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现代制造技术 2010年9月 电子课件 第四章自动化制造系统 4 1柔性制造系统4 2计算机集成制造系统 4 1柔性制造系统 4 1 1概述 1 柔性制造系统的概念柔性制造系统 图4 1 是由统一的信息控制系统 物流储存系统和一组数字控制加工设备组成 能适应加工对象变换的自动化机械制造系统 即FlexibleManufacturingSystem 英文缩写为FMS 4 1 1概述 4 1 1概述 4 1 1概述 4 1 1概述 4 1 1概述 4 1 1概述 4 1 1概述 2 柔性制造系统的发展历程1967年 英国莫休斯公司首次根据威廉森提出的FMS概念 研制出了 系统24 1976年 日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元 简称FMC 为发展FMS提供了重要的设备形式 70年代末期 柔性制造系统在技术和数量上都有较大发展 80年代初期已进入实用阶段 其中以由3 5台设备组成的柔性制造系统为最多 也有规模更庞大的系统投入使用 1982年 日本发那科公司建成的自动化电机加工车间 由60个柔性制造单元 包括50个工业机器人 和一个立体仓库组成 另有两台自动引导台车传送毛坯和工件 此外还有一个无人化电机装配车间 它们都能连续24小时运转 4 1 2FMS的组成 一个柔性制造系统 FMS 可概括为由下列三部分组成 多工位数控加工系统 自动化的物料储运系统和控制与管理系统 如图4 2所示 4 1 2FMS的组成 三个子系统构成了制造系统的能量流 通过制造工艺改变工件的形状和尺寸 物料流 主要指工件流和刀具流 和信息流 制造过程的信息和数据处理 如图4 3所示 4 1 2FMS的组成 1 加工系统加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件 并能自动地更换工件和工具 对以加工箱体类零件为主的FMS 配备有数控加工中心 有时也有CNC铣床 对以加工旋转零件为主的FMS 多数配备有CNC车削中心和CNC车床 有时也有CNC磨床 对于加工专用零件的FMS 如齿轮加工FMS 则除了配备CNC车床外 还配备了CNC齿轮加工机床 在现有的FMS中 加工箱体类零件的FMS占的比重较大 原因就在于箱体 框架类零件采用FMS加工时经济效益特别显著 4 1 2FMS的组成 板材加工柔性制造系统 FMS 4 1 2FMS的组成 1 加工系统的配置原则 1 工序集中 2 使用经济性好 3 控制功能强 扩展性好 操作性 可靠性 维修性好 4 高刚度 高精度 高速度 选用切削功能强 加工质量稳定 生产效率高的加工设备 5 对环境的适应性与保护性好 6 其他 如技术资料齐全 机床上的各种显示 标记等清楚 机床外形 颜色美观并与系统相协调 2 常用设备 1 加工中心图4 4所示为FMS系统中广泛采用的TH6513C型卧式镗铣加工中心 4 1 2FMS的组成 NV 800立式加工中心 4 1 2FMS的组成 2 数控组合机床图4 5所示为一台三工位数控组合机床 4 1 2FMS的组成 2 物流系统包含物料输送和物料储存检索两个子系统 1 物料输送系统主要有传送带式输送系统等 它由传动装置带动工件 或随行夹具 向前 在将要到达要求位置时 减速慢行使工件准确定位 工件 或随行夹具 定位 夹紧完毕后 传动装置使输送带快速复位 1 工件的输送方式目前 工件送入系统和在夹具上装夹工件仍需人工操作 系统中设置装卸工位 较重的工件可用各种起重设备或机器人搬运 工件输送方式 直线式输送 环形输送 箱体类零件较多采用环形或直线式轨迹传送系统或自动输送小车系统 图4 6 而回转体类零件则较多采用机器人或 加 自动输送小车系统 4 1 2FMS的组成 4 1 2FMS的组成 4 1 2FMS的组成 日本神钢自动导向小车 2 步伐式工件输送系统步伐式工件输送系统主要有 弹性棘爪步伐式输送带 摆杆步伐式输送带 