1)柔性制造系统的组成
各种定义的描述方法虽然不同,但它们都反映了FMS应具备以下特征:
(1)从硬件的形式看它由三部分组成:①两台以上的数控机床或加工中心及其他的加工设备,包括测量机、各种特种加工设备等;②一套能自动装卸的运储系统,包括刀具的运储和工件原材料的运储,具体可采用传送带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘和交换工作站等;③一套计算机控制及信息通信网络控制系统。
(2)从软件内容看主要包括:①FMS的运行控制;②FMS的质量保证;③FMS的数据管理和通信网络。
(3)FMS的功能主要包括:①能自动进行零件的批量生产,自动控制制造质量,自动进行故障诊断及处理,自动进行信息收集及传输;②简单地改变软件,便能制造出某一零件族的任何零件;③物料的运输和存储必须是自动的(包括刀具等工装和工件);④能解决多种机床条件下零件的混流加工且无需额外增加费用;⑤具有优化调度管理功能,能实现无人化或少人化加工。
根据实际情况,某些企业实施的FMS与上述FMS的特征有些差别,因此称为准FMS,也有些人称为DNC系统。一般可以认为缺少自动化物流系统的是DNC系统,否则可称为FMS。因为DNC系统与FMS之间主要的区别在于是否有自动物流系统,所以两者在系统的调度与管理上存在一些差别。
由于FMS将硬件、软件、数据库与信息集成在一起,融合了普通NC机床的灵活性和专用机床及刚性自动化系统的高效率、低成本,因而具有许多优点:①在计算机直接控制下实现产品的自动化制造,大大提高了加工精度和生产过程的可靠性;②使生产过程的控制和流程连续,并且达到最佳化,有效提高了生产效率;③实现系统内材料、刀具、机床、运储、夹具及测量检查站的理想配置,具有良好的柔性;④可直接调整物流(即工件流、工具流)和制造中的各项工序,制造不同品种的产品,大大提高了设备的利用率。
近30年来,在制造自动化技术领域以柔性制造单元和柔性制造系统为代表的柔性制造技术得到了快速发展和应用,用以实现高柔性、高生产率、高质量和低成本的产品制造,使企业生产经营能力整体优化,适应产品更新和市场快速变化,保持企业在市场上的竞争优势。
柔性制造自动化技术包含FMS的四个基本部分中的自动化技术,即自动化的加工设备、自动化的刀具系统、自动化物流系统及自动化控制与管理系统;还包括各组成部分之间的有机结合和配合,即物流和信息流集成技术及人与系统集成技术。FMT大致包含下列内容:规划设计自动化、设计管理自动化、作业调度自动化、加工过程自动化、系统监控自动化、离散事件动态系统的理论与方法、FMS的体系结构、FMS系统管理软件技术、FMS中的计算机通信和数据库技术。
FMT及FMS发展之所以如此迅猛,是因其集高效率、高质量和高柔性三者于一体,解决了近百年来中小批量、中大批量多品种和生产自动化的技术难题,FMS的问世和发展确实是机械制造业生产及管理上的历史性变革,FMT及FMS能有力地支持企业实现优质、高效、低成本和短周期的竞争优势,已成为现代集成制造系统必不可少的基石和支柱。半个世纪以来,FMT的出现、发展、进步和广泛应用,对机械加工行业及工厂自动化技术发展产生了重大影响,并开创了工厂自动化技术应用的新领域,大大促进了计算机集成制造技术的发展和应用。20世纪60—80年代,世界范围内的FMS获得了年增长率约为15%的快速发展和应用。在FMS领域,美国、西欧和日本居世界前列。美国是发展FMS最早的国家,多数由自动生产线改建,用数控加工中心机床代替组合机床并加上计算机控制,其规模一般较大(9~10台),平均投资1 500万美元,加工3~150种零件,年产量为2 000~10万件。在美国,特别是FMC得到了快速地发展和应用。(www.daowen.com)
日本是发展FMS较晚的国家。1992年日本调查了涉及10个行业的12 073家企业,金属切削机床总数为719 626台,数控化率20.8%(1987年为10.9%),德国发展FMS的情况与美国、日本有所不同,主要用于中小规模企业,FMS规模较小(4~6台机床)。从规模上看,FMS以4~6台机床组成的为最多,一般不多于10台;从批量上看,以10~50件和50~1 000件为最多;从年产量上看,以3 000~30 000件为最多。
进入20世纪90年代后,尽管发展FMS遇到了一些困难,由于机床制造业出现了世界性的滑坡,影响了FMC、FMS的发展和应用速度。但工业界经长期实践,积累了丰富的经验和教训,已超越了早期FMS技术概念的约束,不再盲目追求实现加工过程的全盘自动化,更加注重信息集成和人在计算机集成制造系统和柔性制造系统中的积极作用。认识对FMS而言,如果系统规模小些,并允许人更多地能动介入,系统运行往往会更有成效。现在FMT已朝着更加正确的方向发展,并开发了新的柔性制造设备,如由高性能柔性加工中心构成的FMC、FTL得到广泛的应用。
当今,“柔性”“敏捷”“智能”和“集成”是制造设备和系统的主要发展趋势。FMT仍在继续发展之中,并将更趋于成熟和实用。FMS的构成和应用形式将更加灵活和多样,为越来越多的企业所接受。特别是随着工业机器人技术的成熟和应用,小型FMS在吸取了应用实践经验后发展迅速,其总体结构通常采用模块化、通用化、硬软件功能兼容和可扩展的设计技术。这些模块具有通用功能化特征,相对独立性好,配有相应硬软件接口,按不同需求进行组合和扩展。与大型FMS相比,投资较低,运行可靠性好,成功率较高。这种小型化FMS伴随着DNC、FMS技术发展而附带生产的FMC技术将得到快速发展和广泛应用,并可能形成商品化的柔性制造设备,成为制造业先进设备的主要发展趋势和面向21世纪的先进生产模式。
2)柔性制造的发展趋势
(1)利用技术相对成熟的标准化模块去构造不同用途的系统。
(2)FMC功能进一步发展和完善。FMC比传统制造单元功能全,比FMS规模小、投资少、可靠,也便于连接成功能可扩展的FMS。
(3)FMS效益显著,有向小型化、多功能化方向发展的趋势。
(4)在已有的传统组合机床及其自动线基础上发展起来了FTL,用计算机控制管理,保留了组合机床模块结构和高效特点,又加入了数控技术的有限柔性。
(5)向集成化、智能化方向发展。
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