柔性制造系统的发展与展望

发布时间:2010-07-29
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一、引言

柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,缩写FMS)是指适用于多品种、中小批量生产的具有高柔性且自动化程度高的制造系统。柔性是FMS的最大特点,即系统内部对外部环境的适应能力。自动化是指将手工操作减至最低,仍至最后完全取消。FMS标志着传统的机械制造行业进入了一个发展变革的新时代,自其诞生以来就显示出强大的生命力。它克服了传统的刚性自动线只适用于大量生产的局限性,表现出了对多品种、中小批量生产制造自动化的适应能力。随着社会对产品多样化、低制造成本、短制造周期要求的日趋迫切,由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的进步,柔性制造技术发展迅猛并日臻成熟。自1967年英国MoLins公司建造了世界上首条FMS,20世纪80年代后,制造业自动化进入了基于计算机集成制造(CIM)时代,FMS已成为各工业化国家机械制造自动化的研制和发展重点,并由实验阶段进入实用阶段,从最初单纯的机械加工领域向焊接、装配及无屑加工等综合性领域发展。迄今,世界上已有大量的FMS在运行,仅日本就有175套完整的FMS。美国是最早将FMS用于和喷雾压力。S-NPK料浆由于黏度比水大,形成的喷雾夹角相对较小。这是将试验数据用于设计时必须考虑的因素。喷雾夹角的试验数据有利于充分利用喷浆造粒干燥机的径向空间。而喷雾距离的试验数据有利于确定喷浆造粒干燥机造粒段的长度。

1.喷雾料滴大小除了喷雾的物流特性外,影响料滴大小的三个主要因素是喷嘴类型和流量、喷雾压力以及雾化的实心体形状。低的喷雾压力产生较大的料滴,高的喷雾压力产生较小的料滴,而最小的料滴是由空气雾化后形成的,料气比的大小对雾化后料滴的大小也有一定影响。就选定的每一空气雾化喷嘴,最小的流量产生最细的喷雾料滴,最大的流量则生成最粗的喷雾料滴。在S-NPK料浆喷浆造粒时,料浆的流量偏小或压缩空气的流量偏大都是造成喷浆造粒干燥机内返料量大的原因之一。

2.物流温度物流温度不直接影响喷嘴的喷雾性能,但影响其黏度、表面张力和相对密度,这些却都影响喷嘴的喷雾性能。表面张力主要影响物流的最低喷雾压力、喷雾夹角和料滴大小。表面张力小,则料浆的最小喷雾压力可以维持在较低的范围。在喷浆造粒干燥机内,通过喷嘴的物流温度若稍高些,由此降低了物流的黏度和表面张力,则有利于提高喷嘴的喷雾性能,同时对干燥过程也有利。

3.喷嘴材料磨损喷嘴材料磨损大时,常伴随出现物流的流量增大,雾化的实心锥体形状明显被破坏,通常由喷雾压力下降可识别之。在高浓度磷复肥装置中,喷浆造粒干燥机的喷嘴材料大多采用316L。虽然陶瓷与碳化材料耐磨性能远远强于316L不锈钢,但由于料浆中含有氟,喷嘴在长期运转中氟对硅的腐蚀不容忽视,故我们不采用这些材料。

二、总结物流特性对雾化喷嘴性能影响的趋势

见表1:

表1 物流特性对雾化喷嘴性能影响的趋势项目喷雾压力增大相对密度增加黏度增加物流温度增高表面张力增大实心锥外形尺寸改善可忽略变坏改善可忽略物流流量增大减小①①无影响喷射夹角先增后减可忽略减小增大减小料滴尺寸减小可忽略增大减小增大速度增大减小减小增大可忽略冲击力增大可忽略减小增大可忽略材料磨损加剧可忽略减小①无影响  注:①取决于物流和所用的喷嘴。

生产的国家,也是FMS硬、软件技术最高的国家。德、英、意等西方国家都在大力开发与应用FMS,并制订了短、长期的发展规划。国际上以柔性生产方式生产的产品产值已占制造业总产值的75%以上,且有不断增长的趋势。

三、主要组成部分

为了实现制造系统的柔性,FMS必须包括下列组成部分。

1、加工系统FMS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。

2、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,包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等。

3、计算机控制系统用以处理FMS的各种信息,输出控制CNC机床和物料系统等自动操作所需的信息。通常采用三级(设备级、工作站级、单元级)分布式计算机控制系统,其中单元级控制系统(单元控制器)是FMS的核心。

4、系统软件用以确保FMS有效地适应中小批量多品种生产的管理、控制及优化工作,包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系统管理和监控软件。 #p#

四、分类按规模大小,FMS可分为如下三类:

