先进制造技术-先进制造系统的基本原理

1、先进制造技术机械设计制造及其自动化专业主干课程第2章 先进制造系统的基本原理 制造系统的类型 AMS的组成 AMS的性能原理 AMS的建模原理 AMS的决策属性 AMS的设计原理 AMS的运行原理 制造系统的信息化第1节 制造系统的类型按产品的用途分：第1节 制造系统的类型按产品构成形态分：第1节 制造系统的类型按产品批量分：第1节 制造系统的类型一按生产计划类型分二按层次结构分1.1 按生产计划类型分一按生产计划类型分1. 自主式制造系统 生产计划依据库存数量而并非客户订货数量而制定的。 制造的产品一般先进入仓库而不直接面对客户。 客户要求的交货期很短； 产品变化很小，客户需求可准确预测。

2、适用于大量生产，其生产计划的制定和执行比较容易。1.1 按生产计划类型分2. 订单式制造系统 生产计划的下达是根据客户订单进行的。 其生产计划的制定和执行就相对困难一些，可选择的制造策略有以下几种：按订单设计。适合于具有很大的技术复杂性及小批量的产品，如具有复杂部件的大型产品，或客户允许有较长的交货期，产品需要根据订货组织设计，再进行生产，典型产品是电厂锅炉。1.1 按生产计划类型分按订单加工。适合于在订货之前已完成设计，按订货进行加工的产品。采用这种策略的产品的需求通常不可预测，典型产品是火力发电机组。按订货装配。这种制造策略适合于在订货之前已完成设计及零部件加工，按订货进行装配的产品。采用

3、这种策略的产品通常有许多部件，产品的需求是可预测的，而客户需要较短的交货期，典型产品是汽车。1.2 按层次结构分二按层次结构分1.2 按层次结构分1. 单元级制造系统是组成更高效制造系统的基础。主要任务是实现给定生产任务的优化分批，实施制造资源的合理分配和利用，控制资源的活动，高效益地完成给定的全部生产任务。产品的物理转换都是由单元级制造系统来实现。1.2 按层次结构分传统的单元制造系统，因设备资源固定而使组织模式存在以下问题： 设备负荷的不平衡使得某些资源的利用率下降，造成生产成本的上升； 设备负荷的不平衡又使得某些资源特别紧张，造成生产率下降； 由于设备资源是固定的，不能适应因为生产任务的

4、变化而需要的最优工艺路线组合，从而造成工件跨单元的加工，导致辅助资源（例如：自动导向车、托盘、夹具等）的紧张，使得生产能力下降，交货期拖延。1.2 按层次结构分现代单元制造系统的特点：空间开放性 在功能结构上具有柔性：对不同的生产任务能够灵活地分割及组合，提供不同的服务，并能方便地修改或增加开发的新功能。 在应用与实施过程中具有适应性：能适应各种生产环境，在异构计算机环境中能够方便地从一种操作系统转换到另一种。1.2 按层次结构分特点：可重构单元 单元是由若干个具有相对独立功能的工作站组成的。 单元控制器所控制的工作站数目，是随着生产任务的不同而动态变化的。 是一种逻辑上可重构的单元，工作站的

5、物理位置是固定的，单元重构时是通过计算机网络实现对工作站的分布式控制的。因此也称为逻辑单元或虚拟单元。1.2 按层次结构分2. 车间级制造系统 直接完成物料处理的活动，包括运输、储存、加工以及测试检验等。 进行车间生产的管理、调度和控制活动。 生产管理：接受厂级下达的生产任务，制定本车间的生产作业计划，并监督计划执行情况。 资源管理：对车间的人事、设备和物料进行管理，进行设备维护和检修、财务管理和成本统计分析等。 质量管理：对车间内的产品质量负责，使之满足质量要求。 车间报告：按时将车间的生产、资源和质量的情况上报工厂有关部门。1.2 按层次结构分3. 企业级制造系统即工厂级制造系统。制造范围

6、从车间扩大到全厂，可达到在全厂范围内生产管理过程、机械加工过程和物料储运过程全盘自动化，并由计算机局域网络进行联系。 分布式多级计算机系统包括制定计划和日生产进度计划的生产管理级主计算机。1.2 按层次结构分4. 全球级制造系统世界经济的全球化，使得产品全生命周期的各个环节，都可以分别由处在不同地域的企业，通过某种契约进行互利合作。 思想是利用异地的资源来制造市场所需产品。这种资源和信息的共享将通过全球互联网络进行。 特点是制造工厂和销售服务遍布全世界。1.2 按层次结构分1.2 按层次结构分三制造系统的大小MIT：按系统功能实现的难易程度来区别制造系统的大与小。 小系统是在全部时间上，必须同

7、时满足有限而固定的功能要求集合的系统。例如，大多数机床、机器人等系统是小系统，因为设计时仅要求其在整个运行时间域上有少于或等于10个分功能。1.2 按层次结构分 大系统是在全部时间上，必须同时满足的功能要求超过10个的系统。例如，汽车制造系统是大系统。大型固定系统是指虽然系统在整个时间域上总体完成的功能要求数多于10个，但其功能要求是固定的集合。例如，大量生产流水线中的大型自动化流水线。大型柔性系统是在生命期内系统必须满足的总体功能数不仅多于10个，且在不同的生命期，功能要求是可变的集合。例如，可重构的大型制造系统。第2节 先进制造系统的组成AMS的组成，可从以下三个不同的视角来审视：要素：是

