微電機(jī)柔性制造技術(shù)發(fā)展趨勢
高志杰 （西安微電機(jī)研究所）
（摘 要）微電機(jī)制造特點(diǎn)是多品種、小批量、高精度，發(fā)展柔性制造技術(shù)是一個必然趨勢。文中介紹柔性制造系統(tǒng)的構(gòu)成、運(yùn)行特點(diǎn)等，指出柔性制造系統(tǒng)可解決中小批量生產(chǎn)效率低、周期長、成本高、質(zhì)量差等問題，對我國微電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展有重要意義。
（敘詞）微電機(jī)，制造，柔性制造系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)，綜述
0引 言
多品種、中小批量生產(chǎn)是國內(nèi)外微電機(jī)制造業(yè)的基本特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，小批量生產(chǎn)成本比大批量生產(chǎn)約高百分之50，產(chǎn)品質(zhì)量受人為影響也大得多。為解決這一問題，微電機(jī)制造業(yè)必須研究和采取相應(yīng)的對策。企業(yè)的生產(chǎn)手段、模式和管理組織方法必須調(diào)整，以適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度和對產(chǎn)品質(zhì)量的要求。
當(dāng)代發(fā)達(dá)國家正致力于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)技術(shù)的研究，并認(rèn)為CIMS系統(tǒng)要比單獨(dú)開發(fā)計(jì)算機(jī)在生產(chǎn)中的應(yīng)用技術(shù)(如CAM)有更大的經(jīng)濟(jì)效益。國外近幾年發(fā)展了柔性制造系統(tǒng)( FMS)為CIMS技術(shù)開發(fā)作出了技術(shù)準(zhǔn)備。由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制，以數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心為主，其配置以實(shí)覡****生產(chǎn)組織、空間和時間的高度適應(yīng)性為原則，自動處理物料流和信息流，滿足多品種、小批量、高效率、低成本生產(chǎn)的要求。這種技術(shù)用于多品種、小批量生產(chǎn)所耗用的工時，接近于大批量連續(xù)生產(chǎn)所耗用的工時。據(jù)資料介紹FMS可提前百分之30—60的新產(chǎn)品交貨期，零件加工成本可降低百分之90，占用工時縮短百分之60以上，在制品的庫存可降低百分之90。另外還有提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短投產(chǎn)周期等明顯的效益。縱觀我國微電機(jī)技術(shù)進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的形勢，努力開發(fā)FMS，并最終實(shí)現(xiàn)CIMS，是社會發(fā)展和生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢，是我國微電機(jī)制造業(yè)提高效益，趕超世界水平的關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)成為微電機(jī)制造企業(yè)技術(shù)發(fā)展明確追求的目標(biāo)。圖1表示微電機(jī)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。
DFA-考慮工藝的產(chǎn)品設(shè)計(jì)
CAM-計(jì)算機(jī)輔助制造
CAD-計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
CAPP-計(jì)算機(jī)輔助工藝
GT-成組技術(shù)
EMC-簡易加工中心
CAQ-計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理
CAMP-計(jì)算機(jī)輔助材料計(jì)劃
MRP-制造資源計(jì)劃
