柔性制造系統(tǒng)的加工系統(tǒng)

典型的FMS一般由三個(gè)子系統(tǒng)組成。它們是加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和控制與管理系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的構(gòu)成框圖及功能特征如圖1所示。三個(gè)子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成了一個(gè)制造系統(tǒng)的能量流（通過(guò)制造工藝改變工件的形狀和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造過(guò)程的信息和數(shù)據(jù)處理）。 

加工系統(tǒng)在FMS中好像人的手腳，是實(shí)際完成改變物性任務(wù)的執(zhí)行系統(tǒng)。加工系統(tǒng)主要由數(shù)控機(jī)床、加工中心等加工設(shè)備（有的還帶有工件清洗、在線檢測(cè)等輔助與檢測(cè)設(shè)備）構(gòu)成，系統(tǒng)中的加工設(shè)備在工件、刀具和控制三個(gè)方面都具有可與其他子系統(tǒng)相連接的標(biāo)準(zhǔn)接口。從柔性制造系統(tǒng)的各項(xiàng)柔性含義中可知，加工系統(tǒng)的性能直接影響著FMS的性能，且加工系統(tǒng)在FMS中又是耗資最多的部分，因此恰當(dāng)?shù)剡x用加工系統(tǒng)是FMS成功與否的關(guān)鍵。加工系統(tǒng)中的主要設(shè)備是實(shí)際執(zhí)行切削等加工，把工件從原材料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的機(jī)床。

1．加工系統(tǒng)的配置與要求

目前金屬切削FMS的加工對(duì)象主要有兩類工件：棱柱體類（包括箱體形、平板形）和回轉(zhuǎn)體類（長(zhǎng)軸形、盤(pán)套形）。對(duì)加工系統(tǒng)而言，通常用于加工棱柱體類工件的FMS由立、臥式加工中心，數(shù)控組合機(jī)床（數(shù)控專用機(jī)床、可換主軸箱機(jī)床、模塊化多動(dòng)力頭數(shù)控機(jī)床等）和托盤(pán)交換器等構(gòu)成；用于加工回轉(zhuǎn)體類工件的FMS由數(shù)控車床、車削中心、數(shù)控組合機(jī)床和上下料機(jī)械手或機(jī)器人及棒料輸送裝置等構(gòu)成。

因?yàn)槔庵w類工件的加工時(shí)間較長(zhǎng)，且工藝復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)人值守自動(dòng)加工，加工棱柱體類工件的FMS首先得到了發(fā)展。小型FMS的加工系統(tǒng)多由4～6臺(tái)機(jī)床構(gòu)成，這些數(shù)控加工設(shè)備在FMS中的配置有互替形式（并聯(lián)）、互補(bǔ)形式（串聯(lián)）和混合形式（并串聯(lián)）三種，見(jiàn)表1。應(yīng)該說(shuō)明，這些配置主要取決于機(jī)床功能、FMS的物料流和信息流，而并非取決于加工設(shè)備的物理布局。

表1 機(jī)床配置形式與特征比較

FMS的加工系統(tǒng)原則上應(yīng)是可靠的、自動(dòng)化的、高效的、易控制的，其實(shí)用性、匹配性和工藝性好，能滿足加工對(duì)象的尺寸范圍、精度。材質(zhì)等要求。因此在選用時(shí)應(yīng)考慮：

1）工序集中。如選用多功能機(jī)床、加工中心等，以減少工位數(shù)和減輕物流負(fù)擔(dān)，保證加工質(zhì)量。

2）控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展性好。如選用模塊化結(jié)構(gòu)，外部通信功能和內(nèi)部管理功能強(qiáng)，有內(nèi)裝可編程序控制器，有用戶宏程序的數(shù)控系統(tǒng)，以易于與上下料、檢測(cè)等輔助裝置連接和增加各種輔助功能，方便系統(tǒng)調(diào)整與擴(kuò)展，以及減輕通信網(wǎng)絡(luò)和上級(jí)控制器的負(fù)載。

3）高剛度、高精度、高速度。選用切削功能強(qiáng)，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高的機(jī)床。

4）使用經(jīng)濟(jì)性好。如導(dǎo)軌油可回收，斷、排屑處理快速、徹底等，以延長(zhǎng)刀具使用壽命。節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，保證系統(tǒng)能安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守而自動(dòng)運(yùn)行。

