计算机集成与柔性制造

1、第一章 绪论 什么是CIMS？ CIMS 计算机集成制造系统（ Computer Integrated Manufacturing Systems ） CIMS 现代集成制造系统（ Contemporary Integrated Manufacturing Systems） C是手段M是指大制造（ 制造业）S是指整个系统I是核心， 即通过集成提高制造企业的竞争能力机械制造业发展的几个阶段 第一阶段手工单件生产 第二阶段大批量重复生产 第三阶段自动化生产第四阶段集成制造单件手工生产（第1阶段） 生产流程 几个主要伙伴讨论用户需求，确定产品规格 定购主要零件、各个承包商制造零件、汇总安装 特点 劳

2、动力在设计、制造工艺水平上较高、组织十分分散 产量低、价格高、产品维护费用高􀂆 追求的目标 全面满足客户的要求 较高的制造装配工艺水平 产品的机械性能大批量重复生产（第2阶段） Ford生产线方式的引入（1908年）零件互换、标准化技术的引入装配线（固定线>流动线）结果：生产成本大量下降、生产率提高、产品的维护费用下降、维护方法简化 特点劳动力专业化分工、培训时间缩短组织结构一体化、大而全，计划管理，由上而下协调生产组织>官僚主义，对市场的响应能力下降机床的能力不断提高􀂆 大批量生产追求的目标（50年代前）大量生产低成本提高劳动生产率自动化生产（

3、第三阶段，50-70年代） 计算机应用水平提高 CAD、CAPP、CAM、CAE技术应用 MRPII技术应用 车间控制技术􀂆 局部集成技术 MRPII（计划、物料、库存、生产能力、财务、销售信息集成） CAD/CAPP/CAM集成 FMS、独立制造岛（加工设备、物料传送、仓库存储设备的集成 优化 MRPII系统优化了物料供应和生产计划􀂄 FMS应用优化了生产调度和控制策略􀂄 车间作业计划与调度系统的应用优化了制造资源分配集成制造（20世纪80年代后） 以信息技术为基础，系统集成与优化为手段，以提高企业的市场竞争能力为目标，致力于全面提高企业

4、的T、Q、C、S 水平。 “自动化孤岛”问题：片面提高自动化水平并不能够带来企业效益的提高􀂆 “信息孤岛”问题：孤立的信息单元作用有限 集成成为现代制造业发展的主旋律信息技术引发了制造业的深刻变革 信息技术促使工业产品知识化，制造业信息化 产品信息化 设计制造过程信息化 管理信息化 资源信息化 服务信息化 信息技术推动了新技术经济体系的形成 产生了新的生产管理和组织形式 形成了当代最先进的生产力 为制造业注入了新的活力 增强了制造业的技术创新和管理创新能力。 信息技术促进了经济全球化与制造全球化。轨迹：工具的变革 计算机软硬件的发展； 网络的发展； 自动化装备的发展轨迹：生产

5、方式的变革单件生产方式 大量生产方式 自动化生产方式 CIM制造方式 产量非常低，应用通用设备和采用非标准零部件。 产量极高，应用专用设备和采用较多标准件，工艺复杂，库存大，标准设计品种少，变型少，改型费时费钱。 产量极高，工艺上高度柔性，采用标准零部件总成，“准时化生产”相当容易改型，大大增加变型车品种，适应市场。 产业链全球优化配置，大规模企业重组，汽车开发广泛采用平台体制，新的专业化分工协作模式出现，零部件出现模块化、系统化、电子化，因此进入全球采购，整车与零部件企业相对独立，零部件成为新的产业。制造技术的发展方向 自动化；柔性化；智能化；集成化；全球化；微型化； 高精度。刚性自动化 数

6、控加工 柔性制造 计算机集成制造 信息化制造 智能制造1 . 2 . 1 刚性自动化Ø 形式： 自动化单机、自动化流水线。Ø 采用的设备： 专用机床、组合机床。Ø 采用的主要技术：机械化自动化技术（继电器控制、凸轮等）。Ø 特点：   Ø 自动化程度高；Ø 投资巨大；Ø 适应性差；Ø 加工内容简单。1 . 2 . 2 数控加工Ø NC（Numerical Control）的产生       CNC（Comp

7、uter Numerical Control）的产生    7080年代，计算机技术、集成电路技术飞速发展，计算 机变得可靠性高，成本低、体积小、功能强； 通用计算机替代专用计算机成为可能，PLC技术得到发展； CNC机床无论在性能和功能上比NC机床有了很大的发展， 最具代表性的产品是：CNC车削中心、加工中心（Machining Center）。通用计算机替代专用计算机成为可能，PLC技术得 到发展；123 柔性制造技术 DNC（Distributed/Direct Numerical Control）技术 DNC系统是由一台中央控制器的控制多台NC机床运行，从

