柔性制造系统的加工组成和结构
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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．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（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4～6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。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）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。 2．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20～80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 Changer――APC），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，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，或更换具有驱动单元的主轴头本身。
3．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的刀具柄部开始至切削刃部为止的，与切削有关的硬件总成”（这里所提及的工具系统、刀具系统及下面将提及的夹具系统，都是以机械制造工艺与设备的角度加以讨论，请注意与FMS中的子系统加以区别）。选择刀具系统的内容是：根据工艺要求选择适当的刀具类型；根据刀具类型与使用机床的规格与性能决定刀具系统的组合与配置；根据被切削材料的材质、切削条件、加工要求等选用适宜的刃部。 FMS加工系统中所用的刀具，除满足一般的切削原理、切削性能、刀具结构等方面的要求之外，还应耐用度好；断屑与排屑可靠；在FMS中的通用性、互换性和管理性好；能实现快速更换（如换刀片、刀头、刀具等）和线外预调。 对棱柱体类工件，在选择FMS加工设备时，首先应注意刀具系统的刀柄与拉钉标准，因为它们必须与机床的主轴孔配合；其次是刀具是否与刀库和自动换刀装置的抓取机构相适配。加工中心上常用的是40、45、50号自动换刀机床用7：24长圆锥柄。在该系列中，我国的GB10944-89、德国的DIN69871、美国的ANSIL5.50都已与ISO7388标准趋于一致，在主轴端为同一锥度号的加工中心的主轴孔，以及刀库、换刀机械手之间互相通用。但需注意的是，有些机床厂和刀柄制造厂为了保护自己的传统和特色以及保持和老用户之间的相对稳定关系，它们往往顾及与自己老产品的互换性，参考某一标准制定自己的标准，为稳妥起见最好确定具体尺寸，看是否能满足要求，若不行可提出修改意见或另选。在欧、美，为适应高速加工需求，目前较盛行的是德国开发的HSK系列短锥刀柄。该刀柄采用锥面和端面双重定位，刚性好，精度高，但无法与长圆锥柄互换。日本在吸取HSK优点的基础上，开发了BIG-PLUS系列刀柄，该刀柄除保留了HSK双面定位的特点外，可与长圆锥柄互换。 金属切削刀具系统从其结构上可分为整体式与模块式两种。整体式刀具系统基本上由整体柄部和整体刃部（整体式刀具）两者组成，传统的钻头、铣刀、铰刀等就属于整体式刀具。整体式刀具由于不同品种和规格的刃部都必须和对应的柄部相连接，致使刀具的品种、规格繁多，给生产、使用和管理带来诸多不便，有些使用频率极低但又需用的刀具也不得不备置，这相当于闲置大量资金。为了克服整体式刀具系统的这些弱点，各国相继开发了各式各样的高性能模块式刀具系统。模块式刀具系统是把整体式刀具系统按功能进行分割，做成系列化的标准模块（如刀柄、刀杆、接长杆、接长套、刀夹、刀体、刀头、刀刃等），再根据需要快速地组装成不同用途的刀具，当某些模块损坏时可部分更换。这样既便于批量制造，降低成本，也便于减少用户的刀具储备，节省开支，因此模块式刀具系统在FMS中倍受推崇。但另一方面模块式刀具系统也有刚性不如整体式好，一次性投资偏高的不足之处。 我国为满足工业发展的需要，制定了“镗铣类整体数控工具系统”标准（按汉语拼音，简称为TSG工具系统）和“镗铣类模块式数控工具系统”标准（简称为TMG工具系统），它们都采用GB10944―89（JT系列刀柄）为标准刀柄。考虑到事实上使用日本的MAS／BT403刀柄的机床目前在我国数量较多，TSG及TMG也将BT系列作为非标准刀柄首位推荐，也即TSG、TMG系统也可按BT系列刀柄制作。TSG工具系统系列如图8所示。