8、系统实现功能的不可少的组成部分。结构：指制造系统在空间上具有一定的结构形态。一般在综合的基础上对结构系统进行分析。过程：指其产品的生产从设计、工艺、加工、装配到检测出厂是一个随时间变化的序列系统。首先应明确组成系统的基本要素，然后在对结构各部分分析的基础上对过程系统进行综合。AMS是结构系统与过程系统的统一，AMS理论应实现静态结构分析与动态过程分析的统一。第2节 先进制造系统的组成一AMS的基本要素二AMS的结构组成三AMS的过程组成2.1 AMS的基本要素社会环境与市场环境图2-2 企业级制造系统的基本模型输入新的资源产品原有资源输出反馈 机制 （内部） 约束 （外部）政策 法规 标准 规

9、范 硬件 软件 体制 模式 转 换（资源增值）劳务资金物料信息创造客户服务社会责任实现转换功能的前提条件内部运行条件与运行原理AMS的总功能AMS存在的前提条件2.1 AMS的基本要素1. 输入是实现转换功能的前提条件。输入资源包括： 物质（包含材料、设备、能源、资金等） 信息（包含智力、技术和市场需求等）。2.1 AMS的基本要素2. 输出是AMS存在的前提条件。包含以下四种类型： 产品。包括硬件产品、软件产品和无形产品（如决策咨询、战略规划）等。 服务。是指从一般的售前售后服务到高级的技术输出、人员培训、咨询服务等。 创造客户。拥有客户是企业生存的基础。如何留住老客户、创造新客户，是AMS

10、的一项基本任务，也是它的重要业绩。 社会责任。AMS的发展受所在社区环境的支撑，必须对社区和整个社会承担责任。2.1 AMS的基本要素3. 转换实现资源增值转换是AMS的总功能。 衡量转换优劣的指标是：时间短、质量优、成本低、服务好和环境清洁。 AMS必须在管理体制、运行机制、产品结构、技术结构和组织结构等方面进行不断创新。2.1 AMS的基本要素4. 约束指AMS的外部约束，如国家的方针政策、法律法规、规范标准、资源、时间、成本、质量、环境保护和社区要求等方面的要求。5. 机制AMS实现资源转换的内部运行条件与运行原理。包括：生产设施、设计系统、试验系统、信息网络基础设施、计算机软件、生产模

11、式、规章制度、经营目标与策略、知识管理系统和企业文化建设等。2.1 AMS的基本要素6. 反馈AMS在整个运行过程中，其输出状态（如制造资源利用状况、产品质量反馈和顾客反馈）的信息总是不断反馈到制造过程的各个环节中，从而实现产品全生命周期中的不断调节、改进和优化。2.2 AMS的结构组成-资源、组织、功能一资源结构制造资源是为完成特定的制造任务而需要的要素体系。该体系的要素可分为两大类：基础资源和活性资源。1. 基础资源 又称有形资源。物料（原材料、坯料、半成品等）物料（原材料、坯料、半成品等）设备（机器、生产线等）设备（机器、生产线等）能源（电能源（电能、燃料能、燃料等）等）其他其他(土土地

12、地、厂房、厂房、工具工具)2.2 AMS的结构组成2. 活性资源 又称无形资源。人力、资金、技术、信息、管理、知识、组织、文化、时间、企业形象、产品品牌、客户关系、政府政策等。其中人力是关键资源信息和文化是协调性资源组织是集成化资源客户关系和政府政策 是环境资源2.2 AMS的结构组成二组织结构 组织结构反映责任人和工作的联系，反映制造系统多层次性。 AMS运行管理中的四个基本方面：流程-人-技术-资金 对应项目管理、人力资源管理、技术资源管理和财务管理四个制造功能。2.2 AMS的结构组成图2-5 一个AMS的组织结构财务部总经理市场部销售部采购部开发部工业工程部人力资源部制造部2制造部n制

13、造部1工作包括产品市场分析、销售预测、广告和客户关系等工作重点是产品销售，包括合同管理，售后服务和产品定价工作包括原材料、外购件和设备的采购工作重点是新产品的研究与开发，包括小批量的试制，产品文档的产生，有时也包括新生产车间的设计安排生产计划，控制生产过程，工作包括库存控制、生产能力计划、生产计划、生产控制和质量保证等工作重点是企业资金管理，包括预算审查、投资评估和成本核算管理企业中的人员，工作包括招聘与解雇、工资与福利、工会关系等工作重点是产生一个物理输出(零件)。工作包括完成各种制造工序、设备维护等。通常一个企业内有多个制造部(完成不同的工艺)。2.2 AMS的结构组成三功能结构 功能结构

14、是对发生在AMS中由人或机器执行的各种行动的描述。 一个AMS中存在多种性质不同的活动。 这些活动的执行一般是由不同的职能部门来完成的。 各个部门的功能有着明显的区别。如设计部门负责产品设计，工艺部门负责过程设计。2.2 AMS的结构组成图2-4 AMS的功能结构2.3 AMS的过程组成对于各种不同层次的制造系统，人们从不同的角度出发，提出了不同的运动流理论。流即流动，是混沌学描述过程动态性的一种概念和方法，常用于描述过程运动的变化，替代状态这一概念。不同层次的制造系统，其运行过程所形成的运动流不同，所构成的子系统功能也不同。2.3 AMS的过程组成一单元级制造系统图2-6 单元级制造系统三运

15、动流信息系统（加工任务、方法、工件质量等） 物料流 信息流 能量流原材料或坯料加工检验输送装夹产品刀具、夹具等机械能电能在在整个加工过程中整个加工过程中物料的输入和输出物料的输入和输出的动态过程的动态过程信息在机械加信息在机械加工系统中的作工系统中的作用过程用过程机械加工过程中的能量运动。机械加工过程中的能量运动。2.3 AMS的过程组成三运动流对应三个子系统：1. 物质系统 分为加工系统、物料系统和检验系统。加工系统 是指机床、刀具、夹具、工件所组成的直接改变工件的形状、尺寸、性质等生产过程；物料系统 组成加工系统，完成存储、输送、装卸；检验系统 检测加工质量。2. 能量系统 提供整个制造系

