柔性製造技術

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柔性製造技術(flexible manufacturing technology,FMT)

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什麼是柔性製造技術

  隨著社會的進步和生活水平的提高,社會對產品多樣化,低製造成本及短製造周期等需求日趨迫切,傳統的製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年代後,由於微電子技術、電腦技術、通信技術、機械與控制設備的發展,製造業自動化進入一個嶄新的時代,技術日臻成熟。柔性製造技術已成為各工業化國家機械製造自動化的研製發展重點。

  柔性製造技術也稱<柔性集成製造技術>,是現代先進位造技術的統稱。柔性製造技術集自動化技術、信息技術和製作加工技術於一體,把以往工廠企業中相互孤立的工程設計、製造、經營管理等過程,在電腦及其軟體和資料庫的支持下,構成一個覆蓋整個企業的有機系統。

  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"是相對於"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,由於設備是固定的,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,一個製造自動化系統的生存能力和競爭能力在很大程度上取決於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;二是製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後,系統能夠非常經濟和迅速地生產出新產品的能力;二是產品更新後,對老產品有用特性的繼承能力和兼容能力。
  4. 維護柔性:採用多種方式查詢、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。對於根據訂貨而組織生產的製造系統,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。

柔性製造技術的特點[1]

  (1)柔性製造技術是從成組技術發展起來的,因此,柔性製造技術仍帶有成組技術的烙印——另件三相似原則:形狀相似;尺寸相似和工藝相似。

  這三相似原則就成為柔性製造技術的前提條件。凡符合三相似相原則的多品種加工的柔性生產線,可以做到投資最省(使用設備最少,廠房面積最小)生產效率最高(可以混流生產,無停機損失);經濟效益最好(成本最低)。

  (2)品種中大批量生產時,雖然每個品種的批量相對來說是小的,多個小批量的總和也可構成大批量,因此柔性生產線幾乎無停工損失,設計利用率局。

  (3)柔性製造技術組合了當今機床技術、監控技術、檢測技術、刀具技術、傳輸技術、電子技術和電腦技術的精華,具有高質量、高可靠性、高自動化和高效率。

  (4)可縮短新產品的上馬時間,轉產快,適應瞬息萬變的市場需求

  (5)可減少工廠內另件的庫存,改善產品質量和降低產品成本

  (6)減少工人數量,減輕工人勞動強度

  (7)一次性投資大。

柔性製造技術的劃分

  柔性製造技術是對各種不同形狀加工對象實現程式化柔性製造加工的各種技術的總和。柔性製造技術是技術密集型的技術群,我們認為凡是側重於柔性,適應於多品種、中小批量(包括單件產品)的加工技術都屬於柔性製造技術。目前按規模大小劃分為:

  1) 柔性製造系統(FMS)

  關於柔性製造系統(FMS,Flexible manufacturing System)的定義很多,權威性的定義有:美國國家標準局把FMS定義為:“由一個傳輸系統聯繫起來的一些設備,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。中央電腦控制機床和傳輸系統,柔性製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“柔性製造系統是一個自動化的生產製造系統,在最少人的干預下,能夠生產任何範圍的產品族,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“柔性製造系統是由數控加工設備、物料運儲裝置和電腦控制系統組成的自動化製造系統,它包括多個柔性製造單元,能根據製造任務或生產環境的變化迅速進行調整,適用於多品種、中小批量生產。”簡單地說,FMS是由若幹數控設備、物料運貯裝置和電腦控制系統組成的並能根據製造任務和生產品種變化而迅速進行調整的自動化製造系統。目前常見的組成通常包括4台或更多台全自動數控機床(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"智能製造系統"(IMS)國際性開發項目,屬於第二代FMS;而真正完善的第二代FMS預計本世紀十年代後才會實現。

  2) 柔性製造單元(FMC)

  FMC的問世併在生產中使用約比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台加工中心、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) 柔性製造線(FML)

  它是處於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;亦可採用專用機床或NC專用機床,對物料搬運系統柔性的要求低於FMS,但生產率更高。它是以離散型生產中的柔性製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) 柔性製造工廠(FMF)

  FMF是將多條FMS連接起來,配以自動化立體倉庫,用電腦系統進行聯繫,採用從訂貨、設計、加工、裝配、檢驗、運送至發貨的完整FMF。它包括了CAD/CADM,並使電腦集成製造系統(CIMS)投入實際,實現生產系統柔性化及自動化,進而實現全廠範圍的生產管理、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。它是將製造、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製造系統 (IMS)為代表,其特點是實現工廠柔性化及自動化。

柔性製造所採用的關鍵技術

  1) 電腦輔助設計 未來CAD技術發展將會引入專家系統,使之具有智能化,可處理各種複雜的問題。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,通過電腦控制的激光掃描系統,將三維數字模型分成若幹層二維片狀圖形,並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,如此迴圈操作,逐層掃描成形,並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。它有助於加快開發新產品和研製新結構的速度。

