柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

1、.概述了柔性制造技術(shù)的基本概念、優(yōu)缺點(diǎn)、發(fā)展的支撐條件等，探討了柔性制造技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢(shì)，并指出“柔性”“敏捷”“智能”和“集成”乃是現(xiàn)今制造設(shè)備和系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。1 柔性制造技術(shù)(FMT)1.1 基本概念 柔性制造技術(shù)(FMT)可以表述為兩個(gè)方面：一是系統(tǒng)適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力，可用系統(tǒng)滿足新產(chǎn)品要求的程度來衡量：二是系統(tǒng)適應(yīng)內(nèi)部變化的能力?？捎迷谟懈蓴_情況下系統(tǒng)的生產(chǎn)率與無干擾情況下的生產(chǎn)率期望值之比來衡量?！叭嵝浴笔窍鄬?duì)于“剛性”而言的。傳統(tǒng)的“剛性”自動(dòng)化生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)，優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高，設(shè)備利用率高，單件產(chǎn)品成本低。但只能加工一種或幾種相類似的零件，難以應(yīng)付

2、多品種中小批量的生產(chǎn)。隨著批量生產(chǎn)時(shí)代逐漸被適應(yīng)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)所替換，一個(gè)制造自動(dòng)化系統(tǒng)的生存能力和競(jìng)爭(zhēng)能力在很大程度上取決于它是否能在很短的開發(fā)周期內(nèi)生產(chǎn)出較低成本、較高質(zhì)量的不同品種產(chǎn)品的能力。在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中，人們通常將用以生產(chǎn)產(chǎn)品的制造系統(tǒng)根據(jù)其一次投產(chǎn)的數(shù)量而分為大量、批量和單件生產(chǎn)3種類型。 近20年來世界市場(chǎng)從相對(duì)穩(wěn)定型轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)多變型。市場(chǎng)的需求和企業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)表現(xiàn)為：市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈、市場(chǎng)需求的多變性和不可預(yù)測(cè)性、產(chǎn)品生命周期日益縮短、產(chǎn)品需求趨于顧客化。在這種動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)全球化的市場(chǎng)環(huán)境中，企業(yè)生存和可持續(xù)發(fā)展已成為必須首先考慮的問題，這迫使企業(yè)努力尋找一種具有高柔性、高生產(chǎn)率、

3、高質(zhì)量和低成本的產(chǎn)品零件加工制造系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)制造系統(tǒng)，以期用最短的生產(chǎn)周期對(duì)市場(chǎng)需求變化作出響應(yīng)，并使包括廠房、設(shè)備及人力在內(nèi)的資源得到最有效地利用，達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)能力整體優(yōu)化的目的。 FMT所采用的一些原理和技術(shù)途徑包含有非常先進(jìn)的制造哲理和技術(shù)觀念。柔性制造系統(tǒng)(FMS)是能夠覆蓋上述3類制造系統(tǒng)基本原理和概念的一種制造系統(tǒng)。柔性制造設(shè)備或系統(tǒng)正成為制造業(yè)領(lǐng)域中極為重要的主力制造設(shè)備。1.2 柔性 柔性制造系統(tǒng)(FMS)必須以柔性制造設(shè)備，如托盤化CNC加工中心機(jī)床為基礎(chǔ)，而不能由沒有固有柔性(Flexibility)的設(shè)備，如專用機(jī)床來構(gòu)成。一個(gè)柔性制造設(shè)備或系統(tǒng)建成后運(yùn)行時(shí)所能達(dá)到