抬起步伐式输送带 托盘步伐式输送装置 非同步输送带 自动辊道输送装置 2 物料存储与检索系统是FMS的一个重要组成部分 工件从毛坯到成品的整个生产过程中 只有相当小的一部分时间在机床上进行切削加工 大部分时间消耗于物料的储运过程 对大多数工件来说 可将自动化储存与检索系统视为库房工具 用以跟踪记录材料和工件的输入 储存的工件 刀具和夹具 必要时能够随时对它们进行检索 存储与检索系统主要包括以下装置 4 1 2FMS的组成 4 1 2FMS的组成 链式输送带 1 工件装卸站 2 托盘缓冲站 3 自动化仓库如图4 7所示 4 1 2FMS的组成 自动化立体仓库 4 1 2FMS的组成 3 控制与管理系统FMS的控制与管理系统是实现FMS加工过程和物料流动过程的控制 协调 调度 监测和管理的信息流系统 是FMS的神经中枢和命脉 也是各子系统之间的联系纽带 其主要任务是 组织和指挥制造流程 并对制造流程进行控制和监视 向FMS的加工系统 物流系统 储存系统 输送系统及操作系统 提供全部控制信息并进行过程监视 反馈各种在线监测数据 以便修正控制信息 保证系统安全 可靠地运行 4 1 2FMS的组成 1 FMS的分类按规模大小 FMS可分为如下三类 1 柔性制造单元 FMC FMC 图4 8 由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的CNC机床组成 具有适应加工多品种产品的灵活性 4 1 3FMS的分类与应用 2 柔性制造系统 FMS 通常包括3台以上的CNC机床 或加工中心 通过集中的控制系统及物料系统连接起来 可在在不停机情况下实现多品种 中小批量的加工管理 是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统 值得一提的是由于装配自动化技术远远落后于加工自动化技术 产品最后的装配工序一直是现代化生产的一个瓶颈问题 研制开发适用于中小批量 多品种生产的高柔性装配自动化系统 特别是柔性装配单元 FAC 及相关设备已越来越广泛地引起重视 4 1 3FMS的分类与应用 3 柔性制造线 FML 是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线 对物料系统的柔性要求低于FMS 但生产效率更高 图4 9所示为加工244FM摩托车发动机气缸的柔性制造线 4 1 3FMS的分类与应用 2 FMS的应用从加工领域看 现在的FMS不仅能完成机械加工 还可应用于饭金加工 锻造 焊接 装配 铸造和激光 电火花等特种加工 以及喷漆 热处理 注塑和橡胶模制造等加工领域 从生产产品看 现在的FMS已不再局限于汽车 机床 飞机 坦克 火炮 舰船 拖拉机等产品的制造 还可用于计算机 半导体 木制产品 服装 食品 饮料以及医药和化工等产品的生产 据统计 1994年初 世界各国已投入运行的FMS约有3000多个 其中日本拥有2100多个 占世界首位 4 1 3FMS的分类与应用 FMS发展方向集中在以下几个方面 1 小型化 单元化20世纪90年代开始 FMS由大型复杂系统 向经济 可靠 易管理 灵活性好的小型化 单元化 FMC方向发展 2 模块化 集成化以模块化结构 比如将FMC FMM作为FMS的基本模块 集成FMS 再以FMS作为制造自动化基本模块集成CIMS是一种基本趋势 3 开放式开放式FMS系统强调5个方面的性能特征 即插即用 可移植性 可扩展性 可缩放性 互操作性 4 1 4FMS的发展 4 2计算机集成制造系统 4 2 1概述 1 CIMS的产生随着自动化技术 计算机技术和机械制造业的飞速发展 出现了 自动化弧岛 如由加工中心 机器人 物料储运系统组成的FMS CAD和CAM通过CAPP集成的CAD CAM系统 以MRPII为核心发展起来的企业信息管理系统等 它们相对独立 易于控制 具有完整的功能模块 具有便于相互连接的接口 随着现代制造技术与信息技术的结合 人们提出了CIMS的现代制造企业模式 CIMS在这些 自动化弧岛 技术的基础上 