柔性制造系统在制造业中的应用Word文档格式.docx
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迫使传统的大规模生产方式发生改变，批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产系统所替换，这就使制造系统的柔性越来越重要。
柔性制造系统是一个由计算机集成治理和控制、高效率地制造某一类中小批量多品种零部件的自动化制造系统。
能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，以适宜于多品种、中小批量生产。
当制造对象发生变化时，它通过简单地改变软件、工装、刀具就够制造出所需的零件。
1.柔性制造系统的概念
1.1柔性的概念[1]
柔性可以表述为两个方面。
第一方面是系统适应外部环境变化的能力，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变化的能力，可用在有干扰（如计划发生变化、出现质量问题或机器出现故障等）情况下，这时系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔性。
“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。
其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低，但系统价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件。
如果想要获得其他品种的产品，则必须对其结构进行大调整，重新配置系统内各要素，其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下。
刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品，难以应付多品种、中小批量的生产。
随着现代市场需求的多样化，柔性已占有相当重要的位置。
柔性主要包括:
●机器柔性当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化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自身适应产品或原材料变化的能力；
二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变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迅速地生产出新产品的能力；
二是产品更后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。
●人员的柔性生产系统内的各类人员适应生产系统变化的能力。
●维护柔性采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。
●生产能力柔性当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。
对于根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候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。
●运行柔性利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。
1.2柔性制造的概念
当今企业面临经营环境不断变化的挑战，市场竞争的全球化、顾客和市场需求的多样化和不确定性、产品寿命的缩短、价格竞争的加剧等等都给企业现存的生产方式提出新的、更高的要求。
为了在残酷的竞争中生存和发展，企业就必须研究一些低成本并且能够快速反应的制造方法，柔性制造（或柔性生产）就是这些方法的总称。
因此，与其说柔性制造是一种生产方式，还不如说是一种全新的制造理念。
当面对客户需求变化的时候，看起来企业可选择的余地并不大，很多时候只能被动接受，以增加库存来解决问题。
难道就真的没有办法更好地应对了吗？
这是一个需要我们认真思考的问题。
否则，是以增加库存和增加成本为代价来满足客户需要的话，那么企业的生存终将受到挑战。
事实证明，只要我们以柔性制造的理念出发，具体研究解决问题的办法，就能够在不付出或付出较少成本代价的条件下提高快速反应的能力。
1.3柔性制造系统的概念
柔性制造系统按照规模可分为四种，即柔性制造系统（ＦＭＳ）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造线（FML）和柔性制造工厂（FMF）。
（1）柔性制造系统（ＦＭＳ）
关于柔性制造系统（FMS,FlexiblemanufacturingSystem）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些设备,传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备,使工件加工准确、迅速和自动化。
中央计算机控制机床和传输系统,柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。
国际生产工程研究协会指出"
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,能够生产任何范围的产品族,系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。
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组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,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组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。
目前常见的组成通常包括4台或更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,可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。
目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS,日本从1991年开始实施的"
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实现。
（2）.柔性制造单元（FMC）
柔性制造单元的问世并在生产中使用约比FMS晚6～8年,FMC可视为一个规模最小的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构成,其特点是实现单机柔性化及自动化,具有适应加工多品种产品的灵活性，迄今已进入普及应用阶段。
（3）.柔性制造线（FML）
柔性制造线是处于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;
亦可采用专用机床或NC专用机床,对物料搬运系统柔性的要求低于FMS,但生产率更高。
它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散型控制系统（DCS）为代表,其特点是实现生产线柔性化及自动化,其技术已日臻成熟,迄今已进入实用化阶段。
（4）柔性制造工厂（FMF）
柔性制造工厂是将多条FMS连接起来,配以自动化立体仓库,用计算机系统进行联系,采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMF。
它包括了CAD/CADM,并使计算机集成制造系统（CIMS）
投入实际,实现生产系统柔性化及自动化,进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。
FMF是自动化生产的最高水平,反映出世界上最先进的自动化应用技术。
它是将制造、产品开发及经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,其特点是实现工厂柔性化及自动化。
1.4柔性制造系统的优点[4]
柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。
具体优点如下。
（1）设备利用率高。
一组机床编入柔性制造系统后，产量比这组机床在分散单机作业时的产量提高数倍。
（2）在制品减少80%左右。
（3）生产能力相对稳定。
自动加工系统由一自或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障机床的能力。
（4）产品质量高。
零件在加工过程中，装卸一次完成，加工精度嵩，加工形式稳定。
（5）运行灵活。
有些柔性制造系统的检验、装卡和维护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。
在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。
（6）产品应变能力大。
刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要。
（7）经济效果显著。
采用FMS的主要技术经济效果是：
能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；
提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；
减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；
提高产品质量的一致性。
2.柔性制造系统的应用
2.1FMS在加工回转类零件中的应用。
如图2所示，该系统的概况如下。
图1加工回转体类零件的FMS[2]
（1）加工对象为轴、盘类零件．
（2）加工系统为以5台国产数控机床为基础模块（CNC车床2台，数控磨床1台，立式和卧式加工中心各1台）与4台搬运型工业机器人结合构成的加工单元。
（3）物流系统采用自动认址感应式无轨小车，机床前设有托板站，系统设有平面托板存储库。
（4）控制系统。
①中央管理系统（MAINCPU）：
总体管理和决策控制。
由主计算机（CPU）通过光缆与各单元、物流系统、控制机和自动编程机等联成控制网络。
②单元控制装置（CCU）：
单元生产过程控制。
③搬运控制和管理装置（MCU）：
物流控制。
④计算机数控（CNC）：
切削加工控制。
⑤其他：
中心孔清洗和工业监视电视系统等装置。
2.2FMS在箱体加工中的应用
如图3所示，该系统的概况如下。
图2加工回转体类零件的FMS[2]
（1）加工对象为箱体类零件。
（2）加工系统是由3台立式数控机床和7台加工中心结合构成的加工单元。
（3）物流系统采用无轨导向小车自动完成零件的运送。
（4）控制系统。
总体管理和决策控制．
单元生产过程控制．
③搬运控制和管理装置（MCU）：
物流控制．
切削加工控制．
托盘库和装卸站．零件的识别采用托盘库里托盘编码方式识读．在装卸站由人工完成零件装卸，采用无轨导向车自动完成零件的运送。
零件加工切削由地下冷却液和切削系统集中处理，冷却液可循环利用。
机床主轴和机床刀库之间自动换刀，机床刀库和外界换刀、测量和检验都是在每道工序加工完成后由人工进行。
采用本系统后，获得的主要效益是提高机床利用率50％，缩短生产周期35％。
提高了产品的质量，保证了产品质量的一致性[3]。
3.发展趋势
柔性制造总的趋势是:
生产线越来越短,越来越简,设备投资越来越少;
中间库存越来越少,场地利用率越来越高,成本越来越低;
生产周期越来越短,交货速度越来越快;
各类损耗越来越少,效率越来越高。
可见,实现柔性制造可以大大地降低生产成本,强化企业的竞争力。
3.1FMC将成为发展和应用的热门技术
柔性制造技术在各工业发达国家已经得到广泛的生产应用,数控机床、加工中心、柔性制造单元（FMC）,柔性制造系统（FMS）应用日益广泛,计算机集成制造（CIM）将使生产的设计、制造管理、供销、财务都用计算机统一管理,实现工厂的全盘计算机管理的自动化。
FMC的投资比FMS少得多而经济效益相近,更适用于财力有限的中小型企业。
目前国外众多厂家将FMC列为发展之重。
3.2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。
采用价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心将是FML的发展趋势。
CAD/CAM一体化技术的发展应用,大大地缩短了产品的研制开发周期,同时也促进了设计思想的变化。
设计考虑制造（DFM）的思想现已被更多的人接受,在保证产品性能要求的前提下大大减少了制造成本,并行工程是将设计、工艺准备、加工制造、装配调试工作从串联作业改为前后衔接的并行作业,大大缩短了生产周期。
3.3朝多功能方向发展
单纯加工型FMS进一步开发以焊接、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。
FMS是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势,是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。
目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS,日本从1991年开始实施的“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预计至21世纪才会实现。
届时,智能化机械之间将相互融合、柔性地全面协调从接受订单货至生产、销售这一企业生产经营的全部活动最近提出的敏捷制造技术将柔性自动化技术发展到一个新高度。
由于因特网的发展,就有可能将不同的工厂的生产有机地组织起来,发挥各自的特长进行合作生产。
敏捷制造技术主要包括三部分内容:
（1）基层单位的计算机管理和自动化。
但这里不强调全盘自动化,在用计算机管理更经济时就采用自动化,否则就由人参加。
（2）计算机仿真和虚拟制造在新产品设计和研制时特别有用。
（3）通过因特网将不同工厂、不同地区的单位有机地组织起来,发挥各单位的特长,实现异地设计、异地制造和装配,达到产品的快速、高效、优质、低成本生产。
3.4发展网络化制造单元
在信息化技术蓬勃发展的推动下,制造业正面临以提升竞争能力为目标的构建全企业数字化时代。
作为主要制造装备的数控机床及其组成的制造系统,也将积极地向数字化制造迈进,将成为信息集成和快速实施的制造单元,其主要特征可归结为3F:
柔性化（Flexibility）、联盟化（Federalization）和新颖化（Fashion）;
3I:
集成化（Integration）、信息化（Information）和智能化（Inteligence）以及3S:
系统化（System）、软件化（Software）和个性化（Speciality）。
当前,国内外一些机床和数控系统制造企业正在从网络化联盟制造的角度出发研究相适应的制造单元,它将能与企业RP、PDM和CAD/CAPP/CAM的信息集成,进而通过与客户关系管理（CRM）和供应链管理（SCM）的联系作出智能决策,实施并行工程、可视化监控等以提高机床利用率,实现高效的柔性生产。
4.结束语
FMS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,可以这样认为:
FMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础,将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程,在计算机及其软件的支撑下,构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统,以实现全局动态最优化,总体高效益、高柔性,并进而赢得竞争全胜的智能制造系统。
FMS作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技,为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图,将成为21世纪机构制造业的主要生产模式。
参考文献：
[1]柔性制造在军工电子企业生产组织中的应用张帆（工商管理系2002EMBA）
[2]XX图片
[3]柔性制造系统及其应用高红（沈阳工程学院机械工程系，沈阳110136）
[4]XX百科柔性制造系统词条
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