淺談柔性制造系統(tǒng)及其在制造業(yè)中的應(yīng)用

淺談柔性制造系統(tǒng)及其在制造業(yè)中的應(yīng)用袁榕徽華東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)設(shè)09510094261【摘要】柔性制造系統(tǒng)(FMs)系指具有自動(dòng)化程度高的制造系統(tǒng)。目前所談及的FMS通常是指在批量切削加工中以先進(jìn)的自動(dòng)化和高水平的柔性為目標(biāo)的制造系統(tǒng)。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化、低制造成本及短制造周期等需求日趨迫切，F(xiàn)MS發(fā)展頗為迅速，并且由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械與控制設(shè)備的發(fā)展，也促使柔性制造技術(shù)日臻成熟，80年代后，制造業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入一個(gè)嶄新時(shí)代，即基于計(jì)算機(jī)的集成制造(CIMS)時(shí)代，F(xiàn)MS已成為各工業(yè)化國家機(jī)械制造自動(dòng)化的研制發(fā)展重點(diǎn)?！娟P(guān)鍵詞】柔性制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用1柔性制造系統(tǒng)1．1規(guī)模按規(guī)模大小FMS可分為如下4類：（1)柔性制造單元(FMC)。FMC的問世并在生產(chǎn)中使用約比FMS晚6-8年。它是由12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)成具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。FMC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)展和一種產(chǎn)物。其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化。迄今已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。(2)柔性制造系統(tǒng)(FMS)。通常包括4臺(tái)或更多臺(tái)全自動(dòng)數(shù)控機(jī)床(加工中心與車削中心等)。由集中的控制系統(tǒng)及物料搬運(yùn)系統(tǒng)連接起來。可在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的加工及管理。(3)柔性制造線(FML)。它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。它是以離散型生產(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，迄今已進(jìn)入實(shí)用化階段。(4)柔性制造工廠(FMF)。FMF是將多條FMS連接起來，配以自動(dòng)化立體倉庫，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CAD／CAM。并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ClMS)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是自動(dòng)化生產(chǎn)的最高水平。反映出世界上最先進(jìn)的自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)。它是將制造、產(chǎn)品開發(fā)及經(jīng)營管理的自動(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。1．2關(guān)鍵技術(shù)(1)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。未來CAD技術(shù)發(fā)展將會(huì)引入專家系統(tǒng)，使之具有智能化?？商幚砀鞣N復(fù)雜的問題。當(dāng)前設(shè)計(jì)技術(shù)最新的一個(gè)突破是光敏立體成形技術(shù)。該項(xiàng)新技術(shù)是直接利用CAD數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)控制的激光掃描系統(tǒng)將三維數(shù)字模型分成若干層二維片狀圖形。并按二維片狀圖形對(duì)池內(nèi)的光敏樹脂液面進(jìn)行光學(xué)掃描，被掃描到的液面則變成固化塑料。如此循環(huán)操作。逐層掃描成形。并自動(dòng)地將分層成形的各片狀固化塑料粘合在一起。僅需確定數(shù)據(jù)，數(shù)小時(shí)內(nèi)便可制出精確的原型。它有助于加快開發(fā)新產(chǎn)品和研制新結(jié)構(gòu)的速度。(2)模糊控制技術(shù)。模糊數(shù)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用是模糊控制器。最近開發(fā)出的高性能模糊控制器具有自學(xué)習(xí)功能，可在控制過程中不斷獲取新的信息并自動(dòng)地對(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)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)方法更引起人們極大的關(guān)注。(3)人工智能專家系統(tǒng)及智能傳感器技術(shù)。