16、统所需能量，并进行能量的自动转换和分配输送。3. 信息系统 由所有信息及其交换和处理的过程构成。控制和监视整个机械加工过程，以保证机械加工的效率和产品质量。2.3 AMS的过程组成子系统物质系统单元级制造系统能量系统控制监视信息系统自动转换分配输送存储输送装卸加工物料检验图2-7 单元级制造系统的子系统2.3 AMS的过程组成二企业级制造系统1. 四运动流 物料流 是制造系统内部的物料流，通常是指原材料、工件、工（夹）具、水、电、燃料等物质的流动。企业级的物料流包含了单元级的物料流和能量流。图图2-8 企业级制造系统的物料流企业级制造系统的物料流需求分析需求分析产品设计产品设计工艺规划工艺规划

17、资源输入资源输入资源需求资源需求回收处理回收处理废弃物废弃物产品制造产品制造售后服务售后服务产品报废产品报废2.3 AMS的过程组成 信息流 是指制造系统与环境和系统内部各单元间传递与交换各种数据、情报和知识的运动过程。物料和资金都是以信息的形式向人们反映。按类型将信息分为需求信息和供给信息。 需求信息从需方向供方流动，这时还没有物料流动，但它引发物流。 供给信息同物料一起从供方向需方流动。信息流表明了制造过程中的信息采集、特征提取、信息组织、交换、传递等特性。2.3 AMS的过程组成 资金流 又称价值流。制造系统的经济学本质是资金的不断消耗或物化，并创造附加价值的过程。这种附加价值和消耗资金

18、的过程称为资金流。它以货币形态存在于制造系统之中。制造系统的各项业务活动都会因消耗资源而导致资金流出。只有当消耗资源生产出产品出售给客户后，资金才会重新流回制造系统，并产生利润。物料是有价值的，物料的流动引发资金的流动。2.3 AMS的过程组成图2-9 企业级制造系统中的资金流与物料流资金流出企业资金流企业资金流财务与成本控制资金流入企业物料流企业物料流需求市场分销商商品销售产成品装配产成品加工半成品采购原材料供应市场2.3 AMS的过程组成 劳务流 又称工作流。是指制造系统中有关人员的安排、技术的组织与分布等业务活动。信息、物料、资金都不会自己流动。劳务流决定了各种流的流速和流量，制造系统的

19、体制组织必须保证劳务流畅通，对瞬息万变的环境做出响应，加快各种流的流速（生产率），在此基础上增加流量（产量），为企业系统谋求更大的效益。2.3 AMS的过程组成2. 子系统 四运动流对应四个子系统图2-10 企业级制造系统的子系统产品计划生产管理企业级制造系统信息系统物流系统财务系统人事系统管理信息子系统技术信息子系统生产信息子系统质量信息子系统设计管理代表制造系统的物料流。它以资源利用率最高或废弃物产生最小作为目标，充分考虑优化产品生产周期过程中影响资源消耗的各个环节，实现适度的自动化生产。代表制造系统的信息流，实现信息流的集成及信息处理的最佳化。代表制造系统的资金流，供、产、销是资金运动的

20、三个阶段，实现资金运动的最大效益。代表制造系统的劳务流，实现企业人力资源的有效管理与开发。2.3 AMS的过程组成3. 影响物流系统的因素：物流系统是由材料、设备和能源等基本的制造资源构成的系统。影响物流系统的因素是系统性的，包括制造系统的结构（如设备构成、车间布局等）、产品设计、工艺方案、制造过程、产品出厂及使用后的处理等。制造全过程的主要环节都直接或间接影响制造系统的资源消耗。2.3 AMS的过程组成 市场分析和市场信息将直接决定企业制造产品的种类和数量。 产品设计将决定产品的具体形态和特性。 产品的种类、数量、形态和特性直接影响消耗资源的种类、数量和资源利用率。 市场采购的原材料规格大小

21、不同以及物料存储也同样影响资源消耗量。 制造过程是资源直接转化和资源直接消耗的主要环节，生产同样的产品，不同的制造加工的设备、工艺方案和不同的工艺路线，将会使得物料和能源的消耗不一样。 产品包装方式、运输状况、销售和服务状况（如是否回收用户消费后的产品废弃物）都影响资源消耗状况。2.3 AMS的过程组成4. AMS的信息系统AMS的信息系统不仅能满足对常规信息的处理与分析，而且能够通过对数据的全面管理和挖掘，使制造系统具有更高的柔性、敏捷性和竞争力。包括管理信息子系统、技术信息子系统、质量信息子系统、生产信息子系统四部分。2.3 AMS的过程组成图图2-11 AMS的信息系统的信息系统网络系统

22、分布式数据库系统技术信息子系统工艺、设备状况、可制造性评价等信息零件、NC代码、工艺规程、工装等信息产品设计、工艺等信息库存、技术准备计划信息、设备变更信息等产品质量要求质量控制信息生产信息子系统零件、NC代码、工艺规程、工装等信息工艺、设备状况、可制造性评价等信息质量控制信息产品质量要求生产、物料、设备信息等生产、物料、维护计划等质量信息子系统质量管理信息质量信息产品质量要求质量控制信息管理信息子系统物料采购合同物料采购情况订单供求信息质量管理信息质量信息生产、物料、设备信息等生产、物料、维护计划等产品设计、工艺等信息库存、技术准备计划信息、设备变更信息等2.3 AMS的过程组成 管理信息子

