柔性制造技術(shù)與發(fā)展
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柔性自動化制造技術(shù)簡稱柔性制造技術(shù)。自1967年由英國莫林斯(molins)公司提出以后，至今已發(fā)展了30多年。由于柔性制造技術(shù)是管理技術(shù)和制造技術(shù)的有機(jī)集合．換句話說它是以數(shù)控技術(shù)為核心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、檢測技術(shù)、質(zhì)量控制技術(shù)與生產(chǎn)管理技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)制造技術(shù)，因而被世界各國所重視，并在發(fā)達(dá)國家的制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
柔性制造技術(shù)的應(yīng)用，既解決了近百年來中小批量和中大批量多品種加工自動化的問題，亦很好地適應(yīng)了產(chǎn)品不斷迅速更新的需求；即解決了20世紀(jì)60年代以來．一直是以提高切削用量、減少切削時間，縮短或重合輔助時間為手段，來達(dá)到提高生產(chǎn)率效果不理想的問題。實(shí)用表明，柔性制造技術(shù)具有如下特點(diǎn)：1)具有較高的柔性、機(jī)構(gòu)性和通用性；2)轉(zhuǎn)產(chǎn)快、準(zhǔn)備時間短；3)設(shè)備利用率高，可實(shí)現(xiàn)無人看管24h連續(xù)工作；4)加工質(zhì)量高且穩(wěn)定；5)所需費(fèi)用低；6)相同產(chǎn)量占地面積是傳統(tǒng)設(shè)備的60％。由此可見，正是由于柔性制造技術(shù)的這種高效、靈活的特性使其成為實(shí)施敏捷制造、并行工程、精益生產(chǎn)和智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，且應(yīng)用日益廣泛．已成為整個機(jī)械制造領(lǐng)域的核心技術(shù)。
1 幾種柔性制造技術(shù)的類型
柔性制造技術(shù)是對各種不同形狀加工對象實(shí)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，普遍認(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：
1.1 柔性制造系統(tǒng)(FMS)
關(guān)于柔性制造系統(tǒng)(FMS，F(xiàn)lexible Manufac．turing System)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)施的“智能制造系統(tǒng)”(IMS)國際性開發(fā)項(xiàng)目，屬于第二代FMS；而真正完善的第三代FMS預(yù)計(jì)21世紀(jì)10年代后才會實(shí)現(xiàn)。
1.2 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(diǎn)是實(shí)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。
1.3 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、機(jī)床：亦可采用專用機(jī)床或CNC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)(DSC)為代表，其特點(diǎn)是實(shí)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(shí)用化階段。
1.4 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(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM。并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)投入實(shí)際，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動化。進(jìn)而實(shí)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(diǎn)是實(shí)現(xiàn)工廠柔性化及自動化。
1.5 柔性裝配系統(tǒng)(Flexible Assembly System)
由控制計(jì)算機(jī)、若干工業(yè)機(jī)器人、專用裝配機(jī)及自動傳送線和線問運(yùn)載裝置(包括AGV、滾道式傳送器)組成。用于印刷電路板插裝電子器件或各種電動機(jī)、機(jī)械部件等的自動裝配。
2 柔性制造所采用的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
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(jì)技術(shù)最新的一個突破是光敏立體成形技術(shù)，該項(xiàng)新技術(shù)是直接利用CAD數(shù)據(jù)，通過計(jì)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。
2.2 模糊控制技術(shù)
模糊數(shù)學(xué)的實(shí)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。
2.3 人工智能、專家系統(tǒng)及智能傳感器技術(shù)
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(jì)、計(jì)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(shí)及經(jīng)驗(yàn)證過的理論與通過經(jīng)驗(yàn)獲得的知識相結(jié)合。因而專家系統(tǒng)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。目前用于柔性制造中的各種技術(shù)。預(yù)計(jì)最有發(fā)展前途的仍是人工智能。預(yù)計(jì)近幾年內(nèi)，人工智能在柔性制造技術(shù)中的應(yīng)用規(guī)模將在比目前大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2l世紀(jì)的制造技術(shù)。對未來智能化柔性制造技術(shù)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(xiàng)技術(shù)是伴隨計(jì)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。
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)代自動化系統(tǒng)中的一個組成部分。
3 柔性制造技術(shù)的新發(fā)展
