柔性制造系統(tǒng)

1、目錄 摘要11引言12 柔性制造概述12.1柔性制造內(nèi)涵的內(nèi)涵12.2柔性制造的影響因素22.3柔性制造的指標(biāo)體系23柔性制造的系統(tǒng)及其組成24柔性制造系統(tǒng)的類(lèi)型35 柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)46 柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)56.1 柔性制造系統(tǒng)的模塊化56.2 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)57 當(dāng)柔性制造技術(shù)要解決的問(wèn)題58 參考文獻(xiàn)6 柔性制造系統(tǒng)摘要 本文綜述了柔性制造技術(shù)的產(chǎn)生背景，內(nèi)涵，影響因素，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。柔性制造系統(tǒng)（FMS)的概念及其組成，F(xiàn)MS的類(lèi)型，F(xiàn)MS的優(yōu)勢(shì)以及發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前還需解決的一些問(wèn)題。關(guān)鍵字：FMS CIMS FMC FML1引言自從二十世紀(jì)六十年代以后，隨著人們生

2、活水平及質(zhì)量的不斷提升，廣大用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)始有著越來(lái)越新穎化及多樣化的需求，過(guò)去傳統(tǒng)的自動(dòng)線生產(chǎn)方式（大批量生產(chǎn)方式）已經(jīng)無(wú)法有效的滿(mǎn)足企業(yè)的發(fā)展需求，因而企業(yè)必須盡快的探尋先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，只有這樣才能夠更好的適應(yīng)中小批量、多品種的市場(chǎng)需求。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)及其發(fā)展，新技術(shù)新概念諸如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)數(shù)控和CAD/CAM 的出現(xiàn)以及生產(chǎn)管理科學(xué)、自動(dòng)控制理論的發(fā)展也為現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的出現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，在此類(lèi)狀況下，富有時(shí)代氣息的柔性制造技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。2 柔性制造概述2.1柔性制造內(nèi)涵的內(nèi)涵 柔性制造技術(shù)是1967年英國(guó)莫林斯(MOLINS)提出來(lái)的用于機(jī)械制造行業(yè)的一種先進(jìn)制

3、造技術(shù)，此后這一理念在備行各業(yè)得到了廠泛應(yīng)用，并已成為現(xiàn)代制造的一種科學(xué)“哲理”，倍受推崇。柔性制造技術(shù)的范圍是十分廣泛的，是對(duì)不同品種實(shí)現(xiàn)柔性制造的各種技術(shù)的總和。凡是側(cè)重于快速轉(zhuǎn)換的柔性要求、適合多品種、小批量生產(chǎn)的加工技術(shù)都屬于柔性制造技術(shù)的范疇，如柔性制造系統(tǒng)、柔性制造單元、柔性制造線、柔性制造工廠等。2.2柔性制造的影響因素 企業(yè)柔性制造的能力受到許多因素的影響，是企業(yè)綜合靈活適應(yīng)能力的體現(xiàn)。但具體而言，影響柔性制造技術(shù)水平的因素主要包括以下方面： (1)設(shè)備柔性：即設(shè)備滿(mǎn)足工藝變化的程度，這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在市場(chǎng)需求變化時(shí)，設(shè)備轉(zhuǎn)換生產(chǎn)一系列不同品種產(chǎn)品的能力。(2)工藝柔性：工藝柔

4、包含兩個(gè)方面：一是工藝流程不變化時(shí)，其自身適應(yīng)產(chǎn)品和原材料變化的能力；二是為適應(yīng)產(chǎn)品和原材料變化而改變?cè)泄に嚨碾y易程度。(3)產(chǎn)品柔性：一是產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)型后，系統(tǒng)能夠非常經(jīng)濟(jì)和迅速地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力；二是產(chǎn)品更新后，對(duì)老產(chǎn)品有用的特陛的繼承能力和兼容能力。 (4)生產(chǎn)能力柔性：當(dāng)生產(chǎn)量、品種變化時(shí)，系統(tǒng)也能經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行的能力。 (5)維護(hù)柔性：持續(xù)高效地查詢(xún)、處理故障以保證生產(chǎn)正常進(jìn)行的能力。 (6)擴(kuò)展柔性：當(dāng)生產(chǎn)需要時(shí)，擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加模塊，構(gòu)成一個(gè)更大系統(tǒng)的能力。 (7)服務(wù)柔性：一是在顧客產(chǎn)品使用壽命周期內(nèi)，用新部件維修舊產(chǎn)品的能力；二是一些產(chǎn)品還需要可升級(jí)的能力。2.3柔性制

