從CIMT2017看FMS柔性制造系統發展和趨勢

浙江日發精密機械股份有限公司 胡穎斌

從CIMT2017看FMS柔性制造系統發展和趨勢

浙江日發精密機械股份有限公司 胡穎斌

第十五屆中國國際機床展覽會，與2017年4月22日落下帷幕，從17日到22日的這六天公共參觀日中，全球的機床制造商們又為我們帶來了一道機床的饕餮盛宴。此次展會，參觀人數特別是終端用戶的數量，較上一屆有了很大的增長。經歷了2015-2016年這段機床界的“寒冬”之后，終端用戶參觀人數增長也向所有機床制造商們發出了訊息“寒冬即將過去，新的機遇，你準備好了嗎？”

此次展會提出了“新需求·新供給·新動力”，而隨著消費產品、工業終端產品的更新換代速度的加快，為了滿足不同用戶的需求，開辟和占領細分市場，作為產品的制造商正在面臨著產品多樣化所帶來的種種問題。從機械加工角度來說，原有的單一產品生產線，需要通過更換工裝夾具、調整工藝方案，變更加工程序、重新對刀等步驟來適應新產品的生產制造。快速的生產訂單變化使得這樣的生產方式無法獲得足夠高效的生產響應速度。而FMS柔性制造系統顯然就是在這樣的需求下應運而生的。

一、FMS柔性制造系統的近代發展

圖 1

圖 2

在20世紀70年代，FMS經歷過了誕生初期最為艱難的日子，各大廠商的FMS概念產品未能取得預期的效果。作為當時的機床界的新人，1978年一群來自意大利北部的機床設計師們創建了意大利MCM公司，開始了一段不平凡的旅程。從1979年開發的單機版PROGRESS 1到1982年的PROGRESS 2柔性制造單元（見圖1），從1982年的CONNECTION多托盤柔性加工（見圖2）到1984年的CONNECTION FMS（見圖3），MCM很早就在進行著FMS的產品化開發和研究。

圖 3

二、FMS柔性制造系統2017展會特輯

作為柔性生產系統在全球應用最為廣泛的MAZAK，此次展會為我們展示了一套扇形結構的柔性化制造解決方案（如圖4所示）。

MAZAK代號為MPP500的多托盤柔性生產單元，是基于單臺HCN-4000型臥式加工中心而來。托盤庫可以容納兩層10件托盤，也可以按照需要升級擴容為兩層16件托盤（如圖5所示）。

圖4

圖 5

托盤規格400×400mm，最大工件尺寸為￠630×900mm，最大工件重量400kg。其托盤庫的尺寸也完全是沿用了HCN-4000自身所能攜帶的最大工件來設計的。

無獨有偶，DMG-森精機也展示了一套代號為RPP的扇形FMS，原理上與MAZAK基本一致，與之配合的NHC4000也同樣是一臺400×400mm托盤尺寸的臥式加工中心。如圖6、圖7所示。

圖 6

圖 7

托盤規格400mm×400mm，最大工件尺寸為￠630mm×900mm，最大工件重量400kg。可以發現其實DMG-森精機的這臺在天津工廠生產組裝的臥式加工中心，在血統上更接近日本機床，托盤參數方面與MAZAK完全一致。

扇形FMS結構的特點在于，每一組扇面上的托盤，其對應的最大工件直徑是一定的，當需要進行托盤擴展時，只能通過增大層數和排布密度來實現。而通過擴大扇形的直徑的方式，則會遇到這樣的問題(如圖8所示)。

圖 8

因為處于中間的托盤穿梭車需要為貨叉提供足夠的支撐，所以穿梭車的外框架會被設計的較為寬大，這也造成了穿梭車本身在旋轉過程中需要占用較大的空間。如圖6 紅線部分所示，為了避免與托盤庫上的工件干涉，托盤會被放置在一個較遠的距離，而貨叉就需要更大的行程來完成托盤的轉運工作，這勢必造成貨叉的懸臂更長。

