FMS在我国制造业的应用现状调查与分析

1、FMS在我国制造业的应用现状与分析1前言美、日、德三国分别于68年、70年和71年开发了首套FMS。到90年代全世界拥有1200套左右FMS，其中日本拥有400套，美国150套，德国100套。自85年到90年FMS的年平均增长率为28.7%。而同期FMC的年平均增长率为72.8%,即FMC的增长率是FMS的2.54倍。1990年全球FMS的销售额超过了20亿美元，FMC销售额逾40亿美元，两者约占当年世界机床总销售额的15%，约占数控机床销售额的30%以上。包括各类数控机床在内的柔性制造机床和系统的产值约占90年世界机床总产值465亿美元的55%，其中日本和德国分别高达75%和70%，并呈逐年

2、增加的趋势。因而适用于柔性自动化生产的机床和系统已成为机床工业的主导产品。2我国制造业FMS的应用1958年清华大学与北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床，虽与日本研制数控车床和数控铣床的时间接近，但由于数控系统和相关的电、液元件未得到相应的发展，所以并没有能形成数控机床产业。直到“六五”期间由北京机床研究所引进日本FANUC数控和伺服系统技术，并经“七五”、“八五”在引进数控技术的基础上消化吸收，才从80年代起逐步形成了我国完整的数控机床产业；同时开发了在CNC单机基础上配置工件自动输送和托盘交换装置的FMC，自主研制了以国产设备为主组成的箱体加工FMS和板材冲压成型FMS等,并为国内

3、汽车行业和摩托车行业研制了柔性自动化生产线，发展了基于DNC的独立制造岛和车间集成信息管理系统等。以板材冲压成型FMS为例：板材加工是机械工业的重要组成部分，在家电、通信及电力等行业中具有重要作用。板材产品的生产批量往往较大，市场竞争的加剧使得产品更新速度大大加快。这就要求板材产品制造厂商具有快速应变能力。80年代以后，通过自主开发和引进技术，我国的数控冲床、数控剪床及数控折弯机等数控加工设备已形成规模生产。但就板材加工的总体技术水平而言，与工业发达国家仍存在着相当差距。在国产数控板材加工设备基础上进行集成，开发国产化、批量化生产的板材FMS，可以充分利用资源，降低成本，并在板材冲压成型FMS

4、单元设计、系统集成以及运行管理等技术上取得突破，从而提高我国板材加工装备的整体水平。目前板材冲压成型FMS系统运行的基本流程是：根据定单，在CAD/CAM编程计算机上用板材加工编程软件进行绘图及排样，编制相应的NC程序；计划与管理服务器负责作业计划的编制和系统数据管理，并向调度与监控计算机发送作业计划；调度与监控计算机根据各单元的运行状况完成系统的动态调度和实时监控，并向服务器报告计划的完成情况；各单元控制器接受调度与监控计算机发出的指令，控制单元内的设备完成指定的加工及运输活动，并向调度与监控计算机反馈设备状态及任务完成情况。在板材FMS控制系统中，采用修正分层控制结构。基于单元化和模块化思

5、想，将FMS系统划分为中央控制单元、冲孔单元、剪切单元和仓库单元等四个单元。在解决单元技术和集成技术的基础上，根据用户需求和经济条件，可以将系统配置成：以冲孔单元为基础的板材FMC；具有多个冲孔单元及剪切单元的板材FMS；包括冲孔单元、剪切单元和折弯单元的功能完善的板材FMS。某些特定运行状况下，三个单元级的单元之间存在着需要相互协调的问题。例如：冲孔单元开始加工时的出库上料过程及冲孔加工任务完成后的退料入库过程，均涉及到仓库单元的堆垛机及冲孔单元的上料小车之间的协调问题。由于中央控制单元任务繁多、控制状态复杂，若采用正规分层控制结构，由中央控制单元来完成协调工作，将给控制软件的设计及PLC编

