机械制造系统自动化课件

14机械制造系统自动化机械制造系统自动化主要内容：主要内容：4.1柔性制造系统柔性制造系统(FMS)及技术及技术4.2计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS)4.3智能制造系统智能制造系统参考文献：参考文献：1张世琪张世琪,李迎李迎,孙宇孙宇.现代制造引论现代制造引论M.北京北京:科学出版社科学出版社,2003.2田雨华等田雨华等.计算机集成制造技术和系统计算机集成制造技术和系统M.北京：兵器工业出版北京：兵器工业出版社社,1991.3柔性制造系统编委会柔性制造系统编委会.柔性制造系统柔性制造系统M.北京：兵器工业出北京：兵器工业出版社版社,1995.4吴季良吴季良.柔性制造系统实例柔性制造系统实例M.北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社,1989.5CIMS编编委委会会.计计算算机机集集成成制制造造系系统统(CIMS)约约定定、标标准准与与实实施施指指南南M.北京：兵器工业出版社，北京：兵器工业出版社，1994.1机械制造系统自动化2随随着着市市埸埸全全球球化化、经经济济一一体体化化进进程程的的加加快快，竞竞争争战战略略不不断断从从最最初初的的规规模模战战略略、成成本本战战略略(C)，到到后后来来的的质质量量战战略略(Q)、供供货货期期战战略略(T)、服服务务战战略略(S)、环环保保战战略略(E)、直直到到现现在在的的综综合合战战略略，即即TQCSE，相相应应的的制制造造理理念念和和制制造造模模式式不不断断创创新新。伴伴随随着着自自动动化化技技术术的的发发展展，先先后后出出现现了了柔柔性性制制造造、集集成成制制造造、敏敏捷捷制制造造、智智能能制制造造以以及及其其他他各各种种先先进进的的制制造造理理念念和和模模式式，面面对对今今天天的的新新形形式式、新新格格局局，现现代代机机械械制制造造系系统统及及其其自自动动化化将将在在市市场场竞竞争争中中发发挥越来越大的作用。挥越来越大的作用。2随着市埸全球化、经济一体化进程的加快，竞争战略不断3制造系统自动化的意义在于：制造系统自动化的意义在于：提高生产率提高生产率采用自动化技术后可以大幅度缩短产品制造过采用自动化技术后可以大幅度缩短产品制造过程中的辅助时间，从而使生产率得以提高；程中的辅助时间，从而使生产率得以提高；缩短生产周期缩短生产周期如图所示，采用自动化技术后可以有效缩短如图所示，采用自动化技术后可以有效缩短零件零件98.5%的无效时间，从而有效缩短了生产周期；的无效时间，从而有效缩短了生产周期；3制造系统自动化的意义在于：提高生产率采用自动化技术后4提高产品质量提高产品质量由于广泛采用各种高精度的加工设由于广泛采用各种高精度的加工设备和自动检测设备，减少了工人情绪波动的备和自动检测设备，减少了工人情绪波动的提高经济效益提高经济效益采用自动化技术后可减少占地面积，采用自动化技术后可减少占地面积，减少直接生产工人的数量，减少废品率等；减少直接生产工人的数量，减少废品率等；降低劳动强度降低劳动强度让机器去完成绝大部分笨重、艰苦、让机器去完成绝大部分笨重、艰苦、烦人甚至对人体有害的工作，从而降低了工人的劳动强烦人甚至对人体有害的工作，从而降低了工人的劳动强度；度；有利于产品更新有利于产品更新采用现代制造技术使得变更制造采用现代制造技术使得变更制造对象更容易，适应的范围也较宽，十分有利于产品的更对象更容易，适应的范围也较宽，十分有利于产品的更新；新；4提高产品质量由于广泛采用各种高精度的加工设备和自动检5提高劳动者的素质提高劳动者的素质制造自动化技术要求操作者具制造自动化技术要求操作者具有较高的业务素质和严谨的工作态度，无形中就提高了有较高的业务素质和严谨的工作态度，无形中就提高了劳动者的素质，特别是采用小组化工作方式对人的素质劳动者的素质，特别是采用小组化工作方式对人的素质要求更高；要求更高；带动相关技术的发展带动相关技术的发展可以带动自动检测技术、自可以带动自动检测技术、自动化控制技术、产品设计与制造技术，系统工程技术等动化控制技术、产品设计与制造技术，系统工程技术等相关技术的发展；相关技术的发展；体现一个国家的科技水平体现一个国家的科技水平如自如自1870年以来，制造年以来，制造自动化技术和设备基本上都首先出现在美国，这与美国自动化技术和设备基本上都首先出现在美国，这与美国高度发达的科技水平密切相关。高度发达的科技水平密切相关。5提高劳动者的素质制造自动化技术要求操作者具有较高的业64.1柔性制造系统柔性制造系统(FMS)及技术及技术20世纪世纪60年代以前，刚性自动化系统或生产线在大批年代以前，刚性自动化系统或生产线在大批大量生产中发挥了很大的作用。然而，面对日益增长的大量生产中发挥了很大的作用。然而，面对日益增长的用户需求多样化、个性化的市场，这种刚性系统越来越用户需求多样化、个性化的市场，这种刚性系统越来越不适应市场竞争的要求。不适应市场竞争的要求。柔性制造系统以其优越的性能柔性制造系统以其优越的性能很受人们青睐，逐渐进入制造领域，占据一席之地很受人们青睐，逐渐进入制造领域，占据一席之地4.1.1柔性制造系统柔性制造系统柔性制造系统及技术包含：柔性制造系统柔性制造系统及技术包含：柔性制造系统(FMS)、柔性制造单元柔性制造单元(FMC)及柔性制造线及柔性制造线(FML)等系统及各等系统及各种数控加工技术。种数控加工技术。64.1柔性制造系统(FMS)及技术20世纪60年71.FMS的组成及功能的组成及功能“柔柔性性”是是指指生生产产组组织织形形式式和和自自动动化化制制造造设设备备对对加加工任务工任务(工件工件)的适应性。的适应性。