由于扇形FMS受到托盤工件直徑和穿梭車貨叉懸深這兩個相互制約因素的雙重影響，在一層的有限空間內只能布置一定數量的托盤。為了在盡可能小的場地內布置盡可能多的托盤，以便發揮扇形FMS節省占地空間的特點，MAZAK和DMG-森精機均提供了雙層托盤庫的解決方案。

然而，當我們試圖將托盤庫加高到第三層時，顯然缺乏上部支撐的穿梭車很難通過簡單加高的方式來抓取第三層的托盤(如圖9所示)。

圖 9

以汽車剛性生產線見長的GROB，也為我們展示了一套代號為PSS-R的扇形FMS柔性生產單元(如圖10所示)。

圖 10

與MAZAK和DMG-森精機不同是，在面對相同占地面積更多托盤的需求時，GROB的這套柔性單元，則通過另一種方式來實現。它的一部分托盤庫倉位是為低矮工件準備的（如圖11所示）。

圖 11

當用戶的工件高度較低時，就可以通過不改變整套柔性線總層高的方式，來布置更多的托盤。通過模塊化的托盤庫平臺，用戶可以根據自己的需要隨時訂制自己的托盤庫，來應對變化的產品加工需求。

日發精機旗下的意大利MCM公司這次也為我們展示了一套FMS產品，它由一臺五軸CLOCK800臥式加工中心和一臺四軸CLOCK800臥式加工中心，配合可以容納18件托盤的托盤庫組成（如圖12所示）。

圖 12

CLOCK800作為500×500托盤規格的臥式加工中心模塊化平臺，可以靈活地搭配組合，滿足用戶對柔性線的不同需求。

其中五軸CLOCK800采用了西門子840D solution line控制系統，四軸CLOCK800則采用的FANUC 31i-B控制系統，通過MCM自主開發的j-FMX柔性制造控制系統，可以實現對不同數控系統、不同類型機床的統一控制，無論是立式車床、立式加工中心、磨床，甚至是EDM電火花加工機床都可以并入到傳統臥加的柔性線中進行管理和控制，用于各種加工工藝和工序的安排。

此次展示的五軸CLOCK800還采用了矩陣式刀庫設計，刀具容量可以按照需求從150～999把進行個性化選擇（如圖13所示）。

圖 13

在MCM的柔性制造系統中，矩陣式刀庫也被越來越多地應用到機床中，這不僅僅是因為矩陣式刀庫擁有遠大于傳統鏈式、盤式刀庫的刀具存貯容量，來應對各種各樣零件柔性加工的刀具要求。更重要的是，采用兩臺機床配合一套矩陣式刀庫的布局方式，可以將刀庫中絕大部分刀具在兩臺甚至多臺機床上進行共享，大大降低用戶刀具的投入成本，并提高企業在刀具管理上的效率

三、FMS柔性制造系統的控制系統

在MAZAK的扇形FMS的裝卸站一側，我們并沒有發現專門用于數據輸入的終端電腦，如圖14所示。而在上一次CIMT2015展會中，他所展示的直線排布FMS則依然使用了輸入終端的設計（如圖15所示）。

實際MAZAK將輸入終端集成到了機床的操作面板內。與MAZAK一樣，DMG-森精機的柔性線也取消了裝卸站的輸入終端，并集成到了自己機床操作面板。

作為全球兩大機床集團，在扇形FMS的成本優化上，MAZAK和DMG-森精機想到了一起。美中不足是，這樣的集成式方案，造成操作人員需要在間距2～3米的裝卸站和機床操作面板之間來回跑動（如圖16所示），特別是對于工件信息錄入和查詢工作造成了不便。這也是這種成本優化方式中的一個弊端。

圖 14

圖 15

圖 16

歐洲的幾家老牌機床廠，比如MCM、GROB，則還是保留了操作人員輸入終端的設計和布局，并非一味的追求成本優化，用戶良好體驗也非常重要。MCM將輸入終端布置在離操作人員和工件裝卸站最近的位置（如圖17所示）。