AD-自適應(yīng)控制
FMC-柔性制造單元
DNC-直接數(shù)字控制
CNC-計(jì)算機(jī)數(shù)字控制
MIC—債息管理系統(tǒng)
DSS-決策支援系統(tǒng)
FMS-柔性制造系統(tǒng)
MHS-材料運(yùn)貯系統(tǒng)
PHS-零件運(yùn)貯系統(tǒng)
THS-刀具工具運(yùn)貯系統(tǒng)
CHS-冷動液運(yùn)貯系統(tǒng)
WHS-廢料運(yùn)貯系統(tǒng)
HIMS-人工智能錯造系統(tǒng)
CIMS-計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)
HIS-專家系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)(FMS)
柔性制造系統(tǒng)(FMS)突出特點(diǎn)是柔性，是自動優(yōu)選的隨機(jī)加工能力，即同時制造一種以上工件的能力。控制系統(tǒng)將按比例安排各種零部件，滿足產(chǎn)品的進(jìn)度計(jì)劃。FMS中的機(jī)床出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將自動選擇線內(nèi)其他機(jī)床代替，而使系統(tǒng)接近正常運(yùn)行，同時也不受產(chǎn)品設(shè)計(jì)和刀具變化的影響。系統(tǒng)還具有可擴(kuò)展性，能按要求擴(kuò)大生產(chǎn)能力或可分階段安裝、使用，提高設(shè)備的利用率，減少一次投資的費(fèi)用
1.1FMS系統(tǒng)基本構(gòu)成
FMS指利用計(jì)算機(jī)控制的、具唷多個獨(dú)立的生產(chǎn)工位和物料運(yùn)貯網(wǎng)絡(luò)，用于在中小批量生產(chǎn)時，高效率地制造多品種產(chǎn)品（零件）的生產(chǎn)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由其構(gòu)成各個環(huán)節(jié)的硬件和通訊、控制、數(shù)據(jù)和信息處理組成，如圖2所示。FMS的主要特征是把機(jī)床、輸送系統(tǒng)和控制網(wǎng)絡(luò)密切結(jié)合起來，在保證系統(tǒng)有較高乘性的條件下，獲得更高的生產(chǎn)率。
FMS主要由三部分組成
a．能獨(dú)立工作的數(shù)控機(jī)床；
b．-個在機(jī)床和各工位間輸送工件、材料和刀具的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)；
c．協(xié)調(diào)各工位機(jī)床、加工過程、工件、刀具輸送裝置的總體控制系統(tǒng)。
1.2 FMS運(yùn)行概況
在FMS中，工件在機(jī)床外的一個或一組工位上被裝夾在隨行托具上，由運(yùn)貯系統(tǒng)送到加工機(jī)床旁排隊(duì)，并按照要求進(jìn)行加工。隨行托具傳送系統(tǒng)是環(huán)形傳送帶、直線傳送帶、工業(yè)機(jī)器人、輸送小車或這些裝置的組合。FMS的計(jì)算機(jī)始終監(jiān)控著系統(tǒng)內(nèi)每一工件和機(jī)床的工作狀態(tài)，并力圖使所有的機(jī)床負(fù)荷飽滿。只要機(jī)床前有工件排隊(duì)，計(jì)算機(jī)便會啟動在排隊(duì)中的傳送機(jī)構(gòu)（通常稱為梭式傳送裝置），將隨行托具移到梭式傳送裝置上，輸送裝置騰空，在接到新的輸送請求時離開。工件和隨行托具在梭式傳送裝置上等候，直到該機(jī)床完成加工，兩個工件和隨行托具換位，待加工的工件移送到機(jī)床上，相應(yīng)的加工程序由FMS的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，開始加工新工件。同時，在梭式傳送裝置上的已加工好的工件，被傳送到下一個指定地點(diǎn)或檢查工位。在加工過程中，在線測量系統(tǒng)（如果某一工序有）自動鑒定加工誤差，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動補(bǔ)償或調(diào)用相應(yīng)工藝規(guī)程，消除或減少加工誤差。
