柔性制造系统在中小企业中的应用和未来的发展

倪 珉

（上海市工业技术学校， 上海 200231）

引言

随着我国市场经济的不断发展，买方市场的兴起对中小企业传统的制造模式提出了苛刻的要求，顾客对产品个性化的需求日益增长，对产品的交货期限和产品价格的要求也逐步提高，按需定制的生产模式替代传统的大规模生产已经势在必行。另外，随着新技术和新产品的不断涌现，市场环境瞬息万变，对中小企业的应对能力提出了更高的要求。因此，中小企业就必须对传统的生产模式进行调整，以降低生产成本、提高生产能力，增强自身的市场竞争力[1]。

1 柔性制造系统相关概念

1.1 柔性制造系统的概念

柔性制造系统的简称为FMS（英文名称Flexible Manufacture System），由一组数控机床及其他自动化工艺设备构成，是一个由计算机信息控制系统和物料自动储运系统共同组成的的整体。柔性制造系统一般由加工、物料运输、计算机信息三个子系统组成，以加工自动化为基础，实现物料运输和计算机信息的自动化。

1.2 柔性制造系统的组成部分

1.2.1 加工系统

柔性制造过程中加工系统使用的设备是根据待加工产品的大小和类别确定的，一般包括加工车床和计算机数控（CNC）车（或称车削中心），能够自动地完成各个工序的加工。磨损了的刀具、车床卡盘的卡爪、特种夹具及加工中心的主轴箱都可以进行自动更换。

1.2.2 物料系统

物料系统的作用是使原料、产品及设备的零部件能够自动供给和装卸，使各个工序间进行自动传送、运输和存储。这个部分主要包括各种规格的传送带、自动导引设备、工业机械手臂和专用的起吊运送设备等。物料系统运输的物料一般有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；物料贮存的方式既可以是平面布置的托盘库，也可以是立体布置的巷道式仓库。毛坯等原料一般由生产现场的工人手动装入托盘上的夹具之中，存放在自动化仓库的某个特定的区域内，然后由物料运输系统依照管理计算机发出的指令送达指定的位置。传送滚道与固定轨道式台车比较适合按照工艺顺序进行设备排列的柔性制造系统之中，排列位置对自动引导台车进行物料搬运的顺序没有影响，搬运顺序的灵活性较强。工业机器人可以在一定的的范围内完成对1～4台机床的输送及装卸，对于一些体积较大的工件一般利用APC（托盘自动交换装置）进行传送，也可在输送轨道上设置工业机器人，进行工件的同时传送和装卸[2]。

1.2.3 计算机控制系统

计算机控制系统的作用是处理输出控制机床及物料系统等自动系统的信息。一般使用设备级、工作站级、单元级三级分布式的计算机控制系统。其中单元控制器（单元级控制系统）是FMS系统的核心组件。FMS的计算机控制系统的形式结构有很多种，例如群控式的递阶控制系统。第一级为每个工艺设备的CNC（计算机数控设备），完成对生产过程的控制；第二级为群控计算机，对由第三级计算机发出生产计划及数控指令等信息，传达给第一级中的相关数控装置，并且把第一级中的设备运转情况上报给第三级计算机；第三级是柔性制造系统的主控计算机，任务是完成生产计划的制订，对FMS的整体运行状态进行管理。

1.2.4 系统软件

系统软件的作用是保证FMS系统能够适应多品种、中小批量产品的生产控制、管理以及优化工作，一般包括系统管理、监控软件、生产调度软件、生产分析软件和设计规划软件。性能良好的软件系统是FMS系统实现其功能的基础。一般的，除了维持计算机系统工作的软件以外，更多的是根据具体的使用要求和用户经验所开发的专门应用软件，一般主要包括控制软件、计划管理软件和数据管理软件等。

1.3 柔性制造系统的特点

1）生产灵活性高。柔性制造系统的灵活性非常高，能够及时应对市场需求的变化或工程设计的变更所造成的生产计划变动，能够开展多品种生产工作。

2）不仅设备利用率高，而且上班占地面积也少。FMS系统的设备利用率可达到70%甚至更高，整个系统设备的布局紧凑，相对于传统的生产设备，FMS系统设备占地面积可减少20%～50%。

3）产品质量高而且质量稳定。柔性制造系统所用的为全自动化生产加工模式，减少了人为因素对产品质量的影响，在保证产品的质量的基础上实现了产品质量的稳定[3]。

4）FMS系统减少了制品的数量、缩短了生产工作的准备时间。在柔性制造系统中，各种设备一般集中在一个较小的场地内，各种工序一般集中于加工中心，减少了零件运输的次数和经过的设备数目。

5）FMS系统的生产维持能力强。当系统中的一台或几台设备发生故障时，不影响正常设备运转。

1.4 FMS的分类

1.4.1 FMC（柔性制造单元）

FMC的出现并在实际生产中应用比FMS约晚6～8年。FMC一般由加工中心、数控机床、工业机器人和物料运输存储设备构成。FMC具有相当大的灵活性，能够适应多品种产品的加工。FMC可以看成一个最小规模的FMS，是FMS向廉价化和小型化方面发展的一种形式。FMC是单机柔性化和自动化的具体实现。目前FMC在发达国家已进入普及应用阶段。

