典型的FMS主要由多工位的数控加工系统、物流运贮系统、刀具管理系统和控制与管理系统四个子系统组成：

1）加工系统。加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动地更换工件和刀具。通常由两台以上的CNC机床、加工中心或柔性制造单元以及其他的加工设备所组成，如动平衡机、清洗机、测量机和各种特种加工设备等。

2）物流运贮系统。物流系统的功能是实现工件的运输和贮存。包含传送带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘及交换工作台等机构，能对刀具、工件和原材料等物料进行自动装卸和运贮。

3）刀具管理系统。包括中央刀库、机床刀库、刀具运送小车或机器人、换刀机械手等。能实现FMS系统内刀具循环的优化管理。

4）控制与管理系统。能够实现对FMS的运行控制、刀具管理、质量控制，以及FMS的数据管理和网络通信。

1.加工系统

加工系统是FMS基本的组成部分。在FMS中，加工系统就好像人的手脚，把原材料转化为最终产品，是实际完成改变物性任务的执行系统，也是FMS中耗资最多的部分。FMS加工能力的高低很大程度上是由它所包含的加工系统所决定的。

FMS的加工系统原则上应该是可靠的、自动化的、高效的和易控制的，其实用性、匹配性和工艺性应良好，并能满足加工对象的尺寸范围、精度和材质等要求。对加工系统的要求如下：

1）工序集中。如选多功能机床、加工中心等，以减少工位数和物流负担，保证加工质量。

2）控制功能强、可扩展性好。如选用模块化结构，外部通信功能和内部管理功能强，有内装的可编程控制器，有用户宏程序的数控系统，以易于与上下料、检测等辅助设备相连接，增加各种辅助功能，方便系统调整与扩展，以及减轻通信网络和上级控制器的负载。

3）大刚度、高精度和高速度。选用切削功能强、加工质量稳定和生产率高的机床。

4）使用经济性好。如导轨油可回收、排屑处理快速彻底等，以延长刀具使用寿命，降低系统运行费用，保证系统能安全地、稳定地及长时间无人值守地自动运行。

5）操作性好、可靠性好和维修性好。机床的操作、保养与维修方便，使用寿命长。

6）具有自保护性和自维护性。如能设定切削力过载保护、功率过载保护、运行行程和工作区域限制等，并具有故障诊断和预警功能等。

7）对环境适应性与保护性好。对工作环境的温度、湿度、噪声和粉尘等要求不高，各种密封件性能可靠、无泄漏，切削液不外溅，能及时排除烟雾、异味，噪声、振动小，能保护良好的工作环境。

8）其他。技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚，机床外形、颜色美观且与系统协调。

金属切削FMS的加工对象主要有两类工件：棱柱体类（包括箱体形、平板形）和回转体类（长轴形、盘套形）。对加工系统而言，通常用于加工棱柱体类工件的FMS由立、卧式加工中心（图4-17）、数控组合机床（数控专用机床、可换主轴箱机床、模块化多动力头数控机床等）和托盘交换器等构成；用于加工回转体类工件的FMS由数控车床、车削中心、数控组合机床和上下料机械手或机器人及棒料输送装置等构成。因为棱柱体类工件的加工时间较长，且工艺复杂，为实现夜间无人值守自动加工，加工棱柱体类工件的FMS首先得到了发展。

2.物料运贮系统

一个工件从毛坯到成品的整个生产过程中，大部分时间消耗于物料的运贮过程，只有相当短的一部分时间是用于机床的切削加工。在FMS中，流动的物料主要有工件、刀具、夹具、切屑及切削液等。物料运贮系统是柔性制造系统中的一个重要组成部分。

图4-17 卧式加工中心

1—主轴头 2、3—刀库 4—立柱底座 5—回转工作台 6—工作台底座

FMS的物料运贮系统一般由工件装卸站、托盘缓冲站、物料存贮装置和物料运送装置等几个部分组成，主要用来完成工件、刀具、托盘以及其他辅助设备与材料的装卸、贮存和运输工作。

（1）工件装卸站 工件装卸站设在FMS的入口处，用于完成工件的装卸工作。由于装卸操作比较复杂，通常由人工完成对毛坯和待加工零件的装卸。先将工件装夹在专用的夹具中，再将夹具夹持在托盘上。这样，完成装夹的工件将与夹具和托盘组合成为一个整体在系统中进行传送。

