自动化柔性制造系统的研究及方案设计方法

自动化柔性制造系统的研究及方案设计方法

叶露潇

沈阳机床（集团）有限责任公司

摘要

制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基。制造是把原材料变成有用物品的过程,它包括品设计、材料选择、加工生产、质量保证、管理和营销等一系列有内在联系的运作和活动。在《中国制造2025》“战略任务和重点”一节中,明确提出“加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展把智能制造作为两化深度融合的主攻方;着力发展智能装备和智能产品,推进生产过程智能化;培育新型生产方式,全面提升企业发、生产、管理和服务的智能化水平”。

柔性制造单元恰恰是智能制造系统中直接参与生产的单元，柔性制造单元的好坏直接决定了生产制造环节能否顺利运行。柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，简称FMC）是在制造单元的基础上发展起来、具有柔性制造系统部分特点的一种单元。通常由多台带有受PLC控制的自动夹具、自动冷却、自动门等装置的加工设备同时具有与其配合自动更换零件的装置，具有适应加工多品种产品的灵活性和柔性，可以作为FMS(柔性制造系统)中的基本单元，也可将其视为一个规模最小的FMS(柔性制系统)，是FMS(柔性制造系统)向廉价化及小型化方向发展的一种产物。 通常，FMC有托盘交换式和工业机器人搬运式两种不同的组成形式。

柔性制造系统主要由以下三部分组成：多工位的数控加工系统、自动化的物料储运系统和计算机控制的信息系统。

工厂中常见的自动化柔性制造系统。桁架机械手是一种建立在直角X，Y，Z 三坐标系统基础上，对工件进行工位调整，或实现工件的轨迹运动等功能的全自动工业设备，如图3-所示，桁架机械手结构的柔性制造单元。关节机器人直接搬运的FMC。由l～4台车削中心或其他数控机床，以及固定安装的回转式机器人和工件存储台等组成，各设备都布置在机器人周围或两侧。工件在加工过程中的搬运都由机器人自动实现。此类FMC的优点是设有托板及其自动交换系统，设备费用低，适用于大批量生产，可有效节约人工成本。

设计一套完整的自动化柔性制造单元：根据零件制作加工工艺卡片、计算自动线加工节拍、绘制设备布局图及选择合适的设备、控制装置设计。

发展上层技术的同时需要继续开发自动化柔性制造单元这种直接参与生产的设备，完善设备结构、逻辑控制等。

引言

制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基。制造是把原材料变成有用物品的过程,它包括品设计、材料选择、加工生产、质量保证、管理和营销等一系列有内在联系的运作和活动。制造系统是一个相对的概念,小的如柔性制造单元FMC)、计算机/现代集成制造系统(CIMS),大至一个车间、企业,乃至以某一企业为中心包括其供需链而形成的系统,都可称为“制造系统”。造系统是人、设备、物料流、能量流、信息流、资金流、制造模式的一个组合体。制造技术追求的永恒目标之一就是更加有效、充分地利用这些数据、信息、经验和知识,不断提高制造活动的智能水平。2015年,国务院印发《中国制造2025》,署全面推进实施制造强国战略。在《中国制造2025》“战略任务和重点”一节中,明确提出“加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展把智能制造作为两化深度融合的主攻方;着力发展智能装备和智能产品,推进生产过程智能化;培育新型生产方式,全面提升企业发、生产、管理和服务的智能化水平”。^[1]

柔性制造单元恰恰是智能制造系统中直接参与生产的单元，柔性制造单元的好坏直接决定了生产制造环节能否顺利运行。在我国有关标准中，柔性制造系统被定义为：柔性制造系统是由数控加工设备、物流储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务完成或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种，中、小批量生产。

第一章 柔性制造单元

1.1 柔性制造单元的基本组成

柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，简称FMC）是在制造单元的基础上发展起来、具有柔性制造系统部分特点的一种单元。通常由多台带有受PLC控制的自动夹具、自动冷却、自动门等装置的加工设备同时具有与其配合自动更换零件的装置，具有适应加工多品种产品的灵活性和柔性，可以作为FMS(柔性制造系统)中的基本单元，也可将其视为一个规模最小的FMS(柔性制系统)，是FMS(柔性制造系统)向廉价化及小型化方向发展的一种产物。 通常，FMC有托盘交换式和工业机器人搬运式两种不同的组成形式。^[2]