23、系统产品计划：根据需求预测、市场调查或用户订货等信息来确定企业计划期内生产哪些产品品种、规格及数量等。设计管理：对产品设计图样和数据等信息的有效使用以及掌握设计进度等进行管理。生产管理：为保证产品生产数量、质量、成本和完成日期等计划的实现，必须编制各种生产作业计划、核算所需的各种资源、控制生产进度、制定质量标准等与生产有关的管理活动。2.3 AMS的过程组成 技术信息子系统产品设计：根据产品计划的信息，对相应产品进行初步设计、详细设计和工作图设计，并制定产品、部件和零件明细表等。工艺设计：依照产品的性能和质量需求，并考虑适当的生产率及经济性等因素来设计生产工艺过程。2.3 AMS的过程组成 质

24、量信息子系统质量规划：完成检测方法制定、监控与诊断策略的生成。质量检测与监测：执行由质量规划产生的工作指令。质量评价与控制：对检测与监测结果进行分析、评价，并对加工过程进行合理控制，保证加工过程的顺利进行。质量管理：完成质量数据库的有效管理，实现与计算机集成制造系统中其他功能子系统间的数据共享和通信。2.3 AMS的过程组成 生产信息子系统通过有关信息的收集和处理来掌握和控制生产系统的过程和进度。在应用CAD/CAPP后，可应用MRP制定生产计划，进行生产能力的平衡和调度控制。生产计划与控制是整个制造系统的骨架，是实现管理、技术与生产三者有机结合的产物。第3节 先进制造系统的性能原理一制造系统

25、的基本特性二AMS的性能指标三制造系统性能的基本原理3.1 制造系统的基本特性1）转换性 这是由系统的特性决定的。 2）分解性 3）集成性 4）动态性 5）进化性 6）开放性 7）随机性 8）复杂性3.1 制造系统的基本特性1. 转换性这是反映系统本质功能的最主要的特性。是由系统的整体性与目的性决定的。 资源问题是制造系统的核心问题。资源转换是贯穿制造模式的一条主线。制造系统的主要任务是：提供为环境所需的、价值更高的资源，即产品、服务和相关的社会责任。转换特性的优劣取决于前面所述制造系统的输入、输出、转换的技术方法、机制、约束和反馈这6大要素的综合作用。3.1 制造系统的基本特性2. 分解性是

26、由系统的层次性与有界性决定的。 制造系统包含多个相互作用的层次，如经营决策、研究开发、市场开拓、技术准备、物料供应、加工生产、产品分销和售后服务等层次，又如物流、信息流、资金流、价值流和工作流等层次。每个层次还可细分。这些层次形成了制造系统的子系统，子系统之间交互作用。每个子系统都是制造过程的一个子过程。分解性也体现为过程性。在制造系统与环境、以及子系统之间都有可辨边界。3.1 制造系统的基本特性3. 集成性是由系统的集合性与相关性决定的。 制造系统的各个环节是不可分割的，需要统一考虑。制造系统的决策优化必须通过集成途径解决。TCQSE是制造系统的总体优化目标。3.1 制造系统的基本特性4.

27、动态性是由系统的目的性决定的。 制造系统总是处于生产要素（原材料、能量、信息等）不断输入和有形财富（产品）不断输出的动态过程。制造系统内部的硬件和软件都处于不断地变化与更新。制造系统组织结构在市场竞争中总是处于不断地更新与完善的运动之中，直到制造系统组织结构的突变或重组，使其向更高的形式进化。3.1 制造系统的基本特性5. 进化性是由系统的生物性决定的。 制造模式的变迁管理理念的发展人员素质的提高经营生产技术的进步3.1 制造系统的基本特性6. 开放性是由系统的环境适应性决定的。 制造系统是环境的产物，并且处在环境的影响和制约中。宏观环境（政治、法律等）和微观环境（行业性质、竞争者状况、消费者

28、等）。企业之间的共生关系。企业间既有竞争、又有合作，特别是供应链上的企业尤为明显，形成了生态链结构。社会资源的无限利用。制造系统的发展依靠资源。首选途径是企业内部充分挖潜，但制造系统的内部资源总是有限的。3.1 制造系统的基本特性7. 随机性很多的偶然因素总是会使制造系统呈现一定的随机性。例如，产品的市场需求，生产的计划与管理，加工精度的控制，产品装配的质量、发生重大设备事故、新政策的出台等。随机性的存在意味着不可能完全准确地预测制造系统的某些性能，使制造系统的控制非常困难。它生存在一个难以预测的变化环境中，必须具备“随机应变”的能力。3.1 制造系统的基本特性8. 复杂性是由系统的环境适应性

29、决定的。 企业的多样性。没有两个制造企业是完全一样的。产品的多样性导致需要不同的制造系统来完成特定制造任务。技术的快速发展。产品结构愈来愈复杂，制造工艺越来越精细。复杂的产品、精细的工艺极大地提高了制造系统的复杂程度。内部制造模式的适应性。“以产品为中心”的生产转变为“以顾客为中心”的生产，增加了制造系统的复杂程度。外部经济环境的变化。进入知识经济时代。知识化、服务化及网络化。3.2 AMS的性能指标定性表示：用词语描述，如易操作性、易维修性等。直接定量表示：如在制品数、生产率等。经过分析或评价可定量表示：如柔性、可靠性、集成度等。分析制造系统性能, 要视系统概念涵盖的范围而定: 单元级制造系