（2）托盘缓冲 站托盘缓冲站也称为托盘库，是一种待加工零件的中间存贮站。由于FMS不可能像单一的流水线/自动线那样达到各机床工作站的节拍完全相等，不可避免地会产生加工工作站前的排队现象，因此设置了托盘缓冲站，起缓冲物料的作用。托盘缓冲站一般设置在加工机床的附近，有环形和往复直线形等多种形式，可存贮若干个工件/托盘组合体。

（3）物料存贮装置 用于FMS的物料存贮装置主要有以下四种：自动化仓库系统（也称为立体仓库）、水平回转型自动料架、垂直回转型自动料架和缓冲料架。如图4-18所示。

图4-18 FMS中常见的物料存贮装置

a）立体仓库 b）水平回转型自动料架 c）垂直回转型自动料架 d）缓冲料架

自动化仓库系统（Automated Storageand RetrievalSystem，AS/RS）由库房、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。由于其具有自动化程度高；料位额定存放重量大（常为1吨～3吨，大的可到几十吨）；料位空间尺寸大；料位总数量没有严格的限制因素，可根据实际需求扩展及占地面积小等特点。因此，自动化仓库系统在FMS中得到了广泛应用。

（4）物料运送装置 物料运送装置直接担负着工件、刀具以及其他物料的运输任务，包括物料在加工机床之间、自动化仓库与托盘缓冲站之间，以及托盘缓冲站与加工机床之间的输送与搬运。FMS中常见的物料运送装置有传送带、自动运输小车和搬运机器人等。

1）传送带。传送带主要是从传统的机械式自动线发展而来的，现在仍较普遍应用，它的制造成本低。传送带一般用于小零件加工系统中的短程传送。因传送带占据空间位置大，机械结构复杂，易磨损和失灵，而且一旦发生故障，整个输送系统都将停止运行，因而传送带在新设计的系统中用得越来越少。

2）自动运输小车。自动运输小车的结构发展较快，形式也多种多样，大体上可分为有轨小车和无轨小车两大类。有轨小车有的采用地轨，像火车的铁轨一样；也有的采用天轨，或称为高架轨道，运输小车吊在两条高架轨道上进行移动。无轨小车因导向方法的不同，又可分为有线导向、光电导向、激光导向和无线电遥控等多种形式。在FMS发展的初期，多采用有轨小车，随着FMS控制技术的成熟，采用自动导向无轨小车的也越来越多。

3）搬运机器人。搬运机器人是FMS中非常重要的一种设备，由于它具有较高的柔性和较强的控制水平，因而搬运机器人已成为FMS中不可缺少的一员。

除了这三种常用的物料传送装置，在FMS中往往还采用如支架式起重机、物料叉车等物料运送工具。自动化物料运送装置的选择与生产系统的布局和运行直接相关，要与生产流程和生产设备类型相适应，对FMS的生产率、复杂程度、资金占用和经济效益都有较大的影响。

3.刀具管理系统

刀具管理系统在FMS中占有重要的地位，其主要职能是负责刀具的运输、存贮和管理，适时地向加工单元提供所需的刀具，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或耐用度已耗尽的刀具，在保证正常生产的同时，最大限度地降低刀具的成本。刀具管理系统的功能和柔性程度直接影响到整个FMS的柔性和生产率。

（1）典型的刀具管理系统 典型的FMS的刀具管理系统通常由刀库系统、刀具预调站、刀具装卸站、刀具交换装置以及管理控制刀具流的计算机组成。

1）刀库系统包括机床刀库和中央刀库两个独立部分：机床刀库存放加工单元当前所需要的刀具，其刀具容量有限，一般存放40～120把刀具；中央刀库的容量很大，有的中央刀库可容纳数千把各种刀具，可供各个加工单元共享。