FMS是是在在加加工工自自动动化化的的基基础础上上，实实现现物物料料流流和和信信息息流的自动化。流的自动化。所谓柔性制造是指：用可编程、多功能的数字控制设所谓柔性制造是指：用可编程、多功能的数字控制设备，更换刚性自动化设备，用易编程、易修改、易扩展备，更换刚性自动化设备，用易编程、易修改、易扩展、易更换的软件代替刚性联结的工艺过程，使刚性生产、易更换的软件代替刚性联结的工艺过程，使刚性生产线实现软性化和柔性化线实现软性化和柔性化。71.FMS的组成及功能“柔性”是指生产组织8根据柔性制造理念开发的制造系统称为柔性制根据柔性制造理念开发的制造系统称为柔性制造系统造系统(FMS)。它是由若干台数控加工设备、物流运储装置和它是由若干台数控加工设备、物流运储装置和计算机控制系统组成的，计算机控制系统组成的，并能根据制造任务和生产品种的变化而迅速进并能根据制造任务和生产品种的变化而迅速进行调整的自动化制造系统。行调整的自动化制造系统。柔性制造系统定义柔性制造系统定义8根据柔性制造理念开发的制造系统称为柔性制造系统(FMS)。9图图4-2柔性制造系统基本结构柔性制造系统基本结构910(1)组成组成自动化加工设备自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是FMC。工件储运系统工件储运系统由工件库由工件库(含立体仓库和托盘缓冲站含立体仓库和托盘缓冲站)、工件运输设备、工件运输设备(含各种传送带、含各种传送带、运输小车、机器人或机械手等运输小车、机器人或机械手等)和更换装置和更换装置(含各种机器人或机械手，含各种机器人或机械手，托盘交换装置托盘交换装置)等组成。等组成。刀具储运系统刀具储运系统通常为三层控制，即单元层、工作站层和设备层。通常为三层控制，即单元层、工作站层和设备层。由刀具库由刀具库(有中央刀库和机床刀库有中央刀库和机床刀库)、刀具输送装置、刀具输送装置(含运输小车、机含运输小车、机器人或机械手器人或机械手)和刀具交换机构和刀具交换机构(如换刀机械手如换刀机械手)等组成。等组成。多层计算机控制系统多层计算机控制系统检测监控系统检测监控系统除此以外，还可有扩展部分，如：自动清洗工作站、自动去毛刺除此以外，还可有扩展部分，如：自动清洗工作站、自动去毛刺设备、自动测量设备、集中切屑运输系统、集中冷却润滑系统等。设备、自动测量设备、集中切屑运输系统、集中冷却润滑系统等。10(1)组成自动化加工设备有数控机床、加工中心、车11图图4-3柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成典型的典型的FMS11图4-3柔性制造系统的组成典型的FMS12图图4-4具有柔性装配功能的具有柔性装配功能的FMS7-仓库仓库8-车削中心车削中心9-多坐标测量机多坐标测量机10-镗铣加工中心镗铣加工中心11-刀具预调仪刀具预调仪12-装配机器人装配机器人13-小件装配站小件装配站14-装夹站装夹站15-AGV16-控制柜控制柜12图4-4具有柔性装配功能的FMS7-仓库8-13(2)案例介绍案例介绍(以以BQ-FMS柔性制造系统为例柔性制造系统为例)本案例是我国第一条自行研发的完整意义上的本案例是我国第一条自行研发的完整意义上的FMS，由原国防科工委组织，南京理工大学、长春，由原国防科工委组织，南京理工大学、长春55研究研究所、绵阳所、绵阳58研究所联合承研。研究所联合承研。系统组成及布局系统组成及布局图图4-5所示为所示为BQ-FMS的组成及平面布局图。的组成及平面布局图。整个系统可划分为运行控制、加工、物流与运储、整个系统可划分为运行控制、加工、物流与运储、检测监控四个子系统。检测监控四个子系统。加工的主要零件有表尺座、油路板、变速盒、阀体、加工的主要零件有表尺座、油路板、变速盒、阀体、行星齿轮架、各类回转体类零件等。行星齿轮架、各类回转体类零件等。13(2)案例介绍(以BQ-FMS柔性制造系统为例)14 图图4-5 BQ-FMS4-5 BQ-FMS平面布局平面布局1415主要的加工设备有主要的加工设备有 (单位单位mm)mm)MCV-0 MCV-0立式加工中心立式加工中心(2(2台台)520320320)520320320 MCH500-D MCH500-D卧式加工中心卧式加工中心 600600600600600600 TNC-20 TNC-20车削加工中心车削加工中心 20012002001200 WalterHMC-400 WalterHMC-400万能数控工具磨床万能数控工具磨床 Brown&SharpeXCEL7107Brown&SharpeXCEL7107三座标测量机三座标测量机 1000700700100070070015主要的加工设备有(单位mm)16运行控制子系统运行控制子系统采用由车间层、单元层、工作站层和设备层构成的四层递阶控采用由车间层、单元层、工作站层和设备层构成的四层递阶控制结构形式，并在网络和工程数据库的支持下实现系统控制及管制结构形式，并在网络和工程数据库的支持下实现系统控制及管理。理。车间控制器车间控制器控制和管理控制和管理两个制造单元两个制造单元以及以及相应的自动化仓储相应的自动化仓储系统系统。（a）棱体类制造单元由两台立式加工中心、一台卧式加工中）棱体类制造单元由两台立式加工中心、一台卧式加工中心和一台三座标测量机组成。心和一台三座标测量机组成。物流系统物流系统包括：由工件识别装置、工件装卸站、清洗机、有轨包括：由工件识别装置、工件装卸站、清洗机、有轨运输车、托盘交换器、托盘缓冲站等组成的运输车、托盘交换器、托盘缓冲站等组成的工件流子系统工件流子系统；由刀；由刀具预调仪、条码阅读器、刀具进出站、换刀机器人、中央刀库等具预调仪、条码阅读器、刀具进出站、换刀机器人、中央刀库等组成的组成的刀具流子系统刀具流子系统。