从市场分析 产品设计 生产规划 制造 质量保证 经营管理到产品售后服务等 通过数据驱动形成一个有机整体 以获得一个高效益 高柔性 智能化的大系统 2 CIMS的发展策略1 美国1976年 美国空军制订了集成计算机捕助制造计划ICAM IntegraratedComputerAidedManufacturing 该计划提出了著名的结构化分析设计方法IDEF ICAMDefinationMethod 并于1990年在道格拉斯飞机公司建立了CIMS工程 1986年 美国国家标准技术研究院实施的自动化制造技术研究基地 AMRF 计划 提出了CIMS的五层递阶控制结构 至今仍然是CIMS的参考控制结构 获得广泛应用 4 2 1概述 2 欧盟1984年 发起了欧洲信息技术研究发展战略计划 ESPRIT 在CIMS发展方面制订了专门计划 提出的CIMS开放体系结构 CIM OSA 为CIMS建模提供了统一描述框架和集成基础结构 已被国际标准草案所采纳 得到广泛应用 4 2 1概述 3 日本从1980年起 实施包括订货 设计 加工 装配等功能在内的工厂自动化 FA 计划 建立了多个自动化程度较高的无人生产车间 日本政府于1988年提出了智能制造计划 IMS 该计划的目的在于融合日 美 欧各先进工业国家的技术优势和研究开发方法 致力于面向2l世纪的生产系统研究 克服影响制造业生存的各种共性问题 使生产基础技术真正成为人类共同财富和国际公认标准 以推动世界制造业的发展 4 2 1概述 4 中国1986年制订国家高技术发展计划 863计划 CIMS是其中一个主题 我国的863 CIMS主题发展战略目标是 首先建立CIMS工程研究中心及相应的单元技术研究实验基地 进行CIMS关键技术研究 同时选择有条件 有需求的若干个企业开展CIMS应用示范工程 并使之取得经济与社会效益 在上述基础上 逐步推广并实现CIMS产业化工程 1990年起 863 CIMS主题在全国范围内选择了一批企业作为863 CIMS典型应用企业 截至1995年底 首批CIMS典型应用企业中 成都飞机工业公司CIMS工程 北京第一机床厂CIMS工程 沈阳鼓风机厂CIMS工程分别通过科技部验收和各部 委的成果鉴定 取得了显著的经济和社会效益 其中北京第一机床厂CIMS工程还荣获了美国制造工程师协会 SME 颁发的1995年 CIMS工业领先奖 4 2 1概述 3 CIMS的定义计算机集成制造 ComputerIntegratedManufacturing CIM 的概念是1973年由美国学者JosephHarrington率先提出的 它包含两个基本观点 1 系统的观点 2 信息的观点 1998年 我国制定的CIMS的定义为 将信息技术 现代管理技术和制造技术相结合 并应用于企业产品全生命周期 从市场需求分析到最终报废处理 的各个阶段 通过信息集成 过程优化及资源优化 实现物流 信息流 价值流的集成和优化运行 达到人 组织 管理 经营和技术三要素的集成 以加强企业新产品开发的时间 T 质量 Q 成本 C 服务 S 环境 E 从而提高企业的市场应变能力和竟争能力 这实质上已将计算机集成制造发展到了现代集成制造 4 2 1概述 3 CIMS的效益1 美国美国国家科研委员会对CIMS实施方面处于领先地位的五家公司 包括麦道飞机公司 通用汽车公司 迪尔拖拉机公司 英格索尔铣床公司和西屋电子公司的长期跟踪调查 1985年的分析表明 工程设计成本降低了15 60 生产周期缩短了30 60 生产率提高了40 70 在制品数量减少了30 60 产品质量提高了2 5倍 工程技术人员工作能力提高了3 35倍 设备利用率提高了2 3倍 人力费用减少了5 20 4 2 1概述 2 日本富士通公司的试点工厂运转一年半后 分析效益如下 生产率提高2倍 作业日基准数降低50 生产人员减少50 库存减少35 废品率降低为原来的1 3 3 东方电机DFEM CIMSDFEM CIMS提高了产品设计开发与创新能力 设计周期在原来6 12个月的基础上普通缩短3个月 实现重大质量事故为零的突破 