6、程带来很大困难。采用修正分层控制结构后，这些过程的完成无须中央控制系统进行协调，而由两个单元控制器之间直接完成相应信息的传递。如：退料入库过程，当载有托盘的上料小车行驶到入库位置时，行程开关同时向仓库单元控制器和冲孔单元控制器发出触发信号。冲孔单元控制器接到此信号，表示该单元已完成退料入库的动作，可以进行复位等后续动作；仓库单元控制器接收到相应的信号后，向堆垛机发出入库指令，完成托盘的入库动作。另外，在冲孔单元与剪切单元、剪切单元与仓库单元之间也存在着单元之间的协调问题。单元之间良好的信息沟通保证了FMS系统的高效运行。3我国企业在FMS应用中遇到的问题按照FMS的原理，FMS对加快产品开发，

7、缩短产品周期，提高产品质量具有很大的作用。但是许多采用FMS的企业并未达到预期效果。究其原因，关键在于企业固于传统的管理方式，错误地静止地理解FMS，只注重表面的、形式的东西，未能真正理解柔性的主旨，因而断章取义地片面追求生产系统技术的先进性，而不是首先与本行业、本系统的实际相结合。具体地讲，主要体现在以下几个方面：忽视人在企业系统中的作用。在先进制造系统中，人的智能和主观能动性总是处于核心地位，因此必然要求人员的高素质。有知识的人员成为企业中最宝贵的财富。而传统做法总是只追求设备的先进水平，追求企业硬件的柔性，而忽视人员的作用，甚至追求无人化。这样不但提高了FMS的成本，也造成设备柔性不能充

8、分发挥。人的智能因素是任何先进设备都难以替代的，只有成员的积极参与，才能保证整个系统的正常运行和对外部环境的快速反应。为了保证人员的高素质，同样必须加强对人的后续教育与培训。片面追求高技术，忽视组织管理的跟进。高技术是企业不可少的硬件设备，的确可以带来生产过程的重大改变，甚至可能带来生产观念的巨大更新，对提高产品生产效率，提高产品质量有着不可估量的作用。但若没有相应的软件，绝对不可能充分发挥其效用。而与硬件相应的管理模式正是促使硬件设备充分发挥作用的软件平台，因此必须注重企业组织管理的跟进。旧的管理模式是多极的、金字塔型的结构，减慢了信息的传递速度，造成企业对外界反应的延迟。如果仍以旧的管理方

9、式进行预测，组织生产，必然会由于决策的低水平和组织的慢反应、低柔性而导致设备柔性的不充分发挥，而不能实现整体柔性的提高，并且由于设备投入具有投资大、周期长的特点，相应地增加了系统的风险。只强调企业自身的反应能力，而忽视了与供应商和客户间关系的协调。一个企业自身的能力和资金毕竟有限，要想追求全能的柔性根本不可能。而市场是千变万化的，企业必须根据变化了的需求，动态地调整自己的策略，与其他相关企业组成“动态联盟”，才有可能真正对市场变化作出快速灵活的反应。固于大规模生产模式的框架，遵循传统的、连续的生产方式，片面追求“全能”下的效率。由于“全能”的实现是以对未来市场的正确的预测为基础的，而事实上，当

10、预测条件发生变化时，大规模的生产不能够在时间上作出快速反应，而贻误了有利时机。90年代以来，许多原来成功实行FMS的企业遇到了新的挑战过度依赖控制设备运行的计算机软件，但大多数工程师在现有的软件系统上实现新功能时遇到了困难，而导致操作者与工程师在重新设计产品性能以满足用户要求时缺乏灵活性。具体讲就是传统的FMS是按照递阶层次构造的，是一种集中管理，强调整体性控制，因此反应速度慢。此外，由于系统中各计算机、操作系统、编程语言各不相同，在现有的通信技术水平下实现全面集成、快速反应具有相当的困难，由此也阻碍了设备柔性的发挥。总之，由于企业未能真正理解FMS的哲理，不是根据本企业的实际加以适当改进和应

