柔性制造系統(tǒng)(ＦＭＳ)的發(fā)展與展望

          柔性制造系統(tǒng)(ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ,縮寫ＦＭＳ)是指適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的具有高柔性且自動化程度高的制造系統(tǒng)。柔性是ＦＭＳ的最大特點(diǎn),即系統(tǒng)內(nèi)部對外部環(huán)境的適應(yīng)能力。自動化是指將手工操作減至最低,仍至最后完全取消。ＦＭＳ標(biāo)志著傳統(tǒng)的機(jī)械制造行業(yè)進(jìn)入了一個發(fā)展變革的新時代,自其誕生以來就顯示出強(qiáng)大的生命力。它克服了傳統(tǒng)的剛性自動線只適用于大量生產(chǎn)的局限性,表現(xiàn)出了對多品種、中小批量生產(chǎn)制造自動化的適應(yīng)能力。隨著社會對產(chǎn)品多樣化、低制造成本、短制造周期要求的日趨迫切,由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械與控制設(shè)備的進(jìn)步,柔性制造技術(shù)發(fā)展迅猛并日臻成熟。自1967年英國Ｍｏｌｉｎｓ公司建造了世界上首條ＦＭＳ,20世紀(jì)80年代后,制造業(yè)自動化進(jìn)入了基于計(jì)算機(jī)集成制造(ＣＩＭ)時代,ＦＭＳ已成為各工業(yè)化國家機(jī)械制造自動化的研制和發(fā)展重點(diǎn),并由實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入實(shí)用階段,從最初單純的機(jī)械加工領(lǐng)域向焊接、裝配及無屑加工等綜合性領(lǐng)域發(fā)展。迄今,世界上已有大量的ＦＭＳ在運(yùn)行,僅日本就有175套完整的ＦＭＳ。美國是最早將ＦＭＳ用于和噴霧壓力。Ｓ-ＮＰＫ料漿由于黏度比水大,形成的噴霧夾角相對較小。這是將試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于設(shè)計(jì)時必須考慮的因素。噴霧夾角的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有利于充分利用噴漿造粒干燥機(jī)的徑向空間。而噴霧距離的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有利于確定噴漿造粒干燥機(jī)造粒段的長度。
           噴霧料滴大小除了噴霧的物流特性外,影響料滴大小的三個主要因素是噴嘴類型和流量、噴霧壓力以及霧化的實(shí)心體形狀。低的噴霧壓力產(chǎn)生較大的料滴,高的噴霧壓力產(chǎn)生較小的料滴,而最小的料滴是由空氣霧化后形成的,料氣比的大小對霧化后料滴的大小也有一定影響。就選定的每一空氣霧化噴嘴,最小的流量產(chǎn)生最細(xì)的噴霧料滴,最大的流量則生成最粗的噴霧料滴。在Ｓ-ＮＰＫ料漿噴漿造粒時,料漿的流量偏小或壓縮空氣的流量偏大都是造成噴漿造粒干燥機(jī)內(nèi)返料量大的原因之一。
           物流溫度物流溫度不直接影響噴嘴的噴霧性能,但影響其黏度、表面張力和相對密度,這些卻都影響噴嘴的噴霧性能。表面張力主要影響物流的最低噴霧壓力、噴霧夾角和料滴大小。表面張力小,則料漿的最小噴霧壓力可以維持在較低的范圍。在噴漿造粒干燥機(jī)內(nèi),通過噴嘴的物流溫度若稍高些,由此降低了物流的黏度和表面張力,則有利于提高噴嘴的噴霧性能,同時對干燥過程也有利。
           噴嘴材料磨損噴嘴材料磨損大時,常伴隨出現(xiàn)物流的流量增大,霧化的實(shí)心錐體形狀明顯被破壞,通常由噴霧壓力下降可識別之。在高濃度磷復(fù)肥裝置中,噴漿造粒干燥機(jī)的噴嘴材料大多采用316Ｌ。雖然陶瓷與碳化材料耐磨性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于316Ｌ不銹鋼,但由于料漿中含有氟,噴嘴在長期運(yùn)轉(zhuǎn)中氟對硅的腐蝕不容忽視,故我們不采用這些材料。
         總結(jié)物流特性對霧化噴嘴性能影響的趨勢。
         物流特性對霧化噴嘴性能影響的趨勢項(xiàng)目噴霧壓力增大相對密度增加黏度增加物流溫度增高表面張力增大實(shí)心錐外形尺寸改善可忽略變壞改善可忽略物流流量增大減�、佗贌o影響噴射夾角先增后減可忽略減小增大減小料滴尺寸減小可忽略增大減小增大速度增大減小減小增大可忽略沖擊力增大可忽略減小增大可忽略材料磨損加劇可忽略減小①無影響　　注:①取決于物流和所用的噴嘴。
         生產(chǎn)的國家,也是ＦＭＳ硬、軟件技術(shù)最高的國家。德、英、意等西方國家都在大力開發(fā)與應(yīng)用ＦＭＳ,并制訂了短、長期的發(fā)展規(guī)劃。國際上以柔性生產(chǎn)方式生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)值已占制造業(yè)總產(chǎn)值的75%以上,且有不斷增長的趨勢。
