浅谈柔性制造系统的应用现状及发展趋势

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本科毕业论文（设计）题目浅谈柔性制造系统的应用现状及发展趋势

学院理工学院

专业机械设计制造及其自动化

年级xxx 级

学号xxxxxxxx

姓名xx

指导教师xx

成绩

20xx年 xx 月 xx 日

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

ABSTRACT (1)

KEY WORDS (1)

引言 (2)

1.柔性制造系统的产生背景 (2)

2.柔性制造系统的定义及组成 (3)

2.1柔性制造系统的定义 (3)

2.2柔性制造系统的组成 (3)

2.2.1加工系统 (4)

2.2.2运储系统 (4)

2.2.3刀具的运储设备 (5)

2.2.4 柔性制造系统的控制与管理系统 (5)

2.3 柔性制造系统的特点 (6)

3 柔性制造系统的发展 (6)

3.1国外的发展 (6)

3.2国内的发展 (8)

4 柔性制造系统的趋势 (9)

4.1 向小型化、单元化方向发展 (9)

4.2 向模块化、集成化方向发展 (10)

4.3 单项技术性能与系统性能不断提高 (10)

4.4 重视人的因素 (10)

4.5 应用范围逐步扩大 (10)

5 结论 (11)

参考文献 (12)

致谢 (13)

浅谈柔性制造系统的应用现状及发展趋势

摘要：市场竞争和客户的个性化需求使现代的制造业中多品种，中、小批量生产所占的比重越来越大。柔性制造系统正是为适应这种新的市场环境而发展起来的。本文主要阐述了柔性制造系统的概念，发展历史，系统组成，分析了柔性制造系统的应用现状，使人们能认识柔性制造系统、了解柔性制造系统，知道柔性制造系统的现状和目前柔性制造系统自身的一些不足，让柔性制造系统的发展得到人们的重视，从而让更多的人来关注柔性制造系统。

关键词：柔性系统；发展；组成；发展现状

Abstract:Market competition and personalized customer demand so that modern

manufacturing industry in many varieties, small batch production, in the proportion of the growing. Flexible manufacturing system is to adapt to the new market environment and the development of. This article mainly elaborated the flexible manufacturing system concept, development history, system composition, analysis of the flexible manufacturing system's application present situation, so that people can know about the flexible manufacturing system, flexible manufacturing system FMS, know the present situation and the flexible manufacturing system of the limitation, make development of flexible manufacturing systems to get people's attention, and allow more people to pay attention to flexible manufacturing system.

Key words:flexible system; development; composition; development status

引言

20世纪60年代以来，随着生活水平的提高，用户对产品的需求向着多样化、新颖化的方向发展，传统的适用于大批量生产的自动线生产方式已不能满足企业的要求，企业必须寻找新的生产技术以适应多品种、中小批量的市场需求。同时，计算机数控（CN）、计算机直接控制（又称群控）（DNC）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助设计（CAD）、成组技术（GT）、计算机辅助工艺规程（CAPP）、工业机器人技术（ROBOT）等新技术的出现也为柔性制造系统奠定了基础，在这种情况下，柔性制造技术应运而生。柔性制造系统作为一种新的制造技术，在零件加工业以及与加工和装配相关的领域都得到了广泛的应用。目前，柔性制造技术的使用越来越普遍，人们也越来越关注它。

1.柔性制造系统的产生背景

制造业的发展，应满足提高生产率、降低成本、提高产品性能的要求，经过纯手工加工到全自动生产的过程，并在不断完善和提高。

避开手工加工，对于大批量、少品种的生产，自动化流水线在制造业的发展史上占重要地位，它有整套连贯的制造设备和物流设备，相对稳定的加工工艺，固定的生产节拍。自动化流水线的自动化是刚性的，即刚性自动化(Fixed Amomation)，一套自动化流水线只生产一种产品，要改变生产品种非常困难和昂贵。

