隨著機(jī)床市場從批量化需求向多品種、小批量需求轉(zhuǎn)變，柔性制造系統(tǒng)憑借“能夠靈活應(yīng)對市場需求的變化”這一優(yōu)勢而日益受到重視。四川普什寧江機(jī)床有限公司(以下簡稱“普什寧江”)研制的箱體類零件加工柔性制造系統(tǒng)，由多臺精密臥式加工中心(可配清洗機(jī)、三坐標(biāo)測量機(jī)等數(shù)控裝備)、物流貯運(yùn)系統(tǒng)和總控系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了物流、加工及輔助設(shè)備的一體化集成，能夠確保在一定的時間內(nèi)，實現(xiàn)機(jī)床的零停機(jī)，從而滿足了用戶對高效加工的要求。由于是多臺機(jī)床(一般為3～6臺)的集成，使得機(jī)床、刀具、清洗和檢測等資源得到了最大程度的共享利用。在總控控制下，該柔性制造系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種零件的混流加工，并允許長時間的無人看管連續(xù)運(yùn)行。

　　2016年5月25日，由普什寧江牽頭承擔(dān)的“機(jī)床箱體類精密柔性制造系統(tǒng)研發(fā)及示范應(yīng)用”課題通過了任務(wù)終驗收。該課題由普什寧江聯(lián)合武漢華中數(shù)控股份有限公司、四川大學(xué)和重慶大學(xué)共同完成，目標(biāo)是研制精密柔性制造系統(tǒng)，實現(xiàn)多品種箱體類零件的單件或批量的柔性、高效、高精加工，并在機(jī)床企業(yè)實現(xiàn)示范應(yīng)用。

　　課題從2012年1月開始實施，歷經(jīng)3年多時間，完成了任務(wù)書規(guī)定的所有研究內(nèi)容。根據(jù)機(jī)床制造企業(yè)提升設(shè)備能力、適應(yīng)機(jī)床箱體類零件多品種、變批量、柔性、自動化及智能化加工的需求，該課題設(shè)計制造了機(jī)床箱體類零件精密柔性制造系統(tǒng)，研制出630mm和800㎜規(guī)格(各4 臺)的兩條精密柔性制造系統(tǒng)FMS63和FMS80，其中，F(xiàn)MS80配套進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)，F(xiàn)MS63配套國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。兩條精密柔性制造系統(tǒng)的工作臺交換重復(fù)定位精度0.002mm，運(yùn)輸小車快移速度75m/min，精密臥式加工中心THM6380的平均故障間隔時間MTBF為1645.1h。

　　課題開展了基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的FMS應(yīng)用技術(shù)、在線測量及監(jiān)控技術(shù)、可靠性技術(shù)、刀具及工裝夾具管理技術(shù)以及基于MES無縫集成的FMS應(yīng)用支撐技術(shù)等技術(shù)的研究。建成的兩套 FMS在普什寧江的精密加工事業(yè)部實現(xiàn)了箱體類零件的混流加工，對可靠性理論和方法進(jìn)行了驗證，并開展了國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)與進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)的對比試驗，使國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在應(yīng)用驗證中得到改進(jìn)。

　　機(jī)床箱體類零件精密柔性制造系統(tǒng)FMS80和FMS63的應(yīng)用現(xiàn)場

　　產(chǎn)品性能介紹

　　作為新一代產(chǎn)品，機(jī)床箱體類零件精密柔性制造系統(tǒng)FMS具有高柔性、自動化和智能化等特點(diǎn)。

　　高柔性：研制成功的FMS63和FMS80兩條機(jī)床箱體類零件精密柔性制造系統(tǒng)，滿足了床身、立柱等8種機(jī)床零件、4種工藝路線并行加工的要求，實現(xiàn)了多品種、變批量的混流加工。

　　自動化：自主研制的RGV輸送小車，集成自動上下料、物流、智能識別及自動控制等技術(shù)，具備作業(yè)計劃制定、任務(wù)分配、可視化操作和監(jiān)控等功能，能24h連續(xù)工作，并能在無人看管的情況下連續(xù)運(yùn)行16h。

