柔性制造系统 互动百科

柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统,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时所考虑的产品族的限制。是由数控加工设备、物料运储装置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。 柔性制造- 概述 柔性制造概述 柔性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。“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。其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。 柔性制造- 基本概念 柔性制造概念 1、美国国家局把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。 2、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制造系统,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。” 3、中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、物料运储装置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。 柔性制造- 发展 柔性制造发展 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”。其主要设备是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全部建成。 同年,美国的怀特?森斯特兰公司建成Omniline I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在少品种、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,适于多品种小批量生产应用。 70年代末期,柔性制造系统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台设备组成的柔性制造系统为最多,但也有规模更庞大的系统投入使用。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24小时运转。 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柔性制造系统的基本特征,但自动化程度不很完善的经济型柔性制造系统FMS,使柔性制造系统FMS的设计思想和技术成果得到普及应用。 迄今为止,全世界有大量的柔性制造系统投入了应用,仅在日本就有175套完整的柔性制造系统。国际上以柔性制造系统生产的制成品已经占到全部制成品生产的75%以上,而且比率还在增加。 柔性制造- 组成结构 柔性制造结构 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。FMC的问世并在生产中使用约比FMS晚6~8年,FMC可视为一个规模最小的FMS,是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物,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,其特点是实现单机柔性化及自动化,具有适应加工多品种产品的灵活性。 1、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,FMC可视为一个规模最小的FMS,是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物,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,其特点是实现单机柔性化及自动化,具有适应加工多品种产品的灵活性。迄今已进入普及应用阶段。 2、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,但生产率更高。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,其技术已日臻成熟,迄今已进入实用化阶段。 3、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FMS。它包括了CAD/CAM,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智能制造系统(IMS)为代表,其特点是实现工厂柔性化及自动化。[1] 柔性制造- 功能 1、能自动控制和管理零件的加工过程,包括制造质量的自动控制、故障的自动诊断和处理、制造信息的自动采集和处理; 2、通过简单的软件系统变更,便能制造出某一零件族的多种零件; 3、自动控制和管理物料(包括工件与刀具)的运输和存储过程; 4、能解决多机床下零件的混流加工,且无需增加额外费用; 5、具有优化的调度管理功能,无需过多的人工介入,能做到无人加工。 柔性制造- 优点 柔性制造优点 采用柔性制造系统有许多优点,主要有以下几个方面: 1、设备利用率高 一组机床编入柔性制造系统后的产量,一般可达这组机床在单机作业时的三倍。柔性制造系统能获得高效率的原因,一是计算机把每个零件都安排了加工机床,一俟机床空闲,即刻将零件送上加工,同时将相应的数控加工程序输入这台机床。二是由于送上机床的零件早已装卡在托盘上(装卡工作是在单独的装卸站进行),因而机床不用等待零件的装卡。 