但随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑战。这种挑战不仅对中小企业形成了威胁，而且也困扰着大中型企业。因为，在大批量生产方式中，柔性和生产率是相互矛盾的。众所周知，只有品种单一、批量大、设备专用、工艺稳定、效率高，才能构成规模经济效益；反之，多品种、小批量生产，设备的专用性低，在加工形式相似的情况下，频繁的调整工夹具，工艺稳定难度增大，生产效率势必受到影响。为了同时提高制造工

业的柔性和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本，使中小批量生产能与大批量生产抗衡，柔性自动化系统便应运而生。

1950年，美国MIT诞生了第一台三坐标数控铣床以后，机电一体化及数控（NC）的概念出现了。机电一体化技术进一步发展，出现了计算机数控（CN）、计算机直接控制（又称群控）（DNC）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助设计（CAD）、成组技术（GT）、计算机辅助工艺规程（CAPP）、工业机器人技术（ROBOT）等新技术。为柔性制造系统的发展奠定良好的基础。

2.柔性制造系统的定义及组成

2.1柔性制造系统的定义

柔性制造系统至今仍未有统一、明确、公认的定义，不同的国家、企业、学者和用户往往各有各的说法，所强调的关键特征也各有差异。所以，确切地定义柔性制造系统要比具体地描述一个柔性制造系统困难得多。

美国国家标准局定义柔性制造系统为：由一个传输系统联接起来的一些设备(通常是具有自动换刀装置的加工中心机床)组成，传输装置把工件放在托盘或其他联接装置上送到各加工设备，加工设备和传输系统在中央计算机控制下，使工件加工准确、迅速和自动化。柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。

日本国际贸易与工业部定义柔性制造系统为：由2台或更多NC机床组成的系统，这些机床与自动物料管理设备一一连接，在计算机或类似设备控制下完成自动加工或处理操作，从而可加工多个不同形状和尺寸的工件。

中国机械部北京机械工业自动化研究所1993年编写的《制造自动化术语汇编》中，定义柔性制造系统为：将自动化生产系统从少品种大批量生产型转向多品种生产型的柔性化系统。柔性制造系统包括：(1)机械加工中心等加工作业机床；(2)加工对象的辅助作业工业机器人和托盘；(3)加工对象的搬运作业工业机器人/传送带/无人搬运车；(4)存贮工件的自动仓库；(5)上述作业用的各种自动设备的管理和控制用计算机。

2.2柔性制造系统的组成

2.2.1加工系统

柔性制造系统采用的设备由待加工工件的类别决定,主要有加工中心、车削中心或计算机数控(CNC)车、铣、磨及齿轮加工机床等,用以自动地完成多种工序的加工。无论采用何种加工系统，纳入柔性制造系统运行的加工机床应当是可靠的、自动化的、高效率的，加工设备加工系统是柔性制造系统最基本的组成部分，也是柔性制造系统中耗资最多的部分，柔性制造系统的加工能力很大程度上是由它所包含的加工系统所决定的。应满足如下性能要求：

（1）工序集中：减轻柔性制造系统物流的负担，保证柔性制造系统的加工质量。

（2）控制功能强、扩展性好：方便系统的调整和扩展，减轻网络通讯和上级控制器的负担。

（3）高刚度、高精度、高速度：使加工出来的零件质量更高，生产效率提高。

（4）自保护和自维护性好：能及时的发现故障和预警，使系统得到保护，从而提高使用时间。

（5）使用经济性好：回收导轨油、断排屑处理快速、彻底，以延长刀具使用寿命，节省运行成本，也能保证系统长期安全、稳定、有效的工作。

（6）对环境的适应性与保护性好：能加大使用的范围，使其得到普遍的应用，自我保护性好，能保证良好的运行环境。

2.2.2运储系统

物料系统用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸，以及完成工序间的自动传送、调运和存贮工作，而这项工作占据了加工的大部分时间，合理的选择物料运储系统，可以大大的减少物料的运送时间，提高整个制造系统的柔性和效率，柔性制造系统工件运储系统的组成部分：