　　智能化：自主開發(fā)的總控系統(tǒng)，能夠完成對FMS中所有設(shè)備的監(jiān)控、計劃管理和零件調(diào)度。向下層，可對物流系統(tǒng)與加工系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)零件的換裝、混流和混工序;向上層，MES系統(tǒng)實現(xiàn)信息的傳遞。通過智能識別、智能調(diào)度等功能，實現(xiàn)零件的柔性化加工。在更換加工對象時，借助零件識別、智能調(diào)度和混流加工技術(shù)，無需對FMS進(jìn)行停機(jī)調(diào)試即可實現(xiàn)品種的自動轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了基于混流加工的“零”調(diào)整。

　　表 FMS63和FMS80的主要技術(shù)參數(shù)

　　關(guān)鍵技術(shù)研究

　　1.典型機(jī)床箱體類零件加工工藝技術(shù)及FMS系統(tǒng)集成設(shè)計

　　根據(jù)箱體類零件工序比較集中的特點(diǎn)，開展了典型機(jī)床箱體類零件工藝需求分析和加工工藝技術(shù)研究，完成了機(jī)床箱體類精密FMS的總體設(shè)計;開展了柔性生產(chǎn)制造技術(shù)研究，實現(xiàn)了機(jī)床箱體類零件的多品種、小批量的柔性、高效、高精及混流加工的生產(chǎn)示范;建立了加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫;開展了機(jī)床箱體類零件加工特征自動建模技術(shù)的研究;開展了國產(chǎn)數(shù)控刀具切削性能和高效柔性夾具運(yùn)用的研究。

　　(1)基于機(jī)床箱體類零件加工具有工序長、種類多以及精度高的特點(diǎn)，采用半精加工和精加工的加工中心進(jìn)行共線配置，同時采用刀具配送、加工程序后臺保障等方式，確定了機(jī)床箱體類零件的精密FMS 集成方案，規(guī)劃設(shè)計了其物理布局、設(shè)備和控制結(jié)構(gòu)等。

　　(2)完成了柔性制造系統(tǒng)模塊化、單元化設(shè)計;掌握了單機(jī)聯(lián)線裝配調(diào)試等技術(shù)，形成了相應(yīng)的工藝和質(zhì)量控制文件;在CAPP平臺基礎(chǔ)上，初步建立了加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫 。

　　(3)實現(xiàn)了刀具、夾具的智能化管理，開展了夾具定位和裝夾等技術(shù)的研究和試驗，通過設(shè)備應(yīng)用，對國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)與進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了對比驗證，完成了機(jī)床箱體類零件的多品種、變批量的柔性、高效、高精和混流加工的生產(chǎn)示范和應(yīng)用驗證。

　　2.基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的FMS集成控制技術(shù)

　　開展了基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的FMS 集成控制技術(shù)的研究，針對兩套FMS，分別組成了4臺共計8臺的臥式加工中心。針對分別以國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)為控制平臺的兩條機(jī)床箱體類零件精密柔性制造系統(tǒng)，完成了電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計、制造、調(diào)試改進(jìn)、技術(shù)驗證、車間應(yīng)用以及對比測試和驗證等工作。建成了FMS80和FMS63柔性制造系統(tǒng)，實現(xiàn)了多品種箱體類零件的單件或批量的柔性、高效、高精加工示范應(yīng)用。

　　(1)提出了一套以臥式加工中心為主體，含多托板庫物流自動搬運(yùn)、計算機(jī)總控系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)在內(nèi)的集成方案;實施建設(shè)了基于以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線技術(shù)的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對FMS 運(yùn)行狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程實時采集和在線監(jiān)測。

　　(2)形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)和寧江特色的，采用計算機(jī)軟件技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)和開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)平臺開發(fā)的機(jī)床箱體類零件的管理系統(tǒng)控制軟件，用于柔性制造系統(tǒng)的控制和管理。該軟件具有效率優(yōu)先、先進(jìn)先出、急事先辦、安全高效、高柔性并行及采用混流工藝的FMS 無人化自動調(diào)度加工的特點(diǎn)。