单元控制器单元控制器通过三个工作站分别控制上述设备，并具有电网检通过三个工作站分别控制上述设备，并具有电网检测、安全监视等组成的检测监控子系统。测、安全监视等组成的检测监控子系统。16运行控制子系统采用由车间层、单元层、工作站层17（b）回转体类制造单元在其单元控制器的控制下，回转体类制造单元在其单元控制器的控制下，由一台车削中心及其控制工作站组成。由一台车削中心及其控制工作站组成。回转体类加工回转体类加工单元在控制逻辑上，还控制用于工件传递的台座式机单元在控制逻辑上，还控制用于工件传递的台座式机器人以及在两个单元及立体仓库之间输送毛坯、半成器人以及在两个单元及立体仓库之间输送毛坯、半成品、成品、夹具的运输车。品、成品、夹具的运输车。BQ-FMS的通信网络有两种形式：的通信网络有两种形式：以以Mini-MAP为主的网络通信形式；为主的网络通信形式；以以TCP/IP为主的网络通信形式。为主的网络通信形式。总总之之，BQ-FMS是是一一个个车车间间级级的的FMS，其其控控制制结结构构如图如图4-6所示。所示。17（b）回转体类制造单元在其单元控制器的控制下，由18图图4-6 BQ-FMS4-6 BQ-FMS体系结构体系结构18图4-6BQ-FMS体系结构19加工子系统加工子系统C.CAD/CAPP/CAM系统系统为加工子系统提供技术信息，基于为加工子系统提供技术信息，基于并行工程思想，该柔性制造系统建立了运行于网络和工程数据并行工程思想，该柔性制造系统建立了运行于网络和工程数据库环境下的库环境下的CAD/CAPP/CAM/FMS一体化集成系统，有基于图一体化集成系统，有基于图形工作站和微机工作站两套不同的环境。形工作站和微机工作站两套不同的环境。B.回转体类单元加工系统回转体类单元加工系统由车削中心和机器人组成；由车削中心和机器人组成；A.棱体类单元加工系统棱体类单元加工系统由两台立式加工中、一台卧式加工由两台立式加工中、一台卧式加工中心及其托盘交换装置中心及其托盘交换装置(APC)组成；组成；物流子系统物流子系统A.刀具流系统刀具流系统主要由刀具刃磨机、刀具预调仪、条码阅读器、换刀机器人、主要由刀具刃磨机、刀具预调仪、条码阅读器、换刀机器人、刀具进出站及含刀具进出站及含144个刀位的中央刀库组成个刀位的中央刀库组成19加工子系统C.CAD/CAPP/CAM系统为20刀具流系统全貌刀具流系统全貌20刀具流系统全貌21图图4-6BQ-FMSBQ-FMS换刀机器人实物照片换刀机器人实物照片21图4-6BQ-FMS换刀机器人实物照片222223图图4-7BQ-FMSBQ-FMS刀具进出站实物照片刀具进出站实物照片23图4-7BQ-FMS刀具进出站实物照片24图图4-8BQ-FMSBQ-FMS中央刀库实物照片中央刀库实物照片24图4-8BQ-FMS中央刀库实物照片25图图4-9刀具预调仪刀具预调仪25图4-9刀具预调仪26图图4-10工件装卸站实物照片工件装卸站实物照片B.工件流系统工件流系统主要由工件装卸站、有轨运输车、托盘缓冲站及工主要由工件装卸站、有轨运输车、托盘缓冲站及工件清洗站等组成件清洗站等组成，26图4-10工件装卸站实物照片B.工件流系统主27a.有有轨轨运运输输车车(AGV)由由车车体体、地地轨轨、车车载载托托盘盘交交换换装装置置、伺伺服服驱驱动动和和控控制制系系统统组组成成，图图4-11所示为所示为AGV实物照片图；实物照片图；b.托托盘盘缓缓冲冲站站共共有有18个个。其其中中12个个为为两两台台立立式式加加工工中中心心存存取取550mm350mm托托盘盘，6个个为为卧式加工中心存取卧式加工中心存取500mm500mm托盘；托盘；c.工工件件清清洗洗站站为为翻翻转转式式自自动动门门结结构构，PLC控控制，大流量制，大流量(最大可达最大可达200L/min)清洗。清洗。27a.有轨运输车(AGV)由车体、地轨、车载托盘28图图4-11AGV实物照片图实物照片图28图4-11AGV实物照片图29C.自动化仓储系统自动化仓储系统由立体货架、堆垛机及控制管理系统组成。由立体货架、堆垛机及控制管理系统组成。29C.自动化仓储系统由立体货架、堆垛机及控制管理系统303031检测监控子系统检测监控子系统A.运行与控制检测监控运行与控制检测监控B.加工设备的状态检测加工设备的状态检测C.工件加工质量检测工件加工质量检测D.物流检测监控物流检测监控E.环境参数及安全监控环境参数及安全监控31检测监控子系统A.运行与控制检测监控322.FMS的作业计划与调度技术的作业计划与调度技术目目标标：通通过过对对制制造造过过程程中中物物料料流流的的合合理理规规划划、调调度度与与控控制制，达达到到提提高高生生产产效效率率、缩缩短短制制造造周周期期、减减少少在在制制品品、降降低低库库存存、提高资源利用率的目的。提高资源利用率的目的。(1)上层的生产作业计划上层的生产作业计划FMS单元层生产作业计划，是依据公司层和车间层生产计划单元层生产作业计划，是依据公司层和车间层生产计划制定的制定的。公司层通常采用企业资源计划公司层通常采用企业资源计划ERP进行生产计划编制，车间进行生产计划编制，车间层则是根据本车间的资源、实际生产作业完成情况、毛坯准备层则是根据本车间的资源、实际生产作业完成情况、毛坯准备情况等为落实公司层生产计划而进行规划，可以用情况等为落实公司层生产计划而进行规划，可以用ERP系统的系统的核心子系统核心子系统MRP的处理逻辑来简单表达，如图的处理逻辑来简单表达，如图4-13所示。所示。322.FMS的作业计划与调度技术目标：通过对制造33图图4-13MRP的处理逻辑的处理逻辑33图4-13MRP的处理逻辑34 A.A.