5）操作性、可靠性、維修性好。機(jī)床的操作、保養(yǎng)與維修方便，使用壽命長(zhǎng)。

6）自保護(hù)性、自維護(hù)性好。如設(shè)有切削力過(guò)載保護(hù)、功率過(guò)載保護(hù)、行程與工作區(qū)域限制等。導(dǎo)軌和各相對(duì)運(yùn)動(dòng)件等無(wú)須潤(rùn)滑或能自動(dòng)加注潤(rùn)滑，有故障診斷和預(yù)警功能。

7）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性與保護(hù)性好。對(duì)工作環(huán)境的溫度、濕度、噪聲、粉塵等要求不高，各種密封件性能可靠、無(wú)滲漏，冷卻液不外濺，能及時(shí)排除煙霧、異味，噪聲、振動(dòng)小，能保護(hù)良好的生產(chǎn)環(huán)境。

8）其他。如技術(shù)資料齊全，機(jī)床上的各種顯示、標(biāo)記等清楚，機(jī)床外形、顏色美觀且與系統(tǒng)協(xié)調(diào)。

2．加工系統(tǒng)中常用加工設(shè)備介紹

加工中心是一種備有刀庫(kù)并能按預(yù)定程序自動(dòng)更換刀具，對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的高效數(shù)控機(jī)床。它的最大特點(diǎn)是工序集中和自動(dòng)化程度高，可減少工件裝夾次數(shù)，避免工件多次定位所產(chǎn)生的累積誤差，節(jié)省輔助時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效加工。

常見(jiàn)加工中心按工藝用途可分為鏜銑加工中心、車削加工中心、鉆削加工中心、攻螺紋加工中心及磨削加工中心等。加工中心按主軸在加工時(shí)的空間位置可分為立式加工中心、臥式加工中心、立臥兩用（也稱萬(wàn)能、五面體、復(fù)合）加工中心。

在實(shí)際應(yīng)用中，以加工棱柱體類工件為主的鏜銑加工中心和以加工回轉(zhuǎn)體類工件為主的車削加工中心最為多見(jiàn)。由于鏜銑加工中心（1958年由美國(guó)KM公司在數(shù)控銑床上加刀庫(kù)） 最早出現(xiàn)，且名為加工中心（Machining Center），所以習(xí)慣上常把“鍵銑加工中心”稱為“加工中心”。我們不妨也沿用此習(xí)慣。

（1）加工中心 加工中心可完成鏜、銑、鉆、攻螺紋等工作，它與普通數(shù)控鏜床和數(shù)控銑床的區(qū)別之處，主要在于它附有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，如圖2所示。衡量加工中心刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的指標(biāo)有刀具存儲(chǔ)量、刀具（加刀柄和刀桿等）最大尺寸與重量、換刀重復(fù)定位精度、安全性、可靠性、可擴(kuò)展性、選刀方法和換刀時(shí)間等。

加工中心的刀庫(kù)有鏈?zhǔn)健⒈P(pán)式和轉(zhuǎn)塔式等基本類型，如圖3所示。鏈?zhǔn)降稁?kù)的特點(diǎn)是存刀量多、擴(kuò)展性好、在加工中心上的配置位置靈活，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。盤(pán)式和轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)的特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、適當(dāng)選擇刀庫(kù)位置還可省略換刀機(jī)械手，但刀庫(kù)容量有限。根據(jù)用途，加工中心刀庫(kù)的存刀量可為幾把到數(shù)百把，最常見(jiàn)的是20～80把。

加工中心的自動(dòng)換刀裝置常采用公用換刀機(jī)械手。公用換刀機(jī)械手有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等。由于雙臂式機(jī)械手換刀時(shí)，可在一只手臂從刀庫(kù)中取刀的同時(shí)，另一只手臂從機(jī)床主軸上拔下已用過(guò)的刀具，這樣既可縮短換刀時(shí)間又有利于使機(jī)械手保持平衡，所以被廣泛采用。常用雙臂式機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)形式有鉤手、抱手、伸縮手和叉手，如圖4所示。除上述的公用機(jī)械手換刀方式外，還有多機(jī)械手換刀方式，即刀庫(kù)中每把刀有一個(gè)機(jī)械手，此外，還有不用機(jī)械手的直接換刀方式。

加工中心換刀時(shí)需從刀庫(kù)中選擇指定的刀具，主軸頭也必須回到換刀位置。從刀庫(kù)中挑選所需刀具的方法有順序選擇法、刀座編碼法、刀具編碼法和刀具刀座跟蹤記憶法。其中，刀具刀座跟蹤記憶法在加工設(shè)備內(nèi)使用最為方便，刀具編碼法適合于FMS刀具的集中管理，所以在FMS中常將這兩種方法混合使用。

