柔性制造技術的現狀及發展趨勢

柔性制造技術的現狀及發展趨勢

摘　要　文章簡述了柔性、柔性制造技術的概念、分類、所涉及的關鍵技術,以及發展應用趨勢,以促使人們對新的制造技術認識和重視。
　　隨著社會的進步和生活水平的提高,社會對產品多樣化,低制造成本及短制造周期等需求日趨迫切,傳統的制造技術已不能滿足市場對多品種小批量,更具特色符合顧客個人要求樣式和功能的產品的需求。90年代后,由于微電子技術、計算機技術、通信技術、機械與控制設備的發展,制造業自動化進入一個嶄新的時代,技術日臻成熟。柔性制造技術已成為各工業化國家機械制造自動化的研制發展重點。
　　1　基本概念
　　1 1　柔性柔性可以表述為兩個方面。第一方面是系統適應外部環境變化的能力,可用系統滿足新產品要求的程度來衡量;第二方面是系統適應內部變化的能力,可用在有干擾(如機器出現故障)情況下,系統的生產率與無干擾情況下的生產率期望值之比來衡量。“柔性”是相對于“剛性”而言的,傳統的“剛性”自動化生產線主要實現單一品種的大批量生產。其優點是生產率很高,由于設備是固定的,所以設備利用率也很高,單件產品的成本低。但價格相當昂貴,且只能加工一個或幾個相類似的零件,難以應付多品種中小批量的生產。隨著批量生產時代正逐漸被適應市場動態變化的生產所替換,一個制造自動化系統的生存能力和競爭能力在很大程度上取決于它是否能在很短的開發周期內,生產出較低成本、較高質量的不同品種產品的能力。柔性已占有相當重要的位置。柔性主要包括　　1)　機器柔性　當要求生產一系列不同類型的產品時,機器隨產品變化而加工不同零件的難易程度。
　　2)　工藝柔性　一是工藝流程不變時自身適應產品或原材料變化的能力;二是制造系統內為適應產品或原材料變化而改變相應工藝的難易程度。
　　3)　產品柔性　一是產品更新或完全轉向后,系統能夠非常經濟和迅速地生產出新產品的能力;二是產品更新后,對老產品有用特性的繼承能力和兼容能力。
　　4)　維護柔性　采用多種方式查詢、處理故障,保障生產正常進行的能力。
　　5)　生產能力柔性　當生產量改變、系統也能經濟地運行的能力。對于根據訂貨而組織生產的制造系統,這一點尤為重要。
　　6)　擴展柔性　當生產需要的時候,可以很容易地擴展系統結構,增加模塊,構成一個更大系統的能力。
　　7)　運行柔性　利用不同的機器、材料、工藝流程來生產一系列產品的能力和同樣的產品,換用不同工序加工的能力。
　　1 2　柔性制造技術柔性制造技術是對各種不同形狀加工對象實現程序化柔性制造加工的各種技術的總和。柔性制造技術是技術密集型的技術群,我們認為凡是側重于柔性,適應于多品種、中小批量(包括單件產品)的加工技術都屬于柔性制造技術。目前按規模大小劃分為: 

　　1)　柔性制造系統(ＦＭＳ) 
　　關于柔性制造系統的定義很多,權威性的定義有: 
　　美國國家標準局把ＦＭＳ定義為:“由一個傳輸系統聯系起來的一些設備,傳輸裝置把工件放在其他聯結裝置上送到各加工設備,使工件加工準確、迅速和自動化。中央計算機控制機床和傳輸系統,柔性制造系統有時可同時加工幾種不同的零件。 國際生產工程研究協會指出“柔性制造系統是一個自動化的生產制造系統,在最少人的干預下,能夠生產任何范圍的產品族,系統的柔性通常受到系統設計時所考慮的產品族的限制�！� 而我國國家軍用標準則定義為“柔性制造系統是由數控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統組成的自動化制造系統,它包括多個柔性制造單元,能根據制造任務或生產環境的變化迅速進行調整,適用于多品種、中小批量生產。” 簡單地說,ＦＭＳ是由若干數控設備、物料運貯裝置和計算機控制系統組成的并能根據制造任務和生產品種變化而迅速進行調整的自動化制造系統。 目前常見的組成通常包括4臺或更多臺全自動數控機床(加工中心與車削中心等),由集中的控制系統及物料搬運系統連接起來,可在不停機的情況下實現多品種、中小批量的加工及管理。目前反映工廠整體水平的ＦＭＳ是第一代ＦＭＳ,日本從1991年開始實施的“智能制造系統”(ＩＭＳ)國際性開發項目,屬于第二代ＦＭＳ;而真正完善的第二代ＦＭＳ預計本世紀十年代后才會實現。