8、而提高NC机床的利用率和生产效率，有两种方式。 （1）群控方式（Direct Numerical Control） （2）分布式（Distributed Numerical Control） 柔性制造技术（Flexible Manufacturing Technology） 应用FMS这样的高技术具有投资大、风险高、难度大三大问题。 FMS（Flexible Manufacturing System） FTL（Flexible Transfer Line） FMC（Flexible Manufacturing Cell） 1 . 3 计算机集成制造系统CIMS概述 基本思想系统的观点：企业的各

9、个生产环节是不可分割的，应该加以统一处理信息的观点：整个生产过程实质上也是对信息的采集、传递和加工处理的过程，在企业中主要存在信息流和物流这两种运动过程，而物流又是受信息流控制的。早期CIM的定义 CIM是一种组织、管理与运行企业生产的新哲理， 它藉助计算机硬软件，综合运用与代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术， 将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行， 以实现产品高质、低耗、上市快，从而使企业赢得市场竞争 几层含义 CIM是一种组织、管理与运动企业生产的哲理，其宗旨是使企业的产品上市快T ，高质量Q 、低成本C 、服务好S 。

10、 企业生产的各个环节，是一个不可分割的有机整体 企业生产的要素包括人、技术及经营管理。 CIM技术是基于现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术的一门综合性技术。它综合MIS、OA、MRPI-，CAD、CAE、CAPP、CAM，DNC， CNC，工业机器人，FMC、FMS），网络，数据库，标准化，CASE，AI，计算机辅助建模、仿真、实验技术，计算机辅助质量管理与控制等。 企业生产活动中包括信息流（采集、传递和加工处理）用物流两大部分。现代企业中尤其重视信息流的管理运行及信息流与物流间的集成。CIMS定义 CIMS（Computer Integrated Manufactur

11、ing System）是基于CIM哲理而组成的系统， 定义为：“CIMS是通过计算机硬软件，并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程一味有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机物有机集成并优化运行的复杂的大系统。” 1 . 4 现代集成制造CIMS概述1986年提出了863/CIMS主题计划。以“发展高科技、实现产业化”为宗旨，科技部和各有关部门的大力支持下，经过相关专家、技术人员和管理人员不懈的努力，立足国情，创新发展，从早期的以信息集成为特征的“计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing S

12、ystem）开始，发展到以信息集成和企业优化为特征的现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing System），走出了一条具有中国特色的CIMS之路，取得重大进展。时代背景1.全球化趋势2.以客户为中心的市场3.竞争新环境和新形式4.知识经济初露端倪5.因特网的冲击6.环境保护和可持续发展的呼声日盛CIM新定义“CIM是一种组织、管理和运行现代制造类企业的理念。它将传统的制造技术与现代化信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，使企业产品全生命周期（ 从市场需求分析到最终报废处理） 各阶段活动中有关的人（ 组织、管理） 、经营管理

13、和技术三要素及其信息流、物流和价值流三流有机集成并优化运行，以达到产品（P）上市快（T）、高质（Q）、低耗（C）、服务好（S）、环境清洁（E），进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争”。 现代集成制造系统的特征 在更高的层次上为企业指出了未来的发展方向现代集成制造系统以系统论思想为核心具有集成化、数字化、网络化、敏捷化、智能化和绿色化等特征。 “计算机集成制造系统” 到“现代集成制造系统”信息集成-信息集成和企业优化CIMS技术 经营管理与决策系统技术-包括MIS、OA、制造资源规划（MRP）、 业务流程重组（BPR）、企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）及电子商务等技

14、术； 设计自动化技术-包括CAD、CAPP、CAM、CAE，基于仿真的设计（SBD）、面向下游工作的设计（DFX）及虚拟样机（VP）等技术； 支撑平台技术-包括网络、数据库、集成平台/框架、计算机辅助工程、产品数据管理（PDM）、计算机支持协同工作（CSCW）及人/机接口技术等。 现代集成制造的代表模式 并行工程 虚拟制造 精良生产 敏捷制造 协同制造 网络化制造CIMS指导原则863计划现代集成制造系统技术主题的指导原则是：竞争驱动，系统发展，信息带动，升级跨越。即以增强我国制造业国际竞争力为目标，采用系统发展模式，用现代集成制造系统技术推进制造业信息化工程，提高我国制造业的综合竞争能力，促