　　(3)集成開發(fā)了以國產(chǎn)HNC8數(shù)控系統(tǒng)為控制平臺的FMS63柔性制造系統(tǒng)，圍繞集成特點(diǎn)和性能，開展了進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)與國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的對比研究，將國產(chǎn)FMS63柔性制造系統(tǒng)實際應(yīng)用于機(jī)床箱體類零件的柔性化批量制造中。

　　3.基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的FMS應(yīng)用技術(shù)研究

　　實現(xiàn)了基于華中8型數(shù)控系統(tǒng)的功能擴(kuò)展及基于NCUC-BUS總線的控制、物流和信息的網(wǎng)絡(luò)融合;實現(xiàn)了FMS多個數(shù)控系統(tǒng)的分布與協(xié)同控制;實現(xiàn)了刀具自動識別、監(jiān)測及自動換刀的功能;完成了綜合精度測量技術(shù)研究;完成了物流布局、節(jié)拍、流程和邏輯控制的研究;實現(xiàn)了托盤編碼及自動識別等功能;實現(xiàn)了物流子系統(tǒng)的安全控制;實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化作業(yè)計劃管理及智能調(diào)度;完成了機(jī)床箱體零件的在線檢測測量;實現(xiàn)了精密臥式加工中心監(jiān)控的功能。

　　(1)對比進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)的功能，開展了基于HNC8型數(shù)控系統(tǒng)的功能擴(kuò)展研究，實現(xiàn)了國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在柔性制造系統(tǒng)中的首次應(yīng)用，以及國產(chǎn)FMS63柔性制造系統(tǒng)主機(jī)及物流的集成控制。

　　(2)開發(fā)了基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的物流控制系統(tǒng)，節(jié)拍、精度控制及流程邏輯控制技術(shù)，隨行托盤自動識別技術(shù)和物流系統(tǒng)安全控制技術(shù)。

　　(3)實現(xiàn)了多個數(shù)控系統(tǒng)的分布式管理與協(xié)同控制，包括主控PC對數(shù)控系統(tǒng)的分布式管理及物流車對數(shù)控系統(tǒng)的協(xié)同控制。

　　(4)基于對NCUC-BUS 總線的數(shù)控、物流和信息3個層次網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)的研究，完成了單個數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)集成工作，在單個數(shù)控系統(tǒng)上實現(xiàn)了現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的并行傳輸，現(xiàn)場總線控制周期為1ms，以太網(wǎng)傳輸周期為50ms。完成了多個數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)互聯(lián)方案設(shè)計。

　　4.基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的在線測量與監(jiān)控技術(shù)

　　研究了基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的刀具在線檢測、工件在線檢測技術(shù)，實現(xiàn)了工件、刀具的在線檢測和補(bǔ)償。整個過程在測量軟件的控制下自動完成，避免了人為誤差。

　　研究了基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)了零件物流的動態(tài)模擬監(jiān)視，以圖形化的形式顯示機(jī)床狀況、加工狀態(tài)和信號數(shù)據(jù)的實時信息;開發(fā)了柔性制造系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以同步記錄柔性制造系統(tǒng)的重要事件，包括機(jī)床的報警、托板的物流和設(shè)備的在線/離線等，便于歷史追溯和問題分析。

　　(1)提出了“采用國產(chǎn)精密臥式加工中心作為核心檢測設(shè)備，充分利用其精密特點(diǎn)和測量功能，實現(xiàn)FMS的在線測量”的方案。

　　(2)形成了基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備對刀、刀具破損檢測、工件找正、序中測量和首件檢測的解決方案;

　　(3)開發(fā)了基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的刀具在線檢測和工件在線檢測技術(shù)，實現(xiàn)了工件、刀具的在線檢測與補(bǔ)償，整個過程在測量軟件的控制下自動完成，避免了人為誤差。

　　(4)開展了基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的FMS數(shù)據(jù)、信息和視頻的實時監(jiān)控技術(shù)研究，實現(xiàn)了數(shù)字與視頻的動態(tài)監(jiān)視與記錄。