在裝卸工位，工作人員卸下加工好的零部件，換上毛坯或待加工的工件。這些工件實(shí)際上是計(jì)算機(jī)選擇的，主管工程師按企業(yè)總體計(jì)劃，將制造資源計(jì)劃(MRP)輸入主控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將按落后于生產(chǎn)指標(biāo)最多的工件排序，以滿足生產(chǎn)要求。
2典型FMS結(jié)構(gòu)和基本配置
2.1 FMS的分級結(jié)構(gòu)
FMS是一個復(fù)雜系統(tǒng)，可在分級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立，它和目前微電機(jī)行業(yè)的采用四級管理模式相類似。
第一級提出體現(xiàn)企業(yè)重點(diǎn)和經(jīng)營指導(dǎo)方針的總體計(jì)劃，明確材料需求和生產(chǎn)總進(jìn)度；第二級是生產(chǎn)系統(tǒng)的支援計(jì)劃、技術(shù)改造、發(fā)展規(guī)劃、工時定額、流動資金等；第三級完成生產(chǎn)管理職能，根據(jù)企業(yè)總體計(jì)劃和現(xiàn)有車間生產(chǎn)能力，制定生產(chǎn)零部件具體進(jìn)度，下達(dá)生產(chǎn)命令，跟蹤每項(xiàng)生產(chǎn)指令通過車間的情況，進(jìn)行調(diào)度；第四級即車間生產(chǎn)現(xiàn)場，通常由工段長或車間主任根據(jù)零件生產(chǎn)的緩急、設(shè)備的現(xiàn)狀和工人的出勤情況來決定機(jī)床工作任務(wù)，使零件在本工段延誤時間最短，在制品的庫存量最少等。工段長必須隨時向管理部門提供設(shè)備技術(shù)狀態(tài)（必要時修理或更換）、刀具、工裝的需求等信息，這些在FMS中將由計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)（見圖3）。
如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是每一級不依賴其以上各級，即上級計(jì)算機(jī)的故障不會使下級停止工作，上級的目標(biāo)是支持和促進(jìn)下級的工作。圖3左側(cè)硬件還應(yīng)包括數(shù)據(jù)存貯器、打印機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)等外圍設(shè)備，右側(cè)的轉(zhuǎn)件還可以（或必須）包括若干子功能。
2.2 FMS的基本配置
為便于了解，把美國公司1983年設(shè)計(jì)安裝使用效果良好的FMS系統(tǒng)配置示意圖按微電機(jī)行業(yè)企業(yè)開發(fā)FMS可行構(gòu)想簡化如圖4所示。
微電機(jī)行業(yè)FMS技術(shù)開發(fā)，可首先從加工回轉(zhuǎn)體零件人手，把具有加工軸類、盤類工件能力的CNC車床組合起來，形成小規(guī)模的柔性制造單元FMC。利用臥式或立式的三座標(biāo)機(jī)床，增加一個或兩個座標(biāo)軸一一隨行托具旋轉(zhuǎn)（通常稱為第四座標(biāo)），主軸頭傾料或在立式機(jī)床上增加可傾回轉(zhuǎn)工作臺（通常稱為第五座標(biāo)軸），形成加工中心。利用成組技術(shù)GT可大幅度提高多品種生產(chǎn)的效率。當(dāng)前我國微電機(jī)行業(yè)所使用的數(shù)控機(jī)床（尤其是經(jīng)濟(jì)型），納入FMS系統(tǒng)必須研究總體監(jiān)控、通訊接口、自動診斷和自動補(bǔ)償功能，保持經(jīng)濟(jì)型特點(diǎn)，滿足生產(chǎn)的柔性要求。FMS的配置還要考慮與物件運(yùn)貯系統(tǒng)的連接和刀具的存貯。加工中心通常采用鏈?zhǔn)交蚬男蔚毒邘欤贔MS中，零件品種的變化，刀庫的存貯容量可能會相當(dāng)大，刀具和物料傳送的可靠性亦應(yīng)充分重視。某些機(jī)床必須配備隨行托具和梭式傳送裝置才能結(jié)合到FMS中，企業(yè)在技術(shù)改造和機(jī)床購置時，應(yīng)考慮這一因素。
2.3物料運(yùn)貯系統(tǒng)(MHS)
物料運(yùn)貯系統(tǒng)是FMS的重要組成部分，是影響FMS生產(chǎn)率的關(guān)鍵因素之一。MHS必須具有體現(xiàn)FMS柔性和產(chǎn)品的特征。MHS的設(shè)計(jì)要使物料流充分合理，必須高度可靠、快速而又易于維護(hù)。為了系統(tǒng)的柔性，在FMS中出現(xiàn)故障時，MHS必須具備緩沖存貯功能，沖存貯的基本形式是附加的進(jìn)出料道或單獨(dú)回路，從而可使輸送其他工件的輸送裝置仍可在直接線路中運(yùn)行。