加工中心的換刀時(shí)間有兩種定量方法：刀對(duì)刀換刀時(shí)間（主軸和刀庫(kù)刀座都回到換刀點(diǎn)后交換刀具所需的時(shí)間）和加工對(duì)加工換刀時(shí)間（從上一把刀加工結(jié)束到刀具交換后下一把刀進(jìn)入加工所需的時(shí)間）。通常加工中心的技術(shù)參數(shù)中給出的換刀時(shí)間是刀對(duì)刀換刀時(shí)間（或稱凈換刀時(shí)間），目前最快為0.45s，一般為5s左右。換刀時(shí)間取決于換刀機(jī)構(gòu)（如機(jī)械式快于機(jī)―液（氣）式）、刀柄規(guī)格（如小規(guī)格刀柄換刀速度快）、刀具重量（如刀具輕換刀速度快）、機(jī)床規(guī)格、機(jī)械手尺寸和慣量等。因此，通常刀柄號(hào)越大，換刀速度越低。

加工中心中最為常見(jiàn)的換料裝置是托盤(pán)交換器（Automatic Pal1et Changer――APC），它不僅是加工系統(tǒng)與物流系統(tǒng)間的工件輸送接口，也起物流系統(tǒng)工件緩沖站的作用。托盤(pán)交換器按其運(yùn)動(dòng)方式有回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式兩種，如圖5所示。托盤(pán)交換器在機(jī)床單機(jī)運(yùn)行時(shí)是加工中心的一個(gè)輔件，但在FMS的整體功能分析上，它完成或協(xié)助完成物料（工件）的裝卸與交換，并起緩沖作用，因此從系統(tǒng)分析出發(fā)，又可把它劃為物流系統(tǒng)。 通常托盤(pán)交換器、刀庫(kù)及換刀機(jī)械手都由加工設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)的可編程序控制器控制，驅(qū)動(dòng)源有液壓、氣壓和電能。交換托盤(pán)、選刀和換刀應(yīng)允許手動(dòng)操作，以適應(yīng)維修和調(diào)整用。

（2）車削加工中心 車削加工中心簡(jiǎn)稱為車削中心（Turning Center），它是在數(shù)控車床的基礎(chǔ)上為擴(kuò)大其工藝范圍而逐步發(fā)展起來(lái)的。車削中心目前尚無(wú)比較權(quán)威性的明確定義，但一般都認(rèn)為車削中心應(yīng)具有如下特征：

帶刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置；帶動(dòng)力回轉(zhuǎn)刀具；聯(lián)動(dòng)軸數(shù)大于2。由于有這些特征，車削中心在一次裝夾下除能完成車削加工外，還能完成鉆削、攻螺紋、銑削等加工。車削中心的工件交換裝置多采用機(jī)械手或行走式機(jī)器人。隨著機(jī)床功能的擴(kuò)展，多軸、多刀架以及帶機(jī)內(nèi)工件交換器和帶棒料自動(dòng)輸送裝置的車削中心在FMS中發(fā)展較快，這類車削中心也被稱為車削FMM（見(jiàn)圖6）。如對(duì)置式雙主軸箱、雙刀架的車削中心可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)工件，在一次裝夾下完成回轉(zhuǎn)體工件的全部加工。

（3）數(shù)控組合機(jī)床數(shù)控組合機(jī)床（見(jiàn)圖7）是指數(shù)控專用機(jī)床、可換主軸箱數(shù)控機(jī)床、模塊化多動(dòng)力頭數(shù)控機(jī)床等加工設(shè)備。這類機(jī)床是介于加工中心和組合機(jī)床之間的中間機(jī)型，兼有加工中心的柔性和組合機(jī)床的高生產(chǎn)率的特點(diǎn)，適用于中大批量制造的柔性生產(chǎn)線（FML或FTL）。這類機(jī)床可根據(jù)加工工件的需求，自動(dòng)或手動(dòng)更換裝在主軸驅(qū)動(dòng)單元上的單軸、多軸或多軸頭，或更換具有驅(qū)動(dòng)單元的主軸頭本身。

