柔性制造技術(shù)簡介

1、柔性制造技術(shù)簡介張登榜 摘 要：本文對比了傳統(tǒng)剛性制造技術(shù)和柔性制造技術(shù)的區(qū)別，同時(shí)討論了生產(chǎn)模式演變的根據(jù)和趨勢。從而引出了柔性、柔性制造技術(shù)的再認(rèn)識，并對所涉及的關(guān)鍵技術(shù)、功能以及發(fā)展應(yīng)用趨勢進(jìn)行了探討。以實(shí)現(xiàn)人們對柔性制造技術(shù)的整體認(rèn)識。關(guān)鍵詞：柔性制造；FMS；組成；發(fā)展趨勢Abstract：This article compares the traditional rigid manufacturing technology and flexible manufacturing technology, at the same time，the basis of production

2、pattern evolution and trends are discussed. Which leads to the recognition of flexible, flexible manufacturing technology, and the key technologies involved, functions and development trend of application are discussed. Let people can re-recognize the flexible manufacturing technology as a whole.Key

3、words：flexible manufacturing；FMS；composition；development trend為提高生產(chǎn)效率，降低成本，縮短制造周期，適應(yīng)現(xiàn)代社會產(chǎn)品頻繁更新的要求，60年代后期出現(xiàn)了柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)及柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System)等能適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)的柔性制造自動化系統(tǒng)。FMS、FMC等兼?zhèn)渖a(chǎn)率和柔性兩方面優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量生產(chǎn)自動化較為理想的方式。1 柔性自動化制造技術(shù) （1）問題的提出隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會對產(chǎn)品的功能與質(zhì)量

4、的要求越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，產(chǎn)品的復(fù)雜程度也隨之增高，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)方式受到了挑戰(zhàn)。因?yàn)?，在大批量生產(chǎn)方式中，柔性和生產(chǎn)率是相互矛盾的。眾所周知，只有品種單一、批量大、設(shè)備專用、工藝穩(wěn)定、效率高，才能構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益；反之，多品種、小批量生產(chǎn)，設(shè)備的專用性低，在加工形式相似的情況下，頻繁的調(diào)整工夾具，工藝穩(wěn)定難度增大，生產(chǎn)效率勢必受到影響。為了同時(shí)提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品成本，最終使中小批量生產(chǎn)能與大批量生產(chǎn)抗衡，柔性自動化系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。 （2） 柔性的概念 所謂“柔性”，即靈活性，主要表現(xiàn)在：生產(chǎn)設(shè)備的零件、部件

5、可根據(jù)所加工產(chǎn)品的需要變換；對加工產(chǎn)品的批量可根據(jù)需要迅速調(diào)整；對加工產(chǎn)品的性能參數(shù)可迅速改變并及時(shí)投入生產(chǎn)；可迅速而有效地 綜合應(yīng)用新技術(shù)；對用戶、貿(mào)易伙伴和供應(yīng)商的需求變化及特殊要求能迅速做出反應(yīng)。 （3）自動化系統(tǒng)柔性的基本特征：(1) 機(jī)器柔性 系統(tǒng)的機(jī)器設(shè)備具有隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的能力；(2) 工藝柔性 系統(tǒng)能夠根據(jù)加工對象的變化或原材料的變化而確定相應(yīng)的工藝流程；(3) 產(chǎn)品柔性 產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)向后，系統(tǒng)不僅對老產(chǎn)品的有用特性有繼承能力和兼容能力，而且還具有迅速、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力；(4) 生產(chǎn)能力柔性 當(dāng)生產(chǎn)量改變時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)作出反應(yīng)而經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行；(5) 維護(hù)柔性

6、 系統(tǒng)能采用多種方式查詢、處理故障，保障生產(chǎn)正常進(jìn)行；(6) 擴(kuò)展柔性 當(dāng)生產(chǎn)需要的時(shí)候，可以很容易地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加模塊，構(gòu)成一個(gè)更大的制造系統(tǒng)。2 柔性制造系統(tǒng)的類型 柔性制造技術(shù)是對各種不同形狀加工對象實(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，我們認(rèn)為凡是側(cè)重于柔性，適應(yīng)于多品種、中小批量（包括單件產(chǎn)品）的加工技術(shù)都屬于柔性制造技術(shù)。目前按規(guī)模大小劃分為： 1.柔性制造單元(FMC)。 柔性制造單元由一臺或數(shù)臺數(shù)控機(jī)床或加工中心構(gòu)成的加工單元。該單元根據(jù)需要可以自動更換刀具和夾具，加工不同的工件。柔性制造單元適合加工形狀復(fù)雜，加工工序簡單，加工工時(shí)較長，

