FMS在我國(guó)制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查與分析

1、FMS在我國(guó)制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與分析1前言美、日、德三國(guó)分別于68年、70年和71年開(kāi)發(fā)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(guó)150套，德國(guó)100套。自85年到90年FMS的年平均增長(zhǎng)率為28.7%。而同期FMC的年平均增長(zhǎng)率為72.8%,即FMC的增長(zhǎng)率是FMS的2.54倍。1990年全球FMS的銷售額超過(guò)了20億美元，F(xiàn)MC銷售額逾40億美元，兩者約占當(dāng)年世界機(jī)床總銷售額的15%，約占數(shù)控機(jī)床銷售額的30%以上。包括各類數(shù)控機(jī)床在內(nèi)的柔性制造機(jī)床和系統(tǒng)的產(chǎn)值約占90年世界機(jī)床總產(chǎn)值465億美元的55%，其中日本和德國(guó)分別高達(dá)75%和70%，并呈逐年

2、增加的趨勢(shì)。因而適用于柔性自動(dòng)化生產(chǎn)的機(jī)床和系統(tǒng)已成為機(jī)床工業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。2我國(guó)制造業(yè)FMS的應(yīng)用1958年清華大學(xué)與北京第一機(jī)床廠合作研制了我國(guó)第一臺(tái)數(shù)控銑床，雖與日本研制數(shù)控車床和數(shù)控銑床的時(shí)間接近，但由于數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)的電、液元件未得到相應(yīng)的發(fā)展，所以并沒(méi)有能形成數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)。直到“六五”期間由北京機(jī)床研究所引進(jìn)日本FANUC數(shù)控和伺服系統(tǒng)技術(shù)，并經(jīng)“七五”、“八五”在引進(jìn)數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上消化吸收，才從80年代起逐步形成了我國(guó)完整的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)；同時(shí)開(kāi)發(fā)了在CNC單機(jī)基礎(chǔ)上配置工件自動(dòng)輸送和托盤(pán)交換裝置的FMC，自主研制了以國(guó)產(chǎn)設(shè)備為主組成的箱體加工FMS和板材沖壓成型FMS等,并為國(guó)內(nèi)

3、汽車行業(yè)和摩托車行業(yè)研制了柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線，發(fā)展了基于DNC的獨(dú)立制造島和車間集成信息管理系統(tǒng)等。以板材沖壓成型FMS為例：板材加工是機(jī)械工業(yè)的重要組成部分，在家電、通信及電力等行業(yè)中具有重要作用。板材產(chǎn)品的生產(chǎn)批量往往較大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇使得產(chǎn)品更新速度大大加快。這就要求板材產(chǎn)品制造廠商具有快速應(yīng)變能力。80年代以后，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)和引進(jìn)技術(shù)，我國(guó)的數(shù)控沖床、數(shù)控剪床及數(shù)控折彎?rùn)C(jī)等數(shù)控加工設(shè)備已形成規(guī)模生產(chǎn)。但就板材加工的總體技術(shù)水平而言，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在著相當(dāng)差距。在國(guó)產(chǎn)數(shù)控板材加工設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行集成，開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)的板材FMS，可以充分利用資源，降低成本，并在板材沖壓成型FMS

4、單元設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成以及運(yùn)行管理等技術(shù)上取得突破，從而提高我國(guó)板材加工裝備的整體水平。目前板材沖壓成型FMS系統(tǒng)運(yùn)行的基本流程是：根據(jù)定單，在CAD/CAM編程計(jì)算機(jī)上用板材加工編程軟件進(jìn)行繪圖及排樣，編制相應(yīng)的NC程序；計(jì)劃與管理服務(wù)器負(fù)責(zé)作業(yè)計(jì)劃的編制和系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理，并向調(diào)度與監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送作業(yè)計(jì)劃；調(diào)度與監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)各單元的運(yùn)行狀況完成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度和實(shí)時(shí)監(jiān)控，并向服務(wù)器報(bào)告計(jì)劃的完成情況；各單元控制器接受調(diào)度與監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，控制單元內(nèi)的設(shè)備完成指定的加工及運(yùn)輸活動(dòng)，并向調(diào)度與監(jiān)控計(jì)算機(jī)反饋設(shè)備狀態(tài)及任務(wù)完成情況。在板材FMS控制系統(tǒng)中，采用修正分層控制結(jié)構(gòu)?；趩卧湍K化思

