机械制造系统自动化课件.ppt

1,机械制造系统自动化 主要内容： 4.1 柔性制造系统(FMS)及技术 4.2 计算机集成制造系统(CIMS) 4.3 智能制造系统 参考文献： 1 张世琪, 李迎, 孙宇. 现代制造引论M. 北京:科学出版社, 2003. 2 田雨华等.计算机集成制造技术和系统M.北京：兵器工业出版社,1991. 3柔性制造系统编委会.柔性制造系统M.北京：兵器工业出版社,1995. 4 吴季良.柔性制造系统实例M.北京：机械工业出版社,1989. 5 CIMS编委会.计算机集成制造系统(CIMS)约定、标准与实施指南M.北京：兵器工业出版社，1994.,2,随着市埸全球化、经济一体化进程的加快，竞争战略不断从最初的规模战略、成本战略(C)，到后来的质量战略(Q)、供货期战略(T)、服务战略(S)、环保战略(E)、直到现在的综合战略，即TQCSE，相应的制造理念和制造模式不断创新。伴随着自动化技术的发展，先后出现了柔性制造、集成制造、敏捷制造、智能制造以及其他各种先进的制造理念和模式，面对今天的新形式、新格局，现代机械制造系统及其自动化将在市场竞争中发挥越来越大的作用。,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；, 缩短生产周期如图所示，采用自动化技术后可以有效缩短零件98.5%的无效时间，从而有效缩短了生产周期；,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测设备，减少了工人情绪波动的, 提高经济效益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；, 降低劳动强度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度；, 有利于产品更新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新；,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要求更高；, 带动相关技术的发展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，系统工程技术等相关技术的发展；, 体现一个国家的科技水平如自1870年以来，制造自动化技术和设备基本上都首先出现在美国，这与美国高度发达的科技水平密切相关。,6,4.1 柔性制造系统(FMS)及技术,20世纪60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。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,4.1.1 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(FMC) 及柔性制造线(FML) 等系统及各种数控加工技术。,7,1. FMS的组成及功能,“柔性” 是指生产组织形式和自动化制造设备对加工任务(工件) 的适应性。,FMS是在加工自动化的基础上，实现物料流和信息流的自动化。,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，使刚性生产线实现软性化和柔性化。,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)。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，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。,柔性制造系统定义,9,图4-2 柔性制造系统基本结构,10,(1)组成, 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FMC。, 工件储运系统,由工件库(含立体仓库和托盘缓冲站) 、工件运输设备(含各种传送带、运输小车、机器人或机械手等)和更换装置(含各种机器人或机械手，托盘交换装置)等组成。, 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。,由刀具库(有中央刀库和机床刀库) 、刀具输送装置(含运输小车、机器人或机械手)和刀具交换机构(如换刀机械手) 等组成。, 多层计算机控制系统, 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。,11,图4-3 柔性制造系统的组成,典型的FMS,12,图4-4 具有柔性装配功能的FMS,7-仓库 8-车削中心 9-多坐标测量机 10-镗铣加工中心 11-刀具预调仪 12-装配机器人 13-小件装配站 14-装夹站 15-AGV 16-控制柜,13,(2) 案例介绍(以BQ-FMS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FMS，由原国防科工委组织，南京理工大学、长春55研究所、绵阳58研究所联合承研。, 系统组成及布局,图4-5所示为BQ-FMS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、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、行星齿轮架、各类回转体类零件等。,14,图4-5 BQ-FMS平面布局,15,主要的加工设备有 (单位mm) MCV-0立式加工中心(2台) 520320320 MCH500-D卧式加工中心 600600600 TNC-20车削加工中心 2001200 WalterHMC-400万能数控工具磨床 Brown&SharpeXCEL7107三座标测量机 1000700700,16, 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。,车间控制器控制和管理两个制造单元以及相应的自动化仓储系统。,（a）棱体类制造单元由两台立式加工中心、一台卧式加工中心和一台三座标测量机组成。