浅析柔性制造技术的现状及发展趋势

浅析柔性制造技术的现状及发展趋势冯贝1151110016摘要：近二十年来，随着计算机、控制技术、机械结构的发展，柔性制造技术运用越来越重要，实现了多种产品的自动化、智能化，提高了生产技术的多样性。柔性制造技术。一个国家的工业生产力，制造技术的作用一般约占60%相关专家认为，世界各国经济的竞争，主要体现在是制造技术的竞争，其竞争能力最终表所产品的市场占有率。因为其独有的特点已经广泛用于机械行业，与我们的生活息息相关。研究柔性制造技术乃是中华复兴的重要任务，中国的机械行业相对发达国家比较落后，因此，我们要认清形势，抓住机遇。关键词：柔性制造发展趋势Abstract:Overthepasttwentyyears,withthedevelopmentofcomputer,controltechnology,mechanicalstructure,flexiblemanufacturingtechnologymoreandmoreimportant,realizedtheautomationandintelligence,avarietyofproductscanimprovetheproductiontechnologyofdiversity.Flexiblemanufacturingtechnology.Acountry'sindustrialproductivity,theroleofmanufacturingtechnologiestypicallyaccountsforabout60%.Relevantexpertsbelievethattheworldeconomiccompetition,competitionismainlyembodiedinthemanufacturingtechnology,itsabilitytocompeteeventuallyformtheproduct'smarketshare.Becauseofitsuniquecharacteristicshasbeenwidelyusedinmachineryindustry,iscloselyrelatedtoourlife.ResearchofflexiblemanufacturingtechnologyistheimportanttaskoftheChineseRenaissance,China'smachineryindustryisrelativelydevelopedcountriesrelativelybackward,therefore,weshouldrecognizethesituation,seizetheopportunity.Keywords:flexiblemanufacturingDevelopmentTrend;目录TOC\o"1-5"\h\z前言1.柔性制造技术的基本概念1柔性制造技术1柔性制造设备的划分2.柔性制造技术的特点3柔性制造系统的优点3柔性制造系统的缺点4.柔性制造所采用的关键技术4数控机床4计算机技术的应用4传感器的应用4工作人员素质的提高5信号处理技术5.柔性制造技术的应用5包装机械行业5在汽车工业中的应用6在钺金行业上的应用65柔性制造技术的发展7柔性制造技术诞生的背景7柔性制造技术的出现7发展柔性制造技术的条件86.柔性制造技术的未来趋势8国内外柔性技术发展的现状8柔性制造技术仍将迅速发展9发展网络化制造单元9我国柔性制造实训基地的建立97总结108致谢10参考文献：10生产制造过程中有两个很重要的方面：设备与人。近几年科学发展迅猛，相对复杂的自动化设备得以更多地参与到生产流程中，并替代人对生产进行控制，使整体的效率提高和产品质量更稳定。尤其是在大规模生产制造中，手工制造相比于机械化生产，效率和稳定性根本不可相提并论。但是市场形势也在发生剧烈的变化，科技的快速发展，不仅使产品的种类变得极大丰富，同时加快了产品更新和淘汰的速度。