托盘交换式FMC托盘交换式FMC一般由加工中心和托盘存储库组成，主要用来加工非回转体零件。图1-1所示为一典型托盘交换式FMC，它是由一台加工中心机床和一个环形托盘库组成。环形托盘库包括环形导轨、拖链及若干托盘等。一个个托盘支承在环形导轨上，由环链拖动而回转。托盘库设有装卸工位和上料工位；装有工件的托盘运送到加工机床面前停下，通过托盘交换装置将其送人加工机床上进行加工；加工完毕后，又通过托盘交换装置把机床上的托盘连同已加工完的工件送回托盘库。柔性制造单元适合多品种零件的加工FMC的自动化程度虽略低于FMS，但是投资较少。适合小规模企业采购，可以极大的节约人工成本。

图1-1托盘交换式FMC

1-加工中心机床；2-托盘；3-托盘站；4-环形导轨和拖链；5-工件交换台

机器人搬运式FMC对于回转体零件，可采用机器人搬运式FMC进行加工。图1-2所示为加工回转体零件的FMC，它由两台车削中心、一部工业机器人以及储料装置组成。工业机器人负责在车削中心、毛坯台、成品台之间进行工件的自动交换，一部自动导向小车负责运输工件毛坯及加工完成的成品。由于工业机器人的抓取力和抓取尺寸范围的限制，机器人搬运式FMC主要适用于小型件或回转体零件的加工。

图1-2机器人搬运式FMC

1、2-车削中心；3-搬运机器人；4-毛坯台；5-成品台；6-自动导向小车

1.2 柔性制造单元的功能特征

（1）自动化程度高FMC配备有物料存储装置、搬运装置以及工件交换装置，在加工过程中不仅能够自动更换刀具，还具有自动装卸工件的功能，只要工件缓冲存储装置有足够的容量，就可以在无人值守状态下自动加工。

（2）柔性好能加工尺寸不同、结构不同的某“零件族”中的所有零件。

（3）具有自动检验、监视功能可实现工件在线测量，实时检测监控刀具的磨损、破损和机床工作状态等。

（4）投资和占地面积相对较少。

第二章 柔性制造系统

在我国有关标准中，柔性制造系统被定义为：柔性制造系统是由数控加工设备、物流储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务完成或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种，中、小批量生产。

美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为：使用计算机控制柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件某一系列工序的，或一系列工序的一种集成制造系统。

国外有关专家对柔性制造系统进行了更为直观的定义：柔性制造系统是至少由两台机床、一套物流储运系统（从装卸到卸载具有自动化）和一套计算机控制系统所组成的制造系统，它通过简单地改变软件的方法便能制造出多种零件中的任何一种零件。

由于柔性制造系统还在发展中，所以其概念尚无统一的定义，但综合起来可以认为：柔性制造系统是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机软件科学，把工厂生产活动的自动化设备有机地集成起来，打破设计和制造的界限，取消图纸、工艺卡片，使产品设计、生产相结合而成的，适用于中小批量和较多品种生产的高柔性、高效率的制造系统。^[3]

2.1 柔性制造系统的组成、原理及应用

从上述定义中可以看出，柔性制造系统主要由以下三部分组成：多工位的数控加工系统、自动化的物料储运系统和计算机控制的信息系统。其构成框图如图2-1所示。

图2-1 柔性制造系统的构成框图

（1）加工系统

加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动地更换工件和刀具，通常包括由两台以上的数控机床、加工中心或柔性制造单元（FMC）以及其他加工设备。

（2）物流系统

在柔性制造系统中，工件和工具流统称为物流。物流系统即物料储运系统，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。合理地选择柔性制造系统的物料运储系统，可以大大减少物料的运送时间，提高整个制造系统的柔性和效率。物流系统由输送系统、储存系统和操作系统组成，通常包含传送带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘、交换工作台等机构，能对刀具、工件和原材料等物料进行自动装卸和运储。

（3）信息系统

信息系统包括过程控制及过程监视两个分系统。其功能分别为：过程控制系统进行加工系统及物流系统的自动控制；过程监视系统进行在线状态数据自动采集和处理。信息系统能够实现对柔性制造系统的运行控制、刀具监控和管理、质量控制，以及柔性制造系统的数据管理和网络通信。

