CIMS环境下制造自动化信息集成技术

1 7 1引言7 2车间控制系统结构7 3车间物流管理7 4柔性制造系统 FMS 信息集成 第七章CIMS环境下制造自动化信息集成技术 2 7 1引言 制造自动化系统既是自上而下信息传输的末端 又是自下而上信息采集的源头 车间是制造自动化的核心 制造自动化系统又称为车间制造自动化系统 包括 车间控制系统 加工系统 物料储运系统 刀具管理系统等 7 1 1车间控制系统的发展MRP 以BOM为主线 通过产品的逐级分解 把产品分解成为若干部件 部件分解为零件 依据零件确定原材料 然后根据交货日期逐一确定各加工阶段的完工时间 该系统被形象称之为推系统 MRPII 3 7 1引言 JIT 在理论上完全没有任何资源浪费和排队现象 可以最大限度地清除任何不产生效益的垃圾 它以产品交货日期反过来要求各分承制商 供货商的交货时间 该系统被称为拉系统 OPT 欧洲人的JIT是最优化生产控制技术 认为制造企业的最终目标是获取利润 企业的一切活动以此为中心 但由于制造复杂性 并不能保证制造系统达到所期望的目标 在新的生产模式下 具有自行决策 相互协调 相互适应的一种结构和最优化运行方式 4 7 1 2车间控制系统与CIMS其它分系统的关系 功能联系主要功能 车间作业计划的制订与调度 刀具管理 物料管理 制造与体验 质量控制 监控功能联系 车间生产作业计划的制订必须以MIS主生产作业计划和较长期生产作业计划为依据 该计划在车间完成 车间计划制定必然使用许多工艺信息 诸如零件的技术要求 采用的加工方法 使用的设备 工装等 这些信息由CAD CAPP CAM分系统提供 零件制造过程中遵循何种控制规律 使用什么精度的检具由QIS分系统提供 若作业计划执行过程中出现故障 如机床损坏 刀具破损 工件超差等 就必须进行实时调度 此时零件的可选加工路径或可替换的刀具均由CAD CAPP CAM系统规定 而零件超差处理意见由QIS决定 5 7 1 2车间控制系统与CIMS其它分系统的关系 车间生产资源的管理 均与MIS CAD CAPP CAM QIS分系统有着密切的关系 车间生产资源的状态是MIS制定生产计划的依据 车间内部生产计划的制定当然也离不开本身资源的检查 评估 车间调度还必须了解资源的动态信息 完成资源的动态再分配 CAPP系统根据车间资源情况制定零件加工工艺 车间量具 检验夹具的可用性取决于就QIS的定检计划 车间的制造 检验及质量管理功能的实现 也必须依靠其它分系统的支持 车间制造所需的工艺规程 代码来自CAD CAPP CAM分系统 检验规程或检验 代码则来自QIS分系统 作为质量管理的依据 6 7 1 2车间控制系统与CIMS其它分系统的关系 车间监控系统保证车间计划的顺利执行 为MIS QIS CAD CAPP CAM分系统提供车间的实时运行状态 以便根据实际加工情况更改有关计划 检查追踪出现质量事故的原因 以杜绝类似事件的再次发生 车间控制系统需要分布是数据库系统和计算机网络系统的支持 数据管理系统可保证车间控制系统中所需信息的一致性 完整性 安全性 而网络则是数据交互 共享的桥梁 7 7 1 2车间控制系统与CIMS其它分系统的关系 信息联系按性制分 静态信息 在零件加工过程中 基本保持不变的信息 产品工艺规程 加工程序 动态信息 在零件加工过程中 信息是变化的 如车间计划跟踪信息 库存信息 设备 人员状态信息 按信息来源和去向分 输入信息 外系统输入给车间控制系统的信息 如生产作业计划 工艺规程 NC代码 输出信息 车间控制系统输出给外系统的信息 如作业计划完成情况 库存信息 刀量具准备情况 8 7 2车间控制系统的结构 7 2 1车间控制系统递阶结构递阶控制把一个复杂控制系统的控制功能进行正确 合理的分解 划分为若干层次 上层向下层发布命令 下层向上层反馈命令执行结果 并共同构成一个完整的控制系统特点通过对复杂系统分解 使各层功能相对简单 易于实现便于模块化开发 使功能的增加 删除 修改 扩充较为方便 增加了系统的开放性减少资源浪费车间控制系统覆盖了车间层 单元层 工作站层和设备层四个层次 9 7 2 1车间控制系统递阶结构 组成设备控制器由各种数控机床 加工中心 机器人 坐标测量及 AGV 自动化立体仓库等的控制器组成是车间控制系统中实时性要求最高的一级向上与各个工作站控制器相连 向下直接控制各个设备 把工作站控制器的命令转换成可操作的 有次序地简单任务 并通过传感器监控这些任务的执行情况工作站控制器负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动根据单元控制器下达的命令完成各种加工设备 加工过程监控及协调 加工检验等工作 10 