大批量生产制造系统的柔性化

作者：上海柴油机股份有限公司 肖卫华 袁海群

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 从技术层面来讲，加速推进以数控技术为核心的高效柔性制造技术将是解决机床制造业持续发展的关键。本文介绍了柔性技术的发展过程、现阶段柔性技术的应用以及覆盖到大批量生产领域的发展趋势，并从柔性生产系统的角度阐述了在大批量生产中柔性化应用的特点、优势及技术成熟度。 柔性制造技术的发展 柔性制造技术的提出已经有20多年了，其内涵越来越丰富，应用范围已从原来的多品种、小批量生产领域发展到有约束的品种、可大批量生产的领域。在技术上，揉合了诸如精益生产(LP)、敏捷制造(AMS)、重构生产系统(RMS)等先进的制造模式，并已成为这些先进制造模式的一个重要基础。柔性制造技术的概念已不再是单纯的制造技术，而在更广泛意义上是先进生产制造系统模式的技术组成环节。 以前，由于理念的差异，同时考虑到人们对一些新技术内涵的认识水平，为避开大批量制造系统的柔性化与常规定义的柔性制造系统(如FMS)的冲突，我们往往将这类生产线规划在另一个范畴里，称为“可调生产线或系统”。这种划分约束了一些先进技术的应用，大大影响了生产系统的技术进步。随着人们对柔性化技术的认识和其内涵的不断发展，这种具有不同生产模式柔性特点的大批量生产线或系统已成为柔性生产系统中一种最重要的形式。 柔性生产系统的常规形式 柔性生产系统(FPS)。其原始形式是以通用机床按机群方式布置来进行生产，辅以成组技术规划，这种人工化的生产具有最大的柔性化程度。 柔性制造系统(FMS)。FMS以数控设备(NC)、加工中心(MC)、柔性单元(FMC)和柔性生产系统为基本配置，通过自动化物流储运系统组成。柔性是这种制造系统的最大特点，它能满足一组(根据零件不同的复杂程度和大小，可适应十几个到上百个品种)相似零件的混流生产，生产规模理论上可由单件到几千件。这种制造系统投资非常巨大，技术也相当复杂。值得注意的是，我国在纺织机械行业和机床行业曾经引进过多条FMS，却基本上没有真正地充分利用过。 柔性自动线(FTL)。FTL是FMS为了适应高生产率，在合理配置柔性系统后而发展和变异出来的一种生产线，是柔性技术向大批量生产发展的一种趋势。通常，FTL是由一些具有一定柔性的设备按一定的工艺流程排列，由工件自动输送系统连接起来，能依次轮番加工几种不同产品的自动线。由于这种制造系统形式在发展的初期受到设备、刀具及辅助技术等方面的限制，其柔性的自动化能力相对较弱，在技术上更接近于刚性自动线，所以人们一般称其为“可调生产线或系统”。 柔性加工线(FML)。随着设备、刀具及各种辅助技术的发展，柔性加工技术在大批量生产中的应用趋于成熟，FML线就是这种成熟意义上的适用于大批量、少品种柔性加工概念的一种制造手段。FML一般由常规的加工中心组成(按需要可以增加其功能)，配合高速运行的输送机械手直接进行机床的上下料作业。 与FMS相比，FML具有如下特点： 改变了由托板－夹具输送工件的方式，使原工件上下夹具的手动作业变成了自动作业，提高了生产线的自动化能力，这是大批量生产的必然要求。 由于输送机械手的作业方式是并行作业，所以它具有与FMS的AGV输送小车相同的功能，能够灵活地对生产线内不同产品或工序进行调动安排，从这个意义上讲，两者的柔性度相仿。 FML出于大批量生产的要求，生产系统(线)的组织是以典型工序为流程进行布局，因此，单一系统(线)的规模可以比较大，且扩展更方便。 从对控制技术的要求来看，FMS与FML有着基本相同的要求和功能，它们的区别仅仅在于：FMS加工品种更多而对生产实时调度和优化管理的要求更高。 由于在FML中工件直接由机械手上下机床的夹具进行装卡，所以当机床安装的夹具不能满足工件变化的装夹要求时，需手动调换不同零件的托板(带夹具)。