柔性制造技术及其发展

柔性制造技术及其发展近30年来，在制造自动化技术领域，以柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell,FMC)和柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem,FMS)为代表的柔性制造技术(FlexibleManufacturingTechnology,FMT)得到了快速发展和应用，用以实现高柔性、高生产率、高质量、低成本的产品制造，使企业生产经营能力整体优化，适应产品更新和市场快速变化，保持企业在国内外市场上的竞争优势。1柔性制造技术(FTM)概念在制造业领域中，FMT概念的提出和实现，其技术观点的变化、发展和进步是近二三十年间人类生活的现实社会产品制造业发展、进步的实际需求推动的结果。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。制造系统设计师们经过长期艰苦努力，开发、设计、制造出与之相适应的制造系统，以满足社会化产品生产的需求。用于大量生产的制造系统的特点在于其“刚性自动化”(RigidAutomation),或者说具有一种不能变化的自动化，加工设备有明显的专用性特征。传统的自动生产线就是这种类型制造系统的典型例子。自动生产线是一种仅适合于单一品种产品大量生产的制造系统，一旦产品零件设计改变，生产线将不适应，必须进行改造，甚至整条生产线必须推倒重建，表现出极低的柔性。用于批量生产(典型每批10〜10000件)的制造系统，其加工设备通常比大量生产时具有更强的通用性，同时必须有能力用各种不同的工具、不同的方法进行适当调整，以便于生产不同产品的一定范围内的多种不同零件。某些产品和零件市场需求量很小，适合用单件加工方法生产。对单件产品生产来说，采用专用的工、夹、量具显然是不经济的，通常应采用通用加工设备和工装，配合一定量的手工加工。因此，单件产品生产的费用较高，但它却能满足市场某些少数、愿付出更多费用的顾客的需求。图1所示是这3类制造系统产品品种、设备专用程度和产量间的一般关系［1］。图1典型的产品品种、设备专用程度与产量间的关系Fig.1Typicalrelationshipsbetweenproductvariety,

specialityoftheequipmentandtheoutputofproduct近20年来，世界市场情况发生了极大变化，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。一个企业产品市场的占有率已成为判断该企业是否具有竞争力的最重要标志。为及时占有市场，要求企业产品制造周期日益缩短。市场需求的多变性和不可预测性。传统的制造业靠以市场预测和订单为基础组织企业进行大规模生产的方式越来越不能适应多变和不可预测的市场需求。产品生命周期日益缩短。现今市场需求通常要求产品每三五年甚至更短时间就改变产品设计，这要求企业具有应付产品快速变革以及时响应市场需求变化的能力。产品需求趋于顾客化。产品需求的顾客化促进了市场从卖方市场转向买方市场。只有满足不同顾客的需求才能保持高的市场占有率。同时，产品需求趋于顾客化的市场特点导致企业产品生产日趋个性化批量生产。显然，在这种动态竞争全球化的市场环境中，企业面临的形势是十分严峻的，企业生存和可持续发展已成为必须首先考虑的问题。传统的高生产率、低柔性大产量制造系统已不能适应这种多变市场的实际需求。这将迫使工业界努力寻找一种具有高柔性、高生产率、高质量和低成本的产品零件加工制造系统。FMS就是在这种新市场需求推动下产生的，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的利用，以达到使企业生产经营能力整体优化的目的。从某种意义上讲，手工作坊式生产具有最高的“柔性”单项指标。随着自动化水平的提高，生产率和设备专用性提高而柔性却降低。传统NC,CNC机床适用于多品种基本单件产品生产应用，具有高的柔性和低的生产率。柔性加工中心机床适合于中等品种、小批量零件制造，具有较高的柔性和生产率。以托盘化CNC加工中心机床为核心设备，采用单元化结构设计的FMC设备以及FMS适合于中少品种、中小批量产品的生产。FMC设备若加以扩展(增加托盘和机床数量)，便可实现中高批量产品的生产。如将柔性加工中心机床或FMC技术应用于传统自动生产线上，则可构成柔性自动生产线(FlexibleTransferLine,FTL)实现中少品种大批量产品的生产。FTL适合于2〜10多个品种，生产率达5000〜200000件/年的生产规模。FMS适用于多品种(10〜50个品种)、中少批量(1000〜30000件/年)生产规模应用。在20世纪由享利.福特首先在汽车工业中应用的加工生产线以及至今仍有应用的自动生产线(TransferLine,TL)则是具有高生产效率、适用于大量生产的制造系统。如果用FMC来构成FTL，则其生产率能与TL相当，甚至可高过刚性自动生产线的水平［6］。FTL在柔性方面虽不及FMS高，然而其生产率却远远高于后者，是大批量生产的最佳模式。图2所示是柔性制造设备或系统的适用范围［2］，该图与上文列出的数据引自不同的文献，存在较大的差别，供读者参阅。图2柔性制造设备或系统的适用范围Fig.2Scopeofapplicationforflexible

