柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

李敬遠(yuǎn) 滕巍岳

柔性制造系統(tǒng)（FMS）系指具有自動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)的自動化和高水平的柔性為目標(biāo)的制造系統(tǒng)。隨著 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，F(xiàn)MS 發(fā)展 頗為迅速，并且由于微 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，也促使柔性制造技術(shù)日臻成熟，80年代后，制造業(yè)自動化進(jìn)入一個嶄新 時代 ，即基于計算機(jī)的集成制造（CIMS）時代，F(xiàn)MS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。

一、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，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。FMC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)展和一種產(chǎn)物，其特點是實現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動化，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。

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)生產(chǎn)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。

4.柔性制造工廠（FMF）

FMF是將多條FMS連接起來，配以自動化立體倉庫，用計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計、加工、裝配、檢驗、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計算機(jī)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(jìn)而實現(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，其特點是實現(xiàn)工廠柔性化及自動化。

二、關(guān)鍵技術(shù)

1.計算機(jī)輔助設(shè)計

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)計技術(shù)最新的一個突破是光敏立體成形技術(shù)，該項新技術(shù)是直接利用CAD數(shù)據(jù)，通過計算機(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，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經(jīng)驗證過的 理論 與通過經(jīng)驗獲得的知識相結(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)計最有 發(fā)展 前途的仍是人工智能。預(yù)計到21世紀(jì)初，人工智能在FMS中的 應(yīng)用 規(guī)模將要比目前大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。故IMT被稱為未來21世紀(jì)的制造技術(shù)。對未來智能化FMS具有重要意義的一個正在急速發(fā)展的領(lǐng)域是智能傳感器技術(shù)。該項技術(shù)是伴隨 計算 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)中的一個組成部分。

三、發(fā)展趨勢

1.FMC將成為發(fā)展和應(yīng)用的熱門技術(shù)

這是因為FMC的投資比FMS少得多而 經(jīng)濟(jì) 效益相接近，更適用于財力有限的中小型 企業(yè) 。目前國外眾多廠家將FMC列為發(fā)展之重。

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.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，90年代此種狀況仍將會持續(xù)下去，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)計至21世紀(jì)才會實現(xiàn)。屆時，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。

80年代中期以來，F(xiàn)MS獲得迅猛發(fā)展，幾乎成了生產(chǎn)自動化之熱點。一方面是由于單項技術(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)、相對穩(wěn)定的市場，發(fā)展為動態(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，F(xiàn)MS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)。FMS作為當(dāng)今世界制造自動化技術(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。

作者簡介：李敬遠(yuǎn)，1992，05，05.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。

滕巍岳，1996，02，13.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。