7、批量小的零件。它有較大的設(shè)備柔性，但人員和加工柔性低。2.柔性制造系統(tǒng)(FMS)。 柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的自動化制造系統(tǒng),它包括多個(gè)柔性制造單元,能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進(jìn)行調(diào)整,適用于多品種、中小批量生產(chǎn)。3.柔性自動生產(chǎn)線(FML)。柔性自動生產(chǎn)線是把多臺可以調(diào)整的機(jī)床（多為專用機(jī)床）聯(lián)結(jié)起來，配以自動運(yùn)送裝置組成的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線可以加工批量較大的不同規(guī)格零件。柔性程度低的柔性自動生產(chǎn)線，在性能上接近大批量生產(chǎn)用的自動生產(chǎn)線；柔性程度高的柔性自動生產(chǎn)線，則接近于小批量、多品種生產(chǎn)用的柔性制造系統(tǒng)。4. 柔性制造工廠(FMF) 柔性制造工

8、廠是將多條FMS連接起來，配以自動化立體倉庫，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FMF。它包括了CAD/CADM，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是自動化生產(chǎn)的最高水平，反映出世界上最先進(jìn)的自動化應(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)工廠柔性化及自動化。3 柔性制造系統(tǒng)的組成1.加工系統(tǒng) 指以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，把外形尺寸（形狀不必完全一致）、重量大致相似，材料相同，

9、工藝相似的零件集中在一臺或數(shù)臺數(shù)控機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床等設(shè)備上加工的系統(tǒng)。加工系統(tǒng)的功能是以任意順序自動加工各種工件，并能自動的更換工件和刀具。通常由若干臺對工件進(jìn)行加工的CNC機(jī)床、加工中心和所使用的刀具組成。2.物流系統(tǒng) 指由多種運(yùn)輸裝置構(gòu)成，如傳送帶、軌道一轉(zhuǎn)盤以及機(jī)械手等，完成工件、刀具等的供給與傳送的系統(tǒng)，即物料儲運(yùn)系統(tǒng)，它是柔性制造系統(tǒng)主要的組成部分。3.信息系統(tǒng) 指對加工和運(yùn)輸過程中所需各種信息收集、處理、反饋，并通過電子計(jì)算機(jī)或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等)，對機(jī)床或運(yùn)輸設(shè)備實(shí)行分級控制的系統(tǒng)。信息系統(tǒng)包括過程控制和過程監(jiān)控兩個(gè)系統(tǒng)。其功能分別是：過程控制系統(tǒng)進(jìn)行加工系統(tǒng)及物流系統(tǒng)

10、的自動控制；過程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行在線狀態(tài)數(shù)據(jù)自動采集和處理。4 柔性制造技術(shù)的功能1、能自動控制和管理零件的加工過程，包括制造質(zhì)量的自動控制、故障的自動診斷和處理、制造信息的自動采集和處理； 2、通過簡單的軟件系統(tǒng)變更，便能制造出某一零件族的多種零件； 3、自動控制和管理物料（包括工件與刀具）的運(yùn)輸和存儲過程； 4、能解決多機(jī)床下零件的混流加工，且無需增加額外費(fèi)用； 5、具有優(yōu)化的調(diào)度管理功能，無需過多的人工介入，能做到無人加工。5 柔性制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)1、設(shè)備利用率高 一組機(jī)床編入柔性制造系統(tǒng)后的產(chǎn)量，一般可達(dá)這組機(jī)床在單機(jī)作業(yè)時(shí)的三倍。柔性制造系統(tǒng)能獲得高效率的原因，一是計(jì)算機(jī)把每個(gè)零件都安排了

11、加工機(jī)床，一但機(jī)床空閑，即刻將零件送上加工，同時(shí)將相應(yīng)的數(shù)控加工程序輸入這臺機(jī)床。二是由于送上機(jī)床的零件早已裝卡在托盤上（裝卡工作是在單獨(dú)的裝卸站進(jìn)行），因而機(jī)床不用等待零件的裝卡。 2、減少設(shè)備投資 由于設(shè)備的利用率高，柔性制造系統(tǒng)能以較少的設(shè)備來完成同樣的工作量。把車間采用的多臺加工中心換成柔性制造系統(tǒng)，其投資一般可減少三分之二。 3、減少直接工時(shí)費(fèi)用 由于機(jī)床是在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行工作，不需工人去操縱。唯一用人的工位是裝卸站。這就減少了工時(shí)費(fèi)用。 4、減少了工序中在制品量，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間 和一般加工相比，柔性制造系統(tǒng)在減少工序間零件庫存數(shù)量上有良好效果。有的減少了80%，這是因?yàn)榭s短了