15、进我国制造业和相关高技术产业的创新与跨越发展。 CIMS实施方式1、整体化综合治理方式；2、分形化技术集成方式；3、集成化系统应用方式；4、系统化产业发展方式。5、协同化组织实施方式。CIMS开展的战略目标1、以若干重大行业和典型区域的集成应用为突破口，用现代集成制造系统技术推进制造业信息化工程，提高我国制造业的综合竞争能力，实现制造业的创新与跨越；2、突破一批对提高我国制造业综合竞争能力具有重要意义的战略性、前沿性和前瞻性的现代集成制造技术，开发具有自主知识产权的现代集成制造系统和技术，力争在具有相对优势的技术领域实现突破和跨越，达到国际领先或先进水平，形成我国现代集成制造系统理论方法与技术

16、体系；3、促进形成我国的现代集成制造技术软件产业及咨询服务业，打破国外的垄断地位， 形成较大的市场规模和产业优势；4、形成一套激励创新、持续创新的体系，培养一批从事现代集成制造系统技术研究开发及产业化的高级人才。 CIMS的设计与实施 理解模型 现实世界是复杂的，人们所要面临和解决的大部分问题也是复杂的。 人们可以通过一些办法和手段提炼出这个世界的某些本质特征和规律，用来把握一些复杂的系统和解决一些复杂的问题。这些方法和手段需要某种形式的中介，这个中介就是所谓的模型。 模型是对复杂系统及问题的一种简化和抽象，它将复杂系统的特征、行为和规律等通过比较简单明了的形式表达出来，帮助人们抓住问题的主要

17、矛盾，认识问题、研究问题和解决问题。企业模型是什么? 企业模型是一种记载企业知识的系统结构，也可以说是一种企业知识和经验的形式化表达方法。 企业模型也是描述企业形态、特征、行为的一种蓝图。 企业的业务流程、组织结构、资源构成、产品结构、信息联系、规章、制度、规程、计划、方案、建议、管理方法等都属于企业模型的范畴。 提供公共一致的企业知识表示形式，将企业的零散知识连接和整理成一个有机的整体。 支持深入便捷地理解企业，支持对企业及其生存环境的真实面貌的探索，不断挖掘和积累企业的知识，将企业人员头脑中宝贵的经验以一定的形式固化下来。什么是企业建模？ 企业建模是一个通用的术语，它涉及一组活动、方法和工

18、具，它们被用来建立描述企业不同侧面的模型。企业建模是根据关于建模企业的知识、以前的模型、企业参考模型，领域的本体论和模型表达语言来完成建立全部或部分企业模型（过程模型、数据模型、资源模型、新的本体，等等）的一个过程。企业参考模型的要素：体系结构 建模方法 工具方法体系 集成基础结构 企业资源管理体系企业决策支持系统企业资源管理体系（管理作业、管理流程、管理组织）人力管理分系统财务管理分系统市场与客户关系管理分系统物流管理分系统生产管理分系统工程信息分系统计算机辅助质量保证与质量管理分系统办公自动化分系统网络与数据库支撑环境分系统制造自动化分系统仓储自动化分系统决策层 管理层 计划层 调度层 监

19、控层 控制层CIMS工程开发生命周期立项 可行性论证 需求分析 初步设计 详细设计 工程实施与应用 系统运行与维护实施CIMS的指导方针：效益驱动 总体规划 分步实施 重点突破15 信息化制造信息化制造 按订单生产（Build-to-order） 优化库存（Optimum Inventory） 生产维护能力（Maintain non-stop operation） 同步（协调）能力（Synchronizing）技术趋势：数字化设计制造 虚拟样机 全球采购和分销 大规模定制NC CNC FMS FMC FTL DNC CIMS IM JIT准时生产方式（Just In Time简称JIT）Ins

20、tant Messaging（即时通讯,实时传讯）第二章 DNC系统 2 . 1 . 1 DNC定义DNC是用一台或多台计算机，对多台数控设备实施综合控制的一种方法，是机械制造系统的一个重要发展。DNC系统属于自动化制造系统的一种模式。 2 . 1 . 2 DNC发展过程Ø 群控（Direct Numerical Control） 直接数字控制（Direct Numerical Control），也有人称它为“群控” （60s）Ø 分布式数控（Distributed Numerical Control ）DNC系统实施分级控制，CNC计算机直接控制生产机床并与DNC系统主机

21、进行信息交互，DNC主机也可与其它计算机进行信息的交互。DNC系统配置的这种发展，使DNC的含义由直接数控变为分布式数控（Distributed Numerical Control ）。（70s） Ø 柔性DNC（Flexible Distributed Numerical Control ）DNC系统不仅用计算机来管理、调度和控制多台NC机床，而且还与CAD/CAPP/CAM、物料输送和存贮、生产计划与控制相结合，形成了柔性分布式数字控制（Flexible Distributed Numerical Control：FDNC）系统。 （80s）221 DNC系统的组成 DNC控制计

