工件流支持系统优化方案

4.2.2.1　工件流支持系统的构成

为了充分发挥FMS的效益，使系统具有最高的开动率，FMS一般要24 h工作，而通常在系统夜班工作时，只配值班人员，不配操作工人。因此，日班工人必须为夜班准备足够加工用的毛坯，并将其定位装夹在随行夹具和（或）托盘上。为此，系统中必须设置存储随行夹具和托盘的自动仓库，装载有各类工件的托盘存储在仓库的相应位置上。为了使柔性制造系统中的各台加工设备都能不停地工作，工件流支持系统内一般装有较多工件并循环连续流动，当某台机床加工完毕后，工件（随同托盘）自动送入输送系统，缓冲工位排队等待加工的工件自动送入加工工位，并从输送系统中选择另一适合该机床加工的工件输入缓冲工位。加工完了的成品进入装卸工位进行换装，送入自动仓库存储。半成品则继续留在输送系统内，等待选择机床进行加工。因此工件及其夹具在柔性制造系统中的流动是输送和存储两种功能的有机结合。除了设置适当的中央料库和托盘库外，为了不致阻塞工件向其他工位的输送，输送线路中可设置若干个侧回路或多个交叉点的并行料库以暂时存放故障工位上的工件。如果物料系统中随行托盘的输送彼此互不超越时，也可使输送小车或随行托盘作循环运行而不必另设特殊的缓冲区。

从上述工件流支持系统的工作过程可以看出，为了使柔性制造系统正常工作，工件流支持系统一般由自动化仓库、装卸工作站、工件输送系统及缓冲站四部分组成。典型的工件流支持系统的控制框图如图4-8所示。

图4-8　典型的工件流支持系统的控制框图

4.2.2.2　工件的装夹及夹具系统

1）工件的装夹

零件在进入FMS中进行加工前，必须装夹在托盘夹具上。在柔性制造系统生产方式下，加工设备主要是数控机床和加工中心，被加工零件的结构要素的位置尺寸是由机床自动获取、确定和保证。因此需要夹具把工件精确地载入机床坐标系中，保证工件在机床坐标系中位置的已知性。在这种生产方式下，被加工工件多数只经一次装夹，就可连续地对其各待加工表面自动完成钻、扩、铰和铣等粗、精加工，也就是说，用一个夹具便能完成工件大部分或全部待加工表面的加工。为此在制定柔性制造系统中工件的加工工艺方案时要尽量考虑“工序集中”的原则，其优点如下：

（1）可减少工件的装夹次数，消除多次装夹的定位误差，提高加工精度。特别是当工件各加工部位的位置精度要求较高时，采用柔性制造系统工艺方案加工能在一次装夹中将各个部位加工出来，避免了工件多次装夹所带来的定位误差，既有利于保证各加工部位位置精度的要求，又可减少装卸工件的辅助时间，节省大量的专用和通用工艺装备，降低生产成本。

（2）多工序集中要使用各种各样的刀具，特别是在柔性制造系统中的卧式加工中心上，要对工件四周进行加工，在机床上工件安装区域周围的大部分空间都被切削刀具运动轨迹所占去，而固定工件所需的夹具的安装空间却减少很多。工件的夹具既要能适应粗加工时切削力大、刚度高和夹紧力大的要求，又要适应精加工时定位精度高、工件夹紧变形尽可能小的要求。

具体在装夹时应遵守六点定位原则。在选择定位基准时，全面考虑各个工位加工情况，满足以下三个准则：

（1）所选基准应能保证工件定位准确、装卸工件方便，能迅速完成工件的定位和夹紧，夹压可靠，且夹具结构简单。

（2）所选定的基准尽量符合基准重合一致原则，以减少尺寸链换算，减小定位误差。

（3）保证各项加工精度。夹紧力应尽量靠近主要支承点上，垂直作用在定位面内，并尽量靠近切削部位及刚性好的地方。同时，考虑各个夹压部件不要与加工部位和所用刀具发生干涉。

夹具在机床上的安装误差和工件在夹具中的定位、安装误差对加工精度将产生直接影响。因此，操作者在装夹工件时一定要按工艺文件上的要求找正定位面，并将污物擦干净，夹具必须保证最小的夹紧变形。

柔性制造系统中加工中心的刀具为悬臂式加工，在加工过程中又不能设置镜模、支架等，因此进行多工位工件加工时，应综合计算各工位的各加工表面到机床主轴端面的距离以选择最佳的刀具长度，提高工艺系统的刚性，从而保证加工精度。

