计算机集成制造系统大纲

1、1计算机集成制造系统概论生产系统（production system）：是指组织实现公司的生产运作所需的人、设备以及流程的集合。包括生产设施和制造执行系统。生产设施（facilities）：是指工厂、工厂中的设备及设备的组织方式。制造支持系统（manufacturing support system）：是指用来管理生产，解决原材料采购、物料搬运过程中遇到的技术和物流问题，确保产品达到规定质量标准的一套流程。（产品设计、其它业务功能等）自动化制造系统是在较少的人为参与下，完成加工、装配、检验或物料搬运等类似的操作。比如加工零件的自动化设备、自动化装配系统、自动化生产线、自动检验系统、自动物料搬运

2、系统等。（1）固定自动化，是指系统中加工错的顺序是由设备的结构决定的。特征为：设备的初始投资比较高，具有很高的生产率，对产品种类表现出较差的柔性。用于大批量和高生产率的生产模式。（自动化生产线，自动化装配线）（2）可编程自动化，是指生产设备的操作顺序可以根据不同的的产品结构来设计，由程序（一系列可以被系统读取和解释的编码指令）来控制。特征为：在通用设备上高投资，比固定自动化的生产率低，具备处理产品结构变更的柔性，更适合于成批生产。（数控机床）（3）柔性自动化，是可编程自动化的一种扩展形式。体现在不同样式操作之间变换所用的时间很少。特征为：较高的投资，不同混合比的连续生产，中等生产率，对于产品设

3、计的多样性具有一定的柔性。用于小批量多种类的生产模式。（加工中心）2制造操作制造操作是指工厂将原材料加工成产品过程中的基本活动，主要包括：加工和装配操作、物料搬运、检验和测试、协调和控制。（1）加工操作是通过能量改变工件的形状、物理特性或外观来增值的过程，能量包括机械能、热能、电能、化学能等。成形操作是通过能量改变工件的几何形状和特征。比如凝固工艺、微粒工艺、变形工艺、材料去除工艺。改善特性的操作是用来提高工件的机械性能和物理性能。比如热处理。表面处理操作主要包括表面清洗、表面处理、表面涂层和镀膜。如微电子集成电路的表面处理。（2）装配操作是指将两个以上的独立零部件整合成一个新的实体，组成部分

4、永久或暂时连接。永久连接：焊接、粘接、铆接等暂时连接：螺纹连接、销连接等（3）物料搬运和存储，工厂物流（4）检验和测试，检测生产地产品是否符合设计要求（5）协调和控制，对每个加工和装配过程的调节以及对工厂层面运作的管理和控制。3自动化概述（2）故障恢复是指运用必要的措施校正故障，使得系统恢复到正常工作状态。故障恢复系统的设计关键在于设计一定的策略和流程，是的加工过过程中任何可能发生的误差都得以校正或补偿。利用中断系统进行故障恢复。将中断当前正在执行的程序，插入一个故障恢复子程序。主要策略为策略1，在当前工作循环结束时进行调整。策略2，在工作循环中进行校正策略3，停止加工进行校正策略4，停止加工

5、寻求帮助。例3.3某自动化制造单元故障恢复故障1：刀具的温度巨变导致工件尺寸变化校正措施：调整程序坐标对其进行补偿（策略1）故障2：机械手夹取工件时滑落校正措施：夹取另一个工件（策略2）故障3：切削温度过高校正措施：降低切削速度（策略2）故障4：刀具失效校正措施：更换刀具（策略3）故障5：碎屑影响机加工校正措施：提醒操作人员清理工作区域的碎屑（策略4）4工业控制系统（2）离散控制系统系统的参数和变量以离散形式随时间变化。比如事件驱动的变化、事件驱动的变化。当控制器对引起系统状态变化的事件做出反应时，发生事件驱动的变化。对其控制称为组合逻辑控制比如机器人把工件放在夹具中，限位开关能够探测到工件，

