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柔性制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
摘 要 文章簡述了柔性、柔性制造技術(shù)的概念、分類、所涉及的關(guān)鍵技術(shù),以及發(fā)展應(yīng)用趨勢,以促使人們對(duì)新的制造技術(shù)認(rèn)識(shí)和重視。隨著社會(huì)的進(jìn)步和生活水平的提高,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,傳統(tǒng)的制造技術(shù)已不能滿足市場對(duì)多品種小批量,更具特色符合顧客個(gè)人要求樣式和功能的產(chǎn)品的需求。90年代后,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,制造業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代,技術(shù)日臻成熟。柔性制造技術(shù)已成為各工業(yè)化國家機(jī)械制造自動(dòng)化的研制發(fā)展重點(diǎn)。
1 基本概念
1 1 柔性柔性可以表述為兩個(gè)方面。第一方面是系統(tǒng)適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力,可用系統(tǒng)滿足新產(chǎn)品要求的程度來衡量;第二方面是系統(tǒng)適應(yīng)內(nèi)部變化的能力,可用在有干擾(如機(jī)器出現(xiàn)故障)情況下,系統(tǒng)的生產(chǎn)率與無干擾情況下的生產(chǎn)率期望值之比來衡量。“柔性”是相對(duì)于“剛性”而言的,傳統(tǒng)的“剛性”自動(dòng)化生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率很高,由于設(shè)備是固定的,所以設(shè)備利用率也很高,單件產(chǎn)品的成本低。但價(jià)格相當(dāng)昂貴,且只能加工一個(gè)或幾個(gè)相類似的零件,難以應(yīng)付多品種中小批量的生產(chǎn)。隨著批量生產(chǎn)時(shí)代正逐漸被適應(yīng)市場動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)所替換,一個(gè)制造自動(dòng)化系統(tǒng)的生存能力和競爭能力在很大程度上取決于它是否能在很短的開發(fā)周期內(nèi),生產(chǎn)出較低成本、較高質(zhì)量的不同品種產(chǎn)品的能力。柔性已占有相當(dāng)重要的位置。柔性主要包括 1) 機(jī)器柔性 當(dāng)要求生產(chǎn)一系列不同類型的產(chǎn)品時(shí),機(jī)器隨產(chǎn)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(shí)自身適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化的能力;二是制造系統(tǒng)內(nèi)為適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化而改變相應(yīng)工藝的難易程度。
3) 產(chǎn)品柔性 一是產(chǎn)品更新或完全轉(zhuǎn)向后,系統(tǒng)能夠非常經(jīng)濟(jì)和迅速地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力;二是產(chǎn)品更新后,對(duì)老產(chǎn)品有用特性的繼承能力和兼容能力。
4) 維護(hù)柔性 采用多種方式查詢、處理故障,保障生產(chǎn)正常進(jìn)行的能力。
5) 生產(chǎn)能力柔性 當(dāng)生產(chǎn)量改變、系統(tǒng)也能經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行的能力。對(duì)于根據(jù)訂貨而組織生產(chǎn)的制造系統(tǒng),這一點(diǎn)尤為重要。
6) 擴(kuò)展柔性 當(dāng)生產(chǎn)需要的時(shí)候,可以很容易地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu),增加模塊,構(gòu)成一個(gè)更大系統(tǒng)的能力。
7) 運(yùn)行柔性 利用不同的機(jī)器、材料、工藝流程來生產(chǎn)一系列產(chǎn)品的能力和同樣的產(chǎn)品,換用不同工序加工的能力。
1 2 柔性制造技術(shù)柔性制造技術(shù)是對(duì)各種不同形狀加工對(duì)象實(shí)現(xiàn)程序化柔性制造加工的各種技術(shù)的總和。柔性制造技術(shù)是技術(shù)密集型的技術(shù)群,我們認(rèn)為凡是側(cè)重于柔性,適應(yīng)于多品種、中小批量(包括單件產(chǎn)品)的加工技術(shù)都屬于柔性制造技術(shù)。目前按規(guī)模大小劃分為:
1) 柔性制造系統(tǒng)(ＦＭＳ)
關(guān)于柔性制造系統(tǒng)的定義很多,權(quán)威性的定義有:
美國國家標(biāo)準(zhǔn)局把ＦＭＳ定義為:“由一個(gè)傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起來的一些設(shè)備,傳輸裝置把工件放在其他聯(lián)結(jié)裝置上送到各加工設(shè)備,使工件加工準(zhǔn)確、迅速和自動(dòng)化。中央計(jì)算機(jī)控制機(jī)床和傳輸系統(tǒng),柔性制造系統(tǒng)有時(shí)可同時(shí)加工幾種不同的零件。 國際生產(chǎn)工程研究協(xié)會(huì)指出“柔性制造系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)化的生產(chǎn)制造系統(tǒng),在最少人的干預(yù)下,能夠生產(chǎn)任何范圍的產(chǎn)品族,系統(tǒng)的柔性通常受到系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的產(chǎn)品族的限制�！� 而我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)則定義為“柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng),它包括多個(gè)柔性制造單元,能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進(jìn)行調(diào)整,適用于多品種、中小批量生產(chǎn)�！� 簡單地說,ＦＭＳ是由若干數(shù)控設(shè)備、物料運(yùn)貯裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的并能根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)品種變化而迅速進(jìn)行調(diào)整的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。 目前常見的組成通常包括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,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。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(shí)施的“智能制造系統(tǒng)”(ＩＭＳ)國際性開發(fā)項(xiàng)目,屬于第二代ＦＭＳ;而真正完善的第二代ＦＭＳ預(yù)計(jì)本世紀(jì)十年代后才會(huì)實(shí)現(xiàn)。
2) 柔性制造單元(ＦＭＣ)
�。疲停玫膯柺啦⒃谏a(chǎn)中使用約比ＦＭＳ晚6～8年,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)展的一種產(chǎn)物,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,其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化,具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。迄今已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。
