柔性制造系統(tǒng)的加工系統(tǒng)

典型的FMS一般由三個子系統(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。三個子系統(tǒng)的有機結(jié)合，構(gòu)成了一個制造系統(tǒng)的能量流（通過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)控機床、加工中心等加工設(shè)備（有的還帶有工件清洗、在線檢測等輔助與檢測設(shè)備）構(gòu)成，系統(tǒng)中的加工設(shè)備在工件、刀具和控制三個方面都具有可與其他子系統(tǒng)相連接的標準接口。從柔性制造系統(tǒng)的各項柔性含義中可知，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?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)品的機床。

1．加工系統(tǒng)的配置與要求

目前金屬切削FMS的加工對象主要有兩類工件：棱柱體類（包括箱體形、平板形）和回轉(zhuǎn)體類（長軸形、盤套形）。對加工系統(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)控組合機床（數(shù)控專用機床、可換主軸箱機床、模塊化多動力頭數(shù)控機床等）和托盤交換器等構(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)控組合機床和上下料機械手或機器人及棒料輸送裝置等構(gòu)成。

因為棱柱體類工件的加工時間較長，且工藝復(fù)雜，為實現(xiàn)夜間無人值守自動加工，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臺機床構(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)）、互補形式（串聯(lián)）和混合形式（并串聯(lián)）三種，見表1。應(yīng)該說明，這些配置主要取決于機床功能、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、自動化的、高效的、易控制的，其實用性、匹配性和工藝性好，能滿足加工對象的尺寸范圍、精度。材質(zhì)等要求。因此在選用時應(yīng)考慮：

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

2）控制功能強、擴展性好。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，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)整與擴展，以及減輕通信網(wǎng)絡(luò)和上級控制器的負載。

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

4）使用經(jīng)濟性好。如導(dǎo)軌油可回收，斷、排屑處理快速、徹底等，以延長刀具使用壽命。節(jié)省系統(tǒng)運行費用，保證系統(tǒng)能安全、穩(wěn)定、長時間無人值守而自動運行。

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

6）自保護性、自維護性好。如設(shè)有切削力過載保護、功率過載保護、行程與工作區(qū)域限制等。導(dǎo)軌和各相對運動件等無須潤滑或能自動加注潤滑，有故障診斷和預(yù)警功能。

7）對環(huán)境的適應(yīng)性與保護性好。對工作環(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、無滲漏，冷卻液不外濺，能及時排除煙霧、異味，噪聲、振動小，能保護良好的生產(chǎn)環(huán)境。

8）其他。如技術(shù)資料齊全，機床上的各種顯示、標記等清楚，機床外形、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并能按預(yù)定程序自動更換刀具，對工件進行多工序加工的高效數(shù)控機床。它的最大特點是工序集中和自動化程度高，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)省輔助時間，實現(xiàn)高質(zhì)、高效加工。

常見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（也稱萬能、五面體、復(fù)合）加工中心。

在實際應(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。由于鏜銑加工中心（1958年由美國KM公司在數(shù)控銑床上加刀庫） 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和自動換刀裝置，如圖2所示。衡量加工中心刀庫和自動換刀裝置的指標有刀具存儲量、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、可擴展性、選刀方法和換刀時間等。

加工中心的刀庫有鏈式、盤式和轉(zhuǎn)塔式等基本類型，如圖3所示。鏈式刀庫的特點是存刀量多、擴展性好、在加工中心上的配置位置靈活，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。盤式和轉(zhuǎn)塔式刀庫的特點是構(gòu)造簡單、適當選擇刀庫位置還可省略換刀機械手，但刀庫容量有限。根據(jù)用途，加工中心刀庫的存刀量可為幾把到數(shù)百把，最常見的是20～80把。

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

加工中心換刀時需從刀庫中選擇指定的刀具，主軸頭也必須回到換刀位置。從刀庫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。

加工中心的換刀時間有兩種定量方法：刀對刀換刀時間（主軸和刀庫刀座都回到換刀點后交換刀具所需的時間）和加工對加工換刀時間（從上一把刀加工結(jié)束到刀具交換后下一把刀進入加工所需的時間）。通常加工中心的技術(shù)參數(shù)中給出的換刀時間是刀對刀換刀時間（或稱凈換刀時間），目前最快為0.45s，一般為5s左右。換刀時間取決于換刀機構(gòu)（如機械式快于機―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）、機床規(guī)格、機械手尺寸和慣量等。因此，通常刀柄號越大，換刀速度越低。

加工中心中最為常見的換料裝置是托盤交換器（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。托盤交換器按其運動方式有回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式兩種，如圖5所示。托盤交換器在機床單機運行時是加工中心的一個輔件，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)。 通常托盤交換器、刀庫及換刀機械手都由加工設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)的可編程序控制器控制，驅(qū)動源有液壓、氣壓和電能。交換托盤、選刀和換刀應(yīng)允許手動操作，以適應(yīng)維修和調(diào)整用。