迄今，F(xiàn)MS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)利用專家知識(shí)和推理規(guī)則進(jìn)行推理，求解各類問題(如解釋、預(yù)測、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)能簡便地將各種事實(shí)及經(jīng)驗(yàn)證過的理論與通過經(jīng)驗(yàn)獲得的知識(shí)相結(jié)合，因而專家系統(tǒng)為FMS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(包括專家系統(tǒng))技術(shù)必將在FMS(尤其智能型)中起著關(guān)鍵性的作用。人工智能在未來FMS中將發(fā)揮日趨重要的作用。目前用于FMS中的各種技術(shù)，預(yù)計(jì)最有發(fā)展前途的仍是人工智能。(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)行并行處理的一種方法。故人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也就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)不久將并列于專家系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)，成為現(xiàn)代自支化系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。1.3柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[4]柔性制造系統(tǒng)是一種技術(shù)復(fù)雜、高度自動(dòng)化的系統(tǒng)，它將微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)工程等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，理想和圓滿地解決了機(jī)械制造高自動(dòng)化與高柔性化之間的矛盾。具體優(yōu)點(diǎn)如下。(1)設(shè)備利用率高。一組機(jī)床編入柔性制造系統(tǒng)后，產(chǎn)量比這組機(jī)床在分散單機(jī)作業(yè)時(shí)的產(chǎn)量提高數(shù)倍。(2)在制品減少80%左右。(3)生產(chǎn)能力相對(duì)穩(wěn)定。自動(dòng)加工系統(tǒng)由一自或多臺(tái)機(jī)床組成，發(fā)生故障時(shí)，有降級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，物料傳送系統(tǒng)也有自行繞過故障機(jī)床的能力。(4)產(chǎn)品質(zhì)量高。零件在加工過程中，裝卸一次完成，加工精度嵩，加工形式穩(wěn)定。(5)運(yùn)行靈活。有些柔性制造系統(tǒng)的檢驗(yàn)、裝卡和維護(hù)工作可在第一班完成，第二、第三班可在無人照看下正常生產(chǎn)。在理想的柔性制造系統(tǒng)中，其監(jiān)控系統(tǒng)還能處理諸如刀具的磨損調(diào)換、物流的堵塞疏通等運(yùn)行過程中不可預(yù)料的問題。(6)產(chǎn)品應(yīng)變能力大。刀具、夾具及物料運(yùn)輸裝置具有可調(diào)性，且系統(tǒng)平面布置合理，便于增減設(shè)備，滿足市場需要。(7)經(jīng)濟(jì)效果顯著。采用FMS的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果是：能按裝配作業(yè)配套需要，及時(shí)安排所需零件的加工，實(shí)現(xiàn)及時(shí)生產(chǎn)，從而減少毛坯和在制品的庫存量，及相應(yīng)的流動(dòng)資金占用量，縮短生產(chǎn)周期；提高設(shè)備的利用率，減少設(shè)備數(shù)量和廠房面積；減少直接勞動(dòng)力，在少人看管條件下可實(shí)現(xiàn)晝夜24小時(shí)的連續(xù)“無人化生產(chǎn)”；提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。2柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用2．1FMS在加工回轉(zhuǎn)類零件中的應(yīng)用。如圖2所示，該系統(tǒng)的概況如下。圖加工回轉(zhuǎn)體類零件的FMS[2]（1)加工對(duì)象為軸、盤類零件．（2)加工系統(tǒng)為以5臺(tái)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)模塊(CNC車床2臺(tái)，數(shù)控磨床1臺(tái)，立式和臥式加工中心各1臺(tái))與4臺(tái)搬運(yùn)型工業(yè)機(jī)器人結(jié)合構(gòu)成的加工單元。（3)物流系統(tǒng)采用自動(dòng)認(rèn)址感應(yīng)式無軌小車，機(jī)床前設(shè)有托板站，系統(tǒng)設(shè)有平面托板存儲(chǔ)庫。（4)控制系統(tǒng)。①中央管理系統(tǒng)(MAINCPU)：總體管理和決策控制。由主計(jì)算機(jī)(CPU)通過光纜與各單元、物流系統(tǒng)、控制機(jī)和自動(dòng)編程機(jī)等聯(lián)成控制網(wǎng)絡(luò)。②單元控制裝置(CCU)：單元生產(chǎn)過程控制。③搬運(yùn)控制和管理裝置(MCU)：物流控制。④計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)：切削加工控制。⑤其他：中心孔清洗和工業(yè)監(jiān)視電視系統(tǒng)等裝置。2．2FMS在箱體加工中的應(yīng)用如圖3所示，該系統(tǒng)的概況如下。圖加工回轉(zhuǎn)體類零件的FMS[2](1)加工對(duì)象為箱體類零件。(2)加工系統(tǒng)是由3臺(tái)立式數(shù)控機(jī)床和7臺(tái)加工中心結(jié)合構(gòu)成的加工單元。(3)物流系統(tǒng)采用無軌導(dǎo)向小車自動(dòng)完成零件的運(yùn)送。