3．加工系統(tǒng)中的刀具與夾具

FMS的加工系統(tǒng)要完成它的加工任務(wù)，必須配備相應(yīng)的刀具、夾具和輔具。目前國(guó)內(nèi)在設(shè)計(jì)FMS和選擇FMS加工設(shè)備時(shí)，或者在介紹國(guó)外的制造水平時(shí)往往都強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)功能和設(shè)備功能。而從國(guó)外眾多使用FMS的企業(yè)來(lái)看，他們更重視實(shí)用性，即機(jī)床和刀、夾、輔具的合理配合與有效利用，企業(yè)現(xiàn)有制造技術(shù)和工藝訣竅在FMS中的應(yīng)用。一般而言，一臺(tái)加工中心要能充分發(fā)揮它的功能，所需刀、夾、輔具的價(jià)格近于或高于加工中心本身的價(jià)格。據(jù)國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)加工中心一年在刀具上消耗的資金約為購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)新加工中心費(fèi)用的2/3。 因此在選擇加工設(shè)備時(shí)，就應(yīng)充分考慮刀、夾、輔具問(wèn)題。

（1）刀具系統(tǒng) 從數(shù)控加工的立場(chǎng)看，刀具系統(tǒng)是數(shù)控加工中工具系統(tǒng)下的子系統(tǒng)，包括刀具配置、刀具準(zhǔn)備及加工程序中的刀具管理等。而我們?cè)谶@里講的刀具系統(tǒng)是指：“從以機(jī)床主軸孔連接的刀具柄部開(kāi)始至切削刃部為止的，與切削有關(guān)的硬件總成”（這里所提及的工具系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)及下面將提及的夾具系統(tǒng)，都是以機(jī)械制造工藝與設(shè)備的角度加以討論，請(qǐng)注意與FMS中的子系統(tǒng)加以區(qū)別）。選擇刀具系統(tǒng)的內(nèi)容是：根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)牡毒哳愋停桓鶕?jù)刀具類型與使用機(jī)床的規(guī)格與性能決定刀具系統(tǒng)的組合與配置；根據(jù)被切削材料的材質(zhì)、切削條件、加工要求等選用適宜的刃部。 FMS加工系統(tǒng)中所用的刀具，除滿足一般的切削原理、切削性能、刀具結(jié)構(gòu)等方面的要求之外，還應(yīng)耐用度好；斷屑與排屑可靠；在FMS中的通用性、互換性和管理性好；能實(shí)現(xiàn)快速更換（如換刀片、刀頭、刀具等）和線外預(yù)調(diào)。

對(duì)棱柱體類工件，在選擇FMS加工設(shè)備時(shí)，首先應(yīng)注意刀具系統(tǒng)的刀柄與拉釘標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈儽仨毰c機(jī)床的主軸孔配合；其次是刀具是否與刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的抓取機(jī)構(gòu)相適配。加工中心上常用的是40、45、50號(hào)自動(dòng)換刀機(jī)床用7：24長(zhǎng)圓錐柄。在該系列中，我國(guó)的GB10944-89、德國(guó)的DIN69871、美國(guó)的ANSIL5.50都已與ISO7388標(biāo)準(zhǔn)趨于一致，在主軸端為同一錐度號(hào)的加工中心的主軸孔，以及刀庫(kù)、換刀機(jī)械手之間互相通用。但需注意的是，有些機(jī)床廠和刀柄制造廠為了保護(hù)自己的傳統(tǒng)和特色以及保持和老用戶之間的相對(duì)穩(wěn)定關(guān)系，它們往往顧及與自己老產(chǎn)品的互換性，參考某一標(biāo)準(zhǔn)制定自己的標(biāo)準(zhǔn)，為穩(wěn)妥起見(jiàn)最好確定具體尺寸，看是否能滿足要求，若不行可提出修改意見(jiàn)或另選。在歐、美，為適應(yīng)高速加工需求，目前較盛行的是德國(guó)開(kāi)發(fā)的HSK系列短錐刀柄。該刀柄采用錐面和端面雙重定位，剛性好，精度高，但無(wú)法與長(zhǎng)圓錐柄互換。日本在吸取HSK優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了BIG-PLUS系列刀柄，該刀柄除保留了HSK雙面定位的特點(diǎn)外，可與長(zhǎng)圓錐柄互換。

