柔性制造技术及其研究进展.docx

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柔性制造技术及其研究进展

柔性制造技术及其研究进展

学生姓名：

*****

学院名称：

机电工程学院

专业名称：

机械制造及其自动化

学号：

********

柔性制造技术及其研究进展

学生姓名：

****专业：

机械制造及其自动化任课老师：

****

摘要文中分析了柔性制造技术的高效化和柔性化,介绍其主要研究方向为发展适于全面高速化、大批量定制化的制造装备及其系统，使能够在多品种变批量的市场需求条件下实现响应敏捷化、运行智能化和效益最优化。

提出了发展快速重组制造系统及可重构制造设备作为统一高效和柔性两者要求的一个合理解决方案，并进一步探讨了可用于网络化环境的制造单元的结构体系。

关键词柔性制造高效化发展趋势

AbstractThispaperanalyzestheefficiencyandflexibilityofflexiblemanufacturingtechnologyandmainresearchdirectionforthedevelopmentofhighspeedsuitableforcomprehensive,customizationmanufacturingequipmentandsystem,canmakebulkrightinmanyv-arietiesofthemarketdemandundertheconditionofrealizingtheagileresponse,intellectualizedoperationandefficiencyofoptimization.Putsforwardthedevelopmentofrapidreorganizationofthemanufacturingsystem,reconfigurablemanufacturingequipmentasaunifiedbotheff-icientandflexiblerequirementofareasonablesolution,andfurtherd-iscussesthestructuralsystemofthemanufacturingunitcanbeusedinthenetworkenvironment.

Keywordsflexiblemanufacturing;highefficiency;thedevelopm-enttrend.

1柔性制造技术概述

柔性制造技术也称柔性集成制造技术，是现代先进制造技术的统称。

柔性制造技术集自动化技术、信息技术和制作加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。

柔性制造技术（flexiblemanufacturingtechnology,FMT）是一种主要用于多品种中小批量或变批量生产的自动化技术，它是对各种不同形状的加工对象进行有效地且适应性地转化为成品的各种技术的总称。

柔性制造技术是电子计算机技术在生产过程及其装备上的应用，是将微电子技术、智能化技术与传统加工技术融合在一起，具有先进性，柔性化、自动化、效率高的制造技术。

柔性制造技术是从机械转换、刀具跟换、夹具可调、模具转位等硬件柔性化技术的基础上发展起来的，是自动化制造系统的基本单元技术。

1.1柔性的概念

所谓“柔性”，即灵活性，主要表现在：

①生产设备的零件、部件可根据所加工产品的需要变换；②对加工产品的批量可根据需要迅速调整；③对加工产品的性能参数可迅速改变并及时投入生产；④可迅速而有效地综合应用新技术的企业，平时能满足品种多变而批量很小的生产需求，战士能迅速扩大生产能力，而且产品质优价廉。

柔性制造设备可在无需大量追加投资的条件下提供连续采用新技术、新工艺的能力，也不需要专门的设施，就可生产出特殊的军用产品。

1.2柔性的特点

（1）柔性制造技术是从成组技术发展起来的，因此，柔性制造技术仍带有成组技术的烙印——零件三相似原则：

形状相似；尺寸相似和工艺相似。

这三相似原则就成为柔性制造技术的前提条件。

凡符合三相似原则的多品种加工的柔性生产线，可以做到投资最省（使用设备最少，厂房面积最小）生产效率最高（可以混流生产，无停机损失）；经济效益最好（成本最低）。

（2）品种中大批量生产时，虽然每个品种的批量相对来说是小的，多个小批量的总和也可构成大批量，因此柔性生产线几乎无停机损失，设计利用率局。

（3）柔性制造技术组合了当今机床技术、监控技术、检测技术、刀具技术、传输技术、电子技术和计算机技术的精华，具有高质量、高可靠性、高自动化和高效率。

（4）可缩短新产品的上马时间，转产快，适应瞬息万变的市场需求。

（5）可减少工厂内零件的库存，改善产品质量和降低产品成本。

（6）减少工人数量，减轻工人劳动强度。

2柔性的规模

柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。

柔性制造技术是技术密集型的技术群，我们认为凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的加工技术都属于柔性制造技术。

