柔性制造系統(tǒng)專利技術(shù)綜述

趙磊 王蘭云

摘要：本文首先介紹了柔性制造系統(tǒng)的基本原理和研究概況，并結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對柔性制造系統(tǒng)的全球?qū)＠麘B(tài)勢進(jìn)行了分析;其次通過對柔性制造系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)進(jìn)行匯總整理，通過檢索、統(tǒng)計(jì)、分析該領(lǐng)域的國內(nèi)外專利申請，按照申請人的地區(qū)分布、技術(shù)分布以及申請時(shí)間分布，獲取柔性制造系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和發(fā)展趨勢，最后通過對具體專利案件的分析，為該領(lǐng)域的研究方向和未來趨勢提供一種思路。

關(guān)鍵詞：柔性制造;加工;調(diào)度;組裝

中圖分類號：TH165文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）30-0050-04

Abstract： This paper first introduced the basic principle and research overview of Flexible Manufacturing System， furthermore， analyzed its global patent situation combing with its research status at home and abroad. Then through the collection and organization of patent documents in the field of Flexible Manufacturing System technology， as well as through the searching， counting and analyzing of domestic and foreign patent applications in this field， we gained its technological development context and development trends according to applicants regional distribution， technology distribution and application time distribution. Lastly， this paper analyzed specific patent cases， which provided a way for the research direction and future trends in thid field.

Key words： flexible manufacturing;processing;scheduling;assembly

1 研究概況

美國制造工程師協(xié)會(huì)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)和應(yīng)用協(xié)會(huì)把柔性制造系統(tǒng)定義為：使用計(jì)算機(jī)控制、柔性工作站和集成物料運(yùn)貯裝置來控制，并完成工件族某一工序或一系列工序的一種集成制造系統(tǒng)[1-2]。

自從1967年由英國Molins公司研制“系統(tǒng)24”開始，在機(jī)械制造業(yè)中首次建立了柔性加工的概念，緊接著美國K&T公司研制了以中等品種中等批量等批量工件為加工對象的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)取名為柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）。幾十年來，從單臺數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用逐漸發(fā)展到加工中心、柔性制造單元、柔性制造生產(chǎn)線和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，使柔性自動(dòng)化得到了迅速發(fā)展。

柔性制造起源于日本，最早為日本豐田汽車公司在20世紀(jì)六七十年代總結(jié)出來的一套成功的生產(chǎn)模式：精益生產(chǎn)（Lean Production）方式，也叫JIT（Just In Time）：在需要的時(shí)候，按照需要的數(shù)量生產(chǎn)出需要的產(chǎn)品。精益生產(chǎn)方式與從前的大批量生產(chǎn)方式相對應(yīng)，基本特點(diǎn)是零庫存、低成本和快速反應(yīng)。如果說，20世紀(jì)的精益生產(chǎn)更多追求零庫存的話，那么，今天開始了對制造過程進(jìn)行徹底變革的追求，柔性制造成了精益生產(chǎn)的最核心內(nèi)容[3]。

柔性制造系統(tǒng)兼有加工制造和部分生產(chǎn)管理兩種功能，按照成組的加工對象確定工藝過程，選擇相適應(yīng)的數(shù)控加工設(shè)備和工件、工具等物料的儲運(yùn)系統(tǒng)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，通過自動(dòng)調(diào)整和實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)多種工件的成批高效生產(chǎn)，及時(shí)地改變產(chǎn)品以滿足市場需求，從而提高生產(chǎn)效益[4]。

柔性制造系統(tǒng)可概括為3個(gè)組成部分：多工位數(shù)控加工系統(tǒng)、自動(dòng)化物流系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制信息系統(tǒng)。參見圖1。