5、想，將FMS系統(tǒng)劃分為中央控制單元、沖孔單元、剪切單元和倉(cāng)庫(kù)單元等四個(gè)單元。在解決單元技術(shù)和集成技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶需求和經(jīng)濟(jì)條件，可以將系統(tǒng)配置成：以沖孔單元為基礎(chǔ)的板材FMC；具有多個(gè)沖孔單元及剪切單元的板材FMS；包括沖孔單元、剪切單元和折彎單元的功能完善的板材FMS。某些特定運(yùn)行狀況下，三個(gè)單元級(jí)的單元之間存在著需要相互協(xié)調(diào)的問(wèn)題。例如：沖孔單元開(kāi)始加工時(shí)的出庫(kù)上料過(guò)程及沖孔加工任務(wù)完成后的退料入庫(kù)過(guò)程，均涉及到倉(cāng)庫(kù)單元的堆垛機(jī)及沖孔單元的上料小車之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題。由于中央控制單元任務(wù)繁多、控制狀態(tài)復(fù)雜，若采用正規(guī)分層控制結(jié)構(gòu)，由中央控制單元來(lái)完成協(xié)調(diào)工作，將給控制軟件的設(shè)計(jì)及PLC編

6、程帶來(lái)很大困難。采用修正分層控制結(jié)構(gòu)后，這些過(guò)程的完成無(wú)須中央控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，而由兩個(gè)單元控制器之間直接完成相應(yīng)信息的傳遞。如：退料入庫(kù)過(guò)程，當(dāng)載有托盤(pán)的上料小車行駛到入庫(kù)位置時(shí)，行程開(kāi)關(guān)同時(shí)向倉(cāng)庫(kù)單元控制器和沖孔單元控制器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。沖孔單元控制器接到此信號(hào)，表示該單元已完成退料入庫(kù)的動(dòng)作，可以進(jìn)行復(fù)位等后續(xù)動(dòng)作；倉(cāng)庫(kù)單元控制器接收到相應(yīng)的信號(hào)后，向堆垛機(jī)發(fā)出入庫(kù)指令，完成托盤(pán)的入庫(kù)動(dòng)作。另外，在沖孔單元與剪切單元、剪切單元與倉(cāng)庫(kù)單元之間也存在著單元之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題。單元之間良好的信息溝通保證了FMS系統(tǒng)的高效運(yùn)行。3我國(guó)企業(yè)在FMS應(yīng)用中遇到的問(wèn)題按照FMS的原理，F(xiàn)MS對(duì)加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，

7、縮短產(chǎn)品周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有很大的作用。但是許多采用FMS的企業(yè)并未達(dá)到預(yù)期效果。究其原因，關(guān)鍵在于企業(yè)固于傳統(tǒng)的管理方式，錯(cuò)誤地靜止地理解FMS，只注重表面的、形式的東西，未能真正理解柔性的主旨，因而斷章取義地片面追求生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)的先進(jìn)性，而不是首先與本行業(yè)、本系統(tǒng)的實(shí)際相結(jié)合。具體地講，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：忽視人在企業(yè)系統(tǒng)中的作用。在先進(jìn)制造系統(tǒng)中，人的智能和主觀能動(dòng)性總是處于核心地位，因此必然要求人員的高素質(zhì)。有知識(shí)的人員成為企業(yè)中最寶貴的財(cái)富。而傳統(tǒng)做法總是只追求設(shè)備的先進(jìn)水平，追求企業(yè)硬件的柔性，而忽視人員的作用，甚至追求無(wú)人化。這樣不但提高了FMS的成本，也造成設(shè)備柔性不能充

8、分發(fā)揮。人的智能因素是任何先進(jìn)設(shè)備都難以替代的，只有成員的積極參與，才能保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和對(duì)外部環(huán)境的快速反應(yīng)。為了保證人員的高素質(zhì)，同樣必須加強(qiáng)對(duì)人的后續(xù)教育與培訓(xùn)。片面追求高技術(shù)，忽視組織管理的跟進(jìn)。高技術(shù)是企業(yè)不可少的硬件設(shè)備，的確可以帶來(lái)生產(chǎn)過(guò)程的重大改變，甚至可能帶來(lái)生產(chǎn)觀念的巨大更新，對(duì)提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著不可估量的作用。但若沒(méi)有相應(yīng)的軟件，絕對(duì)不可能充分發(fā)揮其效用。而與硬件相應(yīng)的管理模式正是促使硬件設(shè)備充分發(fā)揮作用的軟件平臺(tái)，因此必須注重企業(yè)組織管理的跟進(jìn)。舊的管理模式是多極的、金字塔型的結(jié)構(gòu)，減慢了信息的傳遞速度，造成企業(yè)對(duì)外界反應(yīng)的延遲。如果仍以舊的管理方