在一定的时间周期内系统的产出最高；在一定的时间周期内系统的产出最高；B.B.尽量满足任务的优先级或交货期；尽量满足任务的优先级或交货期；C.C.关键关键(瓶颈瓶颈)设备的利用率最高；设备的利用率最高；D.D.生产所花费的成本最少；生产所花费的成本最少；E.E.系统内的在制品最少；系统内的在制品最少；F.F.系统内设备的平均利用率最高；系统内设备的平均利用率最高；G.G.加工一组工件时系统的通过时间最短；加工一组工件时系统的通过时间最短；H.H.加工单个零件时通过系统的时间最短；加工单个零件时通过系统的时间最短；(2)FMS单元层的生产作业计划与调度单元层的生产作业计划与调度(静态调度静态调度)FMS生产作业计划制订时，常根据不同的要求选生产作业计划制订时，常根据不同的要求选择优化目标。常见的优化目标有：择优化目标。常见的优化目标有：图图4-14所示为班次计划制订过程的示例。所示为班次计划制订过程的示例。34A.在一定的时间周期内系统的产出最高；(2)35 图图4-14 4-14 班次计划制订过程班次计划制订过程3536FMS的动态调度的动态调度动动态态调调度度是是在在系系统统加加工工过过程程中中，根根据据系系统统当当前前的的实实际际状状态态对对生生产产活动进行的动态优化控制，包括：调度决策和调度规则两大问题活动进行的动态优化控制，包括：调度决策和调度规则两大问题。lA.调度决策调度决策通常的决策点有：通常的决策点有：l工件进入系统的决策点；工件进入系统的决策点；l工件选择加工设备的决策点；工件选择加工设备的决策点；l加工设备选择工件的决策点；加工设备选择工件的决策点；l小车运输方式的决策点；小车运输方式的决策点；l工件选择缓冲站的决策点；工件选择缓冲站的决策点；l选择运输小车的决策点；选择运输小车的决策点；l加工设备选择刀具的决策点；加工设备选择刀具的决策点；l刀具选择加工设备的决策点；刀具选择加工设备的决策点；l刀具选择中央刀库中刀位的决策点；刀具选择中央刀库中刀位的决策点；l换刀机器人运刀的决策点；换刀机器人运刀的决策点；36FMS的动态调度动态调度是在系统加工过程中，37B.调度规则调度规则通常的调度规则有通常的调度规则有处理时间最短；处理时间最短；处理时间最长；处理时间最长；剩余工序加工时间最短；剩余工序加工时间最短；剩余工序加工时间最长；剩余工序加工时间最长；下道工序加工时间最长；下道工序加工时间最长；交付时间最早；交付时间最早；剩余工序数最少；剩余工序数最少；剩余工序数最多；剩余工序数最多；先进先出；先进先出；随机选择；随机选择；下道工序服务队列最短；下道工序服务队列最短；下道工序服务台工作量最小；下道工序服务台工作量最小；组合规则；组合规则；优先权规则；优先权规则；确定性规则；确定性规则；利用率最低；利用率最低；启发式规则等等。启发式规则等等。37B.调度规则通常的调度规则有先进先出；384.1.2FMC及及DNC(略略)4.2计算机集成制造系统计算机集成制造系统4.2.1CIM与与CIMS的基本概念的基本概念计计算算机机集集成成制制造造(CIM)1974年年美美国国的的约约瑟瑟夫夫哈哈林林顿顿博博士士针针对对企企业业所所面面临临的的激激烈烈市市场场竞竞争争形形式式提提出出了了一一种种组组织织企企业业生生产产的的哲哲理理。提提出出通通过过采采用用系系统统工工程程技技术术，进进行行企企业业计计算算机机应应用用的的整整体体规规划划以以实实现现全全企企业业各各种种信信息的有机集成。息的有机集成。384.1.2FMC及DNC(略)39CIM概念的基本观点有两个：概念的基本观点有两个：(1)企业的各个生产环节，即从市场调研、产品规划、产品设计、企业的各个生产环节，即从市场调研、产品规划、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动都是一个不可加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动都是一个不可分割的整体，需要统一考虑；分割的整体，需要统一考虑；(2)整整过过制制造造过过程程，实实质质上上是是一一个个信信息息采采集集、传传递递及及加加工工处处理理的过程。的过程。CIM定义：定义：所谓所谓CIM，是指用计算机，通过信息集成、过程，是指用计算机，通过信息集成、过程集成、企业集成，实现现代化的生产制造，求得企业的总体集成、企业集成，实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益的一种先进制造理念。效益的一种先进制造理念。CIM的的准准确确内内涵涵是是：CIM是是一一种种组组织织、管管理理和和运运行行企企业业的的哲哲理理。其其宗宗旨旨是是：提提高高企企业业产产品品质质量量、降降低低生生产产成成本本、缩缩短短上上市时间，从而使企业赢得激烈的市场竞争。市时间，从而使企业赢得激烈的市场竞争。39CIM概念的基本观点有两个：(1)企业的各个生产环节，40计计 算算 机机 集集 成成 制制 造造 系系 统统(CIMS):根根据据CIM理理念念研研发发的的计计算算机机化化、信信息息化化、智智能能化化、集集成成优优化化的的制制造造系系统统、即即称称之之为为计计算算机机集集成成制制造造系系统统(CIMS)，或或称称现现代集成制造系统。代集成制造系统。40计算机集成制造系统(CIMS414.2.2CIMS的组成的组成一般情况下，一般情况下，CIMS由四个应用由四个应用(或功能或功能)分系统和两个分系统和两个支撑分系统组成支撑分系统组成，如图，如图4-15所示。所示。图图4-15CIMS的组成的组成414.2.2CIMS的组成一般情况下，CIMS由421.