制造自動(dòng)化的廣義內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
| 制造自動(dòng)化技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)中的重要組成部分，也是當(dāng)今制造工程領(lǐng)域中涉及面廣、研究十分活躍的技術(shù)。 我國(guó)對(duì)制造自動(dòng)化技術(shù)的研究十分重視，近年來(lái)已在研究和應(yīng)用上作了大量工作。例如，國(guó)家863計(jì)劃CIMS主 題專門設(shè)置了“制造自動(dòng)化”技術(shù)專題，每年均設(shè)置了一定數(shù)量的研究課題；全國(guó)高校中建立了“全國(guó)高等學(xué)校 制造自動(dòng)化研究會(huì)”，每?jī)赡暌淮螌W(xué)術(shù)大會(huì)，圍繞制造自動(dòng)化主題作了大量研究。 鑒于“制造自動(dòng)化”這一名稱在我國(guó)出現(xiàn)的時(shí)間還不很長(zhǎng)，同時(shí)又因其內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)均處于不 斷地發(fā)展和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，因此本文對(duì)制造自動(dòng)化的內(nèi)涵進(jìn)行了探討，對(duì)其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)作了分析和論 述。 1 制造自動(dòng)化的廣義內(nèi)涵 顧名思義，“制造自動(dòng)化”首先應(yīng)與“制造”有關(guān)。 傳統(tǒng)地理解，人們一般將“制造”理解為產(chǎn)品的機(jī)械工藝過(guò)程或機(jī)械加工過(guò)程。例如著名的Longman詞典對(duì) “制造”(Manufacture)的解釋為“通過(guò)機(jī)器進(jìn)行(產(chǎn)品)制作或生產(chǎn)，特別是適用于大批量”。 隨著人類生產(chǎn)力的發(fā)展，“制造”的概念和內(nèi)涵在“范圍”和“過(guò)程”兩個(gè)方面大大拓展。范圍方面，制造 涉及的工業(yè)領(lǐng)域遠(yuǎn)非局限于機(jī)械制造，包括了機(jī)械、電子、化工、輕工、食品和軍工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大量行業(yè)。制 造業(yè)已被定義為將可用資源(包括物料、能源等)通過(guò)相應(yīng)過(guò)程、轉(zhuǎn)化為可供人們使用和利用的工業(yè)品或生活消費(fèi) 品的產(chǎn)業(yè)［1］。過(guò)程方面，制造不是僅指具體的工藝過(guò)程，而是包括市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝過(guò)程、裝配 檢驗(yàn)和銷售服務(wù)等產(chǎn)品整個(gè)生命周期過(guò)程，如國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)1990年給“制造”下的定義是：制造是一個(gè)涉及 制造工業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量保證、經(jīng)營(yíng)管理、市場(chǎng)銷售和服務(wù)的一系列相關(guān)活 動(dòng)和工作的總稱［2］。 綜上所述，目前對(duì)制造有兩種理解，一是通常的制造概念，指產(chǎn)品的“制作過(guò)程”或稱為“小制造概念”， 如機(jī)械加工過(guò)程；另一個(gè)是廣義制造概念，包括產(chǎn)品整個(gè)生命周期過(guò)程，又稱為“大制造概念”。實(shí)際應(yīng)用中， 兩者皆在使用，其概念范圍視具體情況而定。 “自動(dòng)化(Automation)”是美國(guó)人D.S.Harder于1936年提出的［3］。當(dāng)時(shí)他在通用汽車公司工作，他認(rèn)為在 一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器之間的零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運(yùn)就是“自動(dòng)化”。這實(shí)質(zhì)是早期制造自動(dòng)化的概念。 制造自動(dòng)化(以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化)的概念是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。過(guò)去，人們對(duì)自動(dòng)化的理解或者說(shuō)自動(dòng)化的功能 目標(biāo)是以機(jī)械的動(dòng)作代替人力操作，自動(dòng)地完成特定的作業(yè)。這實(shí)質(zhì)上是自動(dòng)化代替人的體力勞動(dòng)的觀點(diǎn)。后來(lái) 隨著電子和信息技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化的概念已擴(kuò)展為用機(jī)器(包括計(jì)算機(jī)) 不僅代替人的體力勞動(dòng)而且還代替或輔助腦力勞動(dòng)，以自動(dòng)地完成特定的作業(yè)。 今天看來(lái)自動(dòng)化的上述概念也還不完善。把自動(dòng)化的功能目標(biāo)看成是用機(jī)器代替人的體力勞動(dòng)或腦力勞動(dòng)是 比較狹窄的理解。這種理解甚至在某種程度上阻礙了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，例如，有人就認(rèn)為，中國(guó)人多，搞自動(dòng) 化沒有很大的必要。 今天，制造自動(dòng)化已遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了上述傳統(tǒng)的概念，具有更加寬廣和深刻的內(nèi)涵。