30、统：更关心它的生产率、可靠性、节能性、易维修性、耐用性、精度和柔性等诸方面因素； 车间级或企业级制造系统：更关心的性能指标是在制品数、设备利用率、设备完好率、生产率、生产均衡性和集成度等。3.2 AMS的性能指标一制造系统与产品相关的性能指标 二制造系统与设备相关的性能指标三制造系统与复杂性相关的性能指标 四AMS的制造能力3.2 AMS的性能指标一制造系统与产品相关的性能指标1. 生产率：单位时间内制造系统生产的产品数量。狭义生产率：产出与投入之比。 劳动生产率-单位工时的产品数量 原材料生产率 -单位材料消耗的产品数量 能源生产率-单位能耗的产品数量广义生产率：系统对资源有效利用的程度。3

31、.2 AMS的性能指标2. 通过时间：零件进入系统后直到加工处理完毕而离开系统所历经的时间。平均通过时间。3. 等待队长：在某一时刻在进入某加工系统进行加工之前等待加工的工件数。平均等待队长。4. 等待时间：工件在等待接受加工服务的队列中所逗留的时间。平均等待时间。5. 在制品数：投放到车间进行生产但尚未完成的零件数。3.2 AMS的性能指标3.2 AMS的性能指标3. 设备完好率：无故障设备数在全部设备数中所占的百分比。针对特定范围（如工段、车间、工厂）内的一些设备的集合。4. 设备可维修性：某台设备易于维修的程度。定性。5. 使用方便性：一台设备或一个加工系统的调整准备工作及运行时操作的方

32、便程度。定性。3.2 AMS的性能指标三制造系统与复杂性相关的性能指标1. 柔性：是制造系统适应环境和过程改变的能力。柔性本质上是和变化及不确定性联系在一起的。企业级制造系统的柔性是对市场变化作出快速有效响应的能力。它有内外之分。 外部柔性来自市场的要求。 内部柔性来自工艺过程的技术革新。受限于传统的制造技术。3.2 AMS的性能指标从不同的角度、不同的层面上去审视制造系统适应某种变化的能力，就有了柔性的分类（表2-1）。表表2-2 柔性的分类柔性的分类名称含义时间机器柔性(Machine Flexibility)一台机器完成多种加工或操作的能力，以及在变换加工对象时机器调整的难易程度。特短期

33、和短期流程柔性（Routing Flexibility）一个制造系统以可替代的机器、或以可替代的工作顺序、或以可替代的资源去完成某些加工或操作的能力。特短期加工柔性（Process Flexibility） 系统能同时生产多种产品或零件的能力。短期产品柔性（Product Flexibility） 系统快速而经济地生产新产品的能力。短期批量柔性（Volume Flexibility） 系统按不同批量均可经济地进行生产的能力。短期扩展柔性(Expansion Flexibility)根据需要对系统作进一步扩展的容易程度。中、长期生产柔性(Production Flexibility)在现有设备和

34、主要资源条件下系统能生产的产品的范围。中期工序柔性(Operation Flexibility)系统改变零件加工或零件工步的顺序的能力。特短期注：特短期为几小时以内或几天以内，短期为几个月以内，中期为六个月到两年，长期为两年以上。3.2 AMS的性能指标2. 可靠性：AMS随时间变化保持自身工作能力的性能。工作能力是在保证给定参数处于技术文件规定范围以内完成规定功能的能力。可靠性是产品或系统的主要质量特性，是与寿命或工作时间联系在一起的。设备的可靠性与其设计、制造及使用均有关系。3.2 AMS的性能指标3. 集成度：AMS的子系统之间功能交互、信息共享及数据传递畅通的程度。集成的主要对象是信息

35、。如何评判集成的程度？多是以定性的语义去表述集成的程度。3.2 AMS的性能指标4. 生产均衡性：AMS各子系统所承担任务的松紧程度。即要求AMS的投料、生产及产出都能有计划有节奏地进行。均衡体现在三方面：时间方面，在合理的时间间隔内完成相应的生产任务。空间方面，产品中各种零件的投料、生产应均衡。设备方面，任务分派也应该均衡。3.2 AMS的性能指标四AMS的制造能力企业或工厂在时间、技术和物理上的限制。1. 生产能力。某一层次（如工厂、车间、加工单元、设备）的AMS在合理的条件下单位时间能够生产产品的最大数量。 对于单一产品，用件/月或吨/周等来表示； 对于多元产品，用可用的劳力数来表示。3

36、.2 AMS的性能指标生产能力可分为： 设计能力 企业基本建设设计任务书和技术文件中所规定的生产能力。 查定能力 企业经过重新调查核实后被认可的生产能力。 计划能力 企业在某计划年度内实际可能达到的生产能力。3.2 AMS的性能指标2. 工艺能力。企业拥有的制造工艺的集合。与被加工的材料、物理工艺和完成工艺所需的经验有关。3. 物理限制。制造设备、车间大小和物流系统对产品物理特性的限制。企业的硬件设施本身会限制产品的几何尺寸和重量。3.2 制造系统性能的基本原理一Little定律 二复杂性与子系统数三可靠性与成本四柔性与生产率五集成度与可靠性3.2 制造系统性能的基本原理一Little定律制造

37、系统中的在制品数等于生产率与零件通过时间的积。即：NPT 式中，N为系统在制品数的平均值(个)；P为系统的生产率(个/min)；T为零件通过时间的平均值(min)。缩短通过时间将导致在制品数的减少。3.2 制造系统性能的基本原理二复杂性与子系统数 制造系统复杂性随子系统或元件数的增加而呈指数增长。 一个系统有M个子系统 每个子系统有N个状态整个系统存在NM个可能的状态。3.2 制造系统性能的基本原理三可靠性与成本制造系统的可靠性越高，其成本越大。子系统或零部件的质量系统的可靠性 借助特别的结构(冗余结构)3.2 制造系统性能的基本原理四柔性与生产率制造系统的柔性越高，生产率越低。 零件加工中，