金屬切削刀具系統(tǒng)從其結(jié)構(gòu)上可分為整體式與模塊式兩種。整體式刀具系統(tǒng)基本上由整體柄部和整體刃部（整體式刀具）兩者組成，傳統(tǒng)的鉆頭、銑刀、鉸刀等就屬于整體式刀具。整體式刀具由于不同品種和規(guī)格的刃部都必須和對(duì)應(yīng)的柄部相連接，致使刀具的品種、規(guī)格繁多，給生產(chǎn)、使用和管理帶來(lái)諸多不便，有些使用頻率極低但又需用的刀具也不得不備置，這相當(dāng)于閑置大量資金。為了克服整體式刀具系統(tǒng)的這些弱點(diǎn)，各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了各式各樣的高性能模塊式刀具系統(tǒng)。模塊式刀具系統(tǒng)是把整體式刀具系統(tǒng)按功能進(jìn)行分割，做成系列化的標(biāo)準(zhǔn)模塊（如刀柄、刀桿、接長(zhǎng)桿、接長(zhǎng)套、刀夾、刀體、刀頭、刀刃等），再根據(jù)需要快速地組裝成不同用途的刀具，當(dāng)某些模塊損壞時(shí)可部分更換。這樣既便于批量制造，降低成本，也便于減少用戶的刀具儲(chǔ)備，節(jié)省開(kāi)支，因此模塊式刀具系統(tǒng)在FMS中倍受推崇。但另一方面模塊式刀具系統(tǒng)也有剛性不如整體式好，一次性投資偏高的不足之處。

我國(guó)為滿足工業(yè)發(fā)展的需要，制定了“鏜銑類整體數(shù)控工具系統(tǒng)”標(biāo)準(zhǔn)（按漢語(yǔ)拼音，簡(jiǎn)稱為T(mén)SG工具系統(tǒng)）和“鏜銑類模塊式數(shù)控工具系統(tǒng)”標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱為T(mén)MG工具系統(tǒng)），它們都采用GB10944―89（JT系列刀柄）為標(biāo)準(zhǔn)刀柄。考慮到事實(shí)上使用日本的MAS／BT403刀柄的機(jī)床目前在我國(guó)數(shù)量較多，TSG及TMG也將BT系列作為非標(biāo)準(zhǔn)刀柄首位推薦，也即TSG、TMG系統(tǒng)也可按BT系列刀柄制作。TSG工具系統(tǒng)系列如圖8所示。

最近FMS加工系統(tǒng)刀具選擇的另一傾向是，本來(lái)適合于大批量剛性生產(chǎn)線的組合刀具在柔性制造中的使用量逐漸增多。這一方面是為了加快FMS的生產(chǎn)節(jié)拍，提高效率。另一方面是由于刀具制造技術(shù)的進(jìn)步和刀具性能的提高與價(jià)格的合理化。比如批量相對(duì)較大的產(chǎn)品，各產(chǎn)品中工藝、尺寸相同的加工部位等都可考慮使用或部分使用組合刀具。

（2）夾具系統(tǒng)機(jī)床夾具是在機(jī)床上用以裝夾工件的一種裝置，其作用是使工件相對(duì)于機(jī)床或刀具有一個(gè)正確的位置，并在加工過(guò)程中保持這個(gè)位置不變。為此，它需要有定位、導(dǎo)向、夾緊、連接等功能。機(jī)床夾具按其使用范圍可分為通用夾具（如三爪卡盤(pán)、平口臺(tái)虎鉗、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等）、專用夾具、可調(diào)整夾具、成組夾具、隨行夾具（托盤(pán)及安裝在其上的夾具）和組合夾具（也稱模塊化夾）。由于FMS的加工過(guò)程是自動(dòng)的，除對(duì)夾具的常規(guī)要求外，它的加工系統(tǒng)還要求夾具有統(tǒng)一的基準(zhǔn)，以便依靠機(jī)床精度和數(shù)控程序自動(dòng)保證工件的位置精度，同時(shí)還要求夾具的“敞開(kāi)性”好，以便在一次安裝中盡可能加工較多的面。在FMS的加工系統(tǒng)中，通常對(duì)于不復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體類工件的夾具，可選用通用夾具，如高速動(dòng)力卡盤(pán)等。對(duì)于棱柱體類工件，原則上當(dāng)工件底面可定位時(shí)，可用壓板、螺釘?shù)葘⑵渲苯影惭b在托盤(pán)上；當(dāng)工件品種多、形狀變化較大，或需在一個(gè)托盤(pán)上同時(shí)安裝多個(gè)工件加工時(shí)，可選用組合夾具；當(dāng)工件形狀復(fù)雜、不易安裝，且批量較大時(shí)，可考慮設(shè)計(jì)專用夾具。

