柔性制造系统专利技术综述

赵磊 王兰云

摘要：本文首先介绍了柔性制造系统的基本原理和研究概况，并结合国内外的研究现状，对柔性制造系统的全球专利态势进行了分析;其次通过对柔性制造系统技术领域的专利文献进行汇总整理，通过检索、统计、分析该领域的国内外专利申请，按照申请人的地区分布、技术分布以及申请时间分布，获取柔性制造系统的技术发展脉络和发展趋势，最后通过对具体专利案件的分析，为该领域的研究方向和未来趋势提供一种思路。

关键词：柔性制造;加工;调度;组装

中图分类号：TH165文献标识码：A 文章编号：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 研究概况

美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为：使用计算机控制、柔性工作站和集成物料运贮装置来控制，并完成工件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统[1-2]。

自从1967年由英国Molins公司研制“系统24”开始，在机械制造业中首次建立了柔性加工的概念，紧接着美国K&T公司研制了以中等品种中等批量等批量工件为加工对象的自动化制造系统，并将该系统取名为柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）。几十年来，从单台数控机床的应用逐渐发展到加工中心、柔性制造单元、柔性制造生产线和计算机集成制造系统，使柔性自动化得到了迅速发展。

柔性制造起源于日本，最早为日本丰田汽车公司在20世纪六七十年代总结出来的一套成功的生产模式：精益生产（Lean Production）方式，也叫JIT（Just In Time）：在需要的时候，按照需要的数量生产出需要的产品。精益生产方式与从前的大批量生产方式相对应，基本特点是零库存、低成本和快速反应。如果说，20世纪的精益生产更多追求零库存的话，那么，今天开始了对制造过程进行彻底变革的追求，柔性制造成了精益生产的最核心内容[3]。

柔性制造系统兼有加工制造和部分生产管理两种功能，按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，通过自动调整和实现一定范围内多种工件的成批高效生产，及时地改变产品以满足市场需求，从而提高生产效益[4]。

柔性制造系统可概括为3个组成部分：多工位数控加工系统、自动化物流系统及计算机控制信息系统。参见图1。

其中：①多工位加工系統由若干台对工件进行加工的 CNC 机床及其所使用的刀具构成;②自动化物流系统由输送系统、储存系统和搬运系统3部分组成，其中输送系统用于建立各加工设备之间的自动化联系，储存系统具有自动存取机能，用以调节加工节拍的差异，搬运系统用于实现加工系统和物流系统以及贮存系统之间的自动化关联;③计算机控制信息系统，包括过程控制及过程监控两个子系统，其中，过程控制系统进行加工系统及物流系统的自动控制，过程监控进行在线状态数据自动采集和处理。

柔性制造系统的发展趋势主要包括以下两个方面：一是与计算机辅助设计制造系统相结合，利用原有产品系列的典型工艺资料，组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统;二是实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化，特别是管理层次自动化的计算机集成制造系统。

2 柔性制造系统专利总体分析

截至2018年7月1日，全球专利申请中涉及柔性制造系统的专利总量为628件，其中从2011年相关技术领域的专利申请开始大量出现，自1978年出现第一件关于柔性制造系统的专利申请，而在1984年之前只有少量相关申请。随后进入波浪式的上升期，分别在1984—1992、1996—2003以及2012—2017年经历了3次较大的波动，在进入2013年后，随着柔性制造领域方面技术的不断发展，以及中国等新兴国家申请量的不断增大，针对柔性制造系统领域的发明专利呈现猛增态势。关于柔性制造系统技术领域的专利申请量时间分布图，参见图2。

基于专利申请所属的国家和地区对柔性制造系统领域专利申请进行划分，柔性制造系统全球专利申请国家和地区分布图参见图3。由图3可知，作为在柔性制造领域发展最好的国家，美国专利申请量以占比32%遥遥领先。作为柔性制造系统起源地的日本申请量以占比22%紧随其后，体现了日本在柔性制造系统技术领域的巨大科研实力。日本人多地少，资源匮乏，因此非常重视产出比以及能耗比，因此花费了大量的人力物力进行柔性制造系统方面的研究，并将相关的研究成果用于实际的产品生产中，进行精益生产和智能制造，使日本产品的产出投入比和单位能耗比等指标均位居世界前列。我国开展柔性制造方面的研究较晚，开始主要是从日本引进相关的生产线设备和管理调度模式。后来随著科技的进步和相关研究的展开，我国在柔性制造技术领域也取得了显著的提高，申请量位于第三，且与第二名的日本差距较小，但是就申请质量来说，与日本、美国、德国等世界传统的工业强国相比，差距还是很明显。

根据专利申请所属的申请人对柔性制造系统领域专利申请进行划分，列举前20名主要申请人，如图4所示。由图4可知，申请量排行前3的分别是波音、日立和西门子，然后分别是首先建立精益生产模式的丰田、东芝和松下，接下来是来自中国的苏州博实机器人。从图4中也可以发现一个现象，国外如日本、美国等的申请人均为如波音、西门子、日立、丰田、东芝、松下等在数控领域、工业生产等方面具有较强科研和生产实力的科技公司，而中国除了苏州博实机器人，另外一个主要申请人是重庆大学。由此也可以看出，我国在柔性制造系统领域的主要研究还是集中于相关的理论研究，并未过多地涉及具体的应用，这与国外相关领域主要申请人主要为相关的领域行业巨头存在较大的差异，这也提醒我们下一步需要重点关注的是理论研究与实际应用之间的结合，须将理论研究的成果转化为行业上的具体应用。在此需要提一下苏州博实机器人，苏州博实机器人技术有限公司坐落于苏州工业园区，依托于机器人技术与系统国家重点实验室和哈尔滨工业大学机器人研究所，进行工业机器人与成套设备、精密作业机器人与装备等相关方向的研究。由此可知，中国的相关企业与高校科研院所等进行强强联手，将高校等的理论研究成果应用到实际的工业生产和制造中，这也是未来可以选择的一条道路。