6、探测到工件的存在就是改变系统状态的事件，事件驱动的变化就是现在可以开始自动加工循环。控制系统到达某个给定时间点或在一定时间之后，发生时间驱动变化。对其控制称为顺序控制。比如自动热处理循环通过机器人把工件放入熔炉，热处理达到规定时间后，取出工件。离散控制广泛用于离散制造和过程工业中，比如控制传送带的操作、物料搬运系统、自动存储系统、柔性制造系统、自动生产线、自动化装配系统等。过程工业的批量处理用到离散控制。（2）计算机控制能力。轮询，指周期性地对过程状态进行数据采样。轮询频率、轮询顺序、轮询格式互锁，指用来协调两个或多个设备的活动，防止设备之间相互干扰。输入互锁（外部设备产生的信号并传送给控制器

7、，包括继续执行工作循环的程序和中断工作循环程序）和输出互锁（由控制器传输到外部设备的信号）中断系统，悬挂当前程序去处理另一个级别更高的程序或子程序，以响应输入事件。根据收到的中断信号，系统跳转到事先设定的子程序来处理特定的中断信号，当前程序的状态被暂时存储，以便中断服务完成之后可以继续执行。内部中断（系统自身产生，比如计时器触发的事件）和外部中断（系统之外产生，比如初始过程的中断、操作者的输入）。一般要设置中断系统的优先级水平。例4.1异常处理，异常是超出了过程或控制系统正常操作或期望操作的事件。通过调用异常处理程序完成故障识别与恢复。比如生产质量问题、过程变量超出正常范围、维持工程必须的原材

8、料或供应出现短缺、控制器故障、危险的条件等。5传感器、执行器及其他控制系统元件（1）连续模拟信号的模数转换传感器和变换器、产生模拟信号的测量设备。信号调理（通过过滤去除随机噪声信号，一种信号形式转换为另一种形式比如电流转电压）多路转换器、是多个输入通道的转换开关。放大器、用于放大或者缩小信号，使之符合数模转换器的处理范围模数转换器ADC（核心部件）转换过程：采样、量化、编码。（采样频率（对连续模拟信号取样的频率）、转换时间、分辨率、转换方法）采样、在周期性时间间隔内，将连续的模拟信号变化为一系列离散的模拟信号（每个离散信号分配一个事先定义的信号幅值级水平，这些离散的信号幅值水平转换为数字编码，

9、表示一系列二进制编码的信号序列的幅值）。量化、分辨率是模拟信号被估计的精确程度，精确度用二进制表示是由量化位数决定，量化水平Nq为2n ，n为比特数,分辨率是工作范围与量化水平减1的比值。 量化误差（量化得到的数字值与模拟信号真实值不同）取分辨率的一半。编码、连续逼近法（将一系列已知的试验电压值与未知的输入信号值相比较）。试验电压数目与编码信号位数对应，第一个试验电压值取工作范围的0.5，每一个连续的试验电压值是前一个电压值的0.5，将输入电压的剩余部分与每个试验电压值比较，输入值超过试验电压值取1，反之取0，得到连续比特值与相应试验电压值相乘。最终获得输入信号的编码值。6数字控制技术2、计算

10、机数字控制特点：存储多个零件程序、多种形式的程序输入、在加工设备上直接编程、固定循环及子程序的编写、插补、初始位置的定位特征、刀具长度和大小补偿、加速和减速的计算、通信接口、诊断（控制启动诊断、故障和失效分析、为个别的零件提供扩展诊断、刀具寿命监控、预防性维修提示、程序诊断）等。计算机数控系统的机器控制单元。其子系统由一条系统总线相互连接起来。（1）中央处理器CPU，依靠存储器的软件管理系统组件，包括3部分：控制部分、算法逻辑单元、快速存取的存储器。控制部分从内存中找回数据并且产生信号以激活系统的组件。算法逻辑单元由电路（具有运算、计数、逻辑功能）组成。快速存取的存储器为CPU正在处理的数据提