38、生产率是单位时间内加工的零件数量；柔性是系统能同时生产多种零件的能力。 普通数控机床的柔性比柔性制造系统的柔性高，普通机床的柔性比数控机床的柔性还高，而普通机床的生产率最低。3.2 制造系统性能的基本原理五集成度与可靠性若零部件的可靠性是一定的，则制造系统的集成度越高，参与工作的零部件数越多，系统可靠性越低。3.2 制造系统性能的基本原理有些性能之间是相互矛盾的，有时难以兼得制造系统各方面的性能。如：柔性-生产率；集成度-可靠性。注重于提高系统某方面性能时，不忘对其他性能的影响。 柔性本质上是和变化及不确定性联系在一起的。 可靠性是产品或系统的主要质量特性，是与寿命或工作时间联系在一起的。第4

39、节 先进制造系统的建模原理一模型的概念、分类与作用二AMS的模型分类三AMS建模的目的和方法4.1 模型的概念、分类与作用1. 模型的概念模型是利用适宜的方式对实际系统有用的真实状态和特征的抽象化。能集中反映系统信息的整体。 模型既要清晰明确地表达系统的“现实”，但又不能比“现实”更复杂。 抽象化的程度决定模型形式的简单程度。而一个模型的抽象程度又取决于这个模型的应用目的。4.1 模型的概念、分类与作用模型的特点： 是客观事物的模仿或抽象。 由与分析问题有关的因素构成。 体现了有关因素之间的联系。4.1 模型的概念、分类与作用机械零件的成组(GT)编码-一种模型适用于制造中的生产计划和工艺设计

40、。第十位第十一位第十二位第十三位第十四位第十五位辅 助 码第三位第四位第五位第六位第七位第八位第九位形 状 及 加 工 码名 称 类 别 矩 阵 码第 一 位第 二 位粗 分 类细 分 类主 要尺 寸毛坯原始形状材料热处理直径或宽度长度精度回 转 类 零 件外 部 形 状 及 加 工内 部 形 状 及 加 工 平 面曲 面 加 工辅 助 加 工基本形状功能要素外表面及端面内表面基本形状功能要素非 孔同 成轴 形线 刻 线非 回 转 类 零 件外 部 形 状 及 加 工 主 孔 及内 部 加 工辅 助 加 工总体形状平面加工曲面加工外形要素主孔加工内部加工辅助孔成形回转类零件非回转类零件杆 条

41、类板 块 类座 架 类箱 壳 体 类轮 盘 类环 套 类销 杆 轴 类齿 轮 类异 形 件 类专 用 件 类盘 盖保 护 盖法 兰 盖离 合 器 盖分 度 盘手 轮皮 带 轮滚 轮活 塞其 它环 套 类 等细 分 类 略()4.1 模型的概念、分类与作用4.1 模型的概念、分类与作用工程图-一种模型作为零件加工的依据，需要详细地描述零件的每一个尺寸、公差、粗糙度等。4.1 模型的概念、分类与作用2.模型的分类模型的分类一级分类一级分类说明说明二级分类二级分类说明说明应用举例应用举例物理模型以某种代用材料按一定的比例缩小或放大做成的实体模型机床床身模型含机床、小车、微型马达、托板等的柔性制造系统

42、模型图解模型利用各种图表的形式来描述系统或部件视图模型二维或三维投影视图机械制图概念模型以一般的框图或特殊规定的图表示生产流程图；控制系统方块图；各种特性曲线图分析模型用于对实际系统或系统某一个方面问题的分析数学模型以一定的数学表达式去描述系统的科学本质和规律微分方程；状态方程，由此可知系统的某些基本特征仿真模型用计算机程序来模拟实际系统的事件或活动用于描述系统的逻辑流程图、活动循环图。动画仿真更显得直观启发式模型基于一定的规则和步骤去求解问题。一般不追求最优解在求解过程中故意忽略一些信息，常与数学模型或仿真模型一起组成混合模型知识模型建立在某种知识表示（如规则、框架、实例等）和一定推理机制基

43、础上的模型工艺规划问题需凭借一些经验知识去求解。已应用于系统设计、系统控制、系统诊断等方面。也常与其他模型混合使用4.1 模型的概念、分类与作用3. 模型的作用通过模型寻求有效的设计和操作策略，使制造系统获得最好的运行性能。 为定量分析提供依据。(制造系统设计阶段)可为决策者确定设备类型、数量和布局等。如：机床、物料传输设备、缓冲站、托盘库、夹具的类型和数量，现场布局，系统结构，机床的组合，批量以及调度方针等。注意：模型都作了假设或简化，不完全符合生产实际。4.1 模型的概念、分类与作用 帮助决定一些基本的设计方法。(制造系统设计阶段) 通过一个真实反映制造系统性能特征的模型可使设计者和制造者

44、更深入地了解系统，从而有助于设计更好的控制策略。 例如，是集中存储还是局部存储，是推动式生产还是拉动式生产，是共享资源还是分布资源等。4.1 模型的概念、分类与作用 对实际生产进行定性分析。(制造系统运行阶段) 模型不能准确地反映实际生产问题，但可作为定性分析的手段。 性能模型可以帮助在突发故障时寻找最优路径，预测增加、删除资源和零件的效果，在意外事件发生时获得最优调度策略，避免死锁。4.2 AMS的模型分类1. 按描述的对象分 物流模型 物流包含材料流、工件流和工具流。生产计划调度模型、工艺过程模型、设备配置模型、质量控制模型都与物流有关。 资源模型 如设备故障诊断模型。 产品模型 如产品设