　　(5)開發(fā)了圖形化顯示機(jī)床狀況、加工狀態(tài)和信號數(shù)據(jù)的實時信息系統(tǒng);開發(fā)了柔性制造系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可同步記錄柔性制造系統(tǒng)的重要事件，包括機(jī)床的報警、托板的物流以及設(shè)備的在線/離線等，便于歷史追溯和問題分析;開發(fā)了FMS動態(tài)運(yùn)動視頻監(jiān)控與存儲系統(tǒng)。

　　5.柔性制造系統(tǒng)可靠性技術(shù)研究

　　以柔性制造系統(tǒng)(FMS)的可靠性研究為主線，通過對FMS的可靠性進(jìn)行建模、預(yù)計和分配，形成了對FMS可靠性狀況的科學(xué)認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，針對該FMS的典型分系統(tǒng)，開展了可靠性技術(shù)和可靠性試驗研究，形成了一套相對完整的針對FMS的可靠性研究體系。該體系對理論研究和可靠性試驗進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，以理論指導(dǎo)試驗的制定，又通過試驗結(jié)果確定進(jìn)一步的試驗方向，不斷循環(huán)改進(jìn)，使FMS柔性制造系統(tǒng)的可靠性水平顯著提高，最終使該FMS的加工單元THM6380的MTBF超過1500h。

　　(1)提出了以廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)對FMS 的可靠性進(jìn)行建模的構(gòu)思，以及系統(tǒng)混合可靠性分配方法、FMS 典型分系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)化試驗方案和基于任務(wù)的FMS可靠性預(yù)計模型。

　　(2)形成了FMS的兩個典型分系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)化試驗方案。

　　(3)建立了表征機(jī)床工作狀態(tài)的譜系(零件譜、工況譜、載荷譜、功能譜和故障譜)結(jié)構(gòu)，以及有軌小車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)總體框架。

　　6.FMS刀具及工裝夾具管理系統(tǒng)

　　刀具智能管理系統(tǒng)是柔性生產(chǎn)線必備的關(guān)鍵模塊之一，特別是對于機(jī)械生產(chǎn)車間，刀具、夾具和量具的管理是否合理、科學(xué)，在很大程度上決定了柔性生產(chǎn)線的可靠性、柔性程度和生產(chǎn)效率的高低。因此，刀具必須納入企業(yè)的物流和信息流之中，建立完整的、實時的刀具數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)無紙化的刀具管理和信息集成已成為柔性制造的一個重要環(huán)節(jié)。

　　為此，研究并提出了兩種單元控制系統(tǒng)：在線柔性制造系統(tǒng)刀具管理和靜態(tài)刀具管理模型。結(jié)合FMS 生產(chǎn)管理的需要，研究了內(nèi)容中調(diào)度要求的對柔性制造系統(tǒng)的動態(tài)管理;刀具壽命管理：將柔性制造系統(tǒng)上的刀具信息與FMS刀具管理軟件平臺服務(wù)器進(jìn)行共享，對刀具壽命進(jìn)行實時動態(tài)的管理。

　　(1)提出了兩種單元控制系統(tǒng)：在線FMS刀具管理和靜態(tài)刀具管理模型。

　　(2)形成了完整、詳細(xì)的刀具編碼規(guī)范及編寫方法。

　　(3)開發(fā)了FMS刀具及工裝夾具管理系統(tǒng)。

　　(4)提出了JSP綜合刀具流調(diào)度數(shù)學(xué)模型。

　　(5)提出了PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測刀具壽命模型，并對FMS刀具進(jìn)行了動態(tài)壽命管理。

　　7. MES無縫集成的FMS應(yīng)用支撐技術(shù)的研究

　　設(shè)計了FMS應(yīng)用支撐系統(tǒng)，連接了企業(yè)上層MIS、ERP和現(xiàn)場柔性線，有效提高了FMS的柔性和生產(chǎn)效率，支持了FMS實現(xiàn)多品種、多工藝的混流生產(chǎn)模式，為精密柔性制造系統(tǒng)提供了應(yīng)用支撐，為大幅度提高柔性制造系統(tǒng)的綜合性能及運(yùn)行效率打下了基礎(chǔ)。