这使得实际生产中的设备规模大大缩小，生产线更新换代的速度越来越快。在一般的情况下，受设备所占的比重大的限制，解决以上问题时要采用更高级的设备来提高柔性以及效率整体上的提升。现实情况往往是因为企业资金问题，难以支持如此之大的投资，还有可能是企业对市场的分析之后，并不打算投资这么多金额。从另一个角度分析，设备能力的提升会有很大的局限性，单纯地从提升设备能力来考虑改善生产系统，颇有难度。与其去“组合设备”，不如转向“设备组合”。目前，国家制造业仍停留在转型和升级的重要时期，想要提高我国制造业，不仅需要增加我国制造业整体的科技含量，提高产品附属值，而且要在提升我国制造业方面给予更加充分的重视。柔性制造是适应全球竞争极为重要的制造技术与理念。唯有提高我国制造业的柔性制造技术水平，掌握先进的柔性制造理念，才能我国制造业水平更上一层楼，扩大优势，增强客户的适应能力，要在全球制造业中占据有利地位。本文要介绍柔性制造的相关概念与要求，分析了柔性制造在机械制造行业中的应用，探究了与传统制造业的利弊，与此同时，还点明了我国柔性制造技术发展的要领与方向，很有必要借鉴它国制造业的发展经验。解决这个问题已经迫在眉睫了，要在设备能力和柔性之间寻找一个平衡点。也就是要将设备功能进行若干次组合与分割，再根据单一或较少功能”设备组合”，来代替所谓的“组合设备”，从而减少生产工序中设备参与的分量，将原来分化在设备中的转换成本，以及效率转移到了企业内部，再通过人与设备的简单调整配合来实现。通过这样的转换，使整体的生产过程中可控制和自我调整的环节大大得到改善，实际上等价于生产系统的整体柔性的飞跃。.柔性制造技术的基本概念柔性制造技术硬性是指不能改变的，不具灵活性；与之相对，机械制造领域的柔性，是指机械制造系统随生产环境变化保持稳定工作的能力，主要与系统方案、操作人员和设备配置有关。简而言之，没有固定的工序和工艺节拍，去适应多品种小批量生产方式就是“柔性”的基本体现。一般把柔性制造技术认为是可以随市场需求变化，迅速对产品种类或者生产方式做出相应调整的一种现代化制造技术。这种柔性制造系统要具有许多方面的“柔性”。必须要具有运行柔性、产品柔性、批量柔性、工序柔性、扩展柔性、设备柔性、工艺柔性、生产柔性。毫无疑问，柔性制造技术已经是当今世界制造业自动化技术发展方向的前列，为未来制造业绘制了一个宏伟蓝图，这将成为21世纪制造业的主要生产方式。柔性制造设备的划分柔性制造设备必须依赖以数控机床，才能实现自动输送物料的存储系统，通过计算机技术来控制并监控各个部件的运行，使得加工过程实现自动化的设备。许多时候只需更改关软件或者程序和少量夹具，即可轻松达到对不同品种工件加工的目的。依据系统的功能特征和规模大小，柔性制造设备一般分为四个类型：1.2.1柔性制造单元柔性制造单元(FMC--FlexibleManufacturingCell):一般是由一台或多台数控机床或者加工中心构成的加工单元。各部分之间是通过小规模的工件自动输送装置来保证连接的，利用计算机来实现生产的控制和管理。组合的机床在工艺能力上可相互补充，也可混合加工不同类别的零件，要具备单元层与设备层上的计算机双重控制，对外具有多个接口，可以构成简单的柔性制造系统。这个单元能根据加工的需要自动装卸工件、更换刀具、检测工件加工的精度和刀具磨损情况，进行有限次数工序的连续加工，适于中小型的批量生产。柔性制造系统柔性制造系统(FMS--FlexibleManufacturingSystem):一组数控机床和其他自动化的工艺设备，是由计算机信息控制系统、物料自动储运系统有机组合的整体，包括多个柔性制造单元，能够根据制造任务或者生产环境的变化，及时进行调整，适用多品种、中小批量生产，具备加工制造以及部分生产管理功能，能实现无人化操作。虽然FMS勺规模差异较大，功能不一样，但都包含3个基本部分，即加工、物流、信息流这三个子系统。在这个基础上，能够根据具体加工需求选择不同的辅助工具，例如，监控工作站。