manufacturingequipmentorsystemFMT所采用的一些原理和技术途径已完全不同于传统的制造系统，它包含有非常革命的制造哲理和技术观念。FMS系统并非如图1所示的3类制造系统意义上的某1类系统，而是能够覆盖这3类制造系统基本原理和概念的一种制造系统。实际上，目前FMS系统已被应用于产品的大量生产、成批生产和按次序的单件生产中，因而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。2柔性制造系统(FMS)的概念和特征FMS至今仍未有统一、明确、公认的定义，不同的国家、企业、学者和用户往往各有各的说法，所强调的关键特征也各有差异。所以，确切地定义FMS要比具体地描述一个FMS困难得多。美国国家标准局定义FMS为：由一个传输系统联接起来的一些设备(通常是具有自动换刀装置的加工中心机床)组成，传输装置把工件放在托盘或其他联接装置上送到各加工设备，加工设备和传输系统在中央计算机控制下，使工件加工准确、迅速和自动化。柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。日本国际贸易与工业部定义FMS为：由2台或更多NC机床组成的系统，这些机床与自动物料管理设备一一连接，在计算机或类似设备控制下完成自动加工或处理操作，从而可加工多个不同形状和尺寸的工件。中国机械部北京机械工业自动化研究所1993年编写的《制造自动化术语汇编》中，定义FMS为：将自动化生产系统从少品种大批量生产型转向多品种生产型的柔性化系统。FMS包括：(1)机械加工中心等加工作业机床；(2)加工对象的辅助作业工业机器人和托盘；(3)加工对象的搬运作业工业机器人/传送带/无人搬运车；(4)存贮工件的自动仓库；(5)上述作业用的各种自动设备的管理和控制用计算机。还可以列举出若干有关FMS的不同定义。但是，不管怎样，对于一个制造系统而言，如果它是柔性的，就应具备如下特点：有能力通过重新编制机床操作程序就能加工多种不同零件；有能力在已有的机床上提供零件加工所需求的全部工具；有能力实现工件在不同机床间的传递，并实现工件的自动加卸载。显然，根据上述的FMS系统所应具备的基本特征，可以认为，FMS应包含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，能动态地平衡资源的有效利用，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。FMS的“柔性”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。在一个柔性制造设备或系统建成后，运行起来所能达到的柔性不仅取决于制造设备或系统固有的柔性，而且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因素，或者说一个柔性制造设备或系统还存在有一种通过用户方可实现的柔性。因而，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。所谓空间兼容性，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；所谓时间兼容性，是指要求制造系统有能力应付短期、中期或长期内可能发生的情况变化，表现出在时间上的兼容性。已有不少学者对FMS的柔性进行专门研究，其定义和测定方法各有不同。定量测定制造系统的柔性是很费时、费钱的。通常应考虑如下若干因素，或者说存在如下若干项可用于评估或测定柔性制造设备或系统的柔性的指标［7〜9］：机床柔性(MachineFlexibility)：构成FMS的机床从一种工序加工转向另一种工序加工的能力。该柔性主要取决于机床的刀库容量。这是一种固有柔性，很难被用户改变。路由柔性(RoutingFlexibility)：—个给定加工工艺规划的零件在FMS系统中以不同加工路线实现柔性加工的能力。产量柔性(VolumeFlexibility)：经济地实现产品不同产出水平的工作能力。物料管理柔性(MaterialHandlingFlexibility)：传送和存放不同类型和尺寸的工件的能力，体现了制造设备或系统空间兼容性方面的应变能力。