柔性制造系统简述

1   前言

20世纪60年代以来,随着生活水平的提高,用户对产品的需求向着多样化、新颖化的方向发展,传统的适用于大批量生产的自动线生产方式已不能满足企业的要求,企业必须寻找新的生产技术以适应多品种、中小批量的市场需求。同时,计算机技术的产生和发展,CAD/CAM、计算机数控、计算机网络等新技术新概念的出现以及自动控制理论、生产管理科学的发展也为新生产技术的产生奠定了技术基础。在这种情况下,柔性制造技术应运而生。柔性制造系统(Flexible Manufacturing System—FMS)的雏形源于美国马尔罗西(MAL—ROSE)公司，该公司在1963 年制造了世界上第1 条加工多种柴油机零件的数控生产线。FMS 的概念是由英国莫林(MOLIN)公司最早正式提出，并在1965 年取得了发明专利。FMS 正式形成后，世界上各工业发达国家争相发展和完善这项新技术，使之在实际应用中取得了明显的经济效益。柔性制造系统作为一种新的制造技术，在零件加工业以及与加工和装配相关的领域都得到了广泛的应用。

2   FMS的定义和组成   

FMS 指在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上, 通过计算机软件科学, 把工厂生产活动中的自动化设备有机地集成起来, 打破设计和制造的界限, 取消图纸、工艺卡片, 使产品设计、生产相互结合而成的, 适用于中、小批量和较多品种生产的高柔性、高效率、高自动化程度的制造系统。下图是典型的FMS 示意图。

从从图中可以看出,FMS一般由5个功能系统构成：

(l)自动加工系统。一般由2台以上的数控机床、加工中心或柔性制造单元(FMC)以及其他的加工设备构成。

(2)自动物流系统。该系统包括运送工件、刀具、冷却润滑液等加工过程中所需“物资”的搬运装置以及装卸工作站。 

(3)自动仓库系统。由设置在搬运线始端或末端的自动仓库和设在搬运线内的缓冲站构成,用以存放毛坯、半成品和成品。 

(4)自动监视系统。由各种传感器检测和识别整个FMS及各分系统的运行状态,对系统进行故障诊断和处理,保证系统的正常运行。 

(5)计算机控制系统。实现对FMS的运行控制、刀具管理、质量控制及数据管理和网络通信。

3   FMS在高精尖制造业中的应用

在美国,休斯公司经过谨慎规划建成一套FMS,以制造飞机和导弹上的激光测距仪及其它光学系统上的精密、复杂的铝合金壳体零件。麦道公司为了提高制造技术,经过充分论证与规划,于1987年建成一套FMS,以加工捕鲸叉和战斧导弹的舱段及其它机加工件。沃特宇航公司建成了一套价值1 000万美元的FMS,以加工B-1B飞机的600个机加工件。普·惠公司在空军的资助下,投资800万美元建成一套FMS,以加工喷气发动机的涡轮盘、压气机盘和叶片；GE公司和GM公司的FMS也用来加工发动机零件。在英国,罗·罗公司为了提高对市场需求和响应市场变化的能力,正在实施一项投资800万英镑的AIMS(自动化集成制造系统)计划,打算在4－5年内分批建成16套FMS,以生产涡轮叶片和压气机叶片、轴件、轮盘及大机匣等。英国宇航公司在实现飞机生产自动化方面也拟定了一项计划。该公司将分期分批新建和改建复合材料构件自动化车间、钣金自动化车间及各种自动化加工单元,争取建成具有高技术水平的集成柔性生产体系;在1983—1987年期间,该公司对大型FMS的设计、研制和实施进行了可行性研究。该系统将用于加工不同的钢/钛和铝合金的飞机结构零件。德国花费10年时间,投资6 000万美元建成一套目前世界上最先进的计算机集成自动化柔性制造系统,以加工旋风飞机的耐热合金零件,以解决800架旋风飞机订货问题。VFW公司投资2 000万美元建成一套FMS,以加工A300空中客车、A310运输机及MRCA旋风战斗机的4 500种不同零件。

4　 FMS的特点

FMS经过40多年的发展，柔性和自动化是其最大特点，柔性主要包含以下8个方面。

(l)设备柔性  　系统中的加工设备具有适应加工对象变化的能力。其衡量指标是当加工对象的类、族、品种变化时，加工设备所需刀、夹、辅具的准备和更换时间;硬、软件的交换与调整时间；加工程序的准备与调校时间等。

