柔性製造單元
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柔性製造單元(Flexible Manufacturing Cell，FMC)
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什麼是柔性製造單元[1]
柔性製造單元是在製造單元的基礎上發展起來，又具有一定的柔性，是柔性製造系統朝小型化與經濟化發展的產物。
柔性製造單元的基本組成[1]
FMC的結構如圖1所示，由單台數控車床、加工中心、工件自動輸送及更換系統等組成，它是實現單工序加工的可變加工單元，單元內的機床在工藝能力上通常是相互補充的，可混流加工不同的零件。系統對外設有介面，可與其他單元組成柔性製造系統。FMC概括起來主要分為以下三大部分。
1．由數控車床和加工中心(含CNC)混合組成的加工設備
加工迴轉體零件的車削單元的設備一般不超過4台；加工非迴轉體零件的單元一般選用一臺加工中心作為基本加工設備。
2．單元內部的自動化工件運輸、交換和存儲設備
自動化工件運輸、交換和存儲設備具體隨工件特點及其在單元內的輸送方式而定，工件在單元內的輸送方式有以下兩種：
1)托板輸送方式。該類FMC適用於加工箱體或非迴轉體類零件。為便於工件輸送及其在機床上夾固，工件(或工件及夾具)被裝夾在托板上，工件的輸送及其在機床上的夾緊都通過托板來實現。具體設備包括托板輸送裝置、托板存儲庫和托板自動交換裝置。
2)直接輸送方式。該類FMC適用於加工迴轉體零件。工件直接由機器人或機械手搬運到數控車床、數控磨床或車削中心上夾緊加工。機床鄰近設有料台用於存儲坯件或工件。若FMC需要與外部系統聯繫，則料台為托板交換台，工件連同托板由外部輸送設備(如小車)輸入單元或自單元輸出。
3．FMC控制系統
FMC控制系統實現對於加工中信息的處理、存儲和傳輸，一般分兩級，分別是單元控制級和設備控制級。
(1)設備控制級設備控制級是針對各種設備，如機器人、機床、坐標測量機、小車及傳送裝置等的單機控制，功能是把工作站控制器命令轉換成可操作的、有次序的簡單任務，並通過各種感測器監控這些任務的執行情況。設備控制級一般採用具有較強控制功能的微型電腦、匯流排控制機或可編程式控制制器等工程機。
(2)單元控制級單元控制級是指揮和協調單元中各設備的活動，處理由物料貯運系統交來的零件托盤，並通過控制工件調整、零件夾緊、切削加工、切屑清除、加工過程中檢驗、卸下工件以及清洗工件等功能對設備級各子系統進行調度。單元控制系統一般採用具有有限實時處理能力的微型電腦或工作站。單元控制級通過RS．232介面與設備控制級之間進行通信，並可以通過該介面與其他系統組成FMS。
圖1所示為一以加工迴轉體零件為主的柔性製造單元。兩台運輸小車在工件裝卸工位3、數控車床1和加工中心2之間的輸送工件，龍門式機械手4為數控車床裝卸工件和更換刀具，機器人5進行加工中心刀具庫和機外刀庫6之間的刀具交換。控制系統由車床數控裝置7、龍門式機械手控制器8、小車控制器9、加工中心控制器10、機器人控制器11和單元控制器12等組成。單元控制器負責對單元組成設備的控制、調度、信息交換和監控。
圖2所示是某一帶托板庫的柔性製造單元。單元主機是一臺卧式加工中心，採用雙機械手換刀，配有8工位自動交換環形托盤庫。托盤庫3臺面支承在圓柱環形導軌上，由內側的環鏈拖動迴轉，鏈輪由電動機驅動。托盤的選擇和定位由可編程式控制制器控制，具有正反向迴轉、隨機選擇及跳躍分度等功能。托盤的交換由設在環形臺面中央的液壓推拉機構實現。托盤庫3旁設有工件裝卸工位，機床兩側設有自動排屑裝置。
柔性製造單元的基本形式[1]
1．托板存儲庫式FMC
這類柔性製造單元由加工中心和托板存儲系統組成，主要用來加工非迴轉體零件，托板的選定和定位由PLC進行控制。按托板庫的結構形式可分為以下3種：
1)環行托板庫FMC。圖3所示為由一臺加工中心和配有10位環形托板庫組成的FMC。托板庫沿長圓形軌道運行，實現托板的輸送和定位，托板上裝夾有工件。環形工作台用於工件的輸送與中間存儲，托板座在環形導軌上由內側的環鏈拖動而迴轉，每個托板座上有地址識別碼。當一個工件加工完畢，加工中心發出信號，由托板交換裝置將加工完的工件(包括托板)拖至迴轉台的空位處，然後轉至裝卸工位，同時將待加工工件推至加工中心工作台並定位加工。