(4)控制系統(tǒng)。①中央管理系統(tǒng)(MAINCPU)：總體管理和決策控制．②單元控制裝置(CCU)：單元生產(chǎn)過程控制．③搬運(yùn)控制和管理裝置(MCU)：物流控制．④計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)：切削加工控制．⑤其他：托盤庫和裝卸站．零件的識(shí)別采用托盤庫里托盤編碼方式識(shí)讀．在裝卸站由人工完成零件裝卸，采用無軌導(dǎo)向車自動(dòng)完成零件的運(yùn)送。零件加工切削由地下冷卻液和切削系統(tǒng)集中處理，冷卻液可循環(huán)利用。機(jī)床主軸和機(jī)床刀庫之間自動(dòng)換刀，機(jī)床刀庫和外界換刀、測量和檢驗(yàn)都是在每道工序加工完成后由人工進(jìn)行。采用本系統(tǒng)后，獲得的主要效益是提高機(jī)床利用率50％，縮短生產(chǎn)周期35％。提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性[3]。3FMS發(fā)展趨勢(shì)3.1FMC將成為發(fā)展和應(yīng)用的熱門技術(shù)這是因?yàn)镕MC的投資比FMS少得多而經(jīng)濟(jì)效益相接近,更適用于財(cái)力有限的中小型企業(yè)。目前國外眾多廠家將FMC列為發(fā)展之重。3.2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)[1]。3.3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)及板材加工乃至鑄、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，90年代此種狀況仍將會(huì)持續(xù)下去。日本從1991年開始實(shí)施的”智能制造系統(tǒng)”(IMS)國際性開發(fā)項(xiàng)目。屬于第二代FMS：而真正完善的第二代FMS預(yù)計(jì)至21世紀(jì)才會(huì)實(shí)現(xiàn)。屆時(shí)。智能化機(jī)械與人之間將相互融合、柔性地全面協(xié)調(diào)從接受訂單貨至生產(chǎn)、銷售這一企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的全部活動(dòng)。8O年代中期以來。FMS獲得迅猛發(fā)展幾乎成了生產(chǎn)自動(dòng)化之熱點(diǎn)。一方面是由于單項(xiàng)技術(shù)如NC加工中心、工業(yè)機(jī)器人、CAD／CAM、資源管理及高度技術(shù)等的發(fā)展提供了可供集成一個(gè)整體系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)；另一方面，世界市場發(fā)生了重大變化，由過去傳統(tǒng)、相對(duì)穩(wěn)定的市場，發(fā)展為動(dòng)態(tài)多變的市場，為了從市場中求生存、求發(fā)展。提高企業(yè)對(duì)市場需求的應(yīng)變能力，人們開始探索新的生產(chǎn)方法和經(jīng)營模式。近年來FMS作為一種現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)哲理”和工廠自動(dòng)化的先進(jìn)模式已為國際上所公認(rèn)，可以這樣認(rèn)為：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)。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?？傮w高效益，高柔性并進(jìn)而贏得競爭全勝的智能制造系統(tǒng)。FMS作為當(dāng)今世界制造自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的前沿科技為未來機(jī)構(gòu)制造工廠提供了一幅宏偉的藍(lán)圖。將成為21世紀(jì)機(jī)構(gòu)制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式。3.4模塊化的柔性制造系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)工作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，可將其主要組成部分標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。加工件的輸送模塊，有感應(yīng)線導(dǎo)軌小車輸送和有軌小車輸送；刀具的輸送和調(diào)換模塊，有刀具交換機(jī)器人和與工件共用輸送小車的刀盒輸送方式等。利用不同的模塊組合，構(gòu)成不同形式的具有物料流和信息流的柔性制造系統(tǒng)，自動(dòng)地完成不同要求的全部加工過程。圖1是典型模塊化柔性制造系統(tǒng)特征圖。由圖1可見，刀具的供給方式、工件的輸送存儲(chǔ)和交換方式，是影響系統(tǒng)復(fù)雜程度的最大因素。3.5計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)從1870－1970年的100年中，加工過程的效率提高了2000%，而生產(chǎn)管理的效率只提高了80%，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率僅提高了20%左右。顯然，后兩種的效率已成為進(jìn)一步發(fā)展生產(chǎn)的制約因素。因此，制造技術(shù)的發(fā)展就不能局限在車間制造過程的自動(dòng)化，而要全面實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)到銷售的整個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，特別是管理層次工作的自動(dòng)化。這樣集成的一個(gè)完整的生產(chǎn)系統(tǒng)就是計(jì)算