5、造的指標(biāo)體系整體而言，柔陛制造中“柔性”表現(xiàn)為兩個(gè)方面：第一方面是系統(tǒng)適應(yīng)外部變化的能力，第二方面是系統(tǒng)適應(yīng)內(nèi)部變化的能力。具體而言，衡量一個(gè)制造系統(tǒng)柔性高低程度主要有三個(gè)衡量指標(biāo)：數(shù)量的柔性，允許各種因素(如產(chǎn)量)自由變化的幅度；時(shí)間的柔性，能夠?qū)崿F(xiàn)變量(如銷(xiāo)售量)自由變化的幅度所需對(duì)應(yīng)的時(shí)間；成本的柔陡，在訂單波動(dòng)、產(chǎn)量波動(dòng)的情況下，各項(xiàng)費(fèi)用尤其是人工變動(dòng)費(fèi)用如何隨之變化，其費(fèi)用的變動(dòng)，尤其是人工成本隨產(chǎn)量波動(dòng)而相應(yīng)變動(dòng)的逼近程度反映了柔性管理的水平高低。3柔性制造的系統(tǒng)及其組成柔性制造系統(tǒng)(flexible manufacture system，簡(jiǎn)稱(chēng)FMS)是一種在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)一控制和

6、管理之下，用傳輸裝置和自動(dòng)裝卸裝置將加工設(shè)備連接起來(lái)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，適用于中小批量和多品種零部件的高效率加工。其基本組成與布局如圖l所示。 圖1 柔性制造系統(tǒng)的組成和布局示意圖柔性制造系統(tǒng)一般由以下4個(gè)部分組成。1)自動(dòng)加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，把外形尺寸(形狀差異不大)和質(zhì)量大致相似、材料相同、工藝相似的零件，集中在1臺(tái)或數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床等設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)的加工系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)的加工設(shè)備一般由多臺(tái)自動(dòng)化程度很高的數(shù)控設(shè)備共同組成，主要包括加工中心、切削中心以及采用計(jì)算機(jī)控制的其他種類(lèi)機(jī)床，用于完成不同工序的加工。2)物料運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指由多種運(yùn)輸裝置構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)工件和加

7、工刀具等的供給與傳送的系統(tǒng)，是柔性制造系統(tǒng)的主要組成部分。該系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)物料的存儲(chǔ)和搬運(yùn)，包括各種傳送帶、軌道、起吊設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人等。3)信息控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指對(duì)加工和運(yùn)輸過(guò)程中所需的各種信息進(jìn)行收集、處理和反饋，并通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他控制裝置(液壓和氣壓裝置等)，對(duì)機(jī)床或運(yùn)輸設(shè)備實(shí)行分級(jí)控制的系統(tǒng)3。該系統(tǒng)主要用于處理柔性制造系統(tǒng)的各種信息，輸出控制CNC機(jī)床和物料系統(tǒng)等自動(dòng)操作所需的信息。4)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)是保證柔性制造系統(tǒng)進(jìn)行綜合有效管理的必不可少的組成部分，確保柔性制造系統(tǒng)能夠有效地適應(yīng)中小批量及多品種生產(chǎn)的管理、控制及優(yōu)化工作。該系統(tǒng)主要包括了設(shè)計(jì)規(guī)劃、生產(chǎn)過(guò)程分析、生產(chǎn)過(guò)程調(diào)

