柔性制造系統(tǒng)在中小企業(yè)中的應(yīng)用和未來(lái)的發(fā)展

倪 珉

（上海市工業(yè)技術(shù)學(xué)校， 上海 200231）

引言

隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，買方市場(chǎng)的興起對(duì)中小企業(yè)傳統(tǒng)的制造模式提出了苛刻的要求，顧客對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)品的交貨期限和產(chǎn)品價(jià)格的要求也逐步提高，按需定制的生產(chǎn)模式替代傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)勢(shì)在必行。另外，隨著新技術(shù)和新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，市場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，對(duì)中小企業(yè)的應(yīng)對(duì)能力提出了更高的要求。因此，中小企業(yè)就必須對(duì)傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式進(jìn)行調(diào)整，以降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)能力，增強(qiáng)自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

1 柔性制造系統(tǒng)相關(guān)概念

1.1 柔性制造系統(tǒng)的概念

柔性制造系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱為FMS（英文名稱Flexible Manufacture System），由一組數(shù)控機(jī)床及其他自動(dòng)化工藝設(shè)備構(gòu)成，是一個(gè)由計(jì)算機(jī)信息控制系統(tǒng)和物料自動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)共同組成的的整體。柔性制造系統(tǒng)一般由加工、物料運(yùn)輸、計(jì)算機(jī)信息三個(gè)子系統(tǒng)組成，以加工自動(dòng)化為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)輸和計(jì)算機(jī)信息的自動(dòng)化。

1.2 柔性制造系統(tǒng)的組成部分

1.2.1 加工系統(tǒng)

柔性制造過(guò)程中加工系統(tǒng)使用的設(shè)備是根據(jù)待加工產(chǎn)品的大小和類別確定的，一般包括加工車床和計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）車（或稱車削中心），能夠自動(dòng)地完成各個(gè)工序的加工。磨損了的刀具、車床卡盤(pán)的卡爪、特種夾具及加工中心的主軸箱都可以進(jìn)行自動(dòng)更換。

1.2.2 物料系統(tǒng)

物料系統(tǒng)的作用是使原料、產(chǎn)品及設(shè)備的零部件能夠自動(dòng)供給和裝卸，使各個(gè)工序間進(jìn)行自動(dòng)傳送、運(yùn)輸和存儲(chǔ)。這個(gè)部分主要包括各種規(guī)格的傳送帶、自動(dòng)導(dǎo)引設(shè)備、工業(yè)機(jī)械手臂和專用的起吊運(yùn)送設(shè)備等。物料系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)奈锪弦话阌忻鳌⒐ぜ?、刀具、夾具、檢具和切屑等；物料貯存的方式既可以是平面布置的托盤(pán)庫(kù)，也可以是立體布置的巷道式倉(cāng)庫(kù)。毛坯等原料一般由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工人手動(dòng)裝入托盤(pán)上的夾具之中，存放在自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的某個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，然后由物料運(yùn)輸系統(tǒng)依照管理計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令送達(dá)指定的位置。傳送滾道與固定軌道式臺(tái)車比較適合按照工藝順序進(jìn)行設(shè)備排列的柔性制造系統(tǒng)之中，排列位置對(duì)自動(dòng)引導(dǎo)臺(tái)車進(jìn)行物料搬運(yùn)的順序沒(méi)有影響，搬運(yùn)順序的靈活性較強(qiáng)。工業(yè)機(jī)器人可以在一定的的范圍內(nèi)完成對(duì)1～4臺(tái)機(jī)床的輸送及裝卸，對(duì)于一些體積較大的工件一般利用APC（托盤(pán)自動(dòng)交換裝置）進(jìn)行傳送，也可在輸送軌道上設(shè)置工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行工件的同時(shí)傳送和裝卸[2]。

1.2.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的作用是處理輸出控制機(jī)床及物料系統(tǒng)等自動(dòng)系統(tǒng)的信息。一般使用設(shè)備級(jí)、工作站級(jí)、單元級(jí)三級(jí)分布式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其中單元控制器（單元級(jí)控制系統(tǒng)）是FMS系統(tǒng)的核心組件。FMS的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的形式結(jié)構(gòu)有很多種，例如群控式的遞階控制系統(tǒng)。第一級(jí)為每個(gè)工藝設(shè)備的CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控設(shè)備），完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制；第二級(jí)為群控計(jì)算機(jī)，對(duì)由第三級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)出生產(chǎn)計(jì)劃及數(shù)控指令等信息，傳達(dá)給第一級(jí)中的相關(guān)數(shù)控裝置，并且把第一級(jí)中的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況上報(bào)給第三級(jí)計(jì)算機(jī)；第三級(jí)是柔性制造系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)，任務(wù)是完成生產(chǎn)計(jì)劃的制訂，對(duì)FMS的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理。

