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柔性制造系统

摘要

激烈的市场竞争促使企业产品的生产向多品种，中、小批量的生产类型过渡，为了应对这种新的竞争环境，柔性制造系统应运而生。

在柔性制造系统中，集成化技术、网络技术、人工智能等几个关键技术对于柔性制造系统提高效率，降低成本以及形成更深层次的柔性化和自动化都非常有意义。

本文对柔性制造系统的国内外研究现状、定义、分类等作简要介绍，通过分析柔性制造系统的关键技术及其优缺点，对新世纪柔性制造系统的发展趋势进行展望；分析了该系统的成本分类方法，建立了经济评价的净现值指标评价模型，并建立了相应的生产特征线性规划的评价模型；最后对柔性制造系统的重要组成部分自动化立体仓库的结构及原理做了简要分析。

关键词：

柔性制造系统；关键技术；经济评价；立体仓库

FlexibleManufacturingSystem

Abstract：

Intoday’sindustrialworld,multi-varietyandsmall-batchproductionstyleisplayingadominantroleduetotheintensecompetitivemarketenvironment.Inordertofollowthisnewtrendofproductionstyle,FlexibleManufacturingSystem（FMS）cameintobeing.TomakeFMSperformbetter,muchofresearchworkhasbeendoneandlotsofnewtechnologieshavebeenstudied.Amongallthesetechnologies,integratedtechnology,thenetworktechnology,aswellasartificialintelligencearekeytechnologiesforFMStoimproveefficiencyandreducecosts.

Inthispaper,theresearchstatusofflexiblemanufacturingsystem,abriefintroductionofthedefinition,classificationandsoon,throughtheanalysisofthekeytechnologiesofflexiblemanufacturingsystemanditsadvantagesanddisadvantages,thepaperpointsoutthedevelopmenttrendofflexiblemanufacturingsysteminthenewcentury;Costclassificationmethodofthesystemareanalyzed,amodelofevaluatingtheeconomicevaluationofthenetpresentvalueandestablishthecorrespondingproductioncharacteristicsevaluationmodeloflinearprogramming;Finally,Ontheimportantpartoftheflexiblemanufacturingsystemofthestructureandprincipleoftheautomationstereoscopicwarehousemadeabriefanalysis.

Keywords：

FlexibleManufacturingSystem;Keytechnology;Economicevaluation;Stereoscopicwarehouse

目录

摘要I

AbstractII

1柔性制造系统1

1.1柔性制造系统的提出及背景1

1.2国内外柔性制造技术的发展现状及趋势2

1.3柔性制造系统的定义、组成部分及分类3

1.3.1柔性制造系统的定义3

1.3.2柔性制造系统的组成部分4

1.3.3柔性制造系统的分类5

2柔性制造系统的优缺点及关键技术6

2.1柔性制造系统的优缺点6

2.2柔性制造系统的关键技术6

3柔性制造系统的经济评价8

3.1柔性制造系统的评价要求8

3.2柔性制造系统的成本分析9

3.3柔性制造系统的经济评价模式9

4基于柔性制造系统自动立体仓库的工作原理11

4.1立体仓库的结构11

4.2立体仓库的工作原理11

参考文献12

1柔性制造系统

1.1柔性制造系统的提出及背景

近年来我国制造业中的不少国有大中型企业出现亏损，究其原因，除了体制方面的原因之外，在一定程度上源于我国企业落后的制造方式。

所以，制造业中应该采用先进制造技术以增强企业的竞争力。

在科学技术日益发展的今天，产品寿命周期越来越短，产品品种日益增加并不断更新，市场需求不但向多样化发展,而且需求的内容也在加速变化。

在这种经营环境下，如何“将社会和市场所需的一定质量产品，在要求的期限内按需求量及时而又经济地生产出来”就成为制造业所面临的最紧迫的课题之一。

1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。

其主要设备室六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未完全建成。

同年，美国的怀特森斯特兰公司建成OmnilineI系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。

这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。

日本、前苏联、德国等也都在60年代末至70年代初，先后开展了FMS的研制工作。

1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元（简称FMC），为发展FMS提供了重要的设备形式。

柔性制造单元（FMC）一般由1—2台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适用于多品种小批量生产应用。

