柔性托盘库的FMS系统的选型与设计

关长明　刘　晏　赛宗胜　刘殿友　姜　立

(大连机床集团有限责任公司技术中心，辽宁 大连 116021)



柔性托盘库的FMS系统的选型与设计

关长明刘晏赛宗胜刘殿友姜立

(大连机床集团有限责任公司技术中心，辽宁 大连 116021)

针对客户多品种、中小批量的产品特点和高柔性自动化程度的要求，通过综合分析了FMS制造系统的技术特点和其未来的发展趋势，最终为客户设计制造了一套精益高效的基于柔性托盘库FMS系统，并详述了该系统的整体方案设计流程和系统的组成。

柔性托盘库；自动化；制造系统

随着“中国制造2025”的提出，中国制造业面临着转型与升级，对加工领域的自动化制造模式提出了新的需求。传统的自动化方式已经不能适应一些新的生产模式，以及加工信息数据和管理运营之间的交互需求。而成熟的柔性制造系统(flexibe manufacturing system，缩写FMS)产品与应用技术，正是解决和适应这种需求的最佳模式。

基于柔性托盘库的FMS系统适用于多品种、中小批量生产的具有高柔性且自动化程度高的制造系统，不仅能够适应产品快速变化的要求，而且能达到稳定的产品质量。首先，柔性托盘库结构设计紧凑，空间得到最大化利用，毛坯工件无需堆放在地面而占用地面空间；其次，机床设备自动化后可实现至少85%的利用率，几乎不存在设定时间，受人为因素影响小，可以实现长时间无人操作；最后，采用自动堆垛机作为高柔性化的物流技术装备，提高了FMS生产系统的运行效率，减少了操作人员数量，降低了人力成本和劳动强度，增加了企业的经济效益。

1　以产品及产能为中心制定初步设计方案

1.1产品说明

首先，需要根据产品的外形、尺寸规格和加工内容进行分类。因为产品的数量决定了所需工装夹具的数量。为了节省制造成本，将相同或相似的产品通过调整夹具上的零部件，以达到夹具共用的目的，同时便于产品上线管理。其次，要对产品的铸造精度和初始基准精度提出相应的要求。因为产品是由毛坯到成品的加工，最终需要达到产品图的各项精度要求。故产品毛坯工件在夹具内的初始定位基准则非常重要，必须要符合产品上线的要求。预加工产品技术要求内容如表1所示。

表1产品技术要求

产品数量外形尺寸材质加工要求平均加工节拍10个<400mm×400mm铸铝从毛坯到成品15min/件

1.2工件加工工艺的排布和夹具的设计

(1)根据10个不同产品的加工内容和加工精度，制定出单个产品由毛坯到成品的整体工艺方案。采用卧式加工中心柔性化生产，使工件的加工工序更为集中，自动化的生产工艺优化统一了产品质量。通过对这10个产品进行加工节拍的计算，获得产品单个工序加工最短时间为8 min/件，10个产品的平均加工节拍为22 min/(件·台)，这样仅需要2台卧式加工中心即可以满足15 min/件的平均加工节拍要求。

(2)根据工艺方案的排布绘制夹具简图。产品1的夹具示意图如图1所示，最终确定这10个工件所需的夹具数量为28个。

夹具全部安装在托盘上，为避免更换夹具而产生的停机，对生产造成影响，这就需要夹具便于更换，故在夹具设计上采用随行夹紧器定位系统，如图2所示。其重复定位精度为3 μm，高精、高效、稳定可靠。当更换其他产品上线时只需要将夹具底板更换即可，夹具装卸时间不超过3 min，并且具备自动找正功能。

随行夹紧器动作原理：通过对液压油的控制，促使弹簧作用活塞杆向下移动，钢球在活塞杆的作用下向外扩张，从而带动定位环向下移动，移动过程中定位环在锥体部位发生弹性变形，最终完成随行夹紧器的强力夹紧和定位。随行夹紧器结构如图3所示。

1.3机床选型和特殊配置的选用

1.3.1机床选型

根据产品的规格尺寸、加工精度和加工内容，选择卧式加工中心，机床的规格和主要技术参数，如表2所示。

表2机床设备规格和主要技术参数

托盘规格/(mm×mm)500×500主轴最高转速/(r/min)12000主电动机额定功率/kW25X/Y/Z快移速度/(m/min)54X/Y/Z定位精度/(mm)0.008X/Y/Z重复定位精度/(mm)0.004刀具容量/把120