45、计模型、零件加工精度控制模型等。4.2 AMS的模型分类2. 按描述的过程分 设计过程模型 一般设计过程模型：对一般设计过程的解剖。 特定设计过程模型：针对某类产品的，例如用于减速箱设计的特定模型。 生产过程模型 对产品的生产活动(加工、装配、输送及其调度控制)的描述。 工艺过程模型 对零件加工活动及所需资源的规划。 加工过程模型 是对加工（如切削）动态的描述。4.2 AMS的模型分类3. 按建模方法分 功能模型 又称为定性模型。 强调系统变化逻辑方面，如可控制性、稳定性、系统操作是否存在死锁等。 主要描述集合顺序、数据结构等方面的特征，描述一个数据集合向另一个数据集合的转换，转换与数据集之间

46、的输入输出关系，执行一个转换的时间，在故障环境下执行一个转换的可靠性和可行性。4.2 AMS的模型分类 性能模型 又称为定量模型。 强调系统性能的量化值，如产量、交货周期等。 仿真模型。是具有轨迹和结构行为或其中之一的模型。 分析模型。与仿真模型不同，不可能抓住制造系统的每个细节，在建立一个分析模型之前，关键是决定该模型应包括多少细节，细节太多会使得模型难以求解，太少又使得模型太脱离实际。4.3 AMS建模的目的与方法AMS的研究、开发和应用中，两大重要课题：一是分析与综合，二是管理与控制。分析是指对已有的或处于设计阶段的制造系统进行分析，以评价该系统的某些性能指标的过程。为了对性能进行评价，

47、一般有两种方法：1)测量法，用于现有的系统，对一些关键变量进行监视，通过频繁的数据采集和分析作为管理信息系统报告的一部分。2)建模法。建模过程是对制造系统进行分析的过程。4.3 AMS建模的目的与方法1.AMS建模的目的建模的目的目的目的说明说明实例实例优化优化寻求最佳的决策或控制变量。在制造系统建模中经常遇到优化问题。在生产计划中决定零件的最佳批量分配。设计物流系统决定最佳配置，使物料输送成本最低。预测预测对制造系统非（正）常工作状态的潜在性能或敏感因素的分析。仿真是非常状态预测的常用的手段。若某一机床因故障而停机，生产任务将会如何？敏感因素分析是这种非常状态预测所需要的。控制控制选择合适的

48、控制规则或变量。由于某些不确定因素影响的运行状态，因此控制是必须的。加工精度控制，生产质量控制。要根据最新的生产反馈信息，调整生产计划的内容。识别识别便于更深入地了解系统和发现问题。制造系统中常会出现各种问题。当人们搞不清楚问题的原因时，模型可以作为问题诊断的工具。证实证实支持对系统性能的证实。分析模型适合于解决问题，仿真模型则适合于证实系统的性能或求解的正确性。带有动画的仿真，对于推销产品是至为重要的。4.3 AMS建模的目的与方法2. AMS建模的要求 能反映原系统在某一方面的基本属性，抓住主要因素； 要求模型比较简洁，对无关大局的次要因素要适当处置，使模型易于被人理解，易于分析计算； 要

49、求模型与其它模型易于衔接，模型的详尽程度与数据来源、数据精度能够匹配。4.3 AMS建模的目的与方法3. AMS建模的一般性步骤 明确系统的目的与功能； 选择变量与参量； 建立粗模型； 将系统化分为子系统； 建立子系统模型； 建立衔接与关联部分模型； 归纳并建立系统总体的细模型； 通过仿真等手段进行实验，发现问题重复上述步骤，直到满意为止。第5节 先进制造系统的决策属性 企业经营战略：以顾客为中心 产品竞争要素：时间(T)质量(Q)服务(S)成本(C)环境(E)T EQCS图2-14 制造系统的TQCSE决策模型5.1 时间属性一时间(T)1. 缩短产品制造周期：交货期2. 提高生产率/效率加

50、工/装配单元-生产率，机床-机器周期(加工每个零件所用的时间)非加工/装配单元-效率，达到的结果与所使用的资源之间的关系工业工程研究的目的之一3. 合理确定制造系统的生命周期5.2 质量属性二质量(Q) AMS规划、设计和运行中重要的基础属性。 质量是企业的生命线。提高质量是企业一个永恒的主题。质量的评价-使顾客完全满意（Total Customer Satisfaction，TCS）5.2 质量属性表表2-5 ISO9000-2000标准定义的质量标准定义的质量 术语术语定义定义备注备注质量一组固有特性满足要求的程度对产品、过程或系统而言产品过程的结果硬件有计数特性的有形产品，如发动机零件、

51、轮胎软件无形产品，如论文、方法、程序、使用手册流程性材料有连续特性的有形产品，如燃料、润滑油服务如销售人员所作的操作说明过程一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用的活动每一过程都有输入和输出，其本身是一种增值转换系统相互关联或相互作用的一组要素系统等同于体系，均为system特性可区分的特征“固有”是某事或某物本来就有的要求明示的、通常隐含的或必须履行的需求或期望对“顾客和其他相关方” 而言顾客接受产品的组织或个人 可以是组织内部的或外部的，例如，消费者、委托人、零售商、用户、采购方和受益者组织职责、权限和相关关系得到安排的一组人员及设施 如公司、集团、商行、企事业单位等5.2 质量属性产品