（1）工件装卸站：设在柔性制造系统的入口处，由人工对毛坯和已加工好的零件进行装卸。

（2）托盘缓冲站：它是一种代加工零件的中间存储装置，对物料起着缓冲作用，一般设置在机床附近，呈直线或环形。

（3）自动化仓库：柔性制造系统的自动化仓库一般采用多层立体布局结构形式。由计算机控制，服从柔性制造系统的命令和调度。一般由货架，堆垛机和计算机管理系统组成。

（4）物料运载装置：他负责工件与其他物料的运送任务，担负物料在各机床加工机床，自动化仓库和托盘缓冲站之间的搬送和输送作业。常见的物料运载装置有传送带、自动运输小车、搬运机器人等。

2.2.3刀具的运储设备

刀具管理系统主要负责刀具的运输、存储和管理，适时地向加工单元提供所需的刀具，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或耐用度已耗尽的刀具，在保证正常生产的同时，最大程度地降低刀具的成本，刀具管理系统的功能和柔性程度直接影响到整个柔性制造系统的柔性和生产率。通常由刀库系统、刀具预调站、刀具装卸站、刀具交换装置以及管理控制刀具流的计算机组成。

2.2.4 柔性制造系统的控制与管理系统

通常采用递阶控制的结构形式，即通过对系统的控制功能进行正确、合理地分解，划分成若干层次，各层次分别进行独立处理，完成各自的功能，层与层之间在网络和数据库的支持下，保持信息交换，上层向下层发送命令，下层向上层回送命令的执行结果。

通过信息联系，构成完整的系统，以减少全局控制的难度和控制软件开发的难度。

系统的特点：每层的信息流都是双向流动的，向下可下达控制指令，分配控制任务，监控下层的作业过程；向上可反馈控制状态，报告现场生产数据。

在控制的实时性和处理信息量方面，各层控制计算机是有所区别的：愈往底层，其控制的实时性要求愈高，而处理的信息量则愈小；愈到上层，其处理信息量愈大，而对实时性要求则愈小。

2.3 柔性制造系统的特点

柔性制造系统经过40多年的发展，柔性和自动化是其最大特点，柔性主要包含以下7个方面：

(1)设备柔性系统中的加工设备具有适应加工对象变化的能力。其衡量指标是当加工对象的类、族、品种变化时，加工设备所需刀、夹、辅具的准备和更换时间；硬、软件的交换与调整时间；加工程序的准备与调校时间等。

(2)工艺柔性系统能以多种方法加工某一族工件的能力。工艺柔性也称加工柔性或混流柔性，其衡量指标是系统不采用成批生产方式而同时加工的工件品种数。

(3)产品柔性系统能经济而迅速地转换到生产一族新产品的能力。产品柔性也称反应柔性。衡量产品柔性的指标是系统从加工一族工件转向加工另一族工件时所需的时间。

(4)工序柔性系统改变每种工件加工工序先后顺序的能力。其衡量指标是系统以实时方式进行工艺决策和现场调度的水平。

(5)运行柔性系统处理其局部故障并维持继续生产原定工件的能力，其衡量指标是系统发生故障时生产率下降程度或处理故障所需的时间。

(6)批量柔性系统在成本核算上能适应不同批量的能力。其衡量指标是系统保持经济效益的最小运行批量。

(7)扩展柔性系统能根据生产需要方便地进行模块化组建和扩展的能力。其衡量指标是系统可扩展的规模大小和难易程度。

3 柔性制造系统的发展

3.1国外的发展

美国是最早开发柔性制造系统的国家之一，也是目前柔性制造系统研究最深入、应用最广泛的国家之一，美国目前拥有的柔性制造系统主要是从自动线演变而来的。用加工中心代替组合机床, 再加上计算机控制, 大多数用于加工非回转体零件。1981年, 美国正在运行和规划的系统中, 具有代表性的系统是由n台加工中心和两台多轴转塔主轴箱机床组成的, 采用线导式输送车实现工件流的

