柔性制造系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展論文

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柔性制造系統(tǒng)(FMS)系指具有自動(dòng)化程度高的制造系統(tǒng)。目前所談及的FMS通常是指在批量切削加工中以先進(jìn)的自動(dòng)化和高水平的柔性為目標(biāo)的制造系統(tǒng)。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化、低制造成本及短制造周期等需求日趨迫切，F(xiàn)MS發(fā)展頗為迅速，并且由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械與控制設(shè)備的發(fā)展，也促使柔性制造技術(shù)日臻成熟，80年代后，制造業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入一個(gè)嶄新時(shí)代，即基于計(jì)算機(jī)的集成制造(CIMS)時(shí)代，F(xiàn)MS已成為各工業(yè)化國(guó)家機(jī)械制造自動(dòng)化的研制發(fā)展重點(diǎn)。

一、規(guī)模

按規(guī)模大小FMS可分為如下4類(lèi)：

1.柔性制造單元(FMC)

FMC的問(wèn)世并在生產(chǎn)中使用約比FMS晚6~8年，它是由1~2臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及物料運(yùn)送存貯設(shè)備構(gòu)成，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。FMC可視為一個(gè)規(guī)模最小的FMS，是FMS向廉價(jià)化及小型化方向發(fā)展和一種產(chǎn)物，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化，迄今已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。

2.柔性制造系統(tǒng)(FMS)

通常包括4臺(tái)或更多臺(tái)全自動(dòng)數(shù)控機(jī)床(加工中心與車(chē)削中心等)，由集中的控制系統(tǒng)及物料搬運(yùn)系統(tǒng)連接起來(lái)，可在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的加工及管理。

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(dòng)線與中小批量多品種FMS之間的生產(chǎn)線。其加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC機(jī)床；亦可采用專(zhuān)用機(jī)床或NC專(zhuān)用機(jī)床，對(duì)物料搬運(yùn)系統(tǒng)柔性的要求低于FMS，但生產(chǎn)率更高。它是以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS)為代表，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動(dòng)化，其技術(shù)已日臻成熟，迄今已進(jìn)入實(shí)用化階段。

4.柔性制造工廠(FMF)

FMF是將多條FMS連接起來(lái)，配以自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)投入實(shí)際，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運(yùn)進(jìn)程的全盤(pán)化。FMF是自動(dòng)化生產(chǎn)的最高水平，反映出世界上最先進(jìn)的自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)。它是將制造、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及經(jīng)營(yíng)管理的自動(dòng)化連成一個(gè)整體，以信息流控制物質(zhì)流的智能制造系統(tǒng)(IMS)為代表，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)工廠柔性化及自動(dòng)化。

二、關(guān)鍵技術(shù)

1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

未來(lái)CAD技術(shù)發(fā)展將會(huì)引入專(zhuān)家系統(tǒng)，使之具有智能化，可處理各種復(fù)雜的問(wèn)題。當(dāng)前設(shè)計(jì)技術(shù)最新的一個(gè)突破是光敏立體成形技術(shù)，該項(xiàng)新技術(shù)是直接利用CAD數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的激光掃描系統(tǒng)，將三維數(shù)字模型分成若干層二維片狀圖形，并按二維片狀圖形對(duì)池內(nèi)的光敏樹(shù)脂液面進(jìn)行光學(xué)掃描，被掃描到的液面則變成固化塑料，如此循環(huán)操作，逐層掃描成形，并自動(dòng)地將分層成形的各片狀固化塑料粘合在一起，僅需確定數(shù)據(jù)，數(shù)小時(shí)內(nèi)便可制出精確的原型。它有助于加快開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和研制新結(jié)構(gòu)的速度。

2.模糊控制技術(shù)

模糊數(shù)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用是模糊控制器。最近開(kāi)發(fā)出的高性能模糊控制器具有自學(xué)習(xí)功能，可在控制過(guò)程中不斷獲取新的信息并自動(dòng)地對(duì)控制量作調(diào)整，使系統(tǒng)性能大為改善，其中尤其以基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)方法更引起人們極大的關(guān)注。

3.人工智能、專(zhuān)家系統(tǒng)及智能傳感器技術(shù)