52、质量具有不确定性-客观存在的表表2-6 质量具有不确定性的四个原因质量具有不确定性的四个原因原因原因说明说明差异性对不同技术含量的产品有不同的质量水平要求，有时差异甚大。产品技术含量越高，质量也会要求越高时变性同一产品，在不同的时期质量要求也不尽相同。例如，一种新产品刚上市到成熟期和饱和期，一般质量要求有逐步严格的趋势竞争性顾客的质量要求与竞争剧烈性成正比。当产品刚上市时，竞争对手少，质量在市场中的地位不如交货时间重要。随着竞争企业的加入，质量的重要性上升个性化随着顾客素质和经济承受力的提高，不同人群对质量有不同的要求5.2 质量属性AMS的质量管理1. 质量管理体系(Quality Mana

53、gement System = QMS)5.2 质量属性The ISO 9000 family of quality management systems standards1987: ISO 9000 first edition1994: ISO 9000 revision 1st: more understandable, customer focus better determined, preventive actions added2000: ISO 9000 revision 2nd: simplified structure (8 clauses), priority to pr

54、ocess approach and customer satisfaction2008: revision 3rd: clarification of the requirements (no new requirement)2015 : revision 4th: risk-based thinking5.2 质量属性The ISO 9000-2008 family of quality management systems standards以顾客为关注焦点领导作用全员参与过程方法持续改进基于事实的决策方法系统方法与供方互利的关系5.2 质量属性The ISO 9000-2015 fam

55、ily of quality management systems standards Customer focus Leadership Engagement of people Process approach Improvement Evidence-based decision making Relationship managementThe ISO 9000-2015 family of quality management systems standardsPDCA：Plan-Do-Check-Action5.2 质量属性2. 产品生命周期的质量保证AMS的质量管理要渗透到产品生

56、命周期的全过程中。为了保证产品“生命周期质量LCQ(Life Cycle Quality)”，应关注“产品实现”的四个过程： 与顾客有关的过程。 顾客要求的识别。确定产品质量的真正需求，特别是潜在需求。 严格的产品要求评审。 与顾客的沟通。注重使用质量(是设计质量、生产质量完善程度的综合反映)。 5.2 质量属性 设计和开发 产品质量取决于设计质量(指设计结果“反映顾客要求”的完善程度，包括产品的性能特点及非性能特点)。 设计质量是以后生产质量必须遵循的标准和依据，设计质量还是最后使用质量必须达到的目标。 生产质量则要完全符合设计质量的要求5.2 质量属性 采购与资源保障 采购过程质量管理的原

57、则是：既不能随意地简化，也不能人为地复杂化；既要与供方通力合作，又要严格采购控制。 资源保障是指为使制造过程正常进行而提供各种资源保障的过程，一般包括物资供应、工具供应、动力供应、设备维修、运输服务、仓库保管等环节。5.2 质量属性 生产和服务提供 AMS生存的意义所在。 生产过程应以经济的方法，按质、按量、按期地生产出符合设计规范的产品，并保持过程的稳定受控状态。5.2 质量属性3. 质量管理的三个注意方面 以人为本：人因是影响产品质量的首要因素。信任员工、自主管理和员工参与都是人本原则的具体体现。这一切都有赖于对员工的质量培训与质量教育。 过程监控：质量管理的着眼点必须从产品转移到过程本身

58、，以过程质量确保产品质量。 系统管理：只有实施系统管理，才能使质量管理有效。要依据实际的环境条件，建立和实施质量信息系统。5.2 质量属性5.3 服务属性三服务(S) 服务是在供方和顾客接触面上至少需要完成一项活动的结果。 有形产品的质量已经难以留住顾客的心，服务成为提高竞争力的法宝。 产品的新概念中包括服务，但是服务作为产品的一个类别，还是AMS的相对独立的一个属性。5.3 服务属性1. 服务质量：AMS满足或超过顾客期望的能力，也属于质量的范畴。顾客感觉到的服务质量包括两个方面： 技术性质量：是服务的结果满足顾客要求的程度。 功能性质量：是服务运作的过程满足顾客要求的程度。2. 顾客满意度

59、是顾客满意状况的测评指标，是组织质量管理体系的最主要业绩。5.4 成本属性四成本(C) 降低成本，提高经济性。1. 成本-产品生命周期成本 从产品生命周期来看，产品成本发生在产品生命周期的每一阶段。 生命周期成本LCC(Life Cycle Cost)是产品从计划、设计、生产和使用直至报废的整个生命周期内所花费用的总和。5.4 成本属性 生命周期成本包含制造商成本、用户成本和社会成本。销售价格利润税金直接费用间接费用用户成本生命周期成本维修费用社会成本产品生命周期成本设计费用材料及采购费用设计生产销售使用报废加工和装配费用运行费用制造商成本5.4 成本属性 生命周期成本包含制造商成本、用户成本

60、和社会成本。表表2-8 产品生命周期成本的形成产品生命周期成本的形成阶段阶段制造商成本制造商成本用户成本用户成本社会成本社会成本计划与设计市场调研；开发生产物料；能源；装备；人工；投资垃圾处理；污染治理；健康损伤补救销售与使用包装；存储；运输；损坏；保修服务运输；存储；能源；材料；维护垃圾处理；污染治理；健康损伤补救报废垃圾处理或回收垃圾处理；污染治理；健康损伤补救5.4 成本属性2.成本管理：由成本预测、成本计划、成本核算和成本控制等环节组成。 成本预测。成本预测是加强成本管理和提高成本计划质量的前提条件，可以为企业挖掘降低成本的潜力指明方向和途径。 成本计划。以货币形式预先规定企业计划期内