自动输送, 用于分批或混合加工10种不同的飞机发动机汽缸体。1982年, 美国有14套柔性制造系统在运行。据波士顿一家咨询公司统计, 1983年已增加到38套,1985年为50套, 到1990年将增加到900套,美国在柔性制造系统的投资额,1979年为7亿美元, 以后又略有下降。1982年投资达1.5亿美元,1986年又增到15亿美元, 为1982年投资额的10倍。早在1970年初美国就开始在汽车、农业、建筑部门采用柔性制造系统。最近，宇航及国防有关部门也积极采用柔性制造系统，机床供应部门虽采用柔性制造系统技术稍晚些，但正在迎头赶上。

早在1967年，英国的Molin机械公司就在世界上首先研制了“Molin系统24”，开辟了柔性制造系统发展的道路。但由于设计脱离了当时英国的工业水平，未能正式投入运行。随着柔性制造系统技术的发展，日本、联邦德国、美国等国后来居上，英国反而相形见绌。即便如此，英国的柔性制造系统仍以其历史长，技术精谌立于世界列强之林。1984年底，据有关单位估计，在一百套装置中，西欧占43%，日本占35%，美国22%。在西欧的43套柔性制造系统设备中，有22套在英国。英国现在正积极推行开发柔性制造系统的计划。1980年,英国在柔性制造系统的投资额达l亿英磅,1983年为4亿英磅, 以后逐年增加。到1990年投资额将突破10亿英磅。英国在柔性制造系统上的总投资低于美国。到1990年,英国的汽车制造业在柔性制造系统的投资额将占较大比例,接着是一般的机械工业部门、宇航部门(主要是Rolly ——Royec公司)、机床制造业、电气/电子公司,最后是建筑/农业部门。

日本的柔性制造系统的研究开发晚于英国和美国,1970年才开始装备柔性制造系统,但发展很快,应用数量迅速增长,1975年为1970年的20倍。到1983年已拥有各种柔性制造系统近63套,并广泛应用在机械加工的各个领域中。日本的柔性制造系统也与欧美一样,加工工件的主要形状是箱形体零件。据对日本运行中的54套柔性制造系统调查表明:加工箱体的为43套,占81%;加工回转体的为11套,占19%。构成柔性制造系统的机床数一般不多,大部分在10台以下,主要是加工中心和数控机床。为了适应国际市场竞争的需要, 近年来开发了各种类型的柔性制造系统。1984年在北京举办的“日本金属加工机械技术展览会”上,展出了日本在机床、电机/电器生产以及日本筑波大学实验室所使用的柔性制造系统实例。

联邦德国的柔性制造系统发展的主要特点是柔性较强,柔性制造系统的应用很少,以磨床为主的柔性制造系统的研究成果显著。在以加工种类为特征的柔性方面,联邦德国居于领先地位。世界上70%的系统用于箱形体工件的加工, 联邦德国主要研究圆形加工和轴加工,大大扩大了品种范围,提高了柔性。联邦德国是西欧柔性制造技术最先进的国家,是柔性制造系统的主要出口商,大部分是向英国出口。日本及美国的柔性制造系统在市场上尚未有影响。

目前,苏联约有60套不同柔性水平的柔性制造系统。其中50%在机床和重型机械制造部门应用,汽车制造业占15%,电力设备制造部门占10%,其余应用于化工机械,农业机械制造部门和其它行业。苏联约有40套柔性制造系统生产线用于加工回转体零件,17套用于箱体零件,其它则用来加工回转体零件的批量生产。3.2国内的发展

我国在1983～1985年间, 在国家支持下由一些单位率先进口了国内第一批柔性制造系统,其中代表性的有:湖南江麓机械厂进口德国Werner公司制造的,由两台卧式加工中心(工作台50x50mm) 和一台有轨搬运车组成的系统;郑州纺织机械厂进口德国KLOB公司的由两台龙门式立式加工中心和下台有轨搬运车组成的系统;广西柳州开关厂进口日本春田公司冲压加工系统。北京机床研究所和日本FANUC公司以合作方式建立的制造伺服电机零件的系统,由五台国产数控机床、法兰克的控制系统及日本富士电机公司的AGV搬运小车组成。