逐步投资柔性(IncrementalInvestmentFlexibility)：在需要时可增加或减少它的生产能力，体现了制造设备或系统时间兼容性方面的应变能力。(6)加工柔性(ToolingFlexibility):加工制造一种新零件或改进零件的能力，体现了制造设备或系统空间和时间兼容性方面的应变能力。持续进步柔性(ContinuousImprovementFlexibility):适应零件设计变化的生产能力，体现了制造设备或系统时间兼容性方面的应变能力。新零件项的柔性(NewItemIntroductionFlexibility)：引入新产品零件加工制造的能力，体现了制造设备或系统空间兼容性方面的应变能力。互换柔性(InterchangeFlexibility):在各加工站间和加工功能间的互换或替代能力，体现了制造设备或系统空间兼容性方面的应变能力。产品组合柔性(FlexibilityforChangeinProductMix):适应市场需求波动而改变产品零件组合加工的能力。在制品控制柔性(FlexibilityforWork_in_ProcessControl):适应为实施正常运行所需的最少在制品数目的能力。操作控制柔性(FlexibilityforWorkforceControl):运行柔性制造设备或系统所需要人员的工作队伍规模、技术水平和操作控制的能力。工序操作柔性(OperationFlexibility)：实现以不同的工序工艺顺序加工某一零件的能力。工程下马柔性度(ProjectAbandonmentFlexibility):原计划建立的FMS须下马时以最小损失调整到其他工程使用状态的能力，体现了制造设备或系统空间和时间兼容性方面的应变能力。故障控制柔性度(TroubleControlFlexibility):对故障停机的管理能力。重构柔性度(ReconstitutingFlexibility):重新进行调整，如移走设备作为他用，增加或更换某些部件以适应市场需求出现低于或高于系统生产能力时的能力，体现了制造设备或系统空间和时间兼容性方面的应变能力。软件柔性度(SoftwareFlexibility)：在需要进行如前所述的某种“应变”的情况下，系统管理与控制软件的适应能力，体现了制造设备或系统空间和时间兼容性方面的应变能力。FMS的优缺点FMS由于与传统的制造系统相比具有许多突出的优点，所以一经问世就引起了工业界的极大重视，各工业化国家有关部门纷纷投入极大的人力、物力和财力积极研究、开发。FMS的优点在许多技术文献中已有详细叙述，本文不再讨论具体内容，仅罗列其主要条目：高柔性制造能力；高设备利用率，典型的数据为75%〜90%；减少设备费用；减少占地面积，典型的可减少20%〜50%；减少直接劳动费用，可节约30%〜50%；减少生产准备时间，压缩在制品数量，改善对市场的响应能力；简化制造并提高经营控制能力；缓慢的系统衰变，即制造系统在意外情况下可降级运行；高产品质量；可实现准时制制造；高经济效益；允许分阶段投资与运行。尽管FMS有许多优点，但是工业实践业已证实发展FMS也有一些困难，或者说还存在缺点。正是由于这些困难或缺点，使得许多企业对FMS缺乏信心，望而却步，不敢做出采用这种新技术的决策；也正是由于这些难点，促进了FMS技术观点的变化与进步。发展FMS的难点主要表现在：投资高昂。FMS价值昂贵，视FMS构成规模的大小，一般需要500〜7000万美元的投资，这还不包括支持FMS运行环境建设的费用。这对于财源有限的中小企业来说是难以承受的，即使是技术与经济承受能力较强的大公司和大企业，采用FMT也有很大的风险，决策者须有足够的勇气和胆略。周期长。FMS系统技术复杂，开发、研制、调试一套FMS系统需要较长的周期，从提出开发一个系统的概念到具体实现，往往需要5〜6年的时间，有时甚至更长。若要完全满足用户的要求则需更长的时间。典型的FMS，仅调试周期通常就需要半年，有的甚至一年后还不一定能完全正常运行。调试一套大型FMS可能需要18个月，而使系统在良好的性能状态下运行可能再需要18个月。对于一个企业来说，如果一项新的技术投资在3〜5年内得不到良好的回报，往往会导致他们失去信心。高技术支持需求。企业建立FMS需要相当高的物质和技术知识支持，必须拥有熟悉这一领域的人才(领域专家和科技队伍)，建成后维持系统正常运行也需要一支具备高级技能的队伍。有限的“柔性”。FMS尽管具有高柔性，但是这种柔性仍然限于特定的范围。比如，加工箱体零件的FMS就不能用于加工旋转体、冲压件等。同样是箱体零件的FMS,用于加工变速箱体零件的FMS就不一定适合于加工发动机汽缸体。因此，一个FMS系统建成后,改变加工对象(一种固有柔性)是比较困难的。发展FMT的支撑条件为成功地应用FMT，需要以下必不可少的支撑条件。