管理信息分系统管理信息分系统(MIS)用以收集、整理及分析各种管理数据，向企业和组织的管理用以收集、整理及分析各种管理数据，向企业和组织的管理人员提供所需要的各种管理及决管信息，必要时还可提供决策人员提供所需要的各种管理及决管信息，必要时还可提供决策支持。支持。MIS可实现的功能如上图所示，其核心是制造资源计划可实现的功能如上图所示，其核心是制造资源计划MRP或企业资源计划或企业资源计划ERP；各分系统的主要功能为：各分系统的主要功能为：2.技术信息分系统技术信息分系统(TIS)它根据它根据MIS分系统下达的产品设计要求，进行产品的技术设计分系统下达的产品设计要求，进行产品的技术设计和工艺设计，包括必要的工程分析、优化和绘图。通过工程数和工艺设计，包括必要的工程分析、优化和绘图。通过工程数据库和产品数据管理据库和产品数据管理PDM，实现内外部的信息集成。该分系统，实现内外部的信息集成。该分系统的核心是所谓的的核心是所谓的CAD/CAPP/CAM的的3C一体化；一体化；421.管理信息分系统(MIS)用以收集、整理及分433.制造自动化分系统制造自动化分系统(MAS)它是它是CIMS中信息流与物流的结合点，是中信息流与物流的结合点，是CIMS最终产生经济最终产生经济效益的所在。效益的所在。目前，该分系统除目前，该分系统除FMS外，人们更强调投资规模外，人们更强调投资规模小的小的DNC或或FMC，强调以人为中心的普通机床与数控机床共，强调以人为中心的普通机床与数控机床共存的适度自动化制造系统；存的适度自动化制造系统；4.集成质量信息分系统集成质量信息分系统(QIS)全面质量管理要求整个企业，从最高层决策者到第一线生产工全面质量管理要求整个企业，从最高层决策者到第一线生产工人，都应参加到质量管理和控制中，因此，企业内部各个部门之人，都应参加到质量管理和控制中，因此，企业内部各个部门之间有大量的质量信息需要交换间有大量的质量信息需要交换。该分系统的功能包括：质量计划、质量检测、质量评价、质量该分系统的功能包括：质量计划、质量检测、质量评价、质量控制和质量信息综合管理等；控制和质量信息综合管理等；433.制造自动化分系统(MAS)它是CIMS中信445.计算机网络分系统计算机网络分系统(NES)在网络硬、软件的支持下，实现各个工作站之间、各个分系在网络硬、软件的支持下，实现各个工作站之间、各个分系统之间的相互通信，以实现信息的共享和集成；统之间的相互通信，以实现信息的共享和集成；6.数据库分系统数据库分系统(DBS)集成的核心是信息共享。对信息共享的最基本要求是数据存集成的核心是信息共享。对信息共享的最基本要求是数据存储及使用格式的一致性，这就是储及使用格式的一致性，这就是DBS应完成的任务。应完成的任务。445.计算机网络分系统(NES)在网络硬、软件的454.2.3案例介绍案例介绍例例1.863/CIMS主题主题CIMS示范系统示范系统这是一个由这是一个由CIMS主题专家主持，十多所高校、研究主题专家主持，十多所高校、研究所联合研制的我国第一个示范系统所联合研制的我国第一个示范系统，获得美国，获得美国1994年年SME大奖。该系统由管理信息系统大奖。该系统由管理信息系统(MRP)、工程设计、工程设计系统系统(CAD/CAM)、柔性制造系统、柔性制造系统/制造自动化系统、以制造自动化系统、以及支撑系统及支撑系统(NET、DB)等分系统组成。等分系统组成。图图4-16所示为所示为CIMSERC制造系统实验室平面布置图。制造系统实验室平面布置图。图图4-17所示为其实验系统图。所示为其实验系统图。454.2.3案例介绍例1.863/CIMS主题CIM46图图4-16CIMSERC制造系统实验室平面布置制造系统实验室平面布置46图4-16CIMSERC制造系统实验室平面布置47图图4-17CIMSERC实验系统实验系统47图4-17CIMSERC实验系统48例例2.扬州有机化工厂扬州有机化工厂CIMS应用示范系统应用示范系统(YH-CIMS)图图4-18所示是由南京理工大学与扬州有机化工厂联所示是由南京理工大学与扬州有机化工厂联合开发的合开发的CIMS应用示范系统总体框图。应用示范系统总体框图。由五个分系统组成：由五个分系统组成：办公自动化分系统办公自动化分系统(OA)管理信息分系统管理信息分系统(MRP)质量管理分系统质量管理分系统(QIS)集散控制分系统集散控制分系统支撑环境分系统支撑环境分系统，自自1996年通过国家验收以来一直正常运行。年通过国家验收以来一直正常运行。48例2.扬州有机化工厂CIMS应用示范系统(YH-CIM49图图4-18YH-CIMS应用示范系统总体框图应用示范系统总体框图49图4-18YH-CIMS应用示范系统总体框图50由于化工企业的生产类型属连续型生产或过程控制，由于化工企业的生产类型属连续型生产或过程控制，与离散型与离散型CIMS相比，其底层管理与控制具有鲜明特色，相比，其底层管理与控制具有鲜明特色，故在此对故在此对YH-CIMS的先进车间级管理与控制系统的先进车间级管理与控制系统(AMCS)作一简介。作一简介。50由于化工企业的生产类型属连续型生产或过程控制，511.AMCS的组成的组成(1)总体结构总体结构图图4-19AMCS的组成结构图的组成结构图511.AMCS的组成(1)总体结构图4-19AM52用以提供一个良好的可视化的制造建模平台用以提供一个良好的可视化的制造建模平台，特别是将制造，特别是将制造过程模型与运行和控制环境分离出来，使制造过程模型起到过程模型与运行和控制环境分离出来，使制造过程模型起到“引擎引擎”作用，同时又使整个系统能够适应不同的产品和生产方作用，同时又使整个系统能够适应不同的产品和生产方式；式；控制功能子系统控制功能子系统通过网络适配器，实现与底层现场总线控制的连接，实现对通过网络适配器，实现与底层现场总线控制的连接，实现对现场设备的分散式控制、监控与诊断。