　　2)　柔性制造單元(ＦＭＣ) 
　　ＦＭＣ的問世并在生產中使用約比ＦＭＳ晚6～8年,ＦＭＣ可視為一個規模最小的ＦＭＳ,是ＦＭＳ向廉價化及小型化方向發展的一種產物,它是由1～2臺加工中心、工業機器人、數控機床及物料運送存貯設備構成,其特點是實現單機柔性化及自動化,具有適應加工多品種產品的靈活性。迄今已進入普及應用階段。
　　3)　柔性制造線(ＦＭＬ) 
　　它是處于單一或少品種大批量非柔性自動線與中小批量多品種ＦＭＳ之間的生產線。其加工設備可以是通用的加工中心、ＣＮＣ機床;亦可采用專用機床或ＮＣ專用機床,對物料搬運系統柔性的要求低于ＦＭＳ,但生產率更高。它是以離散型生產中的柔性制造系統和連續生過程中的分散型控制系統(ＤＣＳ)為代表,其特點是實現生產線柔性化及自動化,其技術已日臻成熟,迄今已進入實用化階段。 
　　4)　柔性制造工廠(ＦＭＦ) ＦＭＦ是將多條ＦＭＳ連接起來,配以自動化立體倉庫,用計算機系統進行聯系,采用從訂貨、設計、加工、裝配、檢驗、運送至發貨的完整ＦＭＳ。它包括了ＣＡＤ/ＣＡＭ,并使計算機集成制造系統(ＣＩＭＳ)投入實際,實現生產系統柔性化及自動化,進而實現全廠范圍的生產管理、產品加工及物料貯運進程的全盤化。ＦＭＦ是自動化生產的最高水平,反映出世界上最先進的自動化應用技術。它是將制造、產品開發及經營管理的自動化連成一個整體,以信息流控制物質流的智能制造系統(ＩＭＳ)為代表,其特點是實現工廠柔性化及自動化。 
　　2　柔性制造所采用的關鍵技術 

　　2.1　計算機輔助設計 
　　未來ＣＡＤ技術發展將會引入專家系統,使之具有智能化,可處理各種復雜的問題。當前設計技術最新的一個突破是光敏立體成形技術,該項新技術是直接利用ＣＡＤ數據,通過計算機控制的激光掃描系統,將三維數字模型分成若干層二維片狀圖形,并按二維片狀圖形對池內的光敏樹脂液面進行光學掃描,被掃描到的液面則變成固化塑料,如此循環操作,逐層掃描成形,并自動地將分層成形的各片狀固化塑料粘合在一起,僅需確定數據,數小時內便可制出精確的原型。它有助于加快開發新產品和研制新結構的速度。 
　　2.2　模糊控制技術 
　　模糊數學的實際應用是模糊控制器。最近開發出的高性能模糊控制器具有自學習功能,可在控制過程中不斷獲取新的信息并自動地對控制量作調整,使系統性能大為改善,其中尤其以基于人工神經網絡的自學方法更引起人們極大的關注。 
　　2.3　人工智能、專家系統及智能傳感器技術 
　　迄今,柔性制造技術中所采用的人工智能大多指基于規則的專家系統。專家系統利用專家知識和推理規則進行推理,求解各類問題(如解釋、預測、診斷、查找

