柔性制造.docx

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随着社会的发展与科技水平的提高,传统的制造技术已经不能满足人们日益增长的生活需求,许多人对产品的样式和功能都有了更高层次追求。在计算机技术、微电子技术、机械制造自动化技术与通信技术日趋成熟的今天,柔性制造技术已经在国内外得到了广泛的认可并有着良好的发展趋势。
柔性制造的基本概念
柔性制造技术是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上,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技术。柔性制造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;另一方面是系统适应内部变化的能力,可用在有干扰(如机器出现故障)情况下,系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量。“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。
柔性可以表述为两个方面,一个方面是指生产能力的柔性反应能力,也就是机器设备的小批量生产能力。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。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。另一个方面,指的是供应链的敏捷和精准的反应能力。在柔性制造中,供应链系统对单个需求做出生产配送的响应。从传统“以产定销”的“产——供——销——人——财——物”,转变成“以销定产”,生产的指令完全是由消费者独个触发,其价值链展现为“人——财——产——物——销”这种完全定向的具有明确个性特征的活动。在这个过程中不仅对生产的机器提出了重大的挑战,也对传统的供应链提出了革命性的颠覆。
柔性制造的特征及优点
柔性制造的特征主要包括:(1)机器柔性,是指系统的机器设备具有随产品变化而加工不同零件的能力;(2)工艺柔性,系统能够根据加工对象的变化或原材料的变化而确定相应的工艺流程;(3)产品柔性,产品更新或完全转向后,系统不仅对老产品的有用特性有继承能力和兼容能力,而且还具有迅速、经济地生产出新产品的能力;(4)生产能力柔性,当生产量改变时,系统能及时作出反应而经济地运行;(5)维护柔性,系统能采用多种方式查询、处理故障,保障生产正常进行;(6)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,构成一个更大的制造系统。具有这些特征的制造系统必然具有以下优点:
(1)设备利用率高。(2)在制品减少80%左右。(3)生产能力相对别的生产技术来说更为稳定。(4)产品质量高。(5)运行灵活。(6)在生产产品的过程中,机器的应变能力比较强。(7)经济效果显著。柔性制造技术是一种技术复杂、高度自动化的技术,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。柔性制造技术中的工件输送系统与其他制造技术中的工件输送系统有很大区别,它不是按固定节拍将工件从某一工位输送到下一工位,而是既不按固定节拍又不按固定顺序输送工件,甚至有时是将几种工件混杂在一起输送。在这种系统中一般都设置储料库,以调节各个工位上所需加工时间的差异。
柔性制造的关键技术
(1)计算机辅助设计:未来CAD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。当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术,该项新技术是直接利用CAD数据,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,逐层扫描成形,并自动地将分层成形的各片状固化塑料粘合在一起,仅需确定数据,数小时内便可制出精确的原型。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。最近开发出的高性能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对控制量作调整,使系统性能大为改善,其中尤其以基于人工神经网络的自学方法更引起人们极大的关注。
(3)人工智能、专家系统及智能传感器技术:迄今,柔性制造技术中所采用的人工智能大多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,因而专家系统为柔性制造的诸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)技术必将在柔性制造业(尤其智能型)中起着日趋重要的关键性的作用。目前用于柔性制造中的各种技术,预计最有发展前途的仍是人工智能,这一点从目前人工智能迅猛的发展态势也不难看出。
(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处理的一种方法。故人工神经网络也就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,成为现代自动化系统中的一个组成部分。
