机电一体化信息流系统设计

1、1郑刚郑刚2一、信息流系统的基本结构一、信息流系统的基本结构从系统观点来看，可以把整个制造企业的生产活动看作一个生产系统，整个生产过程的实质是一个信息采信息采集集、传递传递和加工处理加工处理的过程，最终形成的产品可以看作是信息的物质表现。信息流自始至终循环反复地贯穿在生产系统生产过程的三个阶段：决策管理阶段决策管理阶段、研究开发阶段研究开发阶段和生产制生产制造阶段造阶段。从信息的性质来看，信息流中信息可分为：管理信管理信息息和设计、制造信息设计、制造信息。3决策和管理决策和管理研究和开发研究和开发生产制造生产制造数数 据据 库库市市 场场动机产品材料能源4二、管理信息系统二、管理信息系统（一）

2、概述（一）概述管理信息系统（MIS）是生产系统的最高层次，是企业的灵魂，起着战略决策和系统管理的作用。管理信息系统必须包括所有管理层次中的数据处理和决策活动。管理信息系统在结构上一般是多层次的：最高层制定规则和决策；中间层制定近期工作计划；最底层处理日常业务，实施机器操作管理。5管理信息模块市场预测生产计划成本与销售管理设备管理车间管理物资管理分布式数据库物料需求计划（MRP-I）制造资源计划（MRP-II）6（二）物料需求计划（二）物料需求计划MRP (Material Requirements Planning)MRP能根据产品的最终需要自动地推导出构成这些产品的零件与材料的数量，由产品的

3、交货期展开成零部件的生产进度日程和原材料与外购件的需要日期。（三）制造资源计划（三）制造资源计划MRP-II (Manufacturing Resource Planning)制造资源计划是一个覆盖经营决策、市场销售、生产制造、物资供应、财务、工程设计和数据处理等各部分的一体化系统。7 制造资源计划MRP-II的软件结构主要由MRP-II数据库和MRP-II程序两大部分组成。 MRP-II程序是通用程序，为适用各工厂的不同实际情况，MRP-II软件具有用户化手段。 MRP-II数据库包括生产管理和生产技术两大部分信息，主要有订货数据、主生产计划数据、库存数据、工序数据、产品结构数据、生产能力数

4、据、生产准备数据等。 MRP编制总需求量计划的方法是：从产品结构树的最高层次开始，按照主生产计划的要求，顺着产品结构的各个层次，逐级进行分解以求得每一层次上所有零件的需求量、投入日期与交付日期。8物料需求计划主生产计划项目定义数据库存销售管理能力需要计划产品结构车间作业管理采购管理成本计算财务计算9（四）（四）MRP-II的实施的实施 认真选择好计算机运行环境和MRP-II软件； 除了高层管理人员重视以外，必须在企业进行全面的MRP-II的教育和培训； 认真实施MRP-II的三个阶段： 实施前的准备工作； 生产数据录入及运行MRP-II； MRP-II的维护和二次开发。（五）（五）MRP-II

5、的发展的发展 英国开发的一种新的制造资源计划MRP-III是在MRP-II的基础上，采用准时生产（JIT, Just In Time ）原则及专家系统、并行工程等较新技术而形成的一种新的管理信息系统。10三、设计、制造信息系统三、设计、制造信息系统（一）概述（一）概述设计制造信息包括设计信息和制造信息，自动化生产系统中这两类信息来源于CAD/CAM系统。利用计算机网络统一管理从涉及到制造的必须信息来实现最优生产的CAD/CAM系统，是整个设计制造信息系统的核心。11（二）（二）CAD、CAM与与CAPP计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）是由设计人员构思，利用计算机系统对有关产品的大量资料

6、进行检索，再根据性能要求及有关数据和公式进行计算、分析和优化设计，并将产品设计图形显示出来，设计人员通过交互式图形显示系统对设计方案或图形做必要的修改，直到满意的设计结果为止的一种设计方法。计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）是指利用计算机系统，通过计算机与工厂生产设备的直接或间接联系，去规划、管理和控制生产制造过程。121、CAM的直接应用，成为计算机过程监测系统和过程控制系统。计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）的应用分为两类：2、CAM的间接应用，即计算机与加工过程之间没有直接接口，只是用计算机对制造过程进行“离线”支持。计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP）是指计算