9、式進(jìn)行預(yù)測(cè)，組織生產(chǎn)，必然會(huì)由于決策的低水平和組織的慢反應(yīng)、低柔性而導(dǎo)致設(shè)備柔性的不充分發(fā)揮，而不能實(shí)現(xiàn)整體柔性的提高，并且由于設(shè)備投入具有投資大、周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，相應(yīng)地增加了系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。只強(qiáng)調(diào)企業(yè)自身的反應(yīng)能力，而忽視了與供應(yīng)商和客戶間關(guān)系的協(xié)調(diào)。一個(gè)企業(yè)自身的能力和資金畢竟有限，要想追求全能的柔性根本不可能。而市場(chǎng)是千變?nèi)f化的，企業(yè)必須根據(jù)變化了的需求，動(dòng)態(tài)地調(diào)整自己的策略，與其他相關(guān)企業(yè)組成“動(dòng)態(tài)聯(lián)盟”，才有可能真正對(duì)市場(chǎng)變化作出快速靈活的反應(yīng)。固于大規(guī)模生產(chǎn)模式的框架，遵循傳統(tǒng)的、連續(xù)的生產(chǎn)方式，片面追求“全能”下的效率。由于“全能”的實(shí)現(xiàn)是以對(duì)未來(lái)市場(chǎng)的正確的預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)的，而事實(shí)上，當(dāng)

10、預(yù)測(cè)條件發(fā)生變化時(shí)，大規(guī)模的生產(chǎn)不能夠在時(shí)間上作出快速反應(yīng)，而貽誤了有利時(shí)機(jī)。90年代以來(lái)，許多原來(lái)成功實(shí)行FMS的企業(yè)遇到了新的挑戰(zhàn)過(guò)度依賴控制設(shè)備運(yùn)行的計(jì)算機(jī)軟件，但大多數(shù)工程師在現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)新功能時(shí)遇到了困難，而導(dǎo)致操作者與工程師在重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能以滿足用戶要求時(shí)缺乏靈活性。具體講就是傳統(tǒng)的FMS是按照遞階層次構(gòu)造的，是一種集中管理，強(qiáng)調(diào)整體性控制，因此反應(yīng)速度慢。此外，由于系統(tǒng)中各計(jì)算機(jī)、操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言各不相同，在現(xiàn)有的通信技術(shù)水平下實(shí)現(xiàn)全面集成、快速反應(yīng)具有相當(dāng)?shù)睦щy，由此也阻礙了設(shè)備柔性的發(fā)揮。總之，由于企業(yè)未能真正理解FMS的哲理，不是根據(jù)本企業(yè)的實(shí)際加以適當(dāng)改進(jìn)和應(yīng)

11、用，而盲因照抄照搬其他企業(yè)的模式，重設(shè)備輕管理，且不能根據(jù)情況的變化適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，從而阻礙了設(shè)備柔性的發(fā)揮?；目焖俜磻?yīng)。由上面的分析可以看出，F(xiàn)MS是其他先進(jìn)制造方法的基礎(chǔ)，只是由于應(yīng)用上的失誤才導(dǎo)致其陷入目前的局面。因此只要切實(shí)從觀念上和管理上改進(jìn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)方式，就一定會(huì)使FMS重新煥發(fā)生機(jī)。有針對(duì)性地進(jìn)行企業(yè)改造，是提高FMS柔性的根本方法。主要是：按照FMS的要求，進(jìn)行企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理模式的改革，通過(guò)BPR的方法，建立起適應(yīng)企業(yè)實(shí)際的便于信息快速傳遞的扁平的充滿柔性的管理模式，并且注重企業(yè)文化的重構(gòu)，為FMS和其他先進(jìn)制造方法提供有利的實(shí)施環(huán)境。借鑒其他管理方法的先進(jìn)思想，使企業(yè)柔性隨環(huán)境的

12、變化而不斷提高。日本的豐田公司應(yīng)用FMS之所以能取得成功，關(guān)鍵是結(jié)合本企業(yè)實(shí)際發(fā)展了FMS的思想，而創(chuàng)造出新的管理方法精益生產(chǎn)，既解決了資金層次的改革問(wèn)題，又解決了作業(yè)層次的管理問(wèn)題。再比如，可以借鑒AM的思想，加強(qiáng)與供應(yīng)商和其他企業(yè)的合作，以此提高企業(yè)的反應(yīng)能力。提高FMS自身的水平，主要是軟件水平，以改善系統(tǒng)的運(yùn)控能力，如采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高各部分動(dòng)作銜接能力，并努力協(xié)調(diào)各部分的關(guān)系，除生產(chǎn)處，還要加強(qiáng)其他各環(huán)節(jié)的柔性，以此提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化的反應(yīng)能力。另外要指出是：一方面FMS投資大，大多數(shù)企業(yè)難以承受。另一方面，企業(yè)確實(shí)需要以先進(jìn)制造技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，于是出現(xiàn)了準(zhǔn)FMS(P

