制造自動化的廣義內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
| 制造自動化技術是先進制造技術中的重要組成部分，也是當今制造工程領域中涉及面廣、研究十分活躍的技術。 我國對制造自動化技術的研究十分重視，近年來已在研究和應用上作了大量工作。例如，國家863計劃CIMS主 題專門設置了“制造自動化”技術專題，每年均設置了一定數(shù)量的研究課題；全國高校中建立了“全國高等學校 制造自動化研究會”，每兩年一次學術大會，圍繞制造自動化主題作了大量研究。 鑒于“制造自動化”這一名稱在我國出現(xiàn)的時間還不很長，同時又因其內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢均處于不 斷地發(fā)展和動態(tài)變化過程中，因此本文對制造自動化的內(nèi)涵進行了探討，對其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢作了分析和論 述。 1 制造自動化的廣義內(nèi)涵 顧名思義，“制造自動化”首先應與“制造”有關。 傳統(tǒng)地理解，人們一般將“制造”理解為產(chǎn)品的機械工藝過程或機械加工過程。例如著名的Longman詞典對 “制造”(Manufacture)的解釋為“通過機器進行(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“過程”兩個方面大大拓展。范圍方面，制造 涉及的工業(yè)領域遠非局限于機械制造，包括了機械、電子、化工、輕工、食品和軍工等國民經(jīng)濟的大量行業(yè)。制 造業(yè)已被定義為將可用資源(包括物料、能源等)通過相應過程、轉(zhuǎn)化為可供人們使用和利用的工業(yè)品或生活消費 品的產(chǎn)業(yè)［1］。過程方面，制造不是僅指具體的工藝過程，而是包括市場分析、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)工藝過程、裝配 檢驗和銷售服務等產(chǎn)品整個生命周期過程，如國際生產(chǎn)工程學會1990年給“制造”下的定義是：制造是一個涉及 制造工業(yè)中產(chǎn)品設計、物料選擇、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)過程、質(zhì)量保證、經(jīng)營管理、市場銷售和服務的一系列相關活 動和工作的總稱［2］。 綜上所述，目前對制造有兩種理解，一是通常的制造概念，指產(chǎn)品的“制作過程”或稱為“小制造概念”， 如機械加工過程；另一個是廣義制造概念，包括產(chǎn)品整個生命周期過程，又稱為“大制造概念”。實際應用中， 兩者皆在使用，其概念范圍視具體情況而定。 “自動化(Automation)”是美國人D.S.Harder于1936年提出的［3］。當時他在通用汽車公司工作，他認為在 一個生產(chǎn)過程中，機器之間的零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運就是“自動化”。這實質(zhì)是早期制造自動化的概念。 制造自動化(以下簡稱自動化)的概念是一個動態(tài)發(fā)展過程。過去，人們對自動化的理解或者說自動化的功能 目標是以機械的動作代替人力操作，自動地完成特定的作業(yè)。這實質(zhì)上是自動化代替人的體力勞動的觀點。后來 隨著電子和信息技術的發(fā)展，特別是隨著計算機的出現(xiàn)和廣泛應用，自動化的概念已擴展為用機器(包括計算機) 不僅代替人的體力勞動而且還代替或輔助腦力勞動，以自動地完成特定的作業(yè)。 今天看來自動化的上述概念也還不完善。把自動化的功能目標看成是用機器代替人的體力勞動或腦力勞動是 比較狹窄的理解。這種理解甚至在某種程度上阻礙了自動化技術的發(fā)展，例如，有人就認為，中國人多，搞自動 化沒有很大的必要。 今天，制造自動化已遠遠突破了上述傳統(tǒng)的概念，具有更加寬廣和深刻的內(nèi)涵。制造自動化的廣義內(nèi)涵至少 包括以下幾點： (1) 在形式方面，制造自動化有三個方面的含義： 代替人的體力勞動。 代替或輔助人的腦力勞動。 制造系統(tǒng)中人、機及整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化。 (2) 在功能方面，制造自動化代替人的體力勞動或腦力勞動僅僅是制造自動化功能目標體系的一部分。制造 自動化的功能目標是多方面的，已形成一個有機體系。此體系可用如圖1所示的功能目標模型描述。此功能目標模 型簡稱TQCSE模型，其中T表示時間(Time)，Q表示質(zhì)量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服務(Service)，E表 示環(huán)境友善性(Environment)。 TQCSE模型中的T有兩方面的含義，一是指采用自動化技術，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的含義是采用自動化技術能有效地降低成本，提高 經(jīng)濟效益。S也有兩方面的含義，一是利用自動化技術，更好地做好市場服務工作；二是利用自動化技術，替代或 減輕制造人員的體力和腦力勞動，直接為制造人員服務。E的含義是制造自動化應該有利于充分利用資源，減少廢 棄物和環(huán)境污染，有利于實現(xiàn)綠色制造。 TQCSE模型還表明，T、Q、C、S、E是相互關聯(lián)的，它們構成了一個制造自動化功能目標的有機體系。 (3) 在范圍方面，制造自動化不僅涉及到具體生產(chǎn)制造過程，而是涉及產(chǎn)品生命周期所有過程。 2 制造自動化技術的研究現(xiàn)狀 正如本文前言所述，國內(nèi)外對制造自動化技術的研究非常重視，已經(jīng)進行了大量研究。