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

帶刀庫和自動換刀裝置；帶動力回轉(zhuǎn)刀具；聯(lián)動軸數(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械手或行走式機器人。隨著機床功能的擴展，多軸、多刀架以及帶機內(nèi)工件交換器和帶棒料自動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（見圖6）。如對置式雙主軸箱、雙刀架的車削中心可實現(xiàn)自動翻轉(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)控組合機床數(shù)控組合機床（見圖7）是指數(shù)控專用機床、可換主軸箱數(shù)控機床、模塊化多動力頭數(shù)控機床等加工設(shè)備。這類機床是介于加工中心和組合機床之間的中間機型，兼有加工中心的柔性和組合機床的高生產(chǎn)率的特點，適用于中大批量制造的柔性生產(chǎn)線（FML或FTL）。這類機床可根據(jù)加工工件的需求，自動或手動更換裝在主軸驅(qū)動單元上的單軸、多軸或多軸頭，或更換具有驅(qū)動單元的主軸頭本身。

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。目前國內(nèi)在設(shè)計FMS和選擇FMS加工設(shè)備時，或者在介紹國外的制造水平時往往都強調(diào)系統(tǒng)功能和設(shè)備功能。而從國外眾多使用FMS的企業(yè)來看，他們更重視實用性，即機床和刀、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，一臺加工中心要能充分發(fā)揮它的功能，所需刀、夾、輔具的價格近于或高于加工中心本身的價格。據(jù)國外資料統(tǒng)計，一臺加工中心一年在刀具上消耗的資金約為購買一臺新加工中心費用的2/3。 因此在選擇加工設(shè)備時，就應(yīng)充分考慮刀、夾、輔具問題。

（1）刀具系統(tǒng) 從數(shù)控加工的立場看，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、刀具準備及加工程序中的刀具管理等。而我們在這里講的刀具系統(tǒng)是指：“從以機床主軸孔連接的刀具柄部開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)，都是以機械制造工藝與設(shè)備的角度加以討論，請注意與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?shù)牡毒哳愋停桓鶕?jù)刀具類型與使用機床的規(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；能實現(xiàn)快速更換（如換刀片、刀頭、刀具等）和線外預(yù)調(diào)。

對棱柱體類工件，在選擇FMS加工設(shè)備時，首先應(yīng)注意刀具系統(tǒng)的刀柄與拉釘標準，因為它們必須與機床的主軸孔配合；其次是刀具是否與刀庫和自動換刀裝置的抓取機構(gòu)相適配。加工中心上常用的是40、45、50號自動換刀機床用7：24長圓錐柄。在該系列中，我國的GB10944-89、德國的DIN69871、美國的ANSIL5.50都已與ISO7388標準趨于一致，在主軸端為同一錐度號的加工中心的主軸孔，以及刀庫、換刀機械手之間互相通用。但需注意的是，有些機床廠和刀柄制造廠為了保護自己的傳統(tǒng)和特色以及保持和老用戶之間的相對穩(wěn)定關(guān)系，它們往往顧及與自己老產(chǎn)品的互換性，參考某一標準制定自己的標準，為穩(wěn)妥起見最好確定具體尺寸，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開發(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，但無法與長圓錐柄互換。日本在吸取HSK優(yōu)點的基礎(chǔ)上，開發(fā)了BIG-PLUS系列刀柄，該刀柄除保留了HSK雙面定位的特點外，可與長圓錐柄互換。

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，這相當于閑置大量資金。為了克服整體式刀具系統(tǒng)的這些弱點，各國相繼開發(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)按功能進行分割，做成系列化的標準模塊（如刀柄、刀桿、接長桿、接長套、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，當某些模塊損壞時可部分更換。這樣既便于批量制造，降低成本，也便于減少用戶的刀具儲備，節(jié)省開支，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)”標準（按漢語拼音，簡稱為TSG工具系統(tǒng)）和“鏜銑類模塊式數(shù)控工具系統(tǒng)”標準（簡稱為TMG工具系統(tǒng)），它們都采用GB10944―89（JT系列刀柄）為標準刀柄。考慮到事實上使用日本的MAS／BT403刀柄的機床目前在我國數(shù)量較多，TSG及TMG也將BT系列作為非標準刀柄首位推薦，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)的進步和刀具性能的提高與價格的合理化。比如批量相對較大的產(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)機床夾具是在機床上用以裝夾工件的一種裝置，其作用是使工件相對于機床或刀具有一個正確的位置，并在加工過程中保持這個位置不變。為此，它需要有定位、導(dǎo)向、夾緊、連接等功能。機床夾具按其使用范圍可分為通用夾具（如三爪卡盤、平口臺虎鉗、回轉(zhuǎn)工作臺等）、專用夾具、可調(diào)整夾具、成組夾具、隨行夾具（托盤及安裝在其上的夾具）和組合夾具（也稱模塊化夾）。由于FMS的加工過程是自動的，除對夾具的常規(guī)要求外，它的加工系統(tǒng)還要求夾具有統(tǒng)一的基準，以便依靠機床精度和數(shù)控程序自動保證工件的位置精度，同時還要求夾具的“敞開性”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，如高速動力卡盤等。對于棱柱體類工件，原則上當工件底面可定位時，可用壓板、螺釘?shù)葘⑵渲苯影惭b在托盤上；當工件品種多、形狀變化較大，或需在一個托盤上同時安裝多個工件加工時，可選用組合夾具；當工件形狀復(fù)雜、不易安裝，且批量較大時，可考慮設(shè)計專用夾具。

