柔性制造系統的加工系統

典型的FMS一般由三個子系統組成。它們是加工系統、物流系統和控制與管理系統，各子系統的構成框圖及功能特征如圖1所示。三個子系統的有機結合，構成了一個制造系統的能量流（通過制造工藝改變工件的形狀和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造過程的信息和數據處理）。 

加工系統在FMS中好像人的手腳，是實際完成改變物性任務的執行系統。加工系統主要由數控機床、加工中心等加工設備（有的還帶有工件清洗、在線檢測等輔助與檢測設備）構成，系統中的加工設備在工件、刀具和控制三個方面都具有可與其他子系統相連接的標準接口。從柔性制造系統的各項柔性含義中可知，加工系統的性能直接影響著FMS的性能，且加工系統在FMS中又是耗資最多的部分，因此恰當地選用加工系統是FMS成功與否的關鍵。加工系統中的主要設備是實際執行切削等加工，把工件從原材料轉變為產品的機床。

1．加工系統的配置與要求

目前金屬切削FMS的加工對象主要有兩類工件：棱柱體類（包括箱體形、平板形）和回轉體類（長軸形、盤套形）。對加工系統而言，通常用于加工棱柱體類工件的FMS由立、臥式加工中心，數控組合機床（數控專用機床、可換主軸箱機床、模塊化多動力頭數控機床等）和托盤交換器等構成；用于加工回轉體類工件的FMS由數控車床、車削中心、數控組合機床和上下料機械手或機器人及棒料輸送裝置等構成。

因為棱柱體類工件的加工時間較長，且工藝復雜，為實現夜間無人值守自動加工，加工棱柱體類工件的FMS首先得到了發展。小型FMS的加工系統多由4～6臺機床構成，這些數控加工設備在FMS中的配置有互替形式（并聯）、互補形式（串聯）和混合形式（并串聯）三種，見表1。應該說明，這些配置主要取決于機床功能、FMS的物料流和信息流，而并非取決于加工設備的物理布局。

表1 機床配置形式與特征比較

FMS的加工系統原則上應是可靠的、自動化的、高效的、易控制的，其實用性、匹配性和工藝性好，能滿足加工對象的尺寸范圍、精度。材質等要求。因此在選用時應考慮：

1）工序集中。如選用多功能機床、加工中心等，以減少工位數和減輕物流負擔，保證加工質量。

2）控制功能強、擴展性好。如選用模塊化結構，外部通信功能和內部管理功能強，有內裝可編程序控制器，有用戶宏程序的數控系統，以易于與上下料、檢測等輔助裝置連接和增加各種輔助功能，方便系統調整與擴展，以及減輕通信網絡和上級控制器的負載。

3）高剛度、高精度、高速度。選用切削功能強，加工質量穩定，生產效率高的機床。

4）使用經濟性好。如導軌油可回收，斷、排屑處理快速、徹底等，以延長刀具使用壽命。節省系統運行費用，保證系統能安全、穩定、長時間無人值守而自動運行。

5）操作性、可靠性、維修性好。機床的操作、保養與維修方便，使用壽命長。

6）自保護性、自維護性好。如設有切削力過載保護、功率過載保護、行程與工作區域限制等。導軌和各相對運動件等無須潤滑或能自動加注潤滑，有故障診斷和預警功能。

7）對環境的適應性與保護性好。對工作環境的溫度、濕度、噪聲、粉塵等要求不高，各種密封件性能可靠、無滲漏，冷卻液不外濺，能及時排除煙霧、異味，噪聲、振動小，能保護良好的生產環境。

8）其他。如技術資料齊全，機床上的各種顯示、標記等清楚，機床外形、顏色美觀且與系統協調。

2．加工系統中常用加工設備介紹

加工中心是一種備有刀庫并能按預定程序自動更換刀具，對工件進行多工序加工的高效數控機床。它的最大特點是工序集中和自動化程度高，可減少工件裝夾次數，避免工件多次定位所產生的累積誤差，節省輔助時間，實現高質、高效加工。

常見加工中心按工藝用途可分為鏜銑加工中心、車削加工中心、鉆削加工中心、攻螺紋加工中心及磨削加工中心等。加工中心按主軸在加工時的空間位置可分為立式加工中心、臥式加工中心、立臥兩用（也稱萬能、五面體、復合）加工中心。