全面提高了产品质量 DFEM CIMS建立的信息系统提高了我国大型水轮发电机组的设计和制造水平 使企业具备了设计制造三峡水轮发电机组和700MW巨型水电机组的生产能力 DFEM CIMS的实施与应用取得了显著的经济效益和社会效益 4 2 1概述 1 CIMS的三要素通常认为系统集成包括经营 技术及人 机构三个要素 图4 10 这三个要素相互作用 相互支持 使制造系统达到优化 根据这三个要素相互间的关系 可以看出存在四类集成的问题 4 2 2CIMS的组成与体系结构 1 利用计算机技术 自动化技术 制造技术及信息技术等支持企业达到预期的经营目标 如缩短产品设计与开发周期 提高产品质量 减少库存量等 即经营目标是企业建立集成的目的 而技术则仅仅是一种手段 2 利用技术支持企业中各种人员的工作 能互相配合 协调一致 例如通过共享数据库使产品设计人员能及时了解产品制造的可行性 3 通过改进组织机构 培训人员及提高人员素质 支持企业达到经营目标 即人 机构和技术一样也是实现集成的一个重要手段 4 统一管理并实现经营 人 机构及技术三者的集成 4 2 2CIMS的组成与体系结构 2 CIMS的基本结构1993年美国提出了新版的CIMS轮图来表示其结构 图4 11 4 2 2CIMS的组成与体系结构 第一层是驱动轮子的轴心 顾客 迅速而圆满地满足顾客的愿望和要求 市场是企业获得利润和求得发展的基本点 第二层是企业组织中的人员和群体工作方法 在多变的 竞争激烈的市场中 企业中的每个人都必须具有市场意识 每个职工都要了解市场的变化以及企业在市场中的地位 本职工作和市场竞争能力的关系 企业的成败关键不是技术 而是人和组织 第三层是信息 知识 共享系统 信息是企业的主要资源 现代企业的生产活动是依靠信息和知识来组织的 在传统的生产方式下 信息冗余量大 传递速度慢 共享程度很低 现代制造企业一定要建立 个信息和知识共享系统 它是以计算机网络为基础的 并且有使用操作方便和可靠的系统 使信息流动起来 形成一个连续不断的信息流 才有可能大大提高企业的生产和工作效率 4 2 2CIMS的组成与体系结构 第四层是企业的活动层 可划分为三大部门和15个功能区 这15种功能都是企业在市场竞争中必不可少的 第五层是企业管理层 这一层应该是很薄的 但卓有成效的一层 是企业内部活动和企业所在环境的接口 企业管理层是把原料 半成品 资金 设备 技术信息和人力资源作为投入 去组织和管理生产 并将产品推出到市场销售 第六层是企业的外部环境 企业是社会中的经济实体 受到用户 竞争者 合作者和其他市场因素的影响 例如老用户和新用户的各种需求 原料和外购件的供应渠道 推销和代理商的组织 能源 交通和通讯基础设施的好坏 劳动力和金融市场的变动 大专院校和研究所的支持 政府的经济法规和政治形势的变化等 企业管理人员不能孤立地只看到企业内部 必须置身于市场环境中去运筹帷幄 高瞻远瞩地作出企业发展的决策 4 2 2CIMS的组成与体系结构 3 CIMS的组成分系统由生产经营管理信息系统 工程设计自动化系统 制造自动化系统和质量保证系统四个功能分系统以及计算机通信网络和数据库两个支撑分系统组成 如图4 12所示 4 2 2CIMS的组成与体系结构 1 管理信息系统 MIS 对企业生产经营的主要作用是 1 合理安排生产 提高企业生产效率 2 降低产品的生产成本 3 提高对客户的服务质量 4 提高企业的管理水平和管理素质 5 增加企业的应变能力和竟争能力 2 工程设计自动化系统工程设计自动化系统实质上是指在产品开发过程中引入计算机技术 使产品开发活动更有效 更优质 更自动化地进行 产品开发活动包括产品的概念设计 工程与结构分析 详细设计 工艺设计以及数控编程等设计和制造准备阶段的一系列工作 即通常所说的CAD CAE CAPP和CAM四大部分 4 2 2CIMS的组成与体系结构 3 制造自动化系统主要作用可归纳为 1 实现多品种 小批量产品制造的柔性自动化 制造过程应包括加工 装配 检验等各生产阶段 目前的制造自动化分系统 