柔性制造系统的关键技术及发展趋势

1、.概述了柔性制造技术的基本概念、优缺点、发展的支撑条件等，探讨了柔性制造技术发展的现状与趋势，并指出“柔性”“敏捷”“智能”和“集成”乃是现今制造设备和系统的主要发展方向。1 柔性制造技术(FMT)1.1 基本概念 柔性制造技术(FMT)可以表述为两个方面：一是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量：二是系统适应内部变化的能力。可用在有干扰情况下系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量。“柔性”是相对于“刚性”而言的。传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产，优点是生产率高，设备利用率高，单件产品成本低。但只能加工一种或几种相类似的零件，难以应付

2、多品种中小批量的生产。随着批量生产时代逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。在现实社会中，人们通常将用以生产产品的制造系统根据其一次投产的数量而分为大量、批量和单件生产3种类型。 近20年来世界市场从相对稳定型转向动态多变型。市场的需求和企业产品特点表现为：市场的竞争日益激烈、市场需求的多变性和不可预测性、产品生命周期日益缩短、产品需求趋于顾客化。在这种动态竞争全球化的市场环境中，企业生存和可持续发展已成为必须首先考虑的问题，这迫使企业努力寻找一种具有高柔性、高生产率、

3、高质量和低成本的产品零件加工制造系统来替代传统制造系统，以期用最短的生产周期对市场需求变化作出响应，并使包括厂房、设备及人力在内的资源得到最有效地利用，达到企业生产经营能力整体优化的目的。 FMT所采用的一些原理和技术途径包含有非常先进的制造哲理和技术观念。柔性制造系统(FMS)是能够覆盖上述3类制造系统基本原理和概念的一种制造系统。柔性制造设备或系统正成为制造业领域中极为重要的主力制造设备。1.2 柔性 柔性制造系统(FMS)必须以柔性制造设备，如托盘化CNC加工中心机床为基础，而不能由没有固有柔性(Flexibility)的设备，如专用机床来构成。一个柔性制造设备或系统建成后运行时所能达到

4、的柔性不仅取决于制造没备或系统固有的柔性，还取决于用户企业的制造能力、管理经验、企业文化和为满足市场需求所采取的制造策略等冈素。或者说一个柔性制造设备或系统还存在一种通过用户方可实现的柔性。因此，对于某个确定的柔性制造设备或系统来说，其柔性是由其固有柔性和可实现柔性两大部分组成的。 FMS的“柔性”是一个柔性制造设备或系统应付各种可能变化或新情况的“应变”能力。FMS的这种应变能力表现在空间兼容性和时间兼容性两个方面。空间兼容性是指要求制造系统适应多种操作，有能力适应多种不同类型结构、尺寸的零件加工制造表现出在一定加工制造宽度范围内的兼容性：时间兼容性是指要求制造系统有能力应付短期、中期或长期

5、内可能发生的情况变化。1.3 分类 柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。柔性制造技术是技术密集型的技术群。凡是侧重于柔性，并适应于多品种、中小批量的加工技术都属于柔性制造技术。按规模大小划分为以下4种。1.3.1 柔性制造系统(FMS) FMS包含2台以上具有自动刀具交换和自动工件托盘交换装置的数控机床，以加工中心为核心设备。配有自动物料传递和管理系统，如有轨运输小车或自动导引运输小车，并在中央计算机统一控制和管理下，动态地平衡资源地有效利用，具有生产调度和对加工过程的实时监控能力可动态地实现多种零件族的自动加工。1.3.2 柔性制造单元(FMC) FM

6、C可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物，它由l2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，其特点是实现单机柔性化及自动化，具有适应加工多品种产品的灵活性，现已进入普及应用阶段。 1.3.3 柔性制造线(FML) FML是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床，亦可采用专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。它以离散型生产中的柔性制造系统和连续生产过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，现已

7、进入实用化阶段。 1.3.4 柔性制造工厂(FMF) FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。它包括了CADCAM，并使计算机集成制造系统(CIMS)投入实际，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。FMF将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统(IMS)为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。2 柔性制造所采用的关键技术2.1 计算机辅助设计 CAD技术引入专家系统，使之具有智能化。它有助于加快开发新产品和研制新结

8、构的速度。2.2 模糊控制技术 模糊数学的实际是模糊控制器。最近开发出的高性能模糊控制器具有自动功能，可在控制过程中不断获取新的信息并自动对控制量作调整，使系统性能大为改善，其中尤其以基于人工神经的自学引起人们极大的关注。2.3 人工智能技术及专家系统 迄今，柔性制造技术中所采用的人工智能大多指基于规则的专家系统。专家系统利用专业知识和推理规则进行推理，求解各类问题(如解释、预测、诊断、查找故障、设计、计划、监视、修复、命令及控制等)。由于专家系统能简便地将各种事实及与通过经验获得的知识相结合，因此为柔性制造的诸方面工作增强了柔性。展望未来，以知识密集为特征，以知识处理为手段的人工智能(包括专