FMS勺组成如下图组成名称作用组成内容加工系统FMS勺主体部分，用于加工零件加工单元是指有自动换刀和换工件功能的数控机床物流系统向加工单元及辅助系统运送工件、刀具、工具、等由工件运送和管理系统组成：毛坯、半成品的存储仓库、工件托盘的运输小车、夹具组件、工件、夹具装卸系统、缓冲存储系统交换刀具的运送装置、刀具存储库、交换刀具的携带装置、组装以及预调系统力具刃磨信息系统控制FMS的运行由计算机及其通信系统组成辅助系统选件功能根据不同的需要来配置不同的辅助系统，如在线测量系统、清洗系统、监控系统柔性制造线柔性制造线(FML--FlexibleManufacturingLine):是处于单一或少品种大批量非柔性自动化与中小批量的多品种FMS^间的生产线。采用的加工设备可以是通用的加工中心或CNCM床；还可以采用专用机床或者NC专用机床设备，对物料运送系统的柔性要求低于FMS但生产率会更高。由离散型生产的柔性制造系统与连续生产过程的分散型系统控制，其特点是实现柔性化生产的自动化，技术已日益成熟，迄今已进入实用阶段。适合多品种生产，之前是由专用机床组成的自动线，现如今改用数控机床或由数控操作的组合机床，一般是由数台可调加工模块，结合自动输送装置来连接组成生产线，适合用于批量加工品种数较少的不同工件。柔性生产线适宜年产量在1000〜100,000件间的中小型批量生产。柔性制造网络柔性制造网络(FMI--FlexibleManufacturingInternet):由若干柔性制造线组成，分工明细，产品丰富多样。适用于大工厂，批量多种产品，提高效率,充分利用余料。.柔性制造技术的特点柔性制造系统的优点利用柔性制造技术在制造业上可以获得非常明显的优势，主要体现在：(1)生产具有柔性，可以满足生产变化的需求，即使市场需求或设计突发变故，只要在FMS勺设计承受能力之内，就不需要去改变系统硬件结构，系统具备制造不同产品的柔性。对临时需要替换的零件能随时混合生产，不影响FMS正常生产，使得生产任务正常进行。(2)产品质量高，FMS减少了卡具、夹具的使用次数，还有机床的数量，能保证卡具与机床匹配相当的吻合，从而确保了零件的一致性与产品的质量。还能自动检测设备和自动补偿装置并及时发现质量问题，在短时间内采取与之相应有效措施，保证产品的优良性。(3)设备利用率高，由于采用计算机对生产运行的调度，一旦有机床空闲着，计算机就立刻给机床重新分配加工任务。最有代表性的就是，采用了柔性制造系统中的一组机床所获得的生产量会是单机操作情况下相同数量机床下生产数量的3倍，避免了设备累赘，精简了系统。(4)减少生产周期，由于零件集中在加工中心，从而减少了机床数量和零件的装卡次数。利用计算机对其进行有效的调整，减少了周转时间，任务提前完成。(5)加工成本低，FMS的批量生产能在相当大的范围内变化，生产成本才是最低的。除非一次性投资高，其它各项指标都明显优于常规方案。(6)具备持续生产能力，只要柔性制造系统中的一台或多台机床出现故障，计算机就绕过出现故障的机床，使得设备继续正常生产柔性制造系统的缺点(1)系统成本高，投资回收周期长；(2)系统结构相对复杂，相对操作难度大；(3)系统集成度高，部件相互依赖高可靠性降低。.柔性制造所采用的关键技术数控机床数控技术作为柔性制造系统，和计算机集成制造系统CIMS的重要技术基础之一，数控技术是机械制造业最新的发展趋势。对现代工业制造而言，市场要求要在尽可能短的时间内完成新成品的研发和生产，为客户提供更精准的工件，利用数控加工还有计算机辅助制造等新技术的融合，使加工技术进入以数控技术和计算机辅助制造为主的新阶段。自动控制技术的飞速发展促进了数控技术由传统硬件数控到计算机数控的完美过渡，数控技术在柔性制造技术中发挥了巨大的作用。引入CAM/CAD等计算机系统，实施自动化加工，在加工的过程中，少了人的额外干预。由数控机床的组成结构可知，任何一个环节都与自动控制技术紧密联系。计算机技术的应用实现柔性制造，计算机是自动化设计的必要技术，可以说没有计算机就没有自动化。