22、算机  数据通讯系统 DNC接口  NC或CNC装置  软件系统软件系统包括实时多任务操作系统、DNC通信软件、DNC管理和监控软件、NC程序编辑软件等。有时需要数据库管理系统、图形输入与编辑软件、刀具轨迹模拟和DNC接口管理软件等。 解决计算机与数控机床之间的信息交换和互联，是DNC的核心问题 223 DNC系统的主要功能 NC程序的上载与下载； NC程序存储与管理； 系统的简单控制与调度； 系统状态信息的采集、处理和报告； 根据生产作业计划进行生产调度与控制； 计划、工装（刀具、量具、夹具）信息、物料数据的集成化生产管理。目前多数DNC系统仅包括前三项功能，同

23、时包括第四项功能的DNC还不多见。由于DNC系统的上述功能都是在DNC管理与控制软件（包括DNC接口软件）支持下完成的，因此DNC系统的功能实际上也是DNC管理与控制软件应具有的功能。23 DNC系统的控制结构 DNC系统的一般结构 多级DNC结构 多级DNC结构，通常为树型结构。一般来说，底部的能力主要面向应用，具有专用的能力，用于完成规定的特殊任务。而顶部则具有通用的能力，控制与协调整个系统。DNC系统的结构与系统的规模有关，可能有二、三、四级的结构，常用的是二、三级结构，以三级为居多。 最高级：自动编程、系统管理、生产计划和物料需求计划等项功能。 中间级：接收来自上一级系统的指令信息，也

24、可根据下一级的设备状态，进行任务分解和调度，实时地向各个设备分配加工任务及一些统计信息和系统状态信息的反馈。 设备级：一般都是机床控制单元，它接受来自上一级的加工指令和控制信息，实现机床各坐标轴的运动及有关辅助功能的协调工作。也可向上一级反馈工况信息。 24 DNC通信系统的物理连接 Ø 采用RS232C或RS422 采用RS-232C或RS422连接方式实现起来比较方便，成本也比较低，但也带来以下一些问题：    （1）传输距离短。 如RS-232C的传输距离不超过50m，20mA电流环 和RS-422/RS-423为1000m左右； （2）传输不够可

25、靠。这些接口和连接电缆的抗干扰能力较差，而且 其传输过程的检错功能较弱； （3）传输速率低，实时性差，响应速度慢； （4）系统规模有限。由于一台计算机不可能提供很多串行接口，所 连设备很有限，因此整个系统的规模就不可能很大； （5）电缆费用高，系统复杂性增加。每台设备都需一条来自DNC主机的通信电缆，因此整个系统的电缆费用很大，而且导致系统环境的复杂性也大大增加。 （6）系统的扩展不容易。不但要修改系统软件，而且也要更改硬件。采用计算机网络通信接口 新一代的CNC装置为了能连入到DNC、FMS中设置了可直接与网络连接的专用通讯微处理器接口，通过该接口可以把数控设备连接在工业局域网（LAN）中。

26、网络通信协议大多采用ISO开放系统互联参考模型七层结构为基础的有关协议。专用网络：DATAHIGHWAY（DH）、（DH+） MAP网和工业以太网：FANUC、Simens、AB等 。现场总线（Field Bus） - 结构简单、协议直观； - 价格低廉、性能稳定； - 实时性较高，抗干扰能力强，适用与工业现场通信。 DeviceNET CNC网络设置      设置联网CNC的IP地址、端口地址    CNC状态监视      加工状态：加工中、空闲、报警、故障信

27、息      联网状态：联机、脱机      位置信息：绝对位置、相对位置、机械位置、剩余移动量、进给速度     历史记录：报警历史记录、操作履历    CNC远程控制      显示各种机床参数      设置各种机床参数      显示NC程序各种信息：如内存大小，程序数等 

28、;     选择NC程序：选择当前加工程序、查找任意NC程序      编辑NC程序：编辑CNC系统中的NC程序      删除NC程序：直接删除CNC系统中的NC程序      清除报警历史记录      清除操作履历      系统复位：通过远程CNC复位    &

29、#160; 远程启动：通过远程启动加工      远程暂停：通过远程暂停加工 混合通信接口 混合通信接口实际上就是前几种方式的混合。例如计算机网络与RS-232C、RS422、RS485混合。 良好的通信功能，可以通信联网最多达16台数控设备，并可与4台数控设备同时通信，速率达89300bps；传送方式多样，可一次传送、逐次传送、同时传送。良好数据存储和管理功能。具有对数据进行有效的管理功能。调度功能 根据加工件数、交货期，生成对每台数控机床传送NC程序的调度指令。生产计划功能 根据加工时间、作业时间及DNC的调度指令自动生成生产计划一览表。无

