文/文章·維特羅伯特機械（蘇州）有限公司
20世紀50年代，為了提高生產率，適用於大批量生產的組合機床和剛性自動線等專用設備得到很大發展。60年代，隨著小批量高精度加工產品的不斷增加，數控機床和加工中心進入了鼎盛時期。從70年代起，中小批量多品種的生產成為製造業的生產特徵。隨著科學技術的發展和產品更新換代速度的加快，中小批量產品的比例還有進一步增大的趨勢。這種情況迫使人們研製以適應中小批量多品種生產為主要目標的柔性製造系統（FMS）。
1982年，日本發那科公司建成自動化電機加工車間，由60個柔性製造單元（包括50個工業機器人）和一個立體倉庫組成，另有兩臺自動引導臺車傳送毛坯和工件，此外還有一個無人化電機裝配車間，它們都能連續24小時運轉。
這種自動化和無人化車間，是向實現計算機集成的自動化工廠邁出的重要一步。我公司於2010年開始涉足金屬加工領域，業務從板材立體倉庫到機床加工單元的物流自動化改善方案。2019年初與日本三菱自動化e-F@ctory（工廠智能化管理系統）部門達成戰略合作。Vtrobot工廠物流自動化+e-F@ctory信息自動化，為智能化工廠建設提供可能，助推中國製造業實現轉型升級。
三菱e-F@ctory是現代化工廠管理全新的一種解決方案。傳統的管理系統不能建立到工廠基層的加工單元，e-F@ctory是建立在加工單元的基礎上面,可以把車間生產現場真實基本數據提取出來。通過e-F@ctory 解決方案，可以從加工設備和裝置內部“直接”、“實時”收集生產實績、運轉實績、質量信息等生產現場的各種數據，並在IT系統中靈活運用，從而解決企業面對的各種課題。
柔性製造系統的組成
系統組成
圖1中的LMK激光切割柔性生產線是由我公司為某高鐵箱體公司設計製造。系統主要由智能板材雙塔料庫、五臺高功率激光切割機、上料機械手、下料機械手及成品輸送分揀單元、生產線運營管理系統構成。
圖1 LMK激光切割柔性生產線
系統功能
根據生產部下發訂單，統一自動分配切割執行程序與計劃到各加工機，同時板材倉庫根據切割計劃自動為激光機完成材料配送。實現統一程序計劃置入和生產任務信息反饋，設備運行狀態反饋。通過Vtrobot生產線運營管理系統創造可視化的生產線現場。
多工位數控激光加工系統
傳統的數控系統的功能基本上靠固定的邏輯電路來實現，如需要擴充或改變功能則必須更改硬件邏輯電路，靈活性較差。柔性製造系統採用計算機控制加工機，這種數控裝置適應性強，能在硬件基本不變的情況下，通過修改軟件來改變或擴充其功能。激光加工機具有排版編程功能，工件通過優化排版一次連續地完成多種造型切割加工。如果用多臺激光切割機組成柔性製造系統，便可以任意順序自動完成多種工件的多工位加工。
自動化物料流輸送系統
自動化物料流輸送系統包括存儲、輸送和搬運三個子系統，其功能為：自動地以任意順序存取板材；自動地按可變的自由節拍完成柔性製造系統中各個生產裝置的連接；自動地實現輸送裝置和加工設備之間的連接。柔性製造系統中的工件輸送系統與其他製造系統中的板材工件輸送系統有很大區別，它不是按固定節拍將工件從某一工位輸送到下一工位，而是既不按固定節拍又不按固定順序輸送工件，甚至有時是將幾種工件混雜在一起輸送。在這種系統中一般都設置儲料庫，以調節各個工位上所需加工時間的差異。
工件輸送系統有直線輸送、環形輸送兩種基本類型。⑴直線輸送：輸送裝置沿機床一邊佈置，或從兩排機床中間通過。輸送工具可以是各種類型的吸盤機械手、傳送帶和運送小車，主要用於順序傳送。這種輸送裝置本身的存儲容量很小，常需設置中間單元儲存料庫。⑵環形輸送:機床佈置在中央倉庫的外側，整個傳送由大型碼垛機及許多隨行物流車和托盤組成，藉助托盤上的編碼器能自動識別地址，從而可以任意編排工件的傳送順序(圖2)。除這兩種基本方式外，還有工業機器人，它主要用於中等尺寸的零件輸送和搬運。
圖2 中央立體倉庫與數臺加工機聯合生產
計算機信息流控制系統
信息流控制系統的主要設備為計算機，與直接數控系統相似，通常具有A、B兩級或A、B、C三級計算機分級控制的結構形式。在A級中安排有大型通用計算機，幷包含有零件自動編程系統，其主要職能是將應用某種編程語言編寫的零件源程序處理成加工目的程序，完成管理控制，如分析原材料價格、記錄生產歷史資料、編制管理報告、綜合市場信息、核算經濟指標等。在B級中安排有中小型通用計算機，其主要職能是將來自A級計算機的數據，分發到各臺數控或計算機數控裝置和輸送裝置上去，並協調其工作，同時還對每臺機床進行生產狀態分析和判斷，並根據情況發出修改控制參數的指令。在C級中安排有小型計算機、微型機或專用數控裝置，其主要職能是執行來自上一級計算機的命令，直接控制機床加工，收集並處理檢測數據，向上級計算機反映各臺機床的生產狀態 (圖3)。