在拥有计算机的条件下，我们可以更加容易按我们的开发计划设计出不同的模块，实现柔性制造单元和柔性制造系统甚至柔性制造网络。另外，柔性制造技术中往往还要用到机器人，这时候就不可能少了计算机技术的运用。产品制造过程中信息的投入，已经成为决定产品成本的重要因素，制造过程的本质是在制造过程中对各种信息的收集、输入、加工和处理过程，最终以产品的形式表达，而这些技术就是通过计算机技术来实现的，因此，计算机技术的应用不可缺少。目前机械企业的自动化程度还不够高，要想完全控制信息依然难以实现，但是，由浅入深，在计算机技术上可以寻求突破口。传感器的应用传感器是实现智能化必不可少的设备，在柔性制造系统工作时，系统要根据工作条件的变化做出调整，然而，最有效检测系统内部变化并在第一时间做出相应反应的也只有传感器可以做到。随着科技的发展，传感器技术依然不是非常成熟，要想满足柔性制造技术的需求，就必须充分利用传感器的特性，设计出合理的方案，实现智能化，这是至关重要的工作人员素质的提高柔性制造技术的应用不仅仅是设备的柔性，也包含了操作人员在内的柔性。操作人员必须确保加工任务、完成数量和加工时间要求的适应能力。技术人员还要具备设计系统方案和组织应变的能力，要想在现有的生产基础条件上，提高柔性技术可改进的可能性，并通过计算验证结果的合理性，找出合适的柔性技术突破点，最大化满足生产效率的需求。企业管理层也要提高柔性技术的应用意识，从全局考虑柔性技术的可行性和必要性。信号处理技术要完美解决系统与各部件产品的联系，就要处理好它们之间的信息传递，为此出现了两种重要的技术：一是人工神经网络（ANN）,这是通过模拟生物的智能神经网络，可对信息进行加工处理。ANN也是一种人工的智能工具，可预测在自动控制领域，神经网络不久便会并列在系统与模糊控制系统中，作为现代自动化系统中的重要一员。二是模糊数学，主要靠模糊控制器完成。近年来研发出的高性能模糊处理控制器具有智能自动学习功能，可在控制过程不断搜集新的信息的同时自动对控制作出相应调整，能让系统性能极大提高，特别是基于人工神经网络的自学方式引起了人们很大的关注。.柔性制造技术的应用包装机械行业人们对产品的外观要求也随着生活水平的改善而有所提高，包装行业渐渐的趋于工业化，包装行业要实现规模化与多样化，而且个性化的需求更加紧迫，从而加剧了包装市场的竞争，想要降低生产的成本，包装企业更加偏向于考虑建设柔性化的生产线，若要实现企业柔性化制造，必不可少的是高效的伺服控制系统。在整个包装生产线的发展过程中，控制产品的技术发挥的作用与日俱增。为了使生产目标更高速、更柔性化的发展，先前由设备机械完成的功能，现在趋向于由伺服系统去实现。例如，电子齿轮和凸轮取代机械齿轮和凸轮，各轴之间不必机械连接的高精度同步进行。因而，包装生产线不仅要利用联锁控制，还要快速高精度的伺服控制系统。要同时满足以上功能的高度集成控制器或者系统，来将独立的PLC与独立伺服控制器通过控制方案来编程、调试和维护等各方面都会为用户带来更多好处。总体上来说，柔性化的发展思路，使得包装机械市场出现了多次变革，加快了创新思维的商业化，使包装机械的潜能发挥的更加充分，达到空前的水平，为我国跻身世界行列成为“创造大国”打下了坚实的基础。在汽车工业中的应用汽车工业的发展迅猛，国内汽车企业的实力也有所增强，随着国外公司的大规模进入和生产装备的引进，汽车零部件加工在向柔性制造的发展已经趋于成熟。柔性制造技术带来的高度灵活性，使其保持高生产率的同时还可以生产不同种类的工件。柔性制造FM"产线在汽车零部件生产中运行管理和提升效率非常显著。以汽车生产缸体、轴承盖、缸盖的加工为例子，传统工艺需要的总工序步骤是64道，但采用FMS系统所需总工序数仅仅是12道，仅需要一台成套加工单元就能完成发动机缸体缸盖和轴承盖的全部加工工序。因此，FMSX序高度集成，缩减设备投入，设备模块化，提高了产品的品质。另外还可根据市场的需求改变配置设备，具备非常高的灵活性，可迅速对应市场动向。