[科普中国]-柔性自动化生产技术

研究范围

柔性自动化生产技术涉及到计算机、网络、控制、信息、监测、生产系统仿真、质量控制与生产管理等技术。其主要研究范围一般可分为：

1.适用于柔性自动化生产的设备

包括数控机床、辅机、传输装置、机器人、存储装置、柔性自动装夹具、检具、交换装置及更换装置、接口等。

2.自动化控制和管理技术

包括分布式数字控制技术、质量统计和管理信息集成技术、生产规则和动态调度控制技术、计算机技术、网络技术、通讯技术、生产系统仿真技术等。

3.联线技术

根据工艺设计，将各种设备联线，形成一个自动化生产的有机整体，既具有一定范围的适用性，又具有较好的可变性。包括FMC、FMS、FML、FA等1。

加工特点与传统机械加工方法相比，数控加工具有以下特点：

（1）可以加工具有复杂型面的工件

在数控机床上，所加工零件的形状主要取决于加工程序。非常复杂的工件都能加工。

（2）加工精度高，质量稳定

数控机床本身的精度比普通机床高，一般数控机床的定位精度为0.01mm，重复定位精度为0.005mm；而且在数控机床加工过程中，操作人员并不参与，所以消除了操作者的人为误差，工件的加工精度全部由数控机床保证；又因为数控加工采用工序集中，减少了工件多次装夹对加工精度的影响。基于以上几点，数控加工工件的精度高，尺寸一致性好，质量稳定。

（3）生产率高

数控加工可以有效地减少零件的加工时间和辅助时间。由于数控机床的主轴转速、进给速度快及其快速定位，通过合理选择切削用量，充分发挥刀具的切削性能，可以减少零件的加工时间。此外，数控加工一般采用通用或组合夹具，因此在数控加工前不需划线，而且加工过程中能进行自动换刀，减少了辅助时间。

（4）改善劳动条件

在数控机床上从事加工的操作者，其主要任务是编写程序、输入程序、装卸零件、准备刀具、观测加工状态、以及检验零件等，因此劳动强度极大降低。此外，数控机床一般是封闭式加工，既清洁，又安全，使劳动条件得到了改善。

（5）有利于生产管理现代化

因为相同工件所用时间基本一致，所以数控加工可预先估算加工工件所需时间，因此工时和工时费用可以精确估计。这既便于编制生产进度表，又有利于均衡生产和取得更高的预计产量。此外，对数控加工所使用的刀具、夹具可进行规范化管理。以上特点均有利于生产管理的现代化。

（6）数控加工是CAD/CAM技术和先进制造技术的基础2。

选择依据柔性自动化生产技术的高效性、灵活性和缩短投产准备时间等特性使其成为实施灵捷制造、并行工程、精益生产和智能制造等先进制造系统的基础。

柔性自动化生产技术起源于切削加工，如今已遍及到机械制造业的各个领域，包括：电火花加工、激光加工、板材剪切和折弯、冲压加工、水喷射加工、焊接及自动化装配等，甚至还应用到测量、热处理和喷漆涂覆等领域。

柔性自动化生产技术是当前机械制造业适应市场动态需求及产品不断迅速更新的主要手段，是先进制造技术的基础技术。实践证明，应用由不同柔性自动化水平构成的制造系统可提高生产率1~4倍，新产品试制周期和费用减少1/3~1/2。从而可缩短制造周期和交货期，加快产品更新换代，大幅度降低成本，提高企业对市场变化的应变能力和竞争能力，给企业带来明显的经济效益。

为了提高我国在国际市场上的竞争能力和振兴机械制造业，采用先进制造技术势在必行，但FMC、FMS、FML、FA……等是附加值高的高科技产品，依靠进口则费用高昂，而且制造系统包含着技术、管理和人文意识，故必须我国自行研制，才能结合国情，达到先进而适用，且能节约大量外汇，取得巨大的经济效益。

现状及国内外发展趋势美、日、德三国分别于68年、70年和71年开发了首套FMS。到90年代全世界拥有1200套左右FMS，其中日本拥有400套，美国150套，德国100套。自85年到90年FMS的年平均增长率为28.7%。而同期FMC的年平均增长率为72.8%，即FMC的增长率是FMS的2.54倍。

