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1、1 绪论1.1 制造自动化概述 制造自动化的发展和计算机集成制造自动化技术是当代发展快速、应用广泛、最引人瞩目的技术之一，是推动新技术革命和产业革命的核心技术，而制造技术标记着一个国家创建财宝和为科学技术发展供应先进手段的实力。在制造业中广泛应用自动化技术，可以提高产品质量、削减原料和能源消耗、降低生产成本、缩短生产周期、改善劳动条件，从而提高企业的生产实力和经济效益。20世纪30年头至50年头，由机械式或液压式自动车床、组合车床以及专用机床组成的单品种生产自动线，使很多机械繁重的体力劳动为机器所替代。这种称为刚性自动生产线的自动化生产技术有固定的生产节拍，利于困难产品以合理的成本进行大批量生
2、产，却不能有效的应用于中、小批量产品生产中。60年头，国外制造业广泛采纳自动生产线进行大批量生产后，人们渐渐意识到:大批量生产只占整个制造业的1525，而中、小批量生产所占的比例高达7585。基于上述需求，人们起先寻求新的制造原理和生产方式，数控加工、柔性制造等新技术应运而生，并被应用到制造业中以解决所面临的一系列难题，使得只需变更少量软件程序即可加工新的零件，大大提高了加工的敏捷性。然而，这些技术离散的分散在制造业中，只能使局部生产达到自动限制和最优化，不能使整个生产过程长期处于最优状态下运行，加之随着社会和科学技术的发展，世界市场向动态、多变型发展，竞争越来越激烈，制造企业为在竞争中求得生
3、存和发展空间，须要进一步缩短产品研制周期和交货时间，提高质量，降低成本，单机自动化和局部自动化技术渐渐显得满足不了制造业飞速发展的须要。80年头，工程技术人员起先重视Joseph Hawing ton博士在其Computer Integrated Manufacturing一书中首先提出的CIM (Computer Integrated Manufacturing，计算机集成制造或计算机综合制造)理念：1.企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动是一个不行分割的整体，要紧密连接、统一考虑:2.整个制造过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程，
4、最终形成的产品可看作是数据的物质表现。在此基础上建立了全新的CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems,计算机集成制造系统)制造模式,并使CIM, CIMS在实践中被广泛接受，不断丰富、发展和完善，以至于现在还没有一个公认的CIM和CIMS定义。1986年，我国863/CIMS主题也以促进我国企业的信息化、现代化为宗旨提出了CIMS支配，并从1989年起先实施应用示范工程。纵观CIMS应用示范工程十几年的实施状况可以看出，实施CIMS的企业如成都飞机工业公司、沈阳鼓风机厂、北京第一机床厂、咸阳偏转线圈厂、兰化化纤厂等，无论是几百人的中小企业还是
5、几万人的大型企业，无论是离散型制造企业还是连续型、混合型或者其它类型的制造企业，无论是少品种大批量还是多品种小批量企业，无论是国有企业还是民营企业、合资企业、乡镇企业，大多数都获得了明显的经济效益和社会效益。几十家制造企业的实践不但增加了实施企业的竞争实力，促进了我国CIMS技术的理论探讨及产业发展，为我国企业实现向市场经济和集约化生产的根本转变供应了一条有效途径，也使CIM和CIMS理念及其支撑技术有了更大的发展。依据国内外多年的推广实践，可将CIMS概括为:CIMS是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式，它以计算机网络和数据库技术为基础，将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技
6、术、系统工程技术等有机结合，利用计算机软硬件将制造企业的经营、管理、支配、探讨开发、产品设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动集成起来，将各种局部自动化系统集成起来，将各种资源包括企业信息资源、硬件设备资源和人力资源集成起来，实现整个企业的信息集成和功能集成，达到企业全局优化和提高企业综合效益的目的。 CIMS及MAS的系统构成市场信息 一个制造企业从功能上看，包括设计、制造和经营管理三个方面;同时，由于产品质量是企业的生命，因此，常常也把质量保证作为企业功能主要方面之一。为了实现上述企业功能的集成，还须要管理信息分系统（MIS）制造自动化分系统 MAS网络分系统原材料工程设计自动化分系统3
7、C技术信息数据库分系统产品质量保证分系统CAQ质量文件 图11 CIMS系统的构成有肯定支撑环境网络技术、数据库技术和指导集成的系统技术。据此，CIMS通常由管理信息分系统(MIS)、产品设计与工程设计自动化分系统(CAD/CAM/CAPP，简称3C )、制造自动化分系统(MAS)、质量保证分系统(CAQ)以及计算机网络(Net)和数据库分系统(DB)等6个部分有机的集成起来。图1-1表示了CIMS中6个分系统的功能。图中，制造自动化分系统(Manufacturing Automation System, MAS). 是CIMS系统的应用子系统之一，主要指制造企业中工件产品加工或装配的自动化部
8、分，它是制造系统中物料流和信息流的交汇点，实现设计及管理的指定任务，将制造现场的设备、装置、工具、人员及相应信息、数据以及相应的系统体系结构和组织管理模式等不同信息(包括实时的或经过初步分析处理的)反馈到相应的部门，完成将毛胚加工成合格零件并装配成部件以至产品的全过程，并以整个生产线上的全部生产设备的过程限制信息为主，实现生产支配、生产过程管理以及产品质量管理全过程的信息集成。虽然MAS分系统所涉及的领域范围可以从体系结构、系统构成、信息流、物料流等不同角度进行描述，但从这些不同的角度对MAS的功能描述却是完全一样的，因而一般说来，一个完整的MAS分系统总是主要由以下几个子系统组成:1.制造设