2、减少设备投资 由于设备的利用率高,柔性制造系统能以较少的设备来完成同样的工作量。把车间采用的多台加工中心换成柔性制造系统,其投资一般可减少三分之二。 3、减少直接工时费用 由于机床是在计算机控制下进行工作,不需工人去操纵。唯一用人的工位是装卸站。这就减少了工时费用。 4、减少了工序中在制品量,缩短了生产准备时间 和一般加工相比,柔性制造系统在减少工序间零件库存数量上有良好效果。有的减少了80%。这是因为缩短了等待加工时间 5、改进生产要求有快速应变能力 柔性制造系统有其内在的灵活性,能适应由于市场需求变化和工程设计变更所出现的变动,进行多品种生产。而且还能在不明显打乱正常生产的情况下,插入备件和急件制造任务。 6、维持生产的能力 许多柔性制造系统设计成具有当一台或几台机床发生故障时仍能降级运转的能力。即采用了加工能力有沉余度的设计,并使物料传送系统有自行绕过故障机床的能力,系统仍能维持生产。 7、产品质量高 减少零件装卡次数,一个零件可以少上几种机床加工,设计更好的专用夹具,更加注意机床和零件的定位都有利于提高零件的质量。 8、运行的灵活性 运行的灵活性是提高生产率的另一个因素。有些柔性制造系统能够在无人照看的情况下进行第二和第三班的生产。 9、产量的灵活性 车间平面布局规划得合理,需要增加产量时,增加机床,以满足扩大生产能力的需要。 柔性制造- 硬件系统 柔性制造硬件 制造设备:数控加工设备(如加工中心)、测量机、清洗机等; 自动化储运设备:传送带、有轨小车、AGV、搬运机器人、立体库、中央托盘库、 物料或刀具装卸站、中央刀库等; 计算机控制系统及网络通信系统。 1、加工系统 柔性制造系统采用的设备由待加工工件的类别决定,主要有加工中心、车削中心或计算机数控(CNC)车、铣、磨及齿轮加工机床等,用以自动地完成多种工序的加工。磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换,也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。 2、物料系统 物料系统用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸,以及完成工序间的自动传送、调运和 存贮工作,包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等。储存和搬运系统搬运的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等;储存物料的方法有平面布置的托盘库,也有储存量较大的巷道式立体仓库。 毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中,并储存在自动仓库中的特定区域内,然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的柔性制造系统,自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关,具有较大灵活性。 工业机器人可在有限的范围内为1~4台机床输送和装卸工件,对于较大的工件常利用托盘自动交换装置(APC)来传送,也可采用在轨道上行走的机器人,同时完成工件的传送和装卸。柔性制造- 软件系统 系统支持软件:操作系统、网络操作系统、数据库管理系统等; FMS运行控制系统:动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统,物料(工件和刀具)管理控制系统等。 1、计算机控制系统计算机控制系统用以处理柔性制造系统的各种信息,输出控制CNC机床和物料系统等自动操作所需的信息。通常采用三级(设备级、工作站级、单元级)分布式计算机控制系统,其中单元级控制系统(单元控制器)是柔性制造系统的核心。 2、系统软件 系统软件用以确保柔性制造系统有效地适应中小批量多品种生产的管理、控制及优化工作,包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系统管理和监控软件。 性能完善的软件是实现柔性制造系统的功能的基础,除支持计算机工作的系统软件外,更多数量的软件是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件,大体上包括控制软件(控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统)、计划管理软件(调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等)和数据管理软件(仿真、检索和各种数据库)等。[2] 柔性制造- 关键技术 柔性制造技术 1、计算机辅助设计 未来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新结构的速度。 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、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业(尤其智能型)中起着日趋重要的关键性的作用。目前用于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技术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,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,系统能自动监测其运行状态,在受到外界或内部激励时能自动调节其,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。 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,成为现代自动化系统中的一个组成部分。 