柔性制造系統的關鍵技術及發展趨勢

李敬遠 滕巍岳

柔性制造系統（FMS）系指具有自動化程度高的制造系統。 目前 所談及的FMS通常是指在批量切削加工中以先進的自動化和高水平的柔性為目標的制造系統。隨著 社會 對產品多樣化、低制造成本及短制造周期等需求日趨迫切，FMS 發展 頗為迅速，并且由于微 電子 技術、 計算 機技術、通信技術、機械與控制設備的發展，也促使柔性制造技術日臻成熟，80年代后，制造業自動化進入一個嶄新 時代 ，即基于計算機的集成制造（CIMS）時代，FMS已成為各 工業 化國家機械制造自動化的研制發展重點。

一、規模

按規模大小FMS可分為如下4類：

1.柔性制造單元（FMC）

FMC的問世并在生產中使用約比FMS晚6～8年，它是由1～2臺加工中心、工業機器人、數控機床及物料運送存貯設備構成，具有適應加工多品種產品的靈活性。FMC可視為一個規模最小的FMS，是FMS向廉價化及小型化方向發展和一種產物，其特點是實現單機柔性化及自動化，迄今已進入普及 應用 階段。

2.柔性制造系統（FMS）

通常包括4臺或更多臺全自動數控機床（加工中心與車削中心等），由集中的控制系統及物料搬運系統連接起來，可在不停機的情況下實現多品種、中小批量的加工及管理。

3.柔性制造線（FML）

它是處于單一或少品種大批量非柔性自動線與中小批量多品種FMS之間的生產線。其加工設備可以是通用的加工中心、CNC機床；亦可采用專用機床或NC專用機床，對物料搬運系統柔性的要求低于FMS，但生產率更高。它是以離散型生產中的柔性制造系統和連續生產過程中的分散型控制系統（DCS）為代表，其特點是實現生產線柔性化及自動化，其技術已日臻成熟，迄今已進入實用化階段。

4.柔性制造工廠（FMF）

FMF是將多條FMS連接起來，配以自動化立體倉庫，用計算機系統進行聯系，采用從訂貨、設計、加工、裝配、檢驗、運送至發貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計算機集成制造系統（CIMS）投入實際，實現生產系統柔性化及自動化，進而實現全廠范圍的生產管理、產品加工及物料貯運進程的全盤化。FMF是自動化生產的最高水平，反映出世界上最先進的自動化應用技術。它是將制造、產品開發及經營管理的自動化連成一個整體，以信息流控制物質流的智能制造系統（IMS）為代表，其特點是實現工廠柔性化及自動化。

二、關鍵技術

1.計算機輔助設計

未來CAD技術發展將會引入專家系統，使之具有智能化，可處理各種復雜的 問題 。當前設計技術最新的一個突破是光敏立體成形技術，該項新技術是直接利用CAD數據，通過計算機控制的激光掃描系統，將三維數字模型分成若干層二維片狀圖形，并按二維片狀圖形對池內的光敏樹脂液面進行光學掃描，被掃描到的液面則變成固化塑料，如此循環操作，逐層掃描成形，并自動地將分層成形的各片狀固化塑料粘合在一起，僅需確定數據，數小時內便可制出精確的原型。它有助于加快開發新產品和研制新結構的速度。

2.模糊控制技術

模糊數學的實際應用是模糊控制器。最近開發出的高性能模糊控制器具有自 學習 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作調整，使系統性能大為改善，其中尤其以基于人工神經 網絡 的自學 方法 更引起人們極大的關注。3.人工智能、 專家系統及智能傳感器技術

迄今，FMS中所采用的人工智能大多指基于規則的專家系統。專家系統利用專家知識和推理規則進行推理，求解各類 問題 （如解釋、預測、診斷、查找故障、設計、計劃、監視、修復、命令及控制等）。由于專家系統能簡便地將各種事實及經驗證過的 理論 與通過經驗獲得的知識相結合，因而專家系統為FMS的諸方面工作增強了柔性。展望未來，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）技術必將在FMS（尤其智能型）中起著關鍵性的作用。人工智能在未來FMS中將發揮日趨重要的作用。 目前 用于FMS中的各種技術，預計最有 發展 前途的仍是人工智能。預計到21世紀初，人工智能在FMS中的 應用 規模將要比目前大4倍。智能制造技術（IMT）旨在將人工智能融入制造過程的各個環節，借助模擬專家的智能活動，取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動。在制造過程，系統能自動監測其運行狀態，在受到外界或內部激勵時能自動調節其參數，以達到最佳工作狀態，具備自組織能力。故IMT被稱為未來21世紀的制造技術。對未來智能化FMS具有重要意義的一個正在急速發展的領域是智能傳感器技術。該項技術是伴隨 計算 機應用技術和人工智能而產生的，它使傳感器具有內在的"決策"功能。

4.人工神經 網絡 技術

人工神經網絡（ANN）是模擬智能生物的神經網絡對信息進行并行處理的一種 方法 。故人工神經網絡也就是一種人工智能工具。在自動控制領域，神經網絡不久將并列于專家系統和模糊控制系統，成為 現代 自支化系統中的一個組成部分。

三、發展趨勢

1.FMC將成為發展和應用的熱門技術

這是因為FMC的投資比FMS少得多而 經濟 效益相接近，更適用于財力有限的中小型 企業 。目前國外眾多廠家將FMC列為發展之重。

2.發展效率更高的FML

多品種大批量的生產企業如汽車及拖拉機等工廠對FML的需求引起了FMS制造廠的極大關注。采用價格低廉的專用數控機床替代通用的加工中心將是FML的發展趨勢。

3.朝多功能方向發展

由單純加工型FMS進一步開發以焊接、裝配、檢驗及鈑材加工乃至鑄、鍛等制造工序兼具的多種功能FMS。 FMS是實現未來工廠的新穎概念模式和新的發展趨勢，是決定制造企業未來發展前途的具有戰略意義的舉措。目前反映工廠整體水平的FMS是第一代FMS，90年代此種狀況仍將會持續下去，日本從1991年開始實施的"智能制造系統"（IMS）國際性開發項目，屬于第二代FMS；而真正完善的第二代FMS預計至21世紀才會實現。屆時，智能化機械與人之間將相互融合、柔性地全面協調從接受訂單貨至生產、銷售這一企業生產經營的全部活動。

80年代中期以來，FMS獲得迅猛發展，幾乎成了生產自動化之熱點。一方面是由于單項技術如NC加工中心、 工業 機器人、CAD/CAM、資源管理及高度技術等的發展，提供了可供集成一個整體系統的技術基礎；另一方面，世界市場發生了重大變化，由過去傳統、相對穩定的市場，發展為動態多變的市場，為了從市場中求生存、求發展，提高企業對市場需求的應變能力，人們開始探索新的生產方法和經營模式。近年來，FMS作為一種現代化工業生產的 科學 "哲理"和工廠自動化的先進模式已為國際上所公認，可以這樣認為：FMS是在自動化技術、信息技術及制造技術的基礎，將以往企業中相互獨立的工程設計、生產制造及經營管理等過程，在計算機及其軟件的支撐下，構成一個覆蓋整個企業的完整而有機的系統，以實現全局動態最優化，總體高效益、高柔性，并進而贏得競爭全勝的智能制造系統。FMS作為當今世界制造自動化技術發展的前沿 科技 ，為未來機構制造工廠提供了一幅宏偉的藍圖，將成為21世紀機構制造業的主要生產模式。

作者簡介：李敬遠，1992，05，05.鄭州大學機械工程學院。

滕巍岳，1996，02，13.鄭州大學機械工程學院。