柔性制造技術簡介

1、柔性制造技術簡介張登榜 摘 要：本文對比了傳統(tǒng)剛性制造技術和柔性制造技術的區(qū)別，同時討論了生產(chǎn)模式演變的根據(jù)和趨勢。從而引出了柔性、柔性制造技術的再認識，并對所涉及的關鍵技術、功能以及發(fā)展應用趨勢進行了探討。以實現(xiàn)人們對柔性制造技術的整體認識。關鍵詞：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，是實現(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 （1）問題的提出隨著科學技術的發(fā)展，人類社會對產(chǎn)品的功能與質量

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)。因為，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、設備專用、工藝穩(wěn)定、效率高，才能構成規(guī)模經(jīng)濟效益；反之，多品種、小批量生產(chǎn)，設備的專用性低，在加工形式相似的情況下，頻繁的調整工夾具，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)便應運而生。 （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)需要迅速調整；對加工產(chǎn)品的性能參數(shù)可迅速改變并及時投入生產(chǎn)；可迅速而有效地 綜合應用新技術；對用戶、貿易伙伴和供應商的需求變化及特殊要求能迅速做出反應。 （3）自動化系統(tǒng)柔性的基本特征：(1) 機器柔性 系統(tǒng)的機器設備具有隨產(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的工藝流程；(3) 產(chǎn)品柔性 產(chǎn)品更新或完全轉向后，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)濟地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力；(4) 生產(chǎn)能力柔性 當生產(chǎn)量改變時，系統(tǒng)能及時作出反應而經(jīng)濟地運行；(5) 維護柔性

6、 系統(tǒng)能采用多種方式查詢、處理故障，保障生產(chǎn)正常進行；(6) 擴展柔性 當生產(chǎn)需要的時候，可以很容易地擴展系統(tǒng)結構，增加模塊，構成一個更大的制造系統(tǒng)。2 柔性制造系統(tǒng)的類型 柔性制造技術是對各種不同形狀加工對象實現(xiàn)程序化柔性制造加工的各種技術的總和。柔性制造技術是技術密集型的技術群，我們認為凡是側重于柔性，適應于多品種、中小批量（包括單件產(chǎn)品）的加工技術都屬于柔性制造技術。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)控機床或加工中心構成的加工單元。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雜，加工工序簡單，加工工時較長，

7、批量小的零件。它有較大的設備柔性，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)控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)組成的自動化制造系統(tǒng),它包括多個柔性制造單元,能根據(jù)制造任務或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進行調整,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)線是把多臺可以調整的機床（多為專用機床）聯(lián)結起來，配以自動運送裝置組成的生產(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，用計算機系統(tǒng)進行聯(lián)系，采用從訂貨、設計、加工、裝配、檢驗、運送至發(fā)貨的完整FMF。它包括了CAD/CADM，并使計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）投入實際，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動化，進而實現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運進程的全盤化。FMF是自動化生產(chǎn)的最高水平，反映出世界上最先進的自動化應用技術。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整體，以信息流控制物質流的智能制造系統(tǒng) (IMS）為代表，其特點是實現(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) 指以成組技術為基礎，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)控機床或專用機床等設備上加工的系統(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行加工的CNC機床、加工中心和所使用的刀具組成。2.物流系統(tǒng) 指由多種運輸裝置構成，如傳送帶、軌道一轉盤以及機械手等，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) 指對加工和運輸過程中所需各種信息收集、處理、反饋，并通過電子計算機或其他控制裝置(液壓、氣壓裝置等)，對機床或運輸設備實行分級控制的系統(tǒng)。信息系統(tǒng)包括過程控制和過程監(jiān)控兩個系統(tǒng)。其功能分別是：過程控制系統(tǒng)進行加工系統(tǒng)及物流系統(tǒng)

10、的自動控制；過程監(jiān)控系統(tǒng)進行在線狀態(tài)數(shù)據(jù)自動采集和處理。4 柔性制造技術的功能1、能自動控制和管理零件的加工過程，包括制造質量的自動控制、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）的運輸和存儲過程； 4、能解決多機床下零件的混流加工，且無需增加額外費用； 5、具有優(yōu)化的調度管理功能，無需過多的人工介入，能做到無人加工。5 柔性制造技術的優(yōu)點1、設備利用率高 一組機床編入柔性制造系統(tǒng)后的產(chǎn)量，一般可達這組機床在單機作業(yè)時的三倍。柔性制造系統(tǒng)能獲得高效率的原因，一是計算機把每個零件都安排了

11、加工機床，一但機床空閑，即刻將零件送上加工，同時將相應的數(shù)控加工程序輸入這臺機床。二是由于送上機床的零件早已裝卡在托盤上（裝卡工作是在單獨的裝卸站進行），因而機床不用等待零件的裝卡。 2、減少設備投資 由于設備的利用率高，柔性制造系統(tǒng)能以較少的設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、減少直接工時費用 由于機床是在計算機控制下進行工作，不需工人去操縱。唯一用人的工位是裝卸站。這就減少了工時費用。 4、減少了工序中在制品量，縮短了生產(chǎn)準備時間 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%，這是因為縮短了

