精密箱體類柔性制造系統(tǒng)的系統(tǒng)集成控制解決方案*

邱 紅 寸花英 嚴江云 張 韜

(沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203)

柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacture System，F(xiàn)MS)是指由數(shù)控加工設備、物料儲運裝置、計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)。它包括多個柔性制造單元，能根據(jù)制造任務或生產環(huán)境的變化迅速進行調整，適用于多品種中、小批量生產。從第一次世界大戰(zhàn)之后，美國福特汽車公司在1910～1920年建立的第一條生產線到20世紀90年代，F(xiàn)MS已成為各國機械制造業(yè)發(fā)展的重點。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，1990年全世界擁有1 500套FMS，且主要分布在日本、美國、英國等工業(yè)發(fā)達國家。我國FMS的研發(fā)應用起步較晚，1985年由北京機床研究所從日本FANUC公司引進我國第一套FMS(JCS－FMS－1)，主要用于旋轉體加工。

當前，我國企業(yè)面臨的市場競爭日益加劇，為了有效地適應這種環(huán)境的變化，迫使企業(yè)以生產多樣化產品的生產柔性戰(zhàn)略取代產品單一的大規(guī)模生產方式，提升企業(yè)的市場適應能力和競爭能力。對于傳統(tǒng)的機械制造行業(yè)，產品的多樣化和系列化對企業(yè)產品交貨期、生產成本提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，企業(yè)能否快速地、低成本地從一種產品的生產切換到另一種產品的生產，能否用同一套設備生產多種不同的產品，且設備能隨著市場需求變化適用于新產品的生產，使企業(yè)具備動態(tài)地適應多樣化需求的能力。正是基于這樣的市場競爭需求，國內越來越多的機械制造企業(yè)購買柔性制造系統(tǒng)，用于中小批量外形復雜零件的自動化加工。

本文介紹的是基于昆明機床股份有限公司(以下簡稱昆機)中標齊重數(shù)控裝備股份有限公司柔性制造生產線的合同訂單項目:研發(fā)2條用于箱體類零件加工的大重型柔性制造系統(tǒng)FMS1000和FMS1600(即FMS1000/1600)。為便于敘述，以FMS1600柔性制造系統(tǒng)做典型介紹。項目基于用戶對柔性制造系統(tǒng)的加工產品、生產能力和系統(tǒng)管理規(guī)劃確定該系統(tǒng)的總體解決方案。

1 FMS系統(tǒng)總體解決方案

柔性制造系統(tǒng)應用于不同的行業(yè)，或因用戶需求的差異化，其3大組成要素“加工設備、物料儲運裝置和計算機控制系統(tǒng)”的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)將具有極大的差異性。本文介紹的的FMS是用于精密箱體零件加工行業(yè)，具有生產計劃、設備維護網絡化管理的柔性制造系統(tǒng)?；诖耍現(xiàn)MS總體解決方案由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和集成控制3個子系統(tǒng)的解決方案組成。柔性制造系統(tǒng)總體解決方案結構見圖1。

由圖1可以看出，F(xiàn)MS由7臺雙工位精密臥式加工中心、物料儲運系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)和信息集成管理系統(tǒng)組成，其硬件系統(tǒng)的設備層總體布局規(guī)劃見圖2。圖中設備層的布局規(guī)劃是依照用戶現(xiàn)場實際使用環(huán)境和功能規(guī)劃設計的，采用有軌小車運輸線以及單層緩沖存儲站的方案主要是基于用戶工件最大載荷重達8 t的搬運和存儲技術需求。

總體解決方案具有加工零件質量高、運行靈活和產品應變能力強的優(yōu)點，當生產品種發(fā)生變化時，能迅速通過簡單地改變軟件、工裝、刀具的調整就能夠制造出所需的零件，可以滿足生產品種多樣化的需求。本文重點介紹FMS系統(tǒng)集成控制解決方案。

2 FMS系統(tǒng)集成控制的解決方案

圖1所示FMS總體解決方案，從系統(tǒng)集成控制功能層面劃分，主要分為加工操作控制系統(tǒng)、物流運行控制系統(tǒng)和信息集成管理系統(tǒng)，各系統(tǒng)功能如表1所示。