与FMS相比，由于FML是以托板储存方式进行工件的上下机床，所以它对工件的变化是在线外的，这就是柔性的差异。 由此可见，FML在其规划范围内的柔性定义和能力更接近于FMS，同时又具有FTL的高效生产率。目前，FML应用于汽车和发动机制造行业已经成为一种趋势。 柔性化在大批量生产中的应用特点 随着制造业各种技术的不断发展，生产方式和制造理念也在不断地创新。过去的基于品种经济、单纯为解决品种和小批量制造之间的矛盾而创造的柔性制造技术已经从概念上扩展到可应用于规模经济的各种制造模式和不同生产规模的生产系统中，并被赋予了更多的市场与生产、投资与成本、运行与效率等要素。 从20世纪90年代初期开始，在很多大批量生产的制造领域，尤其是在汽车发动机制造项目的设计上，几乎都可看到柔性化技术，其中最典型的是FML或由FML组成的生产系统。 目前，在国内外大批量生产线或系统中，人们不再盲目追求现行规划的生产线加工品种的柔性能力，而是要求将品种约束在一定的经济范围内，品种的变化是可预测的。而生产线或系统对产品变化的适应能力，应该从更大范围内在技术层面上加以考虑，即生产线或系统的可重构能力，它不但分阶段地解决了品种生产的问题，而且还延长了生产线或系统的生命周期，所以在大批量的生产制造线或系统中更应该重视如下几个方面： 生产线各工序间的柔性； 生产线运行的作业柔性； 生产系统冗余度的柔性 产品周期后生产系统重构的柔性。 大批量生产中的柔性技术 切削和刀具技术的发展切削和刀具技术是制造业中发展最快的技术之一，由其发展而带动的设备的革命奠定了各种生产制造模式创新的基础。 近十几年来，随着各种材料和涂层技术的发展，刀具的切削速度有了极大提高，如上海通用汽车在铸铁机体顶面的精铣加工中，切削速度已达2000m/min。切削速度进入高速范畴后，不但提高了加工效率，而且所有的切削条件都将得到改善，使加工质量和刀具耐用度有了较大的提高，降低了功率的消耗。为满足高速切削的需要，刀具系统必须相应地向前发展，如：HSK、FM、CAPTO、WSU等先进的刀具连接系统的出现，使刀具的安装精度几乎提高了1倍以上(径向重复定位精度提高了1倍，轴向定位精度提高了约400倍)，刚度也提高了30%以上，同时，这些新型的刀具连接系统几乎不受机床主轴安装孔制造误差的影响。 随着刀具切削的高速化以及新型刀具的不断推出等，生产效率得到了极大的提高。有资料显示，占产品生产成本3%～6%的刀具新技术的投入将会使生产效率提高15%～30%。与此同时，刀具技术的发展也促进了设备技术的发展。 柔性设备技术的发展 随着切削技术和控制技术的发展，各种机械加工设备取得了很大进步，尤其是加工中心，发生了革命性的变化，如高速加工中心、并联机床等，与一般的数控机床和加工中心相比，在内涵上已发生了质的变化，被称为“下一代机床”。 柔性设备技术发展的一个显著特点是高速化。对于加工中心、车削中心和加工单元等柔性设备，高速化的衡量指标有两个：主轴的高转速，一般定义在10000r/min以上；高运动速度，一般要求坐标运动速度在60m/min，加速度在1g以上。由于高速技术的快速发展和成熟，对常规柔性设备性能的提高有非常大的促进，现在比较优秀的常规加工中心的转速配置为6000r/min，坐标运动速度和加速度都分别在40m/min和0.4g以上。这些指标非常适合于目前的刀具技术对铸铁零件和铝合金零件的加工，同时大大降低了非加工的辅助时间。据初步分析计算，用一般的加工中心在钻、攻、铰类的孔系加工中，非加工的辅助时间占加工运行时间的50%以上(与有关资料相吻合)。如用比较优秀的加工中心，在同样的切削参数条件下，辅助时间可以节省30%以上。由于充分利用了高速切削技术和高速运动的机床，使单轴的柔性化设备有条件应用于大批量生产中。 柔性设备技术发展的另一个显著特点是可重构性。加工中心作为一个完整的加工体，其可重构性是不言而喻的。