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第八章集成制造系统教学目的及要求了解制造系统的构成，系统集成的要求、方式，掌握“集成”的思想了解柔性制造系统、CIMS系统的基本概念了解其它先进制造技术第一节基本概念1.制造系统的构成1)机械制造系统的特征结构方面：制造过程涉及的硬件及相关软件的统一整体功能方面：将制造资源转变为成品或半成品的输入输出系统过程方面：制造生产的运行过程，多个制造环节的统一共同体2)机械制造系统内部的三个组成部分：物料流：加工过程是物料输入和输出的动态过程，这些物料(包括各种材料、工具、量具、夹具以及其他辅助材料)在系统内的运动，构成了物料流。信息流：加工过程中静态信息与动态信息和机械加工过程的各个组成部分之间的交换、交流以及相互作用，构成了信息流。能量流：机械制造系统内各部件的运转所消耗的能量以及加工过程中发生的能量转移构成了系统的能量流。三个组成部分相互联系、相互影响，不可分割。2.集成的概念集成来源于企业的实际需求，是系统概念的延伸，它强调组成系统各部分之间的有机、协调工作已发挥整体效益，达到整体优化的目的。企业实现集成的收获：•减少数据冗余，实现信息共享•便于合理的规划和分布数据•便于进行规模优化•便于实现并行工程，提高效率和效益3.集成的要求和方式集成的要求：•应包括各种加工设备以及通信设备在内的部分或全部硬件资源•应包括软件资源•应建立企业信息模型，做到信息共享•企业各部门应协调一致，各职能紧密联系•强调人的地位和作用方式：硬件集成、软件集成、数据和信息集成、各功能集成、人和组织的集成，尤其是要注意人和组织的集成。第二节柔性制造技术应用计算机辅助制造技术，将数控机床、加工中心、物料自动储存传送装置和辅助控制装置等在计算机的统一控制下，形成柔性加工自动生产线，既柔性制造系统。1.柔性制造技术中“柔性”的概念1)设备柔性：指制造系统中能加工不同类型零件所具备的转换能力，其中包括刀具转换、夹具转换等。2)工艺柔性：能以多种工艺方法加工某一零件组的能力。如镗、铣、钻、铰、攻螺纹等加工。3)工序柔性：能自动改变零件加工工序的能力。4)路径柔性：能自动更变零件加工路径。如遇到系统中某台设备的故障,能自动将工件转换到另一台设备上加工。可以根据负荷,自动改变加工路线,提高利用率,减少等待时间。5)产品柔性：产品改变时能经济、迅速的转产。6)批量柔性：能在不同批量下运行都能获取经济效益。7)扩展柔性：能根据生产的需要组建和扩展生产能力。1)FMC柔性制造单元通常配置有零件缓冲区、刀具自动更换装置的数控机床或加工中心与工件存储运输装置组成。柔性制造单元中数控机床数量约1--3台，具有加工多品种,中小批量灵活的生产能力。可以作为FMS中的基本单元,也可视为小规模的FMS。它的自动化程度略低于FMS,但其投资比FMS少得多，而经济效益相接近。这是中小型企业优先发展的机型,当生产规模扩大时,FMC可以重组和扩展,以适应生产规模的需求。2.柔性制造技术的类型柔性制造系统是由数控加工设备(或FMC),物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。一个柔性制造系统一般可概括为由下列三个部分组成，一是可编程控制的加工系统，二是自动化的物料储运系统，三是计算机控制系统。三个系统的有机结合，构成了一个制造系统的能量流(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)。2)FMS柔性制造系统FMF是FMS扩大达到全厂范围内的生产管理过程。机械加工过程和物料储运过程全盘自动化。它的主要特点是：1)分布式多级计算机系统，生产计划、日生产进度计划的生产管理的主计算机，它与CAD/CAM系统相联，以取得自动编制加工用的数控程序数据。2)FMF全部的日程计划进度和作业可以由主计算机和各级计算机通过在线控制系统进行调整，并可以进行无人化加工。3)CNC机床的数量一般在十几台到几十台。可以是各种形式的加工中心、车削中心、CNC机床等。