12、等待加工時間。 5、改進生產(chǎn)要求有快速應變能力 柔性制造系統(tǒng)有其內在的靈活性，能適應由于市場需求變化和工程設計變更所出現(xiàn)的變動，進行多品種生產(chǎn)。而且還能在不明顯打亂正常生產(chǎn)計劃的情況下，插入備件和急件制造任務。 6、維持生產(chǎn)的能力 許多柔性制造系統(tǒng)設計成具有當一臺或幾臺機床發(fā)生故障時仍能降級運轉的能力。即采用了加工能力有沉余度的設計，并使物料傳送系統(tǒng)有自行繞過故障機床的能力，系統(tǒng)仍能維持生產(chǎn)。 7、產(chǎn)品質量高 減少零件裝卡次數(shù)，一個零件可以少上幾種機床加工，設計更好的專用夾具，更加注意機床和零件的定位都有利于提高零件的質量。 8、運行的靈活性 運行的靈活性是提高生產(chǎn)率的另一個因素。有些柔性制造

13、系統(tǒng)能夠在無人照看的情況下進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，增加機床，以滿足擴大生產(chǎn)能力的需要。6 柔性制造的關鍵技術 （1）計算機輔助設計 未來CAD技術發(fā)展將會引入專家系統(tǒng)，使之具有智能化，可處理各種復雜的問題。當前設計技術最新的一個突破是光敏立體成形技術，該項新技術是直接利用CAD數(shù)據(jù)，通過計算機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的光敏樹脂液面進行光學掃描，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)小時內便可制出精確

14、的原型。它有助于加快開發(fā)新產(chǎn)品和研制新結構的速度。 （2）模糊控制技術 模糊數(shù)學的實際應用是模糊控制器。最近開發(fā)出的高性能模糊控制器具有自學習功能，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)絡的自學方法更引起人們極大的關注。 （3） 人工智能、專家系統(tǒng)及智能傳感器技術 迄今，柔性制造技術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)則進行推理，求解各類問題（如解釋、預測、診斷、查找故障、設計、計劃、監(jiān)視、修復、命令及控制等）。由于專家系統(tǒng)能簡便地將各種事實及經(jīng)驗證過的理論與通過經(jīng)驗獲得的知識相結合，因而專家系統(tǒng)為

15、柔性制造的諸方面工作增強了柔性。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)）技術必將在柔性制造業(yè)（尤其智能型）中起著日趨重要的關鍵性的作用。目前用于柔性制造中的各種技術，預計最有發(fā)展前途的仍是人工智能。預計到21世紀初，人工智能在柔性制造技術中的應用規(guī)模將在比目前大4 倍。智能制造技術（IMT）旨在將人工智能融入制造過程的各個環(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)測其運行狀態(tài)，在受到外界或內部激勵時能自動調節(jié)其參數(shù)，以達到最佳工作狀態(tài)，具備自組織能力。故IMT被稱為未來21世紀的制造技術。對未來智能化柔性制造技術具

16、有重要意義的一個正在急速發(fā)展的領域是智能傳感器技術。該項技術是伴隨計算機應用技術和人工智能而產(chǎn)生的，它使傳感器具有內在的“決策” 功能。（4）人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術 人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）是模擬智能生物的神經(jīng)網(wǎng)絡對信息進行并處理的一種方法。故人工神經(jīng)網(wǎng)絡也就是一種人工智能工具。在自動控制領域，神經(jīng)網(wǎng)絡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)展趨勢大致有兩個方面。一方面是與計算機輔助設計和輔助制造系統(tǒng)相結合，利用原有產(chǎn)品系列的典型工藝資料，組合設計不同模塊，構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)。另一方面是實現(xiàn)從產(chǎn)品

17、決策、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)到銷售的整個生產(chǎn)過程自動化，特別是管理層次自動化的計算機集成制造系統(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)濟性，可將其主要組成部分標準化和模塊化。加工件的輸送模塊，有感應線導軌小車輸送和有軌小車輸送；刀具的輸送和調換模塊，有刀具交換機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.計算機集成制造系統(tǒng) 據(jù)統(tǒng)計，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)品設計的效率僅提高了20% 左右。顯然，后兩種的效率已成為進一步發(fā)展生產(chǎn)的制約因素。因此，制造技術的發(fā)展就不能局限在車間制造過程的自動化，而要全面實現(xiàn)從生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設計到銷售的整個生產(chǎn)過程的自動化，特別是管理層次工作的自動化。這樣集成的一個完整的生產(chǎn)系統(tǒng)就是計算機集成制造系統(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)的空間擴展到市場、產(chǎn)品設計、加工制造、檢驗、銷售和為用戶眼務等全部過程；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。 結束語 柔性制造技術是實現(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，智能化機械與