FMS及其结构组成与发展趋势分析

王俊伟

（武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉 430072）

1 FMS系统简介

柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统（Flexible Manufacturing System），英文缩写为FMS。

FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产（即具有“柔性”），并能及时地改变产品以满足市场需求。

FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。

采用FMS的主要技术经济效果是:能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；提高产品质量的一致性。

FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用群控方式的递阶系统。第一级为各个工艺设备的计算机数控装置（CNC），实现各个加工过程的控制；第二级为群控计算机，负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息，分配给第一级中有关设备的数控装置，同时把它们的运转状况信息上报给上级计算机；第三级是FMS的主计算机（控制计算机），其功能是制订生产作业计划，实施FMS运行状态的管理，及各种数据的管理；第四级是全厂的管理计算机。

性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括控制软件（控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统）、计划管理软件（调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等）和数据管理软件（仿真、检索和各种数据库）等。

为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有:测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。

柔性制造系统按机床与搬运系统的相互关系可分为直线型、循环型、网络型和单元型。加工工件品种少、柔性要求小的制造系统多采用直线布局，虽然加工顺序不能改变，但管理容易；单元型具有较大柔性，易于扩展，但调度作业的程序设计比较复杂。

柔性制造系统未来将向发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型FMS；完善FMS的自动化功能；扩大FMS完成的作业内容，并与计算机辅助设计和辅助制造技术（CAD/CAM）相结合，向全盘自动化工厂方向发展。

2 FMS系统组成

一个柔性制造系统一般可概括为下列3个部分组成:可编程控制的数控加工系统、自动化的物料储运系统和计算机控制系统。

2.1 加工系统

加工系统实施对产品零件的加工。在FMS上大多采用自动换刀的加工中心或其它数控机床。加工系统能按照主控计算机的指令自动加工各种零件，并能自动实现工件、刀具的交换，常由若干台CNC机床组成。对以加工箱体类零件为主的柔性制造系统而言，通常配备有数控加工中心、CNC铣床等；对以加工轴类零件为主的系统而言，则多数配有CNC车削中心、CNC车床和CNC磨床等。对于加工专门零件的系统除了一些通用的CNC设备以外，还配备一些专用的CNC设备。

2.2 物流系统

物流系统由储存、输送和装卸3个子系统组成，它完成毛坯、夹具、工件等的出入库和装卸工件工作。

柔性制造系统的物流系统与传统的自动线或流水线有很大区别，它的工件输送系统是不按固定节拍强迫运送工件的，它没有固定的顺序，甚至是几种零件混杂在一起输送的。柔性制造系统的物流系统包括输送搬运和储存两个方面。物料搬运系统（MHS，Material Handling System）是在机床、装卸站、缓冲站、清洗站和检验站之间运送零件和刀具的传送系统。物料输送系统包括工件从系统外部送入系统和工件从系统内部的传送两部分。工件的输送系统的运输工具可分为:自动输送车、辊道传送系统、带式传送系统和机器人传送系统。

2.3 控制系统

控制系统实施对整个FMS的控制和监督。这实际上是由中央管理计算机与各设备的控制装置组成的分级控制网络，它们组成了信息流。该系统主要完成下列任务:数控程序的储存和分配；生产控制和管理；运输物料的控制和管理；刀具的监测和控制；系统的性能监测和报告。图1所示为FMS典型系统结构。

图1 FMS典型系统结构

3 FMS系统的发展趋势

FMS是集计算机技术、软件技术、网络通信技术、自动控制原理等高新技术于一身的高度集成化的综合技术。目前，FMS的软硬件系统大多已比较成熟，今后的发展方向集中在以下方面:

（1）加快发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型FMS。因为FMC的投资比FMS少得多而效果相仿，更适合于财力有限的中小型企业。多品种、大批量生产中应用FML的发展趋势是用价格低廉的专用数控机床代替通用的加工中心。

（2）完善FMS的自动化功能。FMS完成的作业内容扩大，由早期单纯的机械加工型向焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸锻等综合性领域发展，另外，FMS还要与计算机辅助设计和辅助制造技术（CAD/CAM）相结合，向全盘自动化工厂方向发展。

（3）不断推出新型控制软件；控制软件的模块化、标准化；开发应用软件“开发平台”；积极引入设计新方法发展新型控制体系结构；应用人工智能技术。

［1］秦鹏飞等.现代制造工程［M］.上海:中国纺织大学出版社，1998.

［2］张世琪等.现代制造导论［M］.北京:兵器工业出版社，2000.

［3］孙大涌等.先进制造技术［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［4］李蓓智等.先进制造技术［M］.北京:高等教育出版社，2007.