30、人运转功能 实现夜间的无人操作。2 6 DNC系统发展趋势 开放式数控系统中PC与CNC的融合； 生产管理技术与DNC的集成 ； 由直接数控和分布式数控向柔性分布式数控发展； 基于标准化、通用化的DNC平台产品 ； 应用高速数据通信技术、无线技术及现场总线 ； DNC系统和INTERNET技术结合实现异地设计和异地制造。 第三章 柔性制造系统 （FMS）3 . 1 FMS概述3 . 1 . 1 制造柔性 制造柔性是指一个制造设备或系统对生产需求变化的适应能力，通常制造柔性体现在以下几个方面： 制造设备的柔性 制造设备通过配备相应的刀具、量具、夹具、NC程序等，使得此设备具有制造 给定零件族中任

31、何零件的能力；（这是一种固有的柔性，它与制造设备所具有的 相关功能有关，如机附刀库的容量、控制的运动轴数等。） 加工柔性 以不同加工工序和工艺加工一个零件的能力或在给定的一个工艺规划下以不同 的加工路线实现零件的加工（制造工作站间和加工功能间的互换和替代） 。 产品柔性 能够经济、快速地转变生产产品的能力 。 零件流动路线柔性 当系统出现局部故障时，能重新选择零件加工路径，并继续进行加工的能力。 产量柔性 系统运行可适应不同的生产批量，并具有良好的生产效益。 系统重构柔性 系统具有重构柔性，可以生产需求发生变化时，系统可以方便地扩展、收缩或重构。 故障控制柔性 当系统中的设备出现故障时，制造系

32、统对故障的处理能力 。 3 . 1 . 2 FMS定义 柔性制造系统（简称FMS）是由数控加工设备、物料储 运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产的变化迅速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。3 . 1 . 3 FMS的组成与功能 （1）FMS的组成 Ø 硬件系统（第一部分） 制造设备：数控加工设备（如加工中心）、测量机、清洗机等； 自动化储运设备：传送带、有轨小车、AGV、搬运机器人、立体库、 中央托盘库、物料或刀具装卸站、中央刀库等； 计算机控制系统及网络通信系统。 软件系统（第二部分）系统支持软件：操作系统、网络操作系统、数

33、据库管理系统等。FMS运行控制系统：动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统，物料（工件和刀具）管理控制系统等（2）FMS的功能 能自动控制和管理零件的加工过程，包括制造质量的自动控制、故障的自动诊断和处理、制造信息的自动采集和处理；通过简单的软件系统变更，便能制造出某一零件族的多种零件；自动控制和管理物料（包括工件与刀具）的运输和存储过程；能解决多机床下零件的混流加工，且无需增加额外费用具有优化的调度管理功能，无需过多的人工介入，能做到无人加工。 3. 1. 4 FMS的特点Ø 设备利用率高Ø 减少设备投资Ø 减少占地面积Ø 减少直接工时费用

34、16; 减少了在制品的数量，缩短了生产准备时间Ø 具有快速应变能力Ø 维持生产能力强Ø 产品质量高而稳定 Ø 系统运行灵活性大Ø 产量变化适应性好Ø 便于实现工厂自动化Ø 投资高、风险大，开发周期长、管理水平要求高3. 1. 5 FMS的类型 （1）按系统的规模分类 柔性制造单元 柔性制造系统柔性生产线 （2）按应用对象分类 切削加工FMS 钣金加工FMS 焊接FMS 柔性装配系统等（3）按系统布局分类 直线型 机器人型 环 型 32 FMS制造工作站 321 机械加工工作站 加工中心（Machining Center or

35、 Production Center） 一般在柔性制造系统中主要的机械加工设备是加工中心，常带有机附刀库，可实现主轴和机附刀库的刀具交换；同时MC还带有自动托盘交换装置。 （1）类别 立式加工中心 卧式加工中心（2）加工中心的主要特点 集中了较多工序连续加工，节省设备投资； 工件一次装卡，既减少装夹具次数，又提高了加工精度； 缩短了更换刀具、装卸工件等辅助时间，提高了生产率。（3）集成加工中心到FMS的基本条件 硬接口：托盘自动交换装置（Automated Pallet Changer- APC）和第二刀具交换点； 软接口：具有通过计算机网络或其它通信接口实现与上 级控制计算机通信的功能。 （

36、4）加工中心在FMS中的配置方式 互替方式：就是一加工任务即可在这台机床上完成， 也可在另一台上完成。 互补方式：就是对一加工任务需通过两台加工中心联 合加工方能完成。（5）MC中的在线测量装置 零件的找正与在线测量； 刀具磨损或破损检查 。在线测量装置有硬线连接式、感应式、光学式和无线电式。 （6）刀具寿命的管理功能车削中心（Turning Machining Center） 车削中心适用回转体零件的加工。在FMS中集成车削中心相对加工中心要方便一些。 清洗站 清洗站可以放在柔性制造系统的生产线内，也可分开，也可与装卸站并为一体，所谓清洗，主要指清除切屑，包括洗涤零件，夹具和托盘，但不包括去