2）刀库预调站一般设置在FMS之外，用于对加工中所使用的刀具按规定要求进行预先调整。

3）刀具装卸站是刀具进出FMS的门户，其结构多为框架式，是一种专用的刀具排架。

4）刀具交换装置是一种在刀具装卸站、中央刀具库和机床刀具库之间进行刀具传递和搬运的工具。

刀具交换装置一般由换刀机器人或刀具运送小车来实现其功能，它们负责完成在刀具装卸站、中央刀库以及各加工中心之间的刀具交换。刀具在刀具装卸站上只是暂存一下，根据刀具管理计算机的命令，刀具交换装置将刀具从刀具装卸站搬移到中央刀库，以供加工时调用；同时再根据生产计划和工艺规程的要求，刀具交换装置从中央刀库将各加工中心需求的刀具取出，送至各加工中心的刀库中，准备加工。工件加工完成后，如发现刀具需要刃磨或某些刀具暂时不再使用，根据刀具管理计算机的命令，刀具交换装置再将这些已使用过的刀具从各个加工中心刀库中取出，送回到中央刀库。如果有一些需要重磨、需要重新调整以及一些断裂报废的刀具，刀具交换装置可直接将它们送至刀具装卸站进行更换和重磨。

进入FMS的刀具需经过一系列准备方可使用。首先由人工将刀具与标准刀柄、刀套进行组装，然后在刀具预调站由人工通过对刀及对刀具进行预调，测量有关参数，再将刀具的几何参数、刀具代码以及其他有关信息输入到刀具管理计算机。预调好的刀具，一般由人工搬运到刀具装卸站，准备进入系统。

（2）加工中心的自动换刀 自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具贮存量、刀库占地面积小以及安全可靠等基木要求。机械手是一种最常见的自动换刀装置，因为它灵活性大、换刀时间短。换刀机械手一般具有一个或两个刀具夹持器，因而又可称为单臂式机械手和双臂式机械手。当双臂式机械手换刀时，可在一只手臂从刀库中取出刀具的同时，另一只手臂从机床主轴上拔下已用过的刀具，这样既可缩短换刀时间，又有利于使机械手保持平衡，所以被广泛采用。常用双臂式机械手的手爪结构形式有钩手、抱手、伸缩手和叉手。这些机械手都能够完成抓刀、拔刀回转、换刀以及返回等全部动作过程。有些加工中心为降低成本，不用机械手而是直接利用主轴头的运动机能换刀。(www.daowen.com)

常用的加工中心机床自动换刀有以下三种换刀方式。

1）顺序换刀方式。这种方式指将所需使用的刀具按加工顺序，依次放入刀库的每个刀座内。每次换刀时，刀座按顺序转动一个刀座的位置并取出所需的刀具。已经使用过的刀具可以放回原来的刀座，也可以顺序放入下一个刀座内。采用这种方式，换刀不需要刀具识别装置，而且驱动控制也比较简单，可以直接由刀库的分度机构来实现。它的缺点是刀具在不同工序中不能重复使用，因而必须增加相同刀具的数量和刀库容量。另外，装刀顺序不能错，否则将产生严重的事故。这种换刀方式目前已较少使用。

2）刀座编码方式。刀座编码方式指对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中，然后根据刀座编码选取刀具。这种方式可以使刀柄结构简化，刀具识别装置可以放在合适的位置。与顺序选刀方式相比，其突出的优点：刀具可以在加工过程中重复多次使用，但用完的刀具必须放回原来的刀座内，增加了刀库动作的复杂性，若放错了仍然会造成事故。这种换刀方式使用较普遍。

3）刀具编码方式。这种方式采用特殊结构的刀柄，并对每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置，根据数控系统发出的换刀指令代码，在刀库中寻找所需要的刀具。由于每把刀具都有代码，因而刀具可放入刀库中任何一个刀座内，这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用，而且换下的刀具不必放回原来的刀座。采用这种方式，装刀、换刀方便，刀库容量减小，还可避免出现因刀具顺序的差错所造成的事故。

（3）刀库 加工中心的刀库有转塔式、链式和盘式等基本类型。

1）转塔式刀库。如图4-19a所示，其特点是所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，贮刀数量有限，通常为6～8把，扩展性好，在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。一般仅用于轻便而简单的机型，常见于车削中心和钻削中心。

图4-19 加工中心刀库的基本类型

a）转塔式刀库 b）链式刀库 c）盘式刀库

2）链式刀库。如图4-19b所示，链式刀库储存的刀具数量多，选刀、取刀动作简便，大型刀库通常采用此种方式，一般刀具数在30～120把。当增加链条长度时就可增加刀具数（若链条较长时，则需增加链轮的数目使链条折叠回绕），因此刀库结构有较大的灵活性。

