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制造工艺规划与FMS可作为普通高等院校机械类相关专业、工业工程专业的教材，也可供从事机械行业的设计和研究人员参考。

目　　录

目录
前言第 1章绪论 1
1.1概述 1
1.1.1 柔性制造系统的起源与发展历程 1
1.1.2 柔性制造系统的发展现状 5
1.1.3 柔性制造系统的发展趋势 6
1.2柔性制造系统的定义 8
1.3柔性制造系统的基本组成 9
1.3.1 柔性制造系统的分类 9
1.3.2 柔性制造系统的柔性 13
1.3.3 柔性制造系统的组成 16
1.3.4 柔性制造系统的应用 18
第 2章柔性制造系统基本技术 22
2.1 FMS的处理设备以及质量保障体系 22

目录 
前言第 1章 绪论	1 
1.1概述 	1 
1.1.1 柔性制造系统的起源与发展历程 	1 
1.1.2 柔性制造系统的发展现状 	5 
1.1.3 柔性制造系统的发展趋势 	6 
1.2柔性制造系统的定义 	8 
1.3柔性制造系统的基本组成 	9 
1.3.1 柔性制造系统的分类 	9 
1.3.2 柔性制造系统的柔性 	13 
1.3.3 柔性制造系统的组成 	16 
1.3.4 柔性制造系统的应用 	18 
第 2章 柔性制造系统基本技术	22 
2.1 FMS的处理设备以及质量保障体系 	22 
2.1.1 车削中心 	22 
2.1.2 加工中心 	25 
2.1.3 托盘和零件安装 	32 
2.2制造单元 	32 
2.2.1 制造单元的概念和分类 	32 
2.2.2 FMS的选择与实施 	33 
2.2.3 无人生产方式 	33 
2.2.4 无人生产系统的特点 	34 
2.2.5 集成多台机床的制造单元 	34 
2.2.6 制造单元和柔性制造单元的比较 	34 
2.2.7 无人生产应用实例 	36 
2.3工业机器人 	37 
2.3.1 概述	37 
2.3.2 工业机器人的定义 	37 
2.3.3 工业机器人的组成 	39 
2.3.4 工业机器人的分类 	40 
2.3.5 机器人的特性 	42 
2.3.6 工业机器人设计基础 	44 
2.3.7 工业机器人在 FMS中的应用 	51 2.4三坐标测量机 	52 
2.4.1 三坐标测量机的组成及工作原理 	53 
2.4.2 三坐标测量机的特点与分类 	54 
2.4.3 工件的三坐标检测思路 	56第 3章 物流与刀具管理系统	59 
3.1物流处理和存储系统 	59 
3.1.1 物流输送装置 	62 
3.1.2 物流系统的物料装卸与交换装置 	64 
3.1.3 物流系统的物料存储装置 	66 
3.2物流储存技术 	71 
3.2.1 概述	71 
3.2.2 仓储的作用及仓储合理化 	72 
3.2.3 仓储的设备技术 	74 
3.2.4 货架的概念、功能、分类及常见货架形式 	77 
3.2.5 自动化仓储的基础知识 	82 
3.2.6 储存管理技术 	83 
3.2.7 物品的入库、保管保养和出库管理 	84 
3.2.8 库存的管理技术 	87 
3.3 FMS中的刀具管理 	90 
3.3.1 刀具管理系统的功能 	92 
3.3.2 刀具管理系统的设备配置 	93 
3.3.3 刀具管理系统的运作流程 	95 
3.3.4 刀具检测 	96 
3.3.5 刀具识别 	 100 
3.3.6 刀具调度 	 102 第 4章 柔性制造系统的整体设计	 106 
4.1基于成组技术的柔性制造系统设计方法 	 106 
4.1.1 成组技术概述 	 106 
4.1.2 成组技术的定义 	 107 
4.1.3 零件族的概念 	 108 
4.1.4 零件分类方法 	 109 
4.1.5 分类编码的基本原则 	 109 
4.1.6 零件分类编码技术的分类 	 110 
4.1.7 一些重要的编码系统简介 	 111 
4.1.8 典型样件的概念 	 116 
4.1.9 采用成组技术的主要优点 	 117 
4.1.10 实施成组技术存在的主要问题 	 118 
4.1.11基于成组技术的柔性制造系统定义 	 118 
4.2装配系统与生产线平衡 	 118 
4.2.1 装配过程 	 118 
4.2.2 装配系统 	 119 
4.2.3 生产线平衡问题 	 120 
4.2.4 生产线平衡方法 	 122 
4.2.5 其他增强生产线平衡的方法 	 127 
4.3柔性制造系统的规划和实现原理 	 128 
4.3.1 零件族的划分 	 128 
4.3.2 零件分类过程 	 131 
4.3.3 产品生产线 	 133 
4.3.4 生产线的基本特征 	 133 
4.3.5 产品的变更 	 134 
4.3.6 混合生产线模式的优势 	 134 
4.3.7 混合生产线模式存在的主要问题 	 134 
4.3.8 物料的传输方式 	 134 
4.3.9 常用的两种基本生产线类型 	 135 
4.4柔性制造系统的性能分析 	 137 
4.4.1 瓶颈模型 	 137 
4.4.2 应用举例 	 139 
第 5章 柔性制造系统的工艺规划	 142 
5.1概述 	 142 
5.2工艺规划的基本概念和相关术语 	 142 
5.2.1 生产过程和工艺过程的基本概念 	 142 
5.2.2 机械加工工艺过程的基本组成 	 143 
5.2.3 工艺规划的基本概念 	 144 
5.2.4 零件族的基本概念及其建模方法 	 144 
5.2.5 工艺规划特性 	 147 
5.2.6 零件的物理特征 	 148 
5.2.7 生产批量 	 149 
5.3工艺规划的原则、依据及基本步骤 	 152 
5.3.1 工艺规划应遵循的基本原则 	 152 
5.3.2 工艺规划的主要依据 	 152 
5.3.3 工艺规划的基本步骤 	 153 
5.4柔性制造系统的整体工艺布局 	 153 
5.4.1 互补机床 	 153 
5.4.2 互替机床 	 154 
5.4.3 互替互补混合机床 	 154 
第 6章 CAPP与 CAAPP	 156 
6.1计算机辅助工艺规划 	 156 
6.1.1 概述	 156 
6.1.2 CAPP的组成 	 158 
6.1.3 CAPP的类型及其工作原理 	 160 
6.1.4 CAPP中零件信息的描述和输入 	 169 
6.1.5 CAPP应用实例 	 170 
6.1.6 CAPP的展望 	 175 
6.2计算机辅助装配工艺规划 	 176 
6.2.1 概述	 176 
6.2.2 CAAPP系统的功能 	 181 
6.2.3 CAAPP系统的基本内容 	 181 
6.2.4 CAAPP系统的组成结构 	 182 
6.2.5 CAAPP系统的功能需求与设计要求 	 183 
6.2.6 CAAPP的关键技术 	 184 参考文献	 192

