論柔性制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

郝欣麗等

摘 要：通過柔性、柔性制造技術(shù)的概念、分類、所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，以及發(fā)展應(yīng)用趨勢，以促使人們對新的制造技術(shù)認(rèn)識和重視。

關(guān)鍵詞：柔性制造技術(shù)；FMS；計算機(jī)輔助技術(shù)

隨著社會的進(jìn)步和生活水平的提高，社會對產(chǎn)品多樣化，低制造成本及短制造周期等需求日趨迫切，傳統(tǒng)的制造技術(shù)已不能滿足市場對多品種小批量，更具特色符合顧客個人要求樣式和功能的產(chǎn)品的需求。90年代后，由于微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械與控制設(shè)備的發(fā)展，制造業(yè)自動化進(jìn)入一個嶄新的時代，技術(shù)日臻成熟。柔性制造技術(shù)已成為各工業(yè)化國家機(jī)械制造自動化的研制發(fā)展重點。

1 基本概念

1.1 柔性柔性可以表述為兩個方面

第一方面是系統(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；第二方面是系統(tǒng)適應(yīng)內(nèi)部變化的能力，可用在有干擾（如機(jī)器出現(xiàn)故障）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τ凇皠傂浴倍缘模瑐鹘y(tǒng)的“剛性”自動化生產(chǎn)線主要實現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)。其優(yōu)點是生產(chǎn)率很高，由于設(shè)備是固定的，所以設(shè)備利用率也很高，單件產(chǎn)品的成本低。但價格相當(dāng)昂貴，且只能加工一個或幾個相類似的零件，難以應(yīng)付多品種中小批量的生產(chǎn)。隨著批量生產(chǎn)時代正逐漸被適應(yīng)市場動態(tài)變化的生產(chǎn)所替換，一個制造自動化系統(tǒng)的生存能力和競爭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。柔性已占有相當(dāng)重要的位置。

柔性主要包括：

1）機(jī)器柔性 當(dāng)要求生產(chǎn)一系列不同類型的產(chǎn)品時，機(jī)器隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的難易程度。

2）工藝柔性 一是工藝流程不變時自身適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化的能力；二是制造系統(tǒng)內(nèi)為適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化而改變相應(yīng)工藝的難易程度。

3）產(chǎn)品柔性 一是產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)向后，系統(tǒng)能夠非常經(jīng)濟(jì)和迅速地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力；二是產(chǎn)品更新后，對老產(chǎn)品有用特性的繼承能力和兼容能力。

4）維護(hù)柔性 采用多種方式查詢、處理故障，保障生產(chǎn)正常進(jìn)行的能力。

5）生產(chǎn)能力柔性 當(dāng)生產(chǎn)量改變、系統(tǒng)也能經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行的能力。對于根據(jù)訂貨而組織生產(chǎn)的制造系統(tǒng)，這一點尤為重要。

1.2 柔性制造的分類

柔性制造技術(shù)柔性制造技術(shù)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(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）柔性制造系統(tǒng)（FMS）

關(guān)于柔性制造系統(tǒng)的定義很多，權(quán)威性的定義有：美國國家標(biāo)準(zhǔn)局把FMS定義為：“由一個傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起來的一些設(shè)備，傳輸裝置把工件放在其他聯(lián)結(jié)裝置上送到各加工設(shè)備，使工件加工準(zhǔn)確、迅速和自動化。中央計算機(jī)控制機(jī)床和傳輸系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)有時可同時加工幾種不同的零件。 國際生產(chǎn)工程研究協(xié)會指出”柔性制造系統(tǒng)是一個自動化的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，在最少人的干預(yù)下，能夠生產(chǎn)任何范圍的產(chǎn)品族，系統(tǒng)的柔性通常受到系統(tǒng)設(shè)計時所考慮的產(chǎn)品族的限制。“ 而我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)則定義為”柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲裝置和計算機(jī)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(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)。“ 簡單地說，F(xiàn)MS是由若干數(shù)控設(shè)備、物料運(yùn)貯裝置和計算機(jī)控制系統(tǒng)組成的并能根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)品種變化而迅速進(jìn)行調(diào)整的自動化制造系統(tǒng)。 目前常見的組成通常包括4臺或更多臺全自動數(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)的情況下實現(xiàn)多品種、中小批量的加工及管理。目前反映工廠整體水平的FMS是第一代FMS，日本從1991年開始實施的”智能制造系統(tǒng)“（IMS）國際性開發(fā)項目，屬于第二代FMS；而真正完善的第二代FMS預(yù)計本世紀(jì)十年代后才會實現(xiàn)。

2）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，F(xiàn)MC可視為一個規(guī)模最小的FMS，是FMS向廉價化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，它是由1～2臺加工中心、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，其特點是實現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動化，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。迄今已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。

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)生過程中的分散型控制系統(tǒng)（DCS）為代表，其特點是實現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動化，其技術(shù)已日臻成熟，迄今已進(jìn)入實用化階段。

2 柔性制造所采用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 計算機(jī)輔助設(shè)計

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)構(gòu)的速度。

2.2 模糊控制技術(shù)

模糊數(shù)學(xué)的實際是模糊控制器。最近開發(fā)出的高性能模糊控制器具有自動功能，可在控制過程中不斷獲取新的信息并自動對控制量作調(diào)整，使系統(tǒng)性能大為改善，其中尤其以基于人工神經(jīng)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、計劃、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及與通過經(jīng)驗獲得的知識相結(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。智能制造技術(shù)（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(yùn)行狀態(tài)。在受到外界或內(nèi)部激勵時能自動調(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。

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)，成為自動化系統(tǒng)中的一個組成部分。

3 FMT的發(fā)展趨勢

3.1 發(fā)展FMT的支撐條件

1）技術(shù)培訓(xùn)。應(yīng)用FMT的用戶需要建立一支自己的自動化領(lǐng)域?qū)＜液蛯I(yè)技術(shù)人員隊伍，因而，對有關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)極為重要。

2）自動化應(yīng)用經(jīng)驗。企業(yè)應(yīng)用自動化技術(shù)的經(jīng)驗對于成功應(yīng)用FMS是極為重要的，這種應(yīng)用經(jīng)驗是一種積累的過程。

3）上級主管部門和領(lǐng)導(dǎo)的支持。在國有企業(yè)中，成功應(yīng)用FMT的一個必要條件是得到上級主管部門和領(lǐng)導(dǎo)的有力支持，上級主管部門和領(lǐng)導(dǎo)支持的強(qiáng)弱對于縮短實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)處于上級主管部門或工廠級主管人員的地位。

5）供應(yīng)商。發(fā)展FMT，爭取軟、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FML的需求引起了FMS制造廠的極大關(guān)注。采用價格低廉的專用數(shù)控機(jī)床替代通用的加工中心將是FML的發(fā)展趨勢。

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。目前反映工廠整體水平的FMS是第一代FMS。真正完善的第二代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)營的全部活動。

FMS是在自動化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，將以往企業(yè)中相互獨立的工程設(shè)計、生產(chǎn)制造及經(jīng)營管理等過程，在計算機(jī)及其軟件的支撐下，構(gòu)成一個覆蓋整個企業(yè)的完整而有機(jī)的系統(tǒng)，以實現(xiàn)全局動態(tài)最優(yōu)化，總體高效益、高柔性，并進(jìn)而贏得競爭全勝的智能制造系統(tǒng)。

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)床與自動化加工技術(shù)， 1995， （01） .

[2] 黃勁. 我國柔性加工系統(tǒng)步入高層次[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計， 1999， （02） .

[3]Kairos 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， 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， 1997， （S1） .