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;亦可采用專用機(jī)床或ＮＣ專用機(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)生過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,配以自動(dòng)化立體倉庫,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)品開發(fā)及經(jīng)營管理的自動(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。
2 柔性制造所采用的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
未來ＣＡＤ技術(shù)發(fā)展將會(huì)引入專家系統(tǒng),使之具有智能化,可處理各種復(fù)雜的問題。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。它有助于加快開發(fā)新產(chǎn)品和研制新結(jié)構(gòu)的速度。
2.2 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。
2.3 人工智能、專家系統(tǒng)及智能傳感器技術(shù)
迄今,柔性制造技術(shù)中所采用的人工智能大多指基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)利用專家知識(shí)和推理規(guī)則進(jìn)行推理,求解各類問題(如解釋、預(yù)測、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)。由于專家系統(tǒng)能簡便地將各種事實(shí)及經(jīng)驗(yàn)證過的理論與通過經(jīng)驗(yàn)獲得的知識(shí)相結(jié)合,因而專家系統(tǒng)為柔性制造的諸方面工作增強(qiáng)了柔性。展望未來,以知識(shí)密集為特征,以知識(shí)處理為手段的人工智能(包括專家系統(tǒng))技術(shù)必將在柔性制造業(yè)(尤其智能型)中起著日趨重要的關(guān)鍵性的作用。目前用于柔性制造中的各種技術(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,人工智能在柔性制造技術(shù)中的應(yīng)用規(guī)模將在比目前大4倍。智能制造技術(shù)(ＩＭＴ)旨在將人工智能融入制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié),借助模擬專家的智能活動(dòng),取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng)。在制造過程,系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測其運(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被稱為未來21世紀(jì)的制造技術(shù)。對(duì)未來智能化柔性制造技術(shù)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。
2 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)不久將并列于專家系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng),成為現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。
3 柔性制造技術(shù)的發(fā)展趨勢
3 1�。疲停脤⒊蔀榘l(fā)展和應(yīng)用的熱門技術(shù)
這是因?yàn)椋疲停玫耐顿Y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)。目前國外眾多廠家將ＦＭＣ列為發(fā)展之重。
3 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。
3 3 朝多功能方向發(fā)展
由單純加工型ＦＭＳ進(jìn)一步開發(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。
4 結(jié)束語
柔性制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)未來工廠的新穎概念模式和新的發(fā)展趨勢,是決定制造企業(yè)未來發(fā)展前途的具有戰(zhàn)略意義的舉措。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)從接受訂貨單至生產(chǎn)、銷售這一企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的全部活動(dòng)。
近年來,柔性制造作為一種現(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)模式已為國際上所公認(rèn),可以這樣認(rèn)為:柔性制造技術(shù)是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上,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)營管理等過程,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)而贏得競爭全勝的智能制造技術(shù)。它作為當(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。實(shí)現(xiàn)了按端口、ＭＡＣ地址、應(yīng)用等來劃分虛擬網(wǎng)絡(luò),有效地控制了企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的廣播流量和提高了企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全性。
4 結(jié) 論
現(xiàn)實(shí)中存在許多不同類型的網(wǎng)絡(luò),有支持ＴＣＰ/ＩＰ的,有遵循ＯＳＩ標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的,每臺(tái)機(jī)器的對(duì)應(yīng)層協(xié)議都不同,對(duì)哪一層實(shí)施連接,需采用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備。
通俗地講,第二層交換是指多口的交換集線路,即網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。其目的是替代傳統(tǒng)的集線器,提升網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬。主要應(yīng)用于局域網(wǎng)中。 在不同或相同類型的局域網(wǎng)之間采用橋接器(集線器),從協(xié)議層上講屬于數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備,但它們?nèi)匀皇蔷W(wǎng)絡(luò)連接的方法,因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)ＩＭＰ本身沒有網(wǎng)絡(luò)層,只有在主機(jī)站點(diǎn)上才有網(wǎng)絡(luò)層或提供網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)的功能。 與橋接器不同,網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)層一級(jí)工作。這樣就有了更大的靈活性。例如,在差別很大的網(wǎng)絡(luò)間翻譯地址等,但這也導(dǎo)致了網(wǎng)關(guān)的速度很慢,因此,網(wǎng)關(guān)一般都用于廣域網(wǎng)間的連接或局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的互聯(lián)。隨著網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn),100Ｍ高速以太網(wǎng)的出現(xiàn),路由器在網(wǎng)段之間通信中造成的時(shí)延越來越成為網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)钠款i[4]。第三層交換技術(shù)的出現(xiàn),解決了大規(guī)模局域網(wǎng)中各子網(wǎng)段之間網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)钠款i問題,取代了昂貴的路由器,成為一種實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的組網(wǎng)技術(shù)。
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