柔性自動化
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柔性自動化(Flexible Automation)
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什麼是柔性自動化[1]
柔性自動化是機械技術與電子技術相結合，即機電一體化的新一代自動化，它的加工程式是靈活可變的，也稱可變編程自動化。
柔性自動化的興起[2]
隨著科學技術的發展，人類社會對產品的功能與質量的要求越來越高，產品更新換代的周期越來越短，產品的複雜程度也隨之增高，傳統的大批量生產方式受到了挑戰。這種挑戰不僅對中小企業形成了威脅，而且也困擾著國有大中型企業。因為，在大批量生產方式中，柔性和生產率是相互矛盾的。眾所周知，只有品種單一、批量大、設備專用、工藝穩定、效率高，才能構成規模經濟效益；反之，多品種、小批量生產，設備的專用性低，在加工形式相似的情況下，頻繁調整工夾具，工藝穩定難度增大，生產效率勢必受到影響。為了同時提高製造工業的柔性和生產效率，使之在保證產品質量的前提下，縮短產品生產周期，降低產品成本，最終使中小批量生產能與大批量生產抗衡，柔性自動化系統便應運而生。
自從1954年美國麻省理工學院第一臺數字控制銑床誕生後，20世紀70年代初柔性自動化進入了生產實用階段。幾十年來，從單台數控機床的應用逐漸發展到加工中心、柔性製造單元、柔性製造系統和電腦集成製造系統，使柔性自動化得到了迅速發展。
柔性自動化的內容[3]
柔性自動化，產生於20世紀50年代，是機械技術與電子技術相結合的自動化。以硬體為基礎，以軟體為支持，通過改變程式即可實現所需的控制，因而是柔性的，易於變動，實現製造過程的柔性和高效率，適應於多品種、中小批量的生產。包括數控機床、加工中心、工業機器人、柔性製造單元、柔性製造系統等。
(一)數控機床
數控機床(Numerical control machine tools，NC)是用數字代碼形式的信息(程式指令)，控制刀具按給定的工作程式、運動速度和軌跡進行自動加工的機床。數控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程式所規定的參數及動作執行的。它是一種高效能自動或半自動機床，與普通機床相比，加工對象改變時，一般只需要更改數控程式，體現出很好的適應性，可大大節省生產準備時間。數控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產率高，一般為普通機床的3倍～5倍，對某些複雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。採用數控機床有利於向電腦控制與管理生產方面發展，為實現生產過程自動化創造了條件。
(二)加工中心
加工中心(Machining center，MC)是在一般數控機床的基礎上增加刀庫和自動換刀裝置而形成的一類更複雜但用途更廣、效率更高的數控機床。由於具有刀庫和自動換刀裝置，就可以在一臺機床上完成車、銑、鏜、鉸、攻螺紋、輪廓加工等多個工序的加工。因此，加工中心機床具有工序集中，可以有效縮短調整時間和搬運時間，減少在製品庫存，加工質量高等優點。加工中心常用於零件比較複雜，需要多工序加工，且生產批量中等的生產場合。
現代的加工中心已向多坐標、多工種、多面體加工和可重組(更換主軸箱等部件)等方向發展，如車銑加工中心、銑鏜磨加工中心、五面體加工中心、和五坐標(多坐標)加工中心等，數控系統也向開放式、分散式、適應控制、多級遞階控制、網路化和集成化等方向發展，因此數控加工不僅可用於單件、小批生產自動化，同時也可用於單一產品大批量生產的自動化。
(三)柔性製造單元
柔性製造單元(Flexible manufacturing cell，FMC)是一個可變加工單元，由單台電腦控制的加工中心或數控機床、環形(圓形、角形或長圓形等)托盤輸送裝置或機器人所組成，採用切削監視系統實現自動加工，不停機更換工件進行連續生產(圖1)。它是組成柔性製造系統的基本單元。