1）托盤(pán)：它是FMS加工系統(tǒng)中的重要配套件。對(duì)于棱柱體類工件，通常是在FMS中用夾具將它安裝在托盤(pán)上，進(jìn)行存儲(chǔ)、搬運(yùn)、加工、清洗和檢驗(yàn)等。因此在物料（工件）流動(dòng)過(guò)程中，托盤(pán)不僅是一個(gè)載體，也是各單元間的接口。對(duì)加工系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，工件被裝夾在托盤(pán)上，由托盤(pán)交換器送給機(jī)床并自動(dòng)在機(jī)床支承座上定位、夾緊，這時(shí)托盤(pán)相當(dāng)于一個(gè)可移動(dòng)的工作臺(tái)。又由于工件在加工系統(tǒng)中移動(dòng)時(shí)，托盤(pán)及其夾具也跟隨著一起移動(dòng)，故托盤(pán)連其安裝在托盤(pán)上的夾具一起被稱為隨行夾具。加工系統(tǒng)對(duì)托盤(pán)的要求有：在加工設(shè)備、托盤(pán)交換器及其他存儲(chǔ)設(shè)備中能夠通用；機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，材料性能穩(wěn)定，有足夠的剛度，能在大切削力的作用下不變形或變形量微小，使用壽命長(zhǎng)；工件在托盤(pán)上裝夾方便，精度高；托盤(pán)被送往機(jī)床后能快速、準(zhǔn)確定位，夾持安全、可靠，且都是自動(dòng)地進(jìn)行；在加工循環(huán)中不需要人工的任何干預(yù)；能在加工過(guò)程中的苛刻環(huán)境（如切削熱、濕氣、振動(dòng)、高壓切削液等）下，可靠工作；定位、夾緊和排屑等，不影響工件的精度和已加工完的工件表面質(zhì)量；便于控制與管理，保證在安裝工件、輸送及加工中不混亂和不出差錯(cuò)。

為了保證托盤(pán)能在不同廠家生產(chǎn)的加工設(shè)備、運(yùn)儲(chǔ)設(shè)備上共用，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織已制定了公稱尺寸小于或等于800mm的托盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)（ISO／DIS8526-1）和公稱尺寸大于800mm的托盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)（ISO／DIS8526-2），規(guī)定了與工件安裝直接有關(guān)的托盤(pán)頂面結(jié)構(gòu)尺寸和與自動(dòng)化運(yùn)儲(chǔ)有關(guān)的底面結(jié)構(gòu)尺寸。托盤(pán)的公稱尺寸是指安裝工件的托盤(pán)頂面的寬度，其尺寸系列有：320、400、500、630、800、1000、1250和1600mm共8級(jí)。托盤(pán)的代號(hào)依次由下列部分組成：①1SO號(hào)；②寬×長(zhǎng)；③頂面形式號(hào)；④槽距或孔距；⑤工件的定位方式；⑥托盤(pán)的定位方式。如ISO85-2-1000×1250-1-100-a-b，表示是ISO8526-2的矩形托盤(pán)，頂面尺寸為1000×1250，帶螺孔系的頂面，螺孔的中心距為100，工件用側(cè)定位塊定位，托盤(pán)用兩錐孔和支承件上的兩圓錐銷定位。ISO托盤(pán)基本形狀如圖9所示。

2）組合夾具：它是由一套完全標(biāo)準(zhǔn)化的元件組合而成，能根據(jù)工件的加工要求，像搭積木似地利用各種不同元件，通過(guò)不同的拼裝和連接，構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)和用途的夾具。組合夾具的基本元件有八大類，即基礎(chǔ)件、支承件、定位件、導(dǎo)向件、壓緊件、緊固件、合件及其他件。組合夾具的特點(diǎn)是：靈活多變，萬(wàn)能性強(qiáng)；可大大縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期；元件可重復(fù)使用，制造、管理方便，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)性好；易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)。 目前使用的組合夾具有兩種基本類型，即槽系組合夾具和孔系組合夾具。槽系組合夾具元件間靠鍵和槽定位，而孔系組合夾具則靠孔與銷定位。由于孔系組合夾具與槽系組合夾具相比具有精度高、剛性好、易組裝，可方便地提供數(shù)控編程原點(diǎn)（工件坐標(biāo)系原點(diǎn)），在FMS中得到廣泛應(yīng)用。圖10是孔系組合夾具在基礎(chǔ)件和方箱上的使用例。使用方箱時(shí)，在機(jī)床數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的配合下，一次送料可加工數(shù)個(gè)工件，起到減輕物流負(fù)擔(dān)，縮短加工系統(tǒng)的輔助時(shí)間的作用，從而提高FMS的生產(chǎn)率。