3）盘式刀库。这种刀库中的刀具沿盘面垂直排列（包括径向取刀和轴向取刀）、沿盘面径向排列或成锐角排列，刀库结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间的利用率低，如图4-19c所示。如果增加刀库容量，必然使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增大，选刀运动时间长，因此刀具数量一般不多于32把。刀具呈多环排列的刀库的空间利用率高，但必然使得取刀机构复杂，适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合。

（4）刀具的监控和信息管理 刀具的监控主要是为了及时了解每时每刻正在使用的大量刀具因磨损、破损而发生的性质变化。目前，监控主要从刀具寿命、刀具磨损、刀具破损以及其他形式的刀具故障等方面进行。

刀具寿命指刀具的耐用度，即刀具在正常情况下，磨损量到达磨钝标准为止的总切削时间。刀具寿命值可以用计算法或试验法求得，求得的寿命值记录在各刀具文件中。当刀具装入机床后，通过计算机监控系统统计各刀具的实际工作时间，并将这个值适时地记录在刀具文件内。当班管理员可通过计算机查询刀具的使用情况，由计算机检索刀具文件，并经过分析向管理员提供刀具使用情况报告，其中包括各机床工作站缺漏刀具表和刀具寿命现状表，管理员根据这些报告，查询有关刀具的供应情况，并决定当前刀具的更换计划。

加工系统的刀具监控分加工前、加工中和加工后三个时间段，见表4-1。加工前和加工后的监控通常采用离线直接测量法；加工中的监控主要采用在线间接测量法，因而要求检测方法快速、准确、稳定及可靠。

表4-1 不同时间段的刀具监控方法

刀具磨损或破损的监控需要用专门的检测装置。在FMS中，有较好发展前景的监控方法有：电动机功率与电流法、切削力法、声发射法和光学图像法。

电动机功率与电流法指通过检测机床电动机功率或电流的变化来监控刀具的工作状态。此法已在一些加工中心上应用，其主要优点是传感器的安装简单易行，且可靠性高。

切削力法指通过测量切削力信号对刀具的磨损、破损进行监控。这种监控较直接，但传感器安装困难。

声发射法指利用AE传感器检测刀具破损时释放的弹性波来监控刀具的工作状态。其最大优点是抗干扰性较强，受切屑参数和刀具几何参数的影响较小，对刀具破损非常敏感。其应用难点在于信息处理方法复杂和传感器的安装困难。

光学图像法包括光导纤维、CCD等多种方法，是借助刀具磨损后刀面反光条件的变化来识别刀具的磨损程度的，也可用光电开关监控刀具是否破损。其优点在于可靠性较高，且可以检测磨损量。但这种监测方法对刀头清洁要求较高。表4-2列出了刀具磨损和破损的主要监控方法。

表4-2 刀具磨损和破损的主要监控方法

4.控制与管理系统

FMS的控制系统是FMS的核心，负责控制整个系统协调、优化及高效地运行。由于FMS是一个复杂的自动化集成体，其控制系统的结构和性能直接影响整个FMS的柔性、可靠性和自动化程度。

（1）FMS的控制结构 FMS的控制系统通常采用递阶控制的结构型式，即通过对系统的控制功能进行正确、合理的分解，划分成若干层次，各层次分别进行独立处理，完成各自的功能，层与层之间在网络和数据库的支持下，保持信息交换，上层向下层发送命令，下层向上层回送命令的执行结果。通过信息联系，构成完整的系统，以减少全局控制的难度和控制软件开发的难度。FMS的递阶控制结构一般采用三层，如图4-20所示：

图4-20 FMS三层递阶控制结构

第一层即最高层，为系统管理与控制层（中央管理计算机），这是FMS的全部生产活动的总体控制系统。它完成按上级下达的计划制订系统内的作业计划，实时分配作业任务到各工作站、点，监控作业任务的执行状况，协调各部门与FMS的工作及相互支援等，起承上启下，与上级（车间级）控制系统联系的桥梁作用。