70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期已进入实用阶段，其中以由3—5台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入实用。

1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续运转24小时。

这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。

与此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。

所以，柔性制造系统（FMS）不失为适应这种多变的市场环境的一种良好手段，其作为一种先进的制造技术正在被越来越多的企业所采用，并且已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。

1.2国内外柔性制造技术的发展现状及趋势

美国的一个企业表示，它从柔性制造系统中得到的最大好处就是该种系统能很好地适应变化的环境。

Allen-Bradley公司使用了一套由50台机器组成的柔性制造系统就能生产各种系列的电机起动器，该公司期望在柔性制造系统方面投资1500万美元以成为世界上该产品最低成本的制造商，并实现占世界该产品市场份额30%的目标，Hughes飞机制造公司加里福尼亚分厂的柔性制造系统使用了九个计算机站、一个坐标测量机、一个拖动输送设备系统、一个监控计算机来控制25个加工中心。

该柔性制造系统的建造仅花费了相当于原生产系统75%的投资，而只需原来13%的劳动力、10%的制造时间便可完成所需的产量。

Vought公司投资于柔性制造系统1000万美元，期望在7000小时内节省2500万美元的制造成本，而采用常规的制造方法,则需要20万小时。

通用电气公司在宾夕法尼亚州的Erie机车工厂中安装了一套柔性制造系统，从而把各种吨位发动机外壳件的加工时间从16天缩短至16小时，并提高了设计一的柔性。

佛罗伦萨KelltuCky公司的Marzak工厂使用一套柔性制造系统只需两个操作者就能生产180种不同的零件，大到3吨重，小到几公斤，期望机床交货期能缩至30天，而通常需要6个月以上。

美国Reminton的ParkerHannifin公司、Chrysler（克莱斯勒）公司和CMR机器人公司对他们自己的柔性制造系统的收益作了如下报告：

（1）在制品降低了40%一80%；

（2）废品减少了5%一73%；

（3）提前期从10周减少到一周；

（4）需要的车间场地空间减少了75%。

尽管有关这些柔性制造系统的报告显示柔性制造系统给企业带来了巨大的收益，但并不是所有的柔性制造系统的安装都象报告中的那样完美无缺，即使是那些自认为是成功的企业也没有完全实现柔性制造系统潜在的功能Dilworth和Mealister两地柔性制造系统的20个用户发现，他们中的大部分企业没有实现柔性制造系统的所有功能。

对他们来说，投资于柔性制造系统的资金远远超过从柔性制造系统中获得的收益。

美国的Jaku-mar在有关日美柔性制造系统的研究报告中指出：

“除了极个别之外，在美国安装的柔性制造系统都令人吃惊地缺乏柔性，在许多企业中，柔性制造系统表现的甚至比常规的设备还差。

”

与日本的柔性制造系统相比，美国制造商没有实现可获得的收益。

在1984年，美国的柔性制造系统平均制造的零件数量是10件，而日本是93件。

美国的柔性制造系统每引进一个零件，日本的柔性制造系统要引进22件。

美国的柔性制造系统设备的平均利用率为52%，而日本的则为84%。

美国的柔性制造系统平均加工10种类型的零件，而日本的柔性制造系统平均加工93种类型的零件。

这个统计指出了美日两国的柔性制造系统在利用效益方面的差异，显然美国用户企图利用柔性制造系统来进行少数零件的大批量生产，而不是进行多种零件的多系列生产来降低单位产品的成本。