制造自動(dòng)化的廣義內(nèi)涵至少 包括以下幾點(diǎn)： (1) 在形式方面，制造自動(dòng)化有三個(gè)方面的含義： 代替人的體力勞動(dòng)。 代替或輔助人的腦力勞動(dòng)。 制造系統(tǒng)中人、機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化。 (2) 在功能方面，制造自動(dòng)化代替人的體力勞動(dòng)或腦力勞動(dòng)僅僅是制造自動(dòng)化功能目標(biāo)體系的一部分。制造 自動(dòng)化的功能目標(biāo)是多方面的，已形成一個(gè)有機(jī)體系。此體系可用如圖1所示的功能目標(biāo)模型描述。此功能目標(biāo)模 型簡(jiǎn)稱TQCSE模型，其中T表示時(shí)間(Time)，Q表示質(zhì)量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服務(wù)(Service)，E表 示環(huán)境友善性(Environment)。 TQCSE模型中的T有兩方面的含義，一是指采用自動(dòng)化技術(shù)，能縮短產(chǎn)品制造周期，產(chǎn)品上市快；二是提高生 產(chǎn)率。Q的含義是采用自動(dòng)化系統(tǒng)，能提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量。C的含義是采用自動(dòng)化技術(shù)能有效地降低成本，提高 經(jīng)濟(jì)效益。S也有兩方面的含義，一是利用自動(dòng)化技術(shù)，更好地做好市場(chǎng)服務(wù)工作；二是利用自動(dòng)化技術(shù)，替代或 減輕制造人員的體力和腦力勞動(dòng)，直接為制造人員服務(wù)。E的含義是制造自動(dòng)化應(yīng)該有利于充分利用資源，減少?gòu)U 棄物和環(huán)境污染，有利于實(shí)現(xiàn)綠色制造。 TQCSE模型還表明，T、Q、C、S、E是相互關(guān)聯(lián)的，它們構(gòu)成了一個(gè)制造自動(dòng)化功能目標(biāo)的有機(jī)體系。 (3) 在范圍方面，制造自動(dòng)化不僅涉及到具體生產(chǎn)制造過(guò)程，而是涉及產(chǎn)品生命周期所有過(guò)程。 2 制造自動(dòng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀 正如本文前言所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)制造自動(dòng)化技術(shù)的研究非常重視，已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。綜合而言，制造自動(dòng) 化技術(shù)的研究現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 2.1 制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)已成為制造自動(dòng)化研究中熱點(diǎn)問(wèn)題 制造自動(dòng)化技術(shù)研究過(guò)去主要集中在單元和專門技術(shù)的研究中，這些技術(shù)包括控制技術(shù)(如數(shù)控技術(shù)、過(guò)程控 制和過(guò)程監(jiān)控等)和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(如CAD、CAPP、CAM和CAE等)等。近年來(lái)，在上述單元技術(shù)和專門技術(shù)繼續(xù)發(fā) 展的同時(shí)，制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)的研究發(fā)展迅速，已成為制造自動(dòng)化研究中的熱點(diǎn)。 制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)涉及面很廣。其中集成技術(shù)包括制造系統(tǒng)中的信息集成和功能集成技術(shù)(如 CIMS)、過(guò)程集成技術(shù)(如并行工程CE)、企業(yè)間集成技術(shù)(如敏捷制造AM)等；系統(tǒng)技術(shù)包括制造系統(tǒng)分析技術(shù)、制 造系統(tǒng)建模技術(shù)、制造系統(tǒng)運(yùn)籌技術(shù)、制造系統(tǒng)管理技術(shù)和制造系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)等等。 2.2 更加注重研究制造自動(dòng)化系統(tǒng)中人的作用的發(fā)揮 在過(guò)去一段時(shí)期，人們?cè)J(rèn)為全盤自動(dòng)化和無(wú)人化工廠或車間是制造自動(dòng)化發(fā)展的目標(biāo)。隨著實(shí)踐的深入和 一些無(wú)人化工廠實(shí)施的失敗，人們對(duì)無(wú)人制造自動(dòng)化問(wèn)題進(jìn)行了反思，并對(duì)于人在制造自動(dòng)化系統(tǒng)中有著機(jī)器不 可替代的重要作用進(jìn)行了重新認(rèn)識(shí)。有鑒于此，國(guó)內(nèi)外對(duì)于如何將人與制造系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，在理論與技術(shù)上展開 了積極的探索。近年來(lái)，提出了“人機(jī)一體化制造系統(tǒng)”、“以人為中心的制造系統(tǒng)”等新思想，其內(nèi)涵就是發(fā) 揮人的核心作用，采用人—機(jī)一體的技術(shù)路線，將人作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的有機(jī)組成部分，使人與機(jī)器處于優(yōu)化合作 的地位，實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)中人與機(jī)器一體化的人機(jī)集成的決策機(jī)制，以取得制造系統(tǒng)的******效益。