柔性制造系统(FMS)中刀具流的管理

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1 引言

) r. \# s: {9 c  A4 m在柔性制造系统(FMS - Flexible Manufacturing System)中，刀具是同零件具有同等重要地位的另一类物料流。这是因为，一方面，刀具是实施加工过程必不可少的物料；另一方面，由于FMS柔性的增加，管理控制系统中的各种切削用刀具及备用刀具数量极大。据统计，在一条由5～8台机床组成的FMS中有多于1000把刀具己不足为奇。如此多的刀具，增加了柔性制造系统中刀具管理的难度。刀具管理水平的高低，在很大程度上决定了FMS生产率和柔性的高低。而从本质上讲，刀具管理策略(也称算法)的优劣，直接影响FMS的设备利用率和工作效率。有效的刀具配置与管理可以降低FMS资源调整次数和调整时间，为生产计划与调度提供更大的优化空间，以达到提高FMS生产效率的目的。因此，柔性制造系统中的刀具管理具有十分重要的意义。
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2 刀具管理系统的功能

3 Q/ Z. M0 i/ c$ n$ e按功能分，FMS中刀具管理系统可划分为三个子系统：

0 t& q% ?+ G1 G& e5 p0 D# b: P2.1，线外刀具管理子系统的功能：

刀具预调及数据采集；
& P' ?' i  U' k! [刀具编码生成及粘贴；
刀具组件管理；
生成刀具准备计划；
9 U1 y/ h$ a5 y3 l0 Q生成刀具购买清单。

" h5 ^/ B5 J1 M3 _* P5 V/ V2.2，在线刀具配置管理(静态管理)子系统功能：
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- \, S2 G$ Q2 L/ u9 {. d生成机床刀具库配置表；
) e1 S7 N3 L! l* t) `( _零件组间机床刀具调整管理；
) q3 _/ f6 a& d, t" ], B) D- j刀具寿命管理。
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- G. H3 f! O( S1 o" ]2.3，在线刀具动态管理子系统功能：

) a# B" {- v  m在线刀具实时调度；
, y" l7 a7 @. G, E# `刀具故障检测及处理；
刀具数据流管理；
' H$ x4 I! g: g具寿命实时监控。
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3 刀具管理系统的构成
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- t- I9 I7 R. W: b: j7 O3.1 刀具管理系统硬件设备的构成
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一个典型并且实用的刀具自动供给系统的FMS刀具管理硬件设备如图1所示。

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图1 刀具管理系统硬件设备构成

3.2刀具管理软件系统的构成

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0 j: c( P- M/ S图2 FMS刀具营理软件系统构成

刀具管理软件系统的一般结构如图2所示。在刀具管理中，软件系统是核心，刀具管理软件的实现又依赖于刀具管理策略或算法，早期研制的FMS都没有中央刀具库，刀具的管理方式大都采用“成批刀具交换”(Bulk Bxchange)那在一组工件加工之前将所需刀具全部装入相应机床刀具库，该组工件加工完成后，将机床刀库中的全部刀具撤掉。在这样的刀具使用策略下，实际上不存在刀具管理的优化间题，却存在着大量重复交换刀具的不必要工作。比如下组工件所需刀具与上组工件所需刀具相同部分是不必要交换的刀具集合。解决这一间题可用“固定制造周期刀具共享法”、“常驻刀具法”、“定期移动刀具法”等方法去解决。不难发现，如何使刀具交换次数减少到最低限度，并且能保证机床刀具库中保存有加工所需要的全部刀具、在机床刀具库中如何最优地选择需换下的刀具集合、如何确定刀具寿命才能达到最优的效果、需加工的零件如何最优地分组才能保证机床刀具库能满足需要等等诸多间题，都有待优化。