　　(1)提出了FMS信息化管理系統(tǒng)與運(yùn)行控制系統(tǒng)一體化的思路，并結(jié)合了基于約束理論的排產(chǎn)算法。

　　(2)實現(xiàn)了FMS多品種、多工藝混流的生產(chǎn)模式。

　　(3)加強(qiáng)了FMS資源信息的集成化管理，向下實現(xiàn)了與設(shè)備層總線技術(shù)的實時數(shù)據(jù)采集，向上實現(xiàn)了與MES的無縫接入，從而能夠?qū)F(xiàn)場制造信息實時反饋給企業(yè)級MIS/ERP系統(tǒng)，以制定能夠快速響應(yīng)市場需求的合理生產(chǎn)計劃，有效提高了FMS的柔性和效率。

　　(4)研究開發(fā)了一套適合國內(nèi)企業(yè)運(yùn)行和使用的柔性制造系統(tǒng)的運(yùn)行支撐系統(tǒng)。

　　8. 精密柔性制造系統(tǒng)綜合性能測評技術(shù)與規(guī)范研究

　　通過對FMS綜合性能指標(biāo)的評測研究，找出了提高FMS精度穩(wěn)定性和FMS加工效率的有效辦法，有效提高了FMS的柔性和生產(chǎn)效率。重點(diǎn)研究了FMS精度指標(biāo)集建立技術(shù)、FMS精度測試技術(shù)和FMS綜合性能評測技術(shù)等，為大幅度提高精密柔性制造系統(tǒng)的綜合性能及運(yùn)行效率打下了基礎(chǔ)。

　　(1)提出了以球桿儀、激光干涉儀、數(shù)控機(jī)床動態(tài)誤差檢測技術(shù)和基于機(jī)床實時狀態(tài)監(jiān)測的機(jī)床動態(tài)精度分析技術(shù)為基礎(chǔ)、檢測柔性制造系統(tǒng)設(shè)備單元誤差的方法。

　　(2)形成了針對確定綜合性能指標(biāo)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行性能測試的規(guī)范。

　　(3)開發(fā)了數(shù)控機(jī)床誤差源分析及精度評價指標(biāo)集設(shè)計技術(shù)、柔性制造系統(tǒng)精度指標(biāo)檢測技術(shù)、柔性制造系統(tǒng)加工效率和設(shè)備利用率測評技術(shù)，以及基于層次分析法的數(shù)控機(jī)床精度測評技術(shù)。

　　(4)建立了基于層次分析法的數(shù)控機(jī)床綜合性能評價體系。

　　成果應(yīng)用及推廣情況

　　“機(jī)床箱體類精密柔性制造系統(tǒng)研發(fā)及示范應(yīng)用”課題研制的FMS63、FMS80兩條精密柔性制造系統(tǒng)，已被普什寧江用于精密箱體零件的加工。現(xiàn)已實現(xiàn)了8種以上機(jī)床箱體類零件的混流加工、4種工藝路線的并行生產(chǎn)以及年產(chǎn)能1200件的驗證;開展了可靠性理論和可靠性方法驗證，對國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用驗證和改進(jìn)，并與進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了對比試驗;對FMS應(yīng)用支撐系統(tǒng)的資源集成管理、生產(chǎn)計劃管理和智能調(diào)度等各項功能進(jìn)行了驗證，并通過對機(jī)床典型箱體類零件的加工及示范應(yīng)用，形成了FMS應(yīng)用規(guī)范，為FMS的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　承擔(dān)專項課題以來，普什寧江研制完成了近30套柔性制造系統(tǒng)，并已應(yīng)用到機(jī)床、汽車、船舶、能源、航空航天和通用機(jī)械等重要行業(yè)領(lǐng)域，很好地滿足了用戶的需求，在行業(yè)內(nèi)起到了良好的示范作用。

　　柔性制造系統(tǒng)，尤其是配備國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的柔性制造系統(tǒng)的研制，是在“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項的支持下形成的智能制造裝備，隨著產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)一步推進(jìn)，將在更多加工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)少人化、柔性化和智能化的加工，將更快、更好地促進(jìn)加工制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。