1.3.2机床特殊配置

(1)带U轴的数控平旋盘(如图4所示)：为满足部分工件内孔和外圆径向加工的要求，同时节省刀具成本考虑而选用。其加工能力范围φ160～400 mm，可以在刀具旋转的同时，通过U轴单元驱动滑板径向进给，让加工中心可以进行车削加工，除此之外也可以与其它数控轴联动插补，完成锥形面和复杂形面的加工。

(2)扭矩监控装置：为保证FMS柔性托盘库的连续自动运转，需要通过对机床主轴扭矩的测量，来实现对刀具和切削过程进行实时监视。

(3)Renishaw测头：工件部分孔系或平面的加工需要重新建立坐标系，用测头对基准孔或基准面进行检测，保证工件的加工精度。

(4)温度补偿功能：在机床的主要位置装有温度传感元件，通过数控系统分析并补偿坐标的位置实现机床高精度运行。

2　基于柔性托盘库的自动加工生产线方案的制定

2.1FMS柔性托盘库设计方案原则

在满足用户产品和产能的条件下，采用低成本的初期投资，优化设计结构，且便于组合布局和扩展，实现通用的标准化和模块化，既提高生产效率，又降低了成本。FMS柔性托盘库不仅要具备足够的静态、动态、热态刚性和稳定的精度保持性，而且要采用先进技术，保证具有良好的动态品质。重要部位设置完整的自动保护装置，如加工单元、自动堆垛机均有托盘在位、身份识别装置等。同时具备齐全的安全门联锁、安全区域检测功能，以及良好的维修特性。

2.2基于柔性托盘库的FMS组成

基于柔性托盘库的生产线平面布置如图5所示。

2.2.1升降式堆垛机

升降式自动堆垛机是整个FMS生产线系统中的中间环节，维系着物料输送系统、CNC加工单元和储存料架3个管理节点，其运行速度决定了可以服务机床的台数。

升降式堆垛机是由一台配有4个数控轴并带有1个钢架的双轨道车 (RGV)组成,如图6所示。

X轴传送运动：升降式堆垛机的一侧安装在仓储架之间，另一侧安装在垂直支撑梁上。升降式堆垛机沿着一个安装在地面上的、与仓储架平行的运行轨道移动。仓储架的上部支撑梁上安装了一个上导轨，由此上导轨支撑升降式堆垛机的上部。传动运动通过齿条传动装置驱动，并使用绝对编码器测量定位。

Y轴起重传动：升降运动是通过一台升降车完成的，此升降车又是沿着安装在桅上的垂直导轨移动的。升降车配备有超重和重量过轻控制器。由两个滚子链进行传动运动，使用绝对编码器测量定位。

Z轴负载处理设备：负载处理器设备安装在升降车上。负载处理设备包括一个可以旋转 180°的回转台、一个在回转台顶部的直线导轨上移动的传送车，以及安装在传送车上用于传输托盘的刚性叉车,如图7所示。

升降式堆垛机采用高性能AC伺服电动机可大幅度减少托盘运输的循环时间，即使是加工时间较短的工件，也能有效降低加工中心的停机时间，其性能如表3所示。为保证运行的平稳和安全，在堆垛式升降机的两侧分别配有液压减震器和安全限位开关用于监控传送运动。

表3堆垛式升降机性能

X/Y/Z轴速度/(m/s)2.6/0.5/0.4X/Y/Z最大加速度/(m/s2)0.7/0.4/0.4X/Y/Z重复精度/(mm)±2B轴旋转180°所需时间/s5将一个托盘装至升降式堆垛机上所用时间/s12装载的最大旋转直径/mm1100装载的最大高度(包括托盘)/mm1300额定承载(含托盘)/t1.3

FMS柔性托盘库系统中一个托盘循环需要最多4次单传输。托盘通常的循环路径为：(1)托盘从仓库到装载站→托盘需要卸/装。(2)托盘从装载站到仓库→等待机床的已装载托盘。(3)托盘从仓库到机床→已装载的托盘到机械加工。(4)托盘从机床到仓库→已加工的托盘等待卸货。