4．加工系統(tǒng)的監(jiān)控

FMS加工系統(tǒng)的工作過(guò)程都是在無(wú)人操作和無(wú)人監(jiān)視的環(huán)境下高速進(jìn)行，為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。防止事故、保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。通常加工系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 加工系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容

（1）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與檢測(cè)技術(shù)

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與檢測(cè)（見(jiàn)圖11）一般可分為以下幾個(gè)部分。

1）信號(hào)采集。利用各種檢測(cè)傳感器，其中包括信號(hào)基本轉(zhuǎn)換、放大電路、運(yùn)算電路、濾波電路以及采樣電路等，采集能反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的各種信息。

2）特征分析。將采集到的信息進(jìn)行處理和分析，如FFT（快速傅里葉變換）、各種譜分析、時(shí)序模型參數(shù)計(jì)算和特征量、特征實(shí)時(shí)模型提取。這些信號(hào)處理與分析可以是獨(dú)立的信號(hào)處理裝置，也可以是系統(tǒng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)中的信號(hào)處理模塊。

3）狀態(tài)匹配和識(shí)別。其任務(wù)是把實(shí)時(shí)提取的特征量和特征模型與表征設(shè)備正常運(yùn)行的閾值、閾值函數(shù)、正常狀態(tài)模型進(jìn)行比較與匹配運(yùn)算、分析，根據(jù)結(jié)果做出運(yùn)行狀態(tài)判別決策和狀態(tài)預(yù)報(bào)。

4）故障預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。如果匹配后做出異常預(yù)報(bào)，則需對(duì)異常狀態(tài)特征進(jìn)行分析、歸類，借助于狀態(tài)預(yù)診斷知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)，做出設(shè)備狀態(tài)的精確估計(jì)和預(yù)報(bào)。

5）預(yù)維修決策。根據(jù)故障預(yù)報(bào)結(jié)果，借助于維修知識(shí)庫(kù)做出預(yù)維修決策并報(bào)告上級(jí)控制系統(tǒng)做出相應(yīng)調(diào)度決策。

6）根據(jù)監(jiān)控和檢測(cè)的結(jié)果和決策結(jié)論，對(duì)系統(tǒng)做相應(yīng)的調(diào)整。

（2）加工過(guò)程監(jiān)控

FMS加工系統(tǒng)在切削加工過(guò)程中，對(duì)刀具切削狀態(tài)提出了很高的要求，這是因?yàn)樵谇邢骷庸み^(guò)程中，刀具出現(xiàn)磨損、破損的頻率最高，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致一系列的加工故障，引起工件報(bào)廢，甚至損壞機(jī)床或使整個(gè)FMS不能正常運(yùn)行。加工系統(tǒng)的刀具監(jiān)控分加工前、加工中、加工后三個(gè)時(shí)間段，見(jiàn)表3所示。加工前和加工后的監(jiān)控通常采用離線直接測(cè)量法。加工中的監(jiān)控主要采用在線間接測(cè)量法，因而要求檢測(cè)方法快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。表4和表5列出了，加工中刀具破損和刀具磨損的主要監(jiān)測(cè)方法。在這些監(jiān)測(cè)方法中，除少數(shù)方法，如功率電流法、聲發(fā)射法、扭矩法等已開(kāi)始用于生產(chǎn)，其監(jiān)測(cè)效果不盡令人滿意外，大多數(shù)監(jiān)測(cè)方法還處在實(shí)驗(yàn)研究階段。

表3 不同時(shí)間段的刀具監(jiān)控方法

表4 刀具破損的監(jiān)測(cè)方法

表5 刀具磨損的監(jiān)測(cè)方法

圖12是利用振動(dòng)、溫度和切削力傳感器監(jiān)控車削加工過(guò)程的實(shí)驗(yàn)例，監(jiān)控對(duì)象為刀具與機(jī)床或工件的碰撞、刀具磨損和破損，其中碰撞直接納入機(jī)床的反饋控制。