现场设备的分散式控制、监控与诊断。执行功能子系统执行功能子系统主要是对车间层生产任务、在制品、物料、质量、设备和人主要是对车间层生产任务、在制品、物料、质量、设备和人员等与制造过程相关的所有的一切进行动态的跟踪和管理控制，员等与制造过程相关的所有的一切进行动态的跟踪和管理控制，并借助制造过程模型，动态地将它们集成在一起；并借助制造过程模型，动态地将它们集成在一起；制造过程建模工具制造过程建模工具52用以提供一个良好的可视化的制造建模平台，特别是将53(2)AMCS的功能的功能图图4-20AMCS的功能模型图的功能模型图53(2)AMCS的功能图4-20AMCS的功能模型图54生产过程数据采集与处理生产过程数据采集与处理过程控制过程控制设备状态数据采集与处理设备状态数据采集与处理智能调节智能调节数据与状态显示数据与状态显示故障实时诊断故障实时诊断局部运算与优化控制局部运算与优化控制联锁与互锁控制联锁与互锁控制参数自整定自诊断参数自整定自诊断网络通信网络通信报警与紧急事件处理报警与紧急事件处理现场控制级现场控制级54生产过程数据采集与处理过程控制现场控55车间管理与控制级车间管理与控制级生产过程建模生产过程建模生产计划制定生产计划制定计划执行与跟踪计划执行与跟踪动态任务调度动态任务调度批量生产管理与控制批量生产管理与控制物料与资源跟踪物料与资源跟踪配方管理配方管理设备管理设备管理生产技术文件管理生产技术文件管理统计过程控制统计过程控制人力资源管理人力资源管理生产优化建模生产优化建模优化决策优化决策生产监控生产监控故障在线诊断故障在线诊断故障预测故障预测监控组态监控组态信息集成服务信息集成服务55车间管理与控制级生产过程建模56(3)AMCS的网络拓扑结构的网络拓扑结构图图4-21AMCS网络拓扑结构网络拓扑结构56(3)AMCS的网络拓扑结构图4-21AMCS网络57考虑到目前国际流行的分散化制造的要求，采考虑到目前国际流行的分散化制造的要求，采用成熟的用成熟的Internet/Intranet/Infranet技术，技术，使整使整个系统组件可以跨越地域，分布在不同的地域灵个系统组件可以跨越地域，分布在不同的地域灵活地实现分散制造，支持制造重组和虚拟制造。活地实现分散制造，支持制造重组和虚拟制造。57考虑到目前国际流行的分散化制造的要求，采用成熟的58(4)基于基于B/S模型的软件结构模型的软件结构AMCS软件结构采用软件结构采用Browser/Server结构模型，通过与结构模型，通过与MSSQL数数据库和据库和IndustrialSQL实时数据库的超文本链接，实现标准浏览器实时数据库的超文本链接，实现标准浏览器方式对制造数据的查询。方式对制造数据的查询。58(4)基于B/S模型的软592.基于基于AMCS的敏捷制造系统总体结构的敏捷制造系统总体结构如图所示。该图表明了企业集成框架下的车间管理与控制系如图所示。该图表明了企业集成框架下的车间管理与控制系统统AMCS与其他分系统间的关系。与其他分系统间的关系。592.基于AMCS的敏捷制造系统总体结构如图所604.2.4CIMS的开发的开发CIMS的开发可参照的开发可参照计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS)约定、标准与约定、标准与实施指南实施指南进行。进行。开发过程如图所示。开发过程如图所示。604.2.4CIMS的开发CIMS的开发可参照计算机61开发步骤是：开发步骤是：可行性论证可行性论证(如图如图4-25所示所示)；初步设计初步设计(流程如图流程如图4-26所示所示)；详细设计详细设计(流程如图流程如图4-27所示所示)；系统实施和测试系统实施和测试(流程如图流程如图4-28所示所示)；运行与维护运行与维护(流程如图流程如图4-29所示所示)。详细内容可参看有关文献资料，此处略。详细内容可参看有关文献资料，此处略。61开发步骤是：62可可行行性性论论证证主主要要任任务务是是：了了解解企企业业/系系统统的的战战略略目目标标及及内内外外现现实实环环境境，确确定定系系统统的的总总目目标标和和主主要要功功能能，拟拟定定初初步步的的总总体体方方案案和和实实施施路路线线，从从技技术术、经经济济和和社社会会条条件件等等多多方方面面论论证证总总体体方方案案的的可可行行性性，制制定定投投资资规规划划和和初初步步开开发发计计划划，编编写写可可行行性报告等。性报告等。图图4-25可行性论证的工作流程可行性论证的工作流程62可行性论证主要任务是：了解企业/系统的战略目标63初步设计目标初步设计目标系统的功能模系统的功能模型和初步的信型和初步的信息模型，提出息模型，提出系统的总体方系统的总体方案，拟出实施案，拟出实施计划，提出投计划，提出投资预算，进行资预算，进行技术经济和社技术经济和社会效益分析，会效益分析，编写初步设计编写初步设计报告等。报告等。图图4-26初步设计的工作流程初步设计的工作流程63初步设计目标系统的功能模型和初步的信息模型，提出系统的总64详细设计主要任详细设计主要任务是：细化和完务是：细化和完善初步设计得出善初步设计得出的系统和分系统的系统和分系统方案，完善业务方案，完善业务流程重组和工作流程重组和工作流设计，完成系流设计，完成系统界面设计，数统界面设计，数据库逻辑设计，据库逻辑设计，计算机网络设计计算机网络设计和物理设计，完和物理设计，完成系统内外接口成系统内外接口的集成，即系统的集成，即系统的集成设计。的集成设计。