7、机系统可以全部或部分地进行工艺设计，并以迅速和一致的方式向用户提供优化的方案。工艺设计是CAD/CAM之间集成的难点。13产品设计工艺设计选定加工条件编制数控程序加工装配检验生产管理 CADCAMCAD/CAM任务采购经营产品出厂包括各种技术计算在内的最初概念设计到详细设计（三）（三）CAD/CAM系统系统14为了实现这些功能，为了实现这些功能，CAD/CAM系统设计配置必须系统设计配置必须具备以下性能：具备以下性能：CAD系统与CAM系统是通过计算机网络来实现的。1、具有一个设计用的交互式图形系统和软件支持。2、具有一个用户化的制造软件包，一般包括NC编程程序、自动工艺编制程序、夹具设计程序

8、和其他辅助生产用的程序。3、具有一个能为设计和制造服务的公用数据库。15设计数据库制造数据库几何图形构型设计分析资料准备计划工程制图预设计切削加工毛坯加工装备检查生产管理工艺设计制造工程设计工程161、通过网络系统信息交换，使设计和制造信息有机的结合，可以相互利用这两个领域的必要知识进行设计和生产；2、由于信息管理的一元化，可以减少设计差错、制造失误和信息传输错误，从而缩短准备时间和简化修正程序；3、便于技术及生产状况的管理、记录和质量水平的提高。17（四）应用（四）应用CAD/CAM系统技术的步骤与系统技术的步骤与方法方法 总体规划 制定长远规划 分步实施 因资金和技术问题，应逐步实施 重点

9、突破 在一个部门先实施，甩图板CAD/CAM技术应用是企业生产系统自动化发展的关键技术之一。 全面推进 全面普及，实现各部门协调工作18在在CAD/CAM软件配置方面，应注意以下几个问题：软件配置方面，应注意以下几个问题：1、软件综合性能；应注意软件功能、稳定性，还应注意功能是否能够满足自己发展的需求。2、接口性能；具有良好的通用性，能与各种外部设备方便连接。3、人机界面；易学，操作应用方便简捷。4、开放性；提供良好的二次开发工具。5、软件的技术支持能力；一要看软件公司的背景和支持能力。二要看软件销售商是否具备工程应用方面的知识和实际工作经验，是否能够很好地帮助用户解决实际问题。19一、分级控

10、制结构一、分级控制结构在自动化生产系统中，对多台生产机器，用一台计算机进行集成控制，称为直接数字控制（简称DNC）。国内常习惯称之为群控。随着控制规模的扩大，集中控制很难满足系统的要求。目前比较先进的自动化生产系统一般都采用模块式分级控制结构。每一被控模块均接受上一级命令并将状况反馈至上一级，每一模块都具有独立的数据存取接口，通过这种分级是控制结构和模块化系统可将复杂的整体任务一级一级地分解为更细的具体任务来完成。20美国国家标准局的自动化试验基地AMRF在对传统的制造管理系统进行深入分析的基础上采用5级控制结构，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和设备级。每一级都可进一步分解为子级或模块，可

11、扩展成树状结构。21（一）工厂级控制系统（一）工厂级控制系统1、生产管理生产管理：跟踪主要项目，制定长期生产计划，明确生产资源要求，确定所需的追加投资，算出剩余生产能力，汇总质量性能数据。应用生产计划数据确定交给下一级的生产指令。2、信息管理信息管理：通过用户数据接口实现必要的行政或经营管理功能。如成本估算、库存统计、用户订单处理、采购、人事管理及工资单处理等。3、制造工程管理制造工程管理：包括CAD系统和工艺过程设计系统。22（二）车间级控制系统（二）车间级控制系统1、任务管理模块任务管理模块：负责安排生产能力计划，对订单进行分批，把任务及资源分配给各单元，跟踪订单直到完成。安排所有切削刀具