監(jiān)控系統(tǒng)由信號(hào)采集、信號(hào)傳送、信號(hào)處理和反饋控制四部分組成。安裝于刀桿上的傳感器和信號(hào)預(yù)處理器一起構(gòu)成信號(hào)采集部分（見(jiàn)圖13），所采集到的信號(hào)通過(guò)電感耦合傳送給作為信號(hào)處理器的PC。信號(hào)處理器采用基于模型的解決方法，主要根據(jù)切削過(guò)程中在刀具切入方向、走刀方向所產(chǎn)生的力作為模型，并考慮刀具磨損狀態(tài)等實(shí)際切削過(guò)程的影響量來(lái)計(jì)算各力的閾值。識(shí)別閾值超限采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)法，該方法采用多項(xiàng)式來(lái)對(duì)采樣數(shù)據(jù)做均方近似處理，多項(xiàng)式近似的外插值與簡(jiǎn)單的均方值不同的是，閾值超限判別速度快。由圖14的碰撞識(shí)別例中可以看出，從切削力明顯上升的那一時(shí)刻起，對(duì)其后的每一時(shí)刻采用多項(xiàng)式近似的外插值均比平均值高，因而有利于更及時(shí)地發(fā)出閾值超限信號(hào)，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)迅速控制機(jī)床停機(jī)。刀具的磨損、破損程度是通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用不同的切削過(guò)程影響和從檢測(cè)數(shù)據(jù)中抽出的特征量來(lái)進(jìn)行估量。該方法的檢測(cè)精度高，其刀具后面磨損幅寬的檢測(cè)誤差小于33μm。

圖15是FMS加工狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用例。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：

1）是一個(gè)獨(dú)立于機(jī)床之外的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2）一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)多臺(tái)機(jī)床。

3）該系統(tǒng)的目的不是監(jiān)測(cè)機(jī)床設(shè)備內(nèi)部的故障，而是監(jiān)測(cè)工件的裝夾狀態(tài)、刀具的異常等機(jī)床和外界界面的異常。

4）能自動(dòng)適應(yīng)工序的變化，可方便地適應(yīng)新工件和新刀具。

使用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的FMS，其加工系統(tǒng)由三臺(tái)機(jī)床、一臺(tái)檢查裝置和集中切屑處理裝置構(gòu)成，物流系統(tǒng)由有軌小車、工件存儲(chǔ)、工件識(shí)別、工件準(zhǔn)備站等裝置構(gòu)成。毛坯根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃在準(zhǔn)備站從幾個(gè)到幾十個(gè)為一批裝在一個(gè)料箱內(nèi)，通過(guò)有軌小車送往各加工設(shè)備。

加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要采用圖像處理和聲發(fā)射方法，之所以如此，是因?yàn)橐笤诩庸み^(guò)程中實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，聲發(fā)射方法是在線監(jiān)測(cè)刀具磨損的有效方法，傳感器的輸出含有多種信息，可在較大范圍內(nèi)檢測(cè)多種異常。一旦工件變化，不改變傳感器，只改變信號(hào)處理方法就可適應(yīng)。因此，監(jiān)測(cè)什么、怎樣監(jiān)測(cè)均可自由設(shè)定或變換。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用圖像處理法監(jiān)測(cè)刀具損傷、工件裝夾異常、切屑纏繞等造成的障礙，用聲發(fā)射法監(jiān)測(cè)刀具的磨損。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖16所示，有4個(gè)功能單元。表6為各功能單元的作用和特點(diǎn)。各單元可并行工作，其軟件可多任務(wù)工作，能同時(shí)監(jiān)測(cè)多臺(tái)機(jī)床。

表6 加工狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的功能單元

加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以NC機(jī)床的M代碼作為啟動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作，如圖17所示。一般NC機(jī)床在執(zhí)行一次NC程序中完成一個(gè)工件的加工，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其程序中要求的M代碼同步進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)工件品種變化時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始并不進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而是獲取當(dāng)時(shí)的圖像和聲發(fā)射信號(hào)，并作為以后監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)值，在以后的加工中，通過(guò)與此基準(zhǔn)值比較來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于系統(tǒng)可學(xué)習(xí)基準(zhǔn)狀態(tài)，因此不需要進(jìn)行參數(shù)的仔細(xì)調(diào)整。監(jiān)測(cè)在該系統(tǒng)中只作為一種輔助性方法。在構(gòu)思階段，曾考慮用主軸電動(dòng)機(jī)電流的變化來(lái)監(jiān)測(cè)刀具的磨損，可是在該FMS的機(jī)床上只加工精密小工件，其電流變化很小，使用這種方法很難監(jiān)測(cè)出異常。