11、供了临时的存储空间。通过系统数据总线与主内存相连接。（2）存储器，主存储器（只读存储器ROM,操作系统和机床接口、随机存储器RAM）、辅助存储器（存储大的程序和数据文件，需要时传到主存储器，用软盘硬盘）辅助存储器存储零件程序、宏和其他软件。（3）输入输出接口，为系统的各种组件与操作者之间提供信息交流，给外部设备发送数据或信号、从外部设备接收数据或信号。基本接口为操作面板（数字、字母），用来输入和编辑零件程序和各类功能命令指令，显示器会显示程序的当前状态以及故障警告。（4）机床轴的控制以及转速的控制，机器控制单元产生的控制信号要转化为特定形式或能量水平才能驱动机床轴的位置控制系统。轴可以带动工件

12、转动或带动刀具旋转，轴速是机床的编程参数，轴速控制部件由驱动控制电路和反馈传感器接口组成。（5）其它机床的顺序控制，辅助功能通过零件程序控制实现。比如，开关触发、互锁、离散数字数据。可编程序控制器会协助控制。计时器（连续产生信号）、计数器（离散数字数据）、夹具（系统向执行器输出开关指令）、冷却液控制（系统向泵输出开关指令）。（6）个人计算机，计算机数字控制基本应用：PC用作MCU的一个独立前端接口、PC包括操纵机床的动作控制板和其他硬件。依靠软件进行操作，操作系统、机床接口软件、应用软件。操作系统主要功能解释零件程序并且产生相应的控制信号来驱动机床的轴，在ROM中制造者安装，操作系统包括编辑器

13、、控制程序、执行程序、诊断程序。机床接口软件用来操作中央处理器和机床之间的通信连接，以实现辅助功能。7工业机器人工业机器人的操纵器是由一些列的关节和连接构成。机器人结构主要包括机器人操纵器的关节和连接的类型与大小及其物理构造因素。工业机器人关节（轴），提供身体两个部分之间的相对动作。动作有自由度，一个关节只关联一个自由度，关节为输入端和输出端之间提供受控的相对运动。连接每个关节的是两个连接，一个输入一个输出，连接是操纵器的刚性组件。机器人连接会编号，比如把基座与第1个关节的连接称为连接0、关节1和关节2的连接称为连接1、以此类推。五类关节，2种提供平移动作、3种提供旋转动作。线性关节（L），输

14、入与输出连接之间是滑移平动、两个连接的轴线平行；直角关节（O），输入与输出连接之间是滑移平动、两个连接互相垂直；转动关节（R），提供相对转动运动、旋转轴垂直于输入输出连线的轴线；扭转关节（T），提供转动运动、旋转轴平行于输入输出连线的轴线；旋转关节（V），提供转动运动、旋转轴平行于输入连接轴线，垂直于输出连线轴线。8 采用可编程逻辑控制器和个人计算机的离散控制可编程逻辑控制器通过存储在内存中的指令程序，利用数字或模拟输入输出模块来执行逻辑、顺序、定时、计数和算术功能。1970提出，广泛用于控制机器、自动生产线、物料搬运设备等。PLC继电器、计时器、计数器等元件之后出站PLC，优势明显：程序编写

15、容易、可以重复编程、空间占用少、可靠性高可维护保养、可以与计算机连接、具有更多控制功能。组成：9制造系统概述制造系统是用于原材料、工件进行加工或装配操作的所以设备和人力资源的集合。设备包括制造设备和工具、物料搬运设备、工件定位设备、计算机系统。制造系统运行所需的人力资源包括全职人员、定期参与人员。制造系统例子：一个工人管理的一台半自动化机床单元；一个工人看管的一组半自动化设备的系统一个工人间歇性看管的完全自动化的装配设备在自动化生产循环中制造出相似工件的一组自动化设备由一组工人看管的一条装配生产线（1）装载、定位、卸载工件装载是将将工件从某个地方搬运并安装到加工设备或机器上的过程。比如，批量提