另外，美日企业在实施柔性制造系统过程中，在实施战略、人员组织、技术能力和管理能力等方面也存在较大的差异。

我国在柔性制造系统方面的研究较国外来说起步较晚，人力、设备投入量远不及国外。

我国第一套FMS系统是由北京机床研究所于1985年十月开发的用于加工数控机床直流伺服电机中的主轴、端盖、法兰盘和壳体的JCS-FMS-1。

1985年后，国家机电部“七五”重点科技攻关项目的支持和国家863发展计划自动化领域的工作带动下，FMS得到了极大重视和发展，进入自行开发和国外进口的交叉阶段。

柔性制造系统未来的发展趋势体现在以下几点：

（1）计算机广泛用于工艺控制；

（2）在制造中广泛使用管理信息系统和通讯系统；

（3）用于生产设备的计算机自动编程加工路线的开发；

（4）数据输人技术和人机界面的改进；

（5）机器故障分析和诊断系统的改进；

（6）图象系统和其他非控制检测技术的广泛应用。

1.3柔性制造系统的定义、组成部分及分类

1.3.1柔性制造系统的定义

柔性制造系统是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量生产。

“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，只能完成一种产品的加工与组建。

“柔性”可以表述为两个方面。

第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；第二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。

FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产（即具有“柔性”），并能及时地改变产品以满足市场需求。

FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。

柔性制造系统以计算机为核心进行系统管理，用无人搬运车进行工件传送，用数控技术实现自动化加工，用机器人进行自动装卸，并具有监视切削状态和精度、诊断和复原等功能，还能在一定范围内完成一种零件加工到另一种零件加工的自动转换。

1.3.2柔性制造系统的组成部分

一般情况下，FMS应由以下部分组成：

（1）硬件组成（如图1）：

两台以上的数控机床或加工中心以及其他加工设备；一套能自动装卸的运输系统。

具体结构可采用传输带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘站等；一套计算机控制系统及信息通信网络。

图1FMS的组成

（二）软件组成：

包含FMS的运行控制系统，FMS的质量保证系统，FMS的数据管理和通信网络系统。

（三）FMS必须具备的功能：

能自动管理零件的生产过程，自动控制制造质量，自动进行故障诊断及处理，自动进行信息收集及传输；简单地改变软件或系统参数，便能制造出某一零件族的多种零件；物料的运输和存储必须为自动。

1.3.3柔性制造系统的分类

柔性制造系统按规模大小可分为如下4类：

1.柔性制造单元（FMC）

FMC晚于FMS系统出来6到8年，它是由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，具有适应、加工非单一产品的灵活性。

FMC可以被看作为一个规模最小的FMS，是FMS向通用化及小型化方向发展的一种生产产物，其特点是实现单机柔性化及自动化，迄今已进入各大中小型企业应用阶段。

2.柔性制造系统（FMS）

通常包括4台或更多台全自动数控机床（加工中心与车削中心等），由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在无人看管，24小时不间断工作的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。

3.柔性制造线（FML）

它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生产过程中的分散型控制系统（DCS）为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化。

其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床、专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统的柔性要求低于FMS，但生产率去较之要更高。

它是处于中小批量多品种FMS与单一或少品种大批量刚性自动线之间的生产线，其技术已日臻成熟，迄今已进入实用化阶段。

4.柔性制造工厂（FMF）

FMF是自动化生产的最高水平，反映出世界上最先进的自动化应用技术。

它是将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统（IMS）为代表。

FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。

它包括了CAD/CAM，并使计算机集成制造系统（CIMS）投入实际，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化，其特点是实现工厂柔性化及自动化。