9、备子系统:这部分是制造自动化系统的硬件主体，主要包括:专用自动化机床、组合机床自动线、加工中心(MC)、计算机干脆数控系统(DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)等加工设备，以及测量设备、协助设备、夹具装置等。2.物料运输与存储子系统:包括传送带、有轨小车、自动导向小车、立体仓库、搬运机器人、托盘站等。3.制造信息子系统:这部分实现制造信息的获得、分析、处理以及各种信息交换、物料流的管理、制造过程的监测与限制，是MAS的核心，也是整个MAS能否正常工作和优化运行的关键，包括计算机限制系统、数据库管理系统、网络和通信系统。4.制造过程调度与限制:这部分的目标是通过对制造过程中物
10、料流的合理支配、调度与限制，缩短产品的制造周期，降低在制品库存，提高生产资源的利用率，最终达到提高CIMS生产效率和产品质量的目的。1.2 本文所探讨的问题及其意义 CIMS所探讨的问题CIMS是一个大型的困难系统，包括人与机构、经营 、技术三要素。其中人与机构包括组织机构及其成员，经营包括目标和经营过程，技术包括信息技术和基础结构（设备、通信系统、运输系统等运用的各种技术）。三要素之间如图12所示，在三要素的相交部分需解决四类集成问题：1.使有技术以支持经营2.运用技术以支持人员工作3.设置机构人员协调工作支持经营4.统一管理并实现经营、人员、技术的集成优化运行目前，CIMS并不过分强调物流
11、自动化，而是侧重于以人为中心的适度自动化，即强调人、经营、技术三者的有机集成，充分发挥人的作用。经营 3 14 技术人员机构2图12 CIMS的三要素 本文所探讨问题的意义作为CIMS的重要组成部分，MAS是衡量工业企业现代化生产技术水平的一个很重要的指标，也是企业进行质量限制、技术管理以及提高生产效率和经济效益的有效手段。然而，在全新的CIMS模式下要实现生产线的自动化和智能化还存在很多问题。主要有：国内购置和开发的设备尚未进行生产，须要进一步的开发或改造，从国外引进的八十年头的设备，虽然具有肯定的自动化水平和独立工作的实力，但由于当时相关技术和限制策略的制约，自动化程度比较低加之各设备的工
12、作相互独立，缺乏合适的通信协议和高速传输速率，使得各工艺过程的数据交换与综合处理难以实现，拆运过程中又有部分零件遗缺或损坏，很多设备资料不全等，给整个开发过程的设备复原、自动化改造及设备与限制模块之间的通信带来了很多困难。为了适应当今企业生产的要求，必需对系统进行全面的自动化改造。而且在技术先进的同时尽可能达到绿色或无污染。此外，有些新开发的设备和生产线虽然已具备局部数据共享及综合管理水平，但缺乏系统整体规划彼此独立，为过程质量管理与跟踪及生产调度带来困难。为了确保生产状态的长期一样性与稳定性。须要建立一种基于现场的全局信息集成方式。在实现信息集成的同时实现部分功能的集成。因此，针对企业技术现
13、状和特点，妥当对待和解决分系统建设中存在的问题，完成生产过程的信息限制、检测、管理与有效集成，实现关键设备及主要生产线的自动化和生产过程限制的智能化与自动化。建立一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的生产企业，保证企业生产状态长期一样性与稳定是MAS的探讨所在，也是企业生产和将来发展的“瓶颈”所在。1.3 MAS的功能及关键技术 MAS的主要功能在CIM哲理和CIMS框架下本着系统集成目标而设计的制造自动化分系统是CIMS中信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地。制造自动化分系统在计算机的限制与调度下依据产品的工程技术信息、车间层的加工
14、指令完成对原料加工的调度及制造。实现设计及管理中的指定任务，并将制造现场不同信息实现或进行初步处理后反馈到相应的部门，使产品制造活动优化、周期缩短、成本降低、柔性提高。其功能可以涵盖以下：(1)编制生产作业支配，优化调度限制(2)协调限制工作流、原料流、产品流(3)管理安排作业数据、NC程序、原料数据、产品数据(4)限制与管理产品质量(5)系统的操作管理及系统状态监控和故障诊断处理(6)完成生产数据采集及评估(7)与上级计算机通信对于不同企业来说，加工的制造产品的设备及其限制策略可能大不一样，但对实现CIMS的目标而言，建立具有标准联网接口的单机自动化生产监控、协调及诊断系统却是MAS分系统的
15、共同功能。因此， 依据企业生产加工的工艺过程，结合CIMS的建设基础条件和建设目标，在MAS系统中主要实现以下主要功能：(1)单工艺环节生产自动化单工艺环节的生产自动化主要是指重点工艺环节以及某些工艺环节的参数与设备状态量的自动检测和自动记录。(2)部分工艺环节的半自动化生产部分工艺过程主要工作包括工艺参数设置、生产过程监控、在制品生产过程记录以及设备运行状况的监控等。由于受生产设备技术条件约束，目前只能实现部分自动化，一部分工作还须要人工参加。(3)基于现场的信息集成在单工艺环节生产自动化和部分工艺环节半自动化的基础上利用先进的计算机限制系统和网络通信技术将企业各部分生产活动所需的信息和各种分散的自动化或半自动化生产系统连接起来，实现系统数据与信息的有机集成。(4)生产过程全线自动化通过建立不同级别的工作站实现各工艺环节生产数据的统一管理和综合利用，并对生产过程进行全线检测和智能限制。 MAS设计中的主要探讨工作和关键技术1.方案的确立由于MAS开发过程的困难性以及大量投资所带来的巨大风险要求开发设计人员在每个发展阶段都应尽可能考虑的全面一些，尽可能的为后一或后几个阶段的工作打好基础。因此，在MAS设计中应深化生产线场了解产品加工过程的关键工艺、限制要求和系统