图图4-27详细设计工作流程详细设计工作流程64详细设计主要任务是：细化和完善初步设计得出的系统和分系统65系统实施和测系统实施和测试工作任务是：试工作任务是：按照已确定的按照已确定的总体方案进行总体方案进行环境建设，子环境建设，子系统和分系统系统和分系统的实施，由下的实施，由下而上地逐级开而上地逐级开发、测试和集发、测试和集成。成。图图4-28系统实施工作流程系统实施工作流程65系统实施和测试工作任务是：按照已确定的总体方案进行环境建66运行和维护运行运行和维护运行阶段的任务是：阶段的任务是：将已开发建成的将已开发建成的系统投入运行，系统投入运行，在运行过程中进在运行过程中进行相应的修改、行相应的修改、完善，在此基础完善，在此基础上实现正常运行，上实现正常运行，实现系统目标。实现系统目标。图图4-29系统运行和维护工作流程系统运行和维护工作流程66运行和维护运行阶段的任务是：将已开发建成的系统投入运行，67系统从试运行到正式运行可能要进行多系统从试运行到正式运行可能要进行多次的修改与完善，是一种逐步逼近的迭代次的修改与完善，是一种逐步逼近的迭代过程，系统的维护是广义的，既包括系统过程，系统的维护是广义的，既包括系统软硬件装置的修改完善，还包括企业运行软硬件装置的修改完善，还包括企业运行机构、运行程序、组织结构和人员职能等机构、运行程序、组织结构和人员职能等多方面的调整和改进。多方面的调整和改进。67系统从试运行到正式运行可能要进行多次的修改与完善684.3智能制造系统智能制造系统智能制造系统智能制造系统(IMS)是是1991年年1月由日本发起的国际合作研究月由日本发起的国际合作研究开发计划，该项目旨在组合工业发达国家的先进制造技术，包括：开发计划，该项目旨在组合工业发达国家的先进制造技术，包括：日本工厂与车间的企业技术、欧共体的精密工程技术和美国的系统日本工厂与车间的企业技术、欧共体的精密工程技术和美国的系统技术，技术，探索将研究成果转化为生产技术的途径，开发下一代的标准探索将研究成果转化为生产技术的途径，开发下一代的标准化技术。化技术。目的目的：实现当前生产技术的标准化，开发出能使人和智能设备都实现当前生产技术的标准化，开发出能使人和智能设备都不受环境和国家限制，彼此合作的高技术生产系统不受环境和国家限制，彼此合作的高技术生产系统。智能制造是当。智能制造是当今制造领域研究热点之一，是制造系统的最新发展，也是自动化制今制造领域研究热点之一，是制造系统的最新发展，也是自动化制造系统的未来发展方向。也就是说，造系统的未来发展方向。也就是说，未来的自动化制造系统至少应未来的自动化制造系统至少应同时具有智能化和自动化两个方面。同时具有智能化和自动化两个方面。我国自然科学基金会于我国自然科学基金会于1994年正式立项研究，其年正式立项研究，其研究内容主要有：研究内容主要有：智能制造基础理论、智能化单元技术智能制造基础理论、智能化单元技术(如智能设计、智能工艺规划如智能设计、智能工艺规划IPP/智能制造智能制造IM、智能数控技术、智能质量保证、监测与诊断技术、智能数控技术、智能质量保证、监测与诊断技术)智能机器智能机器(智能机器人、智能加工中心智能机器人、智能加工中心IMC等等)，已于，已于1997年底完成年底完成研究，并通过了专家组验收。研究，并通过了专家组验收。684.3智能制造系统智能制造系统(IMS)694.3.1智能制造系统的基本概念智能制造系统的基本概念智能制造是将人工智能融合进制造系统的各个环节中，通过模拟智能制造是将人工智能融合进制造系统的各个环节中，通过模拟人类专家的智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等，取人类专家的智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等，取代或延伸制造环境中应由人类专家来完成的那部分活动，使系统具代或延伸制造环境中应由人类专家来完成的那部分活动，使系统具有智能特征有智能特征。与常规系统不同的是：智能制造系统具有自适应能力、。与常规系统不同的是：智能制造系统具有自适应能力、自学习能力和自组织能力。其组成为：自学习能力和自组织能力。其组成为：智能制造系统智能制造系统=常规制造系统常规制造系统+人工智能技术人工智能技术+人类专家人类专家694.3.1智能制造系统的基本概念智能制造是将人704.3.2案例介绍分布式网络化智能制造系统案例介绍分布式网络化智能制造系统(由华中理工大学、南京航空航天大学、西安交通大学和清华大由华中理工大学、南京航空航天大学、西安交通大学和清华大学联合研制学联合研制)1.总体构想总体构想采用基于采用基于Agent的分布式网络化的分布式网络化IMS的基本构想，如图的基本构想，如图4-30所示。所示。704.3.2案例介绍分布式网络化智能制造系统(由华中理工71图图4-30网络化智能制造系统架构网络化智能制造系统架构71图4-30网络化智能制造系统架构722.原型系统原型系统基于上述思想开发的原型系统如图基于上述思想开发的原型系统如图4-31所示。所示。该系统由该系统由系统经理、任务规划、系统经理、任务规划、设计、生产者设计、生产者四个结点组成四个结点组成。图图4-31智能制造系统原型系统智能制造系统原型系统722.原型系统基于上述思想开发的原型系统如图4-31所示73(1)系统经理结点系统经理结点包括数据库服务和系统包括数据库服务和系统Agent两部分。主要两部分。主要功能是：前者负责管理全局数据库，后者负责原型系统在网络功能是：前者负责管理全局数据库，后者负责原型系统在网络上与外部交互，监视系统上各个结点间的交互活动；上与外部交互，监视系统上各个结点间的交互活动；73(1)系统经理结点包括数据库服务和系统Agent两部747475(2)任任务务规规划划结结点点由由任任务务经经理理和和它它的的代代理理任任务务经经理理Agent组组成成。