7 2 1车间控制系统递阶结构 单元控制器是车间控制系统中同时兼有计划 调度功能的重要环节完成任务的实时分解 调度 资源需求分析 向各个工作站分配任务及监控任务的执行情况 并向车间控制器报告作业完成情况和单元状态车间控制器车间控制系统的最高级负责制订并协调车间的生产计划和资源优化分配 使车间以最低的成本生产最好的产品是车间控制系统与外界交换信息的核心与枢纽 具有计划 调度 监控三大功能 11 7 2 1车间控制系统递阶结构 计划的主要任务是根据MIS分系统下达的主生产作业计划和由CAD CAPP CAM分系统提供的生产工艺信息制订车间一定时期内的生产计划 计划制订的依据是车间生产能力和生产任务的评价和分析 调度的任务是根据各生产单元的计划完成情况对单元间的生产任务或资源分配做适当调整 保证车间生产任务按期完成 监控主要用于监视各单元在生产过程中出现的各种异常现象 并把这种异常情况提供给调度功能 供其决策之用 12 7 2 2车间控制系统开放体系结构 开放性功能结构上的开放性 车间控制系统能根据不同的生产任务灵活地分割及组合其自身的功能 提供不同的服务 使车间以最低的成本生产最好的产品 并能够方便地开发新的功能 从而适应多种多样的生产环境 平台软件对硬件系统的开放性 按软件操作系统接口标准化要求 从保证平台软件的可移植性和版本延续性出发 在平台软件开发中采用通用的操作系统和通用的开发环境 以保证平台软件适应新技术发展 容纳新设备的能力 平台软件对支撑系统的开放性 平台软件的开发应采用国际标准网络协议 与具体硬件环境隔离 采用开放数据库标准 实现异构网 数据库互连 集成框架体系结构和功能层次 13 7 2 3车间控制系统可重构结构 动态联盟一个具有开发某种新产品所需的 具有不同技术和专长的一些组织 通过一个盟主共同组成的阶段性联盟 各个组织采取Win Win策略 以联盟体的整体优势共同应付市场挑战 联合参与市场竞争 对车间生产管理模式提供新的要求 要求车间控制系统必须是可重构的体系结构 从而能够快速组合成新的联盟 并且不因此而降低车间的生产能力 车间在不同的联盟中能够发挥最大的优势 获得最大的利益新型的组织结构和快速的 四通八达的网络互联方式 14 车间生产计划与作业调度方法 车间计划与作业调度是车间控制系统的核心 生产计划编制车间生产作业计划时 首先要考虑的问题是保证零件交货期其次要考虑单元间加工任务的均衡 还要考虑车间内生产资源合理 充分 高效的利用 并据此把车间的任务分解成各单元周作业计划和资源需求计划 以此为基础 制定单元日或班作业计划和资源供给计划 单元作业计划 属于工序级作业计划 不仅要决定每日 班要完成的零件工序数量 而且还要决定零件进入各单元的先后顺序 每个零件的加工路径以及所需的设备 刀具 量具 夹具等 制定该计划 突出的问题是在保证零件交货期的前提下 如何更好的优化使用单元内资源 15 制定作业计划的过程 首先要把车间下达的作业计划所对应的生产任务分批 分批的主要原因是单元内加工资源的约束 如有限的机床 夹具 刀具等分批的主要目的在于均匀地 有效地利用单元内各项资源 如 某类零件的生产数量较多 即使全部机床都来加工该类零件 也不能一次性加工完成 此时零件就必须分批 16 由于零件的交货日期参差不齐 只好将零件分批加工 以保证按期完成任务 零件分批的原则是加工全部零件所需的批量数最少 全部机床的平均利用率最高 分批后应考虑的问题是在完成每批的生产任务中 应当优化利用系统内的各项资源 分批和均衡是很复杂的有约束优化问题 人工智能和专家系统以及各种计算机辅助决策软件在此领域应用广泛 17 作业调度 定义又称实时调度 是对生产计划的补充和完善 根据车间实际加工过程中随时出现的故障情况 对车间作业计划做出调整 修改 使车间生产得以顺利进行 保证零件按期交货 包括内容 被加工工件的动态排序和系统生产及辅助资源的实时动态分配 18 作业调度 作业排序方法纵向 一个零件的制造过程是由一系列作业完成的 每个零件对应一个作业序列 横向 一个设备有多个作业在等待 作业按照优先级别形成序列 每个设备对应一个作业序列 当出现扰动时 要根据系统的实时状态作出适当的调整 改变零件到加工顺序和工艺路径 做出新的排序 达到新的均衡 19 作业调度 基于人工智能的车间计划调度系统系统结构 多黑板 多智能体黑板 一个具有控制器和知识源的共同数据区 知识源可以包括专家系统 置于黑板上的问题可由知识源共同协作求解 智能体 既包含数据 又有处理机制的自治体 各自制体可以互通信息 共同求解同一个问题组成 计划 调度 监控三个黑板体 20 基于人工智能的车间计划调度系统 计划黑板体常规计划紧急计划 21 基于人工智能的车间计划调度系统 