4、的柔性不僅取決于制造沒備或系統(tǒng)固有的柔性，還取決于用戶企業(yè)的制造能力、管理經(jīng)驗(yàn)、企業(yè)文化和為滿足市場(chǎng)需求所采取的制造策略等岡素。或者說一個(gè)柔性制造設(shè)備或系統(tǒng)還存在一種通過用戶方可實(shí)現(xiàn)的柔性。因此，對(duì)于某個(gè)確定的柔性制造設(shè)備或系統(tǒng)來說，其柔性是由其固有柔性和可實(shí)現(xiàn)柔性兩大部分組成的。 FMS的“柔性”是一個(gè)柔性制造設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)付各種可能變化或新情況的“應(yīng)變”能力。FMS的這種應(yīng)變能力表現(xiàn)在空間兼容性和時(shí)間兼容性兩個(gè)方面?？臻g兼容性是指要求制造系統(tǒng)適應(yīng)多種操作，有能力適應(yīng)多種不同類型結(jié)構(gòu)、尺寸的零件加工制造表現(xiàn)出在一定加工制造寬度范圍內(nèi)的兼容性：時(shí)間兼容性是指要求制造系統(tǒng)有能力應(yīng)付短期、中期或長(zhǎng)期

5、內(nèi)可能發(fā)生的情況變化。1.3 分類 柔性制造技術(shù)是對(duì)各種不同形狀加工對(duì)象實(shí)現(xiàn)程序化柔性制造加工的各種技術(shù)的總和。柔性制造技術(shù)是技術(shù)密集型的技術(shù)群。凡是側(cè)重于柔性，并適應(yīng)于多品種、中小批量的加工技術(shù)都屬于柔性制造技術(shù)。按規(guī)模大小劃分為以下4種。1.3.1 柔性制造系統(tǒng)(FMS) FMS包含2臺(tái)以上具有自動(dòng)刀具交換和自動(dòng)工件托盤交換裝置的數(shù)控機(jī)床，以加工中心為核心設(shè)備。配有自動(dòng)物料傳遞和管理系統(tǒng)，如有軌運(yùn)輸小車或自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸小車，并在中央計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制和管理下，動(dòng)態(tài)地平衡資源地有效利用，具有生產(chǎn)調(diào)度和對(duì)加工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力可動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)多種零件族的自動(dòng)加工。1.3.2 柔性制造單元(FMC) FM

6、C可視為一個(gè)規(guī)模最小的FMS，是FMS向廉價(jià)化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，它由l2臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及物料運(yùn)送存貯設(shè)備構(gòu)成，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性，現(xiàn)已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。 1.3.3 柔性制造線(FML) FML是處于單一或少品種大批量非柔性自動(dòng)線與中小批量多品種FMS之間的生產(chǎn)線。其加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC機(jī)床，亦可采用專用機(jī)床或NC專用機(jī)床，對(duì)物料搬運(yùn)系統(tǒng)柔性的要求低于FMS，但生產(chǎn)率更高。它以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生產(chǎn)過程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS)為代表，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動(dòng)化，其技術(shù)已日臻成熟，現(xiàn)已

7、進(jìn)入實(shí)用化階段。 1.3.4 柔性制造工廠(FMF) FMF是將多條FMS連接起來，配以自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CADCAM，并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)投入實(shí)際，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運(yùn)進(jìn)程的全盤化。FMF將制造、產(chǎn)品開發(fā)及經(jīng)營(yíng)管理的自動(dòng)化連成一個(gè)整體，以信息流控制物質(zhì)流的智能制造系統(tǒng)(IMS)為代表，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)工廠柔性化及自動(dòng)化。2 柔性制造所采用的關(guān)鍵技術(shù)2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD技術(shù)引入專家系統(tǒng)，使之具有智能化。它有助于加快開發(fā)新產(chǎn)品和研制新結(jié)