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第 1章绪论
1.1 概述
随着计算机软硬件技术的飞速发展，对机械制造业的发展影响昀大的是电子计算机的应用。出现了所谓机电一体化的新概念，如数字控制（ NC）、计算机数控（ CNC）、分布式数控（DNC）、计算机辅助设计 /计算机辅助制造（ CAD/CAM）、成组技术（ GT）、计算机辅助工艺规划（ CAPP）、计算机辅助几何设计（ CAGD）和工业机器人（ ROBOT）等一系列新技术，同时也出现了“计算机集成制造系统”（CIMS）、“未来工厂”、“自动化工厂”等一些新概念及应用技术。作为这些技术的综合应用，在 20世纪 70年代末和 80年代初出现了“柔性制造系统”（Flexible Manufacturing System，FMS），它是一个由计算机控制的自动加工系统，可以同时加工形状相近的一组或一类产品。 FMS被定义为广义上的可编程控制系统，它具有处理高层次分布数据的能力，具有自动的物流，它使计算机集成制造的概念得以在车间实施，从而实现小批量、高效率的制造，以适应不同产品生命周期的动态变化。
一般来说，FMS是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。 FMS的工艺基础是成组技术，它能按照成组分类后的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备、工具及物料储运系统，并由计算机进行控制管理。同时，能通过简单的变更软件，自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产，及时地实现产品改变以适应市场需求的变化。 FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。目前， FMS的工艺范围正在不断扩大，包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。
从实现技术来讲，FMS是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。它具有设备利用率高、生产能力相对稳定、产品质量高、运行灵活和产品应变能力大等优势。
1.1.1 柔性制造系统的起源与发展历程
由于传统制造技术的局限性，昀初只是将自动化引入产品生产过程。到了 20世纪 50年代，开始对大批量、少品种的生产方式采用自动流水线制造设备，包括物流设备和相对固定的加工工艺设备，属于刚性自动化生产线。这种自动流水线设备相对昂贵，生产线中的各个设备相对固定，缺乏灵活性，只能加工生产线设计时所指定的一些工件。对这种刚性自动化生产线，如果要改变所制造的产品种类，需要对该自动流水线进行较大的改造，不管是在经费投入和时间花费方面都非常大。这种生产线的昀大优点是设备利用率很高，因此生产率很高，能获得较低产品生产成本。