12、、夹具、机器人、机床及物料搬运设备的预防性维修及其它辅助性工作。2、资源分配模块资源分配模块：负责分配单元级进行各项具体加工所需的工作站、储存站、托盘、刀具及材料等。这一级控制系统负责协调车间的生产和辅助性工作，以及上述工作的资源 配置。主要包括两个模块：23（三）单元级控制系统（三）单元级控制系统1、排队管理模块排队管理模块：向上与任务管理模块接口，向下与调度模块接口，提出新的作业项目申请后，该模块就必须分析其可行性，通过调度模块向工作站发出适当命令，并向任务管理控制模块反馈情况。2、调度模块调度模块：每个工作站都配有一个调度模块，向上与排队管理模块接口，向下与本单元分配模块接口。这一级负责

13、分批通过工作站的顺序和管理物料搬运、检验及其它有关辅助性工作。主要包括三个模块：3、分配模块分配模块：把经过选择的任务用适当的命令结构分配给工作站，并反馈及监控该命令的执行情况。24（四）工作站级控制系统（四）工作站级控制系统这一级控制系统负责指挥和协调车间中的一个设备小组的活动。一个典型的AMRF工作站有一台机器人、一台机床、一个物料储运器和一台控制计算机组成。单元至工作站的控制接口设计成可用于各种型式的工作站，为适应虚拟单元中分配工作站引起的动态控制结构变化，必须采用统一接口。（五）设备级控制系统（五）设备级控制系统这是最基本的一级系统，是各种设备如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置

14、及储存/检索系统等的控制器。向上与工作站控制系统接口连接，向下与厂家供应的设备控制接口连接。25二、对二、对FMS加工系统的控制加工系统的控制柔性制造系统（FMS）是比较典型的和较成熟的自动化生产系统，对FMS中的加工系统和物流系统的控制是控制系统非常重要的任务。（一）加工系统的主要功能（一）加工系统的主要功能 实现各种自动加工工序； 实现自动换刀； 实现自动装料/卸料； 控制排屑和清洗工件。26对加工系统的控制主要通过控制计算机，各种加工工序通过计算机编程实现。（二）控制功能的实现（二）控制功能的实现1、加工过程控制加工过程控制具有中央刀库。刀具管理系统能够实现刀具预调，监视刀具参数。2、自

15、动换刀自动换刀iMacTDB刀具预测识别装置刀具参数刀具寿命刀具存放工作站机械手中央刀库机床1刀具监控机床2刀具监控刀具清洗黑线为刀具实体物流，粉线为刀具信息流。27关键是夹具和夹紧装置的控制。因为柔性加工，工件形状不一，使得问题更为困难，通常使用工业机器人来完成。3、自动装料和卸料自动装料和卸料切屑的清除和回收是在清洗工位或在FMS工位上进行的。当工件要进入检测前，彻底清洁工件，排除工件上的切屑是十分必要的。4、排屑和清洗工作排屑和清洗工作刀具管理系统的软件包括两部分：刀具信息处理专家系统和刀具传递控制软件。28三、对三、对FMS物流系统的控制物流系统的控制FMS物流输送系统按输送方式可分为

16、单向输送、往复输送和环流输送三种。（一）对物流输送系统的控制（一）对物流输送系统的控制FMS物流输送系统按控制特点可分为跟踪式路程控制、分散式路程控制和集中式路程控制三种。对于FMS物流输送系统最基本控制是识别标记、输送路线的变化以及输送速度的控制。29储料系统的任务是将工件在加工前和加工后或者在各工步之间储存一定时间，以便进行故障时间的补偿以及加工时间差异的补偿。（二）对储料系统的控制（二）对储料系统的控制对储料系统的控制由管理生产的计算机实施负责。它和物料输送系统和数据处理的调度系统实时通信，根据每个工序加工时间的差异，根据有关故障，停机的数据资料、根据物料在储料库前的排队情况，制定中间存

17、储的决策。储料系统具有随机自动存取功能。30自动化仓库具有较为完整的计算机系统，具有两大功能：物流控制功能和信息流控制功能。（三）自动化仓库（三）自动化仓库物流操作系统的作用是改变物料在加工系统、物流输送、储存系统之间的方向和位置。控制涉及下列复杂问题：（四）对物流操作系统的控制（四）对物流操作系统的控制 对象识别； 位置识别； 控制掌握。31自动检测和监控的目的是为了实现质量对工艺过程的反馈控制反馈控制，是为了利用自动检测和监控手段，收集、识别和提取工件和有关设备的特征信息，确定工艺过程或装置的全面质量趋向，修改工艺过程改进产品质量。同时，根据检测和响应的异常或紧急情况，给予声光报警或进行自