柔性製造單元比單台數控機床或加工中心的柔性大，可以實現更多品種的配套加工。據日本的實踐表明，柔性製造單元一般每天可完成21．3種零件的加工，完成裝配產品配套用50種零件的加工時間為2．34天，而採用加工中心完成同樣任務，每天只能完成2．09種，完成50種零件的配套則要23．9天；柔性製造單元可實現24h連續運轉，加工中心一般只能工作18h，柔性製造單元的運轉工作利用率是MC的1．5倍，完成相同任務的柔性製造單元投資可比加工中心系統投資節省17．34％，操作工人的數量只有MC的82．67％。
與柔性製造系統相比，柔性製造單元的主要優點是：占地面用較小，系統結構不很複雜，成本較低，投資較小，可靠性較高，使用及維護均較簡單。因此，柔性製造單元是柔性製造系統的主要發展方向之一，深受各類企業的歡迎。
(四)柔性製造系統
1．柔性製造系統的概念、特點和適應範圍
柔性製造系統(Flexible manufacturing system，FMS)是一個製造系統，由多台(至少兩台)加工中心或數控機床、自動上、下料裝置、儲料和輸送系統等組成，沒有固定的加工順序和節拍，在電腦及其軟體系統的集中控制下，能在不停機調整的情況下更換工件和工夾具，實現加工自動化，在時間和空間(多維性)上都有高度的柔性，是一種電腦直接控制的自動化可變加工系統。
與傳統的剛性自動生產線相比，它有以下突出的特點：
(1)具有高度的柔性，能實現多種不同工藝要求不同“類”的零件加工，進行自動更換工件、夾具、刀具和自動裝夾，有很強的系統軟體功能。
(2)具有高度的自動化程度、穩定性和可靠性，能實現長時間的無人自動連續工作(如連續24h工作)。
(4)具有高生產率。
(5)降低直接勞動費用，增加經濟收益。
柔性製造系統的適應範圍很廣，如圖2所示，如果零件生產批量很大而品種數較少，則可用專用機床線或自動生產線；如果零件生產批量很小而品種較多，則適於用數控機床或通用機床；在兩者中間這一段，均是適於用柔性製造系統來加工。
2．柔性製造系統的類型
柔性製造系統是一個統稱，其類型很多，可分為柔性製造單元、柔性製造線、柔性生產線等，前已論述了柔性製造單元，現分述柔性製造線和柔性生產線。
柔性製造線(Flexible ManufacturingLine，FML)是由兩台或兩台以上的加工中心、數控機床或柔性製造單元所組成，配置有自動輸送裝置(有軌、無軌輸送車或機器人)、工件自動上、下料裝置(托盤交換或機器人)和自動化倉庫等，並有電腦遞階控制功能、數據管理功能、生產計劃和調度管理功能，以及實時監控功能等，如圖3所示，它是典型的柔性製造系統，通常所說的柔性製造系統就是指的這種類型。
柔性生產線(Flexible Transmission Line，FTL)是由若幹台加工中心組成，但物料系統不採用自動化程度很高的自動輸送車、工業機器人和自動化倉庫等，而是採用自動生產線所用的上、下料裝置，如各種送料槽等，不追求高度的柔性和自動化程度，而取其經濟實用。這種柔性製造系統又稱之為準柔性製造系統。
3．柔性製造系統的組成和結構
柔性製造系統的組成如圖4所示，由物質系統、能量系統和信息系統三部分組成，各個系統又由許多子系統構成。
柔性製造系統的主要加工設備是加工中心和數控機床，目前以銑鏜加工中心(立式和卧式)和車削加工中心占多數，一般多由3台～6台組成。柔性製造系統常用的輸送裝置有輸送帶、有(無)軌輸送車、行走式工業機器人等，也可用一些專用輸送裝置。在一個柔性製造系統中可以同時採用多種輸送裝置形成複合輸送網。輸送方式可以是線形、環形和網形。柔性製造系統的儲存裝置可採用立體倉庫和堆垛機，也可採用平面倉庫和托盤站。托盤是一種隨行夾具，其上裝有工件夾具，工件裝夾在工件夾具上，托盤、工件夾具和工件形成一體，由輸送裝置輸送，托盤裝夾在機床的工作臺上。托盤站還可起暫時存儲作用，配置在機床附近，起緩衝作用。倉庫可分為毛坯庫、零件庫、刀具庫和夾具庫等，其中刀具庫有集中管理的中央刀具庫和分散在各機床旁邊的專用刀具庫兩種類型。柔性製造系統中除主要加工設備外，還應有清洗工作站、去毛刺工作站和檢驗工作站等，它們都是柔性工作單元。