在實際應用中，以加工棱柱體類工件為主的鏜銑加工中心和以加工回轉體類工件為主的車削加工中心最為多見。由于鏜銑加工中心（1958年由美國KM公司在數控銑床上加刀庫） 最早出現，且名為加工中心（Machining Center），所以習慣上常把“鍵銑加工中心”稱為“加工中心”。我們不妨也沿用此習慣。

（1）加工中心 加工中心可完成鏜、銑、鉆、攻螺紋等工作，它與普通數控鏜床和數控銑床的區別之處，主要在于它附有刀庫和自動換刀裝置，如圖2所示。衡量加工中心刀庫和自動換刀裝置的指標有刀具存儲量、刀具（加刀柄和刀桿等）最大尺寸與重量、換刀重復定位精度、安全性、可靠性、可擴展性、選刀方法和換刀時間等。

加工中心的刀庫有鏈式、盤式和轉塔式等基本類型，如圖3所示。鏈式刀庫的特點是存刀量多、擴展性好、在加工中心上的配置位置靈活，但結構復雜。盤式和轉塔式刀庫的特點是構造簡單、適當選擇刀庫位置還可省略換刀機械手，但刀庫容量有限。根據用途，加工中心刀庫的存刀量可為幾把到數百把，最常見的是20～80把。

加工中心的自動換刀裝置常采用公用換刀機械手。公用換刀機械手有單臂式、雙臂式、回轉式和軌道式等。由于雙臂式機械手換刀時，可在一只手臂從刀庫中取刀的同時，另一只手臂從機床主軸上拔下已用過的刀具，這樣既可縮短換刀時間又有利于使機械手保持平衡，所以被廣泛采用。常用雙臂式機械手的手爪結構形式有鉤手、抱手、伸縮手和叉手，如圖4所示。除上述的公用機械手換刀方式外，還有多機械手換刀方式，即刀庫中每把刀有一個機械手，此外，還有不用機械手的直接換刀方式。

加工中心換刀時需從刀庫中選擇指定的刀具，主軸頭也必須回到換刀位置。從刀庫中挑選所需刀具的方法有順序選擇法、刀座編碼法、刀具編碼法和刀具刀座跟蹤記憶法。其中，刀具刀座跟蹤記憶法在加工設備內使用最為方便，刀具編碼法適合于FMS刀具的集中管理，所以在FMS中常將這兩種方法混合使用。

加工中心的換刀時間有兩種定量方法：刀對刀換刀時間（主軸和刀庫刀座都回到換刀點后交換刀具所需的時間）和加工對加工換刀時間（從上一把刀加工結束到刀具交換后下一把刀進入加工所需的時間）。通常加工中心的技術參數中給出的換刀時間是刀對刀換刀時間（或稱凈換刀時間），目前最快為0.45s，一般為5s左右。換刀時間取決于換刀機構（如機械式快于機―液（氣）式）、刀柄規格（如小規格刀柄換刀速度快）、刀具重量（如刀具輕換刀速度快）、機床規格、機械手尺寸和慣量等。因此，通常刀柄號越大，換刀速度越低。

加工中心中最為常見的換料裝置是托盤交換器（Automatic Pal1et Changer――APC），它不僅是加工系統與物流系統間的工件輸送接口，也起物流系統工件緩沖站的作用。托盤交換器按其運動方式有回轉式和往復式兩種，如圖5所示。托盤交換器在機床單機運行時是加工中心的一個輔件，但在FMS的整體功能分析上，它完成或協助完成物料（工件）的裝卸與交換，并起緩沖作用，因此從系統分析出發，又可把它劃為物流系統。 通常托盤交換器、刀庫及換刀機械手都由加工設備數控系統的可編程序控制器控制，驅動源有液壓、氣壓和電能。交換托盤、選刀和換刀應允許手動操作，以適應維修和調整用。

（2）車削加工中心 車削加工中心簡稱為車削中心（Turning Center），它是在數控車床的基礎上為擴大其工藝范圍而逐步發展起來的。車削中心目前尚無比較權威性的明確定義，但一般都認為車削中心應具有如下特征：