2）夹具系统

在柔性制造过程中，工件要经历存储、输送、操作和加工等多道程序。加工对象多为多品种、小批量的工件，采用专用夹具势必造成生产准备周期长、工件成本提高及存储、维修和管理等费用的增加。因此柔性制造系统中多采用组合夹具、可调整夹具、数控夹具和托盘的装夹方式，可以从几个面让刀具接近零件进行加工。还有可装夹两个或更多零件的更大型夹具，这种夹具有利于缩短刀具的更换时间和传送零件的非生产时间。

（1）组合夹具。组合夹具由不同形状和尺寸的元件组成，可根据加工需要拼装成各种不同的夹具，加工任务完成后又可重新拆成单独元件重新使用。由于组合夹具元件是专业化生产，可在市场上选购元件，无须自行设计和制造，且能满足各种加工需求，使得生产准备周期缩短，便于存储保管。

（2）可调整夹具。可调整夹具能有效地克服组合夹具的不足，既能满足加工精度，又具有一定的柔性。可调整夹具与组合夹具有很大的相似之处，所不同的是它具有一系列整体刚性好的夹具体，在夹具体上，设置有可定位、夹压等多功能的T形槽及台阶式光孔、螺孔，配制有多种夹压定位元件，可通过调整夹具元件实现快速调整。可调整夹具刚性好，能较好地保证加工精度。

（3）数控夹具。自动化数控夹具应能实现夹具元件的选择和拼装及工件安装定位和夹紧等过程的自动化，其定位、支承和夹压元件应能适应工件的各种具体情况。在“工件装夹程序”中存有夹具构件调整所需的数据、行程指令及实现工件装夹控制功能的指令，可按工件调用工件装夹程序，实现自动调整变换。(www.xing528.com)

（4）托盘。在FMS中为了尽可能少地搬动工件，常将工件安装在夹具上，而夹具又安装在托盘上，这样工件和定位夹具系统能够通过输送设备（如自动导引车或输送机）准确地在加工系统中自动定位，托盘就是实现工件和夹具系统与输送设备和加工设备之间连接的工艺装备。托盘的样式很多，它是工件和机床间的接口。

①托盘结构。机械加工领域所应用的托盘按其结构形式可分为箱式和板式两种。图4-9所示为箱式托盘，板式托盘如图4-10所示。

图4-9　箱式托盘

图4-10　板式托盘

箱式托盘不进入机床的工作空间，主要用于小型工件及回转体工件。其主要功能是储装，起输送和存储载体作用。为保证工件在箱中的位置和姿态，箱中设有保持架。为节约存储空间，箱式托盘多叠层堆放。

板式托盘主要用于非回转体类的较大型工件，工件在托盘上通常是单件安装，托盘不仅是工件的输送和存储载体，而且还需进入机床的工作空间，在加工过程中定位夹持工件，承受切削力、冷却液、切屑、热变形和振动等的作用。其功能除输送、存储外，尚有保护、夹具携带、定位和承受切削力等作用。托盘的形状通常为正方形，也有长方形的，根据具体需要也可制成圆形或多角形的。为安装储装构件，托盘的顶面应备有T形槽或矩阵螺孔（或配合孔）。托盘应具有输送基面及与机床工作台相连接的定位夹压基面，其输送基面在结构上应与系统的输送方式、操作方式相适应。对托盘尚有交换精度、形状刚度、抗震性、切削力承受和传递、保护切屑和冷却液侵蚀等要求。

②托盘识别。在柔性制造系统中联线运行的托盘，伴随着工件在一次安装中不断地传输和加工，工件的性质（如毛坯、半成品和成品）在传输和加工的过程中不断变化。由于工件的表面不规则且需要加工，很难从工件上识别工件的性质，一般多采用托盘识别的方法来识别工件的性质。识别的方法有许多，如人工识别键盘输入、光符识别、磁字符识别、磁条识别、条形码识别及采用CCD器件等的机器识别。这些方法各有特点，其中条形码识别技术的优点是成本低，可靠性高，对环境要求不严格、抗干扰能力强、保密性好、速度快及性能价格比高，因而广泛应用于托盘识别场合。