4 在线刀具动态管理

在线刀具动态管理系统是保证机床在正确的时间得到正确刀具的关键。在线刀具动态管理系统应根据工件加工工艺过程，加工路线及系统作业调度计划，最优地为机床准备好所需刀具。
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4.1刀具管理软件框架结构
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- @! S6 F  b" B8 }/ {2 u( h现阶段国内外针对具体对象研究开发的一些刀具管理软件，其通用性非常有限。一旦FMS的系统配置、工件调度策略或系统所追求的目标发生变化，原来开发的刀具管理软件将只能从头开始。为了避免不必要的重复劳动，可采用刀具管理软件框架结构，它针对多种典型的FMS配置及工件调度策略，使软件框架在不变的情况下对具体情况只作相应的选择或增补，即可满足在线刀具动态管理的需要。该刀具管理软件是开放式的，增加的FMS配置及工件调度策略能很容易嵌入软件框架的“工件及刀具调度策略库”中，并且对工件流形式(有无立体仓库及公用托架数量等)、机床数量、机床自动托盘交换装置(APC)数量、系统布局等均无限制。

, {3 q5 ^* H+ J; P* d4.2 FMS在线刀具动态调度策略
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FMS刀具自动储运和管理系统主要有两种形式：一种是在加工中心配置一定数量的刀库。这种配置形式的缺点是，由于每台加工中心的刀具库存容量有限，当加工的工件种类增加时，加工中心不得不停下来更换刀具，因此不能有效的连续生产；另一种形式是设置独立的中央刀库，采用换刀机器人或刀具运输小车(Tool AGV)为多台加工中心进行刀具交换服务。采用中央刀库的系统，根据刀具交换方式不同又可分为两种基本形式：交换单把刀具和交换活动刀库。当前使用最普遍的是交换单把刀具方式。文中的在线刀具动态管理系统也仅适用于单把刀具交换方式。

. L0 e, q1 v0 e( m; {完整的刀具自动运输和管理系统应由中央刀具库、刀具预调及刀具装卸站、刀具交换装置(换刀机器人或刀具运输小车)以及管理和控制刀具信息流的刀具工作站计算机组成，如图1所示。其工作过程大致如下：
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在刀具预调站由人工将刃磨好的专用刀具或采购来
的标准刀具在对刀仪匕键入刀号和有关参数；

* r. D  i( o. L* Z* j与标准刀套组装并预调刀具；

将刀具结构参数、刀具代码以及其它有关信息输入到刀具工作站计算机，并通过专用的读写装置将这些信息记录在刀柄上的磁卡或其它形式的记录器中。

) `9 t# t+ p2 k  h* R将己预调好的刀具人工搬运到刀具I/O站，准备进入系统。
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9 a; O# u4 x" Q( a$ U+ _* g由刀具交换装置根据刀具工作站计算机发出的刀具
8 q( ]7 o- e% ~8 ~调度指令，将刀具I/O站上刃磨并预调好的刀具运往中央刀库；再由刀具交换装置根据刀具调度指令将各加工中心的机床刀库或中央刀库的刀具运往各加工中心去满足加工零件的需要。而己磨损或破损的刀具则直接由刀具交换装置送至刀具I/O站。

5 结束语

, l4 W  K* a$ S6 @( w. h! |人们一般认为，FMS加工的零件种类可以任意多，但实际上大多现有的FMS只能加工有限的零件品种。对目前己经使用的FMS调查统计表明，66％以上的FMS加工的零件种类少于10种，30%左右的FMS加工的零件种类在10～15种之间。造成这种加工零件种类较少的原因，并不是柔性制造系统本身的缺陷，而是由于系统的刀具自动化程度太低。通过对FMS系统的分析发现，刀具和工件储运系统利用率明显低于加工设备的利用率。在传统制造系统中，由于刀具方面投资有限，因而矛盾并不突出，但在FMS中，以每台加工中心配备60把刀具，每把刀具平均有3把姊妹刀计算，那么一台加工中心就可能有180把刀具和相应数量的刀柄，再加上刀具准备和交换等费用，刀具系统方面的投资往往接近加工中心费用。因而应将其利用率与加工中心利用率同等对待。另外，加工每个零件的每个工序往往需要2～15把不同的刀具。对于每道工序零件调度系统一般只需决策一次，而对刀具管理系统就必须决策2～15次，因此最优地管理FMS中的刀具对提高系统总效率起着不可忽视的重要作用刀具系统自动化水平的高低，在很大程度上衡量着一个制造自动化系统效率和柔性的高低。