柔性制造技术及其发展

柔性制造技术及其发展

近30年来，在制造自动化技术领域，以柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell, FMC)和柔性制造系统(Flexible Manufacturing System, FMS)为代表的柔性制造技术(Flexible Manufacturing Technology, FMT)得到了快速发展和应用，用以实现高柔性、高生产率、高质量、低成本的产品制造，使企业生产

经营能力整体优化，适应产品更新和市场快速变化，保持企业在国内外市场上的竞争优势。

1 柔性制造技术(FTM)概念

在制造业领域中，FMT概念的提出和实现，其技术观点的变化、发展和进步是近二三十年间人类生活的现实社会产品制造业发展、进步的实际需求推动的结果。在现实社会中，人们通常将用以生产产品的制造系统根据其一次投产的数量而分为大量、批量和单件生产3种类型。制造系统设计师们经过长期艰苦努力，开发、设计、制造出与之相适应的制造系统，以满足社会化产品生产的需求。

用于大量生产的制造系统的特点在于其“刚性自动化”(Rigid Automation)，或者说具有一种不能变化的自动化，加工设备有明显的专用性特征。传统的自动生产线就是这种类型制造系统的典型例子。自动生产线是一种仅适合于单一品种产品大量生产的制造系统，一旦产品零件设计改变，生产线将不适应，必须进行改造，甚至整条生产线必须推倒重建，表现出极低的柔性。

用于批量生产(典型每批10～10000件)的制造系统，其加工设备通常比大量生产时具有更强的通用性，同时必须有能力用各种不同的工具、不同的方法进行适当调整，以便于生产不同产品的一定范围内的多种不同零件。

某些产品和零件市场需求量很小，适合用单件加工方法生产。对单件产品生产来说，采用专用的工、夹、量具显然是不经济的，通常应采用通用加工设备和工装，配合一定量的手工加工。因此，单件产品生产的费用较高，但它却能满足市场某些少数、愿付出更多费用的顾客的需求。图1所示是这3类制造系统产品品种、设备专用程度和产量间的一般关系［1］。

图1 典型的产品品种、设备专用程度与产量间的关系

Fig.1 Typical relationships between product variety,

speciality of the equipment and the output of product 近20年来，世界市场情况发生了极大变化，从相对稳定型转向动态多变型，市场的需求和企业产品特点表现为：

(1)市场的竞争日益激烈。一个企业产品市场的占有率已成为判断该企业是否具有竞争力的最重要标志。为及时占有市场，要求企业产品制造周期日益缩短。

(2)市场需求的多变性和不可预测性。传统的制造业靠以市场预测和订单为基础组织企业进行大规模生产的方式越来越不能适应多变和不可预测的市场需

求。

(3)产品生命周期日益缩短。现今市场需求通常要求产品每三五年甚至更短时间就改变产品设计，这要求企业具有应付产品快速变革以及时响应市场需求变化的能力。

(4)产品需求趋于顾客化。产品需求的顾客化促进了市场从卖方市场转向买方市场。只有满足不同顾客的需求才能保持高的市场占有率。同时，产品需求趋于顾客化的市场特点导致企业产品生产日趋个性化批量生产。

显然，在这种动态竞争全球化的市场环境中，企业面临的形势是十分严峻的，企业生存和可持续发展已成为必须首先考虑的问题。传统的高生产率、低柔性大产量制造系统已不能适应这种多变市场的实际需求。这将迫使工业界努力寻找一种具有高柔性、高生产率、高质量和低成本的产品零件加工制造系统。FMS就是在这种新市场需求推动下产生的，以期用最短的生产周期对市场需求变化作出响应，并使包括厂房、设备及人力在内的资源得到最有效的利用，以达到使企业生产经营能力整体优化的目的。