如表1中所示，物流控制管理系統(tǒng)是生產計劃和加工制造系統(tǒng)之間重要的連接和控制接口，它依據(jù)生產計劃制定FMS的作業(yè)計劃，并將作業(yè)計劃轉變?yōu)榧庸は到y(tǒng)可執(zhí)行的控制信息，加工系統(tǒng)按照控制信息自動完成加工任務，信息集成管理系統(tǒng)采集FMS運行信息和生產數(shù)據(jù)信息，匯總處理后反饋至作業(yè)計劃制定和生產計劃管理系統(tǒng)。因此，F(xiàn)MS系統(tǒng)集成控制整體解決技術方案確定為:通過網絡通信技術，構建加工系統(tǒng)、物流控制系統(tǒng)和信息集成管理系統(tǒng)之間控制信息和生產信息的連接，組成全自動控制的柔性制造集成，實現(xiàn)FMS系統(tǒng)的集成控制功能。FMS系統(tǒng)集成控制結構見圖3。

表1 FMS功能

圖3所示的結構圖中，解決方案將系統(tǒng)集成控制分為設備層、控制管理層和計劃管理層3層結構，各層之間、計劃控制層與信息管理層之間通過PROFIBUS現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網雙層網絡通信系統(tǒng)連接?？刂乒芾韺右罁?jù)計劃管理層的計劃，制定FMS作業(yè)計劃，經PLC主控系統(tǒng)轉化為運動控制指令下達到設備控制層，控制底層設備自動完成工件的識別、搬運、存儲、加工和裝卸任務?？刂乒芾韺拥男畔⒓晒芾硐到y(tǒng)通過工業(yè)以太網系統(tǒng)獲取FMS的生產數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，計劃管理層通過企業(yè)局域網實現(xiàn)對FMS的運行監(jiān)控和計劃管理。

2.1 加工控制系統(tǒng)解決方案

加工系統(tǒng)解決方案是基于單臺加工中心的840D數(shù)控系統(tǒng)為核心，以數(shù)字控制、伺服驅動、位置反饋、PLC控制、輔助控制系統(tǒng)、光機電液傳感器等系統(tǒng)組成智能加工技術(以鏜、銑、鉆、鉸和攻絲等加工軟件包，以及多種精度綜合補償技術為支撐的控制技術)為基礎，優(yōu)化匹配刀具自動管理系統(tǒng)、刀具/工件在線自動測量系統(tǒng)、單機射頻識別系統(tǒng)(Radio Frequency Identification，RFID:用于交換工作臺的自動識別)、單機版信息集成軟件包，通過研發(fā)構建單機網絡化控制平臺，以及單機與物流小車自動交換工作臺的控制技術、單機自動辨識和自動執(zhí)行FMS信息管理系統(tǒng)下載的加工程序控制技術，單機與主控PLC網絡通信等關鍵技術的攻關，實現(xiàn)單機設備既可獨立完成工件所有工序的智能加工，又可通過PROFIBUS總線，由控制管理層的主控PLC系統(tǒng)組態(tài)為FMS的智能從站，實現(xiàn)單機設備網絡化的集群控制，高效、高質量地完成小批量、多品種的加工任務。

圖4是單臺加工中心的系統(tǒng)組成方案，所有加工單元的軟硬件系統(tǒng)結構均按照FMS系統(tǒng)模塊化結構的特點構建，加工單元硬件系統(tǒng)通過PROFIBUS現(xiàn)場總線及組態(tài)軟件組態(tài)連接到FMS的控制管理層，生產數(shù)據(jù)經工業(yè)以太網總線集成到控制管理層的信息管理系統(tǒng)，便于FMS控制管理層系統(tǒng)通過硬件組態(tài)和網絡通信協(xié)調來共同完成加工系統(tǒng)的任務。

2.2 物流控制系統(tǒng)解決方案

物流控制系統(tǒng)包括計劃制定層和設備運行控制層兩個部分，是FMS的控制核心。該系統(tǒng)的解決方案是以現(xiàn)場總線和網絡通信技術為基礎，由PLC主控系統(tǒng)作為運動控制系統(tǒng)、WinCC服務器作為作業(yè)計劃制定視窗任務中心組成FMS控制管理層的上位機控制系統(tǒng)，主要完成作業(yè)計劃和過程運行控制任務。儲運控制系統(tǒng)包括物流小車控制系統(tǒng)、物料自動識別系統(tǒng)(RFID)、上下料站/緩存站操作及監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)(包括PC通信網卡、總線通信模塊、RFID通信模塊、總線連接器、總線電纜、通信軟件等)組成，是FMS加工系統(tǒng)與加工工件之間的媒介，主要完成工件的輸送、搬運、存儲和裝卸任務。物流控制系統(tǒng)的解決方案見圖5。