4)系统可以全自动地加工各种形状、尺寸和材料的工件。全部刀具可以自动交换、自动检测磨损或损坏的刀具，能自动更新废旧刀具。5)物料储运系统必须包括自动立体仓库，以满足存取为数众多的工件和刀具的需求。系统可以从自动立体仓库中提取所需的坯料，并以最有效的途径实现物流和进行加工。3)FMF柔性制造工厂1)加工系统加工系统实际是完成改变物性任务的执行系统，主要由数控机床、加工中心等加工设备(有的FMS还带有工件清洗、在线检测等辅助与检测设备)构成。对加工箱体类零件为主的FMS而言,通常配置数控加工中心,CNC铣床等；对于加工轴类零件为主的FMS,则配有CNC车削中心,CNC车床和CNC磨床；对于加工复杂零件的FMS,由于数控机床的刀库容量有限,必要时要增加机外自动交换刀库。3.柔性制造系统的组成2)物料储运系统FMS中的物料主要指的是工件(毛坯)、刀具、夹具、切屑以及切削液等。物料储运系统就是实现对物料的自动识别、存储、分配、输送、交换和管理的系统。3)计算机控制系统通过主控计算机或分布式计算机系统实现，大多采用3级分布式体系结构，它们是：第一级：设备层第二级：工作站层第三级：单元层单元级控制系统是FMS控制系统核心。第三节计算机集成制造系统美国学者JosephHarrington博士1973年首先提出“计算机集成制造”(ComputerIntegratedManufacturing,CIM)概念，其基本思想是：•企业的各个生产环节是不可分割的，应该加以统一处理；•整个生产过程实质上也是对信息的采集、传递和加工处理的过程，在企业中主要存在信息流和物流这两种运动过程，而物流又是受信息流控制的。“自动化孤岛”1+1=2?将“自动化孤岛”集成在一起将“自动化孤岛”集成在一起CIM和CIMS的定义CIM是一种组织、管理与运行企业的哲理。它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机(硬、软件)，使企业产品全生命周期——市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持(包括质量、销售、采购、发送、服务)以及产品最后报废、环境处理等各阶段活动中有关人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，实现企业制造活动的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。CIMS是一种基于CIM哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成优化的制造系统。对CIM和CIMS的进一步说明•CIM是一种组织、管理与运行企业的哲理。其目的是使企业达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。因此，CIM/CIMS不是企业的目标，而是达到企业目标的手段之一；•CIMS的核心在集成。企业生产过程中的各个环节是一个不可分的整体，要以系统的观点进行优化。此处的优化是指对企业生产过程各阶段活动中有关人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化；•CIM技术是传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等的有机结合，其包括总体技术、支撑技术、设计自动化技术、制造自动化技术和管理自动化技术；•CIMS的主要特点是计算机化、信息化、智能化、集成优化，CIM哲理和相关技术既可用于离散型制造业，也可用于流程和混合型制造业；•CIM是生产力发展的必然结果；CIM不是排他的，如CIM与LP。CIMS输入输出CIMS相关技术CIMS的组成及其功能CIMS包含了一个制造企业的设计、制造、经营管理三种主要功能，要使这三者集成起来，还需要一个支持环境，即分布式数据库和计算机网络以及指导集成运行的系统技术。组成：四个功能分系统管理信息系统(MIS)：以MRPII为核心，CIMS的神经中枢，指挥与控制其它部分的运行。