最近FMS加工系统刀具选择的另一倾向是，本来适合于大批量刚性生产线的组合刀具在柔性制造中的使用量逐渐增多。这一方面是为了加快FMS的生产节拍，提高效率。另一方面是由于刀具制造技术的进步和刀具性能的提高与价格的合理化。比如批量相对较大的产品，各产品中工艺、尺寸相同的加工部位等都可考虑使用或部分使用组合刀具。 （2）夹具系统机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。为此，它需要有定位、导向、夹紧、连接等功能。机床夹具按其使用范围可分为通用夹具（如三爪卡盘、平口台虎钳、回转工作台等）、专用夹具、可调整夹具、成组夹具、随行夹具（托盘及安装在其上的夹具）和组合夹具（也称模块化夹）。由于FMS的加工过程是自动的，除对夹具的常规要求外，它的加工系统还要求夹具有统一的基准，以便依靠机床精度和数控程序自动保证工件的位置精度，同时还要求夹具的“敞开性”好，以便在一次安装中尽可能加工较多的面。在FMS的加工系统中，通常对于不复杂的回转体类工件的夹具，可选用通用夹具，如高速动力卡盘等。对于棱柱体类工件，原则上当工件底面可定位时，可用压板、螺钉等将其直接安装在托盘上；当工件品种多、形状变化较大，或需在一个托盘上同时安装多个工件加工时，可选用组合夹具；当工件形状复杂、不易安装，且批量较大时，可考虑设计专用夹具。 1）托盘：它是FMS加工系统中的重要配套件。对于棱柱体类工件，通常是在FMS中用夹具将它安装在托盘上，进行存储、搬运、加工、清洗和检验等。因此在物料（工件）流动过程中，托盘不仅是一个载体，也是各单元间的接口。对加工系统来说，工件被装夹在托盘上，由托盘交换器送给机床并自动在机床支承座上定位、夹紧，这时托盘相当于一个可移动的工作台。又由于工件在加工系统中移动时，托盘及其夹具也跟随着一起移动，故托盘连其安装在托盘上的夹具一起被称为随行夹具。加工系统对托盘的要求有：在加工设备、托盘交换器及其他存储设备中能够通用；机械结构合理，材料性能稳定，有足够的刚度，能在大切削力的作用下不变形或变形量微小，使用寿命长；工件在托盘上装夹方便，精度高；托盘被送往机床后能快速、准确定位，夹持安全、可靠，且都是自动地进行；在加工循环中不需要人工的任何干预；能在加工过程中的苛刻环境（如切削热、湿气、振动、高压切削液等）下，可靠工作；定位、夹紧和排屑等，不影响工件的精度和已加工完的工件表面质量；便于控制与管理，保证在安装工件、输送及加工中不混乱和不出差错。 为了保证托盘能在不同厂家生产的加工设备、运储设备上共用，国际标准化组织已制定了公称尺寸小于或等于800mm的托盘标准（ISO／DIS8526-1）和公称尺寸大于800mm的托盘标准（ISO／DIS8526-2），规定了与工件安装直接有关的托盘顶面结构尺寸和与自动化运储有关的底面结构尺寸。托盘的公称尺寸是指安装工件的托盘顶面的宽度，其尺寸系列有：320、400、500、630、800、1000、1250和1600mm共8级。托盘的代号依次由下列部分组成：①1SO号；②宽×长；③顶面形式号；④槽距或孔距；⑤工件的定位方式；⑥托盘的定位方式。如ISO85-2-1000×1250-1-100-a-b，表示是ISO8526-2的矩形托盘，顶面尺寸为1000×1250，带螺孔系的顶面，螺孔的中心距为100，工件用侧定位块定位，托盘用两锥孔和支承件上的两圆锥销定位。ISO托盘基本形状如图9所示。
2）组合夹具：它是由一套完全标准化的元件组合而成，能根据工件的加工要求，像搭积木似地利用各种不同元件，通过不同的拼装和连接，构成不同结构和用途的夹具。组合夹具的基本元件有八大类，即基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、合件及其他件。组合夹具的特点是：灵活多变，万能性强；可大大缩短生产准备周期；元件可重复使用，制造、管理方便，长期经济性好；易于实现计算机辅助工艺设计。 目前使用的组合夹具有两种基本类型，即槽系组合夹具和孔系组合夹具。槽系组合夹具元件间靠键和槽定位，而孔系组合夹具则靠孔与销定位。由于孔系组合夹具与槽系组合夹具相比具有精度高、刚性好、易组装，可方便地提供数控编程原点（工件坐标系原点），在FMS中得到广泛应用。图10是孔系组合夹具在基础件和方箱上的使用例。使用方箱时，在机床数控回转台的配合下，一次送料可加工数个工件，起到减轻物流负担，缩短加工系统的辅助时间的作用，从而提高FMS的生产率。
4．加工系统的监控 FMS加工系统的工作过程都是在无人操作和无人监视的环境下高速进行，为保证系统的正常运行。防止事故、保证产品质量，必须对系统工作状态进行监控。通常加工系统的监控内容见表2。 表2 加工系统的监控内容 （1）设备运行状态监控与检测技术 设备运行状态监控与检测（见图11）一般可分为以下几个部分。