在圖5中，F(xiàn)MS的運動控制系統(tǒng)主控PLC作為柔性制造系統(tǒng)的主站，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線，將現(xiàn)場底層設備的7臺加工中心、物流小車、射頻識別系統(tǒng)組成智能從站。WinCC視窗任務中心主要處理生產計劃、作業(yè)計劃，工藝路線制定、NC程序編碼、工件編碼、移動工作臺任務分配、FMS運行模式選擇、設備組合，工件數(shù)據(jù)、加工任務數(shù)據(jù)等放入控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。主控PLC通過PROFIBUS總線接受WinCC視窗任務中心的作業(yè)計劃，并將其處理為FMS加工設備和物流小車的運行控制指令，擔負物流小車調度、移動工作臺射頻識別存儲器信息的讀寫、工件自動識別與監(jiān)控、控制信息采集與監(jiān)控、現(xiàn)場總線通信監(jiān)控、FMS過程運行控制等任務。控制管理層為加工系統(tǒng)高效自動運行提供支持，實現(xiàn)生產計劃的柔性控制。

2.3 信息集成管理系統(tǒng)解決方案

基于工業(yè)以太網總線技術，構建以西門子運動控制系統(tǒng)(Motion Control Information System，MCIS)軟件平臺為核心的信息集成管理系統(tǒng)。信息系統(tǒng)包括PC服務器、工業(yè)以太網交換機、防火墻、網絡版和加工單元單機版的MCIS軟件包組成信息集成管理系統(tǒng)。主要任務是采集FMS底層加工單元和物流作業(yè)計劃集成的設備信息，以及加工設備的生產信息、刀具信息、診斷信息，程序管理等信息，通過工業(yè)以太網組態(tài)后組成信息集成管理系統(tǒng)，見圖6。

圖6所示，信息集成管理系統(tǒng)歸屬于FMS控制管理層，系統(tǒng)通過構建的工業(yè)以太網網絡通信系統(tǒng)與設備層和控制管理層的控制系統(tǒng)相連接，信息管理系統(tǒng)依據(jù)作業(yè)計劃直接下載NC加工程序到加工設備，加工設備根據(jù)運行控制指令自動辨識接受到的加工程序并自動執(zhí)行加工，同時信息管理系統(tǒng)同步采集所有加工設備的運行狀態(tài)信息和生產數(shù)據(jù)信息，經MCIS系統(tǒng)匯總處理，自動生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表，分類備份歸檔，為生產作業(yè)計劃管理層提供設備利用率、生產效率、設備故障率等FMS運行信息。該系統(tǒng)提供了生產計劃管理層的網絡數(shù)據(jù)通信接口，生產計劃管理層可直接對整個FMS運行系統(tǒng)內的資源進行計劃和管理，實現(xiàn)減少從生產計劃到工藝配置的時間以及計劃和執(zhí)行之間的高效協(xié)作，簡化故障分析過程;縮短機床停工期，最終提高FMS設備利用率、生產效率及系統(tǒng)運行柔性，體現(xiàn)信息管理作用于生產管理的效益。

3 結語

系統(tǒng)集成控制解決方案從實現(xiàn)FMS系統(tǒng)控制功能的角度出發(fā)，將控制系統(tǒng)按照分層管理結構劃分為設備層、控制管理層和計劃管理層3層結構，為企業(yè)計劃管理層預留網絡通信接口，通過FMS軟硬件控制系統(tǒng)模塊化結構優(yōu)化設計匹配，以及基于PROFIBUS現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網總線技術基礎，構建FMS雙層網絡結構，形成控制管理層對設備控制層的主從控制關系，從生產計劃層的生產計劃下達、控制管理層的作業(yè)計劃制定和對設備控制層的運行控制，實現(xiàn)了加工系統(tǒng)全自動、信息化、柔性化的高效生產控制，應用后取得了良好的經濟效益。

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