4.2.2.3　工件的输送系统

柔性制造中的工件输送系统主要完成两种性质不同的工作：①零件的毛坯、原材料由外界搬运进系统，以及将加工好的成品从系统中搬走；②零件在系统内部的搬运。目前，大多数工件送入系统和夹具上装夹工件仍由人工操作，系统中设置装卸工位，较重的工件可用各种起重设备或机器人搬运。零件在系统内部的搬运采用运输工具。工件输送系统按所用运输工具可分成四类：带式传送系统（传送带）、自动输送车（运输小车）、轨道传送系统和机器人传送系统。传送带主要是从古典的机械式自动线发展而来的，目前新设计的系统用得越来越少。运输小车的结构变化发展得很快，形式也是多种多样，大体上可分为无轨和有轨两大类。有轨小车有的采用地轨，也有的采用天轨或称高架轨道，即把运输小车吊在两条高架轨道上移动。无轨小车又因它们的导向方法不同而分为有线导向、磁性导向、激光导向和无线电遥控等多种形式。FMS系统发展的初期，多采用有轨小车，随着FMS控制技术的成熟，采用自动导向的无轨小车越来越多。由于搬运机器人工作的灵活性强，具有视觉、触觉能力和工作精度高等一系列优点，近年来在FMS中的应用越来越广。

柔性制造系统常用的输送方式见表4-2。直线型输送主要用于顺序传送，输送工具是各种传送带或自动输送车，这种系统的存储容量很小，常需要另设储料库，一般适用于小型的柔性制造系统。而环型输送时，机床布置在环型输送线的外侧或内侧，输送工具除各种类型的轨道传送带外，还可以是自动输送车或架空轨悬空式输送装置，在输送线路中还设置若干支线作为储料和改变输送路线之用，使系统能具有较大的灵活性来实现随机输送。在环型输送系统中还有用许多随行夹具和托盘组成的连续供料系统，借助托盘上的编码器能自动识别地址以达到任意编排工件的传送顺序。为了将带有工件的托盘从输送线或自动输送车送上机床，在机床前还必须设置穿梭式或回转式的托盘交换装置。输送柔性最大的是网型和树型，但它们的控制系统比较复杂。此外直线型、网型和树型的输送方式下因工件存储能力很小，一般要设置中央仓库或具有存储功能的缓冲站及装卸站，而环型因工件线内存储能力较大，很少设置中央仓库。从投资角度来说，需用自动导向车的网型和树型，输送方式的投资相对较大。

表4-2　柔性制造系统常用的输送方式

在选择物料输送系统的工具和输送路线时，都必须根据具体加工对象、工厂具体环境条件、系统的规模、输送功能的柔性、易控制性和投资等因素作出经济合理的抉择。例如，箱体类零件较多采用环型或直线型轨迹传送系统或自动输送车系统，而回转体类零件则较多采用机器人或（加）自动输送车系统。采用感应线导向或光电导向的无轨自动输送车虽具有占地面积小和使用灵活等优点，但控制线路复杂，难以确保高的定位精度，车间的抗干扰设计要求和投资亦较高。

图4-11所示的是一个用来加工两种不同类型曲轴的FMS采用的环型运输系统，有四个加工单元：单元1、单元2、单元3和单元4。单元1包括1台Schenck平衡机和1台Swedturn18 CNC车床。平衡机用来确定毛坯的中心线，并打上记号。Swedturn18 CNC车床用来粗加工法兰面和主轴颈表面。单元2包括1台VDF CNC铣床和1台车床，用来铣削曲轴承载表面和车削平衡重块。单元3包括1台VDF Bochringer铣床和1台车床用来进一步加工曲轴轴颈和两个孔口平面。单元4包括1台精密的Swedturn18 CNC车床和1台加工中心，用来完成最后精加工。加工单元内有一桥式上料器，服务于两台机床之间。

图4-11　加工两种不同类型曲轴的FMS采用的环型运输系统

零件的毛坯由装卸站进入系统。进入系统之前没有任何准备工序。操作人员在装卸站使用吊车将铸钢毛坯装在传送带上。传送带把它们送到单元1。传送带可装载15个曲轴，足够1.5 h加工的需要。单元1的桥式上料器拣起曲轴，送至机床上加工或放到托盘上等待加工。每个托盘可放置5个工件。加工过的零件也由桥式上料器送回托盘，等待运走。自动输送车根据控制计算机的命令，可将一个单元的零件连同托盘送到另一个单元。托盘在单元内放在一个支架上，运输小车进入托盘的下面，小车的台面自动升起，就将托盘连同工件一起装到小车上。此后，就可以将工件连同托盘送到另一个加工单元。小车走到另一单元后，停在安放托盘的支架下面，小车的台面自动落下，托盘连同工件就停放在支架上。再根据加工命令，由桥式上料器将托盘上的工件搬运到机床上进行加工。

如果工件在运输过程中发现正在送往的某个单元的托盘支架已经占用，就将托盘先送往托盘缓冲存储库，等该单元中的托盘支架空出后，再将存在缓冲存储库中的托盘取出，送往应当送往的单元中。缓冲存储库最多可存放6个托盘，也就是有30根曲轴的容量。