柔性製造系統具有製造不同產品的特有柔性，不需要改變系統硬體結構，能夠生產不同的產品，從而適應市場變化，縮短新品研發周期；藉助於電腦，柔性製造系統加工輔助時間大為減少，可以顯著提高機床利用率，可達75％～90％；由於工序合併，所需裝夾次數和使用機床數量減少，降低設備成本，縮減系統在製品庫存量，工作迴圈時間減少，生產周期縮短；系統的控制、管理和傳輸都是在電腦下進行的，使得操作人員也減少。
根據柔性製造系統的統計數據表明，採用FMS可以降低加工成本50％，減少生產面積40％，提高生產率50％，過程的在製品可減少80％。柔性製造系統的主要缺點是：系統投資大，投資回收期長；系統結構複雜，對操作人員的要求很高；結構複雜使得系統的可靠性較差。
(五)成組技術
成組技術從20世紀50年代出現的成組加工，到60年代發展為成組工藝，出現了成組生產單元和成組加工流水線，其範圍也從單純的機械加工擴展到整個產品的製造過程。70年代以後，成組工藝與電腦技術、數控技術、相似論、方法論、系統論等的結合，就發展成為成組技術。
成組技術其實質是將中小批量生產的零件，按其結構和工藝的相似性，劃分成組，相當於擴大了零件的批量，因而可以採用近似於大批量生產的工藝技術，達到提高生產率和經濟效益的目的。成組技術是應用系統工程的觀點，把多品種、中小批生產中的設計、製造和管理等方面，作為一個生產系統的整體，統一協調生產系統的各個方面，全面應用成組技術，以取得最優的綜合經濟效益。成組技術的應用，在產品設計方面，可以促進零部件設計的標準化，避免不必要的重覆設計和多樣化設計；在產品製造方面，可以促進工藝設計的標準化、規範化和通用化，減少重覆勞動，實施成組加工和應用成組夾具，提高生產效率和系統的柔性；在生產管理方面，可以縮短生產周期，簡化作業計劃，減少在製品數量，提高人員、設備的利用率，提高質量和降低成本。
1．基本原理
成組技術是一門涉及多種學科的綜合性技術，其理論基礎是相似性，核心是成組工藝，在現階段更有電腦輔助成組技術的特色。
圖5表示了成組工藝的基本原理。成組工藝是把尺寸、形狀、工藝相近似的零件組成一個個零件族(組)，按零件族制訂工藝進行生產製造，這樣就擴大了批量，減少了品種，便於採用高效率的生產方法，從而提高了勞動生產率，為多品種、小批量生產經濟效益的提高開闢了一條途徑。
零件在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性為基本相似性，以基本相似性為基礎，在製造、裝配等生產、經營、管理等方面所導出的相似性，稱為二次相似性或派生相似性，因此，二次相似性是基本相似性的發展，具有重要的理論意義和實用價值。
成組工藝的基本原理表明，零件的相似性是實現成組工藝的基本條件。工藝相似性是指可採用相同的工藝方法進行加工，採用相似的夾具進行裝夾，採用相似的量儀進行檢測等。零件分類編碼系統是實現成組工藝的重要工具。成組技術就是揭示和利用基本相似性和二次相似性，使工業企業得到統一的數據和信息，變單件小批生產為成批生產。
2．成組技術實施和生產組織形式
1)成組工藝的實施步驟
成組工藝的實施步驟如下：
(1)產品零件按零件分類編碼系統進行分組分類。
(2)應用電腦輔助工藝過程設計制訂零件的成組加工工藝過程。
(3)設計成組工藝裝備，如成組夾具、成組刀具、成組量具等。
(3)設計成組工藝裝備，如成組夾具、成組刀具、成組量具等。
(4)建造成組加工生產線，設計成組輸送裝置、成組裝卸裝置、倉庫等。
2)成組工藝的生產組織形式
成組工藝的生產組織形式基本上可分為三大類，如圖6所示。
(1)獨立的成組加工機床或成組加工柔性製造單元主要用於形狀較簡單、相似程度較大，能在一臺機床上完成的零件，如圖6(a)。