1）托盤：它是FMS加工系統(tǒng)中的重要配套件。對于棱柱體類工件，通常是在FMS中用夾具將它安裝在托盤上，進行存儲、搬運、加工、清洗和檢驗等。因此在物料（工件）流動過程中，托盤不僅是一個載體，也是各單元間的接口。對加工系統(tǒng)來說，工件被裝夾在托盤上，由托盤交換器送給機床并自動在機床支承座上定位、夾緊，這時托盤相當于一個可移動的工作臺。又由于工件在加工系統(tǒng)中移動時，托盤及其夾具也跟隨著一起移動，故托盤連其安裝在托盤上的夾具一起被稱為隨行夾具。加工系統(tǒng)對托盤的要求有：在加工設(shè)備、托盤交換器及其他存儲設(shè)備中能夠通用；機械結(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；工件在托盤上裝夾方便，精度高；托盤被送往機床后能快速、準確定位，夾持安全、可靠，且都是自動地進行；在加工循環(huán)中不需要人工的任何干預(yù)；能在加工過程中的苛刻環(huán)境（如切削熱、濕氣、振動、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。

為了保證托盤能在不同廠家生產(chǎn)的加工設(shè)備、運儲設(shè)備上共用，國際標準化組織已制定了公稱尺寸小于或等于800mm的托盤標準（ISO／DIS8526-1）和公稱尺寸大于800mm的托盤標準（ISO／DIS8526-2），規(guī)定了與工件安裝直接有關(guān)的托盤頂面結(jié)構(gòu)尺寸和與自動化運儲有關(guān)的底面結(jié)構(gòu)尺寸。托盤的公稱尺寸是指安裝工件的托盤頂面的寬度，其尺寸系列有：320、400、500、630、800、1000、1250和1600mm共8級。托盤的代號依次由下列部分組成：①1SO號；②寬×長；③頂面形式號；④槽距或孔距；⑤工件的定位方式；⑥托盤的定位方式。如ISO85-2-1000×1250-1-100-a-b，表示是ISO8526-2的矩形托盤，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，托盤用兩錐孔和支承件上的兩圓錐銷定位。ISO托盤基本形狀如圖9所示。

2）組合夾具：它是由一套完全標準化的元件組合而成，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。組合夾具的特點是：靈活多變，萬能性強；可大大縮短生產(chǎn)準備周期；元件可重復(fù)使用，制造、管理方便，長期經(jīng)濟性好；易于實現(xiàn)計算機輔助工藝設(shè)計。 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（工件坐標系原點），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，在機床數(shù)控回轉(zhuǎn)臺的配合下，一次送料可加工數(shù)個工件，起到減輕物流負擔，縮短加工系統(tǒng)的輔助時間的作用，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)的工作過程都是在無人操作和無人監(jiān)視的環(huán)境下高速進行，為保證系統(tǒng)的正常運行。防止事故、保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行監(jiān)控。通常加工系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容見表2。

表2 加工系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容

（1）設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控與檢測技術(shù)

設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控與檢測（見圖11）一般可分為以下幾個部分。

1）信號采集。利用各種檢測傳感器，其中包括信號基本轉(zhuǎn)換、放大電路、運算電路、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。將采集到的信息進行處理和分析，如FFT（快速傅里葉變換）、各種譜分析、時序模型參數(shù)計算和特征量、特征實時模型提取。這些信號處理與分析可以是獨立的信號處理裝置，也可以是系統(tǒng)監(jiān)控計算機中的信號處理模塊。

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

4）故障預(yù)測預(yù)報。如果匹配后做出異常預(yù)報，則需對異常狀態(tài)特征進行分析、歸類，借助于狀態(tài)預(yù)診斷知識庫和專家系統(tǒng)，做出設(shè)備狀態(tài)的精確估計和預(yù)報。