帶刀庫和自動換刀裝置；帶動力回轉刀具；聯動軸數大于2。由于有這些特征，車削中心在一次裝夾下除能完成車削加工外，還能完成鉆削、攻螺紋、銑削等加工。車削中心的工件交換裝置多采用機械手或行走式機器人。隨著機床功能的擴展，多軸、多刀架以及帶機內工件交換器和帶棒料自動輸送裝置的車削中心在FMS中發展較快，這類車削中心也被稱為車削FMM（見圖6）。如對置式雙主軸箱、雙刀架的車削中心可實現自動翻轉工件，在一次裝夾下完成回轉體工件的全部加工。

（3）數控組合機床數控組合機床（見圖7）是指數控專用機床、可換主軸箱數控機床、模塊化多動力頭數控機床等加工設備。這類機床是介于加工中心和組合機床之間的中間機型，兼有加工中心的柔性和組合機床的高生產率的特點，適用于中大批量制造的柔性生產線（FML或FTL）。這類機床可根據加工工件的需求，自動或手動更換裝在主軸驅動單元上的單軸、多軸或多軸頭，或更換具有驅動單元的主軸頭本身。

3．加工系統中的刀具與夾具

FMS的加工系統要完成它的加工任務，必須配備相應的刀具、夾具和輔具。目前國內在設計FMS和選擇FMS加工設備時，或者在介紹國外的制造水平時往往都強調系統功能和設備功能。而從國外眾多使用FMS的企業來看，他們更重視實用性，即機床和刀、夾、輔具的合理配合與有效利用，企業現有制造技術和工藝訣竅在FMS中的應用。一般而言，一臺加工中心要能充分發揮它的功能，所需刀、夾、輔具的價格近于或高于加工中心本身的價格。據國外資料統計，一臺加工中心一年在刀具上消耗的資金約為購買一臺新加工中心費用的2/3。 因此在選擇加工設備時，就應充分考慮刀、夾、輔具問題。

（1）刀具系統 從數控加工的立場看，刀具系統是數控加工中工具系統下的子系統，包括刀具配置、刀具準備及加工程序中的刀具管理等。而我們在這里講的刀具系統是指：“從以機床主軸孔連接的刀具柄部開始至切削刃部為止的，與切削有關的硬件總成”（這里所提及的工具系統、刀具系統及下面將提及的夾具系統，都是以機械制造工藝與設備的角度加以討論，請注意與FMS中的子系統加以區別）。選擇刀具系統的內容是：根據工藝要求選擇適當的刀具類型；根據刀具類型與使用機床的規格與性能決定刀具系統的組合與配置；根據被切削材料的材質、切削條件、加工要求等選用適宜的刃部。 FMS加工系統中所用的刀具，除滿足一般的切削原理、切削性能、刀具結構等方面的要求之外，還應耐用度好；斷屑與排屑可靠；在FMS中的通用性、互換性和管理性好；能實現快速更換（如換刀片、刀頭、刀具等）和線外預調。

對棱柱體類工件，在選擇FMS加工設備時，首先應注意刀具系統的刀柄與拉釘標準，因為它們必須與機床的主軸孔配合；其次是刀具是否與刀庫和自動換刀裝置的抓取機構相適配。加工中心上常用的是40、45、50號自動換刀機床用7：24長圓錐柄。在該系列中，我國的GB10944-89、德國的DIN69871、美國的ANSIL5.50都已與ISO7388標準趨于一致，在主軸端為同一錐度號的加工中心的主軸孔，以及刀庫、換刀機械手之間互相通用。但需注意的是，有些機床廠和刀柄制造廠為了保護自己的傳統和特色以及保持和老用戶之間的相對穩定關系，它們往往顧及與自己老產品的互換性，參考某一標準制定自己的標準，為穩妥起見最好確定具體尺寸，看是否能滿足要求，若不行可提出修改意見或另選。在歐、美，為適應高速加工需求，目前較盛行的是德國開發的HSK系列短錐刀柄。該刀柄采用錐面和端面雙重定位，剛性好，精度高，但無法與長圓錐柄互換。日本在吸取HSK優點的基礎上，開發了BIG-PLUS系列刀柄，該刀柄除保留了HSK雙面定位的特點外，可與長圓錐柄互換。