8、度、系統(tǒng)管理以及監(jiān)控等軟件。4柔性制造系統(tǒng)的類(lèi)型 1)柔性制造單元(FMC)。該單元是指由1臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控機(jī)床或加工中心構(gòu)成的加工單元。可使該單元根據(jù)生產(chǎn)需要自動(dòng)地更換夾具與刀具，以適應(yīng)不同工件的加工。該單元一般適合加工批量小、形狀比較復(fù)雜、工序較簡(jiǎn)單和加工時(shí)間較長(zhǎng)的零件。該單元的設(shè)備柔性很高，但人員和加工柔性較低。 2)柔性自動(dòng)生產(chǎn)線(FML)。該生產(chǎn)線是介于大批量、單品種和非柔性自動(dòng)生產(chǎn)線與中小批量和多品種柔性制造系統(tǒng)之間的生產(chǎn)線設(shè)備。一般可使該生產(chǎn)線將多臺(tái)機(jī)床與物料運(yùn)輸系統(tǒng)連接起來(lái)，對(duì)于物料傳輸系統(tǒng)柔性的需求要比柔性制造系統(tǒng)低，但生產(chǎn)效率較高。3)柔性制造系統(tǒng)(FMS)。該系統(tǒng)是指以數(shù)控機(jī)

9、床或加工中心為基礎(chǔ)，再加上物料運(yùn)輸系統(tǒng)組成的生產(chǎn)系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)控制，可以連續(xù)地進(jìn)行多品種工件的加工。該系統(tǒng)主要適合中小批量、形狀比較復(fù)雜和多品種的零件的管理及生產(chǎn)。典型柔性制造系統(tǒng)如圖2所示。 圖2 典型柔性制造系統(tǒng)示意圖3種不同類(lèi)型的柔性制造設(shè)備在產(chǎn)品品種、生產(chǎn)批量以及自動(dòng)化生產(chǎn)中的對(duì)比如圖3所示。從圖3可以看出，F(xiàn)ML更適合生產(chǎn)批量較大和品種較單一的零件，生產(chǎn)效率相對(duì)較高，而柔性相對(duì)較低；FMC更適合生產(chǎn)批量較小和品種多樣化的零件，生產(chǎn)效率相對(duì)較低，而柔性相對(duì)較高；FMS介于兩者之間。 圖3 零件品種、批量與自動(dòng)化加工方式的選擇5 柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)柔性制造系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、微電

10、子技術(shù)和系統(tǒng)工程等復(fù)雜的技術(shù)有機(jī)結(jié)合，既具有機(jī)械加工的高自動(dòng)化和高效率，又具有非常高的柔性，具體如下。1)設(shè)備柔性好。柔性制造系統(tǒng)的刀具、夾具及物料運(yùn)輸裝置具有可調(diào)性，當(dāng)市場(chǎng)需求發(fā)生變化或者改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以迅速地進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)生產(chǎn)。2)設(shè)備利用率高。柔性制造系統(tǒng)布局合理緊湊，設(shè)備的利用率較高，而設(shè)備的總占地面積可以減少20 。3)在制品數(shù)量少。柔性制造系統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)工序集中，減少了加工零件的裝夾次數(shù)，并且可大大縮短生產(chǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間。4)具有維持生產(chǎn)的能力。當(dāng)柔性制造系統(tǒng)中的1臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以降級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)，物料運(yùn)輸系統(tǒng)會(huì)自行調(diào)整路線，繞過(guò)出現(xiàn)故障的設(shè)備，從而不對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的運(yùn)行造成影響。5)

11、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。柔性制造系統(tǒng)的加工過(guò)程是全自動(dòng)的，人為的因素很少，產(chǎn)品的加工精度高，而且質(zhì)量穩(wěn)定性好。6)運(yùn)行靈活。當(dāng)柔性制造系統(tǒng)的檢驗(yàn)、裝夾及維護(hù)等工作做好后，后續(xù)的加工生產(chǎn)可以在無(wú)人值守的情況下自動(dòng)進(jìn)行，其監(jiān)控系統(tǒng)還可以處理刀具的磨損，以及物流運(yùn)輸堵塞等運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的一些不可預(yù)料的情況4。6 柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)6.1 柔性制造系統(tǒng)的模塊化為了保證柔性制造系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，可以將其主要組成部分進(jìn)行模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。這是因?yàn)榈毒叩墓┙o方式和工件的運(yùn)輸及交換方式等能夠在較大程度上影響柔性制造系統(tǒng)的復(fù)雜程度。通過(guò)不同功能的模塊間的組合，構(gòu)成不同形式的具有物料運(yùn)輸系統(tǒng)和信息交換系統(tǒng)的柔性制造系