故障、設計、計劃、監視、修復、命令及控制等)。由于專家系統能簡便地將各種事實及經驗證過的理論與通過經驗獲得的知識相結合,因而專家系統為柔性制造的諸方面工作增強了柔性。展望未來,以知識密集為特征,以知識處理為手段的人工智能(包括專家系統)技術必將在柔性制造業(尤其智能型)中起著日趨重要的關鍵性的作用。目前用于柔性制造中的各種技術,預計最有發展前途的仍是人工智能。預計到21世紀初,人工智能在柔性制造技術中的應用規模將在比目前大4倍。智能制造技術(ＩＭＴ)旨在將人工智能融入制造過程的各個環節,借助模擬專家的智能活動,取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動。在制造過程,系統能自動監測其運行狀態,在受到外界或內部激勵時能自動調節其參數,以達到最佳工作狀態,具備自組織能力。故ＩＭＴ被稱為未來21世紀的制造技術。對未來智能化柔性制造技術具有重要意義的一個正在急速發展的領域是智能傳感器技術。該項技術是伴隨計算機應用技術和人工智能而產生的,它使傳感器具有內在的“決策”功能。 
　　2 4　人工神經網絡技術 
　　人工神經網絡(ＡＮＮ)是模擬智能生物的神經網絡對信息進行并處理的一種方法。故人工神經網絡也就是一種人工智能工具。在自動控制領域,神經網絡不久將并列于專家系統和模糊控制系統,成為現代自動化系統中的一個組成部分。 
　　3　柔性制造技術的發展趨勢 
　　3 1�。疲停脤⒊蔀榘l展和應用的熱門技術 
　　這是因為ＦＭＣ的投資比ＦＭＳ少得多而經濟效益相接近,更適用于財力有限的中小型企業。目前國外眾多廠家將ＦＭＣ列為發展之重。 
　　3 2　發展效率更高的ＦＭＬ 
　　多品種大批量的生產企業如汽車及拖拉機等工廠對ＦＭＬ的需求引起了ＦＭＳ制造廠的極大關注。采用價格低廉的專用數控機床替代通用的加工中心將是ＦＭＬ的發展趨勢。 
　　3 3　朝多功能方向發展 
　　由單純加工型ＦＭＳ進一步開發以焊接、裝配、檢驗及鈑材加工乃至鑄、鍛等制造工序兼具的多種功能ＦＭＳ。 
　　4　結束語 
　　柔性制造技術是實現未來工廠的新穎概念模式和新的發展趨勢,是決定制造企業未來發展前途的具有戰略意義的舉措。屆時,智能化機械與人之間將相互融合,柔性地全面協調從接受訂貨單至生產、銷售這一企業生產經營的全部活動。 
　　近年來,柔性制造作為一種現代化工業生產的科學“哲理”和工廠自動化的先進模式已為國際上所公認,可以這樣認為:柔性制造技術是在自動化技術、信息技術及制造技術的基礎上,將以往企業中相互獨立的工程設計、生產制造及經營管理等過程,在計算機及其軟件的支撐下,構成一個覆蓋整個企業的完整而有機的系統,以實現全局動態最優化,總體高效益、高柔性,并進而贏得競爭全勝的智能制造技術。它作為當今世界制造自動化技術發展的前沿科技,為未來機構制造工廠提供了一幅宏偉的藍圖,將成為21世紀機構制造業的主要生產模式。實現了按端口、ＭＡＣ地址、應用等來劃分虛擬網絡,有效地控制了企業內部網絡的廣播流量和提高了企業內部網絡的安全性。 
　　4　結　論 
　　現實中存在許多不同類型的網絡,有支持ＴＣＰ/ＩＰ的,有遵循ＯＳＩ標準協議的,每臺機器的對應層協議都不同,對哪一層實施連接,需采用相應的網絡互聯設備。 
　　通俗地講,第二層交換是指多口的交換集線路,即網絡交換機。其目的是替代傳統的集線器,提升網絡的有效帶寬。主要應用于局域網中。 在不同或相同類型的局域網之間采用橋接器(集線器),從協議層上講屬于數據鏈路層的設備,但它們仍然是網絡連接的方法,因為局域網ＩＭＰ本身沒有網絡層,只有在主機站點上才有網絡層或提供網絡層服務的功能。 與橋接器不同,網關在網絡層一級工作。這樣就有了更大的靈活性。例如,在差別很大的網絡間翻譯地址等,但這也導致了網關的速度很慢,因此,網關一般都用于廣域網間的連接或局域網與廣域網的互聯。隨著網絡的演進,100Ｍ高速以太網的出現,路由器在網段之間通信中造成的時延越來越成為網絡信息傳輸的瓶頸[4]。第三層交換技術的出現,解決了大規模局域網中各子網段之間網絡信息傳輸的瓶頸問題,取代了昂貴的路由器,成為一種實用、經濟的組網技術。

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