金屬切削刀具系統從其結構上可分為整體式與模塊式兩種。整體式刀具系統基本上由整體柄部和整體刃部（整體式刀具）兩者組成，傳統的鉆頭、銑刀、鉸刀等就屬于整體式刀具。整體式刀具由于不同品種和規格的刃部都必須和對應的柄部相連接，致使刀具的品種、規格繁多，給生產、使用和管理帶來諸多不便，有些使用頻率極低但又需用的刀具也不得不備置，這相當于閑置大量資金。為了克服整體式刀具系統的這些弱點，各國相繼開發了各式各樣的高性能模塊式刀具系統。模塊式刀具系統是把整體式刀具系統按功能進行分割，做成系列化的標準模塊（如刀柄、刀桿、接長桿、接長套、刀夾、刀體、刀頭、刀刃等），再根據需要快速地組裝成不同用途的刀具，當某些模塊損壞時可部分更換。這樣既便于批量制造，降低成本，也便于減少用戶的刀具儲備，節省開支，因此模塊式刀具系統在FMS中倍受推崇。但另一方面模塊式刀具系統也有剛性不如整體式好，一次性投資偏高的不足之處。

我國為滿足工業發展的需要，制定了“鏜銑類整體數控工具系統”標準（按漢語拼音，簡稱為TSG工具系統）和“鏜銑類模塊式數控工具系統”標準（簡稱為TMG工具系統），它們都采用GB10944―89（JT系列刀柄）為標準刀柄。考慮到事實上使用日本的MAS／BT403刀柄的機床目前在我國數量較多，TSG及TMG也將BT系列作為非標準刀柄首位推薦，也即TSG、TMG系統也可按BT系列刀柄制作。TSG工具系統系列如圖8所示。

最近FMS加工系統刀具選擇的另一傾向是，本來適合于大批量剛性生產線的組合刀具在柔性制造中的使用量逐漸增多。這一方面是為了加快FMS的生產節拍，提高效率。另一方面是由于刀具制造技術的進步和刀具性能的提高與價格的合理化。比如批量相對較大的產品，各產品中工藝、尺寸相同的加工部位等都可考慮使用或部分使用組合刀具。

（2）夾具系統機床夾具是在機床上用以裝夾工件的一種裝置，其作用是使工件相對于機床或刀具有一個正確的位置，并在加工過程中保持這個位置不變。為此，它需要有定位、導向、夾緊、連接等功能。機床夾具按其使用范圍可分為通用夾具（如三爪卡盤、平口臺虎鉗、回轉工作臺等）、專用夾具、可調整夾具、成組夾具、隨行夾具（托盤及安裝在其上的夾具）和組合夾具（也稱模塊化夾）。由于FMS的加工過程是自動的，除對夾具的常規要求外，它的加工系統還要求夾具有統一的基準，以便依靠機床精度和數控程序自動保證工件的位置精度，同時還要求夾具的“敞開性”好，以便在一次安裝中盡可能加工較多的面。在FMS的加工系統中，通常對于不復雜的回轉體類工件的夾具，可選用通用夾具，如高速動力卡盤等。對于棱柱體類工件，原則上當工件底面可定位時，可用壓板、螺釘等將其直接安裝在托盤上；當工件品種多、形狀變化較大，或需在一個托盤上同時安裝多個工件加工時，可選用組合夾具；當工件形狀復雜、不易安裝，且批量較大時，可考慮設計專用夾具。

1）托盤：它是FMS加工系統中的重要配套件。對于棱柱體類工件，通常是在FMS中用夾具將它安裝在托盤上，進行存儲、搬運、加工、清洗和檢驗等。因此在物料（工件）流動過程中，托盤不僅是一個載體，也是各單元間的接口。對加工系統來說，工件被裝夾在托盤上，由托盤交換器送給機床并自動在機床支承座上定位、夾緊，這時托盤相當于一個可移動的工作臺。又由于工件在加工系統中移動時，托盤及其夾具也跟隨著一起移動，故托盤連其安裝在托盤上的夾具一起被稱為隨行夾具。加工系統對托盤的要求有：在加工設備、托盤交換器及其他存儲設備中能夠通用；機械結構合理，材料性能穩定，有足夠的剛度，能在大切削力的作用下不變形或變形量微小，使用壽命長；工件在托盤上裝夾方便，精度高；托盤被送往機床后能快速、準確定位，夾持安全、可靠，且都是自動地進行；在加工循環中不需要人工的任何干預；能在加工過程中的苛刻環境（如切削熱、濕氣、振動、高壓切削液等）下，可靠工作；定位、夾緊和排屑等，不影響工件的精度和已加工完的工件表面質量；便于控制與管理，保證在安裝工件、輸送及加工中不混亂和不出差錯。