其中：①多工位加工系統(tǒng)由若干臺對工件進(jìn)行加工的 CNC 機(jī)床及其所使用的刀具構(gòu)成;②自動(dòng)化物流系統(tǒng)由輸送系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)和搬運(yùn)系統(tǒng)3部分組成，其中輸送系統(tǒng)用于建立各加工設(shè)備之間的自動(dòng)化聯(lián)系，儲存系統(tǒng)具有自動(dòng)存取機(jī)能，用以調(diào)節(jié)加工節(jié)拍的差異，搬運(yùn)系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)加工系統(tǒng)和物流系統(tǒng)以及貯存系統(tǒng)之間的自動(dòng)化關(guān)聯(lián);③計(jì)算機(jī)控制信息系統(tǒng)，包括過程控制及過程監(jiān)控兩個(gè)子系統(tǒng)，其中，過程控制系統(tǒng)進(jìn)行加工系統(tǒng)及物流系統(tǒng)的自動(dòng)控制，過程監(jiān)控進(jìn)行在線狀態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理。

柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要包括以下兩個(gè)方面：一是與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)相結(jié)合，利用原有產(chǎn)品系列的典型工藝資料，組合設(shè)計(jì)不同模塊，構(gòu)成各種不同形式的具有物料流和信息流的模塊化柔性系統(tǒng);二是實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到銷售的整個(gè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，特別是管理層次自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。

2 柔性制造系統(tǒng)專利總體分析

截至2018年7月1日，全球?qū)＠暾堉猩婕叭嵝灾圃煜到y(tǒng)的專利總量為628件，其中從2011年相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專利申請開始大量出現(xiàn)，自1978年出現(xiàn)第一件關(guān)于柔性制造系統(tǒng)的專利申請，而在1984年之前只有少量相關(guān)申請。隨后進(jìn)入波浪式的上升期，分別在1984—1992、1996—2003以及2012—2017年經(jīng)歷了3次較大的波動(dòng)，在進(jìn)入2013年后，隨著柔性制造領(lǐng)域方面技術(shù)的不斷發(fā)展，以及中國等新興國家申請量的不斷增大，針對柔性制造系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)明專利呈現(xiàn)猛增態(tài)勢。關(guān)于柔性制造系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量時(shí)間分布圖，參見圖2。

基于專利申請所屬的國家和地區(qū)對柔性制造系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠暾堖M(jìn)行劃分，柔性制造系統(tǒng)全球?qū)＠暾垏液偷貐^(qū)分布圖參見圖3。由圖3可知，作為在柔性制造領(lǐng)域發(fā)展最好的國家，美國專利申請量以占比32%遙遙領(lǐng)先。作為柔性制造系統(tǒng)起源地的日本申請量以占比22%緊隨其后，體現(xiàn)了日本在柔性制造系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的巨大科研實(shí)力。日本人多地少，資源匱乏，因此非常重視產(chǎn)出比以及能耗比，因此花費(fèi)了大量的人力物力進(jìn)行柔性制造系統(tǒng)方面的研究，并將相關(guān)的研究成果用于實(shí)際的產(chǎn)品生產(chǎn)中，進(jìn)行精益生產(chǎn)和智能制造，使日本產(chǎn)品的產(chǎn)出投入比和單位能耗比等指標(biāo)均位居世界前列。我國開展柔性制造方面的研究較晚，開始主要是從日本引進(jìn)相關(guān)的生產(chǎn)線設(shè)備和管理調(diào)度模式。后來隨著科技的進(jìn)步和相關(guān)研究的展開，我國在柔性制造技術(shù)領(lǐng)域也取得了顯著的提高，申請量位于第三，且與第二名的日本差距較小，但是就申請質(zhì)量來說，與日本、美國、德國等世界傳統(tǒng)的工業(yè)強(qiáng)國相比，差距還是很明顯。