11、用，而盲因照抄照搬其他企业的模式，重设备轻管理，且不能根据情况的变化适当地调整，从而阻碍了设备柔性的发挥。化的快速反应。由上面的分析可以看出，FMS是其他先进制造方法的基础，只是由于应用上的失误才导致其陷入目前的局面。因此只要切实从观念上和管理上改进企业的经营方式，就一定会使FMS重新焕发生机。有针对性地进行企业改造，是提高FMS柔性的根本方法。主要是：按照FMS的要求，进行企业经营管理模式的改革，通过BPR的方法，建立起适应企业实际的便于信息快速传递的扁平的充满柔性的管理模式，并且注重企业文化的重构，为FMS和其他先进制造方法提供有利的实施环境。借鉴其他管理方法的先进思想，使企业柔性随环境的

12、变化而不断提高。日本的丰田公司应用FMS之所以能取得成功，关键是结合本企业实际发展了FMS的思想，而创造出新的管理方法精益生产，既解决了资金层次的改革问题，又解决了作业层次的管理问题。再比如，可以借鉴AM的思想，加强与供应商和其他企业的合作，以此提高企业的反应能力。提高FMS自身的水平，主要是软件水平，以改善系统的运控能力，如采用分布式网络结构，提高各部分动作衔接能力，并努力协调各部分的关系，除生产处，还要加强其他各环节的柔性，以此提高企业对市场变化的反应能力。另外要指出是：一方面FMS投资大，大多数企业难以承受。另一方面，企业确实需要以先进制造技术来改造传统的生产模式，于是出现了准FMS(P

13、FMS)、经济型FMS等新的生产模式。但这些新的生产模式往往是以去持FMS的部分功能为代价，例如去掉FMS中的刀具管理系统，或者物料运储系统等等，而没有将人的因素考虑进去。在对相关领域的研究中紧跟国际发展趋势，这无疑是需要的。但我们更应看到我国目前企业的实际情况，应结合中国的国情，研究一些低成本、高效率的生产组织模式，为国有大中型企业尽快走出困境提供相应的技术支持。研究人机一体化FMS系统就是为了达到这一目的。在刀具管理系统中，由于换刀机器人造价昂贵，要求定位精度高，所以在实施FMS时，很多情况下都去掉了刀具管理系统。然而在FMS中刀具管理系统是一个重要的分系统，刀具信息的不完整性将直接影响运

14、行控制系统的作业调度。利用人来代替换刀机器人，不仅能节约大量投资，而且也能充分发挥人工换刀定位准确这一优势，并能确保刀具信息的完整性。例如，在一组加工设备旁建立一个刀库，并由一台微机作为虚报换刀机器人和刀具管理站，通过网络与工作站相连接，从而可将刀库中所有刀具的位置以及刀具参数录入到相应的刀具信息库。当系统运行时，该机实时显示系统换刀请求信息，由人工完成相应的换刀动作，换刀之后人工键入确认信息上报系统。物料运储系统与实际加工系统有着密切的关系。如采用自动小车交换工件，要求加工设备必须具备双工作台。这不仅给加工设备提出了更高的要求。同时使用自动牵引小车(AGV)一般还需建立相应的托盘缓冲站。由此

15、可见，随着物料运储系统的自动化程度的增强，将大幅度增加资金的投入。根据FMS的实际运行情况统计，AGV的故障率较高，一旦出现故障就是系统致命故障，严重影响系统的正常运行。在人机一体化FMS系统中，物料运储系统采用人工控制的以电瓶车为基型的运输小车，完全可达到所要求的通信能力。小车上可安装相应的显示装置，实时显示对送取零件的站点和顺序，操作者可根据这些显示来完成工件的传达。从上述单元技术介绍中可以清楚地看到，人机一体化FMS系统与全自动化的FMS相比在接口上有着较大的差异。全自动FMS系统中各分系统之间的接口，一般都是采用相互约定的协议来完成，不需人工参与。例如，加工过程中需将中央刀库的某号刀送到加工中心的某个刀位上，其完成过程是系统将换刀命令下达到刀具管理分系统，由该分系统的控制软件命令换刀机器人完成相应的工作。而在人机一体化FMS系统中，同样一个命令其完成过程就不一样了。由于没有换刀机器人，因此就只能将换刀信息显示在该分系统的控制终端上，由