(5)综合控制系统:一种叫做MES精益制造管理系统的工具,集合软件和人机界面设备(PLC触摸屏)、PDA手机、条码采集器、传感器、I/O、DCS、RFID、LED生产看板等多类硬件的综合智能化系统,由一组共享数据的程序所组成的、通过布置在生产现场的专用设备(PDA智能手机、LED生产看板、条码采集器、PLC、传感器、I/O、DCS、)对从原材料上线到成品入库的生产过程进行实时数据采集、控制和监控的系统。是通过控制包括物料、仓库、设备、人员、品质、工艺、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高制造竞争力,我们提供了一种系统地在统一平台上集成诸如工艺排单、质量控制、文档管理、图纸下发、生产调度、设备管理、制造物流等功能的方式。从而实现企业实时化的信息系统。精益制造系统实时接受来自ERP系统的工单、BOM、制程、供货方、库存、制造指令等信息,同时把生产方法、人员指令、制造指令等下达给人员、设备等控制层,再实时把生产结果、人员反馈、设备操作状态与结果、库存状况、质量状况等动态地反馈给决策层
柔性制造在国内外的发展状况
1954年世界第一台数字控制铣床诞生在麻省理工学院,七十年代初期柔性制造开始进入实际生产的阶段,CAD技术就被公众推荐为改善单件小批量的有力途径。只花了四十年的时间,就发展的非常迅速了。最初是在控制元件领域的不断创新,之后晶体管、集成电路的出现,也只是用了二十年就发生了四次翻天覆地的变化。另一方面,机床自身也在其机械结构和功能上有了进展,各种丝杠、导轨、轴承的应用,企业加工中心的崛起,都给机床的结构带来了极大的变化。另外伺服系统也从步进式、直流伺服发展到了交流伺服,工程控制理论领域也有了极大进步。1970年之后便出现了计算机数控技术CNC,促进了计算机软件的发展。传统的硬件数控系统需要不断调整或者增加一些功能,从而要重新进行结构上的设计,但是CNC系统只需对软件稍作修改,即可适应一种全新的要求。工业机器人与自动上下料机构、交换工作台的出现,自动换刀设备也有了很大的突破,诞生了更高自动化程度的柔性制造单元,即FMC。随着自动编程技术和计算机信息技术的发展,推动了利用一台大型计算机去控制数台机床的大趋势,或者由中央计算机控制数台CNC机床的计算机集成控制系统,即所谓的DNCO1970年后,计算机辅助管理物料的自动搬运,刀具管理系统和计算机网络,数据库技术的发展以及CAD/CAM技术的成熟,出现了系统化程度更高、规模更大的柔性制造系统,也就是FMS。这几十年来,早起单台数控机床逐渐发展为加工中心,进一步成为柔性制造单元,甚至柔性生产线,这使柔性自动化制造技术得到了迅速发展。
迄今为止,全球已有大量的柔性制造系统进入了实际应用阶段,仅仅在日本就有330套非常完善的柔性制造设备。全球以柔性制造技术生产的成品已经达到了所有生产的78%以上,这个占有率还在不断上升。柔性制造技术把自动化技术、制作加工技术、信息技术都集于一家,把传统工厂中原本孤立的工程设计、制造、经营与管理等过程,利用计算机技术,来形成一个覆盖企业的有机系统。能满足多品种、批量小的生产需求,并且能迅速扩大生产量,产来那个与质量都极大提
柔性制造的发展趋势
经过几十年的努力和实践,柔性制造技术已日臻完善,进入了实用化阶段,并已形成高科技产业。随着科学技术的飞跃进步以及生产组织与管理方式的不断更换,柔性制造系统作为一种生产手段也将不断适应新的需求、不断引入新的技术、不断向更高层次发展。
向小型化、单元化方向发展
早期的柔性制造系统强调规模,但由此产生了成本高、技术难度大、系统复杂、可靠性不好、不利于迅速推广的弱点。自90年代开始,为了让更多的中小企业采用柔性制造技术,柔性制造系统由大型复杂系统,向经济、可靠、易管理、灵活性好的小型化、单元化,即向FMC或FMM方向发展,FMC、FMM的出现得到了用户的广泛认可。
向模块化、集成化方向发展
为有利于柔性制造系统的制造厂家组织生产、减低成本,也有利于用户按需、分期、有选择性地购置系统中的设备,并逐步扩展和集成为功能更强大的系统,柔性制造系统的软、硬件都向模块化方向发展。以模块化结构(比如将FMC、FMM作为柔性制造系统加工系统的基本模块)集成柔性制造系统、再以柔性制造系统
作为制造自动化基本模块集成CIMS是一种基本趋势。
单项技术性能与系统性能不断提高
单项技术性能与系统性能不断提高,例如采用各种新技术,提高机床的加工精度、加工效率;综合利用先进的检测手段、网络、数据库和人工智能技术,提高柔性制造系统各单元及系统的自我诊断、自我排错、自我修复、自我积累、自我学习能力。
重视人的因素
重视人的因素,完善适应先进制造系统的组织管理体系,将人与柔性制造系统以及非柔性制造系统生产设备集成为企业综合生产系统,实现人-技术-组织的兼容和人机一体化。
应用范围逐步扩大
应用范围逐步扩大,如金属切削柔性制造系统的批量适应范围和品种适应范围正逐步扩大,例如向适合于单件生产的柔性制造系统扩展和向适合于大批量生产的柔性制造系统(即FML)扩展。另一方面,柔性制造系统由最初的金属切削加工向金属热加工、装配等整个机械制造范围发展,并迅速向电子、食品、药品、化工等各行业渗透。
结论
当今,“柔性”“敏捷”“智能”和“集成”乃是制造设备和系统的主要发展趋势,柔性制造系统已成为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技。柔性制造技术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。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货单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。它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。