圖3 鈑金柔性生產線管理系統簡圖
柔性製造系統工藝說明
典型的柔性製造系統由數字控制加工設備、物料儲運系統和信息控制系統組成。加工設備主要採用激光切割機、數控衝床和折彎中心。中大批量、少品種生產中所用的FMS，常採用激光切割機或者衝床、折彎機、焊接機，按照工藝順序的聯機生產，以獲得更高的生產效率(圖4)。儲存和搬運系統搬運的物料有毛坯板材、工件 、夾具、檢具和廢料等；儲存物料的方法有平面佈置的托盤庫，也有儲存量較大的桁道式立體倉庫。
毛坯板材一般先由工人裝入料庫的專用托盤上，並儲存在自動倉庫中的特定區域內，然後由自動搬運系統根據物料管理計算機的指令送到指定的工位。固定軌道式臺車和傳送滾道適用於按工藝順序排列設備的FMS，自動引導臺車搬送物料的順序則與設備排列位置無關，具有較大靈活性。工業機器人可在有限的範圍內為1～3臺機床輸送和裝卸工件，對於較大的工件常利用托盤自動交換裝置(如AGV)來傳送，也可採用在軌道上行走的機器人，同時完成工件的傳送和裝卸。
圖4 按照工藝順序設計的生產線 (剪切機、衝床、折彎機)
FMS信息控制系統的結構組成形式很多，但一般多采用群控方式的遞階系統。第一級為各個工藝設備的計算機數控裝置(CNC)，實現各部分過程的控制；第二級為群控計算機，負責把來自第三級計算機的生產計劃和數控指令等信息，分配給第一級中有關設備的數控裝置，同時把它們的運轉狀況信息上報給上級計算機；第三級是FMS的主計算機(控制計算機)，其功能是制定生產作業計劃，實施FMS運行狀態的管理及各種數據的管理；第四級是全廠的管理計算機。
性能完善的軟件是實現FMS功能的基礎，除支持計算機工作的系統軟件外，數量更多的是根據使用要求和用戶經驗所發展的專門應用軟件，大體上包括控制軟件(控制機床、物料儲運系統、檢驗裝置和監視系統)、計劃管理軟件(調度管理、質量管理、庫存管理、工裝管理等)和數據管理軟件(仿真、檢索和各種數據庫)等。
柔性製造系統按機床與搬運系統的相互關係可分為直線型、循環型、網絡型和單元型。加工工件品種少、柔性要求小的製造系統多采用直線佈局，雖然加工順序不能改變，但管理容易；單元型具有較大柔性，易於擴展，但調度作業的程序設計比較複雜。
柔性製造系統關鍵技術
在進行柔性製造系統的設計、規劃時，主要涉及以下幾個關鍵技術，包括：柔性製造系統的監控和管理系統，柔性製造系統的物流系統，柔性製造系統的刀具傳輸和管理系統，柔性製造系統的聯網技術，柔性製造系統的輔助系統設計等。
柔性製造系統發展趨勢
柔性製造系統的發展方向是：⑴各種工藝內容的柔性製造單元和小型FMS發展很快，這是發展成大規模FMS的重要起點。⑵FMS的自動化功能完善化，如機器視覺技術開始用於工具預調、工件識別和加工過程的監視，設備的自動診斷和自動恢復功能不斷增強等。⑶ FMS完成的作業內容日益擴大，並與計算機輔助設計和輔助製造技術(CAD/CAM)相結合，向全盤自動化工廠方向發展。
柔性製造總的趨勢是生產線越來越精簡，中間庫存越來越少，場地利用率越來越高，成本越來越低；生產週期越來越短，交貨速度越來越快；各類損耗越來越少，效率越來越高。可見，實現柔性製造可以大大地降低生產成本，強化企業的競爭力。
結束語
隨著日本三菱自動化新一代網絡協議CC-Link IE TSN的發佈，在全球率先將千兆以太網帶寬與時間敏感網絡(TSN) 相結合，在確保控制數據通信實時性的同時，實現在同一個網絡中與其他開放式網絡、以及與IT系統的數據通信，支持FA與IT的有效融合。TSN是IEEE以太網相關標準的補充，適用於各種開放式工業網絡中。CCLink IE TSN 使用時間分割和時間同步的方式，實現了控制信息通信(確保實時性)和管理信息通信(非實時通信)的共存，為實現智慧工廠提供了技術保障。
——摘自《鈑金與製作》 2019年第4期
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