其其主主要要功功能能是是：对对从从网网上上获获取取的的定定单单(任任务务)进进行行规规划划，分分解解成成若若干干子子任任务务，并并通通过过招招标标投投标方式将这些子任务分配给各结点；标方式将这些子任务分配给各结点；(3)设设计计结结点点由由CAD工工具具和和它它的的代代理理一一设设计计Agent组组成成。是是一一个个计计算算机机辅辅助助设设计计系系统统，它它提提供供一一个个良良好好的的人人机机界界面面，使使设设计计人人员员通通过过人人机机交交互互共共同同完完成成设设计计任务任务;；75(2)任务规划结点由任务经理和它的代理任务经理Ag76(4)生生产产者者结结点点实实际际上上是是本本项项目目的的IMC原原型型系系统统，包包括括加加工工中中心心和和它它的的网网络络代代理理一一机机床床Agent。该该结结点点的的制制造造系系统统具具有有一一定定的的自自诊诊断断、自自修修复复能能力力，与与外外部部环环境境进进行行交交互互的的能能力力，开开放放式式的的体体系系结构，以支撑系统集成和扩展。结构，以支撑系统集成和扩展。76(4)生产者结点实际上是本项目的IMC原型系统，包括773.原型系统的运作过程原型系统的运作过程(1)网网络络用用户户通通过过原原型型系系统统主主页页获获取取有有关关信信息息，提提交用户订单；交用户订单；(2)系系统统Agent将将订订单单数数据据存存入入数数据据库库，任任务务规规划划结结点点分分解解任任务务，并并将将其其子子任任务务分分配配给给原原型型系系统统上上获获得权限的结点；得权限的结点；(3)设设计计结结点点完完成成设设计计子子任任务务，并并提提交交给给任任务务规规划划结点；结点；(4)生生产产者者结结点点完完成成加加工工任任务务，并并向向任任务务规规划划结结点点返回结果；返回结果；(5)在在系系统统整整个个运运行行期期间间，系系统统Agent都都对对各各个个结结点间的交互进行记录；点间的交互进行记录；(6)网络客户可以了解订单执行情况和结果。网络客户可以了解订单执行情况和结果。773.原型系统的运作过程784.3.3智能制造系统的主要研究领域智能制造系统的主要研究领域1.智智能能设设计计工工程程设设计计，特特别别是是概概念念设设计计和和工工艺艺设设计计，需需要要大大量量人人类类专专家家的的创创造造性性思思维维、判判断断、决决策策，将将人人工工智智能能技技术术，特特别别是是专专家家系系统统技术引入设计领域就变得更为迫切；技术引入设计领域就变得更为迫切；2.智智能能机机器器人人制制造造系系统统中中的的机机器器人人可可分分为为两两类类：一一类类为为固固定定位位置置不不动动的的机机械械手手，完完成成焊焊接接、装装配配、上上下下料料工工作作；另另一一类类为为可可以以自自由由移移动动的的运运动动机机器器人人，这这类类机机器器人人在在智智能能方方面面的的要要求求更更高高一一些些。智智能能机机器器人人应应具具有有智智能能特特性性，即即有有视视觉觉功功能能、听听觉觉功功能能、触触觉觉功功能能、语语音音能能力力、理理解能力等；解能力等；784.3.3智能制造系统的主要研究领域793.智智能能调调度度在在多多品品种种、小小批批量量生生产产模模式式占占优优势势的的今今天天，生生产产调调度度任任务务更更显显繁繁重重，难难度度也也大大，必必须须开开发发智智能能调调度度及及管管理系统；理系统；4.智智能能办办公公系系统统智智能能办办公公系系统统应应具具有有良良好好的的用用户户界界面面，“善善解解人人意意”，能能根根据据人人的的意意志志自自动动完完成成一一定定的的工工作作。它它应应具具有有听听觉觉功功能能和和语语音音理理解解能能力力，工工作作人人员员只只需需口口述述命命令令，它它即即能能根根据据命命令令去去完完成相应的工作；成相应的工作；793.智能调度在多品种、小批量生产模式占优势的今天，生805.智智能能诊诊断断系系统统能能自自动动检检测测本本身身的的运运动动状状态态，如如发发现现故故障障正正在在或或已已经经形形成成则则自自动动查查找找原原因因，消消除除故故障障，以以保保证证系系统统始终运行在最佳状态；始终运行在最佳状态；6.智智能能控控制制能能根根据据外外界界环环境境的的变变化化自自动动调调整整自自身身参参数数，对对于于可可以以用用数数学学模模型型表表示示的的控控制制问问题题，常常可可用用最最优优化化方方法法去去求求解解；对对于于无无法法用用数数学学模模型型表表示示的的控控制制问问题题，就就必必须须采采用用人人工工智智能能的的方方法法去去优优化求解。化求解。805.智能诊断系统能自动检测本身的运动状态，如发现故障81l第第4章章思考题思考题l1.制制造造系系统统自自动动化化是是在在什什么么条条件件下下得得到到迅迅速速发发展展的的？实施制造自动化有何意义？实施制造自动化有何意义？l2.什什么么是是柔柔性性制制造造系系统统(FMS)？一一个个典典型型的的FMS由由哪几部分组成？各部分的功能是什么？哪几部分组成？各部分的功能是什么？l3.什什么么是是CIM和和CIMS？一一个个典典型型的的CIMS由由哪哪几几部部分分组组成成？各各部部分分的的功功能能是是什什么么？为为什什么么说说实实施施CIMS其关键是信息集成？其关键是信息集成？l4.开开发发实实施施CIMS应应遵遵循循哪哪几几个个步步骤骤？为为什什么么要要遵遵循这几个步骤？循这几个步骤？l5.自自动动化化制制造造系系统统是是否否越越自自动动化化越越好好？为为什什么么？制制造自动化发展方向是什么？造自动化发展方向是什么？l81第4章思考题机械制造系统自动化课件机械制造系统自动化课件