         主要組成部分為了實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的柔性,ＦＭＳ必須包括下列組成部分。
          1、加工系統(tǒng)ＦＭＳ采用的設(shè)備由待加工工件的類別決定,主要有加工中心、車削中心或計(jì)算機(jī)數(shù)控(ＣＮＣ)車、銑、磨及齒輪加工機(jī)床等,用以自動地完成多種工序的加工。2、物料系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)工件及工裝夾具的自動供給和裝卸,以及完成工序間的自動傳送、調(diào)運(yùn)和存貯工作,包括各種傳送帶、自動導(dǎo)引小車、工業(yè)機(jī)器人及專用起吊運(yùn)送機(jī)等。3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用以處理ＦＭＳ的各種信息,輸出控制ＣＮＣ機(jī)床和物料系統(tǒng)等自動操作所需的信息。通常采用三級(設(shè)備級、工作站級、單元級)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),其中單元級控制系統(tǒng)(單元控制器)是ＦＭＳ的核心。4、系統(tǒng)軟件用以確保ＦＭＳ有效地適應(yīng)中小批量多品種生產(chǎn)的管理、控制及優(yōu)化工作,包括設(shè)計(jì)規(guī)劃軟件、生產(chǎn)過程分析軟件、生產(chǎn)過程調(diào)度軟件、系統(tǒng)管理和監(jiān)控軟件。

           分類按規(guī)模大小,ＦＭＳ可分為如下三類。
1、柔性制造單元(ＦＭＣ)ＦＭＣ由單臺帶多托盤系統(tǒng)的加工中心或3臺以下的ＣＮＣ機(jī)床組成,具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。ＦＭＣ的柔性最高,可視為ＦＭＳ的基本單元,是ＦＭＳ向廉價(jià)、小型化方向發(fā)展的產(chǎn)物。ＦＭＣ問世并應(yīng)用于生產(chǎn)比ＦＭＳ晚6～8年,現(xiàn)已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。
2、柔性制造線(ＦＭＬ)ＦＭＬ是處于非柔性自動線和ＦＭＳ之間的生產(chǎn)線,對物料系統(tǒng)的柔性要求低于ＦＭＳ,但生產(chǎn)效率更高。ＦＭＬ采用的機(jī)床大多為多軸主軸箱的換箱式或轉(zhuǎn)塔式組合加工中心,能同時或依次加工少量不同的零件。它以離散型生產(chǎn)中的ＦＭＳ和連續(xù)型生產(chǎn)過程中的ＤＣＳ為代表。ＦＭＬ技術(shù)已日趨成熟,進(jìn)入實(shí)用階段。3、柔性制造系統(tǒng)(ＦＭＳ)ＦＭＳ通常包括3臺以上的ＣＮＣ機(jī)床(或加工中心),由集中的控制系統(tǒng)及物料系統(tǒng)連接起來,可在不停機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的加工管理。ＦＭＳ是使用柔性制造技術(shù)最具代表性的制造自動化系統(tǒng)。值得一提的是由于裝配自動化技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于加工自動化技術(shù),產(chǎn)品最后的裝配工序一直是現(xiàn)代化生產(chǎn)的一個瓶頸問題。研制開發(fā)適用于中小批量、多品種生產(chǎn)的高柔性裝配自動化系統(tǒng),特別是柔性裝配單元(ＦＡＣ)及相關(guān)設(shè)備已越來越廣泛地引起重視。
相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展
1、利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)(ＣＡＤ)技術(shù)〔1〕
ＣＡＤ技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)環(huán)境下的完整設(shè)計(jì)過程,是一項(xiàng)產(chǎn)品建模技術(shù)(將產(chǎn)品的物理模型轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型)。帶有32位ＰＣ微機(jī)的ＣＡＤ已成為應(yīng)用主流。引入專家系統(tǒng)的ＣＡＤ使其具有智能化,可處理各種復(fù)雜問題,當(dāng)前的一個應(yīng)用熱點(diǎn)是快速成型(ＲＰ)技術(shù)。它利用三維ＣＡＤ數(shù)據(jù),通過快速成型機(jī)將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。ＲＰ技術(shù)具有快速、高柔性、高度集成等突出優(yōu)點(diǎn),尤其適合制造單件小批量、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品或原型。