2)圓環托板庫FMC。托板庫圓周分佈，托板在裝卸工位、機床自托板庫各個位置之間輸送，通過庫中央的專門搬運裝置實現托板的輸送。
3)直線形托板庫FMC，托板庫為直線形，托板輸送裝置常為有軌小車。這種單元的優點是具有擴展性，需要時可增加加工設備，加長運輸軌道和托板庫，擴展成更大的FMC或其他柔性製造系統。
2．機器人搬運式FMC
這種FMC由加工中心、數控機床、機器人和工件傳輸系統組成，有些單元還包括清洗設備。機器人搬運式FMC有以下兩種：
1)迴轉機器人直接搬運的FMC。一般由1—4臺車削中心或其他數控機床以及固定安裝的迴轉式機器人和工件存儲台等組成，各設備都佈置在機器人周圍或兩側，工件搬運由機器人自動實現。此類FMC的優點是設有托板及其自動交換系統，設備費用低，但只適於加工迴轉體零件。
2)龍門式機器人直接搬運的FMC。該類FMC的特點是：可搬運較大較重的零件和其他物料，搬運設備不占場地。
圖4所示是由數控機床和工業機器人組成的機器人搬運式FMC，工件的自動交換由機器人來完成。根據數控機床數量的不同有多種組合形式：圖4a所示為由數控車床和工業機器人組成的FMC，圖4b所示為由數控車磨床和工業機器人組成的FMC，圖4c所示為由三台加工中心和工業機器人組成的FMC。
3．可換主軸箱式FMC
這種FMC以多軸加工為主，適於工件品種不多的中、大批量的生產，加工設備一般是可更換主軸箱的組合機床，單元內設有主軸庫及其運輸交換裝置。工件通過托板交換裝置從外部系統進入單元，送上圓形迴轉工作台夾緊，然後由兩側裝有相應主軸箱的動力頭驅動加工。
柔性製造單元的基本功能及應用[1]
1．基本功能
1)自動化加工功能。可以自動完成車削、鑽鏜、銑削及攻螺紋等加工。
2)物料傳輸、存儲功能。柔性製造單元配備有運行物料存儲容量所需的在製品庫、物料傳輸裝備和工件裝卸交換裝置，並有刀具庫和換刀裝置。
3)自動檢驗、監控等功能。FMC可以完成刀具檢測、工件線上測量或磨損檢測監控、機床保護監控等。
4)FMC還有清洗、檢驗及切屑處理等功能。
2．FMC的應用方式
1)作為獨立加工設備使用，其優點有：提高了工件搬運和裝夾的效率，減輕勞動強度；機床利用率和加工效率比加工中心高；可實現晚闖無人看管生產，提高機床利用率；可方便地進行多品種零件(單元所限定的零件組範圍內)的同時混流生產。
2)作為其他柔性製造系統的基本組成模塊。當前柔性製造系統和柔性自動線日趨採用模塊化組合方式，以FMC作為其基礎模塊，優點是可以為柔性製造系統分段建設創造條件。因此，FMC在結構配置和控制等方面都趨於適應組成系統的需要。
3．FMC的應用範圍
FMC可以根據需要自動更換刀具和夾具，因此適於多品種、小批量生產。工件的全部加工一般是在一臺機床上完成，因此常用於箱體類複雜零件的加工。FMC在汽車製造業應用非常廣泛，而且也廣泛應用於液壓／氣動閥類、泵類、電動工具及冰箱壓縮機缸體等工件的加工。
柔性製造技術在各工業發達國家已經得到廣泛的生產應用。FMC的投資比FMS少而經濟效益相接近，更適用於財力有限的中、小型企業。目前，國外眾多廠家將FMC列為發展的重點。
4．引入或購置FMC前的技術準備
企業引入或購置FMC前需做以下準備工作：根據生產任務選擇適合在FMC上加工的零件，編製FMC待加工零件的情況表，主要內容包括零件外形尺寸，最大、最小加工尺寸和加工要求，所用刀具類型、品種和數量，工裝、工時和年產量等。分析比較各種商品化FMC的結構、性能及其價格，選出適當的FMC型號。根據零件情況表作刀具統計，確定刀庫容量。一般完成一件中等複雜程度零件的全部加工需30把以內的刀具，考慮留有餘地，實現混流生產，宜選60把左右刀具的刀庫容量。若考慮更複雜零件的混流生產，則應選100把左右刀具的容量。根據零件情況統計表確定托板庫工作台的數量。為保證實現第二、三班無人照看生產，托板庫工作台應保證可安裝的零件足夠使用。對兩班制，一般選6個工作台。選購必要附件，如對刀儀、冷卻裝置及監控裝置等。
柔性製造單元的實施效益[2]
(1)可以實現24 h連續運轉。
(2)增加了設備的柔性。FMC比單台加工中心更容易實現多品種配套加工。
(3)生產利潤高。
(4)有利於實現電腦集成生產系統。