18、动处理，保证人身与设备安全和生产系统的正常进行。以FMS系统为例，监测系统可分为：1. FMS运行状态检测监控系统；2. 加工设备工作状态检测监控系统；3. 工件状态检测监控系统；4. 刀具状态检测监控系统；5. 系统安全检测监控系统。32一、一、FMS运行状态检测监控系统运行状态检测监控系统主要功能是检测监视工件流、刀具流与信息流的运行状态。工件流系统运行状态工件流系统运行状态：运输小车的位置及装载状态；运输小车故障状态；工件装卸站状态；小车缓冲站状态；仓库储藏工件状态等等。刀具流系统运行状态刀具流系统运行状态：刀库状态；对刀仪运行状态；条码阅读机工作状态；刀具进出站工作状态；换刀装置工作状

19、态等。信息流状态信息流状态：工件流控制系统与通信系统工作状态；刀具流控制系统与通信系统工作状态；DNC控制系统与通信系统工作状态；主控管理系统工作状态等。33二、加工设备工作状态检测监控系统二、加工设备工作状态检测监控系统此系统的功能是检测监控加工设备的故障和加工状态。设备的故障情况主要是靠设备的自检功能来反映，而设备的加工状态情况目前常用工业电视来监视。三、工件状态检测监控系统三、工件状态检测监控系统（一）工件尺寸的检测（一）工件尺寸的检测1、主动测量装置主动测量装置执行机构自动测量头信号转换放大器控制部分尺寸变化位移信号电信号控制指令34坐标测量机又称计算机数控测量机，它是现代自动化加工系

20、统中的基本设备。坐标测量机不仅可以在计算机控制的制造系统中直接利用计算机辅助设计和制造系统中的编程信息对工件进行测量和检测，构成设计-制造-检验集成系统，并且能在工件加工、装配的前、后或过程中给出检测信息进行在线反馈处理。2、坐标测量机坐标测量机坐标测量机由安放工件的工作台、三维测量头、坐标位移测量装置和计算机数控装置所组成。353、三维测量探头的应用三维测量探头的应用36激光测径仪包括光学机械系统和电路系统两部分。4、激光测径仪激光测径仪37典型的是使用工业摄象机的形状识别系统。该系统由图象处理器、电视摄象机、监控电视机、接口及微型计算机组成。其工作原理是把被检查的标准零件的二值化图象记忆在

21、检查模式存储器中，利用图象处理器和模式识别技术，通过比较特征点进行识别。（二）工件形状的检测与识别（二）工件形状的检测与识别在零件输送的过程中进行姿态的实时识别必须满足的三个条件：（三）工件姿态与位置的识别（三）工件姿态与位置的识别1. 零件的不间断输送；2. 合理地选择瞬时定位点；3. 光点位置的设置要可靠。3839四、刀具状态检测监控系统四、刀具状态检测监控系统刀具寿命检测原理是通过刀具加工时间的累计加工时间的累计，直接监控刀具的寿命。当累计时间达到预定刀具的寿命时，给出换刀信息，这时控制系统将立即中断加工作业，或者在加工这个工件后停车，有条件的将自动更换上备用刀具。（一）刀具使用寿命检测

22、（一）刀具使用寿命检测（二）刀具磨损、破损监测与监控（二）刀具磨损、破损监测与监控1、直接检测直接检测4041（1）以切削力为判据2、间接检测间接检测（2）以切削功耗为判据（3）以振动信号为判据42（4）以加工表面粗糙度为判据（5）以刀具破损时的声发射为判据43五、系统安全检测监控系统五、系统安全检测监控系统此系统的功能是检测监控FMS系统的安全状态，包括电网电量参数是否满足FMS系统要求；工作人员进入FMS生产线是否安全；有无意外事故发生等。44在自动化程度不高的生产系统中，人机接口比较简单，常用的有开关、按钮、键盘、操作杆（一维、二维或多维）以及数字显示器、图形显示设备等等。一般的声光报警