第二层即中间层，是过程协调与监控层，它将来自中央管理计算机的数据和任务分送到底层的各个CNC装置和其他控制装置上，并协调底层的工作。完成各设备间的交换和系统运行状态的监视与控制、加工程序的分配，以及工况和设备运行数据的采集和向上级控制器的报告等。现场操作人员主要通过该层界面实现整个系统的实时运控与现场调度。

第三层是设备控制层。它由加工机床、机器人、自动导引运输车（AGV）、立体仓库等设备的CNC装置和PLC逻辑控制装置组成。它直接控制各类加工设备和物料系统的自动工作循环，接受和执行上级系统的控制指令，并向上级系统反馈现场数据和控制信息。

在这三层递阶控制结构中，每层的信息流都是双向流动的：向下可下达控制指令，分配控制任务，监控下层的作业过程；向上可反馈控制状态，报告现场生产数据。然而，在控制的实时性和处理信息量方面，各层控制计算机是有所区别的：越往底层，其控制的实时性要求越高，而处理的信息量则越小；越往上层，其处理信息量越大，而对实时性要求则越小。

（2）控制系统的任务 FMS的控制系统是一种层次式控制结构，各层计算机相互通信、相互协同地工作，但又分担着各自不同的任务。

中央管理计算机主要是负责全面的管理工作和支持FMS按计划地调度和控制，它通过以下的三个方面与下层系统进行连接。

1）控制系统方面。主要用来向下层实时地发送控制命令和分配数据。为了支持控制系统的工作，FMS的中央计算机能够接受它上层计算机所提供的工艺过程设计、NC零件程序、工时标准以及生产计划和调度信息，及时合理地向它下层系统分配任务、发送控制指令。

2）监控系统方面。主要用来实时采集现场工况，把收集的信息看作系统的反馈信号，以它们为基础做出决策，控制被监控的过程。

3）监测系统方面。主要用来观察系统的运行情况，将所收到的信息登录备用，计算机将利用这些信息定期打印报告供决策系统检索。例如，定期登录刀具寿命值作为刀具管理的基本信息；在线工况监测，有规律地连续收集和解释关键性元件和设备的运行状态，用这些信息预测故障的地点和原因。

中央管理计算机可在监控、监测系统的基础上，对FMS的短期生产计划和调度计划做出决策。例如，可根据系统的生产能力和设备、工具等现有条件，以数天或数周为计划周期计算最佳的生产批量，将零件以合理的批量分批组织生产；可根据生产现场工况，选择最佳的工艺路线，制订调度计划。

中间层计算机主要是协调各种设备的操作。它需要做出如下的决策：零件的工艺路线；物料的运送，如工件该送到哪一个加工单元，派小车到何处拣取加工好的工件等；程序和命令的分配；刀具的管理及对异常事件的反应等。

设备层计算机的任务是执行各种操作。系统中的主要设备是由CNC系统控制的，只要下达的程序和命令没有差错，所有设备都能按照指令完成规定的操作。这一层控制系统要完成的主要操作任务如下：①接收程序和命令；②接受调度命令，运输物料；③各类工作站设备按程序执行操作；④为下一步操作准备刀夹具或更换已磨损的刀具；⑤传感器信息采样，部分采样信息作为CNC系统的反馈信息，其他送往上层计算机。

除了这四个子系统外，FMS还包括冷却润滑系统、切屑运输系统、自动清洗装置及自动去毛刺设备等附属系统。

图4-21所示为一个典型的FMS示意图。该系统由四台卧式加工中心、三台立式加工中心、两台平面磨床、两台自动导向小车、两台检验机器人组成，此外还包括立体仓库、托盘缓冲站和装卸站等。在装卸站，由人工将工件毛坯安装在托盘夹具上，然后由物料运送装置把毛坯连同托盘夹具输送到第一道工序的加工机床旁边，排队等候加工；一旦该加工机床空闲，就由自动上下料装置立即将工件送上机床进行加工；当每道工序加工完成后，物料运送装置便将该机床加工完成的半成品取出，并送至执行下一道工序的机床等候。如此不停地运行，直至完成最后一道加工工序为止。在整个运行过程中，除了进行切削加工之外，若有必要还需进行清洗、检验等工序，最后将加工完成的零件入库贮存。

图4-21 典型的FMS示意图