柔性自動化生產技術

柔性自動化生產技術涉及到計算機、網絡、控制、信息、監測、生產系統仿真、質量控制與生產管理等技術。其主要研究範圍一般可分為：

1.適用於柔性自動化生產的設備

包括數控機牀、輔機、傳輸裝置、機器人、存儲裝置、柔性自動裝夾具、檢具、交換裝置及更換裝置、接口等。

2.自動化控制和管理技術

包括分佈式數字控制技術、質量統計和管理信息集成技術、生產規則和動態調度控制技術、計算機技術、網絡技術、通訊技術、生產系統仿真技術等。

3.聯線技術

根據工藝設計，將各種設備聯線，形成一個自動化生產的有機整體，既具有一定範圍的適用性，又具有較好的可變性。包括FMC、FMS、FML、FA等 ^[1]  。

與傳統機械加工方法相比，數控加工具有以下特點：

（1）可以加工具有複雜型面的工件

在數控機牀上，所加工零件的形狀主要取決於加工程序。非常複雜的工件都能加工。

（2）加工精度高，質量穩定

數控機牀本身的精度比普通機牀高，一般數控機牀的定位精度為0.01mm，重複定位精度為0.005mm；而且在數控機牀加工過程中，操作人員並不參與，所以消除了操作者的人為誤差，工件的加工精度全部由數控機牀保證；又因為數控加工採用工序集中，減少了工件多次裝夾對加工精度的影響。基於以上幾點，數控加工工件的精度高，尺寸一致性好，質量穩定。

（3）生產率高

數控加工可以有效地減少零件的加工時間和輔助時間。由於數控機牀的主軸轉速、進給速度快及其快速定位，通過合理選擇切削用量，充分發揮刀具的切削性能，可以減少零件的加工時間。此外，數控加工一般採用通用或組合夾具，因此在數控加工前不需劃線，而且加工過程中能進行自動換刀，減少了輔助時間。

（4）改善勞動條件

在數控機牀上從事加工的操作者，其主要任務是編寫程序、輸入程序、裝卸零件、準備刀具、觀測加工狀態、以及檢驗零件等，因此勞動強度極大降低。此外，數控機牀一般是封閉式加工，既清潔，又安全，使勞動條件得到了改善。

（5）有利於生產管理現代化

因為相同工件所用時間基本一致，所以數控加工可預先估算加工工件所需時間，因此工時和工時費用可以精確估計。這既便於編制生產進度表，又有利於均衡生產和取得更高的預計產量。此外，對數控加工所使用的刀具、夾具可進行規範化管理。以上特點均有利於生產管理的現代化。

（6）數控加工是CAD/CAM技術和先進製造技術的基礎 ^[2]  。

柔性自動化生產技術的高效性、靈活性和縮短投產準備時間等特性使其成為實施靈捷製造、並行工程、精益生產和智能製造等先進製造系統的基礎。

柔性自動化生產技術起源於切削加工，如今已遍及到機械製造業的各個領域，包括：電火花加工、激光加工、板材剪切和折彎、衝壓加工、水噴射加工、焊接及自動化裝配等，甚至還應用到測量、熱處理和噴漆塗覆等領域。

柔性自動化生產技術是當前機械製造業適應市場動態需求及產品不斷迅速更新的主要手段，是先進製造技術的基礎技術。實踐證明，應用由不同柔性自動化水平構成的製造系統可提高生產率1~4倍，新產品試製週期和費用減少1/3~1/2。從而可縮短製造週期和交貨期，加快產品更新換代，大幅度降低成本，提高企業對市場變化的應變能力和競爭能力，給企業帶來明顯的經濟效益。

為了提高我國在國際市場上的競爭能力和振興機械製造業，採用先進製造技術勢在必行，但FMC、FMS、FML、FA……等是附加值高的高科技產品，依靠進口則費用高昂，而且製造系統包含着技術、管理和人文意識，故必須我國自行研製，才能結合國情，達到先進而適用，且能節約大量外匯，取得巨大的經濟效益。

美、日、德三國分別於68年、70年和71年開發了首套FMS。到90年代全世界擁有1200套左右FMS，其中日本擁有400套，美國150套，德國100套。自85年到90年FMS的年平均增長率為28.7%。而同期FMC的年平均增長率為72.8%，即FMC的增長率是FMS的2.54倍。