23、也属于人机接口内容。随着生产系统自动化水平的提高，操作员常常是在控制台前通过计算机实现远距离生产过程控制。一、人一、人机接口的组成和工作方式机接口的组成和工作方式实现人与机器信息交互的设施。实现人与机器信息交互的设施。451. 原来由操作员执行的功能可以完全由计算机控制的机器自动、准确地完成，而操作员只是给出命令，监视机器去完成。2. 有些生产功能其相互之间的关系只有人才能理解，机器做什么动作只有人参与才能决策。这时，人起到的作用更大一些。生产过程控制的含义：生产过程控制的含义：人人机接口的含义变成了人与计算机的接口问题。机接口的含义变成了人与计算机的接口问题。461. 输入处理部分输入处理部

24、分：接收来自用户的输入信息，进行必要的预处理，并将输入信息传送给交互会话控制部，同时产生相应的交互信息，如提示、反馈信息等。2. 输出处理部分输出处理部分：接收来自交互会话控制部分发送来的一组输出信息，转换成一组输出设备能够接受和执行的序列，驱动输出设备并显示出信息。人人机接口即用户界面，也叫人机接口即用户界面，也叫人机界面。一般由四机界面。一般由四部分组成：部分组成：3. 交互会话控制部分交互会话控制部分：处理用户与计算机之间的对话，接收来自用户的输入序列，根据交互语言的语法结构和应用数据结构把输入流转换成命令及其有关的操作数转发给应用接口模型。同时还接收来自应用程序的输出序列，转发至输出处

25、理部分。它具有状态处理和状态转换的能力。474. 应用接口模型应用接口模型：接收来自交互会话控制部分的命令和操作数，调用应用程序完成命令要求的功能，并将执行结果返回交互会话控制部分。输入处理部分输入处理部分输出处理部分输出处理部分最终用户最终用户交互会话交互会话控制部分控制部分应用程序接口应用程序接口应用程序应用程序输入数据输入数据输入词流输入词流命令结构命令结构执行结果执行结果输出词流输出词流显示结果显示结果人人机界面逻辑模型及信息流示意图机界面逻辑模型及信息流示意图481. 命令语言方式命令语言方式：使用者按照系统规定格式和顺序键入命令的操作符和相应的参数，系统核对无误后，执行这些命令，完

26、成相应功能并把执行结果告诉用户。这种方式灵活性大，适应性好，效率高。但不易掌握，使用困难，用户需记忆许多命令，一般需要经过一定的培训。2. 菜单方式菜单方式：这是目前普遍使用的一种人机界面，它以菜单的方式告诉用户本系统可以完成的功能。菜单可以分级设置，一个系统可以有一个主菜单和若干级子菜单。当然，如果菜单层次过多，会影响系统的效率。这种方式直观，方便易学，操作失误少，但灵活性差，不能从不同层次进入，速度慢，效率低，修改也比较困难。不过，这些不足正逐渐得到改善。人人机接口常用工作方式：机接口常用工作方式：493. 表格方式表格方式：它原是关系型数据库管理系统的查询语言，用户利用该软件查询时，只需

27、在终端显示屏上以填写表格形式提出要求，系统执行用户要求后显示查询结果。后来这以思想被应用到其他系统上，作为一种人机界面。这种方式直观易学，效率和正确性较高，但要求设备具有制表功能，并只适用于数据驱动的用户接口。4. 图标方式图标方式：它的原理是把人们的各种操作图形化，使用户操作计算机如同现实生活中处理事物一样生动形象。这种方式比较接近现实，方便易学，很受用户喜爱，但灵活性和效率还不够理想。有时由于图标设计与现实操作不完全一致，造成用户理解困难。50一般人们对图形的印象比较深刻，它能帮助人们很容易地了解一个具体的对象，所以在生产系统中图形显示就显得十分重要。利用图形显示一台设备和设备的运动过程，

28、这就可以使操作员直接广泛地了解当时的加工过程，增加生产过程的透明度。二、图形交互的对话方式二、图形交互的对话方式以图形的变化来动态地显示输送过程或机床的加工过程。使操作员更清楚地了解一个工件的实际情况。除了从视觉上跟踪在加工设备的瞬时状态，人们也可以参与其整个过程。51局域网将分散的自动化加工过程和分散的系统联系在一起，大大改善生产加工的可靠性和灵活性，具有适应生产过程的快速相应性能，并充分利用资源、提高效率。计算机网络是指计算机之间联系的结构形式。计算机多网控制系统的有效性和柔性主要取决于通信网络的结构形式。三、多级分布式计算机系统的网络结构三、多级分布式计算机系统的网络结构常见的网络布局有

