先进制造课程论文(柔性制造系统).docx

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中国农业大学

课程论文

论文题目:

柔性制造系统

课程名称:

机械设计制造及其自动化专题讲座

学 号:

专 业:

机械制造及其自动化姓 名:

柔性制造系统

摘要：

柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem；FMS）是有计算机集成管理含有自动物料输送设备可编程并且能够在计算机的支持下实现物流集成和信息集成，柔性制造系统主要用于高效率的制造中小批量多品种零部件的自动化系统，其主要集计算机技术传统的加工技术信息技术以及物流管理技术，是目前制造技术中最先进的技术之一。

本文根据柔性制造系统的特点，对其基本组成、类型、工作优势，关键技术以及未来的发展方向等方面进行了阐释。

关键字：

柔性制造；系统；未来发展

一、引言

最近数十年，计算机技术、微电子技术以及机械装备加工制造技术快速发展，对现代制造业产生了深远的影响[1]。

传统的自动化制造技术虽然具有较高的生产效率，却无法满足当即市场对周期短、小批量和多品种制造的需求，即生产制造的柔性需求。

因此，柔性制造技术及其系统研究成为现代制造业的一个新的方向[2]。

二、柔性制造系统的组成

柔性制造系统主要是指在成组技术的基础上，以多种数控机床和数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其连接，统一有主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种批量和混流方式生产的自动化制造系统[3]。

柔性制造系统的自身的特点分为硬件系统和软件系统，其中硬件主要包括加工中心数控

机床以及其他的辅助加工设备[4]。

软件系统主要包括柔性制造系统的运行控制数据管理和系统通信以及建模和仿真等。

柔性制造系统还包括冷却系统刀具监控系统排屑系统以及管理等辅助系统。

柔性制造系统根据其功能可以分为加工系统、计算机控制系统、运储和管理系统以及辅助系统等，其中加工系统主要是自动换刀和换工件功能的数控机床，加工系统是柔性制造系统的主体部分，其作用是用于加工零件。

运储和管理系统可以分为工件运储、管理系统、刀具运储和管理系统，其中工件运储和管理系统主要有工件的毛坯半成品，在夹具组建的存储仓库工件夹具装卸载，缓冲存储站等[5]。

刀具运储和管理系统主要有刀具存储库，交换刀具的运送装置，刀具的组装刃磨等工作站等。

计算机控制系统主要有计算机以及通信网络组成，其作用主要是为了管理和控制柔性制造系统的运行。

图2 柔性制造系统实训实验室

三、柔性制造系统的优势

柔性制造系统是一种自动化程度高、系统复杂的先进的制造技术，柔性制造系统是将计算机、自动控制技术、微电子学以及系统工程等相关技术有机的整合在一起而设计出的一种高自动化和高柔性的制造技术[6]。

柔性制造技术的优势[7]主要有：

1）设备柔性好

柔性制造系统的刀具、夹具以及物料运送装置都有自己的库，根据需求具有可调性，当市场需求发生变化或者改进产品设计时，可以迅速调整，以适应生产。

柔性制造系统，较大程度上增加企业或生产者对市场的适应能力。

2）设备利用率高

在柔性制造系统中，采用计算机以及通信技术对机床生产设备进行调度，所以如果机床生产设备没有工件加工，则计算机系统将会自动分配机床加工任务，在对工件加工的过程中，采用柔性制造系统的机床进行生产的产量是同等条件下是普通机床的生产量的数倍。

另外，柔性制造系统的合理紧凑的布局，设备的利用率较高，而设备的总占地面积可以减少20%。

3）生产能力相对稳定

柔性制造系统是有一台和多台机床组成，当其中一台或者多台机床出现故障时，则计算机系统能够自行降级运转，并且物料传送系统也能够自行绕过存在故障的设备而保证机床正

常运行。

4）加工产品的质量稳定

采用柔性制造系统，在工件生产的过程中，对于工件的装卸一次性完成，减少装夹次数，并且机床和卡具匹配得当，认为的因素很少，所以能够有效保证的零件加工的一致性和加工精度，并且加工形式也是非常稳定的。

5）运行灵活

在机床设备中实施柔性制造系统，对机床的检验维护以及装卡等工作只需要在第一班完成后，在第二或者第三班就可以在无人看管的状态下就能自行工作，并且在柔性制造系统中的监管系统还能够对刀具更换或者物流堵塞等现象进行自行调节。

6）在制品数量少。

柔性制造系统的产品生产工序集中，减少了加工零件的装夹次数，被加工零件的加工精度高，并且大大地缩短了生产的准备时间[8]。

四、关键技术

1）计算机辅助设计

未来CAD/CAM技术发展将会引入专家系统，使之具有智能化，可处理各种复杂的问题[9]。

当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成型技术，该项新技术是直接利用CAD/CAM数据库，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，并按照二维片状图形对池内的光敏树脂液面进行光学扫描，被扫描到的液面则变成固化塑料，如此循环操作，逐层扫描成型，并自动地将分层成型的各片状固化塑料粘合在一起，仅需确定数据，数小时内便可以制出精确原型。

它有助于加快开发新产品和研制新结构的速度。

2）模糊控制技术

模糊数学的实际应用是模糊控制器。

最近开发出的模糊控制器具有自学习功能，可在控

制过程中不断获取新的信息并自动地控制量作出调整，使系统性能大为改善，其中尤其为基于人工神经网络的自学方法更引起人们极大的关注[10]。

3）人工智能、专家系统和智能传感技术

FMS中所采用人工智能大多数指基于规则的专家系统。

专家系统利用专家知识和推理规

则进行推理，求解各类问题（如解释、预测、诊断、查找故障、设计、计划、监视、修复、命令及控制等）。

由于专家系统能简便地将各种事实及经验验证过的理论与通过经验获得的知识相结合，因而专家系统为FMS的诸多方面工作增强了柔性。

展望未来，以知识密集为特征，以知识处理为手段的人工智能（包括专家系统）技术必将在FMS（尤其智能型）中其关键性的作用[11]。

人工智能在未来FMS中将发挥日趋重要的作用[12]。

目前将用于FMS中的各种技术，预计最有发展前途的仍然是人工智能[13]。

预计到21世纪初，人工智能在FMS中的应用规模将要比目前大4倍以上。

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。

在制造过程中，系统能自动检测其运行状态，在受到外界或内部激励时能自动调节其参数，以达到最佳工作状态，具备自组织能力。

因此，IMT被称为未来21世纪的制造技术。

对未来智能化FMS具有重大意义的一个正在急速发展的领域是智能传感技术。

该项技术是伴随计算机应用技术和人工智能而产生的，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进行并行处理的一种方法。

股

人工智能网络也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，成为现在自支化系中的一个组成部分[14]。

五、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[15]。

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。

5.1FMC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接近,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。

5.2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。

5.3朝多功能方向发展

由单纯加工型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[16]。

届时,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。

5.4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）[17-20]。

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ERP、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。

6结束语

FMS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:

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机械工业出版社,2000.

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