柔性制造技术

什么是柔性制造技术

伴随社会的进步和生活水平的提升，社将对产品多样化，低制产生本及短制造周期等需求日趋急切，传统的制造技术已不能满足市场对多品种小批量，更具特色符合顾客个人要求样式和功能的产品的需求。90年代后，受于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的成长，制造业自动化进入一个崭新的时代，技术日臻成熟。柔性制造技术已形成各工业化国家机械制造自动化的研制发展着重。

柔性制造技术也称<柔性集成制造技术>，是现代先进制造技术的统称。柔性制造技术集自动化技术、信息技术和制作加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、运营管理等过程，在计算机及其软件和报告库的支持下，组成一个覆盖整个企业的有机系统。

柔性可以表述为两个方面。第一面是系统适应外部环境改变的能力，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改变的能力，可用在有干扰(如机器显现故障)情形下，系统的生产率与无干扰情形下的生产率期望值之比来衡量。"柔性"是相对于"刚性"来说的，传统的"刚性"自动化生产线首要达到单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高，受于设备是固定的，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相似的零件，很难应付多品种中小批量的生产。伴随批量生产时代正渐渐被适应市场动态改变的生产所替换，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能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。柔性已占有很大重要的位置。柔性首要包含：

机器柔性：当要求生产一连串不同类型的产品时，机器随产品改变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本身适应产品或原材料改变的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料改变而更改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快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：采取多种方式查询、处理故障，保障生产正常执行的能力。 生产量力柔性：当生产能更改、系统也能经济地运行的能力。对于依据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。 扩展柔性：当生产需要的时机，可以很容易地扩展系统结构，增长模块，组成一个更大系统的能力。 运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一连串产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。">编辑] 柔性制造技术的特点

(1)柔性制造技术是从成组技术发展起来的，所以，柔性制造技术仍带有成组技术的烙印——另件三类似原则:形状类似；尺寸类似和工艺类似。

这三类似原则就形成柔性制造技术的前提条件。凡符合三类似相原则的多品种加工的柔性生产线，可以做到投资最省(运用设备最少，厂房面积最小)生产效率最高(可以混流生产，无停机损失)；经济效益最好(成本最低)。

(2)品种中大批量生产时，尽管每个品种的批量相对来看是小的，多个小批量的总和也可组成大批量，所以柔性生产线差不多无停工损失，设计利用率局。

(3)柔性制造技术组合了当今机床技术、监控技术、检测技术、刀具技术、传输技术、电子技术和计算机技术的精华，具有高质量、高牢靠性、高自动化和高效率。

(4)可缩短新产品的上马时间，转产快，适应瞬息万变的市场需求。

(5)可降低工厂内另件的库存，改观产品质量和减弱产品成本。

(6)降低员工数量，减轻员工劳动力度。

(7)一次性投资大。

柔性制造技术的划分

柔性制造技术是对各种不同形状加工对象达到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，我们觉得凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量(包含单件产品)的加工技术都属于柔性制造技术。当前按范围大小划分为：

1) 柔性制造系统(FMS)

有关柔性制造系统(FMS，Flexible manufacturing System)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部分设备，传输装置把工件放在其余联结装置上送到各加工设备，使工件加工精准、快速和自动化。中央计算机控制机床和传输系统，柔性制造系统有时可同期加工几种不同的零件。”国际生产工程研究协会表示“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，能够生产任何规模的产品族，系统的柔性一般承受系统设计时所考虑的产品族的制约”。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构成的自动化制造系统，它包含多个柔性制造单元，能依据制造任务或生产环境的改变快速执行调整，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构成的并能依据制造任务和生产品种改变而快速执行调整的自动化制造系统。当前常见的构成一般包含4台或许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，可在不停机的情形下达到多品种、中小批量的加工及管理。当前反应工厂整体水平的FMS是第一代 FMS，日本从1991年开始实行的"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达到。

2) 柔性制造单元(FMC)

FMC的问世并在生产中运用约比FMS晚6～8年，FMC可看为一个范围最小的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组成，其特点是达到单机柔性化及自动化，具有适应加工多品种产品的灵活性。至今已进入普及应用阶段。

3) 柔性制造线(FML)

它是处在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；亦可采取专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求差于FMS，但生产率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和接连生过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是达到生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，至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，用计算机系统执行联系，采取从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMF。它包含了CAD/CADM，并使计算机集成制造系统(CIMS)投入事实，达到生产系统柔性化及自动化，从而达到全厂规模的生产管理、产品加工及物料贮运进度的全盘化。FMF是自动化生产的最高水平，反应出世界上最先进的自动化应用技术。它是将制造、产品开发及运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，其特点是达到工厂柔性化及自动化。

柔性制造所采取的核心技术

1) 计算机辅助设计将来CAD技术发展将令引入专家系统，使之具有智能化，可处理各种复杂的困难。目前设计技术最新的一个击穿是光敏立体成形技术，该项新技术是直接利用CAD报告，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执行光学扫描，被扫描到的液面则变成固化塑料，这样循环操作，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，仅需确定报告，数小时内便可制出精确的原型。它有利于加速开发新产品和研制新结构的进展。