2、機(jī)電一體化技術(shù)〔2〕
機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械、電子、信息、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的相互融合和交叉,特別是機(jī)械、信息學(xué)科的融合交叉。從這個意義上說,其內(nèi)涵是機(jī)械產(chǎn)品的信息化,它由機(jī)械、信息處理、傳感器三大部分組成。近年來,微電子機(jī)械系統(tǒng)(ＭＥＭＳ)作為機(jī)電一體化的一個發(fā)展方向得到了特別重視和研究。
3、模糊控制技術(shù)模糊數(shù)學(xué)在工業(yè)上的應(yīng)用始于1974年對鍋爐和蒸汽機(jī)的模糊控制。目前模糊控制技術(shù)正處于穩(wěn)定發(fā)展階段,其核心是模糊控制器。新近開發(fā)的高性能模糊控制器具有基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能,可在控制過程中不斷獲取新的信息,并自動地對控制量進(jìn)行調(diào)整,大大改善了系統(tǒng)的性能。
4、人工智能、專家系統(tǒng)技術(shù)〔3〕
迄今,ＦＭＳ中所采用的人工智能(ＡＩ)大多基于規(guī)則的專家系統(tǒng)(ＥＳ)。專家系統(tǒng)是利用專家知識和推理規(guī)則進(jìn)行推理,可以對各類問題求解。由于專家系統(tǒng)能簡便地將各種事實(shí)及驗(yàn)證過的理論與通過經(jīng)驗(yàn)獲得的知識相結(jié)合,因而為ＦＭＳ的各方面工作增強(qiáng)了柔性。未來以知識密集為特征,以知識處理為手段的人工智能(包括專家系統(tǒng))技術(shù)必將在ＦＭＳ中起著關(guān)鍵作用。
5、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ＡＮＮ)技術(shù)
ＡＮＮ是由許多神經(jīng)元按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互連接而成的,模擬人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信息進(jìn)行并行處理的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在自動控制領(lǐng)域,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢是其與專家系統(tǒng)和模糊控制技術(shù)的結(jié)合,成為現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中的一個組成部分。
5　發(fā)展前景
制造系統(tǒng)的柔性是衡量制造系統(tǒng)對變化中的市場、技術(shù)及生產(chǎn)條件適應(yīng)性的主要尺度,是提高企業(yè)競爭力的一個主要動力。隨著相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展與日趨成熟,ＦＭＳ的柔性也得到了很大提高。早期的ＦＭＳ旨在降低成本及縮短加工周期,著眼于自動化中的“量優(yōu)化”,并未考慮“質(zhì)優(yōu)化”(主要指柔性)。當(dāng)前,以ＣＩＭ為代表的新一代制造業(yè)自動化不僅考慮到量優(yōu)化,而且更注重質(zhì)優(yōu)化。
1、ＦＭＣ、ＦＭＬ發(fā)展迅速
由于ＦＭＣ的投資比ＦＭＳ少得多而效果相仿,更適合于財(cái)力有限的中小型企業(yè)。采用價(jià)格低廉的專用數(shù)控機(jī)床代替通用的加工中心,是多品種、大批量生產(chǎn)中應(yīng)用ＦＭＬ的發(fā)展趨勢。
2、ＦＭＳ朝多功能方向發(fā)展
ＦＭＳ由早期單純的機(jī)械加工型向焊接、連續(xù)型生產(chǎn)過程中的ＤＣＳ為代表。ＦＭＬ技術(shù)已日趨成熟,進(jìn)入實(shí)用階段。
3、柔性制造系統(tǒng)(ＦＭＳ)ＦＭＳ通常包括3臺以上的ＣＮＣ機(jī)床(或加工中心),由集中的控制系統(tǒng)及物料系統(tǒng)連接起來,可在不停機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的加工管理。ＦＭＳ是使用柔性制造技術(shù)最具代表性的制造自動化系統(tǒng)。值得一提的是由于裝配自動化技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于加工自動化技術(shù),產(chǎn)品最后的裝配工序一直是現(xiàn)代化生產(chǎn)的一個瓶頸問題。研制開發(fā)適用于中小批量、多品種生產(chǎn)的高柔性裝配自動化系統(tǒng),特別是柔性裝配單元(ＦＡＣ)及相關(guān)設(shè)備已越來越廣泛地引起重視。