目前按规模大小划分为：

2.1柔性制造系统（FMS）

关于柔性制造系统（FMS，FlexiblemanufacturingSystem）的定义很多，权威性地定义有：

美国国家标准局把FMS定义为：

“由一个传输系统联系起来的一些设备，传输装置把工件放在其他联结装置上送到各个加工设备，使工件加工准确、迅速和自动化。

中央计算机控制机床和传输系统，柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。

”国际生产工程研究协会指出“柔性制造系统是一个自动化的生产系统，在最少人的干预下，能够生产任何范围的产品族，系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制”。

而我国国家军用标准则定义为“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装备和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它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进行调整，适用于多品种、中小批量生产。

”简单地说，FMS是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。

目前常见的组成通常包括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，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。

目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS，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预计本世纪十年代后才会实现。

2.2柔性制造单元（FMC）

FMC的问世并在生产中使用约比FMS晚6-8年，FMS可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价话及小型化方向发颤的一种产物，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，其特点是实现但肌肉型话及自动化，具有适应加工多品种的灵活性。

迄今已进入普及应用阶段。

2.3柔性制造线（FML）

它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。

其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床；亦可采用专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率跟高。

它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散性控制系统（DOS）为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日渐臻成熟，迄今已进入实用化阶段。

2.4柔性制造工厂（FMF）

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FMF。

它包括了CAD/CADM，并使计算机集成制造系统（CIMS）投入实际，实现生产系统柔性化及自动化，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。

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只能制造系统（IMS）为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。

3柔性制造所采用的关键技术

3.1计算机辅助设计

未来CAD技术发展将会引起专家系统，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，并按二维片装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结构的速度。

3.2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。

3.3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划进行推理，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只是相结合，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中的各种技术，预计最有发展前途的仍是人工智能。

预计到21世纪初，人工智能在柔性制造业中的应用规模将在比目前大4倍。

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，家主模拟专家的只能活动，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。

在制造过程，系统能自动检测其运行状态，在受到外界或内部激励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。

对未来智能化柔性制造技术具有重要意义的一个正在急速法杖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。

3.4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，成为现在自动化系统中的一个组成部分。

4柔性的发展趋势

1）FMC将成为发展和应用的热门技术这是因为FMC的投资比FMS少得多而经济效益相近，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。

2）发展效率更高的FML多品种大批量的生产企业如汽车及拖拉机等工厂对PML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）朝多功能方向发展由单纯加工型FMS进一步开发已焊接、装配、检验及材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种功能FMS。

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收订货单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。

近年来，柔性制造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式已为国际上所公认，可以这样认为：

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。

他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副宏伟的蓝图。

60年代开始至今，FMT的出现、发展、进步和广泛应用，对机械加工行业及工厂自动化技术发展产生了重大影响，并开创了工厂自动化技术应用的新领域，大大促进了计算机集成制造技术（CIMT）的发展和应用。

世界范围内的FMS获得了约30％的年增长率的快速发展和应用。

在FMS领域，美国、西欧和日本居世界之首。

20世纪90年代后，工业界更加注重信息集成和人在CIMS和FMS中的积极作用，认识到对FMS而言，如果系统规模小些，并允许人更多地能动介入，系统运行往往会更有成效。

现在，FMT已朝着更加正确的方向发展。

并开发了新的柔性制造设备，使高性能柔性加工中心构成的FMC。

fTrL得到广泛应用。

同时，工业界已更加注重FMT与集成化CAD／CAPP／CAM，工厂或车间生产控制和管理系统PCMS相集成，以达到使企业生产经营能力整体优化的目的，适应动态多变型市场的需求。

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。

FMS的构成和应用形式将更加灵活和多样化，小型FMS在吸取了FMS应用实践经验后获得了迅速发展，其总体结构通常采用模块化、通用化、硬软件功能兼容和可扩展的设汁技术。

这些模块具有通用功能化特征，相对独立性好，配有相应硬软件接口，易按不同需求进行组合和扩展。

与大型FMS相比，投资较低，运行可靠性好。

成功率较高。

这种小型化FMS和伴随着DNC，FMS技术发展而附带生产的FMC技术将具有更加强大的生命力，并将得到快速发展和广泛应用。

还可能形成商品化的柔性制造设备，成为制造业先进设备的主要发展趋势和面向21世纪的先进生产模式。

5模块化柔性制造系统的应用

5.1模块化柔性制造系统的配置

建成后的模块化柔性制造系统，应该能够完成不同形状和结构尺寸零件的加工。

现计划在该系统中加工制造东方明珠电视塔模型、国际象棋等，从毛坯进来直到成品制成的所有工序都要在该系统中完成。

为了达到这些工艺要求，系统集承了下列主要功能模块：

（一）切削加工工位

该工位由一台数控车床和一台数控铣床组成，能完成洗、车、钻的切削加工任务。

数控装置采用的是具有开放性和兼容性的通用PC机，操作键盘为标准的PC机键盘，操作系统为WIN95/98/2000/ME/NT4.0/XP，采用图形操作界面，具有人机对话编程功能。

