柔性制造系统在模具行业的发展应用

摘 要：本文通过分析柔性制造系统的优点及其给企业带来的巨大经济效益，将该技术引入到模具加工企业中，详细分析了模具企业的行业特点和设备进行柔性化改造的可行性，设计了能适应模具零件加工的柔性制造系统，并详细阐述了该技术在模具企业中的具体应用。

关键词：柔性制造系统 产品质量 自动化

自1967年英国研制出世界第一条FMS以后，其优越性为世界所瞩目，进入21世纪以后，随着工业技术领域技术的快速发展，现代的机械制造装备也发生了巨大的变化，对生产周期短、品种多、批量小的产品的加工需求越来越多。

模具工业是工业生产领域的基础装备。然而模具加工工艺复杂，并且使用的设备也非常多，产品品种繁多，交货期短，属于小批量加工生产，并且过度依赖熟练模具工，对经验要求较高。模具企业要想改革，就必须改变原有的、固定的制造模式，寻求新的制造技术来满足市场需求。

以机器人制造单元为代表的柔性制造技术，在模具企业中进行推广和应用，可以大大提高模具的生产效率，满足市场对产品多样化、模具小批量的生产需求，对提高模具企业的市场竞争力具有重要意义。

一、柔性制造系统的分类

1.柔性制造单元FMC（Flexible Manufacturing Cell）

FMC主要是NC机床（一般为加工中心），可以运行数小时无人看管，它是柔性制造的基本单元，多个FMC可以组成FMS。由于FMC规模小，建造成本低，建造周期短，见效快，适用于广大的小企业，通过更换不同的夹具与刀具，以适应不同形状产品的加工。

2.柔性制造系统FMS（Flexible Manufacuring System）

多个柔性制造单元就可以构建一个柔性制造系统，同时再配套相应的工业机器人、输送链进行物料的运输，在计算机信息系统的控制下就可以进行多样化的产品加工。

3.柔性制造工厂FMF（Flexible Manufacuring Factory）

柔性制造工厂主要利用计算机集成制造系统，将生产过程从经营决策、产品开发、设计、制造、管理、仓库保管等有机地组合成一个整体。该工厂可以实现无纸化和高度的无人化，全部由机器人来完成，可以大大提高生产效率。

通过可以加工的产品品种和产品批量，对以上三种柔性制造系统进行对比，如图1所示。

图1 柔性制造系统分类及对比

二、模具行业柔性制造系统及其组成

目前通用的模具零件的数控加工主要由加工中心、模具精雕机、线切割机床、电火花成型机、车铣复合中心、磨床、工具铣床等机床来完成，在使用的过程中存在的主要问题有以下几点。

1.人工装夹问题

目前的主要装夹方式有平口钳、专用夹具、三爪卡盘、通用组合夹具等，效率低，装夹的过程中设备是空闲的，并且人工装夹稳定性差。

2.人工对刀问题

目前的主要对刀方式有光电寻边器对刀、铣刀试切削对刀、光学对刀仪等，需要有经验的操作人员才能精确对刀，浪费时间。

3.人工检测问题

目前的主要检测方式有游标卡尺、千分尺、三坐标测量仪，耗费时间、易出现误差、工件合格率不高、浪费材料。

可以通过对现有的设备进行升级改造，加装具有统一接口的模块化夹具，完成相应模块的柔性加工，工件安装在专用的虎钳上，定位靠其背部的定位槽完成，夹紧由拉钉和钢球实现，整个加工过程只需一次装夹即可，减少了重复装夹带来的误差，并且可以在加工过程中，连同夹具到三坐标测量机上在线测量，实时的调整加工的吃刀量，保证工件一次加工到位，如图2所示。

图2 柔性制造系统的系统构成

通过对现有数控机床的各部分功能分析并进行改造，经过设计整合后重新布局的车间规划图如图3所示。

图3 柔性制造系统的设计布局

该柔性制造系统在原有设备的基础上，增加了工业机器人、物料输送链、清洗站等，主要由以下几部分组成。

（1）加工系统。主要由加工中心、模具精雕机、线切割机床、电火花成型机、车铣复合中心、磨床等组成。加工中心设置有接触传感器功能，它可改善整个加工中心功能，如自动定心、孔径自动测量、刀具磨损自动检测，自动消除间隙、X、Y、Z基准面位置自动补偿，刀具寿命监视、自动更换设备用刀具、故障监视与诊断、自适应控制。

（2）物料运输系统。该系统主要用于实现物料以及加工刀具的存储和搬运，包括工业机器人、横走式转运机械手、轨道等构成。机器人工件运输小车与机器刀具运输小车，具有相同结构，都有电磁导向装置，具有高柔性，能满足物流变化。机器人工件运输小车担任机床与装卸站之间的托扳交换，以适应不同加工的需要。刀具损坏时，按照紧急刀具更换命令，及时从刀具室领取新刀具更换。

（3）CAD/CAM系统。其总的功能是实现产品设计与生产控制集成化，自动处理加工与生产技术信息，提高生产准备效率，帮助生产部门有效地选择NC机床、设计夹具与刀具，制定加工周期，确定加工程序，准备NC数据等。

（4）信息控制系统。该系统主要负责对生产过程中各种信息进行合理的调度、规划、分析和管理，并通过计算机系统进行处理和反馈，从而对系统进行有效管理，保证系统正常运行并适应不同批量加工任务的调度及优化。

（5）产品质量检验系统。该系统主要由三坐标测量机，再配合条码扫描器和工件自动识别系统等来完成在线的自动检测。

（6）外部设备。包括自动化立体仓库、装卸站、清洗站、刀具室与自动排屑系统等。

三、柔性制造系统的优点及发展前景

柔性制造系统改变了原有的、固定的、制造模式，基本实现全自动化地完成工件的加工，并且能够保证零件的加工精度，并且可以随时改变加工工艺，完成不同产品的模具。

（1）提高模具加工的生产效率和模具产品的整体加工质量，缩短了产品的生产周期，及时保证交货期，降低了企业生产成本。

（2）通过改变工装夹具，走形制造系统可以根据产品的不同对工艺路线进行调整，来完成不同的模具，提高了模具企业的市场响应力。

（3）大大提高了模具企业的自动化程度和信息化程度，通过计算机系统进行处理和反馈，从而对系统进行有效管理，保证系统正常运行并适应不同批量加工任务的调度及优化。

（4）随着企业的自动化程度和信息化程度的提高，机床的空闲时间基本消除，根据调度，提高了企业各种机床资源的使用率。

参考文献：

[1]张欣，郑永康.一种柔性数控加工系统的概念设计[J].机床与液压，2013（8）.

[2]段春争，王殿龙.基于“独立制造岛”概念的柔性制造实践教学系统的建设[J].中国现代教育装备，2013（7）.

（作者单位：绍兴市技工学校）