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专 题 研 究

ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＭＡＲＫＥＴ

浅谈柔性制造技术的现状及发展

张 强

重庆工商大学计算机科学与信息工程学院

摘要： 随着社会的进步和生活水平的提高，社会对产品多样化、低制造成本及短制造周 期等需求日趋迫切，传统的制 造技术已不能满足市场对多品种、小批量、更具特色 ， 符合顾客个人要求样式和功能的产品需求。上世纪９０年代后期，由于 微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展，制造业自动化进入一个崭 新的时代，技术日臻成熟。柔性制 造技术， 已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。

关键词： 柔性系统

柔性制造技术

发展

力。

重庆 ４０００６７

１． 基本概念 １．１ 柔性系统

柔性系统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

１． ２ 柔性制造技术

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 与 市 场

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。但是， 如果只加工一个或几个相类似的零件，价格相当昂

贵，难以应付多品种中小批量的生产。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， 在这方面柔性系统有相当多的优势。柔性系统主要包括：

１） 机器柔性。当要求生产一系列不同类型的产品时，机器 随产品变化而加工不同零件的难易程度。

２）工艺柔性。一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料

变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变 相应工艺的难易程度。

３） 产品柔性。一是产品更新或完全转向后，系统能够非常

经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品

有用特性的继承能力和兼容能力。

４） 维护柔性。采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常

进行的能力。

５） 生产能力柔性。当生产量改变， 系统也能经济地运行的

能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。

６） 扩展柔性。当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统

结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。

７） 运行柔性。利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系

列 产 品 的 能 力， 以 及 生 产 同 样 的 产 品， 换 用 不 同 工 序 加 工 的 能

技术群，我们认为适用于多品种、中小批量（包括单件产品）并侧 重于柔性的加工技术都属于柔性制造技术。目前按规模大小划 分为：

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， 第二代ＦＭＳ。

日本从

１） 柔性制造系统（ＦＭＳ）

关于柔性制造系统的定义很多，权威性的定义有：

美国国家标准局把ＦＭＳ定义为“ 由一个传输系统联系起来：

１９９１年开始实施的“ 智能制造系统”（ＩＭＳ）国际性开发项目，属于

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，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 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。

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。” 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 及 物 料 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

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

制 造 任 务 和 生 产 品 种 变 化 而 迅 速 进 行 调 整 的 自 动 化 制 心、ＣＮＣ机床；亦可采用专用机床或ＮＣ专 用 机 床 ，对 物 料 搬 运 系 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

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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 ，

统柔性的要求 低 于ＦＭＳ，但 生 产 率 更 高 。 它 是 以 离 散 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。

２． 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 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

迄今已进入实用化阶段。

４） 柔性制造工厂（ＦＭＦ）

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

ＦＭＦ是 将 多 条ＦＭＳ连 接 起 来，配 以 自 动 化 立 体 控制系统，成为现代自动化系统中的一个组成部分。

３． 柔性制造技术的发展趋势

３． 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。

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

３． ２ ＭＬ

发展效率更高的ＦＭＬ

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

多 品 种 大 批 量 的 生 产 企 业 如 汽 车 及 拖 拉 机 等 工 厂 对Ｆ

体 ，以 信 息 流 控 制 物 质 流 的 智 能 制 造 系 统（ＩＭＳ）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 为 代 表 ，其 特 点 是实现工厂柔性化及自动化。

控机床替代通用的加工中心将是ＦＭＬ的发展趋势。

３． ３

及 钣

朝多功能方向发展

２． 柔性制造所采用的关键技术 ２．１ 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

由 单 纯 加 工 型ＦＭＳ进 一 步 发 展 成 以 焊 接 、装 配 、检 验 材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种功能的ＦＭＳ。

４． 结束语

柔 性 制 造 技 术 是 为 实 现 未 来 工 厂 的 新 颖 概 念 模 式 和 新 的

发展趋势而发展起来的技术， 是决定制造企业未来发展前途的

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 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 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。

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

２．２ 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

学

用 。

， 可以这

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。２１世纪初，人工智能在柔性制造技术中的应用规模更

大。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参数，以达到最佳工作状态，具 备自动组织能力。故ＩＭＴ被称为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

于人工神经网络的自学方法引起人们极大的关注。

２．３ 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

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