在这两台机床可以选用手动、半自动、全自动数控加工方式，学生在工位上可以学习编程数控程序、操作和调整数控机床。

（二）上、下料工位

再改工位上配置一台Eshed公司的五轴机器人，通过在线模块，可以将PC机上编好的程序直接传送到机器人控制中。

学生在该工位上可以学习机器人编程语言，并学习如何操作使用机器人。

（三）仓储系统

仓储系统采用的是一个四层28个库位的立体高架仓库，共分三个区域，分别用于存放毛坯、半成品和成品零件，同时配置一个物料搬运机械手。

（四）柔性物料输送系统

在各个工位之间零件的传输，是由一个环形的可按需拼装的传送道和有轨送小车完成的，该传送系统具有零件的传送、交换等功能。

（五）监控系统

每个自动工位都配备一个可编程控制器，各自动工位之间是通过工业局域网络（如Profibus）相连接的，由一台PC机实现系统的协调控制。

为了实时监控系统中每个自动工位的工况，在这台PC机上还可实时显示自动工位的工况信息。

5.2模块化柔性制造系统的特性

在综合性的专业实验室里，主要传授与实践有关的教学内容和实际的操作技能，在建立综合性的专业实验室时，必须考虑到使学习的内容与劳动过程紧密相关。

因此，所要建立的模块化柔性制造系统具备了下述重要特性：

（一）工业标准化特性

在系统中绝大部分的设备和器件都符合工业标准，尽可能不使用过分简化了的教学设备与器件，使学生可以在一个能反映真实生产过程的系统中学到专业知识与操作技能。

（二）模块化特性

系统被设计成具有模块化的特性，也就是系统中的每个功能部件都能独立运行，重要的功能部件应该是分布式控制的，在学习过程中，学生不仅可以对各个功能部件进行操作，而且还可以根据不同的教学内容增减功能部件，功能部件的增减同时又不影响系统中其他功能部件的运行。

（三）结构的开放性和兼容性

由于电子技术、信息技术和自动化技术的快速发展，所建系统必须与变化了的技术要求相配。

在设计该系统时，我们充分考虑了其硬件结构与软件系统的开放性和兼容性，使得组成该系统的设备不仅能与当今其他设备相组合和匹配，而且还具有进一步开发的可能性，为将来技术更新留有余地。

结论

回顾了各种有关制造柔性研究的成果，从而得到了如下结论：

1）进入二十一世纪所面临的环境风险，决定了制造企业必须具备相应的能力和技术，以发挥制造业在国民经济中的重要作用。

相应地，制造战略的重点也要从以往强调成本、效率和质量向强调柔性和快速反应转移。

制造战略本身也要具备柔性，才能起到对制造系统的指导作用。

2）制造柔性是制造系统处理内、外部不确定性的能力。

这种能力使得系统能够在一定范围内和程度上有效控制不确定性。

柔性不仅仅是企业对环境不确定性的被动反应，而且具有创造竞争对手无法应付的不确定性的作用。

3）制造柔性的概念具有丰富内涵，反映了对制造系统的各方面的要求，是制造系统综合素质的表现。

诸如企业文化、管理结构、工艺技术、设施布置、信息系统等都是制造柔性的贡献变量。

由于制造柔性既具有战略性又具有操作性，建立统一的柔性内涵分类及柔性测度评价方法仍很困难。

4）现代制造模式和先进制造技术的发展为实现制造柔性提供了现实手段，先进制造计划和控制策略是实现制造柔性所必需的生产运作管理手段。

当经济不够发达时，顾客要求的是有或无某种产品时，制造战略的重点是效率和成本；当经济发展到一定阶段，顾客开始注重产品质量的好坏，制造战略的重点是质量；当经济高度发达是，顾客注重多样化的优质产品和服务，制造战略的重点相应转移到效率、成本和质量基础之上的柔性上来。

因此，制造柔性成为继效率、成本和质量之后制造企业竞争的新前沿。

参考文献

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