1.2.4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件的作用是保證FMS系統(tǒng)能夠適應(yīng)多品種、中小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)控制、管理以及優(yōu)化工作，一般包括系統(tǒng)管理、監(jiān)控軟件、生產(chǎn)調(diào)度軟件、生產(chǎn)分析軟件和設(shè)計(jì)規(guī)劃軟件。性能良好的軟件系統(tǒng)是FMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)。一般的，除了維持計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作的軟件以外，更多的是根據(jù)具體的使用要求和用戶經(jīng)驗(yàn)所開(kāi)發(fā)的專門(mén)應(yīng)用軟件，一般主要包括控制軟件、計(jì)劃管理軟件和數(shù)據(jù)管理軟件等。

1.3 柔性制造系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）生產(chǎn)靈活性高。柔性制造系統(tǒng)的靈活性非常高，能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求的變化或工程設(shè)計(jì)的變更所造成的生產(chǎn)計(jì)劃變動(dòng)，能夠開(kāi)展多品種生產(chǎn)工作。

2）不僅設(shè)備利用率高，而且上班占地面積也少。FMS系統(tǒng)的設(shè)備利用率可達(dá)到70%甚至更高，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的布局緊湊，相對(duì)于傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備，F(xiàn)MS系統(tǒng)設(shè)備占地面積可減少20%～50%。

3）產(chǎn)品質(zhì)量高而且質(zhì)量穩(wěn)定。柔性制造系統(tǒng)所用的為全自動(dòng)化生產(chǎn)加工模式，減少了人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，在保證產(chǎn)品的質(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定[3]。

4）FMS系統(tǒng)減少了制品的數(shù)量、縮短了生產(chǎn)工作的準(zhǔn)備時(shí)間。在柔性制造系統(tǒng)中，各種設(shè)備一般集中在一個(gè)較小的場(chǎng)地內(nèi)，各種工序一般集中于加工中心，減少了零件運(yùn)輸?shù)拇螖?shù)和經(jīng)過(guò)的設(shè)備數(shù)目。

5）FMS系統(tǒng)的生產(chǎn)維持能力強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)中的一臺(tái)或幾臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，不影響正常設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.4 FMS的分類

1.4.1 FMC（柔性制造單元）

FMC的出現(xiàn)并在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用比FMS約晚6～8年。FMC一般由加工中心、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和物料運(yùn)輸存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)成。FMC具有相當(dāng)大的靈活性，能夠適應(yīng)多品種產(chǎn)品的加工。FMC可以看成一個(gè)最小規(guī)模的FMS，是FMS向廉價(jià)化和小型化方面發(fā)展的一種形式。FMC是單機(jī)柔性化和自動(dòng)化的具體實(shí)現(xiàn)。目前FMC在發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。

1.4.2 FMS（柔性制造系統(tǒng)）

一般由4臺(tái)或更多的全自動(dòng)數(shù)控機(jī)床構(gòu)成加工中心，以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和物料系統(tǒng)進(jìn)行連接，F(xiàn)MS可在不停機(jī)的前提下進(jìn)行多品種、中小購(gòu)買產(chǎn)品的加工和管理。

1.4.3 FML（柔性制造線）

FML是處于單一或少品種產(chǎn)品大批量非柔性自動(dòng)生產(chǎn)線和FMS之間的一種生產(chǎn)線。FML的加工設(shè)備可以采用通用的加工中心，也可以是專用機(jī)床。FML不但對(duì)物料系統(tǒng)的柔性要求要低于FMS，而且生產(chǎn)率也比FMS更高。FML是生產(chǎn)線柔性化和自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，目前FML在技術(shù)上日趨完善，處于實(shí)用化研究階段。

1.4.4 FMF（柔性制造工廠）

FMF實(shí)際上就是把多條FMS進(jìn)行連接，再加上自動(dòng)化的立體倉(cāng)庫(kù)，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行各系統(tǒng)之間的聯(lián)系，完成從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配到檢驗(yàn)、運(yùn)送、發(fā)貨的整個(gè)過(guò)程。FMF包括了CAD與CAM，是ClMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，是整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化的實(shí)現(xiàn)。進(jìn)而完成對(duì)全廠范圍內(nèi)的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工和物料貯運(yùn)工作。FMF實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化的最高水平，是目前最先進(jìn)的生產(chǎn)自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)。FMF將產(chǎn)品的制造、開(kāi)發(fā)和經(jīng)營(yíng)管理連成一個(gè)自動(dòng)化的整體。FMF是整個(gè)工廠柔性化和自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。

2 柔性制造系統(tǒng)在我國(guó)中小企業(yè)的應(yīng)用方式

2.1 細(xì)胞生產(chǎn)方式

與傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式相比而言，這種生產(chǎn)方式有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)，一是生產(chǎn)規(guī)模小，二是標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)模式形成之后的小生產(chǎn)細(xì)胞能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的復(fù)制。由于上述兩個(gè)特點(diǎn)，這種生產(chǎn)方式可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）產(chǎn)量變化時(shí)的簡(jiǎn)單應(yīng)對(duì)，對(duì)一個(gè)或一個(gè)以上的細(xì)胞進(jìn)行復(fù)制，就可以滿足原產(chǎn)量好幾倍的生產(chǎn)需求；