37、除零件毛刺。 测量站 检验工序有在线和离线两种方式，各有优点。在线检验仪可由编程令其投入工作，以判定加工误差和直接经由中央计算机进行刀具补偿调整（不是全部都能这样修正）。在线检验系统的最大优点是能迅速确定制造中的问题。而离线检验则由于检验工位离得远，零件定位和夹紧费时，或缺少自动检验装置等原因具有滞后性。 33 FMS物料储运系统 331 FMS物料储运系统概述 (1) FMS物料储运系统 柔性制造系统中物料传送系统就是把各工作站联接起来，实现物料传送的自动化系统。根据传送对象不同，可分为用于传送工件的工件流子系统和用于传送刀具的刀具流子系统。 （2）FMS物料储运系统的功能物料自动存储功能

38、物料存储设备：自动化立体库（ASRS），中央托盘区、装卸站、刀具进出口站、中央刀库、机附刀库等 物料自动传送功能 物料自动化传输设备：工业机器人、传送带、有轨小车、自动导向小车（Automated Guided Vehicle, AGV）等。 物料管理功能 物料管理系统从物料进入系统，到最终退出系统，能进行自动跟踪，保证物料储运系统的正常运行。332 FMS中的自动化物料传送设备（1）传送带（Conveyer） 传送机的特点 控制相对简单； 具有连续输送的能力，单位时间内输送量大； 传送设备造价低镰； 实施的技术要求低、维护方便； 工件（或托盘）定位准确性差； 设备占地面积较大、空间利用率低；

39、 运行速度比较低，传输途径柔性较差。（2）工业机器人 工业机器人是一种特殊的物料传送系统，它常用于机床之间距离较短，工件和夹具的总重量较轻的情况。对于按群集式机床布置的加工单元，机器人最有效。由于所有机床都围成圆形，一台机器人可以为多台机床服务。机器人常用于无夹具的回转体零件的装卸。机器人往往也用于刀具的传送和装卸。 （3）有轨小车（RGV-Rail Guided Vehicle） 有轨小车一种无人驾驶的自动化搬运设备。有轨小车沿着预先铺设的导轨，在牵引装置的推动下，按照控制需求行走，实现物料的自动传送。 有轨小车的组成 导轨系统 小车控制器 车架 警告和安全装置 有轨小车的特点 移动速度快，

40、行走平稳，定位精确； 承载能力大，适合搬运笨重零件； 控制系统相对简便，可靠性高，成本低，易维护； 传输路径柔性不高，一般适宜在直线布局的系统中采用。 （4）无轨小车（AGV Automated Guided Vehicle） AGV无轨道，可以外部控制的自由运行的电动小车，以蓄电池作为电源，用某种制导方法（电磁制导及光学制导）控制其运行路线，不需设置导轨，柔性大。 AGV的基本原理 AGV有别于有轨自动运输小车是AGV的运行不依靠于固定的运行轨道，而是通过采用不同的引导方式来控制运行路线。AGV的导引方式分为有线导引和无线导引。如激光导引就是无线导引中的一种。有线导引又有电磁感应式和光发射导

41、引式。随着科学技术的发展，新的导引方式层出不穷，如模式识别导引、陀螺导引等。 （1）导引方式 电磁感应式 导引电流一般频率较低（小于15kHz），低压（小于40V），消耗电流的强度小于 600mA。电磁感应引导方式可靠性高，维护工作轻，深受大家欢迎。 光发射引导式 将具有光发射功能的金属带（如铝带）沿AGV预定的运行路线粘贴在地面上， 或在地面上喷涂荧光漆带等。AGV上设置发射光源，发出的光照射到金属带上； AGV上的光检测器接收从金属带反射的光被，再经过光电转换装置，将两边的 电信号放大、比较，再经偏差值反馈给导向伺服驱动控制系统单元驱动导向伺服 电机，使导向轮偏转，使AGV可以继续沿导引线

42、方向运动 。 （2）AGV运行路径的选择 AGV运行路径的选择，是AGV使用过程中一个重要的问题，因为AGV从一 个站点运行到另一个站点往往有多条路径可选择，我们希望能选择一条合理的 运行路径，从而提高系统的效率。 频率选择法 频率选择法就是根据导引线是导引电流的频率不同来确定行进路径。当AGV有线到决策点时，AGV就按预先设定的频率对路径进行选择。因此有决策点存在的系统中，决策点：频率 f1和频率 f2。 每条路径要有一个不同的频率，所以至少要有两种或两种以上的频率。但一般的AGV系统仅需23种频率便可解决问题。这种方法简单实用，调试完毕可靠耐用。 路径开关选择法 路径开关选择法是AGV到决