从1985年以后,我国机械制造业进入部分自行开发和部分进口的交叉发展柔性制造系统技术阶段。七五计划的机电部国家重点科技攻关项目中,明确提出建立四个系统:济南铸锻所与天水机床电器厂合作研制冲压加工系统,大连机球厂在引进英国KTM公司技术基础上研制箱体加工系统, 大连冷冻机厂和大连组合机床所合作研制加工压缩机壳体的制造系统,北京机床研究所的JCS-柔性制造系统-1直流伺服电机零件柔性制造系统。这四个系统除JCS-柔性制造系统-1系统在1988年底进行了行业总结验收以外, 其它系统都由于种种原因到90年代才陆续完成,大连冷冻机厂的系统中断执行。

1986年后国家863高技术发展计划中自动化领域的研究工作, 促进了柔性制造系统技术的发展,在80年代后期到90年代初又进口和自行开发了一些系统。其中有青海第一机床厂和上海第四机床厂的箱体加工系统;北京机床研究所用自

行开发的技术和设备,配置北京起重机械研究所提供的AGV小车,给天津减速机总厂提供一套加工减速机机座的JCS-柔性制造系统-2制造系统;CIMS工程在清华大学的试验室中建立由两台加工中心和一台车削中心、配置一台德国的AGV 小车构成的柔性制造系统;国防军工系统建立柔性制造系统专业队伍,在长春试验中心研制一套由两台台湾产加工中心和自行研制的搬运车、集中刀具库构成的试验性系统。这几年来国内一些经济实力比较雄厚的工厂,为实施CIMS集成打基础,又进口一些国外系统。如北京第一机床厂从德国WERNER公司进口的由两台lm工作台卧式加工中心及有轨搬运车组成的系统;上海第二纺织机械厂也从该公司进口一套系统;天津减速机总厂从瑞士DIXI集团的WAHLI公司进口一套由两台40x400mm工作台的卧式加工中心和一台ABB公司高架机器人组成的系统,用于加工减速机的针子壳体零件。还有一些企业正在做进口的准备工作。综上所述国内现有的柔性制造系统中,大部分是直接从国外进口,一部分是在国外单机的基础上由国内配套联成系统,或在进口单机制造技术基础上扩展成系统,只有北京机床研究所的JCS-柔性制造系统-2减速机机座系统是全部采用了国产技术。国内的西南大学工程培训中心于2008年购进了一套柔性制造系统。

4 柔性制造系统的趋势

通过近40年的努力和实践，柔性制造系统技术已臻完善，进入了实用化阶段，并已形成高科技产业。随着科学技术的飞跃进步以及生产组织与管理方式的不断更换，柔性制造系统作为一种生产手段也将不断适应新的需求、不断引入新的技术、不断向更高层次发展。

4.1 向小型化、单元化方向发展

早期的柔性制造系统强调规模，但由此产生了成本高、技术难度大、系统复杂、可靠性不好、不利于迅速推广的弱点。自90年代开始，为了让更多的中小企业采用柔性制造技术，柔性制造系统由大型复杂系统，向经济、可靠、易管理、灵活性好的小型化、单元化，即向FMC或FMM方向发展，FMC、FMM的出现得到了用户的广泛认可。

4.2 向模块化、集成化方向发展

为有利于柔性制造系统的制造厂家组织生产、减低成本，也有利于用户按需、分期、有选择性地购置系统中的设备，并逐步扩展和集成为功能更强大的系统，柔性制造系统的软、硬件都向模块化方向发展。以模块化结构(比如将FMC、FMM 作为柔性制造系统加工系统的基本模块)集成柔性制造系统、再以柔性制造系统作为制造自动化基本模块集成CIMS是一种基本趋势。

4.3 单项技术性能与系统性能不断提高

单项技术性能与系统性能不断提高，例如采用各种新技术，提高机床的加工精度、加工效率;综合利用先进的检测手段、网络、数据库和人工智能技术，提高柔性制造系统各单元及系统的自我诊断、自我排错、自我修复、自我积累、自我学习能力(如提高机床监控功能，使之具有对温度变化、振动、刀具磨破损、工件形状和表面质量的自反馈、自补偿、自适应控制能力;采用先进的控制方法和计算机平台技术，实现柔性制造系统的自协调、自重组和预报警功能等)。4.4 重视人的因素

