面向二十一世纪的柔性制造系统

作者：陆军航空兵学院 李卫京

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 摘要：通过分析柔性制造系统的关键技术及其进一步的发展研究方向，展望了21世纪柔性制造系统的发展趋势，进而阐述了在新的世纪里柔性制造系统在先进制造业中的重要作用及其发展的深远意义。 关键词：柔性制造系统；计算机集成制造；计算机辅助设计 0　引言 柔性制造系统(FMS)是指具有高自动化程度的制造系统，目前所谈及的柔性制造系统通常是指在批量切削加工中以先进的自动化和高水平的柔性为目标的制造系统。随着社会对产品多样化、低制造成本及短制造周期等需求日趋迫切，FMS发展颇为迅速。并且微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展也促使柔性制造技术日趋成熟。20世纪80年代后，制造业自动化进入基于计算机的集成制造(CIMS)时代，FMS已成为各国机械制造自动化的发展重点。 1　21世纪FMS的关键技术 1.1　集成化技术 过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的，现在更强调技术、人和管理的集成。在开发制造系统时强调“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成，这更适合未来制造系统的需求。 1.2　网络技术 网络技术包括硬件与软件的实现。各种通讯协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等是实现各种制造系统自动化的基础。 1.3　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。 1.4　人工智能及专家系统技术 迄今为止，FMS中所采用的人工智能大多数是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FMS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技术必将在FMS中起着关键性的作用。 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，在受到外界或内部刺激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。故IMT被称为未来21世纪的制造技术。 对未来智能化FMS具有重要意义的另一个正在急速发展的领域是智能传感器技术，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。 1.5　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平行处理的一种方法。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，神经网络不久将平行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。 1.6　虚拟现实与多媒体技术 虚拟现实(VR)是人造的计算机环境，使处在这种环境中的人有身临其境的感觉，并强调人的操作与介入。VR技术在21世纪制造业中将有广泛的应用，它可以用于培训、制造系统仿真、实现基于制造仿真的设计与制造和集成设计与制造、实现集成人的设计等。多媒体介质采用多种介质来储存、处理多种信息，融文字、语音、图象、动画于一体，给人一种真实感。 1.7　计算机辅助设计 未来计算机辅助设计(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型技术，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，仅需要确定数据，数小时内便可制出精确的原形。利用这项技术可加快开发新产品和研制新结构的速度。 2　柔性制造技术的研究向着深度和广度发展 2.1　控制技术发展迅速 单元控制系统是FMS的大脑及神经中枢，随着计算机技术的进一步发展以及人工智能技术的发展与应用，FMS控制技术无论是软件还是硬件均有突飞猛进的发展。主要表现在以下几个方面： 1不断推出新型控制软件。随着FMS的发展，特别是CIMS的发展，单元控制软件发展很快，无论是制造商还是应用商都在不断推出或引进新的单元控制软件。 2控制软件的模块化、标准化。为了便于对柔性制造控制软件进行修改、扩展或集成，控制软件模块化、标准化已成为FMS控制系统的主要发展趋势。 3迅速发展新型软件。软件开发已成为控制系统发展的瓶颈，因此一些软件公司不断推出一些称之为“平台”的支持开发工具，帮助用户来完成自己的工程项目设计和实施。 4积极引入设计新方法。为提高控制系统的正确性和有效性，人们在不断开发新型控制软件，发展软件开发工具的同时，还积极引入设计新方法。例如面向对象方法。 5发展新型控制体系结构。FMS控制系统的体系结构早期参考传统的生产管理方式，采用集中式分级递阶控制体系结构，这种结构控制功能的实现比较困难，顶层控制系统出现故障时FMS将全部瘫痪。随后出现的多级分布控制体系结构虽然易于实现各种控制功能，可靠性也比较高，但由于控制层数比较多，工作效率和灵敏性则相对比较差。所以又发展出非递阶或自制协商式控制体系结构，这种控制结构虽然还是采用分布控制，但响应速度快、柔性好，更适合于开始先安装一个或几个小型的易于管理的柔性制造单元，然后再集成单元之间的信息流和物料流的分布实施方法。 6大力开发应用人工智能技术。单元控制系统功能的增强除了本身控制技术的发展外，还有一个重要原因就是人工智能(AI)的专家系统在控制、检测、监控和仿真等单元控制技术中的广泛应用。 2.2　FMS物流系统性能更趋于完善 FMS虽然具有自动化程度高和运行效率高等特点，但由于其不仅注重信息流的集成，也特别强调物料流的集成与自动化，所以物流自动化设备投资在整个FMS的投资中占有相当大的比重，且FMS的运行可靠性在很大程度上依赖于物流自动化设备的正常运行，因此FMS也具有投资大、见效慢和可靠性比较差等不足。21世纪FMS物流系统性能提高主要体现在构成FMS的各项技术，如加工、运贮等技术的迅速发展。 随着各类先进加工技术的相继问世，从而导致FMS系统性能的提高是不言而喻的。如瑞士的一家工业公司采用了由激光加工中心及CNC自动车床和自动磨床组成的柔性制造单元，该单元由于改用激光加工中心来代替原来的铣床，生产率提高了很多倍，而且产品精度高、质量好。 运贮技术的高低直接关系到FMS运贮系统的优劣，影响着系统物料流的畅通以及系统的生产率和生产周期等性能，因而人们将更为重视运贮技术的研究、开发和利用。这一技术的提高和发展主要表现在自动制导车(AGV)和自动存储/提取(AS/RS)系统的发展。随着通信技术的发展，AGV控制能力以及AGV自身诊断能力将会有大幅度的提高，从而AGV传输方式将成为传输物料更可靠的方法。 另外，由于准时制造技术(JIT)的发展与应用，AS/RS趋于小型化或微型化。在21世纪，该技术必将在提高存取速度、减小允许偏差、采用更先进的控制技术和系统内外检索装置等方面取得长足进展，从而大大提高FMS的生产率和设备利用率。 3　21世纪FMS的发展趋势 3.1　柔性制造单元(FMC)将成为发展和应用的热门技术 因为FMC的投资比FMS少的多而经济效益相接近，故FMC更适用于财力有限的中小型企业，目前国外众多厂家将FMC列为发展之重点。 3.2　发展效率更高的柔性制造线(FML) 少品种大批量的生产企业如汽车、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。 3.3　FMS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功能FMS。 4　发展FMS的深远意义 FMS是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势、决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。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在21世纪将会实现。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至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。 20世纪80年代中期以来，FMS获得迅猛发展，几乎成了生产自动化之热点。一方面是由于单项技术如加工中心(NC)、工业机器人、CAD/CAM、资源管理及调度技术等的发展提供了可供集成一个整体系统的技术基础；另一方面，世界市场发生了重大变化，由过去传统的、相对稳定的市场，发展为动态多变的市场。为了从市场中求生存、求发展，提高企业对市场需求的应变能力，人们开始探索新的生产方法和经营模式。近年来，CIMS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型已为国际上所公认。可以这样认为：CIMS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系统。CIMS作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技，为未来机械制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图，将成为21世纪机械制造业的主要生产模式。 参考文献： [1]　蒋庆全.FMS的现状及发展[J].机械工业自动化，1999(1)：21-25. [2]　SMyint，MTTabucanon. Amultiple-criteria approach to machine selection for flexible manufacture systems [J]. Int.J. of Production Economics， 1994， 33： 121-131. [3]　MCantamessa.The manufacturing system asacomplex artifact[J].Robotics and Computer Integrated Manufacturing，1998，14：403-414.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/4/2005)