(2)成組加工和一般加工的混合生產線主要用於零件較複雜，相似程度較小，需要多台機床才能完成全部工序的情況，其中能進行成組加工的就用成組加工機床加工，不能進行成組加工的則用普通機床加工，甚至可用專用機床加工，因此形成混合生產線(工段)，如圖6(b)。
(3)成組加工生產線或成組加工柔性製造系統這是成組加工的最高組織形式，零件的全部工序都進行成組加工，如圖6(c)。
3．零件的分類編碼系統
(1)零件分類編碼系統概念和作用。零件的分類編碼就是用數字來描述零件的幾何形狀、尺寸和工藝特征，也就是零件特征的數字化。
在成組技術中，零件分類編碼系統的作用不是為了完整地描述零件的特征，而是為了進行零件的分類成組，形成零件族，以便進行成組加工。因此，零件分類編碼系統中的信息只要能夠滿足描述零件成組分類的需要就夠了，要想從零件分類編碼來反求完整的零件形狀、尺寸、公差等是不可能的。
(2)零件分類編碼系統所要描述的零件特征及其提取。零件分類是根據零件的特征來進行的，這些特征一般可分為三個方面：
①結構特征，零件的幾何形狀、尺寸大小、結構功能、毛坯類型等。
②工藝特征，零件的毛坯形狀、加工精度、錶面粗糙度、加工方法、材料、定位夾緊方式、選用機床類型等。
③生產組織與計劃特征，加工批量、製造資源狀況、工藝路線跨車間、工段、廠際協作等情況。
(3)零件分類編碼系統的結構。零件的特征用相應的標誌表示，這些標誌可由分類編碼系統中的相應環節來描述。根據分類環節的數量，零件的分類編碼系統可分為多級和單級兩大類。目前多採用多級分類編碼系統，各級又由多個分類環節來描述。
零件的編碼是一種數學描述，每個零件都有識別碼，它就是零件的件號或圖號，為了區分，零件的識別碼是唯一的，不能重覆。在零件分類編碼中，零件又有分類碼，它是在推行成組技術時才提出的，它是可以重覆的，相同分類碼的零件表示了它們是相似的，可以歸為一類，即一個零件族(組)。
①總體結構。零件分類編碼系統大多採用表格形式，由橫向分類環節和縱向分類環節兩部分組成。
橫向分類環節稱為碼位，主要用於描述零件的類型、形狀、尺寸、工藝要素、材料、精度、毛坯等巨集觀信息分類，其位數在4～80之間，常用的為9～21位。碼位越多，可描述的內容越多越細緻，但結構就越複雜。
縱向分類環節稱為碼域或碼值，主要用於描述巨集觀信息中分層次的更細緻的結構信息，一般為10位，用0～9數字表示，具體位數按需要而定。
從編碼的總體結構形式來看，可分為整體式、主輔碼組合式和子系統組合式3種，如圖7所示。
鏈式結構橫向分類環節之間的關係是鏈式的，若縱向分類環節為10個，則每個橫向分類環節有10個縱向分類環節，總的分類環節數=橫向分類環節數×縱向分類環節數。橫向分類環節用數字表示，它們之間的關係用符號“—”表示。
樹式結構橫向分類環節之間的關係是樹式的。若縱向分類環節是10個，則橫向分類環節的第Ⅰ位有10個縱向分類環節，由於每個縱向分類環節又有10個下一位縱向分類環節，故橫向分類環節的第Ⅱ位就有102個縱向分類環節，依此類推，第N位就有10N個縱向分類環節。總的分類環節數
，式中M為縱向分類環節數，N為橫向分類環節數。橫向分類環節之間的關係用符號“<”表示。
混合式結構是鏈式和樹式結構的混合，即有些橫向分類環節的位間關係是鏈式的，有些是樹式的，視描述特征的標誌數量而定。由於樹式結構的分類環節太多，鏈式結構的分類環節在某些位又不夠用，故採用混合式結構較多。
零件分類編碼系統中每個碼位均有確切的定義，稱之為固定碼。
當有新產品增加時，可能會出現碼位不能描述的情況。為了適應多品種產品的發展，而又不必重構零件分類編碼系統，因此提出了柔性碼的概念，即在碼位中設定幾位柔性碼備用，可根據新產品的信息需求來定義，柔性碼經定義後也是確切的，但可以隨產品的變化而重新定義。
③碼域信息排列方式。通常縱向分類環節為10項，即碼域內的項數為0～9，碼域內的信息排列方式通常有全組合排列法、選擇排列法和選擇組合排列法三種，分別由表1、表2和表3所示。