调度黑板体功能调度活动监控黑板体跟踪工件和设备状态处理并反馈有关采集信息向上一级黑板反馈系统状态信息统计设备使用情况 22 基于人工智能的车间计划调度系统 控制结构 23 7 3车间物流管理 由仓库 缓存站 传送带 运送小车 机械手等组成 主要完成车间内原材料 半成品 成品 刀具 夹具 托盘 辅助材料等的运送 物流系统对车间生产效率起着关键作用 如何有效提高车间物流效率是车间生产管理至观重要的问题 24 7 3 1工件管理与传输控制 车间布局车间布局与物流传输有着密切关系 应遵循以下原则 随机布置原则 将若干机床随机地排列在车间内 25 车间布局 功能布置原则 根据加工设备的功能分门别类地将同类设备组织在一起 26 车间布局 模块化布置原则 车间是由若干功能类似的独立模块组成 在应付紧急任务和意外事件方面有着明显的优势 也有利于无聊的传输 27 车间布局 加工单元布置原则 基于成组技术 每一个加工单元都完成相应的一类产品 物料流动较方便 28 车间布局 加工阶段布置原则 将车间分为准备加工阶段 机械加工阶段 特种加工阶段等 使物流从车间一端进入 从另一端流出 29 7 3 1工件管理与传输控制 车间传输系统基本组成完成的工作 毛坯 原材料由车间外部搬运进车间 将加工好的成品从车间中运出工件在车间内不同工段 不同设备间的搬运 人工干预 半自动化 30 毛坯是棒料 型材 需要在切断机床上按要求尺寸下料 或直接送入某些机床的自动进料装置 毛坯是铸 锻件 首先把毛坯装在夹具上 然后才能送机床加工 大型毛坯 借助吊车 叉车等搬运设备 工件传输工具 叉车 桥式起重机 手推小车 传送带 无人运输小车 机器人 机加车间 大批量生产车间 有轨和无轨 可采用地面轨道或支架轨道 按照制导方式可分有线导向 磁性导向 激光导向 无线遥控 自动 半自动生产线 31 7 3 1工件管理与传输控制 车间物流控制系统分为三层递阶结构 管理层 对整个物流系统进行统一规划 控制 形成有效的反馈约束和激励机制 控制层 控制物料流动过程 包括车间生产订单处理 库存生产计划与控制 生产计划与控制 用料管理作业层 完成物料的时间转移和空间转移 包括运输 装卸 搬运 存放等车间生产计划与控制系统是车间物流系统的最高指挥者 32 7 3 2刀具管理 刀具管理是车间系统重要组成部分 包括刀具计划 刀具调度 刀具监控 刀具信息管理等 分为三层递阶结构 刀具计划管理功能 刀具订购 刀具准备情况反馈 制订刀具供给计划刀具订购 根据专用刀具制作周期和通用刀具订货周期 确定刀具订购周期 根据车间生产计划 工艺规程刀具寿命参数 计算刀具订购周期内生产所需的刀具数量 制订刀具订购计划 交有关职能部门执行 33 刀具计划管理 刀具准备情况反馈 完成车间生产计划所需刀具数量的确认 保证作业计划所需的刀具能够满足供应 若刀具数量不符合要求 及时反馈信息 对所做计划作适当调整 保证车间生产正常进行 刀具供给计划 根据车间日生产作业计划和刀具需求计划制订的 包括 刀具数量 刀柄型号与所需用机床主轴头部型式的匹配 使用刀具的设备名称与型号 刀具供给日期等 刀具供给计划是刀具分配的依据 34 7 3 2刀具管理 刀具调度现场生产所用刀具非正常磨损 破损 或紧急生产任务所需刀具的补充供给调度分两种情况 生产线上已有所需的刀具 且没有使用 能够满足加工要求 则现场调节解决 生产线上没有或虽然有所需刀具 但正在使用 则需要从中央刀库紧急输出所需刀具刀具调度涉及到刀具寿命 生产现场每一把刀具的识别 定位等 35 7 3 2刀具管理 刀具监控为了及时了解每时每刻在使用的大量刀具因磨损而发生的性质变化 保证生产安全 防止工件报废 刀具监控包括 刀具寿命 刀具磨损量 刀具破损的检测 刀具寿命指刀具的耐用度 即在正常情况下 磨损量达到磨钝位置为止的纵切削时间刀具寿命取决于刀具材料 被加工工件材料和切削参数等多种因素 通常用实验方法确定 刀具磨损的监控要求装备有专门的检测装置 例如 可以利用测量钻头长度偏置量的装置来检测钻头的磨损 刀具破损的发现目前采用声发射等专用技术和设备 36 7 3 2刀具管理 刀具信息管理 37 物流管理信息系统仓储管理模块的功能设计 38 7 4FMS信息集成 FMS FlexibleManufacturingSystem 是一组数控机床和其他自动化的工艺设备 由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体 美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为 使用计算机控制 柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统 