理，及各種數據的管理；第四級是全廠的管理計算機。

性能完善的軟件是實現FMS功能的基礎，除支持計算機工作的系統軟件外，數量更多的是根據使用要求和用戶經驗所發展的專門應用軟件，大體上包括控制軟件（控制機床、物料儲運系統、檢驗裝置和監視系統）、計劃管理軟件（調度管理、質量管理、庫存管理、工裝管理等）和數據管理軟件（仿真、檢索和各種數據庫）等。

為保證FMS的連續自動運轉，須對刀具和切削過程進行監視，可能采用的方法有:測量機床主軸電機輸出的電流功率，或主軸的扭矩；利用傳感器拾取刀具破裂的信號；利用接觸測頭直接測量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的變化；累積計算刀具的切削時間以進行刀具壽命管理。此外，還可利用接觸測頭來測量機床熱變形和工件安裝誤差，并據此對其進行補償。

柔性制造系統按機床與搬運系統的相互關系可分為直線型、循環型、網絡型和單元型。加工工件品種少、柔性要求小的制造系統多采用直線布局，雖然加工順序不能改變，但管理容易；單元型具有較大柔性，易于擴展，但調度作業的程序設計比較復雜。

柔性制造系統未來將向發展各種工藝內容的柔性制造單元和小型FMS；完善FMS的自動化功能；擴大FMS完成的作業內容，并與計算機輔助設計和輔助制造技術（CAD/CAM）相結合，向全盤自動化工廠方向發展。

2 FMS系統組成

一個柔性制造系統一般可概括為下列3個部分組成:可編程控制的數控加工系統、自動化的物料儲運系統和計算機控制系統。

2.1 加工系統

加工系統實施對產品零件的加工。在FMS上大多采用自動換刀的加工中心或其它數控機床。加工系統能按照主控計算機的指令自動加工各種零件，并能自動實現工件、刀具的交換，常由若干臺CNC機床組成。對以加工箱體類零件為主的柔性制造系統而言，通常配備有數控加工中心、CNC銑床等；對以加工軸類零件為主的系統而言，則多數配有CNC車削中心、CNC車床和CNC磨床等。對于加工專門零件的系統除了一些通用的CNC設備以外，還配備一些專用的CNC設備。

2.2 物流系統

物流系統由儲存、輸送和裝卸3個子系統組成，它完成毛坯、夾具、工件等的出入庫和裝卸工件工作。

柔性制造系統的物流系統與傳統的自動線或流水線有很大區別，它的工件輸送系統是不按固定節拍強迫運送工件的，它沒有固定的順序，甚至是幾種零件混雜在一起輸送的。柔性制造系統的物流系統包括輸送搬運和儲存兩個方面。物料搬運系統（MHS，Material Handling System）是在機床、裝卸站、緩沖站、清洗站和檢驗站之間運送零件和刀具的傳送系統。物料輸送系統包括工件從系統外部送入系統和工件從系統內部的傳送兩部分。工件的輸送系統的運輸工具可分為:自動輸送車、輥道傳送系統、帶式傳送系統和機器人傳送系統。

2.3 控制系統

控制系統實施對整個FMS的控制和監督。這實際上是由中央管理計算機與各設備的控制裝置組成的分級控制網絡，它們組成了信息流。該系統主要完成下列任務:數控程序的儲存和分配；生產控制和管理；運輸物料的控制和管理；刀具的監測和控制；系統的性能監測和報告。圖1所示為FMS典型系統結構。

圖1 FMS典型系統結構

3 FMS系統的發展趨勢

FMS是集計算機技術、軟件技術、網絡通信技術、自動控制原理等高新技術于一身的高度集成化的綜合技術。目前，FMS的軟硬件系統大多已比較成熟，今后的發展方向集中在以下方面:

（1）加快發展各種工藝內容的柔性制造單元和小型FMS。因為FMC的投資比FMS少得多而效果相仿，更適合于財力有限的中小型企業。多品種、大批量生產中應用FML的發展趨勢是用價格低廉的專用數控機床代替通用的加工中心。

（2）完善FMS的自動化功能。FMS完成的作業內容擴大，由早期單純的機械加工型向焊接、裝配、檢驗及鈑材加工乃至鑄鍛等綜合性領域發展，另外，FMS還要與計算機輔助設計和輔助制造技術（CAD/CAM）相結合，向全盤自動化工廠方向發展。

（3）不斷推出新型控制軟件；控制軟件的模塊化、標準化；開發應用軟件“開發平臺”；積極引入設計新方法發展新型控制體系結構；應用人工智能技術。

［1］秦鵬飛等.現代制造工程［M］.上海:中國紡織大學出版社，1998.

［2］張世琪等.現代制造導論［M］.北京:兵器工業出版社，2000.

［3］孫大涌等.先進制造技術［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［4］李蓓智等.先進制造技術［M］.北京:高等教育出版社，2007.