工程设计自动化系统：含CAD、CAPP、CAM三部分。CIMS的主要信息源。制造自动化系统：CIMS信息流与物料流的结合点，CIMS最终产生经济效益的聚集地。质量保证系统：采集CIMS内与质量有关的数据，保障企业生产目标的实现。含决策、检测与数据采集、评价、控制与跟踪几个子系统。两个支撑分系统CIMS数据库系统：支撑系统，CIMS信息集成的关键之一，实现企业数据的集成与共享。一般采用集中与分布相结合的方式。CIMS计算机通信网络系统：CIMS的另一个主要支撑技术，实现各分系统之间的通信、交流，完成系统的集成。CIMS面向功能构成的系统结构为控制CIMS控制系统的复杂性和简化实施，采用横向或纵向的分解与集成，形成多层递阶控制结构或由“核”核若干层外围组成的轮式结构。优点：把CIMS系统分解成几个分系统，减少全局控制和开发的难度。美国制造工程师学会在1985年发表的CIMS最早轮图，含义是十分明确的，即在计算机技术的支持下，实现企业经营、生产等主要环节的集成。CIMS在我国的发展及实施CIMS的效益目标：我国“863计划”中将CIMS确定为自动化领域的主题研究项目之一，并规定了我国863/CIMS的战略目标为：跟踪国际CIMS有关技术的发展；掌握CIMS关键技术；在制造业中建立能获得综合经济效益并能带动全局的CIMS示范工厂，通过推广应用及产品化促进我国CIMS高技术产业的发展。方针：效益驱动、总体规划、重点突破、分步实施、推广应用发展：经过十多年的努力，我国CIMS事业取得了迅速发展，已形成了一个健全的组织和一支研究队伍；实现了我国CIMS研究和开发的基本框架；建设研究环境和工程环境，包括一个国家CIMS实验工程中心和7个单元技术开放实验室，完成了一大批课题的研究工作，陆续选定了一批CIMS典型应用工厂作为利用CIMS推动企业技术改造的示范点；这些工厂包括飞机、机床、大型鼓风机、纺织机械、汽车、家电、服装以及钢铁、化工等行业。效益：实施CIMS的效益主要体现在信息集成的效益上；由于系统集成度提高，使各功能分系统间的配合和参数配置更加优化，各种生产要素的潜力得到更有效的利用，减少实际存在于企业生产中的各种资源浪费，同时使管理科学化，提高企业对市场的响应能力。具体表现在：1)提高产品质量2)提高设备利用率3)提高科学管理水平。实施CIMS后，明显提高企业新品开发能力，提高企业市场竞争能力。产品质量明显提高，交货期短而准确，价格合理，企业的信誉随之提高；CIMS在其发展历程中的主要应用对象是离散型制造业(约占全部制造业的50%)。必须指出CIMS的思想、系统方法和集成技术同样可用于诸如连续型或混合型企业中，国内外在电器、化工、电子元件、钢铁行业中已有不少企业实施CIMS应用工程并取得了成功。第四节其他先进制造技术1.并行工程(ConcurrentEngineering，CE)并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。并行工程的提出顺序生产方式：市场调研—产品计划—产品设计—试制样机—修改设计—工艺准备—正式投产。缺陷：设计过程中不能及早考虑制造过程及质量保证等问题并行工程是对产品及其相关过程(包括制造过程及其它支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化工作模式，其运行机理的要点表现在两方面：一方面突出人的作用，强调人们的协调工作；另一方面，要求一体化、并行地进行产品及其相关过程的设计，尤其注意早期的概念设计阶段的并行与协调。并行工程的核心内容是并行设计，即在产品设计阶段尽可能同时考虑产品生命周期的所有影响，及时全面评价产品设计，提出改进的反馈信息及时改进产品设计，保证产品设计、工艺设计、制造一次成功，以达到降低产品成本，提高产品质量和缩短产品开发周期的目的。产品形成过程昨天-今天-明天产品规划概念设计生产准备详细设计昨天过程序列产品规划概念设计详细设计生产准备PDM数字模型过程管理明天过程流产品规划概念设计详细设计生产准备PD