假如市场迅速发展，利用FMSS效生产，能够提高市场占有率，也可根据市场动向进行产品转型，不生产多余的库存，以改善资金周转状况。随着各类先进加工技术的相继问世，柔性制造技术本身也在不断完善和提高。FM邹来了加工的高度灵活性，其开放式结构和柔性结构技术的模块化，以及加工中心切削速度和精度进一步提高，为汽车制造业赢得了更好的效益，在未来汽车生产中的应用将会越来越广泛在钺金行业上的应用迄今为止钺金仍然没有一个完整的定义，可以从国外研究资料获得相关介绍，简单来说：钺金可以理解为一种对金属薄板综合性的冷加工工艺。钺金具有重量轻、强度高、导电（能够用于电磁屏蔽）、成本低、大规模量产性能好等优点。由于柔性制造技术的出现，使得钺金技术日益成熟，增加了钺金在现实生活中的运用。在电子电器、通信技术、交通工具、装饰用品、医疗器械等领域得到了广泛应用，基于钺金加工的柔性制造技术是在综合考虑产品加工需求范围的前提下，通过对钺金加工设备的开发或组合，从而建立一套能够既兼顾加工能力，又能满足生产需求的生产线。随着CN跋术的不断发展，数控冲床、数控剪板机、数控折弯机等应运而生。然而这些设备虽然对于单一工序而言，设备的加工柔性大大提高，但是这些设备仅仅属于柔性制造单元范畴，工序与工序之间的加工还是要通过人工来调度。时至今天，数控冲床、数控剪板机、数控折弯机等设备还是作为钺金生产的主要设备来使用，而我国对以上设备的开发还是更多的借鉴外国的经验，对于钺金柔性制造技术的研究几近空白。基于冲剪复合加工技术和快速换模的多边折弯技术的设备，从而使钺金的加工过程真正意义上实现柔性加mo过去这些设备独立为个体对工艺进行单独加工，设备的加工能力业比较单一，加工方法简单，范围也有限，若要变更加工能力，只能更换模具、调换新的6机床或调整机床参数来实现。而且传统的钺金加工更多的是劳动密集型加工，对操作者的依赖程度过高，钺金柔性制造技术的出现可以有效地解决上述问题5柔性制造技术的发展柔性制造技术诞生的背景随着人类科学技术的进步，我们对产品的性能和功能的要求都越来越高，大大缩短了产品更新换代的时间，产品的复杂程度也被迫增高，传统的大批量生产方式开始淘汰。这种挑战不仅对中小企业构成了威胁，而且给国有大中型企业带来了麻烦。这是因为，传统大批量生产方式下，柔性与生产率之间存在很大的矛盾。本世纪初，也就是工业化形成的初期，国际市场对产品有很大够的需要。这个时期的特点是，产品品种单一，生命周期长，产品数量却迅速增加，各类产品的开发、生产、销售往往是由少数企业控制。这推动了制造企业采用自动机或自动生产线提高生产效率。20世纪60年代后，全球市场发生了剧烈的变化，对许多产品的需求趋于饱合趋势，在这合和的市场中，制造企业不得不面临激烈的竞争。公司为了赢得竞争务必按照用户的要求开发出合理的新产品。分析这个时期市场的变化，可以归纳出以下特点：众所周知，只有生产品种单一、大批量、专用设备、工艺稳定、效率高，才能实现规模经济效益；相反，多品种、小批量的生产，设备的专用性要求低，在相似情况下的加工，频繁的调动工夹具，工艺稳定难度必然增大，生产效率势必降低。想要提高制造工业的柔性和生产效率，保证产品质量的重大前提下，很有必要缩短产品的生产周期，降低产品的成本，最终使中小型批量生产能与大批量生产能够相提并论，柔性自动化系统便产生了。柔性制造技术的出现1954年世界第一台数字控制铳床诞生在麻省理工学院，七十年代初期柔性制造开始进入实际生产的阶段，CAD技术就被公众推荐为改善单件小批量的有力途径。只花了四十年的时间，就发展的非常迅速了。最初是在控制元件领域的不断创新，之后晶体管、集成电路的出现，也只是用了二十年就发生了四次翻天覆地的变化。另一方面，机床自身也在其机械结构和功能上有了进展，各种丝杠、导轨、轴承的应用，企业加工中心的崛起，都给机床的结构带来了极大的变化。另外伺服系统也从步进式、直流伺服发展到了交流伺服，工程控制理论领域也有了极大进步。1970年之后便出现了计算机数控技术CNC促进了计算机软件的发展。