还有一种更直观的定义是 柔性制造系统 至少有两台机床 一套物料运储系统 从装载到卸载具有高度自动化 和一套控制系统的计算机所组成的制造系统 它采用简单地改变软件的方法便能制造出某些部件中的任何零件 还有各种其他的定义来描述柔性制造系统 39 7 4FMS信息集成 工艺基础 成组技术功能 加工制造和部分生产管理良好的技术经济效果 高的设备利用率 降低生产成本 减少了在制品库存 缩短生产周期 大幅度提高产品质量 40 7 4FMS信息集成 发展 1967年 英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念 研制了 系统24 其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床 目标是在无人看管条件下 实现昼夜24小时连续加工 但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成 同年 美国的怀特 森斯特兰公司建成OmnilineI系统 它由八台加工中心和两台多轴钻床组成 工件被装在托盘上的夹具中 按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工 这种柔性自动化设备适于少品种 大批量生产中使用 在形式上与传统的自动生产线相似 所以也叫柔性自动线 日本 前苏联 德国等也都在60年代末至70年代初 先后开展了FMS的研制工作 41 发展 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 柔性制造单元 FMC 一般由1 2台数控机床与物料传送装置组成 有独立的工件储存站和单元控制系统 能在机床上自动装卸工件 甚至自动检测工件 可实现有限工序的连续生产 适于多品种小批量生产应用 70年代末期 FMS在技术上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FMS为最多 但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 42 7 4FMS信息集成 特征 柔性 对产品的柔性 即系统为不同的产品和产品变化进行设置 以提高设备利用率 减少加工过程中零件的中间存储 迅速响应需求变化 具体表现 机床的柔性 FMS中机床通常为CNC机床或加工中心 可通过配置相应的刀具 夹具 托盘 NC加工代码等 完成给定零件族中任一零件的加工 加工柔性 FMS能够以多种流程加工一组类型 材料不同的零件 即使同一类型的零件也可采用不同的加工手段与方法 43 特征 零件加工路线的柔性 FMS在加工零件过程中出现局部故障时 能迅速选择新的加工路线并继续加工 以保证零件按期交付 产量柔性 良好的FMS在加工批量较小的零件或加工批量很大的零件时在成本上不应有显著的差异 能够完全适应产品产量的变化 扩展柔性 FMS系统在需要时能够方便地 模块化地扩展其规模 并且扩展的部分能与原有部分完全融合 形成一个新的整体 生产柔性 FMS能够生产各类零件 44 7 4FMS信息集成 FMS主要组成及部分功能加工系统 是FMS的基础 一般由两台以上的数控机床或加工中心及一些加工辅助设备组成 用于把原材料转换成最终合格产品 储运系统 由自动化立体仓库 堆垛机 传送带或有轨 无轨小车 搬运机器人 上下料托盘 交换工作站等组成 储运系统的自动化程度的高低 直接决定了FMS自动化程度的高低控制系统 FMS核心系统基本结构系统基本功能数据分配 向FMS内的各种设备发送数据 协调FMS内设备的各种活动 通过协调 使物料传输系统能及时把待加工工件传送到加工设备 达到提高设备利用率的目的 友好的人机界面便于操作者操作 故障处理 在系统发生故障后 使系统具有自动恢复运行的条件与能力 45 FMS控制系统 运行所需的信息零件的加工信息作业计划信息质量控制信息物料信息工装信息状态监控信息统计信息 46 7 4FMS信息集成 关键技术计算机辅助设计当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术 直接利用 数据 通过计算机控制的激光扫描系统 将三维数字模型分成若干层二维片状图形 并按二维片状图形对池内的光敏树脂液面进行光学扫描 被扫描到的液面则变成固化塑料 如此循环操作 逐层扫描成形 并自动地将分层成形的各片状固化塑料粘合在一起 仅需确定数据 数小时内便可制出精确的原型 它有助于加快开发新产品和研制新结构的速度 47 关键技术 模糊控制技术模糊数学的实际应用是模糊控制器 最近开发出的高性能模糊控制器具有自学习功能 可在控制过程中不断获取新的信息并