1.4.2 FMS（柔性制造系统）

一般由4台或更多的全自动数控机床构成加工中心，以计算机控制系统和物料系统进行连接，FMS可在不停机的前提下进行多品种、中小购买产品的加工和管理。

1.4.3 FML（柔性制造线）

FML是处于单一或少品种产品大批量非柔性自动生产线和FMS之间的一种生产线。FML的加工设备可以采用通用的加工中心，也可以是专用机床。FML不但对物料系统的柔性要求要低于FMS，而且生产率也比FMS更高。FML是生产线柔性化和自动化的实现，目前FML在技术上日趋完善，处于实用化研究阶段。

1.4.4 FMF（柔性制造工厂）

FMF实际上就是把多条FMS进行连接，再加上自动化的立体仓库，用计算机系统进行各系统之间的联系，完成从订货、设计、加工、装配到检验、运送、发货的整个过程。FMF包括了CAD与CAM，是ClMS（计算机集成制造系统）在实际生产中的应用，是整个生产系统柔性化的实现。进而完成对全厂范围内的生产管理、产品加工和物料贮运工作。FMF实现了生产自动化的最高水平，是目前最先进的生产自动化应用技术。FMF将产品的制造、开发和经营管理连成一个自动化的整体。FMF是整个工厂柔性化和自动化的实现。

2 柔性制造系统在我国中小企业的应用方式

2.1 细胞生产方式

与传统的生产模式相比而言，这种生产方式有两个显著的特点，一是生产规模小，二是标准化生产模式形成之后的小生产细胞能够进行简单的复制。由于上述两个特点，这种生产方式可以实现以下功能：

1）产量变化时的简单应对，对一个或一个以上的细胞进行复制，就可以满足原产量好几倍的生产需求；

2）场地占用少，这种生产方式下的细胞能够简单复制，生产线能够在短时间内完成搭建，所以在不需要的时候就可以进行拆除，以减少场地；

3）每一个细胞所需的人员少，这就使相同工位间作业时间的差异较小，能够获得更高的工作效率；

4）通过对员工的合理分配（由能力差别不大的员工组合成一个细胞），可以充分发挥每个员工的作业能力和水平。如果能够建立依据每个细胞产能的激励机制，有利于员工间的良性竞争的形成。

2.2 一人生产方式

在传统的流水线生产模式中，即使某产品所需的装配时间非常少，但是它往往还是被安排在一条很长的流水线上，由数十人共同来完成装配工作。对于一些作业时间比较短、产量需求也不大的产品，可以改成由一个员工独自进行整个产品装配工作的方式，这就是一人生产方式。与此同时，由于工作绩效和员工个人的工资水平直接挂钩，这种生产方式不但有细胞生产的优点，还能够有效提高工作人员的质量意识、竞争意识及成本意识，提高员工的综合素质。

2.3 个流生产方式

这种生产方式为：取消机器间的台车，并通过设置机器间的滑板等科学的工序，使产品能够在机器间形成单个的流动。这种生产方式的特点是大幅度减少中间产品的库存，减少资金及场地的占用；使机器间的搬运减少，降低传统生产模式中对搬运工具的依赖；当产品品质出现问题时，可以将信息及时反馈到前面的生产工序，使中间产品的大量报废得以避免。这种生产方式既适用于机械的加工，也能够运用到产品的装配过程中。

2.4 利用柔性设备

目前，有一种叫做柔性管的产品开始在中小企业中应用。在传统的生产模式中，中小企业一般都会通过标准流水线的外购进行生产，现在却常常自己拼装简易的柔性生产线。两者比较来说，这种柔性生产线不但能够大幅度降低设备外购的费用，设备安装也非常的方便——设备安装工作不需要专业的人员，企业的普通员工就能在短时间内完成安装工作，而且，当不需要这些设备的时候可以随时予以拆除，提高企业场地的利用效率。

3 柔性制造系统在我国中小企业的发展建议

3.1 加快FMC和小型柔性制造系统的发展

由于柔性制造单元的设备投资远远低于柔性制造系统，而生产能力却相相差不大，对于财力相对有限的中小企业来说，显然更为适合。对于多品种、大批量的生产来说，可以进行通过价格相对低廉的专用数控机床代替柔性制造系统中常用的加工中心的研究。

3.2 完善FMS的自动化功能

目前来说，FMS所需完成的作业内容不断扩大，由初期简单的机械加工逐步向装配、焊接、校验和板材加工甚至铸锻等综合性的领域发展。另外，对FMS、计算机辅助设计和辅助制造技术进行有机结合，向自动化制造工厂方向发展。

4 结语

经过了几十年的探索和发展，FMS的制造理念在当前遭遇了一些困难和其他一些制造模式的挑战。但在对FMS进行充分理解的基础上，可以发现FMS中无论是系统内部的传统柔性，还是生产、组织、协调、管理的整体柔性，都是现在市场经济条件对中小企业的必然要求。