為了保證托盤能在不同廠家生產的加工設備、運儲設備上共用，國際標準化組織已制定了公稱尺寸小于或等于800mm的托盤標準（ISO／DIS8526-1）和公稱尺寸大于800mm的托盤標準（ISO／DIS8526-2），規定了與工件安裝直接有關的托盤頂面結構尺寸和與自動化運儲有關的底面結構尺寸。托盤的公稱尺寸是指安裝工件的托盤頂面的寬度，其尺寸系列有：320、400、500、630、800、1000、1250和1600mm共8級。托盤的代號依次由下列部分組成：①1SO號；②寬×長；③頂面形式號；④槽距或孔距；⑤工件的定位方式；⑥托盤的定位方式。如ISO85-2-1000×1250-1-100-a-b，表示是ISO8526-2的矩形托盤，頂面尺寸為1000×1250，帶螺孔系的頂面，螺孔的中心距為100，工件用側定位塊定位，托盤用兩錐孔和支承件上的兩圓錐銷定位。ISO托盤基本形狀如圖9所示。

2）組合夾具：它是由一套完全標準化的元件組合而成，能根據工件的加工要求，像搭積木似地利用各種不同元件，通過不同的拼裝和連接，構成不同結構和用途的夾具。組合夾具的基本元件有八大類，即基礎件、支承件、定位件、導向件、壓緊件、緊固件、合件及其他件。組合夾具的特點是：靈活多變，萬能性強；可大大縮短生產準備周期；元件可重復使用，制造、管理方便，長期經濟性好；易于實現計算機輔助工藝設計。 目前使用的組合夾具有兩種基本類型，即槽系組合夾具和孔系組合夾具。槽系組合夾具元件間靠鍵和槽定位，而孔系組合夾具則靠孔與銷定位。由于孔系組合夾具與槽系組合夾具相比具有精度高、剛性好、易組裝，可方便地提供數控編程原點（工件坐標系原點），在FMS中得到廣泛應用。圖10是孔系組合夾具在基礎件和方箱上的使用例。使用方箱時，在機床數控回轉臺的配合下，一次送料可加工數個工件，起到減輕物流負擔，縮短加工系統的輔助時間的作用，從而提高FMS的生產率。

4．加工系統的監控

FMS加工系統的工作過程都是在無人操作和無人監視的環境下高速進行，為保證系統的正常運行。防止事故、保證產品質量，必須對系統工作狀態進行監控。通常加工系統的監控內容見表2。

表2 加工系統的監控內容

（1）設備運行狀態監控與檢測技術

設備運行狀態監控與檢測（見圖11）一般可分為以下幾個部分。

1）信號采集。利用各種檢測傳感器，其中包括信號基本轉換、放大電路、運算電路、濾波電路以及采樣電路等，采集能反應系統狀態的各種信息。

2）特征分析。將采集到的信息進行處理和分析，如FFT（快速傅里葉變換）、各種譜分析、時序模型參數計算和特征量、特征實時模型提取。這些信號處理與分析可以是獨立的信號處理裝置，也可以是系統監控計算機中的信號處理模塊。

3）狀態匹配和識別。其任務是把實時提取的特征量和特征模型與表征設備正常運行的閾值、閾值函數、正常狀態模型進行比較與匹配運算、分析，根據結果做出運行狀態判別決策和狀態預報。

4）故障預測預報。如果匹配后做出異常預報，則需對異常狀態特征進行分析、歸類，借助于狀態預診斷知識庫和專家系統，做出設備狀態的精確估計和預報。

5）預維修決策。根據故障預報結果，借助于維修知識庫做出預維修決策并報告上級控制系統做出相應調度決策。

6）根據監控和檢測的結果和決策結論，對系統做相應的調整。

（2）加工過程監控

FMS加工系統在切削加工過程中，對刀具切削狀態提出了很高的要求，這是因為在切削加工過程中，刀具出現磨損、破損的頻率最高，若不及時發現會導致一系列的加工故障，引起工件報廢，甚至損壞機床或使整個FMS不能正常運行。加工系統的刀具監控分加工前、加工中、加工后三個時間段，見表3所示。加工前和加工后的監控通常采用離線直接測量法。加工中的監控主要采用在線間接測量法，因而要求檢測方法快速、準確、穩定、可靠。表4和表5列出了，加工中刀具破損和刀具磨損的主要監測方法。在這些監測方法中，除少數方法，如功率電流法、聲發射法、扭矩法等已開始用于生產，其監測效果不盡令人滿意外，大多數監測方法還處在實驗研究階段。