重视人的因素，完善适应先进制造系统的组织管理体系，将人与柔性制造系统以及非柔性制造系统生产设备集成为企业综合生产系统，实现人-技术-组织的兼容和人机一体化。

4.5 应用范围逐步扩大

应用范围逐步扩大，如金属切削柔性制造系统的批量适应范围和品种适应范围正逐步扩大，例如向适合于单件生产的柔性制造系统扩展和向适合于大批量生产的柔性制造系统(即FML)扩展。另一方面，柔性制造系统由最初的金属切削加工向金属热加工、装配等整个机械制造范围发展，并迅速向电子、食品、药品、化工等各行业渗透。

因此，归纳起来，可以说柔性制造系统的应用方向将是:

(1) 加快发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型柔性制造系统，因为FMC的投资比柔性制造系统少得多而效果相仿，更适合于财力有限的中小型企业。多品种、大批量生产中应用FML的发展趋势是用价格低廉的专用数控机床代替通用的加工中心。

(2) 完善柔性制造系统的自动化功能，柔性制造系统完成的作业内容扩大，由早期单纯的机械加工型向焊接、装配、检验及板材加工乃至铸锻等综合性领域发展，另外，柔性制造系统与计算机辅助设计和辅助制造技术(CAD/CAM)相结合，向全盘自动化工厂方向发展。

5 结论

柔性制造系统的先进制造理念在经过了40多年的探索、实践，并辉煌一时后，遇到了一定的困难和其它先进制造模式的挑战，但在充分理解柔性制造系统后，我们会发现“柔性”无论是先进系统内部的传统柔性，还是包括生产、组织、管理、协调的整体柔性，都是现代化制造业对中、小批量、多品种产品的高效率加工和对内、外部环境变化的快速反应的需要，不具备相应柔性的制造系统在当今是难以想象的。我们应从以下几个方面加强对柔性制造系统的理解，完善柔性制造系统的实施。

（1）提高柔性制造系统自身水平特别是物流运控软件水平。柔性制造系统随着加工技术的提升，硬件上能够吸纳当今前沿的新设备、新工具，但对于软件，它还没有被提升到它应有的重视高度，在现代化制造业中，它发挥着甚至比硬件更大的作用。柔性制造系统的管理模式正是使硬件设备充分发挥效能的软件平台，它可以使加工设备与物流运储系统有机组合。

（2）借鉴其它先进的制造理念来增强柔性制造系统的生命力。计算机集成制造、敏捷制造、精良制造、智能制造、虚拟制造等都是当今先进的制造理念，我们可以通过相互借鉴、优势互补来丰富柔性制造系统的思想，发展柔性制造系统。真正理解柔性制造系统借鉴其它先进制造理念的精华，根据实际合理发挥柔性制造系统的优势，并在运用中求发展。

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致谢

本文是在指导教师强华老师的精心指导和其他老师、同学的帮助下完成的。在写作的过程中，强华老师从论文的选题到文章的结构和内容方面都给予我精心的指导。强华老师不辞辛苦的指导我如何搜集资料并对论文内容进行细致的指导。从强华老师的指导中，我学到了强华老师严谨的治学态度、平易谦和的为人态度和博学创新的思维，也学会了研究问题的思路和方法。衷心的感谢强华老师这段时间对我论文细心、认真的指导！

同时，我还要感谢在大学的班主任宋健文老师的精心栽培，所有任课教师的谆谆教诲，以及院里和校里老师在各方面给予我的帮助。我要感谢西南大学育才学院四年来所给予我润物细无声的教育，感谢老师和同学在四年中给予我的帮助，感谢父母多年来给予我的培养和鼓励，使我能顺利完成所有学业！

谨向所有关心和帮助过我的老师、同学、朋友和家人表示我最诚挚的谢意！谢谢你们！