清华大学制造系统第03章-制造系统的体系结构与运行原理

第三章制造系统的体系结构与运行原理3-1概述3-2现代制造系统的总体结构3-3单元级制造系统的结构与运行原理3-4车间级制造系统的结构与运行原理3-5工厂级制造系统的结构与运行原理3-6跨企业与全球制造系统3-1

概述

现代制造系统在结构上具有多样性是造成其问题求解复杂的主要原因之一。因此，如何从总体结构方面找出所具有的共性规律，具有重要意义。

制造系统的体系结构是对制造系统在总体结构方面所具有的共性规律的描述，是现代制造系统理论基础的重要内容之一。研究体系结构的目的在于揭示制造系统在总体结构方面所具有的规律性和本质特征，从而为解决制造系统的分析、设计、管理和控制等问题提供必要的依据。另一方面，制造系统的复杂性还体现在它所具有的多层次性。因此，在掌握制造系统总体结构方面规律的基础上，进一步了解制造系统各组成层次上的体系结构和运行规律，对于我们更好地驾驭整个制造系统亦具有重要意义。本章内容包括：（1）现代制造系统的总体结构（2）单元级制造系统的结构与运行原理（3）车间级制造系统的结构与运行原理（4）工厂级制造系统的结构与运行原理（5）跨企业与全球制造系统的结构与运行原理3-2

现代制造系统的总体结构

由于现代制造系统的复杂性，要清楚了解其体系结构，必须从多视角去观察。由此形成了描述制造系统体系结构的多种视图。其中使用较多的有功能视图、组织视图和资源视图。一、制造系统的功能视图

功能视图主要是以制造系统的功能为主线，来描述制造系统的体系结构。图3-1现代制造系统功能的宏观描述制造模式其它资源政策现代制造系统（运行）市场信息客户信息制造物料法规标准规范输出信息服务合格产品废弃物设备软件组织图3-1展开后，可得图3-2所示的更详细的功能描述。

图3-2现代制造系统功能描述

图3-3经营管理功能描述

图3-4设计工艺功能描述

图3-5生产管理功能描述

图3-6产品生产功能描述

二、制造系统的组织视图

组织视图描述了制造系统的组织结构。由于制造系统的组织结构是根据制造模式确定的，而近三十年来制造模式的研究非常活跃，成果层出不穷，因此许多制造企业都采用了更为先进的制造模式，使得近年来现代制造系统的组织结构已从传统的递阶结构发展成为多种形式的组织结构。1.递阶结构

递阶结构是最为常见的制造系统组织结构。2.分布式结构

制造系统的一种分布式组织结构如下图所示。制造系统运行管理包括经营管理和宏观生产管理，具体的生产管理权限下放给独立制造岛。

......独立制造岛的基本结构3.网络结构

4.动态联盟结构动态联盟组织结构是面向敏捷制造的一种新型组织结构

三、制造系统的资源视图

制造系统的资源视图用于描述系统内资源的构成和流动。

现代制造系统的资源主要包括信息、物质、能量和资金等。这些主要资源在制造系统中的流动过程如图3-12所示。

在上述几种制造资源中，信息流和物料流相对比较复杂，本节将对其作重点介绍。

图3-12主要制造资源在制造系统中的流动过程

1.制造系统的物料流

2.制造系统的信息流3-3单元级制造系统的结构与运行原理

一、单元级制造系统的基本概念

单元级制造系统（或称制造单元）是最基层的制造系统。从广义上看，工段、班组、FMS、CIMS中的制造单元等，都可看作为单元级制造系统。由于单元级制造系统是组成更高级制造系统的基础，因此建立合理的单元级制造系统，并实现单元级制造系统的优化管理与控制对于使整个制造系统发挥出高效益具有重要意义。

单元级制造系统的功能

根据上级的指令信息和技术信息，完成从原材料到成品的物理转换。

单元级制造系统的基本结构可用图3-16所示的模型表示。该系统由n个工作站（如加工工作站、清洗工作站、检验工作站等）、一个装工件站（包含若干工位及工人、机器人等）、一个卸工件站（包含若干工位及工人、机器人等）、一个集中缓冲托盘站（包含若干存放托盘和零件的缓冲工位及装卸装置），以及m个运输装置（如人力运输装置、自动小车、搬运机器人等）等组成。二、单元级制造系统的基本结构

图3-16制造单元的基本结构

L：

装卸站（入）

U：装卸站（出）

P：托盘站W：工作站

V：运输装置

Q：工件队列

零件在制造单元中的流动过程如下：（1）工件（毛坯或半成品）由系统外部送入系统输入端的输入缓冲区中，等待进入系统；（2）由装卸站的工人或机器人将零件（毛坯或半成品）装上夹具和托盘，等待运输装置送往工作站；（3）由运输装置将零件送往指定的工作站前的缓冲器，等待加工；（4）由工作站的装卸装置（如自动托盘交换装置、机器人等）将工作站缓冲器中的零件送上机床进行加工；（5）若零件完成所有加工工序，则由运输装置送往卸卡站缓冲器，等待出线，否则由运输装置送往下一工序工作站缓冲器或系统集中缓冲托盘站等待进一步加工，即转向（3）；

（6）由装卸站将已完成本次入线加工任务的工件从夹具和托盘上卸下，若该工件已完成全部加工任务，则将其出系统外，否则将其重新送回输入缓冲区等待再次进线加工，即转向（1）。

单元级制造系统的运行过程包括物料加工和管理控制两条主线。

物料加工主线主要完成两方面任务：一是完成与单元级制造系统相关的物料输送任务，如将外部原材料输入系统、将加工好的成品零件输送出系统，将在制品在系统内各工作站间传递和输送等；二是根据控制指令和设计、工艺要求完成零件各工序的加工处理任务。

三、单元级制造系统的运行原理

按照上级下达的生产指令，对单元级制造系统内的相关活动进行有效控制，以按规定的生产控制与管理目标高效益地完成全部生产任务。其主要内容包括：对给定生产任务的优化分批，实施单元内工作站和其它设备资源的合理分配和利用，对单元内的作业和资源进行动态调度，对系统的运行过程进行实时监控。此外，还需将单元级制造系统的运行状况向车间级管理控制系统实时反馈。

单元级制造系统管理控制的主要任务单元级制造系统的运行过程3-4车间级制造系统的结构与运行原理

一、车间级制造系统的功能

车间级制造系统的基本功能是组织和管理制造单元的运行，最优完成上级下达的生产任务。

二、车间级制造系统的组织结构三、车间级制造系统的运行原理

在大制造概念下，工厂级制造系统是一个完善的制造系统，它可完成将制造资源（包括制造信息、原材料、能源等）转变为可用产品并保证其正常使用的全过程。

一、工厂级制造系统的组织结构

随着制造模式的不同，工厂级制造系统的组织结构有