表3 不同時間段的刀具監控方法

表4 刀具破損的監測方法

表5 刀具磨損的監測方法

圖12是利用振動、溫度和切削力傳感器監控車削加工過程的實驗例，監控對象為刀具與機床或工件的碰撞、刀具磨損和破損，其中碰撞直接納入機床的反饋控制。

監控系統由信號采集、信號傳送、信號處理和反饋控制四部分組成。安裝于刀桿上的傳感器和信號預處理器一起構成信號采集部分（見圖13），所采集到的信號通過電感耦合傳送給作為信號處理器的PC。信號處理器采用基于模型的解決方法，主要根據切削過程中在刀具切入方向、走刀方向所產生的力作為模型，并考慮刀具磨損狀態等實際切削過程的影響量來計算各力的閾值。識別閾值超限采用神經網絡預報法，該方法采用多項式來對采樣數據做均方近似處理，多項式近似的外插值與簡單的均方值不同的是，閾值超限判別速度快。由圖14的碰撞識別例中可以看出，從切削力明顯上升的那一時刻起，對其后的每一時刻采用多項式近似的外插值均比平均值高，因而有利于更及時地發出閾值超限信號，通過數控系統迅速控制機床停機。刀具的磨損、破損程度是通過神經網絡采用不同的切削過程影響和從檢測數據中抽出的特征量來進行估量。該方法的檢測精度高，其刀具后面磨損幅寬的檢測誤差小于33μm。

圖15是FMS加工狀態檢測系統的應用例。該系統主要特點是：

1）是一個獨立于機床之外的監測系統。

2）一個監測系統可同時監測多臺機床。

3）該系統的目的不是監測機床設備內部的故障，而是監測工件的裝夾狀態、刀具的異常等機床和外界界面的異常。

4）能自動適應工序的變化，可方便地適應新工件和新刀具。

使用該監測系統的FMS，其加工系統由三臺機床、一臺檢查裝置和集中切屑處理裝置構成，物流系統由有軌小車、工件存儲、工件識別、工件準備站等裝置構成。毛坯根據生產計劃在準備站從幾個到幾十個為一批裝在一個料箱內，通過有軌小車送往各加工設備。

加工狀態監測主要采用圖像處理和聲發射方法，之所以如此，是因為要求在加工過程中實現在線監測，聲發射方法是在線監測刀具磨損的有效方法，傳感器的輸出含有多種信息，可在較大范圍內檢測多種異常。一旦工件變化，不改變傳感器，只改變信號處理方法就可適應。因此，監測什么、怎樣監測均可自由設定或變換。該監測系統用圖像處理法監測刀具損傷、工件裝夾異常、切屑纏繞等造成的障礙，用聲發射法監測刀具的磨損。

監測系統的構成如圖16所示，有4個功能單元。表6為各功能單元的作用和特點。各單元可并行工作，其軟件可多任務工作，能同時監測多臺機床。

表6 加工狀態監視系統的功能單元

加工狀態監測系統以NC機床的M代碼作為啟動信號進行監測工作，如圖17所示。一般NC機床在執行一次NC程序中完成一個工件的加工，監測系統與其程序中要求的M代碼同步進行監測，當工件品種變化時，監測系統開始并不進行監測，而是獲取當時的圖像和聲發射信號，并作為以后監測的基準值，在以后的加工中，通過與此基準值比較來進行監測。由于系統可學習基準狀態，因此不需要進行參數的仔細調整。監測在該系統中只作為一種輔助性方法。在構思階段，曾考慮用主軸電動機電流的變化來監測刀具的磨損，可是在該FMS的機床上只加工精密小工件，其電流變化很小，使用這種方法很難監測出異常。