柔性制造技术的现状及发展趋势

徐世民

1　基本概念
1.1　柔性柔性可以表述为两个方面。
第一方面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;第二方面是系统适应内部变化的能力,可用在有干扰(如机器出现故障)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。其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正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。柔性已占有相当重要的位置。柔性主要包括　　
1)机器柔性　当要求生产一系列不同类型的产品时,机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。
2)工艺柔性　一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力;二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。
7 l7 g7 z. x( e3)产品柔性　一是产品更新或完全转向后,系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力;二是产品更新后,对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。
/ Z* A; f; s) @! H4)维护柔性　采用多种方式查询、处理故障,保障生产正常进行的能力。
5)生产能力柔性　当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统,这一点尤为重要。
2 D$ H6 g, Q- g3 H6)扩展柔性　当生产需要的时候,可以很容易地扩展系统结构,增加模块,构成一个更大系统的能力。
7)运行柔性　利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品,换用不同工序加工的能力。
- j" D$ f) S& \0 X" C1.2　柔性制造技术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,我们认为凡是侧重于柔性,适应于多品种、中小批量(包括单件产品)的加工技术都属于柔性制造技术。目前按规模大小划分为:
& ~. |( L/ p2 n( }6 E1)　柔性制造系统(FMS)
关于柔性制造系统的定义很多,权威性的定义有:
美国国家标准局把FMS定义为:“由一个传输系统联系起来的一些设备,传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备,使工件加工准确、迅速和自动化。中央计算机控制机床和传输系统,柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。 国际生产工程研究协会指出“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统,在最少人的干预下,能够生产任何范围的产品族,系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。” 而我国国家军用标准则定义为“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。” 简单地说,FMS是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。
目前常见的组成通常包括4台或更多台全自动数控机床(加工中心与车削中心等),由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来,可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS,日本从1991年开始实施的“智能制造系统”(IMS)国际性开发项目,属于第二代FMS;而真正完善的第二代FMS预计本世纪十年代后才会实现。
2 |# U* |) n2 }" V5 G6 R　　2)　柔性制造单元(FMC)
) U8 I& \$ z7 q3 j4 x9 W5 E8 @; T　　FMC的问世并在生产中使用约比FMS晚6～8年,FMC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,它是由1～2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。迄今已进入普及应用阶段。
9 P, l9 E) c3 |0 i3 y　　3)　柔性制造线(FML)
2 A# T4 ^4 b% o0 i/ d3 p; r. ~　　它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。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生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,迄今已进入实用化阶段。
8 ^$ ?  m- k1 I9 p: J- w  W  m9 Z& o　　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CAD/CAM,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是自动化生产的最高水平,反映出世界上最先进的自动化应用技术。它是将制造、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
9 f: ^6 V" S5 ?　　未来CAD技术发展将会引入专家系统,使之具有智能化,可处理各种复杂的问题。当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术,该项新技术是直接利用CAD数据,通过计算机控制的激光扫描系统,将三维数字模型分成若干层二维片状图形,并按二维片状图形对池内的光敏树脂液面进行光学扫描,被扫描到的液面则变成固化塑料,如此循环操作,逐层扫描成形,并自动地将分层成形的各片状固化塑料粘合在一起,仅需确定数据,数小时内便可制出精确的原型。它有助于加快开发新产品和研制新结构的速度。
　　2.2　模糊控制技术
$ h# G1 A+ ^6 Y" S: v) c* {　　模糊数学的实际应用是模糊控制器。最近开发出的高性能模糊控制器具有自学习功能,可在控制过程中不断获取新的信息并自动地对控制量作调整,使系统性能大为改善,其中尤其以基于人工神经网络的自学方法更引起人们极大的关注。
- P& A: y$ D& F　　2.3　人工智能、专家系统及智能传感器技术
" E& _4 x: r' g1 D) V$ |1 I　　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。专家系统利用专家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经验证过的理论与通过经验获得的知识相结合,因而专家系统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。目前用于柔性制造中的各种技术,预计最有发展前途的仍是人工智能。预计到21世纪初,人工智能在柔性制造技术中的应用规模将在比目前大4倍。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。故IMT被称为未来21世纪的制造技术。对未来智能化柔性制造技术具有重要意义的一个正在急速发展的领域是智能传感器技术。该项技术是伴随计算机应用技术和人工智能而产生的,它使传感器具有内在的“决策”功能。
　　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。故人工神经网络也就是一种人工智能工具。在自动控制领域,神经网络不久将并列于专家系统和模糊控制系统,成为现代自动化系统中的一个组成部分。
' O" i: P3 g5 a" J0 P/ Y" j　　3　柔性制造技术的发展趋势
! t0 f6 H6 H9 J/ L0 ~( n　　3 1　FMC将成为发展和应用的热门技术
: t! T; i. w& J# ?, P, Y　　这是因为FMC的投资比FMS少得多而经济效益相接近,更适用于财力有限的中小型企业。目前国外众多厂家将FMC列为发展之重。
  E4 g% R2 x/ f　　3 2　发展效率更高的FML
3 a, w0 W0 m% z4 w' `, R2 _5 C7 \4 x　　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 3　朝多功能方向发展
6 z0 ~( c! q3 n　　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。
0 H/ u" l; v2 r9 i% R6 ]3 [1 b. {2 f　　4　结束语
　　柔性制造技术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。届时,智能化机械与人之间将相互融合,柔性地全面协调从接受订货单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。
2 }  o0 }1 O' C' Z; m# r0 q2 S　　近年来,柔性制造作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认,可以这样认为:柔性制造技术是在自动化技术、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技术。它作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技,为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图,将成为21世纪机构制造业的主要生产模式。实现了按端口、MAC地址、应用等来划分虚拟网络,有效地控制了企业内部网络的广播流量和提高了企业内部网络的安全性。
! q" j; f+ ^/ [/ x, R. O; g　　5　结论
　　现实中存在许多不同类型的网络,有支持TCP/IP的,有遵循OSI标准协议的,每台机器的对应层协议都不同,对哪一层实施连接,需采用相应的网络互联设备。
3 T! H, m3 O. P　　通俗地讲,第二层交换是指多口的交换集线路,即网络交换机。其目的是替代传统的集线器,提升网络的有效带宽。主要应用于局域网中。在不同或相同类型的局域网之间采用桥接器(集线器),从协议层上讲属于数据链路层的设备,但它们仍然是网络连接的方法,因为局域网IMP本身没有网络层,只有在主机站点上才有网络层或提供网络层服务的功能。 与桥接器不同,网关在网络层一级工作。这样就有了更大的灵活性。例如,在差别很大的网络间翻译地址等,但这也导致了网关的速度很慢,因此,网关一般都用于广域网间的连接或局域网与广域网的互联。随着网络的演进,100M高速以太网的出现,路由器在网段之间通信中造成的时延越来越成为网络信息传输的瓶颈。第三层交换技术的出现,解决了大规模局域网中各子网段之间网络信息传输的瓶颈问题,取代了昂贵的路由器,成为一种实用、经济的组网技术。
文章关键词： 柔性制造技术