此系统的升降式堆垛机传输能力是每小时43双传输(即86单传输)，这就意味着如果堆垛机服务于2台机床，当需要4次传输/循环时，一个托盘的平均加工时间必须不得少于5.6 min。

2.2.2双层集装箱型托盘库

根据目前的产品数量和部分产品的增产需求，将FMS柔性托盘库主系统中托盘位置的数量设计为42个，并采用双层立体式结构布置。由于托盘库采用了

通用的标准化和模块化设计，可便于日后的增量和扩展，如图8所示。柔性托盘库的设计极大地提升了预备托盘的数量，并充分利用了工厂车间的面积。大容量的物料仓储也为更长时间的、无人化自动运行具备了更好条件。

托盘作为工件交换和转运依靠载体，以实现加工工件的交换和转运。每个托盘设置特定的编码，工件的装夹按托盘编码和工件种类进行，加工工件程序的调用同样按托盘编码和工件种类进行。搬运托盘的升降式堆垛机动作根据总控制台发出的指令，可自动识别搬运托盘的正确与否，确保整套系统的正常运行。各个托盘在仓储架上均具有一个原始位置。

冷却液的处理：废料传送盘安装在加工托盘位置下方。滴落的冷却液通过管道被导入冷却液回流槽中，该槽安装在系统仓储模块旁且沿其整个长度敷设。冷却液回流槽将之导入排水泵的冷却液盘中。在通道的另外一侧还有另外一个冷却液回流槽，用于收集升降式堆垛机和上下料站滴落的冷却液。

2.2.3FMS控制系统

FMS生产线控制器为柔性制造系统总控制中心，通过FMS柔性线控制器(计算机)，进行全系统的控制，可自如地安排生产计划，并能灵活满足生产计划变化的需要。作为自动化、省人化系统、FMS柔性制造系统配置必要的控制软件完成基本功能，具有智能刀具寿命管理系统，智能生产管理与调度系统、智能监控系统等现代化生产数字控制系统。网络接口可与用户的计算机网络联网，进行加工程序、加工信息相互传递，整个系统能实现数据共享，数据处理传输高速化。同时，FMS柔性线控制器对加工和运输过程中所需各种信息自动采集、处理、反馈，实现加工系统和物流系统的自动控制和作业协调。

FMS柔性制造系统运行过程：首先需要人工将工件安装至上下料站的夹具上，之后由系统自动监测哪台加工中心有对应的刀具，若其中一台加工中心被选定，系统则会自动下载数控程序。升降式堆垛机负责自动将有负载的托盘运送到选定的机床，此时NC程序自动开启。若两台机床都在使用，托盘会自行调配缓冲储库上，等待就绪。

FMS柔性托盘库生产线控制器连接工厂的IT系统 (MRP, CAD/CAM, etc.)，可以采集各种你所需的生产数据和报告，供管理和分析。网络连接简图如图9所示。

3　结语

本文针对客户的产品类型和产品特点，通过采用技术柔性化、工艺线路柔性化和生产管理柔性化三方面有机整体化的设计理念，为客户设计了一套满足其需求的FMS柔性托盘库制造系统，并详述了完整的方案设计流程。本设计方案不仅为客户节省了地面，而且提高了设备的使用率和公司的经济效益。采用智能化机械与人之间将相互融合，柔性地全面协调从接受订货单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动，得到了用户的认可和高度的评价。

[1]李洪.机械加工工艺手册[M].北京:北京出版社,1990.

[2]杨有君.数字化控制技术与数控机床[M].北京:机械工业出版社,1999.

[3]朱耀祥,浦林祥.现代夹具设计手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

[4]刘昌祺,董良.自动化立体仓库设计[M].北京:机械工业出版社,2004.

[5]周耀辉.立体仓库电控系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2006.

Selection and design of FMS system based on flexible pallet magazine

GUAN Changming, LIU Yan, SAI Zongsheng, LIU Dianyou, JIANG Li

(Technical Center, Dalian Machine Tool Group Corp, Dalian 116021, CHN)

According to the requirements of customers for the multi variety and small batch product characteristics and high flexibility degree of automation,through a comprehensive analysis of the technical features of FMS flexible manufacturing system and its future development trend, and eventually for the customers design and manufacture a lean and efficient FMS system based on flexible pallet magazine, and detail the composition of the system's overall design process and system.

flexible pallet magazine; automation; manufacturing system

中国分类号：TH122B