這是由於FMS是根據加工的零件族的工藝選用合適數控機牀的品種和數量組成的製造系統，因而系統較複雜，雖然生產效率高，但投資較大，資金回收期長，也就承擔較大的風險。而FMC由於是採用模塊化設計，數控機牀品種單一，系統結構比較穩定，可靠性高，且可根據需要擴展組成FMS，有更好的柔性，較少的投資，調整週期短，見較快，經濟效益高些，故自80年代中期以來FMC已成為柔性製造系統中主要發展的工程產品。

1990年全球FMS的銷售額超過了20億美元，FMC銷售額逾40億美元，兩者約佔當年世界機牀總銷售額的15%，約佔數控機牀銷售額的30%以上。包括各類數控機牀在內的柔性製造機牀和系統的產值約佔90年世界機牀總產值465億美元的55%，其中日本和聯邦德國分別高達75%和70%，並呈逐年增加的趨勢。因而適用於柔性自動化生產的機牀和系統已成為機牀工業的主導產品。

1958年清華大學與北京第一機牀廠合作研製了我國第一台數控銑牀，雖與日本研製數控車牀和數控銑牀的時間接近，但由於數控系統和相關的電、液元件未得到相應的發展，所以並沒有能形成數控機牀產業。直到“六五”期間由北京機牀研究所引進日本FANUC數控和伺服系統技術，並經“七五”、“八五”在引進數控技術的基礎上消化吸收，才從80年代起逐步形成了我國完整的數控機牀產業;同時開發了在CNC單機基礎上配置工件自動輸送和托盤交換裝置的FMC，自主研製了以國產設備為主組成的箱體加工FMS和板材衝壓成型FMS等，併為國內汽車行業和摩托車行業研製了柔性自動化生產線，發展了基於DNC的獨立製造島和車間集成信息管理系統等。

但總體而言，無論在柔性自動化生產設備的應用廣泛性方面，還是滿足國內市場需要方面，與工業發達國家相比有明顯不足，至於作為工程系統的FMC、FMS和FML等更還處於初步發展階段。國內機械製造業使用的為數不多的FMC、FMS和FML也大多自國外引進。

國外柔性自動化生產技術總的發展趨勢可歸為3F和3S。

所謂3F為：柔性化(Flexibility)、聯盟化(Federalization)、新穎化(Fashion)。

所謂3S為：系統化(System)、軟件化(Software)、特效化(Speciality)。

具體來説，大致有下列四個方面：

1) 創制新一代數控機牀，根據應用場合，既有適合自動化的簡約型高速數控機牀，又有用於模具加工的超高速精密加工中心，複雜零件加工的多功能複合機牀以及新穎的並聯機構機牀(虛擬軸機牀)等。

2) 發展適用於大批量、短節拍的由數控機牀組成的自動生產線，達到具有年產量超過30萬件、多品種分批生產的經濟性。

3) 進一步提高製造系統的生產規劃和控制軟件的面向對象的特性，以增強其柔性和信息集成性，適應構建CIMS等更高層次柔性自動化生產系統的需要。

4) 研製靈捷製造單元，使其具有高度的自律性和良好的重組性，成為分佈式網絡集成的智能體，作為實現動態聯盟企業實施異地遠程協調製造的基礎。

國內柔性自動化生產技術的發展總趨勢仍是遵循着3F和3S的方向，但又有其特點：

1) 發展適用、可靠和有價格競爭力的數控機牀，開發市場急需的高效、精密和缺門產品，不斷地提高其功能、性能，更好地適應柔性自動化生產的需求。

2) 大力推進分佈式數字控制和管理(DNC)的製造系統，應用DNC技術有效地提高數控機牀的利用率和自動化程度。

3) 研製以提高系統的可靠性和實用化為前提，加強物流和信息集成的柔性自動化生產線，以適應我國汽車、電機、家電等行業的大批、高效和多品種生產的需要。

4) 研究適應靈捷製造，並能充分利用現有資源響應市場需要的分佈式網絡集成製造系統和快速重組製造系統，以提高我國機械製造業的市場競爭能力和快速響應能力 ^[1]  。