8、構(gòu)的速度。2.2 模糊控制技術(shù) 模糊數(shù)學(xué)的實(shí)際是模糊控制器。最近開發(fā)出的高性能模糊控制器具有自動(dòng)功能，可在控制過程中不斷獲取新的信息并自動(dòng)對(duì)控制量作調(diào)整，使系統(tǒng)性能大為改善，其中尤其以基于人工神經(jīng)的自學(xué)引起人們極大的關(guān)注。2.3 人工智能技術(shù)及專家系統(tǒng) 迄今，柔性制造技術(shù)中所采用的人工智能大多指基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)利用專業(yè)知識(shí)和推理規(guī)則進(jìn)行推理，求解各類問題(如解釋、預(yù)測(cè)、診斷、查找故障、設(shè)計(jì)、計(jì)劃、監(jiān)視、修復(fù)、命令及控制等)。由于專家系統(tǒng)能簡(jiǎn)便地將各種事實(shí)及與通過經(jīng)驗(yàn)獲得的知識(shí)相結(jié)合，因此為柔性制造的諸方面工作增強(qiáng)了柔性。展望未來，以知識(shí)密集為特征，以知識(shí)處理為手段的人工智能(包括專

9、家系統(tǒng))技術(shù)必將在柔性制造業(yè)(尤其智能型)中起著日趨重要的關(guān)鍵性的作用。智能制造技術(shù)(IMT)旨在將人工智能融入制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，借助模擬專家的智能活動(dòng)，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng)。在制造過程，系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。在受到外界或內(nèi)部激勵(lì)時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)其參數(shù)，以達(dá)到最佳工作狀態(tài)，具備自組織能力。2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是模擬智能生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息進(jìn)行并處理的一種方法，故也是一種人工智能工具。在自動(dòng)控制領(lǐng)域，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將并列于專家系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)，成為自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。3 FMT的發(fā)展趨勢(shì)3.1 發(fā)展FMT的支撐條件 1)技術(shù)培訓(xùn)。應(yīng)用FMT的用戶

10、需要建立一支自己的自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)＜液蛯I(yè)技術(shù)人員隊(duì)伍，因而，對(duì)有關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)極為重要。 2)自動(dòng)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。企業(yè)應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于成功應(yīng)用FMS是極為重要的，這種應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)是一種積累的過程。 3)上級(jí)主管部門和領(lǐng)導(dǎo)的支持。在國(guó)有企業(yè)中，成功應(yīng)用FMT的一個(gè)必要條件是得到上級(jí)主管部門和領(lǐng)導(dǎo)的有力支持，上級(jí)主管部門和領(lǐng)導(dǎo)支持的強(qiáng)弱對(duì)于縮短實(shí)施周期和回收期有著重大影響。 4)工程主管者。發(fā)展FMT必須任命一位有權(quán)威的工程主管者(工程負(fù)責(zé)人)。這位工程主管者通常應(yīng)處于上級(jí)主管部門或工廠級(jí)主管人員的地位。 5)供應(yīng)商。發(fā)展FMT，爭(zhēng)取軟、硬件供應(yīng)商的技術(shù)支持極為重要，即使是技術(shù)水平較高、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

11、較豐富的用戶，這種支持也是必要的。3.2 FMC將成為發(fā)展和應(yīng)用的熱門技術(shù) FMC的投資比FMS少得多而效益接近。更適用于財(cái)力有限的中小型企業(yè)。3.3 發(fā)展效率更高的FML 多品種、大批量的生產(chǎn)企業(yè)，如汽車及拖拉機(jī)等工廠對(duì)FML的需求引起了FMS制造廠的極大關(guān)注。采用價(jià)格低廉的專用數(shù)控機(jī)床替代通用的加工中心將是FML的發(fā)展趨勢(shì)。3.4 朝多功能方向發(fā)展 由單純加工型FMS進(jìn)一步開發(fā)以焊接、裝配、檢驗(yàn)及鈑材加工乃至鑄、鍛等制造工序兼具的多種功能FMS。FMS是實(shí)現(xiàn)未來工廠的新穎概念模式和新的發(fā)展趨勢(shì)，是決定制造企業(yè)未來發(fā)展前途的具有戰(zhàn)略意義的舉措。目前反映工廠整體水平的FMS是第一代FMS。真正