从某种意义上讲，手工作坊式生产具有最高的“柔性”单项指标。随着自动化水平的提高，生产率和设备专用性提高而柔性却降低。传统NC，CNC机床适用于多品种基本单件产品生产应用，具有高的柔性和低的生产率。柔性加工中心机床适合于中等品种、小批量零件制造，具有较高的柔性和生产率。以托盘化CNC 加工中心机床为核心设备，采用单元化结构设计的FMC设备以及FMS适合于中少品种、中小批量产品的生产。FMC设备若加以扩展(增加托盘和机床数量)，便可实现中高批量产品的生产。如将柔性加工中心机床或FMC技术应用于传统自动生产线上，则可构成柔性自动生产线(Flexible Transfer Line, FTL)实现中少品种大批量产品的生产。FTL适合于2～10多个品种，生产率达5000～200000件/年的生产规模。FMS适用于多品种(10～50个品种)、中少批量(1000～30000件/年)生产规模应用。在20世纪由享利.福特首先在汽车工业中应用的加工生产线以及至今仍有应用的自动生产线(Transfer Line, TL)则是具有高生产效率、适用于大量生产的制造系统。如果用FMC来构成FTL，则其生产率能与TL相当，甚至可高过刚性自动生产线的水平［6］。FTL在柔性方面虽不及FMS高，然而其生产率却远远高于后者，是大批量生产的最佳模式。图2所示是柔性制造设备或系统的适用范围［2］，该图与上文列出的数据引自不同的文献，存在较大的差别，供读者参阅。

图2 柔性制造设备或系统的适用范围

Fig.2 Scope of application for flexible

manufacturing equipment or system

FMT所采用的一些原理和技术途径已完全不同于传统的制造系统，它包含有非常革命的制造哲理和技术观念。FMS系统并非如图1所示的3类制造系统意义上的某1类系统，而是能够覆盖这3类制造系统基本原理和概念的一种制造系统。实际上，目前FMS系统已被应用于产品的大量生产、成批生产和按次序的单件生产中，因而柔性制造设备或系统正成为制造业领域中极为重要的主力制造设备。

2 柔性制造系统(FMS)的概念和特征

FMS至今仍未有统一、明确、公认的定义，不同的国家、企业、学者和用户往往各有各的说法，所强调的关键特征也各有差异。所以，确切地定义FMS要比具体地描述一个FMS困难得多。

美国国家标准局定义FMS为：由一个传输系统联接起来的一些设备(通常是具有自动换刀装置的加工中心机床)组成，传输装置把工件放在托盘或其他联接装置上送到各加工设备，加工设备和传输系统在中央计算机控制下，使工件加工准确、迅速和自动化。柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。

日本国际贸易与工业部定义FMS为：由2台或更多NC机床组成的系统，这些机床与自动物料管理设备一一连接，在计算机或类似设备控制下完成自动加工或处理操作，从而可加工多个不同形状和尺寸的工件。

中国机械部北京机械工业自动化研究所1993年编写的《制造自动化术语汇编》中，定义FMS为：将自动化生产系统从少品种大批量生产型转向多品种生产型的柔性化系统。FMS包括：(1)机械加工中心等加工作业机床；(2)加工对象的辅助作业工业机器人和托盘；(3)加工对象的搬运作业工业机器人/传送带/无人搬运车；(4)存贮工件的自动仓库；(5)上述作业用的各种自动设备的管理和控制用计算机。

还可以列举出若干有关FMS的不同定义。但是，不管怎样，对于一个制造系统而言，如果它是柔性的，就应具备如下特点：

(1)有能力通过重新编制机床操作程序就能加工多种不同零件；

(2)有能力在已有的机床上提供零件加工所需求的全部工具；

(3)有能力实现工件在不同机床间的传递，并实现工件的自动加卸载。

显然，根据上述的FMS系统所应具备的基本特征，可以认为，FMS应包含2台以上具有自动刀具交换和自动工件托盘交换装置的数控机床，以加工中心为核心设备，配有自动物料传递和管理系统，如有轨运输小车或自动导引运输小车，并在中央计算机统一控制和管理下，能动态地平衡资源的有效利用，具有生产调度和对加工过程的实时监控能力，可动态地实现多种零件族的自动加工。

3 FMS的“柔性”

FMS必须以柔性制造设备如托盘化CNC加工中心机床为基础，而不能由没有固有柔性(Flexibility)的设备如专用机床来构成。在一个柔性制造设备或系统建成后，运行起来所能达到的柔性不仅取决于制造设备或系统固有的柔性，而且还取决于用户企业的制造能力、管理经验、企业文化和为满足市场需求所采取的制造策略等因素，或者说一个柔性制造设备或系统还存在有一种通过用户方可实现的柔性。因而，对于某个确定的柔性制造设备或系统来说，其柔性是由其固有柔性和可实现柔性两大部分组成的。