圖17

拋開成本優化，從技術角度，之所以MAZAK和DMG-森精機兩家公司都能夠將FMS控制系統和CNC操作系統集成在一起，其實很大程度上要歸功于他們自主開發的CNC系統均采用了Windows等通用平臺。包括西門子的840D和FANUC 310i在內，機床操作系統本身已經更接近與PC電腦，而CNC系統已經逐漸成為了機床操作系統內的一款軟件。

如今軟件行業的蓬勃發展，也讓機床行業受益匪淺，當我們需要對機床的功能進行擴展時，可以通過更為高效的Windows通用平臺進行開發來實現，很好地避免了之前建立在CNC系統獨立平臺上的二次開發工作。

軟件工程師的加入，使得機床的功能擴展變得更為豐富多彩，柔性制造系統也因此具備了強大的應用和擴展能力（如圖18、圖19所示）。

圖 18

圖 19

在此次展會的柔性制造講座中，來自MCM的軟件大師 Giuseppe Fogliazza先生給我們帶來的由德國發起的“工業4.0”在歐洲的未來布局（如圖20所示）。

圖 20

在傳統自動化金字塔概念中，我們通過不同的系統層級來定義解決整套自動化方案。從最底層的傳感器、執行器和數據傳輸FIELD，到開合控制回路PLC，從HMI人機接口SCADA，到上層的詳細計劃生產數據、材料質量管理的MES，最終通過生產計劃和訂單執行的ERP來實現（如圖21所示）。

圖 21

CPS（cyber physical systems）信息物理系統，作為計算進程和物理進程的統一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統。信息物理系統通過人機交互接口實現和物理進程的交互，使用網絡化空間以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協作的方式操控一個物理實體。

它打破了原有的剛性層級式的概念，每一個CPS可以通過各個層級來實現復雜的功能，因此我們形成了一個新的金字塔表達方式（如圖22所示）。

圖 22

通過CPS我們可以在原有金字塔層級建立聯系的基礎上實現更為清晰明確的各項功能，而原有的層級式架構依然可以得到保留。

在工業4.0概念被提及之前，我們一直強調著自動化概念，層級式的架構可以很好地管理我們的生產。“智能化”概念的提出，顯然對我們提出了更高的要求。機床、設備、系統本身，其實并不存在 “智能化”，“智能化”其實是人將自身的經驗和經歷通過特定的方式賦予我們的機床和系統，使之變得“智能化”。CPS的引入使得原有的自動化變得更加聰明。

四、總結

FMS柔性制造系統已經走過了五十多年，從機床的數字化到制造系統的自動化，再到如今的“智能化”，無論是計算機領域“云”概念的引入，又或是“共享”經濟的誕生，作為機床人的我們也開始慢慢發現，機床已經不是簡單的機械、流體和電氣等傳統技術的結合。軟件技術，網絡技術的加入，讓我們的機床，我們的柔性線具備了更為寬廣的發揮空間。不久的將來，也許我們并不用擔心我們的工業是否能夠“智能化”，可能只是需要用心思考，工業“智能化”，那人會不會被替代呢？□

資訊

機床協會積極參與數控機床互聯通訊協議標準工作

近日，《數控機床互聯通訊協議標準與試驗驗證》課題項目節點檢查會在北京航空航天大學召開，作為項目參與單位的代表，中國機床工具工業協會行業部婁曉鐘主任參加了會議。數控機床互聯通訊協議標準與試驗驗證課題項目組11個成員單位代表近30人參加了會議。會議由課題技術負責人華中科技大學路松峰教授主持。

會議對課題相關技術工作內容進行了交流與討論，各課題參與單位進行了進度匯報和技術交流，路松峰教授作了課題總結并提出下一步工作安排及時間節點。

會議要求所有成員單位要按時完成相關工作并做好總結。（婁曉鐘供稿）