29、三种形式：星型网结构、多点网结构和环型网结构。52星型网星型网 由一台中央计算机与若干台与其连接的外围设备组成。多层次的星型网可构成树型网。这种网络的主要缺点是在计算机出现故障时，整个网络都将停止工作。多点网多点网 计算机和其他设备都用单一的通信线相连在一起，该通信线可以是总线，也可以是串行通道。这种结构的缺点是在同一时间内只允许两台设备间的数据传输。环型网环型网 每一台计算机都连接在一条环形通信线上，它是一种典型的由一台计算机来维持对多台计算机之间的相互通信的控制。53主机主机从设备从设备主机主机从设备从设备主机主机从设备从设备从设备从设备从设备从设备星型网星型网54主机主机从设备从设备主机

30、主机从设备从设备主机主机从设备从设备从设备从设备从设备从设备数据线数据线从设备从设备从设备从设备数据线数据线从设备从设备从设备从设备数据线数据线多点网多点网55环型网环型网主机主机从设备从设备主机主机从设备从设备从设备从设备从设备从设备从设备从设备从设备从设备从设备从设备从设备从设备环总线环总线环总线环总线从设备从设备从设备从设备56为了摆脱不同厂商生产的计算机间互不通信的困境和实现计算机集成制造系统网络各层次、各工作站或加工点间的通信，当前国际上已研究出许多网络通信和接口协议，其中以美国通用汽车公司的MAP ( Manufacturing Automation Protocol )、波音公司

31、的TOP ( Technical and Office Protocol )最为著名。MAP协议能用于工厂范围内制造领域的通信，TOP协议更适合于控制网络中上层的事物处理。以上两个通信协议都是基于国际标准组织（ISO）的“开放系统互连（OSI）”七层模型建立的。四、网络通信协议四、网络通信协议57开放系统互联开放系统互联( OSI )模型结构模型结构应用层应用层表示层表示层会话层会话层转移层转移层网络层网络层数据连接层数据连接层物理层物理层58应用层应用层 面向工厂各类自动化设备，如机器人控制器，可编程控制器。表示层表示层 确定信息的代码和格式，完成数据的改变和转换操作，以消除计算机系统在字符

32、编码、数据表示、字长等方面的差异，使之能彼此识别对方的信息。会话层会话层 控制通信，用符号名查询节点，能够跟踪柔性制造系统的请求和回答，以及必要时重新对话一次。转移层转移层 管理数据和程序包，使它在转移过程中不被中断地达到接收的节点，并能够进行失误侦查。59网络层网络层 保证程序包正确无误地由发送节点到达接收节点。数据连接层数据连接层 校正传输误差，保证向高层次提供一条无差错的传输路线，为网络的正常运行提供高质量的数据通信。物理层物理层 系统协议的最底层，组成计算机网络的基础。定义传输线和接口硬件的机械、电气特征及功能，使所有厂家生产的计算机和通信设备能从传输设备和接口上兼容。60在自动化生产

33、系统中，信息的集成和共享是关键，一个企业的信息如果能够借助计算机系统在整个企业范围内进行高速、正确的交流和共享，就能大大提高系统运行效率和整个企业的自动化程度。数据库系统就是实现信息集成、交流和共享的关键。企业经营部门的数据统称为生产经营数据。包含财务、人事管理、零件供销及运输，以及生产计划控制。一、数据的类型一、数据的类型（一）生产经营数据（一）生产经营数据61包括用来描述技术产品功能和结构外型的数据。有零件明细表、标准零件等数据，每个零件都用几何数据、材料数据和加工数据说明。还包括一些工艺说明，对几何表面的质量要求提出的一些加工要求。（二）产品定义数据（二）产品定义数据反映生产中发生的各种事件。大部分来源于生产系统的自动检测和监控系统。包括与设备状态、系统状态有关的生产数据，与管理有关的加工任务数据、人员数据，与工艺有关的设备数据、加工时间、停机时间等等