第 1章 绪论 
1.1 概述 
随着计算机软硬件技术的飞速发展，对机械制造业的发展影响昀大的是电子计算机的应用。出现了所谓机电一体化的新概念，如数字控制（ NC）、计算机数控（ CNC）、分布式数控（DNC）、计算机辅助设计 /计算机辅助制造（ CAD/CAM）、成组技术（ GT）、计算机辅助工艺规划（ CAPP）、计算机辅助几何设计（ CAGD）和工业机器人（ ROBOT）等一系列新技术，同时也出现了“计算机集成制造系统”（CIMS）、“未来工厂”、“自动化工厂”等一些新概念及应用技术。作为这些技术的综合应用，在 20世纪 70年代末和 80年代初出现了“柔性制造系统”（Flexible Manufacturing System，FMS），它是一个由计算机控制的自动加工系统，可以同时加工形状相近的一组或一类产品。 FMS被定义为广义上的可编程控制系统，它具有处理高层次分布数据的能力，具有自动的物流，它使计算机集成制造的概念得以在车间实施，从而实现小批量、高效率的制造，以适应不同产品生命周期的动态变化。 
一般来说，FMS是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。 FMS的工艺基础是成组技术，它能按照成组分类后的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备、工具及物料储运系统，并由计算机进行控制管理。同时，能通过简单的变更软件，自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产，及时地实现产品改变以适应市场需求的变化。 FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。目前， FMS的工艺范围正在不断扩大，包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。 
从实现技术来讲，FMS是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。它具有设备利用率高、生产能力相对稳定、产品质量高、运行灵活和产品应变能力大等优势。 
1.1.1 柔性制造系统的起源与发展历程 
由于传统制造技术的局限性，昀初只是将自动化引入产品生产过程。到了 20世纪 50年代，开始对大批量、少品种的生产方式采用自动流水线制造设备，包括物流设备和相对固定的加工工艺设备，属于刚性自动化生产线。这种自动流水线设备相对昂贵，生产线中的各个设备相对固定，缺乏灵活性，只能加工生产线设计时所指定的一些工件。对这种刚性自动化生产线，如果要改变所制造的产品种类，需要对该自动流水线进行较大的改造，不管是在经费投入和时间花费方面都非常大。这种生产线的昀大优点是设备利用率很高，因此生产率很高，能获得较低产品生产成本。 
到了 20世纪 60年代，这种刚性自动化生产线已在发达国家得到普及。随着计算机控制和先进制造技术的飞速发展，各种高科技新产品不断出现，而且科技含量在产品成本所占的比例越来越高，同时，人们个性化产品的需求增长非常快。结果，传统的大批量生产方式所生产的产品在机械制造业所占的份额越来越少，占 15%～25%，而中小批量的产品占到了 75%～85%。 
尽管采用这种多品种中、小批量生产方式所制造的产品在国民经济中占据着绝对优势，但由于当时多品种中、小批量生产的生产方式比较落后，生产率很低，产品制造成本相对较高。随着市场竞争的日益激烈，要使产品在国际市场上具有竞争能力，必须结构新颖，性能优越，价格便宜。只有不断改变产品结构，提高产品性能，并在保证质量的前提下不断提高生产率，降低成本，才能有效提高产品的竞争能力。对于多品种、小批量产品需求而言，可以充分利用数控机床的优势，利用单台数控机床或加工中心来完成。数控机床的特点是当被加工的对象从一种工件类型转换到另一种工件类型时，只需要改变控制程序或数控程序、夹具和相应刀具，无需改变机床硬件。采用通用数控机床进行产品加工，尽管成本较高、生产率低，但加工质量高、灵活性大，适合加工形面复杂的各种零件，而且生产准备时间大大缩短。 
对于中等批量、中等规模品种的生产情况，需要一个折中方案综合考虑生产效率和灵活性的问题。该问题在金属品制造中表现特别突出。根据美国的统计资料显示，金属品加工在整个制造业中约占 75%。为此，解决好这个问题，对制造业来说也至关重要。如果就采用上面所述的两种生产方式势必导致机床利用率低、加工时间长、中间缓冲库存增大、刀具利用率低和车间中间利用率不高等一系列问题，同时这些问题也会导致产品成本的进一步提高。 
从 20世纪 70年代开始，随着计算机技术的飞速发展，采用计算机控制的数控机床（简称 CNC机床）逐渐进入应用领域，并以强大的优势在自动化领域中取代了机械式、液压式的自动机床。与传统的机床相比，在 CNC机床上，只需改变数控程序就可加工新的工件，处理加工对象的灵活性很大，而所需的调整时间却很少。它为柔性制造系统（ FMS）奠定了很好的物质基础。于是在近十年来，人们把自动化生产技术的发展重点转移到中、小批量生产领域。结合自动流水线与数控机床的特点，将数控机床的物料输送设备通过计算机联系起来，形成一个系统，来解决小批量、中等规模品种产品制造领域的问题，就形成所谓的“柔性制造系统”。 