12、完善的第二代FMS將是智能化機(jī)械與人之間相互融合、柔性地全面協(xié)調(diào)從接受訂單至生產(chǎn)、銷售這一企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的全部活動(dòng)。 FMS是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，將以往企業(yè)中相互獨(dú)立的工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及經(jīng)營(yíng)管理等過程，在計(jì)算機(jī)及其軟件的支撐下，構(gòu)成一個(gè)覆蓋整個(gè)企業(yè)的完整而有機(jī)的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)化，總體高效益、高柔性，并進(jìn)而贏得競(jìng)爭(zhēng)全勝的智能制造系統(tǒng)。4 FMT的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 從上世紀(jì)60年代開始至今，F(xiàn)MT的出現(xiàn)、發(fā)展、進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)械加工行業(yè)及工廠自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響，并開創(chuàng)了工廠自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域，大大促進(jìn)了計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)(CIMT)的發(fā)展和應(yīng)用。世界

13、范圍內(nèi)的FMS獲得了約30的年增長(zhǎng)率的快速發(fā)展和應(yīng)用。在FMS領(lǐng)域，美國(guó)、西歐和日本居世界之首。20世紀(jì)90年代后，工業(yè)界更加注重信息集成和人在CIMS和FMS中的積極作用，認(rèn)識(shí)到對(duì)FMS而言，如果系統(tǒng)規(guī)模小些，并允許人更多地能動(dòng)介入，系統(tǒng)運(yùn)行往往會(huì)更有成效?，F(xiàn)在，F(xiàn)MT已朝著更加正確的方向發(fā)展。并開發(fā)了新的柔性制造設(shè)備，使高性能柔性加工中心構(gòu)成的FMC。fTrL得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，工業(yè)界已更加注重FMT與集成化CADCAPPCAM，工廠或車間生產(chǎn)控制和管理系統(tǒng)PCMS相集成，以達(dá)到使企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)能力整體優(yōu)化的目的，適應(yīng)動(dòng)態(tài)多變型市場(chǎng)的需求。當(dāng)今，“柔性”“敏捷”“智能”和“集成”乃是制造設(shè)備

14、和系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。FMS的構(gòu)成和應(yīng)用形式將更加靈活和多樣化，小型FMS在吸取了FMS應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)后獲得了迅速發(fā)展，其總體結(jié)構(gòu)通常采用模塊化、通用化、硬軟件功能兼容和可擴(kuò)展的設(shè)汁技術(shù)。這些模塊具有通用功能化特征，相對(duì)獨(dú)立性好，配有相應(yīng)硬軟件接口，易按不同需求進(jìn)行組合和擴(kuò)展。與大型FMS相比，投資較低，運(yùn)行可靠性好。成功率較高。這種小型化FMS和伴隨著DNC，F(xiàn)MS技術(shù)發(fā)展而附帶生產(chǎn)的FMC技術(shù)將具有更加強(qiáng)大的生命力，并將得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。還可能形成商品化的柔性制造設(shè)備，成為制造業(yè)先進(jìn)設(shè)備的主要發(fā)展趨勢(shì)和面向21世紀(jì)的先進(jìn)生產(chǎn)模式。參考文獻(xiàn)1 劉友蘇，徐定. 建造與應(yīng)用柔性加工系統(tǒng)J. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 1995, (01) . 2 黃勁. 我國(guó)柔性加工系統(tǒng)步入高層次J. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì), 1999, (02) . 3Kairos S組合柔性加工系統(tǒng)J. 現(xiàn)代制造, 2005, (19) . 4 譚天. 發(fā)展21世紀(jì)的柔性加工系統(tǒng)J. 世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng), 2002, (02) . 5 曉林. 一種適用于大量生產(chǎn)的柔性加工系統(tǒng)J. 世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng), 1997, (S1) . 6由高速加工中心組成的柔性加工系統(tǒng)J. 世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng), 1995, (03) . 7 沃克弗雷斯,雷漢秀. 創(chuàng)