5）預(yù)維修決策。根據(jù)故障預(yù)報結(jié)果，借助于維修知識庫做出預(yù)維修決策并報告上級控制系統(tǒng)做出相應(yīng)調(diào)度決策。

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

（2）加工過程監(jiān)控

FMS加工系統(tǒng)在切削加工過程中，對刀具切削狀態(tài)提出了很高的要求，這是因為在切削加工過程中，刀具出現(xiàn)磨損、破損的頻率最高，若不及時發(fā)現(xiàn)會導(dǎo)致一系列的加工故障，引起工件報廢，甚至損壞機床或使整個FMS不能正常運行。加工系統(tǒng)的刀具監(jiān)控分加工前、加工中、加工后三個時間段，見表3所示。加工前和加工后的監(jiān)控通常采用離線直接測量法。加工中的監(jiān)控主要采用在線間接測量法，因而要求檢測方法快速、準確、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)測方法。在這些監(jiān)測方法中，除少數(shù)方法，如功率電流法、聲發(fā)射法、扭矩法等已開始用于生產(chǎn)，其監(jiān)測效果不盡令人滿意外，大多數(shù)監(jiān)測方法還處在實驗研究階段。

表3 不同時間段的刀具監(jiān)控方法

表4 刀具破損的監(jiān)測方法

表5 刀具磨損的監(jiān)測方法

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

監(jiān)控系統(tǒng)由信號采集、信號傳送、信號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預(yù)處理器一起構(gòu)成信號采集部分（見圖13），所采集到的信號通過電感耦合傳送給作為信號處理器的PC。信號處理器采用基于模型的解決方法，主要根據(jù)切削過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)等實際切削過程的影響量來計算各力的閾值。識別閾值超限采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報法，該方法采用多項式來對采樣數(shù)據(jù)做均方近似處理，多項式近似的外插值與簡單的均方值不同的是，閾值超限判別速度快。由圖14的碰撞識別例中可以看出，從切削力明顯上升的那一時刻起，對其后的每一時刻采用多項式近似的外插值均比平均值高，因而有利于更及時地發(fā)出閾值超限信號，通過數(shù)控系統(tǒng)迅速控制機床停機。刀具的磨損、破損程度是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用不同的切削過程影響和從檢測數(shù)據(jù)中抽出的特征量來進行估量。該方法的檢測精度高，其刀具后面磨損幅寬的檢測誤差小于33μm。

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

1）是一個獨立于機床之外的監(jiān)測系統(tǒng)。

2）一個監(jiān)測系統(tǒng)可同時監(jiān)測多臺機床。

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

4）能自動適應(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)測系統(tǒng)的FMS，其加工系統(tǒng)由三臺機床、一臺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、工件識別、工件準備站等裝置構(gòu)成。毛坯根據(jù)生產(chǎn)計劃在準備站從幾個到幾十個為一批裝在一個料箱內(nèi)，通過有軌小車送往各加工設(shè)備。

加工狀態(tài)監(jiān)測主要采用圖像處理和聲發(fā)射方法，之所以如此，是因為要求在加工過程中實現(xiàn)在線監(jiān)測，聲發(fā)射方法是在線監(jiān)測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)檢測多種異常。一旦工件變化，不改變傳感器，只改變信號處理方法就可適應(yīng)。因此，監(jiān)測什么、怎樣監(jiān)測均可自由設(shè)定或變換。該監(jiān)測系統(tǒng)用圖像處理法監(jiān)測刀具損傷、工件裝夾異常、切屑纏繞等造成的障礙，用聲發(fā)射法監(jiān)測刀具的磨損。

監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成如圖16所示，有4個功能單元。表6為各功能單元的作用和特點。各單元可并行工作，其軟件可多任務(wù)工作，能同時監(jiān)測多臺機床。

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)測系統(tǒng)以NC機床的M代碼作為啟動信號進行監(jiān)測工作，如圖17所示。一般NC機床在執(zhí)行一次NC程序中完成一個工件的加工，監(jiān)測系統(tǒng)與其程序中要求的M代碼同步進行監(jiān)測，當工件品種變化時，監(jiān)測系統(tǒng)開始并不進行監(jiān)測，而是獲取當時的圖像和聲發(fā)射信號，并作為以后監(jiān)測的基準值，在以后的加工中，通過與此基準值比較來進行監(jiān)測。由于系統(tǒng)可學(xué)習(xí)基準狀態(tài)，因此不需要進行參數(shù)的仔細調(diào)整。監(jiān)測在該系統(tǒng)中只作為一種輔助性方法。在構(gòu)思階段，曾考慮用主軸電動機電流的變化來監(jiān)測刀具的磨損，可是在該FMS的機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)測出異常。