柔性制造技術(shù)在各工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性制造單元(FMC)，柔性制造系統(tǒng)(FMS)應(yīng)用日益廣泛，計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)將使生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、制造、管理、供銷、財(cái)務(wù)都用計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)工廠的全盤計(jì)算機(jī)管理的自動化。在20世紀(jì)80年代CIMS呼聲甚高，認(rèn)為是機(jī)械制造的發(fā)展方向．但按這種概念建立CIMS需要極大的硬件投資和很長的開發(fā)建設(shè)時間。由于技術(shù)的飛躍發(fā)展，過分強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一管理，無法適應(yīng)多變的生產(chǎn)。因此現(xiàn)在CIMS的概念必須更新，要有更多的靈活性，才能適應(yīng)迅速多變的生產(chǎn)。
CAD/CAM一體化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，大大縮短了產(chǎn)品的研制開發(fā)周期，同時也促進(jìn)了設(shè)計(jì)思想的變化。面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)思想現(xiàn)已被更多的人接受，在保證產(chǎn)品性能要求的前提下大大減少了制造成本，并行工程是將設(shè)計(jì)、工藝準(zhǔn)備、加工制造、裝配調(diào)試工作從串聯(lián)作業(yè)改為前后銜接的并行作業(yè)，大大縮短了生產(chǎn)周期。敏捷制造技術(shù)將柔性自動化技術(shù)發(fā)展到一個新高度。由于因特網(wǎng)的發(fā)展，就有可能將不同的工廠的生產(chǎn)有機(jī)地組織起來。發(fā)揮各自的特長進(jìn)行合作生產(chǎn)。敏捷制造技術(shù)主要包括三部分內(nèi)容：1)基層單位的計(jì)算機(jī)管理和自動化。但這里不強(qiáng)調(diào)全盤自動化。在用計(jì)算機(jī)管理更經(jīng)濟(jì)時就采用自動化，否則就由人參加。2)計(jì)算機(jī)仿真和虛擬制造在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研制時特別有用。3)通過因特網(wǎng)將不同工廠、不同地區(qū)的單位有機(jī)地組織起來，發(fā)揮各單位的特長，實(shí)現(xiàn)異地設(shè)計(jì)、異地制造和裝配，達(dá)到產(chǎn)品的快速、高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)。
4 柔性制造技術(shù)的發(fā)展趨勢
4.1 FMC將成為發(fā)展和應(yīng)用的熱門技術(shù)
這是因?yàn)镕MC的投資比FMS少得多而經(jīng)濟(jì)效益相接近，更適用于財(cái)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。
4.2 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、拖拉機(jī)制造廠等對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。
4.3 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(yàn)及鈑材加工乃至鑄、鍛等制造工序兼具的多種功能FMS。
5 高效的企業(yè)管理體制是柔性制造技術(shù)實(shí)施的前提
柔性制造是未來工業(yè)生產(chǎn)的主導(dǎo)模式，是指在企業(yè)的制造車間層將主要應(yīng)用柔性制造方式，它必須在高效的生產(chǎn)經(jīng)營管理體制下才能發(fā)揮效益。不能想象，在原來計(jì)劃經(jīng)濟(jì)模式下．在車間與科室脫節(jié)、生產(chǎn)的動態(tài)信息不明和指揮不靈的管理體制下，能用好柔性制造。因此，我國制造企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理體制的改革是實(shí)施柔性制造的重要條件。
顯然西方國家制造企業(yè)的現(xiàn)行管理模式不適合我國，但應(yīng)參考、借鑒它們正在探索的一些先進(jìn)管理制造模式，如敏捷制造模式(AME)、精益生產(chǎn)模式(LP)、世界級制造模式(WCM)、計(jì)算機(jī)集成制造模式(CIM)等。
CIM的思路是：以信息為媒體，用計(jì)算機(jī)將企業(yè)的各種業(yè)務(wù)活動領(lǐng)域及其職能(包括從市場分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造到營銷等產(chǎn)品開發(fā)全過程)集成起來，以追求企業(yè)經(jīng)營的整體優(yōu)化。
WCM的思路是：以能對全球市場需求作出快速反應(yīng)為目標(biāo)，以管理方式創(chuàng)新為核心，以先進(jìn)制造技術(shù)為支持，在信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過制造系統(tǒng)中人、設(shè)備、工作流程的組合。達(dá)到優(yōu)化配置。
LP的思路是：清除生產(chǎn)中一切浪費(fèi)和不增值的環(huán)節(jié)，把責(zé)任下放到底層的生產(chǎn)組、項(xiàng)目組(Team)，實(shí)行及時生產(chǎn)，降低庫存，消除廢品，以追求生產(chǎn)的盡善盡美。
AME的思路是：在全球信息網(wǎng)絡(luò)的支持下，敏捷地響應(yīng)客戶及市場的需求，組成動態(tài)優(yōu)化聯(lián)盟(虛擬公司)，用并行工程的方法，以多學(xué)科工作組的方式(Teamwork)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)，以可重構(gòu)、可重用、可擴(kuò)充的柔性制造系統(tǒng)來組織生產(chǎn)?？焖俚统杀镜亻_發(fā)出客戶滿意的產(chǎn)品，并及時投放市場，在競爭中取勝。
上述各種探索模式都有一定的先進(jìn)性，但都處于探索試驗(yàn)階段。并沒有一個完全成熟的“樣板”可供照搬。目前傾向的看法是，AME的思路更接近于在全球化市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，企業(yè)又聯(lián)合又競爭，以贏得用戶，究竟如何改革。還得由企業(yè)根據(jù)自己的特點(diǎn)和市場定位來決定。
6 結(jié)束語
柔性制造技術(shù)是實(shí)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(jī)械與人之間將相互融合．柔性地全面協(xié)調(diào)從接受訂貨單至生產(chǎn)、銷售這一企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的全部活動。
近年來，柔性制造作為一種現(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：柔性制造技術(shù)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(dú)立的工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及經(jīng)營管理等過程，在計(jì)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(shí)現(xiàn)全局動態(tài)最優(yōu)化?？傮w高效益、高柔性，并進(jìn)而贏得競爭全勝的智能制造技術(shù)。它作為當(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。