有線導(dǎo)引的輸送小車是一種簡單而又安全的輸送裝置（系統(tǒng)軟件可防止輸送小車進(jìn)入被占用的軌道）。它可從埋在地下的導(dǎo)線中接受命令，只要FMS計(jì)算機(jī)確定了哪個工位，何時需要輸送工件，這根導(dǎo)線就控制了輸送裝置的運(yùn)動方向和停止位置。只要在地下75mm埋設(shè)一股導(dǎo)線，就可在該FMS中增設(shè)新工位。籠統(tǒng)講運(yùn)貯系統(tǒng)要完成五個方面的工作：原材料(MHS)，刀具和工模具( THS)， 冷卻液(CHS)， 零件(PHS)（毛坯和成件）和廢料切屑( WHS)等，其中THS和CHS可由加工中心的控制計(jì)算機(jī)在機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)完成，WHS -般不在線內(nèi)。
2.4裝配工位
FMS在線的自動裝配過程實(shí)質(zhì)上是生產(chǎn)全過程信息管理縱及設(shè)備柔性和準(zhǔn)確的時空適應(yīng)性的具體化。微電機(jī)裝配過程的工藝環(huán)境對某些精密的微電機(jī)質(zhì)量有影響，需要防塵和空調(diào)的環(huán)境。有些宜采用成組裝配，在線上完成部件，離線總裝，這樣可簡化裝配工位的設(shè)備復(fù)雜性和提高裝配工藝軟件可靠性。對于結(jié)構(gòu)精巧，裝轉(zhuǎn)過程中隨時進(jìn)行質(zhì)量檢查，甚至邊裝配、邊測試、邊調(diào)整才能達(dá)到指標(biāo)的產(chǎn)品，則采用離線裝置更為合理。
2.5檢驗(yàn)系統(tǒng)
在線測量系統(tǒng)可通過事先編制好的程序鑒定制造誤差，并通過數(shù)據(jù)處理對刀具和加工工藝進(jìn)行補(bǔ)償，但并非所有誤差都可用這種方法進(jìn)行修正。在線檢測****的優(yōu)點(diǎn)在于能迅速確定制造中的問題，但檢測速度比生產(chǎn)慢得多，而且檢測處于機(jī)床加工的環(huán)境中，工件處在被夾緊狀態(tài)，不是合理的檢驗(yàn)條件。離線檢驗(yàn)也是必不可少的。
2.6離線部分
微電機(jī)生產(chǎn)過程中沖片及鐵心制造，去毛刺、熱處理、塑壓、絕緣處理等必須考慮離線作業(yè)。在FMS中一道工序開始前，如果零件必須從隨行托具上卸下，則該道工序應(yīng)離線。但是必須考慮離線作業(yè)的工件離開和返回系統(tǒng)所產(chǎn)生的控制問題。所以在某些情況下，盡管有些工序不必自動化，但提供在線設(shè)備較合算，并應(yīng)安排在線上。
3成組技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微電機(jī)FMS的基礎(chǔ)
成組技術(shù)(GT)起源于蘇聯(lián)，我國在60年代曾研究推廣。在“六五”、“七五”期間對一些工廠（如濟(jì)南二機(jī)床廠、1 16廠、北京人民機(jī)床廠等）進(jìn)行了以GT為基礎(chǔ)的技術(shù)改造，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
GT是根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征、工藝過程和加工方法的相似性，把類似的零件按類別分組、編碼，并以此進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的管理技術(shù)。開發(fā)GT -定要應(yīng)用計(jì)算機(jī)，從計(jì)算機(jī)輔助工藝(CAPP)人手，首先要把產(chǎn)品零件有關(guān)技術(shù)要索轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)信息，并駐留在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，其次必須保證數(shù)據(jù)共享，以減少重復(fù)輸入的工作量。按零件的相似性，針對特定企業(yè)，將產(chǎn)品零件分類、分族，限制在一定范圍內(nèi)，有效地防止信息“爆炸”，建立CAPP數(shù)據(jù)庫使應(yīng)用微機(jī)成為可能。目前某些386微機(jī)，硬盤300兆，時鐘60兆，輔以外存，已能勝任FMS中央控制用。實(shí)質(zhì)上，1FMS和CIMS軟件的基本功能都是通過公用數(shù)據(jù)庫起作用的，因此GT是FMS的基礎(chǔ)。