,物流系统包括：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工件流子系统；由刀具预调仪、条码阅读器、刀具进出站、换刀机器人、中央刀库等组成的刀具流子系统。,单元控制器通过三个工作站分别控制上述设备，并具有电网检测、安全监视等组成的检测监控子系统。,17,（b）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。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。,BQ-FMS的通信网络有两种形式： 以Mini-MAP为主的网络通信形式； 以TCP/IP为主的网络通信形式。,总之，BQ-FMS是一个车间级的FMS，其控制结构如图4-6所示。,18,图4-6 BQ-FMS体系结构,19, 加工子系统,C. CAD/CAPP/CAM系统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库环境下的CAD/CAPP/CAM/FMS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。,B. 回转体类单元加工系统由车削中心和机器人组成；,A. 棱体类单元加工系统由两台立式加工中、一台卧式加工中心及其托盘交换装置(APC)组成；, 物流子系统,A.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、刀具进出站及含144个刀位的中央刀库组成,20,刀具流系统全貌,21,图4-6 BQ-FMS换刀机器人实物照片,22,23,图4-7 BQ-FMS刀具进出站实物照片,24,图4-8 BQ-FMS中央刀库实物照片,25,图4-9 刀具预调仪,26,图4-10 工件装卸站实物照片,B. 工件流系统,主要由工件装卸站、有轨运输车、托盘缓冲站及工件清洗站等组成，,27,a. 有轨运输车(AGV) 由车体、地轨、车载托盘交换装置、伺服驱动和控制系统组成，图4-11所示为AGV实物照片图； b. 托盘缓冲站共有18个。其中12个为两台立式加工中心存取550mm350mm托盘，6个为卧式加工中心存取500mm500mm托盘； c. 工件清洗站为翻转式自动门结构，PLC控制，大流量(最大可达200L/min) 清洗。,28,图4-11 AGV实物照片图,29,C. 自动化仓储系统,由立体货架、堆垛机及控制管理系统组成。,30,31, 检测监控子系统,A. 运行与控制检测监控B. 加工设备的状态检测C. 工件加工质量检测D. 物流检测监控E. 环境参数及安全监控,32,2. FMS的作业计划与调度技术,目标：通过对制造过程中物料流的合理规划、调度与控制，达到提高生产效率、缩短制造周期、减少在制品、降低库存、提高资源利用率的目的。,(1) 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制定的。 公司层通常采用企业资源计划ERP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系统的核心子系统MRP的处理逻辑来简单表达，如图4-13所示。,33,图4-13 MRP的处理逻辑,34,A. 在一定的时间周期内系统的产出最高； B. 尽量满足任务的优先级或交货期； C. 关键(瓶颈) 设备的利用率最高； D. 生产所花费的成本最少； E. 系统内的在制品最少； F. 系统内设备的平均利用率最高； G. 加工一组工件时系统的通过时间最短； H. 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(静态调度), FMS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：,图4-14所示为班次计划制订过程的示例。,35,图4-14 班次计划制订过程,36, FMS的动态调度,动态调度是在系统加工过程中，根据系统当前的实际状态对生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。,A. 调度决策通常的决策点有： 工件进入系统的决策点； 工件选择加工设备的决策点； 加工设备选择工件的决策点； 小车运输方式的决策点； 工件选择缓冲站的决策点； 选择运输小车的决策点； 加工设备选择刀具的决策点； 刀具选择加工设备的决策点； 刀具选择中央刀库中刀位的决策点； 换刀机器人运刀的决策点；,37,B. 调度规则通常的调度规则有 处理时间最短； 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长； 下道工序加工时间最长； 交付时间最早； 剩余工序数最少； 剩余工序数最多；, 先进先出； 随机选择； 下道工序服务队列最短； 下道工序服务台工作量最小； 组合规则； 优先权规则； 确定性规则； 利用率最低； 启发式规则等等。,38,4.1.2 FMC及DNC(略)4.2 计算机集成制造系统4.2.1 CIM与CIMS的基本概念 计算机集成制造(CIM)1974年美国的约瑟夫 哈林顿博士针对企业所面临的激烈市场竞争形式提出了一种组织企业生产的哲理。提出通过采用系统工程技术，进行企业计算机应用的整体规划以实现全企业各种信息的有机集成。,39,CIM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、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；,(2) 整过制造过程，实质上是一个信息采集、传递及加工处理的过程。,CIM定义：所谓CIM，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，求得企业的总体效益的一种先进制造理念。,CIM的准确内涵是：CIM是一种组织、管理和运行企业的哲理。其宗旨是：提高企业产品质量、降低生产成本、缩短上市时间，从而使企业赢得激烈的市场竞争。,40,计算机集成制造系统(CIMS): 根据CIM理念研发的计算机化、信息化、智能化、集成优化的制造系统、即称之为计算机集成制造系统(CIMS) ，或称现代集成制造系统。