2.2 柔性制造系统的物料输送与存储系统

物料输送与储存系统是柔性制造系统中的一个重要组成部分。一个工件从毛坯到成品的整个生产过程中，只有相当小的一部分时间是用于机床的切削加工，而大部分时间则消耗于物料的输送与储存过程。在柔性制造系统中，流动的物料主要有工件、刀具、夹具、切屑及切削液等。合理地选择柔性制造系统的物料输送与储存系统，可以大大减少物料的运送时间，提高整个制造系统的柔性和效率。柔性制造系统的物流系统主要包括以下三方面：

（1）原材料、半成品、成品所构成的工件流。

（2）刀具、夹具所构成的工具流。

（3）托盘、辅具材料、备件等所构成的配套流。

自动化物料储运设备的选择与生产系统的布局和运行直接相关，且要与生产流程和生产设备的类型相适应，这对生产系统的生产效率、复杂程度、占用资金多少和经济效益都有较大的影响。2-2所示为自动物料储运设备的组成和分类。

图2-2 自动物料储运设备的组成和分类

零件在柔性制造系统内部的搬运主要采用以下三种运输工具：传送带、自动运输小车和搬运机器人。传送带主要是从传统的机械式自动生产线发展而来的，在新设计的系统中用得越来越少。自动运输小车的结构发展较快，形式也是多种多样的，大体上可分为有轨小车和无轨小车两大类。有轨小车有的采用地轨，像火车的铁轨一样；也有的采用天轨，或称为高架轨道，运输小车吊在两条高架轨道上进行移动。无轨小车因导向方法的不同，又分为有线导向、光电导向和无线电遥控等多种形式。在柔性制造系统发展初期，多采用有轨小车，随着柔性制造系统控制技术的成熟，越来越多地采用自动导向的无轨小车。搬运机器人由于工作灵活且具有其他运输工具不具有的视觉和触觉能力，以及工作精度高等一系列优点，近年来在柔性制造系统中的应用越来越广。

第三章 工厂中常见柔性制造单元的结构

3.1 以桁架机械手为搬运主体的结构

桁架机械手是一种建立在直角X，Y，Z 三坐标系统基础上，对工件进行工位调整，或实现工件的轨迹运动等功能的全自动工业设备，如图3-所示，桁架机械手结构的柔性制造单元。

图3-1桁架机械手结构的柔性制造单元

桁架机械手由结构框架、X轴组件、Y轴组件、Z轴组件、工装夹具以及控制柜，六部分组成。结构框架，主要由立柱等结构件组成，其作用是将各轴架空至一定高度，多由铝型材或方管，矩形管，圆管等焊接件构成；X轴组件、Y轴组件、Z轴组件，三个运动组件为桁架机械手的核心组件，其定义规则遵循笛卡尔坐标系。各轴组件通常由结构件、导向件、传动件、传感器检测元件以及机械限位组件等五部分组成。

3.2 以关节机器人为搬运主体的结构

关节机器人直接搬运的FMC。由l～4台车削中心或其他数控机床，以及固定安装的回转式机器人和工件存储台等组成，各设备都布置在机器人周围或两侧。工件在加工过程中的搬运都由机器人自动实现。此类FMC的优点是设有托板及其自动交换系统，设备费用低，适用于大批量生产，可有效节约人工成本。六关节机器人结构的柔性制造单元，如图3-2所示。

图3-2关节机器人结构的柔性制造单元

关节机器人(Robot joints)，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一。适合用于诸多工业领域的机械自动化作业，比如，自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作。

该类机器人的机械结构部件由主要是以三个主要部件所组成：机身部件、手臂部件、手腕及手部部件所组成的。绝大多数的六关节型机器人都是以机座回转式的机身部件为基础，他的作用是直接连接、支承和传动机器人的主要运动机构。 通常手臂部件是由与机身部件相连接的大臂带动的第二关节、第三关节和小臂与手部组成的第四关节所形成的，手臂部件的作用是支承腕部和、手部，并带动它们在空间运动。手臂部件（简称“臂部”），在六关节类的机器人身上，比较常使用的是“转动伸缩型臂 部结构”。该类臂部的好处，是使得机器人的工作范围大适应性广，配合其大角度大范围的手腕活动，使它工作时位置的适应性很强。是在实际生产中，对于大幅度提高大型设备的生产效率，起到了一个良好的基础作用。

第四章 设计一套完整的自动化柔性制造单元

4.1 根据零件制作加工工艺卡片

根据零件状态、加工工艺要求制作工艺卡片如下图4-1所示，选择加工刀具及工装卡具。

图4-1 OP20加工工序卡片

4.2 计算自动线加工节拍

（1）考虑工件工序和节拍的兼容性，拟定面对面形式2个岛连接方式布局：

岛1由1台6轴工业机器人为2台智能立式车床提供上下料服务；岛2由1台6轴工业机器人为1台智能立式车床和1台智能立式加工中心提供上下料服务；两个加工单元之间通过中转料库衔接起来。刹车盘加工节拍见表4-2。