全組合排列法僅能容納三種不同的信息，通常稱為“三要素全組合”排列，這種方法規律性強，便於記憶，含義確切，結構嚴密，但安排信息量有限。
選擇排列法是根據零件信息的特點和出現的概率，有選擇性地進行組合和排列。這種方法比較靈活，可在有限碼域項數內安排較多信息。其不足之處是不能同時表示在同一碼位內不同碼域項的信息，如表中，若零件外部形狀要素同時有功能槽和螺紋，則不能表示。因此，這種排列方法又規定了“後項包括前項”或“按項號最大”的特征來編碼，但易於出現多義性、不確切、不嚴密等缺點。
選擇組合排列法是在同一碼位內選擇5種信息，其中的3種信息不能同時出現在同一碼域項上，這種方法不會使特征代碼產生“多義性”，碼位內各項信息含義明確，但信息種數比選擇排列法少。
(4)常用機械加工零件分類編碼系統。常用機械加工零件分類編碼系統有：在20世紀50年代末期捷克斯洛伐克開發的VUOSO系統、60年代初聯邦德國H．Opitz教授領導開發的十進位九位代碼的混合結構OPITZ系統、日本通產省組織開發的十進位21位代碼的混合結構KK-3系統以及我國1986年機械工業部組織開發的JLBM-1系統等。
JLBM-1零件分類編碼系統是一個十進位十五代碼的主輔碼混合結構系統，其基本結構如圖9所示。在橫向分類環節上，分為零件名稱類別碼、形狀及加工碼、輔助碼，零件名稱類別碼表示了零件的功能名稱；輔助碼表示了與設計和工藝有關的信息。
該系統橫向分類環節數適中，結構簡單明確，規律性強，便於理解和記憶；系統力求能夠滿足在機械行業中各種不同產品零件的分類，因此在形狀及加工碼上有廣泛性；系統吸收了KK-3系統的零件功能名稱分類標誌，有利於設計部門使用。但卻將與設計較密切的一些信息放到輔助碼中，從而分散了設計檢索的環節，影響了設計部門的使用；系統只在橫向分類環節的第Ⅰ、Ⅱ位間為樹式結構，其餘均為鏈式結構，系統存在標誌不全的現象，如一些常用的熱處理組合在系統中無反映。該系統是一套通用零件分類編碼系統，適於中等及中等以上規模的多品種、中小批量生產的機械廠使用，為產品設計、製造工藝和生產管理等方面開展成組技術提供了條件。
4．成組工藝過程設計
成組工藝過程設計是在零件分類成組的基礎上進行的，基本上有四種方法。
(1)典型零件工藝法。在一個零件族(組)中，選擇其中一個能包含這組零件全部加工錶面要素的零件作為該族(組)的代表零件，稱之為典型零件，或稱之為樣件，制定典型零件的工藝過程，即為該零件族(組)的成組工藝過程，再由成組工藝過程經過刪減等處理產生該族(組)各個零件的具體工藝過程。
(2)複合零件工藝法。複合零件法的思路是先按各零件族(組)設計出能代表該族(組)零件特征的複合零件，制定複合零件的工藝過程，即為該零件族(組)的成組工藝過程，再由成組工藝過程經過刪減等處理產生該族(組)各個零件的具體工藝過程。
(3)典型工藝路線法。從一個零件族(組)中選擇一個零件的工藝路線，它能夠包含所有零件的工藝路線，就以它作為該零件組的典型成組工藝。
(4)複合工藝路線法。當不能直接從零件族(組)中各個零件的工藝路線選擇產生一個能包含全組零件的工藝路線，則可採用複合工藝路線法。零件分類成組後，先制定出零件族(組)中各個零件的工藝路線，將它們複合起來，形成一個假想的工藝路線，它最複雜、全面，包含了該組所有零件的工藝路線，即為成組工藝路線。
柔性自動化的主要措施和效益[4]
採用柔性自動化，可以提高製造系統的柔性和生產率，並獲得經濟效益。實現這一目標的主要措施如下：
(1)刀具和工件的自動輸送和供給。
(2)藉助電腦實現機床的合理利用和作業調度。
(3)製造過程的電腦監控。
(4)機床及輸送系統的預防性維護和檢修。通過以上措施，可以實現：
1)提高機床利用率；
2)在不停機條件下改變加工任務；
3)多機床看管；
4)人機分離；
5)夜班無人運行。
其結果導致：
①可按照裝配所需的批量進行加工，從而減少在製品和降低存儲費用；
②縮短生產周期，實現按交貨日期組織生產；
③充分利用刀具壽命，減少刀具費用；
④降低產品的成本；
⑤對市場作出快速響應。