9、家系统)技术必将在柔性制造业(尤其智能型)中起着日趋重要的关键性的作用。智能制造技术(IMT)旨在将人工智能融入制造过程的各个环节，借助模拟专家的智能活动，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。在制造过程，系统能自动监测其运行状态。在受到外界或内部激励时能自动调节其参数，以达到最佳工作状态，具备自组织能力。2.4 人工神经网络技术 人工神经网络(ANN)是模拟智能生物的神经网络对信息进行并处理的一种方法，故也是一种人工智能工具。在自动控制领域，神经网络将并列于专家系统和模糊控制系统，成为自动化系统中的一个组成部分。3 FMT的发展趋势3.1 发展FMT的支撑条件 1)技术培训。应用FMT的用户

10、需要建立一支自己的自动化领域专家和专业技术人员队伍，因而，对有关人员进行技术培训极为重要。 2)自动化应用经验。企业应用自动化技术的经验对于成功应用FMS是极为重要的，这种应用经验是一种积累的过程。 3)上级主管部门和领导的支持。在国有企业中，成功应用FMT的一个必要条件是得到上级主管部门和领导的有力支持，上级主管部门和领导支持的强弱对于缩短实施周期和回收期有着重大影响。 4)工程主管者。发展FMT必须任命一位有权威的工程主管者(工程负责人)。这位工程主管者通常应处于上级主管部门或工厂级主管人员的地位。 5)供应商。发展FMT，争取软、硬件供应商的技术支持极为重要，即使是技术水平较高、应用经验

11、较丰富的用户，这种支持也是必要的。3.2 FMC将成为发展和应用的热门技术 FMC的投资比FMS少得多而效益接近。更适用于财力有限的中小型企业。3.3 发展效率更高的FML 多品种、大批量的生产企业，如汽车及拖拉机等工厂对FML的需求引起了FMS制造厂的极大关注。采用价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心将是FML的发展趋势。3.4 朝多功能方向发展 由单纯加工型FMS进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种功能FMS。FMS是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势，是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS。真正

12、完善的第二代FMS将是智能化机械与人之间相互融合、柔性地全面协调从接受订单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。 FMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，在计算机及其软件的支撑下，构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统，以实现全局动态最优化，总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的智能制造系统。4 FMT的发展现状与展望 从上世纪60年代开始至今，FMT的出现、发展、进步和广泛应用，对机械加工行业及工厂自动化技术发展产生了重大影响，并开创了工厂自动化技术应用的新领域，大大促进了计算机集成制造技术(CIMT)的发展和应用。世界

13、范围内的FMS获得了约30的年增长率的快速发展和应用。在FMS领域，美国、西欧和日本居世界之首。20世纪90年代后，工业界更加注重信息集成和人在CIMS和FMS中的积极作用，认识到对FMS而言，如果系统规模小些，并允许人更多地能动介入，系统运行往往会更有成效。现在，FMT已朝着更加正确的方向发展。并开发了新的柔性制造设备，使高性能柔性加工中心构成的FMC。fTrL得到广泛应用。同时，工业界已更加注重FMT与集成化CADCAPPCAM，工厂或车间生产控制和管理系统PCMS相集成，以达到使企业生产经营能力整体优化的目的，适应动态多变型市场的需求。当今，“柔性”“敏捷”“智能”和“集成”乃是制造设备

14、和系统的主要发展趋势。FMS的构成和应用形式将更加灵活和多样化，小型FMS在吸取了FMS应用实践经验后获得了迅速发展，其总体结构通常采用模块化、通用化、硬软件功能兼容和可扩展的设汁技术。这些模块具有通用功能化特征，相对独立性好，配有相应硬软件接口，易按不同需求进行组合和扩展。与大型FMS相比，投资较低，运行可靠性好。成功率较高。这种小型化FMS和伴随着DNC，FMS技术发展而附带生产的FMC技术将具有更加强大的生命力，并将得到快速发展和广泛应用。还可能形成商品化的柔性制造设备，成为制造业先进设备的主要发展趋势和面向21世纪的先进生产模式。参考文献1 刘友苏，徐定. 建造与应用柔性加工系统J. 组合机床与自动化加工技术, 1995, (01) . 2 黄劲. 我国柔性加工系统步入高层次J. 工程建设与设计, 1999, (02) . 3Kairos S组合柔性加工系统J. 现代制造, 2005, (19) . 4 谭天. 发展21世纪的柔性加工系统J. 世界制造技术与装备市场, 2002, (02) . 5 晓林. 一种适用于大量生产的柔性加工系统J. 世界制造技术与装备市场, 1997, (S1) . 6由高速加工中心组成的柔性加工系统J. 世界制造技术与装备市场, 1995, (03) . 7 沃克弗雷斯,雷汉秀. 创