传统的硬件数控系统需要不断调整或者增加一些功能，从而要重新进行结构上的设计，但是CNCS统只需对软件稍作修改，即可适应一种全新的要求。工业机器人与自动上下料机构、交换工作台的出现，自动换刀设备也有了很大的突破，诞生了更高自动化程度的柔性制造单元，即FMC随着自动编程技术和计算机信息技术的发展，推动了利用一台大型计算机去控制数台机床的大趋势，或者由中央计算机控制数台CNCM床的计算机集成控制系统，即所谓的DNC1970年后，计算机辅助管理物料的自动搬运，刀具管理系统和计算机网络，数据库技术的发展以及CA»CAMi术的成熟，出现了系统化程度更高、规模更大的柔性制造系统，也就是FMS这几十年来，早起单台数控机床逐渐发展为加工中心，进一步成为柔性制造单元，甚至柔性生产线，这使柔性自动化制造技术得到了迅速发展发展柔性制造技术的条件(1)工程主管者。想发展FMT(即发展柔性制造技术)要任命一位在企业颇有权威的工程主管。该主管者要具备落实政策的能力。(2)上级主管部门与领导的共同支持。在企业中，若要成功应用FMT上级主管和领导的支持起着关键性的作用，他们立场是否坚定，关系到是否能缩短实施周期和回收期的减少。(3)自动化应用经验。应用自动化技术对于成功应用FMS1至关重要，也是一种积累经验的过程，很有借鉴意义。(4)技术培训。企业应用FMTt必要建立一支属于自己的精通自动化知识的专业队伍，因而，对培训相关人员进行培训也有帮助。(5)供应商。发展FMT争取软、硬件供应商的技术支持也很重要，纵使技术水平高，应用经验丰富的用户，也少不了这种支持。6.柔性制造技术的未来趋势柔性制造技术已经成为了当前世界制造技术自动化发展的前沿，运用FMS所带来技术经济效果数不胜数，例如：能够根据装配要求，在最短时间内规划好所需零件的加工方式，达到及时生产的目的，来减少原材料所需的库存量，以及相流动资金的多少，加快生产速度；大大提升设备的利用率，尽可能的减少设备数量和缩小厂房面积；精简劳动力，更加容易实现“无人化生产”。在不久后FMS等会成为机械制造的主要技术。国内外柔性技术发展的现状迄今为止，全球已有大量的柔性制造系统进入了实际应用阶段，仅仅在日本就有330套非常完善的柔性制造设备。全球以柔性制造技术生产的成品已经达到了所有生产的78%以上，这个占有率还在不断上升。柔性制造技术把自动化技术、制作加工技术、信息技术都集于一家，把传统工厂中原本孤立的工程设计、制造、经营与管理等过程，利用计算机技术，来形成一个覆盖企业的有机系统。能满足多品种、批量小的生产需求，并且能迅速扩大生产量，产来那个与质量都极大提柔性制造技术仍将迅速发展柔性制造技术在1980年后就开始进入实践阶段，水平也相对成熟。解决多品种、小批量生产过程中也有明显的经济效益，因而随全球竞争的加剧，不管发展中国家还是发达国家，都引起了极大的关注。当下计算机集成制造技术与系统技术(CIMS)的逐渐成为制造业的焦点，许多专家预言CIMS将会成为制造业发展的必然趋势。柔性制造系统作为计算机集成制造技术的重要组成部分，势必会跟随CIMS高速发展。未来将会向着高效化、柔性化和高精化的方向发展，还会在复合化、可重构化和网络化三个主要方向取得新的进展。发展网络化制造单元随着信息化技术蓬勃发展，不仅推动了制造业的发展，还使得构建制造业数字化时代的提前到来。数控机床作为主要的制造设备，积极地向数字化制造方向蜕变，成为快速执行、信息集成度高的制造单元，让我们拭目以待吧。网络化将会成为主要的发展方向，通过网络化，可以占据很多优良特点，包括：柔性化、信息化、智能化、自动化等。当前，全球许多机床和数控系统制造中心正在以网络化联盟制造为主体，开发与之对应的制造单元，将会使加工中心的ERRPDMF口CAD/CAPP/CAM加工信息集成化更加容易，进一步通过与客户关系管理与应链管理的联系立马做出智能化决策，开始执行并行工程和可视化监控等程序来提高机床的利用率，实现更高效的柔性生产。最近提出的敏捷制造技术，将促使柔性制造技术发展到一个新的平台。跟随因特网的发展，就能将完全不同的工