2柔性制造系统的优缺点及关键技术

2.1柔性制造系统的优缺点

柔性制造系统一般来说具有以下优点：

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。

柔性制造系统相对于其优点来说，具有以下缺点：

1.柔性制造系统有投资高昂；

2.建设周期长。

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。

2.2柔性制造系统的关键技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

3柔性制造系统的经济评价

FMS是一项投资额较大的项目。

许多项目仓促上马后效益不高就是由于在可行性分析或是项目立项中没有正确地对FMS项目进行经济评价。

FMS项目不同于传统的工程项目，投入因素不仅有劳力、能源和材料等生产要素，还应考虑到制造业整体性能改进和收益，而这是很难量化并带有很大的主观性。

然而，对FMS项目经济评价应充分考虑产品质量改进，制造柔性提高，存贮程度减少和产品功能完善带来的效益，并且尽可能定量化其效益，从而建立实用的经济评价模型。

3.1柔性制造系统的评价要求

大批量生产的制造业追求的目标是：

零等待、零存贮、柔性设备和高度的自动化等。

在FMS的经济分析中应充分考虑这些效益。

在柔性制造系统中，主要要考虑柔性衡准和质量衡准。

企业制造系统的柔性意味着对顾客要求的快速反应的衡量。

具备这一反应的关键是生产设备适应产品数量和产品品种组合变化的能力。

确定制造的柔性有许多变量，一般应考虑：

（1）设备的柔性；

（2）过程的柔性；（3）产品的柔性；（4）需求的柔性；（5）人的柔性；（6）管理的柔性6个方面。

产品质量的重要性毋庸置疑。

日本制造业的成功便证明了这一点。

产品质量的提高不仅使企业在市场上更具竞争力，占有更大市场，取得更大利润，而且还使企业内部为维持产品质量而产生的成本减少。

这便是由于使用先进的制造系统而带来的。

维持产品质量的成本包括以下几个方面：

（1）预防成本。

与策划、执行和维持FMS的质量标准有关的费用。

（2）评估成本。

为保证材料和产品符合质量标准而发生的费用。

包括原材料检验、测试、质量检查和现场试验。

（3）内部故障成本。

当材料和产品不符合质量标准和在制造过程中发生废品损失时而产生的费用。

包括废品成本，修理成本和返工产品成本。

（4）外部故障成本。

当次品销售给顾客时发生的成本。

它包括对客户的赔偿，为维护企业信誉而发生的必要费用和次品返工费用。

（5）保障成本。

即产品在保修期或连锁销售中给予的免费服务或优惠服务。

以上与质量有关的成本有些可以从传统的会计数据中得到。

但有些成本，如：

产品服务费，废次品返工费用却无法得到。

所以，从质量衡准而言对FMS的成本进行重新分析亦是必要的。

3.2柔性制造系统的成本分析

在传统的制造系统成本会计中，总制造费用包括产品销售成本、营运费和非营运费及企业所得税等。

产品销售成本包括工厂成本、折旧费和存贮成本.工厂成本又分成直接材料费、直接劳务费和与生产有关的管理费三大部分。

存贮成本包括在制品和成品存贮成本两大类。

营运费可分解为销售费和有关的管理费用，非营运费包括利息支付和各种杂费。

许多企业很强调生产效率，它们倾向于降低成本来提高竞争地位。

实践证明这种方法虽然诱人，但在很多情况下却不尽正确。

许多企业的财务状况在生产效率有明显提高时却没有明显好转。

FMS不过分强调成本降低，它着眼于资本分配、产品优质、可靠交付、短前置期、优质服务和柔性生产能力。

由于考虑了FMS中的柔性和质量衡准，并进而考虑了质量成本和机会成本的定量方法。

因此，FMS中总成本可以分成两类：

生产成本和非生产成本。

生产成本由制造成本、折旧费和存贮成本组成，非生产成本包括营业费和财务费。

由于FMS中使用大量计算机程序控制方法来提高自动化水平，因此，计算机软件也应计入成本。

FMS的税后利润应该是总收入减去总费用和机会成本，其中机会成本包括等待成本，闲置成本和其他费用。

以上成本分类详见图2。

3.3柔性制造系统的经济评价模式

根据前一节对FMS的成本分析，考虑到折旧、税收的影响以及机会成本的影响，FMS投资项目在n期内的税后收益为：

（1）

式中：

为n期内的投资额；

为n期末的残值；

为n期内的折旧费；

为n期内的总收入；

为n期内的总费用；

为n期内的机会成本；t为企业所得税税率。

设基准折现率为i，对一个N期寿命的的FMS投资的税后收益的净现值为

（2）

其中

（3）

（4）

是初始投资，折旧和残值的税后净现值，可以称之为FMS的资本特征。

是销售利润减去机会成本后的税后净现值，可称之为FMS的生产特征。

图2FMS的成本分类

4基于柔性制造系统自动立体仓库的工作原理

4.1立体仓库的结构

立体仓库的结构如图3所示。

图3立体仓库的结构

立体仓库的搬运工作由一个搬运机器人来完成，其横轴用于搬运系统的水平运动，由24V直流电机