,41,4.2.2 CIMS的组成,一般情况下，CIMS由四个应用(或功能)分系统和两个支撑分系统组成，如图4-15所示。,图4-15 CIMS的组成,42,1. 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。MIS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ERP；,各分系统的主要功能为：,2. 技术信息分系统(TIS),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PDM，实现内外部的信息集成。该分系统的核心是所谓的CAD/CAPP/CAM的3C一体化；,43,3. 制造自动化分系统(MAS),它是CIMS中信息流与物流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的所在。目前，该分系统除FMS外，人们更强调投资规模小的DNC或FMC，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；,4. 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。 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；,44,5. 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(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储及使用格式的一致性，这就是DBS应完成的任务。,45,4.2.3 案例介绍,例1. 863/CIMS主题CIMS示范系统,这是一个由CIMS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，获得美国1994年SME大奖。该系统由管理信息系统(MRP) 、工程设计系统(CAD/CAM) 、柔性制造系统/制造自动化系统、以及支撑系统(NET、DB)等分系统组成。,图4-16所示为CIMS ERC制造系统实验室平面布置图。,图4-17所示为其实验系统图。,46,图4-16 CIMS ERC制造系统实验室平面布置,47,图4-17 CIMS ERC实验系统,48,例2. 扬州有机化工厂CIMS应用示范系统(YH-CIMS),图4-18所示是由南京理工大学与扬州有机化工厂联合开发的CIMS应用示范系统总体框图。,由五个分系统组成： 办公自动化分系统(OA) 管理信息分系统(MRP) 质量管理分系统(QIS) 集散控制分系统 支撑环境分系统，,自1996年通过国家验收以来一直正常运行。,49,图4-18 YH-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，与离散型CIMS相比，其底层管理与控制具有鲜明特色，故在此对YH-CIMS的先进车间级管理与控制系统(AMCS)作一简介。,51,1. AMCS的组成,(1) 总体结构,图4-19 AMCS的组成结构图,52,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”作用，同时又使整个系统能够适应不同的产品和生产方式；, 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，实现对现场设备的分散式控制、监控与诊断。, 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；, 制造过程建模工具,53,(2) AMCS的功能,图4-20 AMCS的功能模型图,54, 生产过程数据采集与处理 过程控制 设备状态数据采集与处理 智能调节 数据与状态显示 故障实时诊断 局部运算与优化控制 联锁与互锁控制 参数自整定自诊断 网络通信 报警与紧急事件处理, 现场控制级,55, 车间管理与控制级, 生产过程建模 生产计划制定 计划执行与跟踪 动态任务调度 批量生产管理与控制 物料与资源跟踪 配方管理 设备管理 生产技术文件管理 统计过程控制 人力资源管理 生产优化建模 优化决策 生产监控 故障在线诊断 故障预测 监控组态 信息集成服务,56,(3) AMCS的网络拓扑结构,图4-21 AMCS网络拓扑结构,57,考虑到目前国际流行的分散化制造的要求，采用成熟的Internet/Intranet/Infranet技术，使整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。,58,(4) 基于B/S模型的软件结构,AMCS软件结构采用Browser/Server结构模型，通过与MS SQL数据库和Industrial SQL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。,59,2. 基于AMCS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统AMCS与其他分系统间的关系。,60,4.2.4 CIMS的开发,CIMS的开发可参照计算机集成制造系统(CIMS)约定、标准与实施指南进行。,开发过程如图所示。,61,开发步骤是： 可行性论证(如图4-25所示) ； 初步设计(流程如图4-26 所示) ； 详细设计(流程如图4-27所示) ； 系统实施和测试(流程如图4-28所示) ； 运行与维护(流程如图4-29所示) 。 详细内容可参看有关文献资料，此处略。,62,可行性论证主要任务是：了解企业/系统的战略目标及内外现实环境，确定系统的总目标和主要功能，拟定初步的总体方案和实施路线，从技术、经济和社会条件等多方面论证总体方案的可行性，制定投资规划和初步开发计划，编写可行性报告等。,图4-25 可行性论证的工作流程,63,初步设计目标系统的功能模型和初步的信息模型，提出系统的总体方案，拟出实施计划，提出投资预算，进行技术经济和社会效益分析，编写初步设计报告等。