12、等待加工時(shí)間。 5、改進(jìn)生產(chǎn)要求有快速應(yīng)變能力 柔性制造系統(tǒng)有其內(nèi)在的靈活性，能適應(yīng)由于市場需求變化和工程設(shè)計(jì)變更所出現(xiàn)的變動，進(jìn)行多品種生產(chǎn)。而且還能在不明顯打亂正常生產(chǎn)計(jì)劃的情況下，插入備件和急件制造任務(wù)。 6、維持生產(chǎn)的能力 許多柔性制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)成具有當(dāng)一臺或幾臺機(jī)床發(fā)生故障時(shí)仍能降級運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。即采用了加工能力有沉余度的設(shè)計(jì)，并使物料傳送系統(tǒng)有自行繞過故障機(jī)床的能力，系統(tǒng)仍能維持生產(chǎn)。 7、產(chǎn)品質(zhì)量高 減少零件裝卡次數(shù)，一個(gè)零件可以少上幾種機(jī)床加工，設(shè)計(jì)更好的專用夾具，更加注意機(jī)床和零件的定位都有利于提高零件的質(zhì)量。 8、運(yùn)行的靈活性 運(yùn)行的靈活性是提高生產(chǎn)率的另一個(gè)因素。有些柔性制造

13、系統(tǒng)能夠在無人照看的情況下進(jìn)行第二和第三班的生產(chǎn)。 9、產(chǎn)量的靈活性 車間平面布局規(guī)劃得合理，需要增加產(chǎn)量時(shí)，增加機(jī)床，以滿足擴(kuò)大生產(chǎn)能力的需要。6 柔性制造的關(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)展將會引入專家系統(tǒng)，使之具有智能化，可處理各種復(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

14、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地對控制量作調(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，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)利用專家知識和推理規(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)獲得的知識相結(jié)合，因而專家系統(tǒng)為

15、柔性制造的諸方面工作增強(qiáng)了柔性。展望未來，以知識密集為特征，以知識處理為手段的人工智能（包括專家系統(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。目前用于柔性制造中的各種技術(shù)，預(yù)計(jì)最有發(fā)展前途的仍是人工智能。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)初，人工智能在柔性制造技術(shù)中的應(yīng)用規(guī)模將在比目前大4 倍。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，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動。在制造過程，系統(tǒng)能自動監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)，在受到外界或內(nèi)部激勵時(shí)能自動調(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。故IMT被稱為未來21世紀(jì)的制造技術(shù)。對未來智能化柔性制造技術(shù)具

16、有重要意義的一個(gè)正在急速發(fā)展的領(lǐng)域是智能傳感器技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是伴隨計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和人工智能而產(chǎn)生的，它使傳感器具有內(nèi)在的“決策” 功能。（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)對信息進(jìn)行并處理的一種方法。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)代自動化系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。7 柔性制造的發(fā)展趨勢 柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢大致有兩個(gè)方面。一方面是與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造系統(tǒng)相結(jié)合，利用原有產(chǎn)品系列的典型工藝資料，組合設(shè)計(jì)不同模塊，構(gòu)成各種不同形式的具有物料流和信息流的模塊化柔性系統(tǒng)。另一方面是實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品

17、決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到銷售的整個(gè)生產(chǎn)過程自動化，特別是管理層次自動化的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。1.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)，自動地完成不同要求的全部加工過程。2.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 據(jù)統(tǒng)計(jì)，從18701970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)過程的自動化，特別是管理層次工作的自動化。這樣集成的一個(gè)完整的生產(chǎn)系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。CIMS的主要特征是集成化與智能化。集成化即自動化的廣度，它把系統(tǒng)的空間擴(kuò)展到市場、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、檢驗(yàn)、銷售和為用戶眼務(wù)等全部過程；智能化的自動化朝深度，不僅包含物料流的自動化，而且還包括信息流的自動化。 結(jié)束語 柔性制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)未來工廠的新穎概念模式和新的發(fā)展趨勢，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。屆時(shí)，智能化機(jī)械與