2) 模糊控制技术

模糊数学的事实应用是模糊控制器。近期开发出的高性能模糊控制器具有自学习功能，可在控制过程中持续获取新的信息并自动地对控制量作调整，使系统性能大为改观，其中尤其以基于人工神经网络的自学方法更引起民众极大的关注。

3) 人工智能、专家系统及智能传感器技术

至今，柔性制造技术中所采取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执行推理，求解各种困难(如解释、预期、诊断、查找故障、设计、计划、监视、修复、命令及控制等)。受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得到的知识相结合，因此专家系统为柔性制造的诸方面工作加强了柔性。展望将来，以知识密集为特质，以知识处理为手段的人工智能(包含专家系统)技术必将于柔性制造业(尤其智能型)中起着日趋重要的核心性的作用。当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范围将于比当前大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，在承受外界或内部激励时能自动调节其参数，以高达最佳工作状态，具备自组织能力。故IMT被称为将来21世纪的制造技术。对将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造成的，它使传感器具有内在的“决策” 功能。

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执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，形成现代自动化系统中的一个构成部分。

柔性制造技术的成长趋势

1) FMC将形成发展和应用的火热技术这是由于FMC的投资比FMS少得多而经济效益相靠近，更适用于财力有限的中小型企业。当前国外大量厂家将ＦＭＣ列为发展之重。

2) 发展效率更高的FML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。采取价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心会是ＦＭＬ的成长趋势。

3) 朝多功能方向发展由单纯加工型FMS更深一步开发以焊接、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。

柔性制造技术是达到将来工厂的新颖概念模式和新的成长趋势，是决定制造企业将来发展前途的具有战略意义的举措。到时，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、销售这一企业生产运营的全部活动。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，可以如此觉得：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、生产制造及运营管理等过程，在计算机及其软件的支撑下，组成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统，以达到全局动态最优化，总的高效益、高柔性，并从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，为将来机构制造工厂给予了一幅宏伟的蓝图，将形成21世纪机构制造业的首要生产模式。

柔性制造技术案例分析 ">编辑] 案例一:柔性制造技术以内然机制造方面的应用

一、柔性制造技术以内然机制造方面的应用

(1)国外内燃机的制造，对多品种中小批量生产，大部分采取工序集中的原则，采取加工中心，数控机床，柔性制造单元和柔性制造系统。所以，柔性化较高，更换品种的调整时间比一般生产线降低75%以上，即使初期投资大，但总体经济效益是好的。

(2)多品种中大批量生产，采取柔性制造线，生产线首要由换箱、转塔、换刀加工中心，数控机床和数控专用机床构成。对换箱加工中心，当前自动更换储贮主轴箱的数目很多，可由几个至十几个，所以组合起来能满足中大批量多品种加工。

(3)多品种大批量生产的柔性生产线。国外不仅在多品种中大批量的情形下采取柔性生产线，而且在多品种大批量(十几万到数十万)的情形下也采取柔性生产线，该种多品种大批量的柔性生产线由计算机控制的三座标模块构成，这些专门化的模块，可以是换刀的、换箱的、也可以是转塔头的。由三座标加工模块代替组合专用机床，提升了生产线的柔性，不仅可以适用多品种的轮番生产，还可以混流生产。该类生产线尽管初期投资大，但受于生产线可以满负荷生产，生产效率高，加工质量牢靠，产品质量好，故障少，牢靠性高，维修费用少，所以产品成本低，经济效益好。

二、柔性制造以内燃机机加工技术的应用

国内内燃机的制造，机械加工线以自动化线和机械化生产线为主，其中发动机机体和缸盖的加工以自动线为主，曲轴、凸轮轴和连杆等主件以机械化生产为多，但线上插有工序为自动线。

柔性生产线差不多尚属空白。分析其原因，首要是:

(1)产品单一。既无多品种中大批量，也无多品种中小批量，所以，缺少建设柔性生产线的必要条件。

(2)投资制约。各汽车厂和各内燃机厂差不多都依靠于向银行借贷投资，所以投资范围承受资金来源和经济效益双重制约，不大或许将巨额资金用于纯技术水平的提升上即建设高技术的柔性生产线。厂家许多考虑的依然是建设范围。实际上，在产品单一大批生产时，国外也依然是以自动线为主，其原因也是从经济效益的角度出发，况且自动线依然是当今国内外内燃机制造的首要工艺手段之一。

(3)技术原因。柔性生产线毕竟是当今高科技的产物，引进、消化都需要时间，欲速则不达，弄不好会有适得其反之效果。诚然，柔性制造技术决不是高不可攀的技术，事在人为，只要各种条件具备，柔性制造技术也一定会在中国内燃机厂家生根开花，为多品种生产服务。

参考文献 ↑ 1.0 1.1 刘三星.浅谈先进的柔性制造技术的应用.制造业自动化,2003,25(z1)