具備智能制造特征的柔性制造系統(tǒng)建設(shè)

文/劉鳴 陳端毓

1 柔性制造系統(tǒng)簡介

20世紀(jì)50年代，少品種、大批量的剛性流水線生產(chǎn)是主要的生產(chǎn)方式；隨著市場競爭日益激烈，對個性化、多樣化產(chǎn)品的需求日益旺盛，中、小批量生產(chǎn)模式取代大批量的生產(chǎn)模式成為制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式。柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing Systems，F(xiàn)MS)應(yīng)時(shí)而生，并且相對于剛性自動化生產(chǎn)線，優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來：能夠幫助企業(yè)在多樣化需求和動態(tài)不確定的環(huán)境中生存和發(fā)展，抵抗市場風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)如今，柔性生產(chǎn)能力已經(jīng)成為同成本、質(zhì)量和交貨期同等重要的衡量企業(yè)績效和競爭力的指標(biāo)，反映了企業(yè)應(yīng)對需求多樣性和環(huán)境不確定性的能力。

FMS具有自動化程度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其適用于多品種、中小批量生產(chǎn)。相對“剛性”生產(chǎn)線，柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在對制造過程變化的適應(yīng)性上：一方面是適應(yīng)系統(tǒng)外部的變化，反映系統(tǒng)的加工能力，例如加工零件類型改變時(shí)，能很好的適應(yīng)新產(chǎn)品的加工；另一方面是適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的變化，反映系統(tǒng)的抗干擾能力，例如可以很好地適應(yīng)插單生產(chǎn)。20世紀(jì)60年代中期，F(xiàn)MS首先在英國和美國出現(xiàn)，80年代得以現(xiàn)實(shí)和并進(jìn)入商品化時(shí)代。2000年后，全球已有3500套以上的FMS正常運(yùn)行，到目前為止，F(xiàn)MS已經(jīng)基本普及。

2 具備智能制造特點(diǎn)FMS的意義

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，柔性制造系統(tǒng)一般由三部分組成：多工位的數(shù)控加工單元，自動化的物料貯運(yùn)單元和計(jì)算機(jī)控制信息單元。以往，柔性制造系統(tǒng)的研究往往偏重于對系統(tǒng)硬件搭建的研究、傳輸線單元設(shè)計(jì)與研究和柔性系統(tǒng)運(yùn)輸調(diào)度問題的研究。

柔性制造系統(tǒng)作為一個系統(tǒng)，孤立地研究某一項(xiàng)問題，研究結(jié)果往往與實(shí)際生產(chǎn)有所偏差，例如在做生產(chǎn)調(diào)度研究時(shí)，忽略不同零件加工工時(shí)的影響；其次，柔性制造系統(tǒng)在具體應(yīng)用中同樣存在設(shè)備停機(jī)時(shí)間過長，生產(chǎn)計(jì)劃混亂，或者計(jì)劃不能按時(shí)執(zhí)行等情況，例如機(jī)床因故障停機(jī)，或者系統(tǒng)無法迅速響應(yīng)計(jì)劃更改；再者，柔性制造系統(tǒng)內(nèi)部不可避免地存在信息孤島，傳統(tǒng)的柔性制造系統(tǒng)理論并不強(qiáng)調(diào)各單元之間的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換。實(shí)際上，智能制造能有效地解決上述問題，并且能夠幫助柔性制造系統(tǒng)更好地發(fā)揮制造柔性，提高生產(chǎn)效率。

3 具備智能制造特點(diǎn)的FMS的建設(shè)

3.1 FMS組成及工作流程

具備智能特點(diǎn)的FMS模型和原理框圖如圖1所示。料庫的毛料是FMS的物質(zhì)輸入，設(shè)計(jì)圖紙和任務(wù)計(jì)劃是FMS的信息輸入。FMS由四個單元組成：數(shù)據(jù)處理中心、加工單元、運(yùn)輸單元和倉庫單元。

數(shù)字化制造數(shù)據(jù)處理中心是柔性制造系統(tǒng)的大腦，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理，包含的職能有：生成工藝路線，生成排產(chǎn)計(jì)劃，模擬加工過程，模擬加工程序，監(jiān)視和控制加工單元（含檢驗(yàn)單元）和運(yùn)輸單元，管理工藝資源庫。

加工單元負(fù)責(zé)工件的加工、清洗和檢驗(yàn)任務(wù)，可由數(shù)控機(jī)床、加工中心、數(shù)控磨床、清洗機(jī)、三坐標(biāo)測量機(jī)等組成。加工中心可配備雙交換的工作臺，省去了工件從柔性生產(chǎn)線到機(jī)床轉(zhuǎn)移需要的機(jī)器人；可配備有刀具壽命管理和刀具破損檢測，可做到少人甚至無人監(jiān)護(hù)，減少加工中心工位需要的操作工。清洗位清洗工件，省去人工清洗工件的工序，節(jié)約工時(shí)，并使清洗質(zhì)量可控。檢驗(yàn)工位直接并入加工單元，方便工件測量，采用數(shù)字化的測量系統(tǒng)，在完成工件測量的同時(shí)生成質(zhì)量檢驗(yàn)記錄，并且將加工不到尺寸的工件可直接發(fā)送到上游工序繼續(xù)加工。