12、統(tǒng)，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的加工制造過(guò)程。6.2 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展不會(huì)僅僅局限在車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化上，而是要全面地實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)決策和加工制造到產(chǎn)品銷(xiāo)售的整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化，特別是整個(gè)生產(chǎn)管理層面上的自動(dòng)化，這樣形成的一個(gè)完整的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。一方面，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)體現(xiàn)了企業(yè)的整個(gè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)是密切聯(lián)系的；另一方面，也體現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程實(shí)際上是各種信息的采集、交換和加工處理的過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)將信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和制造技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，并成功地應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部分，通過(guò)信息的傳遞和資源的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)物流、信息流和價(jià)值流的

13、集成和優(yōu)化運(yùn)行?？傮w上看，柔性制造系統(tǒng)的設(shè)備生產(chǎn)線將進(jìn)一步縮短，場(chǎng)地利用率更高；初始投資和中間庫(kù)存減少，生產(chǎn)成本更低；生產(chǎn)速度更快，生產(chǎn)效率更高。柔性制造系統(tǒng)的不斷發(fā)展可以縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，從而增強(qiáng)生產(chǎn)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。7 當(dāng)柔性制造技術(shù)要解決的問(wèn)題 當(dāng)前柔性制造要解決的問(wèn)題主要集中在以下幾方面3： (1)柔性制造系統(tǒng)必須借鑒信息科學(xué)、生命科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等多學(xué)科的研究成果，探索柔性制造系統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)、制造模式和運(yùn)行機(jī)制。制造系統(tǒng)優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)和良好的運(yùn)行狀況是制造系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化的主要目標(biāo)。制造系統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)不僅對(duì)制造企業(yè)的敏捷性和對(duì)需求的響應(yīng)能力及可重

14、組能力有重要意義，而且對(duì)制造企業(yè)底層生產(chǎn)設(shè)備的柔性和可動(dòng)態(tài)重組能力提出了更高的要求。 (2)在現(xiàn)代制造過(guò)程中，信息不僅成為主宰制造產(chǎn)業(yè)的決定性因素。而且還是最活躍的驅(qū)動(dòng)因素。提高制造系統(tǒng)的信息處理能力已成為現(xiàn)代制造科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。制造系統(tǒng)信息的獲取、集成與融合呈現(xiàn)出立體性信息度量的多維性以及信息組織的多層次性。在制造信息的結(jié)構(gòu)模型、制造信息的一致性約束、傳播處理和海量數(shù)據(jù)的制造知識(shí)庫(kù)管理等方面，都還有待進(jìn)一步突破。 (3)計(jì)算智能丁具組合優(yōu)化求解技術(shù)，受到越來(lái)越普遍的關(guān)注，有望在制造中完成組合優(yōu)化問(wèn)題時(shí)的求解速度和求解精度方面雙雙突破問(wèn)題規(guī)模的制約。制造智能還表現(xiàn)在：智能調(diào)度、智能設(shè)計(jì)、智

15、能加T、機(jī)器人學(xué)、智能控制、智能|丁藝規(guī)劃、智能診斷等多方面。這些問(wèn)題是當(dāng)前產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵理論問(wèn)題。這些問(wèn)題的重點(diǎn)突破，可以形成產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)研究。8 參考文獻(xiàn)1Eli孫杰淺議柔性生產(chǎn)線的產(chǎn)生與應(yīng)用J科技資訊，2O10(35)：232張亞明柔性制造技術(shù)及應(yīng)用J煤炭技術(shù)，2008(3)：563高青柔性制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)研究J太原科技，2008(7)：32334文延莉談柔性制造技術(shù)與發(fā)展EJ安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(4)：555李全普，劉靜柔性制造技術(shù)的應(yīng)用J現(xiàn)代制造，2008(24)：67686 Graves S C. A review of production schedulingJ.

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