柔性制造

历史沿革

• 1967年：英国莫林斯公司首次根据威康森提出的FMS基本概念，研制“系统24”，主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下实现昼夜24小时连续加工，但最终因经济和技术困难未全部建成。同年，美国怀特•森斯特兰公司建成Omniline I系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和加工，这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产，形式上与传统自动生产线相似，也叫柔性自动线。此后，日本、苏联、德国等先后开展FMS研制工作。

• 1976年：日本发那科公司展出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元（FMC），为发展FMS提供重要设备形式。FMC一般由1 - 2台数控机床与物料传送装置组成，有独立工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。
• 1982年：日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转，这是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，出现若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不是很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。

制造系统

基本概念

• 定义

  • 根据《中华人民共和国国家军用标准》：FMS是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，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调整，适用于多品种、中小批量生产。
  • 美国制造工程师协会：使用计算机控制、柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统。
  • 更直观定义：柔性制造系统是由至少两台机床、一套物料运输系统（从装载到卸载）组成的制造系统，采用简单改变控制指令的方法便能制造出形状不同的零件。

组成结构

• FMC：可视为规模最小的FMS，是FMS向廉价及小型化方向发展的产物。由1 - 2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存储设备构成，特点是可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，已进入普及应用阶段。

• FMS

  • 美国国家标准局：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，FMS有时可同时加工几种不同的零件。
  • 国际生产工程研究协会：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。

  • 中国国家军用标准：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，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调整，适用于多品种、中小批量生产。简单说，是由若干数控设备、物料运储装置和计算机控制系统组成，并能根据制造任务和生产品种变化而迅速调整的自动化制造系统。

• FML：处于单一或少品种大批量非柔性自动生产线与中小批量多品种FMS之间的生产线。加工设备可以是通用加工中心CNC机床，也可采用专用机床或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。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，特点是实现生产线柔性化及自动化。
• FMF（Flexible Manufacturing Factory，柔性制造工厂）：将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMIS。

主要分类

• 硬件系统

  • 制造设备：数控加工设备（如加工中心）、测量机和清洗机等。
  • 自动化储运设备：输送带、有轨小车、AGV、搬运机器人、立体库、中央托盘库、物料刀具装卸站和中央刀库等，计算机控制系统及网络通信系统。

• 软件系统

  • 系统支持软件：操作系统、网络操作系统、数据库管理系统等。
  • FMS运行控制系统：动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统，物料（工件和刀具）管理控制系统等。

系统分类

• 柔性制造单元：一般由1台或2台数控机床、加工中心、工业机器人及物料运输存储设备等组成。数控加工设备之间由小规模的工件自动运输装置连接，并由计算机进行生产控制和管理，具有适应加工多品种产品的灵活性，可视为规模最小的柔性制造系统，系统对外设有接口，可与其他单元组成柔性制造系统。特点是可实现单机柔性自动化，已进入普及应用程度。
• 柔性制造系统：通常由4台或更多的数控加工设备（或柔性制造单元）有机组合而成，由计算机控制整个系统运行。其控制、管理功能比柔性制造单元强，对数据管理与通信网络要求更高。与集中的控制系统及物料系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工管理，是最具代表性的使用柔性制造技术的制造自动化系统。
• 柔性制造生产线：处于少品种大批量、非柔性的单一自动线与中小批量多品种生产线之间的一种生产线。以离散型生产中的柔性制造系统和连续性生产过程中的分散型控制系统为代表，特点是实现生产线柔性化和自动化，但柔性较低，专用性较强，生产效率较高，生产量较大，相当于数控化的自动生产线，一般用于少品种、中批量生产。
• 柔性制造工厂：以柔性制造系统为子系统构成，即柔性制造由柔性制造系统扩大到全厂范围。配有自动化仓库，用计算机系统进行有机联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整柔性制造系统，实现全厂范围内的生产管理过程、设计过程、制造过程和物料运储过程的全盘自动化，即实现自动化工厂的目标。

加工系统

柔性加工系统采用的设备由待加工工件的类别决定，主要有加工中心、车削中心或计算机数控（CNC）车、铣、磨及齿轮加工机床等，可自动完成多种工序的加工。磨损的刀具可逐个从刀库中取出更换，也可由备用子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱可以自动更换。

物料系统

用以实现工件及工装夹具的自动供给装卸，以及完成工序间的自动传送、调运和存储工作，包括各种输送带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等。储存和搬运系统搬运的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的巷道式立体仓库。毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的柔性加工系统，自动导引小车搬送物料的顺序与设备排列位置无关，具有较大灵活性。工业机器人可在有限范围内为1 - 4台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置（APC）传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。

基本特征

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 生产能力柔性：当生产量改变时，系统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来说，这一点尤为重要。
• 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。
• 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。