我國微電機(jī)行業(yè)目前使用的設(shè)備絕大多數(shù)還是通用機(jī)床，數(shù)控化率很低，實(shí)現(xiàn)FMS現(xiàn)代化手段還要做長期而艱巨的工作。開發(fā)GT，建立以通用機(jī)床為主的GT
生產(chǎn)單元和生產(chǎn)車間，在單元內(nèi)進(jìn)行數(shù)控改造，應(yīng)用CNC、DNC和加工中心取代通用機(jī)床，同時努力開發(fā)微機(jī)在各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，促進(jìn)局部信息處理的自動化。當(dāng)前，企業(yè)實(shí)施物流自動化相當(dāng)困難，投資亦大，但信息處理，如CAD、CAPP、CAM、CAMP以及CAQ比較容易，形成局部信息自動化，提高工作效率，為企業(yè)積累資金。而后逐漸聯(lián)網(wǎng)，并最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息流的自動化。通過設(shè)備更新，改造通用設(shè)備，分期、分步實(shí)現(xiàn)物流處理自動化。
GT在微電機(jī)行業(yè)企業(yè)的開發(fā)應(yīng)用，將產(chǎn)生明顯的敷益。它將打破行業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)組織模式，即以產(chǎn)品為對象的封閉車間及機(jī)群式機(jī)床布置形式，代之以應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)管理，以零件組為對象的生產(chǎn)單元模式，為實(shí)施FMC格FMS，最終實(shí)現(xiàn)CIMS奠定基礎(chǔ)。
4微電機(jī)制造技術(shù)發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)
CIMS是國外機(jī)械制造業(yè)的基本趨勢，其核心是把生產(chǎn)的全過程作為一個不可分割的整體進(jìn)行系統(tǒng)分析和決策，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對企業(yè)的信息流和物料流進(jìn)行集中而有效的控制。管理科學(xué)化，生產(chǎn)集成化，比單獨(dú)、分散地使用計(jì)算機(jī)能獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。
CIMS的關(guān)鍵問題是“集成化”。在微電機(jī)行業(yè)企業(yè)當(dāng)前這種多層次、多環(huán)節(jié)的離散型生產(chǎn)系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)一直都是分散的隨機(jī)的運(yùn)行。由于信息處理能力的限制，信息的傳輸、積累、判斷、決策滯后甚多。因此如何正確劃分層次，明確子系統(tǒng)功能，解決子系統(tǒng)與主系統(tǒng)，子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間的信息處理，有效集成是FMS向CIMS發(fā)展的關(guān)鍵課題。
5結(jié)語
柔性制造系統(tǒng)是近幾年來多品種、中小批量生產(chǎn)制造技術(shù)的重要發(fā)展。它解決了中小批量生產(chǎn)效率低、周期長，成本高、質(zhì)量差等問題，可增強(qiáng)企業(yè)對市場的應(yīng)變能力和競爭能力。成組技術(shù)可為企業(yè)帶來明顯的效益，也可為柔性制造技術(shù)做好技術(shù)準(zhǔn)備。FMS和GT已引起專家們的普遍重視。積極引入，開發(fā)，努力推廣，對我國微電機(jī)行業(yè)的發(fā)展將有重要戰(zhàn)略意義。
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