技术培训。应用FMT的用户，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是极为重要的。这种培训可以提高用户自身解决所遇到的技术问题的能力，减少对硬、软件供应商的依赖。实践证明，几乎所有的FMS采用者在建立FMS之前、之后都对有关人员进行了培训，与采用常规自动化技术相比，所需培训的人员更多，每个人培训的次数和时间也更多。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。实践表明，先前自动化技术应用经验对规划发展FMS总体目标，明确实际需求及成功实施都具有重要作用，大约60%〜90%的FMS用户在建立FMS之前就已有相当丰富的应用数控机床的实践经验。上级主管部门和领导的支持。在国营企业中，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。实践证明，几乎没有一个FMS项目不得到上级主管部门和领导的支持而能够成功实施的。上级主管部门和领导级别越高，成功应用FMT的可能性就越大，这与实施常规自动化技术有很大的差别。工程主管者。发展FMT除需得到上级主管部门和领导支持外，还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。据有关资料统计，大约75%的FMS项目实施中都有这样的一位工程负责人，他清楚地了解所要实施的FMT的目标和所采用的技术途径，能够为工程的实施争取人力、物力、财力等保障条件，向有阻力的部门解释并维护工程的目标。供应商。发展FMT，对于技术水平较低和自动化技术应用经验较少的企业来说，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、应用经验较丰富的用户，这种支持也是必要的。工业实践表明，大约有一半的FMS用户在整个建立FMS期间都经常与软硬件供应商联系，并需得到他们的技术支援。有90%的FMS应用者在选择软硬件供应商时，都将供应商的技术支援能力作为重要条件之一予以考虑。FMS与无人操作制造70年代初中期，技术名词“FMS”多被当成“无人操作制造”的同义词，至今国内仍有不少人持有这种观点。实际上，这是对FMT的一种误解。造成这种现象的主要原因在于：世界上第一套FMS莫林系统24以具有无人操作的班次作为其运行的一个基本特点，它对后来FMS的发展产生了极大的影响。在计算机集成制造技术概念提出的初期，一些学者、专家将建立“无人化工厂”，或无人操作制造的“黑盒子”制造车间作为实现CIMS的目标之一，认为这是发展工厂自动化技术的方向和趋势，并将FMS作为其基本构成部分。由于日本厂商投入大量资金发展他们用于无人操作制造的“无人操作制造方法学(MUMPROJECT)”课题所造成的影响。由于FMT的众多优点尚未被人们全面了解，或者说对FMT哲理与技术观点尚未深刻理解，多数人的认识只限于提高自动化水平和生产率的优点之上。通过较长时间发展CIMS和FMS的工业实践，制造工程师们已看到先前技术观点的片面性，认识到仅仅实现制造过程的自动化并不能使制造系统取得预期的“柔性”。FMS的有效运行和柔性取决于人、管理和技术的有机综合集成的程度；建立无人工厂是不现实的，实现无人操作制造是极为复杂和困难的。所以，在日本人从事MUM课题研究时，美国人却在实现商品化FMS以用于实际的零件加工，他们并不追求无人操作制造，而是以有限的操作者管理尽可能多的加工设备和追求将所需的劳动力减少到最低限度的技术观点来建立FMS[1]。尽管现今许多FMS能够实现在一定时间内的无人操作运行，但是几乎没有一个用户将无人操作制造作为建立、发展FMS的最终目标。这是因为工业实践已经证明，几乎所有现存的FMS都不是无人操作的，实际上,FMS在以下几个方面仍然离不开人工操作：加工零件在夹具上的安装、随行托盘的加卸载实现自动化是极为困难的，即使有可能，其技术相当复杂，投资也将是高昂的，而使用人工操作却比较容易实现。刀具维护、准备及组织。尽管已研究了各种刀具磨损、破损自动检测装置，但是可靠的、有实用价值的检测技术至今仍未完全过关，基本上仍靠人工。此外，刀具寿命的检查也仍然基本上靠人工判定。尽管许多FMS配有集中式的切屑收集或排除装置及冷却液系统，然而一定数量的机床清理工作仍要靠人工来完成，不易防护的大型机床更是如此。实现切屑自动化收集或排除的投资是相当高的，其效果也并不完全令人满意。系统故障排除仍须靠人的双手和熟悉这些系统的人员来完成。若干辅助工序往往也须靠人工进行，如清洗、打毛刺、变形矫正等。FMS通常还须配备系统操作员，以进行初始化、准备和运行。系统突发故障的应急处理仍然靠人工处理，计算机很难、或者说几乎不可能处理这种不可预料的突发事件。