16、供生产，原材料存储在邻近工位的容器。工件定位是通过夹具对工件进行准确的定位、定方向和加紧，防止加工过程中由于外力导致工件松动。夹具主要有夹具、卡具、卡盘等。工件卸载是在完成加工操作时，工件从机器卸载下来，可以在生产设备上移动、可以放到工位内的容器里、可以按照生产顺序运输到下一个加工工位。对于手工操作或半自动化操作，装载、定位、卸载是通过手工完成。对于自动化程度较高的工位，可以采用工业机器人、工件进料器、自动化模具更换器等完成装载、定位、卸载。2、多工位制造系统多工位制造系统具有可变路径，用来组织实施某些特殊目的。比如用来生产具有中等自动化水平的产品或部件、具有相似加工操作的一组零部件生产、具有

17、相似装配操作的一组产品装配、生产用于下一步装配所需的整套零部件等。具有一定程度多样性的零部件生产，多样性是指零部件加工操作的差异性或加工操作顺序的不同。人工操作的机器为机器单元，可以进行单元化制造，以成组技术支持。机器完全自动化，同时工位之间的物料搬运也自动化，成为具有可变路径的自动化多工位系统。自动化机器具有柔性，称之为柔性生产系统或柔性生产单元。10单工位制造单元1、单工位人工单元单工位人工单元的标准模式是一个工人和一台机器组成。单工位人工单元的优势：所需的实施时间最短、需要投入资金最少的生产方式、技术上是最容易安装和操作的系统、对于小批量生产成本最低、最具有柔性的生产方式。一台设备和一名

18、工人组成工作单元，机床是手工或半自动操作的。手工操作工位中操作工人控制机床并装载和卸载工件。加工方法为一名工人操作一台标准机床。在工作期间工人要看管机床运行（有时看管整个工作循环、有时只需看管部分工作循环），比如电子车间组装印刷电路板，需要工人持续关注。手工工作单元工人要在同一个工位上执行操作任务，可以是工人使用手动工具，也可以是工人使用便携式电动工具。比如在机械安装时使用螺丝刀和扳手为手动工具，而手钻、烙铁、电弧焊枪为电动工具。在半自动化工作站中，机床由某些形式的程序控制，工人只需负责启动或停止机床，并定期更换工具。工人不需要持续关注整个工作流程，但是要出现在每个流程中。单工位工作单元也包括

19、多个工人全职操作机床或完成工作。比如锻压生产过程需要两个工人去操作重型锻压机、在电弧焊接时设置一名焊工和一名操作工、在单个装配工位上多个工种工人共同安装一台大型机械等。单工位工作单元也包括一台主生产机器和若干辅助设备组成的工作单元。比如烘干机要在使用人工操作的注塑机之前用干燥设备使注塑的塑料粉末干燥、在注塑机上用磨头磨去注塑件的烧冒口以回收材料、修边剪与锻锤结合用来清理锻件正边。等3、基于机器族的分析机器族为在相同的工作循环内由同一个操作员看管的多台生产零件或产品机器的集合，为单工位系统。机器单元为多台机床组织起来生产零件族或产品族，为多工位系统。将设备组织成一个机器族的条件：相对需要工人看管

20、的时间，半自动化机器周期较长半自动化机器周期对所有机器都是相同工人操作的机器布局比较靠近，可以花少时间在机器间走动车间允许一个工人看管多台机器。分配给一个工人的机器数量n11成组技术和单元化制造1、阶序聚类法阶序聚类发要确定如何将工厂中的机器组成机器单元，完成划分零件族。阶序聚类法由King提出，适用于生产流程分析，通过将零件机器关联矩阵变换成对角线上的块来表示零件族以及对应的机床组。从初始的关联矩阵开始，步骤如下：2、阶序聚类法分析例题12柔性制造系统柔性制造系统是高度自动化的成组机器单元，包含一系列工作站，与自动物料搬运和存储系统相连接，并由分布式计算机系统控制。FMS的柔性是可以同时在各