迄今，F(xiàn)MS中所采用的人工智能大多指基于規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)。專(zhuān)家系統(tǒng)利用專(zhuān)家知識(shí)和推理規(guī)則進(jìn)行推理，求解各類(lèi)問(wèn)題(如解釋、預(yù)測(cè)、診斷、查找故障、設(shè)計(jì)、計(jì)劃、監(jiān)視、修復(fù)、命令及控制等)。由于專(zhuān)家系統(tǒng)能簡(jiǎn)便地將各種事實(shí)及經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的理論與通過(guò)經(jīng)驗(yàn)獲得的知識(shí)相結(jié)合，因而專(zhuān)家系統(tǒng)為FMS的諸方面工作增強(qiáng)了柔性。展望未來(lái)，以知識(shí)密集為特征，以知識(shí)處理為手段的人工智能(包括專(zhuān)家系統(tǒng))技術(shù)必將在FMS(尤其智能型)中起著關(guān)鍵性的作用。人工智能在未來(lái)FMS中將發(fā)揮日趨重要的作用。目前用于FMS中的各種技術(shù)，預(yù)計(jì)最有發(fā)展前途的仍是人工智能。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)初，人工智能在FMS中的應(yīng)用規(guī)模將要比目前大4倍。智能制造技術(shù)(IMT)旨在將人工智能融入制造過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，借助模擬專(zhuān)家的智能活動(dòng)，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng)。在制造過(guò)程，系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，在受到外界或內(nèi)部激勵(lì)時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)其參數(shù)，以達(dá)到最佳工作狀態(tài)，具備自組織能力。故IMT被稱(chēng)為未來(lái)21世紀(jì)的制造技術(shù)。對(duì)未來(lái)智能化FMS具有重要意義的一個(gè)正在急速發(fā)展的領(lǐng)域是智能傳感器技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是伴隨計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和人工智能而產(chǎn)生的，它使傳感器具有內(nèi)在的“決策”功能。

4.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是模擬智能生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息進(jìn)行并行處理的一種方法。故人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也就是一種人工智能工具。在自動(dòng)控制領(lǐng)域，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不久將并列于專(zhuān)家系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)，成為現(xiàn)代自支化系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。

三、發(fā)展趨勢(shì)

1.FMC將成為發(fā)展和應(yīng)用的熱門(mén)技術(shù)

這是因?yàn)镕MC的投資比FMS少得多而經(jīng)濟(jì)效益相接近，更適用于財(cái)力有限的中小型企業(yè)。目前國(guó)外眾多廠家將FMC列為發(fā)展之重。

2.發(fā)展效率更高的FML

多品種大批量的生產(chǎn)企業(yè)如汽車(chē)及拖拉機(jī)等工廠對(duì)FML的需求引起了FMS制造廠的極大關(guān)注。采用價(jià)格低廉的專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床替代通用的加工中心將是FML的發(fā)展趨勢(shì)。

3.朝多功能方向發(fā)展

由單純加工型FMS進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以焊接、裝配、檢驗(yàn)及鈑材加工乃至鑄、鍛等制造工序兼具的多種功能FMS。FMS是實(shí)現(xiàn)未來(lái)工廠的新穎概念模式和新的發(fā)展趨勢(shì)，是決定制造企業(yè)未來(lái)發(fā)展前途的具有戰(zhàn)略意義的舉措。目前反映工廠整體水平的FMS是第一代FMS，90年代此種狀況仍將會(huì)持續(xù)下去，日本從1991年開(kāi)始實(shí)施的“智能制造系統(tǒng)”(IMS)國(guó)際性開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，屬于第二代FMS；而真正完善的第二代FMS預(yù)計(jì)至21世紀(jì)才會(huì)實(shí)現(xiàn)。屆時(shí)，智能化機(jī)械與人之間將相互融合、柔性地全面協(xié)調(diào)從接受訂單貨至生產(chǎn)、銷(xiāo)售這一企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的全部活動(dòng)。

80年代中期以來(lái)，F(xiàn)MS獲得迅猛發(fā)展，幾乎成了生產(chǎn)自動(dòng)化之熱點(diǎn)。一方面是由于單項(xiàng)技術(shù)如NC加工中心、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM、資源管理及高度技術(shù)等的發(fā)展，提供了可供集成一個(gè)整體系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)；另一方面，世界市場(chǎng)發(fā)生了重大變化，由過(guò)去傳統(tǒng)、相對(duì)穩(wěn)定的市場(chǎng)，發(fā)展為動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)，為了從市場(chǎng)中求生存、求發(fā)展，提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的應(yīng)變能力，人們開(kāi)始探索新的生產(chǎn)方法和經(jīng)營(yíng)模式。近年來(lái)，F(xiàn)MS作為一種現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)“哲理”和工廠自動(dòng)化的先進(jìn)模式已為國(guó)際上所公認(rèn)，可以這樣認(rèn)為：FMS是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)，將以往企業(yè)中相互獨(dú)立的工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及經(jīng)營(yíng)管理等過(guò)程，在計(jì)算機(jī)及其軟件的支撐下，構(gòu)成一個(gè)覆蓋整個(gè)企業(yè)的完整而有機(jī)的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)化，總體高效益、高柔性，并進(jìn)而贏得競(jìng)爭(zhēng)全勝的智能制造系統(tǒng)。FMS作為當(dāng)今世界制造自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的前沿科技，為未來(lái)機(jī)構(gòu)制造工廠提供了一幅宏偉的藍(lán)圖，將成為21世紀(jì)機(jī)構(gòu)制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式。