柔性制造- 发展趋势 柔性制造发展趋势 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接近,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、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受订货单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。 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。它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幅宏伟的蓝图,将成为21世纪机构制造业的主要生产模式。实现了按端口、MAC地址、应用等来划分虚拟网络,有效地控制了企业内部网络的广播流量和提高了企业内部网络的安全性。 柔性制造- 技术目标 柔性制造技术 通过柔性中心科研建设,使在大型天线系统研制中的计算机应用能力和工艺加工水平达到国内领先、国际九十年代初水平,为重点研制任务的完成提供有力的保障。 (1)基于柔性制造技术和系统集成技术,通过配置先进的数控加工设备和计算机系统,运用以计算机技术为核心的现代设计、制造和管理技术,建立一个具有行业特色的柔性制造中心。 (2)应用CAD/CAM技术,实现天线系统关键零件的计算机辅助设计,逐步实现柔性中心设计过程的并行化。 (3)应用现代信息管理技术和加工过程的计算机控制技术,实现关键零件制造过程的柔性化。 (4)通过建立网络和数据库云霄环境,为实现中心运行过程中的功能交互、信息集成和资源共享创造条件。 (5)提高本单位的综合实力和现代化水平,提高对市场的应变能力。 (6)柔性中心总体功能构成由工程设计系统、工程管理系统、质量管理分系统、车间制造分系统和网络数据库支持系统构成。 ①工程管理信息分系统(EMS)实现项目管理、技术状态管理、库存管理、生产计划制订、成本管理。 ②质量信息管理分系统(QMS)基于Intranet实现生产过程质量信息收集、分析、处理、反馈和质量文档管理。 ③工程设计分系统(EDS)应用基于PDM实现馈源关键零件CAD/CAPP/CAM集成设计等。 ④车间制造分系统(WMS)实现天线关键零件的数控加工、数控设备的DNC、生产计划调度等。网络数据库支撑环境(NET/DB)对EMS,EDS,WMS分系统的运行提供集成环境,提供Intranet服务,支持柔性中心的信息集成。 柔性制造- 制造方法 柔性制造方法 1、细胞生产方式 与传统的大批量生产方式比较,细胞生产方式有两个特点,一个是规模小(生产线短,操作人员少),另一个是标准化之后的小生产细胞可以简单复制。由于这两个特点,细胞生产方式能够实现 (1)简单应对产量的变化,通过复制一个或以上的细胞就能够满足细胞生产能力整数倍的生产需求; (2)减少场地占用,细胞是可以简单复制的(细胞生产线可以在一天内搭建完成),因此不需要的时候可以简单拆除,节省场地; (3)每一个细胞的作业人数少,降低了平衡工位间作业时间的难度,工位间作业时间差异小,生产效率高; (4)通过合理组合员工,即由能力相当的员工组合成细胞,可以发挥员工最高的作业能力水平。如果能够根据每一个细胞的产能给予相应的奖励,还有利于促成细胞间的良性竞争。细胞生产线的形式是多样的,有O形,也有U形,有餐台形,也有推车形等等。 2、一人生产方式 我们看到过这样的情形,某产品的装配时间总共不足10分钟,但是它还是被安排在一条数十米长的流水线上,而装配工作则由线上的数十人来完成,每个人的作业时间不过10、20秒。针对这样一些作业时间相对较短、产量不大的产品,如果能够打破常规(流水线生产),改由每一个员工单独完成整个产品装配任务的话,我们将获得意想不到的效果。同时,由于工作绩效(品质、效率、成本)与员工个人直接相关,一人生产方式除了具有细胞生产的优点之外,还能够大大地提高员工的品质意识、成本意识和竞争意识,促进员工成长。 3、一个流生产方式 一个流生产方式是这样实现的,即取消机器间的台车,并通过合理的工序安排和机器间滑板的设置让产品在机器间单个流动起来。它的好处是 (1)极大地减少了中间产品库存,减少资金和场地的占用; (2)消除机器间的无谓搬运,减少对搬运工具的依赖; (3)当产品发生品质问题时,可以及时将信息反馈到前部,避免造成大量中间产品的报废。一个流生产方式不仅适用于机械加工,也适用于产品装配的过程。 4、柔性设备的利用 一种叫做柔性管的产品(有塑胶的也有金属的)开始受到青睐。从前,许多企业都会外购标准流水线用作生产,现在却逐步被自己拼装的简易柔性生产线取代。比较而言,柔性生产线首先可降低设备投资70-90%以上,其次,设备安装不需要专业人员,一般员工即可快速地在一个周末完成安装,第三,不需要时可以随时拆除,提高场地利用效率。 5、台车生产方式 我们经常看到一个产品在制造过程中,从一条线上转移到另一条线上,转移工具就是台车。着眼于搬动及转移过程中的损耗,有人提出了台车生产线,即在台车上完成所有的装配任务。 6、固定线和变动线方式 根据某产品产量的变动情况,设置两类生产线,一类是满足某一相对固定最的固定生产线,另一类是用来满足变动部分的变动生产线。通常,传统的生产设备被用作固定线,而柔性设备或细胞生产方式等被用作变动生产线。为了彻底降低成本,在日本变动线往往招用劳务公司派遣的零时工(Part-Time)来应对,不需要时可以随时退回。 柔性制造总的趋势是,生产线越来越短,越来越简,设备投资越来越少;中间库存越来越少,场地利用率越来越高,成本越来越低;生产周期越来越短,交货速度越来越快;各类损耗越来越少,效率越来越高。可见,实现柔性制造可以大大地降低生产成本,强化企业的竞争力。既然柔性制造是一种全新的和高境界的制造理念,因此它值得我们以持续改善的精神去思考去创造。