21、个工作站加工不同种类的零件、可以根据不同的设计需求改变零件的型号和数量。FMS适合于中等种类和规模的生产。FMS依赖于成组技术原理，仅有能力生产某一系列或有限范围内的零件族。3、柔性制造运行柔性制造系统安装好之后，还需要对现有的资源进行优化，来满足生产要求，达到一些目标，比如利润、质量、顾客满意等。运行中必须解决以下问题：（1）排产与分派（2）给机器装载工件（3）工件路径（4）工件的分组（5）刀具管理（6）托盘与夹具分析13手工装配线3、线平衡问题装配线必须按照规定的生产率运转，使生产周期达到理想状态。给定条件下，线平衡这问题是考虑，如何将这些独立的工作要素分配到各个不同的工位上，使得所有工人

22、的工作量相同。其中涉及的两个核心概念是最小合理工作要素、前向次序约束。（1）最小合理工作要素，是有特定有限目标的少量工作。比如连接两个元件、在基件上添加一个元件等。它不能被继续分割，比如在金属薄板上钻一个孔、用螺栓连接两个机械零件等。工作要素的时间总和等于工作总量的时间。（2）前向次序约束。前向次序约束是工作顺序上的技术性要求。比如一些工作要素必须先于另外一些要素完成。可以用前向次序图表示，说明工作要素的操作顺序。工作要素用节点符号表示，前向次序用箭头连接节点，顺序由左至右依次进行。（3）线平衡效率的量度用来评价线平衡解法的优劣，比如平衡效率，是总工作时间与可用总服务时间的比值14加工生产线和

23、类似自动化生产系统自动化生产线是由多个工位组成，通过物料搬运系统连接在一起的系统。物料搬运系统能将零件从一个工作站传输到另一个工作站。生产线包括质量检验工作站、手工工作站（执行比较困难的加工任务）。每个工作站执行一项不同的操作，所有的操作累加，能够完成完整的一件产品。多个工件在生产线上同时进行加工，每个工作站里都加工一个工件，任何时刻在生产线上的零件数目和工作站数目相等。1、系统结构自动化生产线系统结构分为直线型生产系统、分段直线型生产系统、回转型生产系统。直线型结构，由一系列按直线排列的工作站组成。用于加工较大工件，比如汽车发动机的气缸、变速箱等。可以容纳大量的工作站，也可以设计存储缓冲区。

24、分段直线型结构由两段以上直线传输部分组成，分段之间彼此正交生产线控制中自动搬运装置运行时，有三个基本功能：操作要求、安全要求、质量控制，具体如下。（1）顺序控制，可以调整搬运系统和各个工作站之间的活动顺序。比如工件从当前工作站释放出来，然后搬运放下并在下一个工作站上卡紧；之后下一个周期又从头开始；如此反复。（2）安全监测，保证生产线不会在不安全的条件下运行。安全是指工人在工作环境下的安全，或者设备自身的安全。使用的传感器要超越顺序控制的限制，集成到生产线中并形成反馈来避免发生危险。比如安装互锁装置，来避免工人在维修或做其他事情时机器仍在运行。比如机加工生产线，需要监测刀具的状况，以防刀具磨损，避免使用有缺陷的刀具。（3）质量控制，监测工件的某些质量特性。目的是发现并拒绝生产线上的缺陷工件。可以把检验控制任务集成到加工工位上进行质量控制，也可以用独立的检测站来检查工件的某一项质量参数。检验到质量不符合，处理措施为：使整条生产线立即停下以便排除不合格工件（缺点是损失生产时间）。或者继续生产，将不合格工件从生产线上取下进行下一步加工（缺点是对控制设备要求高）两种辅助控制功能：即时控制和记忆控制。（4）即时控制，发现缺陷或故障时，生产线立即停下来。