運(yùn)輸單元負(fù)責(zé)工件、夾具的周轉(zhuǎn)，一般由機(jī)器人、自動引導(dǎo)小車、裝載站和運(yùn)轉(zhuǎn)中心等組成。運(yùn)輸系統(tǒng)的執(zhí)行指令來自數(shù)據(jù)處理中心，并且一直受數(shù)據(jù)處理中心的監(jiān)視。

立體倉庫存儲可以同時(shí)存儲成品和半成品、刀具、工裝，實(shí)現(xiàn)工藝資源的自動化管理，可以做成整體式的倉庫，也可以做成分類式的倉庫，將工裝和刀具分開存放。與普通的倉庫相比，立體倉庫除了實(shí)現(xiàn)自動化，還需與工藝資源數(shù)據(jù)庫連接，向數(shù)據(jù)庫提供準(zhǔn)確的庫存信息。

FMS工作過程可以描述為：

（1）技術(shù)準(zhǔn)備：系統(tǒng)接到生產(chǎn)任務(wù)和設(shè)計(jì)圖紙，由工藝人員，根據(jù)加工任務(wù)書和設(shè)計(jì)圖紙，借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（Compuer Aided Technology），重用工藝資源庫的信息，迅速分解圖紙，生成工藝文件、生產(chǎn)計(jì)劃、數(shù)控程序、加工刀具清單、配套夾具清單，完成加工過程的模擬、加工程序的模擬。

（2）生產(chǎn)準(zhǔn)備：工人從料庫準(zhǔn)備材料；庫房管理人員根據(jù)刀具清單準(zhǔn)備刀具，發(fā)放刀具；工藝人員傳遞加工程序至加工設(shè)備；操作人員檢查確定系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

（3）生產(chǎn)實(shí)施：在運(yùn)輸單元，借助工業(yè)機(jī)器人或自動引導(dǎo)小車（AGV）或裝載站，按照信息系統(tǒng)的指令和工件及夾具的編碼信息，完成工件及夾具安裝和轉(zhuǎn)移；在加工單元，按照工藝路線和指定程序完成工件的加工，生成加工記錄；加工完成，送入清洗機(jī)清洗；清洗完成送入測量工位，檢驗(yàn)尺寸，生成質(zhì)量檢驗(yàn)記錄。

（4）檢驗(yàn)入庫：由裝卸及運(yùn)輸單元將成品送入成品庫，同時(shí)把檢驗(yàn)記錄、加工情況反饋記錄傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心；檢查隨行夾具，確保完好，送回夾具庫，將入庫信息傳至數(shù)據(jù)處理中心；檢查需要入庫的刀具，并將刀具使用情況和入庫信息反饋到數(shù)據(jù)處理中心。

3.2 FMS信息平臺結(jié)構(gòu)

圖1：具有數(shù)字化制造特點(diǎn)的FMS原理框架圖

在系統(tǒng)的每個工位都配備有聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，保證了整個系統(tǒng)通信的暢通，方便數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)在每個工位共享，及工位與工位之間數(shù)據(jù)的交換，符合數(shù)字化制造工藝資源共享和知識重用的特性。每臺數(shù)控加工設(shè)備都和計(jì)算機(jī)連接，方便操作工人在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)查看任務(wù)書、工藝文件、數(shù)控程序等，并能夠及時(shí)通過計(jì)算機(jī)將加工信息迅速反饋到數(shù)據(jù)處理中心。工藝室的計(jì)算機(jī)以內(nèi)部局域網(wǎng)的形式相互連接，并和FMS服務(wù)器和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫相連，能夠即時(shí)獲取工藝資源數(shù)據(jù)庫的信息。

3.3 FMS連續(xù)工作機(jī)制

FMS夜間無人看守實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，主要包括兩點(diǎn)：如何實(shí)現(xiàn)加工工件的自動上下料，如何保證在無人看守時(shí)的設(shè)備安全和零件加工質(zhì)量。主要的關(guān)鍵技術(shù)如下：刀具壽命管理、刀具破損檢測、工件在線測量、機(jī)床保護(hù)等。通過對機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的檢測，實(shí)現(xiàn)設(shè)備夜間安全的作業(yè)。

3.4 FMS的特點(diǎn)分析

與傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)相比，新的系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的數(shù)字化制造數(shù)據(jù)處理中心和運(yùn)行狀態(tài)檢測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理中心能夠?qū)⑾到y(tǒng)中各個單元的實(shí)時(shí)信息高效的收集和共享，更大程度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息物理融合。通過實(shí)時(shí)化監(jiān)測，多種方式實(shí)時(shí)采集制造過程數(shù)據(jù)，并對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地分析，準(zhǔn)確、及時(shí)對制造過程管理控制。

4 結(jié)論

在新的柔性制造系統(tǒng)構(gòu)建中必須把握這一方向，將柔性制造系統(tǒng)和智能制造相結(jié)合。目前初步建成的柔性制造系統(tǒng)基本具備智能制造集成化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化和實(shí)時(shí)化的柔性制造系統(tǒng)。全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造技術(shù)有很多技術(shù)需要攻關(guān)，例如建立工藝資源庫、管理數(shù)據(jù)庫、建立制造過程模型仿真系統(tǒng)等；同樣的，在柔性制造系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化還需要更深入的研究。