,图4-26 初步设计的工作流程,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方案，完善业务流程重组和工作流设计，完成系统界面设计，数据库逻辑设计，计算机网络设计和物理设计，完成系统内外接口的集成，即系统的集成设计。,图4-27 详细设计工作流程,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设，子系统和分系统的实施，由下而上地逐级开发、测试和集成。,图4-28 系统实施工作流程,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，在运行过程中进行相应的修改、完善，在此基础上实现正常运行，实现系统目标。,图4-29 系统运行和维护工作流程,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，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多方面的调整和改进。,68,4.3 智能制造系统,智能制造系统(IMS) 是1991年1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：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，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。,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，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。,我国自然科学基金会于1994年正式立项研究，其研究内容主要有：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IPP/智能制造IM、智能数控技术、智能质量保证、监测与诊断技术)智能机器(智能机器人、智能加工中心IMC等) ，已于1997年底完成研究，并通过了专家组验收。,69,4.3.1 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、自学习能力和自组织能力。其组成为：,智能制造系统= 常规制造系统+人工智能技术+人类专家,70,4.3.2 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学联合研制),1. 总体构想,采用基于Agent的分布式网络化IMS的基本构想，如图4-30所示。,71,图4-30 网络化智能制造系统架构,72,2. 原型系统,基于上述思想开发的原型系统如图4-31所示。,该系统由系统经理、任务规划、设计、生产者四个结点组成。,图4-31 智能制造系统原型系统,73,(1) 系统经理结点包括数据库服务和系统Agent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上与外部交互，监视系统上各个结点间的交互活动；,74,75,(2) 任务规划结点由任务经理和它的代理任务经理Agent组成。其主要功能是：对从网上获取的定单(任务) 进行规划，分解成若干子任务，并通过招标投标方式将这些子任务分配给各结点；(3) 设计结点由CAD工具和它的代理一设计Agent组成。是一个计算机辅助设计系统，它提供一个良好的人机界面，使设计人员通过人机交互共同完成设计任务;；,76,(4) 生产者结点实际上是本项目的IMC原型系统，包括加工中心和它的网络代理一机床Agent。该结点的制造系统具有一定的自诊断、自修复能力，与外部环境进行交互的能力，开放式的体系结构，以支撑系统集成和扩展。,77,3. 原型系统的运作过程 (1) 网络用户通过原型系统主页获取有关信息，提交用户订单； (2) 系统Agent将订单数据存入数据库，任务规划结点分解任务，并将其子任务分配给原型系统上获得权限的结点； (3) 设计结点完成设计子任务，并提交给任务规划结点； (4) 生产者结点完成加工任务，并向任务规划结点返回结果； (5) 在系统整个运行期间，系统Agent都对各个结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。,78,4.3.3 智能制造系统的主要研究领域 1. 智能设计工程设计，特别是概念设计和工艺设计，需要大量人类专家的创造性思维、判断、决策，将人工智能技术，特别是专家系统技术引入设计领域就变得更为迫切； 2. 智能机器人制造系统中的机器人可分为两类：一类为固定位置不动的机械手，完成焊接、装配、上下料工作；另一类为可以自由移动的运动机器人，这类机器人在智能方面的要求更高一些。智能机器人应具有智能特性，即有视觉功能、听觉功能、触觉功能、语音能力、理解能力等；,79,3. 智能调度在多品种、小批量生产模式占优势的今天，生产调度任务更显繁重，难度也大，必须开发智能调度及管理系统；4. 智能办公系统智能办公系统应具有良好的用户界面，“善解人意” ，能根据人的意志自动完成一定的工作。它应具有听觉功能和语音理解能力，工作人员只需口述命令，它即能根据命令去完成相应的工作；,80,5. 智能诊断系统能自动检测本身的运动状态，如发现故障正在或已经形成则自动查找原因，消除故障，以保证系统始终运行在最佳状态；6. 智能控制能根据外界环境的变化自动调整自身参数，对于可以用数学模型表示的控制问题，常可用最优化方法去求解；对于无法用数学模型表示的控制问题，就必须采用人工智能的方法去优化求解。,81,第4章 思考题1. 制造系统自动化是在什么条件下得到迅速发展的？实施制造自动化有何意义？2. 什么是柔性制造系统(FMS)？一个典型的FMS由哪几部分组成？各部分的功能是什么？3. 什么是CIM和CIMS？一个典型的CIMS由哪几部分组成？各部分的功能是什么？为什么说实施CIMS其关键是信息集成？4. 开发实施CIMS应遵循哪几个步骤？为什么要遵循这几个步骤？5. 自动化制造系统是否越自动化越好？为什么？制造自动化发展方向是什么？,