43、策点后，通过路径控制开关的控制，决定运行路径的选择的方法。如图317，通常将导引线路分成几个部分，然后通过路径选择开关的合与并，确定回路的组合，尽管AGV引导线路可有多种组合，但AGV运行时，只有一个回路通，其余则不通，所以导引线路只需使用一种频率的导引电流。 路径开关选择法是靠地面站控制器来控制路径开关，从而选择AGV的运行路线，采用这种技术方法要比频率选择法布线复杂，成本高同时可靠性低，维护工作量大。 AGV的基本组成 车架 电池 ：通常为24V或48V工业电池 。 导向单元 通讯单元 通信单元是联系AGV与上位机（FMS系统控制机或地面站）的桥梁。命令的接 收和状态的反馈都得依赖通信单元

44、。通信单元按照其采用的方式可分为连续通信 和离散通信。 （1）连续通信 AGV连续通信是指AGV和上位机之间一直保持联系，可以随时发送和接收信 息。连续通信实现的途径可通过无线通信和红外线收发器。 （2）离散通信 AGV离散通信是指AGV和上位机通信联系只能在某些事先设定的站点进行， 在其它位置则无法通信。离散通信采用的方法通常有感应式和光学式两种。 精确定位装置 二次定位即粗定位和精定位 （1）粗定位（一次定位）（2）二次定位（精定位） 安全装置 AGV安全装置是确保AGV安全运行的保证系统。它主要要避免AGV之间、AGV与周边物体、AGV与人的碰撞。AGV上的安全装置通常有两类。一类为用于

45、防止前后左右侧底层障碍物的碰撞，它通常在AGV的前后左右安装安全挡圈（Bumper），因为在安全挡圈上安装有各种碰撞检测传感器，一旦传感器触发，AGV就急停下来。第二类为红外线障碍物检测装置，它安装在AGV四周的中部。检测距离通常为0.3 1m内可调，红外线检测装置可以通过检测到的信号作出相应的反应。一种为将AGV减慢速度到0.6m / min 左右，并发出警告信号；另一种反应为立即使AGV停止。 控制器 （1）车载控制器 通过脉冲编码器记录AGV运行的距离，并以此来控制 AGV的运行的速度和 确定AGV的位置。监控各种离散信号的输入，如手动控制信号、安全装置 激 活信号、电池状态信号、导向限

46、位开关、刹车状态等，并作相应处理。提供输 出激发或控制AGV的执行机构，如电机移动控制器、充电连接器、安全报警 系统及导向单元等。通过通讯单元接收地面站控制命定或反馈小车状态信息。 （2）地面控制器 存储和控制AGV的运行路径。 生成AGV的运动控制命定并经通信单元向AGV发送命令。 接收AGV反馈的状态信息，并进行分析、处理。 通过通信接口接收上位机的控制命定，或反馈状态信息。 采集各类离散信号，并作相应处理。 工作平台 AGV的特点 具有良好的柔性； l 减少劳动力需求； l 不同的AGV能够在同一个系统中运行； l 在系统中即使有个别AGV不能正常工作，系统

47、不会瘫痪； l 系统容易扩展； l 提高了产品设备运输的安全性； l 高的可靠性； l 减少占用空间； l 需要少的能源，并且运行低噪音； l 容易安装，维护方便； l 易于与其它自动化系统集成。 缺点主要表现为一次性投入成本较高，因而投资回收期变长；第二它主要适用于室内，在环境恶劣的露天环境不宜采用，对由磁导向装置的AGV，不能在金属地位上运行。 34 FMS系统体系结构 341 系统体系结构 （1）系统体系结构 系统体系结构是研究系统各部分组成及其相互关系的技术科学。研究体系结构的目的是为了确保设计出高质量、总体优化的系

48、统而研究一种从系统设计到实施，具有较高规范程度和参考价值的参考体系。 （2）递阶控制结构的概念 为了降低控制系统的复杂性，简化实施过程，采用横向或纵向的分解与集成而形成的一种多层递阶控制结构 342 基于递阶控制结构的FMS系统控制结构 （1）FMS三级递阶控制结构 设备级 系统控制级 管理级 （2）具有工作站级的FMS系统递阶控制结构 设备级 工作站级 系统控制级 管理级 35 FMS计划、控制与调度 351 基于递阶控制结构FMS计划、调度和控制体系 （1）管理级的主要功能 FMS作业计划编制与优化； 作业计划运行仿真； 计算机辅助工艺计划编制（CAPP）； 数控程序自动编制与刀具轨迹模拟