2）場(chǎng)地占用少，這種生產(chǎn)方式下的細(xì)胞能夠簡(jiǎn)單復(fù)制，生產(chǎn)線能夠在短時(shí)間內(nèi)完成搭建，所以在不需要的時(shí)候就可以進(jìn)行拆除，以減少場(chǎng)地；

3）每一個(gè)細(xì)胞所需的人員少，這就使相同工位間作業(yè)時(shí)間的差異較小，能夠獲得更高的工作效率；

4）通過(guò)對(duì)員工的合理分配（由能力差別不大的員工組合成一個(gè)細(xì)胞），可以充分發(fā)揮每個(gè)員工的作業(yè)能力和水平。如果能夠建立依據(jù)每個(gè)細(xì)胞產(chǎn)能的激勵(lì)機(jī)制，有利于員工間的良性競(jìng)爭(zhēng)的形成。

2.2 一人生產(chǎn)方式

在傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)模式中，即使某產(chǎn)品所需的裝配時(shí)間非常少，但是它往往還是被安排在一條很長(zhǎng)的流水線上，由數(shù)十人共同來(lái)完成裝配工作。對(duì)于一些作業(yè)時(shí)間比較短、產(chǎn)量需求也不大的產(chǎn)品，可以改成由一個(gè)員工獨(dú)自進(jìn)行整個(gè)產(chǎn)品裝配工作的方式，這就是一人生產(chǎn)方式。與此同時(shí)，由于工作績(jī)效和員工個(gè)人的工資水平直接掛鉤，這種生產(chǎn)方式不但有細(xì)胞生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，還能夠有效提高工作人員的質(zhì)量意識(shí)、競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)及成本意識(shí)，提高員工的綜合素質(zhì)。

2.3 個(gè)流生產(chǎn)方式

這種生產(chǎn)方式為：取消機(jī)器間的臺(tái)車，并通過(guò)設(shè)置機(jī)器間的滑板等科學(xué)的工序，使產(chǎn)品能夠在機(jī)器間形成單個(gè)的流動(dòng)。這種生產(chǎn)方式的特點(diǎn)是大幅度減少中間產(chǎn)品的庫(kù)存，減少資金及場(chǎng)地的占用；使機(jī)器間的搬運(yùn)減少，降低傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中對(duì)搬運(yùn)工具的依賴；當(dāng)產(chǎn)品品質(zhì)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以將信息及時(shí)反饋到前面的生產(chǎn)工序，使中間產(chǎn)品的大量報(bào)廢得以避免。這種生產(chǎn)方式既適用于機(jī)械的加工，也能夠運(yùn)用到產(chǎn)品的裝配過(guò)程中。

2.4 利用柔性設(shè)備

目前，有一種叫做柔性管的產(chǎn)品開(kāi)始在中小企業(yè)中應(yīng)用。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式中，中小企業(yè)一般都會(huì)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流水線的外購(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，現(xiàn)在卻常常自己拼裝簡(jiǎn)易的柔性生產(chǎn)線。兩者比較來(lái)說(shuō)，這種柔性生產(chǎn)線不但能夠大幅度降低設(shè)備外購(gòu)的費(fèi)用，設(shè)備安裝也非常的方便——設(shè)備安裝工作不需要專業(yè)的人員，企業(yè)的普通員工就能在短時(shí)間內(nèi)完成安裝工作，而且，當(dāng)不需要這些設(shè)備的時(shí)候可以隨時(shí)予以拆除，提高企業(yè)場(chǎng)地的利用效率。

3 柔性制造系統(tǒng)在我國(guó)中小企業(yè)的發(fā)展建議

3.1 加快FMC和小型柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展

由于柔性制造單元的設(shè)備投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于柔性制造系統(tǒng)，而生產(chǎn)能力卻相相差不大，對(duì)于財(cái)力相對(duì)有限的中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，顯然更為適合。對(duì)于多品種、大批量的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)行通過(guò)價(jià)格相對(duì)低廉的專用數(shù)控機(jī)床代替柔性制造系統(tǒng)中常用的加工中心的研究。

3.2 完善FMS的自動(dòng)化功能

目前來(lái)說(shuō)，F(xiàn)MS所需完成的作業(yè)內(nèi)容不斷擴(kuò)大，由初期簡(jiǎn)單的機(jī)械加工逐步向裝配、焊接、校驗(yàn)和板材加工甚至鑄鍛等綜合性的領(lǐng)域發(fā)展。另外，對(duì)FMS、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，向自動(dòng)化制造工廠方向發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)了幾十年的探索和發(fā)展，F(xiàn)MS的制造理念在當(dāng)前遭遇了一些困難和其他一些制造模式的挑戰(zhàn)。但在對(duì)FMS進(jìn)行充分理解的基礎(chǔ)上，可以發(fā)現(xiàn)FMS中無(wú)論是系統(tǒng)內(nèi)部的傳統(tǒng)柔性，還是生產(chǎn)、組織、協(xié)調(diào)、管理的整體柔性，都是現(xiàn)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件對(duì)中小企業(yè)的必然要求。