綜合而言，制造自動 化技術的研究現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 2.1 制造系統(tǒng)中的集成技術和系統(tǒng)技術已成為制造自動化研究中熱點問題 制造自動化技術研究過去主要集中在單元和專門技術的研究中，這些技術包括控制技術(如數(shù)控技術、過程控 制和過程監(jiān)控等)和計算機輔助技術(如CAD、CAPP、CAM和CAE等)等。近年來，在上述單元技術和專門技術繼續(xù)發(fā) 展的同時，制造系統(tǒng)中的集成技術和系統(tǒng)技術的研究發(fā)展迅速，已成為制造自動化研究中的熱點。 制造系統(tǒng)中的集成技術和系統(tǒng)技術涉及面很廣。其中集成技術包括制造系統(tǒng)中的信息集成和功能集成技術(如 CIMS)、過程集成技術(如并行工程CE)、企業(yè)間集成技術(如敏捷制造AM)等；系統(tǒng)技術包括制造系統(tǒng)分析技術、制 造系統(tǒng)建模技術、制造系統(tǒng)運籌技術、制造系統(tǒng)管理技術和制造系統(tǒng)優(yōu)化技術等等。 2.2 更加注重研究制造自動化系統(tǒng)中人的作用的發(fā)揮 在過去一段時期，人們曾認為全盤自動化和無人化工廠或車間是制造自動化發(fā)展的目標。隨著實踐的深入和 一些無人化工廠實施的失敗，人們對無人制造自動化問題進行了反思，并對于人在制造自動化系統(tǒng)中有著機器不 可替代的重要作用進行了重新認識。有鑒于此，國內(nèi)外對于如何將人與制造系統(tǒng)有機結合，在理論與技術上展開 了積極的探索。近年來，提出了“人機一體化制造系統(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—機一體的技術路線，將人作為系統(tǒng)結構中的有機組成部分，使人與機器處于優(yōu)化合作 的地位，實現(xiàn)制造系統(tǒng)中人與機器一體化的人機集成的決策機制，以取得制造系統(tǒng)的******效益。目前，圍繞人機 集成問題國內(nèi)外正在進行大量研究。 2.3 單元系統(tǒng)的研究仍然占有重要的位置 單元系統(tǒng)是以一臺或多臺數(shù)控加工設備和物料儲運系統(tǒng)為主體，在計算機統(tǒng)一控制管理下，可進行多品種、 中小批量零件自動化加工生產(chǎn)的機械加工系統(tǒng)的總稱。它是計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的重要組成部分，是自動 化工廠車間作業(yè)計劃的分解決策層和具體執(zhí)行機構。國內(nèi)外制造行業(yè)在單元系統(tǒng)的理論和技術研究方面投入了大 量的人力物力，因此單元技術無論是軟件還是硬件均有迅速的發(fā)展。 例如：美國《Manufacturing Engineering》高級編輯Robert B.Aronson最近專門發(fā)表綜合評論文章“數(shù)控單 元(系統(tǒng))的最新進展”［5］，對數(shù)控單元系統(tǒng)的發(fā)展狀況進行了綜述，其中指出：“單元(系統(tǒng))目前已經(jīng)開始影 響和支配著美國制造業(yè)?！薄禡anufaturing Engineering》的另一編輯也同時撰文［6］介紹了單元系統(tǒng)在美國波 音公司中所發(fā)揮的巨大作用。近年來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 制造過程的計劃和調(diào)度研究十分活躍，但實用化的成果還不多見 美國Ingersoll銑床公司曾分析了在傳統(tǒng)的制造工廠中從原材料進廠到產(chǎn)品出廠的制造過程。結果表明，對一 個機械零件來說，只有5%的時間是在機床上；95%的時間中，零件在不同的地方和不同的機床之間運輸或等待。減 少這95%的時間，是提高制造生產(chǎn)率的重要方向。優(yōu)化制造過程的計劃和調(diào)度是減少95%的時間的主要手段。有鑒 于此，國內(nèi)外對制造過程的計劃和調(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 度的國際CIM大會為例，最近幾屆的大會論文集中，計劃和調(diào)度方面的研究均占相當一部分。 制造過程的計劃和調(diào)度的研究方面雖然已取得大量研究成果，但由于制造過程的復雜性和隨機性，使得能進 入實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一步深化。 2.5 柔性制造技術的研究向著深度和廣義發(fā)展 一提到柔性制造技術，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)達國家廣泛應用。雖然FMS的研究已有較長歷史，但 由于其復雜性和不斷地發(fā)展，至今仍有大量學者對此進行研究。目前的研究主要圍繞FMS的系統(tǒng)結構、控制、管理 和優(yōu)化運行在進行。 柔性制造系統(tǒng)FMS雖然具有自動化程度高和運行效率高等優(yōu)點，但由于其不僅注重信息流的集成，也特別強調(diào) 物料流的集成與自動化，物流自動化設備投資在整個FMS的投資中占有相當大的比重，且FMS的運行可靠性在很大 程度上依賴于物流自動化設備的正常運行，因此FMS也具有投資大、見效慢和可靠性相對較差等不足。 DNC技術近年來得到了很大發(fā)展。早期的DNC是指Distributed numerical control，即計算機直接數(shù)控。目前 我們說的DNC包括兩種情況：一是為計算機直接數(shù)控，另一指是Direct numerical control，即分布式數(shù)控。本文 所說的DNC主要指后者。DNC(分布式數(shù)控)強調(diào)信息的集成與信息流的自動化，物料流的控制與執(zhí)行可大量介入人 機交互。相對FMS來說，DNC具有投資小、見效快、柔性好和可靠性高等特點，因而近年來的研究非常活躍［7］。 柔性制造技術的基礎是數(shù)控。數(shù)控技術雖然已有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 適應現(xiàn)代生產(chǎn)模式的制造環(huán)境的研究正在興起 &nbs |