49、。 （2）FMS系统控制级的主要功能 单元控制器 单元控制器是FMS控制系统软件的核心，它在FMS运行管理中起着十分重要的作用。一个FMS性能的高低、功能的强弱在某种意义上取决于单元控制的功能。 单元控制器的基本功能包括：单元控制系统的通信管理、系统运行历史资 料的管理、单元控制系统的总控管理、单元控制系统的起停控制、生产运行监控（视）、作业计划的实时动态调度、系统资源的控制与管理、系统刀具、物料的配置管理与实时动态调度、系统故障的在线诊断与处理、数控程序的传送与管理。这些功能通常按照一定的生产控制逻辑和时序组成几个功能性的子系统来实现。 生产准备系统。 动态调度系统 故障诊断与系统监控（视）

50、系统工作站控制器 刀具工作站控制系统； 物料工作站控制系统； 制造工作站控制系统。 如果FMS体系结构总中没有设置工作站级，工作站控制器的功能通常被分配到单 元控制器上和（或）设备控制器上。 设备级控制器 设备控制器通常是由设备制造商提供，运行在设备控制机上，如NC、CNC等。设备控制器的主要功能是对设备进行控制和管理，实现相应的功能，对于集成到FMS中的设备还必须实现FMS接口功能。 352 FMS单元控制器的控制与调度模型 （1）FMS单元控制器的数据关系 生产管理信息 生产作业计划 物料需求计划 能力需求计划 生产工艺信息 工艺计划信息 数控加工程序 系统设备状态信息 制造设备的状态信息

51、 物料储运系统状态信息 刀具储运系统状态信息 （2）FMS生产准备系统 获取生产作业计划、工艺计划与NC程序 刀具准备 工装与工件毛坯准备 系统配置与数据核对 （3）FMS实时动态调度 单元控制器在系统加工过程中，依据系统当前的实时状态，对生产活动进行动态优化控制。 FMS动态调度过程 拖夹具从CPA装卸站； 向装卸站发装工件的命令 ； 送毛坯从装卸站MC1或MC2； 下载NC程序； 启动加工 ； 然后重复上述过程（拉托盘装工件送加工中心加工）； 运送完成加工的零件到下一工序或出系统 ； 卸工件 ； 装工件或送夹具回CPA 。 注意：上述过程按照系统运行逻辑并行运行，直至生产作业计划完成为止。

52、 （4）FMS实时动态调度系统建模 离散控制系统常用的系统建模工具有：Petri网理论、活动循环图法（Activity Cycle Diagram，ACD）等 （5）FMS动态调度决策规则  工件的投入；工件选择设备；设备选择工件；传送设备选择；成品退出系统等。零件投入规则 每种零件的批量比例关系 零件的优先级（按交货日期确定） 当前装卸站的夹具优先等（6）FMS实时监控系统 FMS生产过程监控  刀具状态监控； 设备运行状态监控； 工件加工状态监控；故障诊断与处理。FMS生产过程质量监控 对FMS生产过程的质量监控主要是对在FMS中零件加工的质量进行实

53、时的测量和控制 。第四章 现代集成制造（Contemporary Integrated Manufacturing）4.1 CIM基本概念及其发展CIM的提出1973年美国哈林顿博士（Dr. Harrington）提出CIM (Computer Integrated Manufacturing) 慨念，CIM是一种制造的哲理。借助于计算机硬、软件，运用信息技术和现代管理技术，将企业从市场分析、经营决策、产品设计、工程设计、制造过程各环节，直至销售和销售服务整个生产信息进行统一的控制和管理，以优化企业的生产经营活动。企业生产的各个环节（从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务）的生产活

54、动是一个不可分割的整体，彼此之间紧密联系。整个制造工程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可看成是数据的物理表现。 实质内容：集成CIM的核心思想和技术基础CIM的核心思想：是在正确的时刻，把正确的信息，以正确的形式发送到正确的人（或机器），以便及时做出正确的决策（动作）。 CIM的技术基础： 首先是信息技术和传统技术的有机结合。如CAD、CAE、CAPP、CAM、ERP、CRM、PDM、FMS等。其次是传统管理体制的变革和创新。4.2 CIM基本组成CIM的三要素 经营 技术 人/机构产生四类集成问题（1） 技术与经营集成， 利用技术支持企业达到预期的经营目标。经营目标是建立CIMS的目标，技术是一种手段。（2）技术与人/机构集成，利用技术来支持企业中的人/机构相互配合，并协调一致。（3）人/机构与经营，通过机构优化和人员素质的提高，支持企业实现经营目标。（4）统一管理实现经营、人/机构与技术三者之间的高度集成。CIM的组成1）管理信息分系统（Management In