  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並自動地對控制量作調整,使系統性能大為改善,其中尤其以基於人工神經網路的自學方法更引起人們極大的關註。

  3) 人工智慧、專家系統及智能感測器技術

  迄今,柔性製造技術中所採用的人工智慧大多指基於規則的專家系統。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、修複、命令及控制等)。由於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製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慧(包括專家系統)技術必將在柔性製造業(尤其智能型)中起著日趨重要的關鍵性的作用。目前用於柔性製造中的各種技術,預計最有發展前途的仍是人工智慧。預計到21世紀初,人工智慧在柔性製造技術中的應用規模將在比目前大4 倍。智能製造技術(IMT)旨在將人工智慧融入製造過程的各個環節,藉助模擬專家的智能活動,取代或延伸製造環境中人的部分腦力勞動。在製造過程,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世紀的製造技術。對未來智能化柔性製造技術具有重要意義的一個正在急速發展的領域是智能感測器技術。該項技術是伴隨電腦應用技術和人工智慧而產生的,它使感測器具有內在的“決策” 功能。

  4) 人工神經網路技術

  人工神經網路(ANN)是模擬智能生物的神經網路對信息進行並處理的一種方法。故人工神經網路也就是一種人工智慧工具。在自動控制領域,神經網路不久將併列於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。

柔性製造技術的發展趨勢

  1) FMC將成為發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,更適用於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。

  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製造廠的極大關註。採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) 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、鍛等製造工序兼具的多種功能FMS。

  柔性製造技術是實現未來工廠的新穎概念模式和新的發展趨勢,是決定製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,柔性製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:柔性製造技術是在自動化技術、信息技術及製造技術的基礎上,將以往企業中相互獨立的工程設計、生產製造及經營管理等過程,在電腦及其軟體的支撐下,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,併進而贏得競爭全勝的智能製造技術。它作為當今世界製造自動化技術發展的前沿科技,為未來機構製造工廠提供了一幅巨集偉的藍圖,將成為21世紀機構製造業的主要生產模式。

柔性製造技術案例分析

案例一:柔性製造技術在內然機製造方面的應用[1]

  一、柔性製造技術在內然機製造方面的應用

  (1)國外內燃機的製造,對多品種中小批量生產,大多數採用工序集中的原則,採用加工中心,數控機床,柔性製造單元和柔性製造系統。因此,柔性化較高,更換品種的調整時間比一般生產線減少75%以上,儘管初期投資大,但總的經濟效益是好的。

  (2)多品種中大批量生產,採用柔性製造線,生產線主要由換箱、轉塔、換刀加工中心,數控機床和數控專用機床組成。對換箱加工中心,目前自動更換儲貯主軸箱的數目很多,可由幾個至十幾個,所以組合起來能滿足中大批量多品種加工。

  (3)多品種大批量生產的柔性生產線。國外不僅在多品種中大批量的情況下採用柔性生產線,而且在多品種大批量(十幾萬到數十萬)的情況下也採用柔性生產線,這種多品種大批量的柔性生產線由電腦控制的三座標模塊組成,這些專門化的模塊,可以是換刀的、換箱的、也可以是轉塔頭的。由三座標加工模塊代替組合專用機床,提高了生產線的柔性,不僅可以適用多品種的輪番生產,還可以混流生產。該類生產線雖然初期投資大,但由於生產線可以滿負荷生產,生產效率高,加工質量可靠,產品質量好,故障少,可靠性高,維修費用少,因此產品成本低,經濟效益好。

  二、柔性製造在內燃機機加工技術的應用

  國內內燃機的製造,機械加工線以自動化線和機械化生產線為主,其中發動機機體和缸蓋的加工以自動線為主,曲軸、凸輪軸和連桿等主件以機械化生產為多,但線上插有工序為自動線。

  柔性生產線基本上尚屬空白。分析其原因,主要是:

  (1)產品單一。既無多品種中大批量,也無多品種中小批量,因此,缺少建設柔性生產線的必要條件。

  (2)投資限制。各汽車廠和各內燃機廠幾乎都依賴於向銀行借貸投資,因此投資規模受到資金來源和經濟效益雙重限制,不大可能將巨額資金用於純技術水平的提高上即建設高技術的柔性生產線。廠家更多考慮的仍然是建設規模。事實上,在產品單一大量生產時,國外也仍然是以自動線為主,其原因也是從經濟效益的角度出發,況且自動線仍然是當今國內外內燃機製造的主要工藝手段之一。

  (3)技術因素。柔性生產線畢竟是當今高科技的產物,引進、消化都需要時間,欲速則不達,弄不好會有適得其反之效果。當然,柔性製造技術決不是高不可攀的技術,事在人為,只要各種條件具備,柔性製造技術也一定會在中國內燃機廠家生根開花,為多品種生產服務。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 劉三星.淺談先進的柔性製造技術的應用[J].製造業自動化,2003,25(z1)
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