根據(jù)專利申請所屬的申請人對柔性制造系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠暾堖M(jìn)行劃分，列舉前20名主要申請人，如圖4所示。由圖4可知，申請量排行前3的分別是波音、日立和西門子，然后分別是首先建立精益生產(chǎn)模式的豐田、東芝和松下，接下來是來自中國的蘇州博實(shí)機(jī)器人。從圖4中也可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，國外如日本、美國等的申請人均為如波音、西門子、日立、豐田、東芝、松下等在數(shù)控領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)等方面具有較強(qiáng)科研和生產(chǎn)實(shí)力的科技公司，而中國除了蘇州博實(shí)機(jī)器人，另外一個(gè)主要申請人是重慶大學(xué)。由此也可以看出，我國在柔性制造系統(tǒng)領(lǐng)域的主要研究還是集中于相關(guān)的理論研究，并未過多地涉及具體的應(yīng)用，這與國外相關(guān)領(lǐng)域主要申請人主要為相關(guān)的領(lǐng)域行業(yè)巨頭存在較大的差異，這也提醒我們下一步需要重點(diǎn)關(guān)注的是理論研究與實(shí)際應(yīng)用之間的結(jié)合，須將理論研究的成果轉(zhuǎn)化為行業(yè)上的具體應(yīng)用。在此需要提一下蘇州博實(shí)機(jī)器人，蘇州博實(shí)機(jī)器人技術(shù)有限公司坐落于蘇州工業(yè)園區(qū)，依托于機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人與成套設(shè)備、精密作業(yè)機(jī)器人與裝備等相關(guān)方向的研究。由此可知，中國的相關(guān)企業(yè)與高?？蒲性核冗M(jìn)行強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，將高校等的理論研究成果應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)和制造中，這也是未來可以選擇的一條道路。

3 技術(shù)脈絡(luò)

柔性制造系統(tǒng)的主要研究方向包括柔性加工和物料的柔性調(diào)度，涉及相應(yīng)智能算法的優(yōu)化以及模型的建立。接下來基于國內(nèi)外的相關(guān)專利申請對該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展情況進(jìn)行介紹。

3.1 柔性調(diào)度方向

隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷有新的智能算法被應(yīng)用于柔性調(diào)度領(lǐng)域，利用智能算法對目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化，取得最優(yōu)的調(diào)度方案。

湘潭大學(xué)的專利申請（CN106707990A）提出了一種基于離散螢火蟲算法的多目標(biāo)柔性作業(yè)車間調(diào)度方法。該方法針對多目標(biāo)柔性作業(yè)車間調(diào)度問題建立數(shù)學(xué)模型;采用分段編碼方式對螢火蟲進(jìn)行編碼，分為機(jī)器選擇部分和工序排序部分;使用離散螢火蟲算法，優(yōu)化上述模型得到Pareto最優(yōu)解集;從Pareto最優(yōu)解集里選擇符合實(shí)際需求的解，并進(jìn)行解碼輸出機(jī)器選擇位置信息、工序排序位置信息。此種優(yōu)化多目標(biāo)柔性作業(yè)車間調(diào)度問題的方法與現(xiàn)有的方法相比，提高了算法的全局尋優(yōu)能力，從而縮短了整體加工時(shí)間，降低了車間生產(chǎn)成本。

大連理工大學(xué)的專利申請（CN102033536A）提出了一種多機(jī)器人系統(tǒng)的調(diào)度組織協(xié)作系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)為分布式的模式架構(gòu)，選用動(dòng)態(tài)決策者方案，每一個(gè)機(jī)器人都可能成為任務(wù)的決策者，智能地進(jìn)行調(diào)度與協(xié)作，降低通信量，減少系統(tǒng)消耗，能夠更好地適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境和復(fù)雜動(dòng)態(tài)任務(wù)，提高了問題的求解能力。此外，引用了公告欄，采用讓機(jī)器人在有資源空閑（能力）時(shí)主動(dòng)查看公告欄來獲得任務(wù)信息的方法，同時(shí)，在查看的過程中即可完成對于最優(yōu)者的選擇，從而減少信息交互，簡化了信息處理比較過程，大大降低了通信量，有效解決了信息阻塞和系統(tǒng)資源的浪費(fèi)問題。

3.2 柔性加工方向

當(dāng)前的柔性加工領(lǐng)域具有小、精、細(xì)的特點(diǎn)，滿足不同特點(diǎn)客戶的需要，適應(yīng)進(jìn)行多品種、中小批量的生產(chǎn)，而在加工過程中，如何通過自動(dòng)調(diào)整和實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)多種工件的成批高效生產(chǎn)，以達(dá)到更高的生產(chǎn)效益，這是未來的研究重點(diǎn)。