大部分只实现了加工制造这一个局部的自动化 能实现加工制造 装配及检验全部自动化的系统还很少 2 实现优质 低成本 短周期及高效率生产 提高企业的市场竞争力 3 为作业人员创造舒适而安全的劳动环境 4 质量保证系统其主要功能包括 1 确定产品质量目标与标准 制订质量计划与检测计划 2 在企业的内部和外部 通过检测和试验设备以及其他数据源收集质量数据 4 2 2CIMS的组成与体系结构 3 把收集到的质量数据转换为所需形式 以评价产品质量 诊断缺陷及其原因 4 当诊断出缺陷产生的原因后 将有关纠正措施的控制信息传送给相应的部门 人员及设备 5 为不同层次的质量问题决策提供依据 进行质量优化与决策 5 CIMS数据库系统组成CIMS的各个功能分系统的信息都要在一个结构合理的数据库系统里进行存储和调用 以实现整个企业数据的集成与共享 数据库系统提供了定义数据结构和方便地对数据进行操纵的功能 具有安全控制功能 保证了数据安全性 提供完整性控制 保证数据的正确性和一致性 提供并发控制 保证多个用户操作数据库数据的正确性 4 2 2CIMS的组成与体系结构 6 CIMS计算机通信网络系统计算机网络主要由计算机系统 包括终端设备 通信传输设备和网络软件组成 计算机系统可以是大型机 中型机 小型机 工作站和个人计算机 终端设备包括各种输入 输出设备 通信传输设备包括传输介质 通信设备和通信控制设备 计算机通信网络技术采用国际标准和工业标准规定的网络协议 可以实现异种机互连 异构局部网络及多种网络的互连 通过计算机网络能将物理上分布的CIMS各个功能分系统的信息联系起来 以达到共享的目的 4 2 2CIMS的组成与体系结构 1 CIMS的现状1 国外目前 国外关于CIMS的研究和推广应用正向纵深发展 欧美国家的重要理工科大学大都建立了与CIM有关的研究所或实验室 有些大学还开设了CIM相关技术的课程 在制造系统模式方面 国外的研究人员对各种新的制造系统模式 如大批量定制生产模式 敏捷制造模式和可持续发展的制造系统模式等进行了深入的研究 这些研究成果充实丰富了CIMS的内涵 4 2 3CIMS的现状与发展 各种CIMS单元技术 如现代产品设计技术 虚拟制造 并行工程 产品建模技术 面向产品全生命周期的设计分析技术 先进的单元制造工艺 新型数控系统 制造资源计划MRPII 企业资源计划ERP 敏捷供应链管理 企业过程重组BPR 集成质量保证系统和面向产品全生命周期的质量工程等的研究与开发也取得了长足的进步 随着信息技术的发展 系统集成技术领域发展十分迅速 如基于Web技术的制造应用系统的集成 面向对象和浏览器 客户机 服务器及CORBA和COM OLE规范的企业集成平台和集成框架技术 以因特网和企业内部网及虚拟网络为代表的企业网络技术 异构分布的多库集成和数据仓库技术等 4 2 3CIMS的现状与发展 2 国内当前 我国CIMS的试点推广应用更进一步 已经扩展到机械 电子 航空 航天 轻工 纺织 冶金 石油化工等诸多领域 正得到各行各业越来越多的关注和投入 在CIMS产业化方面 国产CIMS产业已经崛起 初步形成了多个系列的CIMS目标产品 覆盖了企业信息化工程所需软件产品的85 以上 863 CIMS目标产品 已在50 的CIMS应用示范企业得到应用 国内领先的CIMS目标产品开发单位联合形成了一支在市场上可与国外软件竞争的主力军 在国内形成了一支高水平的产品开发队伍 在CIMS的应用方面 我国已在多个省市 多个行业的多个企业实施或正在实施CIMS应用示范工程 其中已有50多家通过验收并取得显著效益 863 CIMS主题在实践中形成了一支工程设计 开发 应用骨干队伍 总结出了一套适合我国国情的CIMS实施方法 规范和管理机制 4 2 3CIMS的现状与发展 2 CIMS的发展近些年 并行工程 人工智能及专家系统技术在CIMS中的应用 大大推动了CIMS技术的发展 增强了CIMS的柔性和智能性 随着信息技术的发展 在CIMS基础上又提出了各种现代先进制造系统 诸如精益生产 敏捷制造 全球制造等 与此同时 人们不但将信息技术