13、FMS)、經(jīng)濟(jì)型FMS等新的生產(chǎn)模式。但這些新的生產(chǎn)模式往往是以去持FMS的部分功能為代價(jià)，例如去掉FMS中的刀具管理系統(tǒng)，或者物料運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)等等，而沒(méi)有將人的因素考慮進(jìn)去。在對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究中緊跟國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，這無(wú)疑是需要的。但我們更應(yīng)看到我國(guó)目前企業(yè)的實(shí)際情況，應(yīng)結(jié)合中國(guó)的國(guó)情，研究一些低成本、高效率的生產(chǎn)組織模式，為國(guó)有大中型企業(yè)盡快走出困境提供相應(yīng)的技術(shù)支持。研究人機(jī)一體化FMS系統(tǒng)就是為了達(dá)到這一目的。在刀具管理系統(tǒng)中，由于換刀機(jī)器人造價(jià)昂貴，要求定位精度高，所以在實(shí)施FMS時(shí)，很多情況下都去掉了刀具管理系統(tǒng)。然而在FMS中刀具管理系統(tǒng)是一個(gè)重要的分系統(tǒng)，刀具信息的不完整性將直接影響運(yùn)

14、行控制系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度。利用人來(lái)代替換刀機(jī)器人，不僅能節(jié)約大量投資，而且也能充分發(fā)揮人工換刀定位準(zhǔn)確這一優(yōu)勢(shì)，并能確保刀具信息的完整性。例如，在一組加工設(shè)備旁建立一個(gè)刀庫(kù)，并由一臺(tái)微機(jī)作為虛報(bào)換刀機(jī)器人和刀具管理站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與工作站相連接，從而可將刀庫(kù)中所有刀具的位置以及刀具參數(shù)錄入到相應(yīng)的刀具信息庫(kù)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，該機(jī)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)換刀請(qǐng)求信息，由人工完成相應(yīng)的換刀動(dòng)作，換刀之后人工鍵入確認(rèn)信息上報(bào)系統(tǒng)。物料運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)與實(shí)際加工系統(tǒng)有著密切的關(guān)系。如采用自動(dòng)小車交換工件，要求加工設(shè)備必須具備雙工作臺(tái)。這不僅給加工設(shè)備提出了更高的要求。同時(shí)使用自動(dòng)牽引小車(AGV)一般還需建立相應(yīng)的托盤(pán)緩沖站。由此

15、可見(jiàn)，隨著物料運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度的增強(qiáng)，將大幅度增加資金的投入。根據(jù)FMS的實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，AGV的故障率較高，一旦出現(xiàn)故障就是系統(tǒng)致命故障，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在人機(jī)一體化FMS系統(tǒng)中，物料運(yùn)儲(chǔ)系統(tǒng)采用人工控制的以電瓶車為基型的運(yùn)輸小車，完全可達(dá)到所要求的通信能力。小車上可安裝相應(yīng)的顯示裝置，實(shí)時(shí)顯示對(duì)送取零件的站點(diǎn)和順序，操作者可根據(jù)這些顯示來(lái)完成工件的傳達(dá)。從上述單元技術(shù)介紹中可以清楚地看到，人機(jī)一體化FMS系統(tǒng)與全自動(dòng)化的FMS相比在接口上有著較大的差異。全自動(dòng)FMS系統(tǒng)中各分系統(tǒng)之間的接口，一般都是采用相互約定的協(xié)議來(lái)完成，不需人工參與。例如，加工過(guò)程中需將中央刀庫(kù)的某號(hào)刀送到加工中心的某個(gè)刀位上，其完成過(guò)程是系統(tǒng)將換刀命令下達(dá)到刀具管理分系統(tǒng)，由該分系統(tǒng)的控制軟件命令換刀機(jī)器人完成相應(yīng)的工作。而在人機(jī)一體化FMS系統(tǒng)中，同樣一個(gè)命令其完成過(guò)程就不一樣了。由于沒(méi)有換刀機(jī)器人，因此就只能將換刀信息顯示在該分系統(tǒng)的控制終端上，由