关键技术

• 计算机辅助设计：未来CAD技术发展将会引入专家系统，使之具有智能化，可处理各种复杂问题。当前设计技术的一个突破是光敏立体成形技术，该项新技术直接利用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，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黏合在一起，仅需确定数据，数小时内便可制出精确的原型，有助于加快开发新产品和研制新结构的速度。
• 模糊控制技术：模糊数学的实际应用是模糊控制器。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做调整，使系统性能大为改善，其中以基于人工神经网络的自学方法引起人们关注。
• 人工智能、专家系统及智能传感器技术：柔性加工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，因而为柔性加工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）技术必将在柔性加工业（尤其智能型）中起着关键作用。目前用于柔性加工中的各种技术，预计最有发展前途的仍是人工智能。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，达到最佳工作状态，具备自组织能力，故IMT被称为21世纪的制造技术。对未来智能化柔性加工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，使传感器具有内在的“决策”功能。
• 人工神经网络技术（ANN）：是模拟智能生物的神经网络对信息进行处理的一种方法，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，成为现代自动化系统中的一个组成部分。
• 综合控制系统MES精益制造管理系统：集合软件和人机界面设备（PLC触摸屏）、PDA手机、条码采集器、传感器、I/O、DCS、RFID和LED生产看板等多类硬件的综合智能化系统，由一组共享数据的程序所组成，通过布置在生产现场的专用设备（PDA智能手机、LED生产看板、条码采集器、PLC、传感器、I/O、DCS、RFID和PC等硬件）对从原材料上线到成品入库的生产过程进行实时数据采集、控制和监控的系统。它通过控制物料、仓库、设备、人员、品质、工艺、流程指令和设施等所有工厂资源来提高制造竞争力，系统地在统一平台上集成工艺排单、质量控制、文档管理、图样下发、生产调度、设备管理和制造物流等功能，实现企业实时化的信息系统。精益制造系统实时接收来自ERP系统的工单、BOM、制程、供货方、库存和制造指令等信息，把生产方法、人员指令和制造指令等下达给人员、设备等控制层，实时把生产结果、人员反馈、设备操作状态与结果、库存状况和质量状况等动态地反馈给决策层。

研究方向

• 生产调度理论与算法的研究：主要涉及数学规划、图论、对策论、排队论、人工神经网络方法、Petri网理论等应用数学理论及方法。
• 计算机通信及数据技术的研究：主要涉及数据通信规范与标准、工程数据库管理技术。
• 计算机仿真技术研究：主要涉及系统建模理论、数理统计分析技术、计算机仿真管理技术。
• 生产组织及控制模式理论和技术的研究：主要涉及动态逻辑单元重构理论、多黑板结构模型的智能单元控制理论、系统扰动及再调度理论和技术、JIT技术、开放式体系结构等。
• 制造资源控制管理理论和技术的研究：主要涉及刀具管理理论及技术、加工设备的实时调度技术物料储运系统。
• 系统运行性能评价的理论研究：主要涉及系统投资评估理论、调度算法评价指标体系等。FMS的一个重要发展方向是采用更简单的准柔性系统P - FMS，也有人提出多采用柔性制造单元FMC，减少使用FMS。

主要特点

• 设备利用率高：一组机床编入柔性制造系统后的产量，一般可达这组机床在单机作业时的三倍。柔性制造系统能获得高效率的原因，一是计算机把每个零件都安排了加工机床，机床空闲即刻将零件送上加工，同时将相应的数控加工程序输入这台机床；二是送上机床的零件早已装卡在托盘上（装卡工作是在单独的装卸站进行），因而机床不用等待零件的装卡。
• 减少设备投资：由于设备利用率高，柔性制造系统能以较少的设备来完成同样的工作量。把车间采用的多台加工中心换成柔性制造系统，其投资一般可减少三分之二。

• 减少直接工时费用：由于机床是在计算机控制下进行工作，不需工人去操纵，唯一用人的工位是装卸站，这就减少了工时费用。

• 减少了工序中在制品量：和一般加工相比，柔性制造系统在减少工序间零件库存数量上有良好效果，有的减少了80%，这是因为缩短了等待加工时间。
• 改进生产要求有快速应变能力：柔性制造系统有其内在的灵活性，能适应由于市场需求变化和工程设计变更所出现的变动，进行多品种生产，而且还能在不明显打乱正常生产计划的情况下，插入备件和急件制造任务。
• 维持生产的能力：许多柔性制造系统设计成具有当一台或几台机床发生故障时仍能降级运转的能力，即采用了加工能力有冗余度的设计，并使物料传送系统有自行绕过故障机床的能力，系统仍能维持生产。
• 产品质量高：减少零件装卡次数，一个零件可以少上几种机床加工，设计更好的专用夹具，更加注意机床和零件的定位都有利于提高零件的质量。
• 运行的灵活性：运行的灵活性是提高生产率的另一个因素，有些柔性制造系统能够在无人照看的情况下进行第二和第三班的生产。
• 产量的灵活性：车间平面布局规划得合理，需要增加产量时，增加机床，以满足扩大生产能力的需要。

意义影响

柔性制造强调在生产过程中的适应性和灵活性，其核心优势包括高度定制化和出色的适应能力，能够有效应对大规模定制需求。随着工业4.0的兴起，柔性制造正成为制造业发展的一个重要趋势。工业互联网、机器人技术、人工智能改变了传统工业的生产与管理方式，让“个性定制”“一件起订”的柔性化生产模式变为现实。在面临消费者不断变化的需求和全球竞争环境的背景下，柔性制造将在定制化、响应速度和资源效率方面发挥重要作用。

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