FMS的首创者是英国 MAALROSE公司，它于 1963年制造了世界上第一条加工多种柴油机零件的数控自动线。1967年英国 MOLINS公司发布了它们的新产品 “Molins-System 24”，该系统采用计算机分散式控制加工设备，每天工作 24h。这也是 FMS的雏形。 
随着科学技术的迅速发展，新产品不断涌现，产品的复杂程度也不断提高，而且产品的市场寿命也在日益缩短，产品更新换代不断加快，中小批量生产在整个制造中也占据越来越重要的地位。针对这种情况，必须大幅度提高制造柔性和生产效率，缩短生产周期，保证产品质量，降低能耗，从而降低生产成本，以便获得高的经济效益。柔性制造系统便在这种情形下应运而生。尽管柔性制造系统的出现有多种内在的和外部的因素，但昀根本的因素主要体现在两个方面，其一是市场的发展与变化促使传统生产方式变革；其二是科学技术的发展为传统生产方式的变革提供了可能。 
一方面，从市场的特点来看，20世纪初，工业化形成的初期，市场对产品有充分的需要。这一时期的特点是：产品品种单一，生命周期长，产品数量迅速增加，各类产品的开发、生产、销售主要由少数企业控制着。促使制造企业通过采用自动机或自动生产线提高生产率来满足市场的需求。可是，在 60年代以后，随着经济的发展、生活水平的提高，追求多样化、新颖化成为社会风尚，对消费品的要求更高，希望产品有自己的特色，使得全球市场发 
生了很大变化，用户对产品的需求也发生了根本变化，不仅体现在产品质量、成本和服务方 
面，而且体现在个性化需求方面。市场要求产品的品种越来越多，而每种产品的批量却越来 
越小，这就导致现代机械工业生产结构中多品种、中小批量生产类型的企业在数量上占绝对 
优势地位。多品种、中小批量生产在社会生产总量中所占的比重日益增大，世界机电产品中 
属于中小批量生产的产品种类由 60年代占 50%左右到 80年代上升为 85%，产值由占 45% 
上升为 75%。我国机械制造企业中属于中小批量生产的占企业总数的 95%左右，它们绝大多 
数在传统的生产方式下，处于低效率、长周期、高成本的落后状态。 
这一发展趋势早期只对产品装配过程产生较大的影响，需要通过大规模定制方法，利用 
大批量生产出的多种具有相同几何形状的零部件装配出有所变化的昀终产品，现在已发展到 
需要采用不同计划形状的零部件形成真正有特色的个性化产品方面。 
为此，企业就必须以低的生产成本、短的生产周期开发更多的新产品，以适应市场多样 
化需求和全球范围内的激烈竞争。目前，制造企业都是按照顾客的需求去开发新产品和组织 
生产。激烈的竞争使传统的大规模生产环境发生了改变，要求对传统的零部件生产工艺进行 
改进。 
市场的变化与发展促使企业界寻求一条有效的途径，来解决多品种、中小批量生产自动化的问题。经过几十年的不懈努力，终于找到了解决这个问题的金钥匙——柔性制造系统（FMS）。 
另一方面，科学技术的发展为传统生产方式的变革提供了可能。从科学技术的发展来看， 
近几十年来，科学技术几乎在各个领域发生了深刻变化，据统计资料显示，科学知识在 19 
世纪是每 50年增加一倍，20世纪中叶每 10年增加一倍， 70年代每 5年增加一倍， 21世纪 
每 3年就增加一倍。 
1945年美国制造出第一台电子计算机，以后经历了电子管、晶体管、小规模集成电路、 
大规模和超大规模集成电路的发展过程。计算机的发展也给制造业带来了深刻的变化，出现 
了一系列的新技术、新概念，如 CAM、CAPP、FMS、CIMS等技术，并经过 30多年的发 
展，这些技术日益成熟，已部分地或完全地应用到生产实际中。与此同时，自动控制理论、 
制造工艺和生产管理科学也都有了日新月异的变化。这就为 FMS的发展提供了技术支撑。 
关于计算机辅助制造技术的发展，从数控机床的起源算起，自 1952年美国麻省理工学 
院研制成功第一台数控铣床，计算机辅助制造技术就被公认为是解决单件小批生产自动化的 
有效途径。经过了 40多年的发展历程，已经多次发生了根本性的变革，或者说是质的飞跃。 
首先是随着控制元器件的不断发展，经历了电子管、晶体管、小规模集成电路、中规模到大 
规模集成电路的发展过程。另外，机床本身也在机械结构和功能方面有了极大的进展，经历 
了滚珠丝杠、滚动导轨、调频变速主轴的应用等多个阶段。伴随着加工中心的出现，不仅给 
机床结构带来了根本性的变化，而且也随着伺服系统从步进电机、直流伺服到交流伺服的发 
展，数字控制理论方面也有了长足的发展。随着计算机性能的不断提高和普及应用，在 20世 
纪 70年代初，出现了计算机数控（ CNC）系统，这一技术对计算机控制软件系统的发展提 
供了一个很好的发展机遇。伴随着计算机软联控制数控技术的发展，传统的硬联数控系统要 
做某些改变或是增加一些功能，都需要重新进行系统结构设计，而对新型基于 CNC系统的 
数控软件系统来说，只需要对软件做一些必要的修改，就可以适应这种新要求。同时，工业 
机器人的自动上下料机构、交换工作台、自动换刀装置也有很大的进展；接着，出现了自动 
化程度更高、柔性更强的柔性制造单元，简称 FMC。柔性制造单元（ FMC）一般可分为两类，一类是在加工中心配上自动托盘交换系统，另一类是数控机床配备机器人。图 1-1是一个普通 FMC的原理图，图 1-2为 FMC现场应用实例。 
 