3 技术脉络

柔性制造系统的主要研究方向包括柔性加工和物料的柔性调度，涉及相应智能算法的优化以及模型的建立。接下来基于国内外的相关专利申请对该技术领域的发展情况进行介绍。

3.1 柔性调度方向

随着技术的发展，不断有新的智能算法被应用于柔性调度领域，利用智能算法对目标值进行优化，取得最优的调度方案。

湘潭大学的专利申请（CN106707990A）提出了一种基于离散萤火虫算法的多目标柔性作业车间调度方法。该方法针对多目标柔性作业车间调度问题建立数学模型;采用分段编码方式对萤火虫进行编码，分为机器选择部分和工序排序部分;使用离散萤火虫算法，优化上述模型得到Pareto最优解集;从Pareto最优解集里选择符合实际需求的解，并进行解码输出机器选择位置信息、工序排序位置信息。此种优化多目标柔性作业车间调度问题的方法与现有的方法相比，提高了算法的全局寻优能力，从而缩短了整体加工时间，降低了车间生产成本。

大连理工大学的专利申请（CN102033536A）提出了一种多机器人系统的调度组织协作系统及方法。该系统为分布式的模式架构，选用动态决策者方案，每一个机器人都可能成为任务的决策者，智能地进行调度与协作，降低通信量，减少系统消耗，能够更好地适应动态环境和复杂动态任务，提高了问题的求解能力。此外，引用了公告栏，采用让机器人在有资源空闲（能力）时主动查看公告栏来获得任务信息的方法，同时，在查看的过程中即可完成对于最优者的选择，从而减少信息交互，简化了信息处理比较过程，大大降低了通信量，有效解决了信息阻塞和系统资源的浪费问题。

3.2 柔性加工方向

当前的柔性加工领域具有小、精、细的特点，满足不同特点客户的需要，适应进行多品种、中小批量的生产，而在加工过程中，如何通过自动调整和实现一定范围内多种工件的成批高效生产，以达到更高的生产效益，这是未来的研究重点。

西门子公司的专利申请（US2010191358 A1）提出了一种用于柔性制造系统的制造过程建模方法和系统。该方法通过组合子集中所包括的实际机器来提供虚拟设备，虚拟设备模型对虚拟设备进行描述以规划并控制特定的生产活动。通过包括机器属性的实际机器模块来对每个实际机器进行描述以便控制实际机器的执行，在制造过程中定义特定的制造活动，特定的制造活动要求执行实际机器的独特的子集以便进行子集的特定的生产活动。通过组合子集中所包括的实际机器来提供虚拟设备，并且通过虚拟设备模型来对虚拟设备进行描述以规划并控制特定的生产活动。从而实现利用较少的设备规划模型即实现系统的调度规划。

株式会社捷太格特的专利申请（CN104648933A）提出了一种柔性制造系统，控制器在托盘被输送到待机位置后在托盘上所安装的被加工物的加工开始前，进行对应的加工机进行的被加工物是否能够加工的判断，且在判断为不能加工的情况下，通过输送机使托盘从待机位置向托盘库输送，将对于被输送的托盘的加工状态信息作为等待加工状态存储。

日本AMADA株式会社的专利申请（JP2000280149A）提出了一种柔性制造生产线系统，包括用于工件的加热和预加工装置，用于加热工件的热处理模块根据订单信息进行加工，预加工模块基于热处理模块的加工结果进行生产加工。由此可以有效地提高加工效率。

波音公司的专利申请（CN105278496A）提出了一种用于建造机身的自主柔性制造系统，该系统利用可横跨地板将若干夹具驱动到组装区域以形成组件夹具，利用建造方法、柔性制造设备和系统，能使建造飞行器的机身组件的工艺自动化，提高执行组装操作的准确度和精确度，从而确保更好地遵守机身组件的外模线（OML）要求和内模线（IML）要求，能够使系统适应于建造和组装不同类型和形状的机身。提高了系统的适用范围，降低了劳动强度和生产成本。

4 结语

本文从柔性制造系统的专利申请趋势出发，简单介绍了柔性制造系统的发展概况和技术分支，同时对该领域的技术演进路线进行梳理，可知在该领域，美、日等国开展较早，其中对于柔性制造、柔性装配、柔性加工等分支领域均进行了深入布局，形成了较为成熟的技术脉络，而我国虽然对于该领域的研究较晚，但是近年来相关专利申请数量也在不断增多，但是专利质量、研究深度等与国外申请相比仍然差距明显。通过对涉及柔性制造系统技术领域的专利文献进行集中收集、阅读和梳理，了解了该领域的技术发展现状，加深了对该技术领域发明点的把握。此外，通过此次对柔性制造系统技术领域的专利文献的分析和整理，对该领域的国内外发展现状有了更深刻的了解，也意识到我国在该技术领域的科技水平还较薄弱，特别是在理论研究与实际应用的结合方面仍有很大的发展空间。

参考文献：

[1] 王凌.车间调度及其遗传算法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2] 周亚勤，李蓓智，杨建国.基于遗传算法的批量Flow-shop调度问题研究[J].机械制造，2004（10）：57～59.

[3] 张功.柔性制造系统若干关键技术研究与实现[D].上海：上海交通大学，2009.

[4] 刘林，刘心报，杨善林.基于批加工的semi-flow-shop生产调度优化[J].中国机械工程，2009（19）：2326-2331.