1）信号采集。利用各种检测传感器，其中包括信号基本转换、放大电路、运算电路、滤波电路以及采样电路等，采集能反应系统状态的各种信息。 2）特征分析。将采集到的信息进行处理和分析，如FFT（快速傅里叶变换）、各种谱分析、时序模型参数计算和特征量、特征实时模型提取。这些信号处理与分析可以是独立的信号处理装置，也可以是系统监控计算机中的信号处理模块。 3）状态匹配和识别。其任务是把实时提取的特征量和特征模型与表征设备正常运行的阈值、阈值函数、正常状态模型进行比较与匹配运算、分析，根据结果做出运行状态判别决策和状态预报。 4）故障预测预报。如果匹配后做出异常预报，则需对异常状态特征进行分析、归类，借助于状态预诊断知识库和专家系统，做出设备状态的精确估计和预报。 5）预维修决策。根据故障预报结果，借助于维修知识库做出预维修决策并报告上级控制系统做出相应调度决策。 6）根据监控和检测的结果和决策结论，对系统做相应的调整。 （2）加工过程监控 FMS加工系统在切削加工过程中，对刀具切削状态提出了很高的要求，这是因为在切削加工过程中，刀具出现磨损、破损的频率最高，若不及时发现会导致一系列的加工故障，引起工件报废，甚至损坏机床或使整个FMS不能正常运行。加工系统的刀具监控分加工前、加工中、加工后三个时间段，见表3所示。加工前和加工后的监控通常采用离线直接测量法。加工中的监控主要采用在线间接测量法，因而要求检测方法快速、准确、稳定、可靠。表4和表5列出了，加工中刀具破损和刀具磨损的主要监测方法。在这些监测方法中，除少数方法，如功率电流法、声发射法、扭矩法等已开始用于生产，其监测效果不尽令人满意外，大多数监测方法还处在实验研究阶段。 表3 不同时间段的刀具监控方法
表4 刀具破损的监测方法
表5 刀具磨损的监测方法
图12是利用振动、温度和切削力传感器监控车削加工过程的实验例，监控对象为刀具与机床或工件的碰撞、刀具磨损和破损，其中碰撞直接纳入机床的反馈控制。
监控系统由信号采集、信号传送、信号处理和反馈控制四部分组成。安装于刀杆上的传感器和信号预处理器一起构成信号采集部分（见图13），所采集到的信号通过电感耦合传送给作为信号处理器的PC。信号处理器采用基于模型的解决方法，主要根据切削过程中在刀具切入方向、走刀方向所产生的力作为模型，并考虑刀具磨损状态等实际切削过程的影响量来计算各力的阈值。识别阈值超限采用神经网络预报法，该方法采用多项式来对采样数据做均方近似处理，多项式近似的外插值与简单的均方值不同的是，阈值超限判别速度快。由图14的碰撞识别例中可以看出，从切削力明显上升的那一时刻起，对其后的每一时刻采用多项式近似的外插值均比平均值高，因而有利于更及时地发出阈值超限信号，通过数控系统迅速控制机床停机。刀具的磨损、破损程度是通过神经网络采用不同的切削过程影响和从检测数据中抽出的特征量来进行估量。该方法的检测精度高，其刀具后面磨损幅宽的检测误差小于33μm。
图15是FMS加工状态检测系统的应用例。该系统主要特点是： 1）是一个独立于机床之外的监测系统。 2）一个监测系统可同时监测多台机床。 3）该系统的目的不是监测机床设备内部的故障，而是监测工件的装夹状态、刀具的异常等机床和外界界面的异常。 4）能自动适应工序的变化，可方便地适应新工件和新刀具。 使用该监测系统的FMS，其加工系统由三台机床、一台检查装置和集中切屑处理装置构成，物流系统由有轨小车、工件存储、工件识别、工件准备站等装置构成。毛坯根据生产计划在准备站从几个到几十个为一批装在一个料箱内，通过有轨小车送往各加工设备。 加工状态监测主要采用图像处理和声发射方法，之所以如此，是因为要求在加工过程中实现在线监测，声发射方法是在线监测刀具磨损的有效方法，传感器的输出含有多种信息，可在较大范围内检测多种异常。一旦工件变化，不改变传感器，只改变信号处理方法就可适应。因此，监测什么、怎样监测均可自由设定或变换。该监测系统用图像处理法监测刀具损伤、工件装夹异常、切屑缠绕等造成的障碍，用声发射法监测刀具的磨损。
监测系统的构成如图16所示，有4个功能单元。表6为各功能单元的作用和特点。各单元可并行工作，其软件可多任务工作，能同时监测多台机床。 表6 加工状态监视系统的功能单元
加工状态监测系统以NC机床的M代码作为启动信号进行监测工作，如图17所示。一般NC机床在执行一次NC程序中完成一个工件的加工，监测系统与其程序中要求的M代码同步进行监测，当工件品种变化时，监测系统开始并不进行监测，而是获取当时的图像和声发射信号，并作为以后监测的基准值，在以后的加工中，通过与此基准值比较来进行监测。由于系统可学习基准状态，因此不需要进行参数的仔细调整。监测在该系统中只作为一种辅助性方法。在构思阶段，曾考虑用主轴电动机电流的变化来监测刀具的磨损，可是在该FMS的机床上只加工精密小工件，其电流变化很小，使用这种方法很难监测出异常。
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