这是由于FMS是根据加工的零件族的工艺选用合适数控机床的品种和数量组成的制造系统，因而系统较复杂，虽然生产效率高，但投资较大，资金回收期长，也就承担较大的风险。而FMC由于是采用模块化设计，数控机床品种单一，系统结构比较稳定，可靠性高，且可根据需要扩展组成FMS，有更好的柔性，较少的投资，调整周期短，见较快，经济效益高些，故自80年代中期以来FMC已成为柔性制造系统中主要发展的工程产品。

1990年全球FMS的销售额超过了20亿美元，FMC销售额逾40亿美元，两者约占当年世界机床总销售额的15%，约占数控机床销售额的30%以上。包括各类数控机床在内的柔性制造机床和系统的产值约占90年世界机床总产值465亿美元的55%，其中日本和联邦德国分别高达75%和70%，并呈逐年增加的趋势。因而适用于柔性自动化生产的机床和系统已成为机床工业的主导产品。

1958年清华大学与北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床，虽与日本研制数控车床和数控铣床的时间接近，但由于数控系统和相关的电、液元件未得到相应的发展，所以并没有能形成数控机床产业。直到“六五”期间由北京机床研究所引进日本FANUC数控和伺服系统技术，并经“七五”、“八五”在引进数控技术的基础上消化吸收，才从80年代起逐步形成了我国完整的数控机床产业;同时开发了在CNC单机基础上配置工件自动输送和托盘交换装置的FMC，自主研制了以国产设备为主组成的箱体加工FMS和板材冲压成型FMS等，并为国内汽车行业和摩托车行业研制了柔性自动化生产线，发展了基于DNC的独立制造岛和车间集成信息管理系统等。

但总体而言，无论在柔性自动化生产设备的应用广泛性方面，还是满足国内市场需要方面，与工业发达国家相比有明显不足，至于作为工程系统的FMC、FMS和FML等更还处于初步发展阶段。国内机械制造业使用的为数不多的FMC、FMS和FML也大多自国外引进。

从目前来看，国外柔性自动化生产技术总的发展趋势可归为3F和3S。

所谓3F为：柔性化(Flexibility)、联盟化(Federalization)、新颖化(Fashion)。

所谓3S为：系统化(System)、软件化(Software)、特效化(Speciality)。

具体来说，大致有下列四个方面：

1) 创制新一代数控机床，根据应用场合，既有适合自动化的简约型高速数控机床，又有用于模具加工的超高速精密加工中心，复杂零件加工的多功能复合机床以及新颖的并联机构机床(虚拟轴机床)等。

2) 发展适用于大批量、短节拍的由数控机床组成的自动生产线，达到具有年产量超过30万件、多品种分批生产的经济性。

3) 进一步提高制造系统的生产规划和控制软件的面向对象的特性，以增强其柔性和信息集成性，适应构建CIMS等更高层次柔性自动化生产系统的需要。

4) 研制灵捷制造单元，使其具有高度的自律性和良好的重组性，成为分布式网络集成的智能体，作为实现动态联盟企业实施异地远程协调制造的基础。

国内柔性自动化生产技术的发展总趋势仍是遵循着3F和3S的方向，但又有其特点：

1) 发展适用、可靠和有价格竞争力的数控机床，开发市场急需的高效、精密和缺门产品，不断地提高其功能、性能，更好地适应柔性自动化生产的需求。

2) 大力推进分布式数字控制和管理(DNC)的制造系统，应用DNC技术有效地提高数控机床的利用率和自动化程度。

3) 研制以提高系统的可靠性和实用化为前提，加强物流和信息集成的柔性自动化生产线，以适应我国汽车、电机、家电等行业的大批、高效和多品种生产的需要。

4) 研究适应灵捷制造，并能充分利用现有资源响应市场需要的分布式网络集成制造系统和快速重组制造系统，以提高我国机械制造业的市场竞争能力和快速响应能力1。