(2)工艺柔性　　系统能以多种方法加工某一族工件的能力。工艺柔性也称加工柔性或混流柔性，其衡量指标是系统不采用成批生产方式而同时加工的工件品种数。

(3)产品柔性　　系统能经济而迅速地转换到生产一族新产品的能力。产品柔性也称反应柔性。衡量产品柔性的指标是系统从加工一族工件转向加工另一族工件时所需的时间。

(4)工序柔性　　系统改变每种工件加工工序先后顺序的能力。其衡量指标是系统以实时方式进行工艺决策和现场调度的水平。

(5)运行柔性　　系统处理其局部故障，并维持继续生产原定工件族的能力。其衡量指标是系统发生故障时生产率下降程度或处理故障所需的时间。

(6)批量柔性　　系统在成本核算上能适应不同批量的能力。其衡量指标是系统保持经济效益的最小运行批量。

(7)扩展柔性　　系统能根据生产需要方便地进行模块化组建和扩展的能力。其衡量指标是系统可扩展的规模大小和难易程度。

(8)生产柔性　　系统适应生产对象变换的范围和综合能力。其衡量指标是前述7项柔性的总和。

FMS正是将“柔性”和“自动”两者结合，从而实现企业的经济效益；(１)适应市场需求，利于多品种、中小批量生产；(２)提高机床利用率，缩减辅助时间，利于降低生产成本；(３)缩短生产周期，减少库存量，利于提高市场响应能力；(４)提高自动化水平，利于提高产品质量、降低劳动强度、改善生产环境。

5   FMS的类型   

FMS按加工设备、投资规模和用途划分可分为4个级别：

(1)柔性制造单元(FMC)　　FMC 的问世并在生产中使用约比FMS 晚6-8 年，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，具有适应加工多品种产品的灵活性。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和一种产物，其特点是实现单机柔性化及自动化，迄今已进入普及应用阶段。

(2)柔性制造系统(FMS)　　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。

(3)柔性制造线(FML)　　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，迄今已进入实用化阶段。

(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。

６　FMS的关键技术

(１)集成化技术　　过去制造系统中仅强调信息的集成,这是不够的,现在更强调技术、人和管理的集成。在开发制造系统时强调“多集成”的概念,即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成,这更适合未来制造系统的需求。

(２)网络技术　　网络技术包括硬件与软件的实现。各种通讯协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等是实现各种制造系统自动化的基础。

(3)模糊控制技术　　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。

(４)人工智能及专家系统技术　　迄今为止, FMS中所采用的人工智能大多数是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FMS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技术必将在FMS中起着关键性的作用。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。在制造过程中,系统能自动检测其运行状态,在受到外界或内部刺激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FMS具有重要意义的另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。

(５)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平行处理的一种方法。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,神经网络不久将平行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。

(６)虚拟现实与多媒体技术　　虚拟现实(VR)是人造的计算机环境,使处在这种环境中的人有身临其境的感觉,并强调人的操作与介入。VR技术在21世纪制造业中将有广泛的应用,它可以用于培训、制造系统仿真、实现基于制造仿真的设计与制造和集成设计与制造、实现集成人的设计等。多媒体介质采用多种介质来储存、处理多种信息,融文字、语音、图象、动画于一体,给人一种真实感。

(７)计算机辅助设计　　未来计算机辅助设计(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型技术,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,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,逐层扫描成型,并自动地将分层成型的各片状固化塑料粘合在一起,仅需要确定数据,数小时内便可制出精确的原形。利用这项技术可加快开发新产品和研制新结构的速度。

７  FMS的前景展望

(１) 柔性制造单元(FMC)将成为发展和应用的热门技术　　因为FMC的投资比FMS少的多而经济效益相接近,故FMC更适用于财力有限的中小型企业,目前国外众多厂家将FMC列为发展之重点。

(２) 发展效率更高的柔性制造线(FML)　　少品种大批量的生产企业如汽车、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) FMS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功能FMS。

８　结语

近年来，FMS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。它是实行其他先进制造方法的基础。可以这样认为：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。FMS作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技，对企业改变传统的生产模式将起到很大的帮助，同时对加速机械装备更新换代具有重要作用，为未来机械制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图，将成为本世纪机械制造业的主要生产模式。

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