具備智能制造特征的柔性制造系統建設

文/劉鳴 陳端毓

1 柔性制造系統簡介

20世紀50年代，少品種、大批量的剛性流水線生產是主要的生產方式；隨著市場競爭日益激烈，對個性化、多樣化產品的需求日益旺盛，中、小批量生產模式取代大批量的生產模式成為制造業的主要生產模式。柔性制造系統(Flexible Manufacturing Systems，FMS)應時而生，并且相對于剛性自動化生產線，優勢逐漸顯現出來：能夠幫助企業在多樣化需求和動態不確定的環境中生存和發展，抵抗市場風險。現如今，柔性生產能力已經成為同成本、質量和交貨期同等重要的衡量企業績效和競爭力的指標，反映了企業應對需求多樣性和環境不確定性的能力。

FMS具有自動化程度高、適應性強等特點，尤其適用于多品種、中小批量生產。相對“剛性”生產線，柔性制造系統的優勢體現在對制造過程變化的適應性上：一方面是適應系統外部的變化，反映系統的加工能力，例如加工零件類型改變時，能很好的適應新產品的加工；另一方面是適應系統內部的變化，反映系統的抗干擾能力，例如可以很好地適應插單生產。20世紀60年代中期，FMS首先在英國和美國出現，80年代得以現實和并進入商品化時代。2000年后，全球已有3500套以上的FMS正常運行，到目前為止，FMS已經基本普及。

2 具備智能制造特點FMS的意義

傳統理論認為，柔性制造系統一般由三部分組成：多工位的數控加工單元，自動化的物料貯運單元和計算機控制信息單元。以往，柔性制造系統的研究往往偏重于對系統硬件搭建的研究、傳輸線單元設計與研究和柔性系統運輸調度問題的研究。

柔性制造系統作為一個系統，孤立地研究某一項問題，研究結果往往與實際生產有所偏差，例如在做生產調度研究時，忽略不同零件加工工時的影響；其次，柔性制造系統在具體應用中同樣存在設備停機時間過長，生產計劃混亂，或者計劃不能按時執行等情況，例如機床因故障停機，或者系統無法迅速響應計劃更改；再者，柔性制造系統內部不可避免地存在信息孤島，傳統的柔性制造系統理論并不強調各單元之間的數據共享和數據交換。實際上，智能制造能有效地解決上述問題，并且能夠幫助柔性制造系統更好地發揮制造柔性，提高生產效率。

3 具備智能制造特點的FMS的建設

3.1 FMS組成及工作流程

具備智能特點的FMS模型和原理框圖如圖1所示。料庫的毛料是FMS的物質輸入，設計圖紙和任務計劃是FMS的信息輸入。FMS由四個單元組成：數據處理中心、加工單元、運輸單元和倉庫單元。

數字化制造數據處理中心是柔性制造系統的大腦，主要負責數據收集和數據處理，包含的職能有：生成工藝路線，生成排產計劃，模擬加工過程，模擬加工程序，監視和控制加工單元（含檢驗單元）和運輸單元，管理工藝資源庫。

加工單元負責工件的加工、清洗和檢驗任務，可由數控機床、加工中心、數控磨床、清洗機、三坐標測量機等組成。加工中心可配備雙交換的工作臺，省去了工件從柔性生產線到機床轉移需要的機器人；可配備有刀具壽命管理和刀具破損檢測，可做到少人甚至無人監護，減少加工中心工位需要的操作工。清洗位清洗工件，省去人工清洗工件的工序，節約工時，并使清洗質量可控。檢驗工位直接并入加工單元，方便工件測量，采用數字化的測量系統，在完成工件測量的同時生成質量檢驗記錄，并且將加工不到尺寸的工件可直接發送到上游工序繼續加工。

運輸單元負責工件、夾具的周轉，一般由機器人、自動引導小車、裝載站和運轉中心等組成。運輸系統的執行指令來自數據處理中心，并且一直受數據處理中心的監視。

立體倉庫存儲可以同時存儲成品和半成品、刀具、工裝，實現工藝資源的自動化管理，可以做成整體式的倉庫，也可以做成分類式的倉庫，將工裝和刀具分開存放。與普通的倉庫相比，立體倉庫除了實現自動化，還需與工藝資源數據庫連接，向數據庫提供準確的庫存信息。

FMS工作過程可以描述為：

（1）技術準備：系統接到生產任務和設計圖紙，由工藝人員，根據加工任務書和設計圖紙，借助計算機輔助技術（Compuer Aided Technology），重用工藝資源庫的信息，迅速分解圖紙，生成工藝文件、生產計劃、數控程序、加工刀具清單、配套夾具清單，完成加工過程的模擬、加工程序的模擬。

（2）生產準備：工人從料庫準備材料；庫房管理人員根據刀具清單準備刀具，發放刀具；工藝人員傳遞加工程序至加工設備；操作人員檢查確定系統是否正常運行。

（3）生產實施：在運輸單元，借助工業機器人或自動引導小車（AGV）或裝載站，按照信息系統的指令和工件及夾具的編碼信息，完成工件及夾具安裝和轉移；在加工單元，按照工藝路線和指定程序完成工件的加工，生成加工記錄；加工完成，送入清洗機清洗；清洗完成送入測量工位，檢驗尺寸，生成質量檢驗記錄。

（4）檢驗入庫：由裝卸及運輸單元將成品送入成品庫，同時把檢驗記錄、加工情況反饋記錄傳輸到數據處理中心；檢查隨行夾具，確保完好，送回夾具庫，將入庫信息傳至數據處理中心；檢查需要入庫的刀具，并將刀具使用情況和入庫信息反饋到數據處理中心。

3.2 FMS信息平臺結構

圖1：具有數字化制造特點的FMS原理框架圖

在系統的每個工位都配備有聯網的計算機，保證了整個系統通信的暢通，方便數據處理中心的數據在每個工位共享，及工位與工位之間數據的交換，符合數字化制造工藝資源共享和知識重用的特性。每臺數控加工設備都和計算機連接，方便操作工人在計算機上實時查看任務書、工藝文件、數控程序等，并能夠及時通過計算機將加工信息迅速反饋到數據處理中心。工藝室的計算機以內部局域網的形式相互連接，并和FMS服務器和基礎數據庫相連，能夠即時獲取工藝資源數據庫的信息。

3.3 FMS連續工作機制

FMS夜間無人看守實現連續加工，主要包括兩點：如何實現加工工件的自動上下料，如何保證在無人看守時的設備安全和零件加工質量。主要的關鍵技術如下：刀具壽命管理、刀具破損檢測、工件在線測量、機床保護等。通過對機床運行狀態的檢測，實現設備夜間安全的作業。

3.4 FMS的特點分析

與傳統柔性制造系統相比，新的系統擁有強大的數字化制造數據處理中心和運行狀態檢測系統。數據處理中心能夠將系統中各個單元的實時信息高效的收集和共享，更大程度實現系統信息物理融合。通過實時化監測，多種方式實時采集制造過程數據，并對采集到數據進行實時地分析，準確、及時對制造過程管理控制。

4 結論

在新的柔性制造系統構建中必須把握這一方向，將柔性制造系統和智能制造相結合。目前初步建成的柔性制造系統基本具備智能制造集成化、網絡化、協同化和實時化的柔性制造系統。全面實現數字化制造技術有很多技術需要攻關，例如建立工藝資源庫、管理數據庫、建立制造過程模型仿真系統等；同樣的，在柔性制造系統全面實現數字化還需要更深入的研究。