目前，圍繞人機(jī) 集成問(wèn)題國(guó)內(nèi)外正在進(jìn)行大量研究。 2.3 單元系統(tǒng)的研究仍然占有重要的位置 單元系統(tǒng)是以一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控加工設(shè)備和物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)為主體，在計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制管理下，可進(jìn)行多品種、 中小批量零件自動(dòng)化加工生產(chǎn)的機(jī)械加工系統(tǒng)的總稱。它是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的重要組成部分，是自動(dòng) 化工廠車間作業(yè)計(jì)劃的分解決策層和具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外制造行業(yè)在單元系統(tǒng)的理論和技術(shù)研究方面投入了大 量的人力物力，因此單元技術(shù)無(wú)論是軟件還是硬件均有迅速的發(fā)展。 例如：美國(guó)《Manufacturing Engineering》高級(jí)編輯Robert B.Aronson最近專門發(fā)表綜合評(píng)論文章“數(shù)控單 元(系統(tǒng))的最新進(jìn)展”［5］，對(duì)數(shù)控單元系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述，其中指出：“單元(系統(tǒng))目前已經(jīng)開始影 響和支配著美國(guó)制造業(yè)?！薄禡anufaturing Engineering》的另一編輯也同時(shí)撰文［6］介紹了單元系統(tǒng)在美國(guó)波 音公司中所發(fā)揮的巨大作用。近年來(lái)又提出了一種基于多主體(Multi-Agent)的單元化制造系統(tǒng)，其研究正在興 起。 2.4 制造過(guò)程的計(jì)劃和調(diào)度研究十分活躍，但實(shí)用化的成果還不多見 美國(guó)Ingersoll銑床公司曾分析了在傳統(tǒng)的制造工廠中從原材料進(jìn)廠到產(chǎn)品出廠的制造過(guò)程。結(jié)果表明，對(duì)一 個(gè)機(jī)械零件來(lái)說(shuō)，只有5%的時(shí)間是在機(jī)床上；95%的時(shí)間中，零件在不同的地方和不同的機(jī)床之間運(yùn)輸或等待。減 少這95%的時(shí)間，是提高制造生產(chǎn)率的重要方向。優(yōu)化制造過(guò)程的計(jì)劃和調(diào)度是減少95%的時(shí)間的主要手段。有鑒 于此，國(guó)內(nèi)外對(duì)制造過(guò)程的計(jì)劃和調(diào)度的研究非?；钴S，已發(fā)表了大量研究論文和研究成果。僅以新加坡兩年一 度的國(guó)際CIM大會(huì)為例，最近幾屆的大會(huì)論文集中，計(jì)劃和調(diào)度方面的研究均占相當(dāng)一部分。 制造過(guò)程的計(jì)劃和調(diào)度的研究方面雖然已取得大量研究成果，但由于制造過(guò)程的復(fù)雜性和隨機(jī)性，使得能進(jìn) 入實(shí)用化的特別是適用面較大的研究成果很少，大量研究還有待于進(jìn)一步深化。 2.5 柔性制造技術(shù)的研究向著深度和廣義發(fā)展 一提到柔性制造技術(shù)，人們往往首先想到柔性制造系統(tǒng)FMS。最早的FMS是1967年由英國(guó)Molins公司研制的 “System 24”［3］，至今已有30余年歷史。目前FMS已在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用。雖然FMS的研究已有較長(zhǎng)歷史，但 由于其復(fù)雜性和不斷地發(fā)展，至今仍有大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。目前的研究主要圍繞FMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制、管理 和優(yōu)化運(yùn)行在進(jìn)行。 柔性制造系統(tǒng)FMS雖然具有自動(dòng)化程度高和運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其不僅注重信息流的集成，也特別強(qiáng)調(diào) 物料流的集成與自動(dòng)化，物流自動(dòng)化設(shè)備投資在整個(gè)FMS的投資中占有相當(dāng)大的比重，且FMS的運(yùn)行可靠性在很大 程度上依賴于物流自動(dòng)化設(shè)備的正常運(yùn)行，因此FMS也具有投資大、見效慢和可靠性相對(duì)較差等不足。 DNC技術(shù)近年來(lái)得到了很大發(fā)展。早期的DNC是指Distributed numerical control，即計(jì)算機(jī)直接數(shù)控。目前 我們說(shuō)的DNC包括兩種情況：一是為計(jì)算機(jī)直接數(shù)控，另一指是Direct numerical control，即分布式數(shù)控。本文 所說(shuō)的DNC主要指后者。DNC(分布式數(shù)控)強(qiáng)調(diào)信息的集成與信息流的自動(dòng)化，物料流的控制與執(zhí)行可大量介入人 機(jī)交互。相對(duì)FMS來(lái)說(shuō)，DNC具有投資小、見效快、柔性好和可靠性高等特點(diǎn)，因而近年來(lái)的研究非?；钴S［7］。 柔性制造技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)控。數(shù)控技術(shù)雖然已有40多年歷史，但至今仍在不斷完善和發(fā)展。一些新的數(shù)控系 統(tǒng)在不斷涌現(xiàn)。 2.6 適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)模式的制造環(huán)境的研究正在興起 &nbs |