图 1-1 由一个机器人和多台机床组成的 FMC 
 
图 1-2 FMC现场应用实例 
随着 FMC的进一步发展，出现了由一台大型计算机控制若干台数控机床或由一台中央计算机控制若干台数控机床的计算机直接控制系统，就是所谓的 DNC。到了 20世纪 80年代初，随着物料自动搬运和存取、刀具管理、计算机网络、工程数据库和 CAD/CAM技术的发展，出现了自动化程度更高、规模化更大的柔性制造系统（ FMS），如图 1-3所示。 
 
图 1-3 带有 7个站点的 FMS 
 
1.1.2 柔性制造系统的发展现状 
从首个柔性制造系统的诞生到现在，柔性制造系统的发展经历了几十年。随着科技的快速发展，目前世界上一些发达国家已经成熟掌握了这项技术，而且这些发达国家已经将这项技术用于现场的工业应用中。提起柔性制造系统，大家并不陌生，世界上很多工业发达的国家将柔性制造系统用于汽车制造方面，这使得汽车的换代周期大大地缩短了，同时也节省了近一半的劳动力，设备的利用率提高了近一倍，生产场地和在制品也减少了一半以上，更可喜的是生产成本降低了一半左右。功能模块、界面的标准化、加工过程的自动监控及集成化是 20世纪末柔性制造系统发展的特点。今后柔性制造系统开发的中心任务将转向能够提高柔性制造系统柔性、鲁棒性、智能性的控制和软件技术方面。 
我国从 1984年才开始研

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