随着大批量生产线(自动线)的柔性要求日益提高，产生了加工单元(或称为在线式加工中心)，它可以方便地作为一个加工工位串在生产线或自动线中使用。由于这种机床仅以切削运动独立配置成一个加工单元，其加工方式又类似于加工中心，所以只要简单地将为某个制造要求配置的台面、夹具及其他的辅助部分分离，其独立配置的一个加工单元就可以比较快地重新组合成新的加工设备或工位。随着重构内涵的扩大，出现了像并联机床那样的部件重构概念，当然，并联机床的市场化还需要一段时间。由于加工中心和加工单元的可重构性，这类机床有较长的使用周期，即设备在产品周期外的残余价值较高，更重要的是可再利用价值非常高。 集散型控制技术的发展 集散型控制主要体现在操作、监视和管理的集中和行为单元的控制分散方面。集散型控制技术的发展促进了单体控制技术与网络技术的合成。网络技术的发展使基于单体的数控系统功能向生产线工作站、生产线系统乃至车间级生产系统进行发散成为可能。由于这种发散或开放性，使得管理层可以自上而下地集成各单机、单元的数据和信息，组成系统的、完整的信息流。 在分散型控制的状态下，以加工单机型工位为独立对象，基本网络有两层：1. 加工单机或加工工位级的行为通讯采用Profibus网络；2. 生产线或生产系统(包括单机)的管理信息通讯采用Ethernet以太网络。有了这样的基础，从网络概念上来看，工厂在生产制造过程中可形成：1. 基于加工制造现场(如生产线、生产单元控制级)的现场网络；2. 基于一个部门(如工段或车间信息管理级)的单元网络；3. 基于一个分厂或公司的数据集成级的区域网络。 这些网络功能的形成，极大地丰富了柔性生产制造系统(线)的内涵，提高了生产系统运行的效率和质量。换言之：像柔性生产制造这样的自动化系统必须在信息集成的环境中才能发挥更大的作用。一般网络具有如下几个方面的管理功能： 数据管理 自动或手动获取机床的运行时间、故障、报警等信息； 备份、压缩和归档机床的各种数据； 生产运行数据的归档。 机床状态评估 单机状态评估：故障原因分析、单台机床利用率分析； 成组机床或生产线评估：成组机床状态分析、利用率分析。 刀具数据信息和管理 刀具需求分析：总需求量、根据各机床加工内容分析刀库量； 刀具计划：装载和卸装刀具的清单、准备刀具的信息、刀具的处理信息； 刀具数据：刀具数据的信息通讯。 NC程序管理 NC程序数据的传送； NC程序数据的存档； PLC数据的备份与传送。 设备的维护管理 机床维护计划的执行提示； 维护工作的技术支持，如维护资料的信息、现场图纸等； 记录维护工作的完成情况。 生产数据管理 设备加工数据的统计； 设备故障诊断数据与统计； 故障分析改进处理和服务； 用户输入故障处理、改进的信息。 远程诊断 远程监控、诊断与控制； 文件传送； 对话。 制造系统组织重构的要求 制造系统组织的重构可分为静态重构和动态重构。静态重构对应产品的变化，当一个生产制造系统的制造任务发生变化后，即加工的产品改变了，生产制造系统就应该进行静态重构；动态重构对应产品改进和生产需求发生变化而进行的生产制造系统资源的变化。由此可见，不可预测的、持续变化的制造环境是要求生产制造系统具备可重构的根本因素。柔性生产制造系统正是由于系统结构和组成系统设备的特点，已具备了静态和动态重构的双重条件。 生产制造系统的可重构性能力对生产制造资源的经济使用有着极其重要的意义，如上图所示：第一种产品以100%的投资形成生产资源，到第2阶段，资源的残余价值为50%，随着产品的改进和生产的需求，在2～3阶段再进行15%的投入，对生产系统进行动态重构，到第4阶段，资源的残余价值又下降至40%，随着产品的改变，在生产规模不变的条件下，于第4阶段再投入30%对生产系统进行静态重构。随后的第二种产品如同第一种产品，在生产过程中进行动态重构。 (end)

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