西門子公司的專利申請（US2010191358 A1）提出了一種用于柔性制造系統(tǒng)的制造過程建模方法和系統(tǒng)。該方法通過組合子集中所包括的實(shí)際機(jī)器來提供虛擬設(shè)備，虛擬設(shè)備模型對虛擬設(shè)備進(jìn)行描述以規(guī)劃并控制特定的生產(chǎn)活動(dòng)。通過包括機(jī)器屬性的實(shí)際機(jī)器模塊來對每個(gè)實(shí)際機(jī)器進(jìn)行描述以便控制實(shí)際機(jī)器的執(zhí)行，在制造過程中定義特定的制造活動(dòng)，特定的制造活動(dòng)要求執(zhí)行實(shí)際機(jī)器的獨(dú)特的子集以便進(jìn)行子集的特定的生產(chǎn)活動(dòng)。通過組合子集中所包括的實(shí)際機(jī)器來提供虛擬設(shè)備，并且通過虛擬設(shè)備模型來對虛擬設(shè)備進(jìn)行描述以規(guī)劃并控制特定的生產(chǎn)活動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)利用較少的設(shè)備規(guī)劃模型即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)劃。

株式會(huì)社捷太格特的專利申請（CN104648933A）提出了一種柔性制造系統(tǒng)，控制器在托盤被輸送到待機(jī)位置后在托盤上所安裝的被加工物的加工開始前，進(jìn)行對應(yīng)的加工機(jī)進(jìn)行的被加工物是否能夠加工的判斷，且在判斷為不能加工的情況下，通過輸送機(jī)使托盤從待機(jī)位置向托盤庫輸送，將對于被輸送的托盤的加工狀態(tài)信息作為等待加工狀態(tài)存儲。

日本AMADA株式會(huì)社的專利申請（JP2000280149A）提出了一種柔性制造生產(chǎn)線系統(tǒng)，包括用于工件的加熱和預(yù)加工裝置，用于加熱工件的熱處理模塊根據(jù)訂單信息進(jìn)行加工，預(yù)加工模塊基于熱處理模塊的加工結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)加工。由此可以有效地提高加工效率。

波音公司的專利申請（CN105278496A）提出了一種用于建造機(jī)身的自主柔性制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用可橫跨地板將若干夾具驅(qū)動(dòng)到組裝區(qū)域以形成組件夾具，利用建造方法、柔性制造設(shè)備和系統(tǒng)，能使建造飛行器的機(jī)身組件的工藝自動(dòng)化，提高執(zhí)行組裝操作的準(zhǔn)確度和精確度，從而確保更好地遵守機(jī)身組件的外模線（OML）要求和內(nèi)模線（IML）要求，能夠使系統(tǒng)適應(yīng)于建造和組裝不同類型和形狀的機(jī)身。提高了系統(tǒng)的適用范圍，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語

本文從柔性制造系統(tǒng)的專利申請趨勢出發(fā)，簡單介紹了柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展概況和技術(shù)分支，同時(shí)對該領(lǐng)域的技術(shù)演進(jìn)路線進(jìn)行梳理，可知在該領(lǐng)域，美、日等國開展較早，其中對于柔性制造、柔性裝配、柔性加工等分支領(lǐng)域均進(jìn)行了深入布局，形成了較為成熟的技術(shù)脈絡(luò)，而我國雖然對于該領(lǐng)域的研究較晚，但是近年來相關(guān)專利申請數(shù)量也在不斷增多，但是專利質(zhì)量、研究深度等與國外申請相比仍然差距明顯。通過對涉及柔性制造系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)進(jìn)行集中收集、閱讀和梳理，了解了該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，加深了對該技術(shù)領(lǐng)域發(fā)明點(diǎn)的把握。此外，通過此次對柔性制造系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)的分析和整理，對該領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀有了更深刻的了解，也意識到我國在該技術(shù)領(lǐng)域的科技水平還較薄弱，特別是在理論研究與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合方面仍有很大的發(fā)展空間。

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