某些FMS系统在夜班实现4h或6h无人操作制造运行，但通常仍需安排值班人员，以便解决、处理不可预见的突发事件，维护系统的正常运行。此外，有些学者认为，实现无人操作制造在经济上是否合算也还值得研究。为了实现夜间第3班4h或6h无人操作制造，通常必须：要求加工设备具有高度的自动化、智能化水平，例如需增设刀具破损、磨损检测装置；要求设备控制系统具有更强的功能化特征，以便对加工过程中发生的故障实现自动诊断处理，确保工件和设备的安全运行，这不但增加了系统的初始投资，且由于系统复杂程度增加而要求更多的预维护；要求预先准备更多的工具、托盘，设置足够数目的缓冲贮存站，这些投资也是相当可观的；要求零件加工编程人员具有更高的专业技术水平、技巧。总的说来，实现无人操作运行，表面上直接劳动力费用大大减少了，然而其他间接劳动力费用及设备费用却大大增加了，其综合成本未必能够降低。FMT的发展现状与展望近半个世纪以来，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。从60年代到80年代这短短的20年间，世界范围内的FMS获得了约15%的年增长率的快速发展和应用，见表1。表1世界范围FMS的发展和应用增长年份（年）197419781981198419851986198819902000资料来源FMS/套173887157德国人马丁调查349欧洲经济委员会统计4001500美国制造工程师协会统计340100012002500〜3500IIASA研究报告在FMS领域，美国、西欧和日本居世界之首。美国是发展FMS最早的国家，多数由自动生产线改建，用数控加工中心机床代替组合机床并加上计算机控制，其规模一般较大（9〜10台），平均投资1500万美元，加工3〜150种零件，年产量为2000件〜10万件。在美国，特别是FMC得到了快速的发展和应用，据美国“TheCIMSReport”报道，到90年代，FMC已超过了1万套，见表2。表2美国FMC的发展和应用增长年份/年19841985198819891992FMC/套52510805760810010000以上日本是发展FMS较晚的国家。1992年日本调查了涉及10个行业的12073家企业，金切机床总数为719626台，数控化率20.8%（1987年为10.9%），金属成形机床总数为283242台，数控化率4.3%。FMS系统（金切和金属成形，含FTL）2194套，其中役龄在3年以下的704套；3〜4年的523套；5〜9年的508套。可以看出，约有80%的FMS役龄不超过10年。FMC的总数为11506套，其中11066套用于金切单元，440套用于金属成形单元。从FMC和FMS的役龄看，5年以下的FMC占55.5%，FMC占61%；役龄5〜9年的FMC占32.2%，FMS占25%。据报道，日本从1984〜1989年发展FMC，以每年1000〜1500套的数量增加，而发展FMS则是在90年代才逐渐开始的。德国发展FMS的情况与美国、日本有所不同，主要用于中小规模企业，FMS规模较小（4〜6台机床），具有较高的柔性，加工零件种类为50〜250种。意大利、英国、独联体以及其他一些东欧国家也都发展了自己的FMS，其水平也相当高。我国发展与应用FMC，FMS系统均较晚，据有关部门统计，至1995年才建成约34套FMS，其中28套已用于生产（5套用于板材加工)，FMC的应用也极为有限，与国际先进水平相比差距甚大。从规模上看，FMS以4〜6台机床组成的为最多，一般不多于10台；从批量上看，以10〜50，50〜1000件为最多；年产量以3000〜30000件为最多。进入90年代后，尽管发展FMS遇到了一些困难，且由于机床制造业出现了世界性的滑坡，影响了FMC，FMS的发展和应用速度。但工业界经长期实践，积累了丰富的经验和教训，已超越了早期FMS技术概念的约束，不再盲目追求实现加工过程的全盘自动化，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，并允许人更多的能动介入，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，如使高性能柔性加工中心构成的FMC,FTL得到广泛应用。同时，工业界已更加注重FMT与集成化CAD/CAPP/CAM,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”乃是制造设备和系统的主要发展趋势。FMT仍在继续发展之中，并将更趋成熟和实用。FMS的构成和应用形式将更加灵活和多样化，为越来越多的企业所接受。小型FMS在吸取了FMS应用实践经验后近几年来获得了迅速发展，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计技术。这些模块具有