1、柔性制造单元(FMC)FMC由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的CNC机床组成,具有适应加工多品种产品的灵活性。FMC的柔性最高,可视为FMS的基本单元,是FMS向廉价、小型化方向发展的产物。FMC问世并应用于生产比FMS晚6~8年,现已进入普及应用阶段。

2、柔性制造线(FML)FML是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线,对物料系统的柔性要求低于FMS,但生产效率更高。FML采用的机床大多为多轴主轴箱的换箱式或转塔式组合加工中心,能同时或依次加工少量不同的零件。它以离散型生产中的FMS和连续型生产过程中的DCS为代表。FML技术已日趋成熟,进入实用阶段。

3、柔性制造系统(FMS)FMS通常包括3台以上的CNC机床(或加工中心),由集中的控制系统及物料系统连接起来,可在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。FMS是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。值得一提的是由于装配自动化技术远远落后于加工自动化技术,产品最后的装配工序一直是现代化生产的一个瓶颈问题。研制开发适用于中小批量、多品种生产的高柔性装配自动化系统,特别是柔性装配单元(FAC)及相关设备已越来越广泛地引起重视。

五、相关技术及其发展

1、利用计算机设计(CAD)技术〔1〕

CAD技术是基于计算机环境下的完整设计过程,是一项产品建模技术(将产品的物理模型转换为产品的数据模型)。带有32位PC微机的CAD已成为应用主流。引入专家系统的CAD使其具有智能化,可处理各种复杂问题,当前的一个应用热点是快速成型(RP)技术。它利用三维CAD数据,通过快速成型机将一层层的材料堆积成实体原型。RP技术具有快速、高柔性、高度集成等突出优点,尤其适合制造单件小批量、形状复杂的产品或原型。

2、机电一体化技术〔2〕

机电一体化技术是机械、电子、信息、计算机等多学科的相互融合和交叉,特别是机械、信息学科的融合交叉。从这个意义上说,其内涵是机械产品的信息化,它由机械、信息处理、传感器三大部分组成。近年来,微电子机械系统(MEMS)作为机电一体化的一个发展方向得到了特别重视和研究。

3、模糊控制技术模糊数学在工业上的应用始于1974年对锅炉和蒸汽机的模糊控制。目前模糊控制技术正处于稳定发展阶段,其核心是模糊控制器。新近开发的高性能模糊控制器具有基于人工神经网络的自学习功能,可在控制过程中不断获取新的信息,并自动地对控制量进行调整,大大改善了系统的性能。

4、人工智能、专家系统技术〔3〕

迄今,FMS中所采用的人工智能(AI)大多基于规则的专家系统(ES)。专家系统是利用专家知识和推理规则进行推理,可以对各类问题求解。由于专家系统能简便地将各种事实及验证过的理论与通过经验获得的知识相结合,因而为FMS的各方面工作增强了柔性。未来以知识密集为特征,以知识处理为手段的人工智能(包括专家系统)技术必将在FMS中起着关键作用。

5、人工神经网络(ANN)技术

ANN是由许多神经元按照拓扑结构相互连接而成的,模拟人的神经网络对信息进行并行处理的一种网络系统。在自动控制领域,人工神经网络技术的发展趋势是其与专家系统和模糊控制技术的结合,成为现代自动化系统中的一个组成部分。

六、发展前景

制造系统的柔性是衡量制造系统对变化中的市场、技术及生产条件适应性的主要尺度,是提高企业竞争力的一个主要动力。随着相关基础技术的发展与日趋成熟,FMS的柔性也得到了很大提高。早期的FMS旨在降低成本及缩短加工周期,着眼于自动化中的“量优化”,并未考虑“质优化”(主要指柔性)。当前,以CIM为代表的新一代制造业自动化不仅考虑到量优化,而且更注重质优化。

1、FMC、FML发展迅速

由于FMC的投资比FMS少得多而效果相仿,更适合于财力有限的中小型企业。采用价格低廉的专用数控机床代替通用的加工中心,是多品种、大批量生产中应用FML的发展趋势。

2、FMS朝多功能方向发展

FMS由早期单纯的机械加工型向焊接、连续型生产过程中的DCS为代表。FML技术已日趋成熟,进入实用阶段。

3、柔性制造系统(FMS)FMS通常包括3台以上的CNC机床(或加工中心),由集中的控制系统及物料系统连接起来,可在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。FMS是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。值得一提的是由于装配自动化技术远远落后于加工自动化技术,产品最后的装配工序一直是现代化生产的一个瓶颈问题。研制开发适用于中小批量、多品种生产的高柔性装配自动化系统,特别是柔性装配单元(FAC)及相关设备已越来越广泛地引起重视。

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