表4-2刹车盘加工节拍

（2）上述加工节拍，是在零件毛坯质量理想的情况下，加工余量完全合格及刀具无磨损破损的前提下理论计算出的，实际加工节拍与理论节拍允许10%的容差（在10%范围内均为合格品）。

（3）毛坯工件要求：为保证工件在料仓、机械手、机床夹持等定位精度，需保证毛坯工件的一致性，所有尺寸公差范围应控制在0.5mm以内。

（4）日产量按每天三班24小时，月产量按每月工作26天计算，设备运转率80％，一组单元，计算的结果。

（5）辅助节拍含上下料节拍17s，及机床气动开门与关门时间各4s，共25s。

4.3绘制设备布局图及选择合适的设备

本自动线配置为i5T6.4C智能车床2台，i5T6.4C双刀智能车床1台，i5M4.2-580智能立式加工中心1台、2台6轴关节机器人、1套上料仓、1套下料仓、1套中转料仓、2套翻装置。该自动线的设备布局如图4-3所示，整套自动线外观友好，运行路径最优化，换料效率最高。

图4-3 柔性自动线设备布局

（1）搬运装置

选用FANUC机器人，型号：M-710IC/70，如图4-4所示，控制轴数为6轴，最大水平工作半径为2050mm，最大夹持重量为70kg，适用于中型零件的自动上下料应用。J1轴有360度旋转空间，可多方位操作；手腕负载量大，负载70KG；动作范围广，可达半径2050mm；适用于较重工件及夹具的搬运应用。

图4-4 M-710IC/70工业机器人

（2）储料装置

采用辊子料仓，人工将工件摆放到料道上，滚动料道转动将工件传递到定位装置，定位完成后经由顶升装置将工件托举，等待机器人进行抓取。料仓具有满料和无料报警功能，按照车间尺寸进行规划上、下料仓整体储料10件，中转储料6件。如下图3-22所示，工件料仓模块。

（3）抓手模块

工件抓手模块由2套气爪组成，布置在机器人的第六轴上，可同步完成上料与下料动作，上下料效率高，上下料手抓模块如下图4-5所示，气爪为两指气爪。

图4-5 工件料仓模块与上下料手抓模块

4.4 控制装置设计

总控单元，控制界面如图4-6所示作用为采集自动线中各设备数据，用内部软件对设备数据进行分析预处理，最大化利用设备产能，并提供人机交互界面，使操作人员获取设备信息更加便捷。总控单元设计原则为设备运行提供稳定操作环境，并且具有尽可能多的数据接口采集设备数据。

图4-6 控制软件系统

可以实现以下主要功能：

●显示各机床运行状态计时（加工、空闲、报警）。

●显示各机床当前运行状态（加工、等待换料、正在换料）。

●显示机器人当前状态（各机床及料库上下料等）。

●自动线总控界面一键启动（该功能需要机床电气设计符合i5自动线接口要求）。

●自动线总控界面一键暂停（该功能需要机床电气设计符合i5自动线接口要求）。

●显示整条线总加工工件数量。

●显示整条线当日加工工件数量，并可清除。

●监控输入与输出信号状态。

结论

智能制造是当下制造业发展的重要战略方向，随着技术的深入发展产生越来越多的新技术包括数字仿真(数字孪生)、全生命周管理（PLM）、车间管理系统（MES）、电子标签（RFID）、人工智能（AI）等。但是发展新技术的同时不能忘记基层设备的重要性，柔性自动化系统是设备层的执行机构，它的稳定性直接决定了产品的质量与生产进度，并且它是基层员工与技术人员对接的桥梁。

综上所述我认为发展上游技术的发展至关重要，但是下游设备的发展同样重要，而自动化柔性制造单元这种直接参与生产的设备，更需要不断完善设备结构、控制逻辑，使之更好的与上游技术有效对接。

参考文献：

[1]周济.智能制造--“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程,2015,(17)

[2]周佳军,姚锡凡.先进制造技术与新工业革命[J].计算机集成制造系统,2015,(8)

[3]王慧.制造过程产能柔性及其若干关键技术研究[D].武汉理工大学,2007.104.

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