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数字化设计与制造技术 制造自动化技术,目录,概述柔性制造系统（FMS）计算机集成制造系统（CIMS）,制造自动化技术概述,制造自动化的定义及内涵制造自动化技术的发展历程制造自动化技术的国内外研究现状制造自动化技术的发展趋势,制造自动化制造自动化,制造目前对制造有两种理解：一、是通常的制造概念，指产品的“制作过程”或称为“小制造概念”，如机械加工过程；二、是广义制造概念，包括产品整个生命周期过程，又称为“大制造概念”。实际应用中，两者皆在使用，其概念范围视具体情况而定。,自动化是美国人D.S.Harder于1936年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。这实质是早期制造自动化的概念。,什么是制造自动化？,(1)在形式方面，制造自动化有三个方面的含义：代替人的体力劳动。代替或辅助人的脑力劳动。制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。,(2)在功能方面，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系的一部分。制造自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。此体系可用如右图所示的功能目标模型描述。,TQCSE模型 T表示时间(Time)，Q表示质量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服务(Service)，E表示环境友善性(Environment)。,(3)在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而是涉及产品生命周期所有过程。,自动化制造的意义提高生产率缩短生产周期提高产品质量提高经济效益降低劳动强度,自动化制造的意义有利于产品更新提高劳动者的素质带动相关技术的发展体现一个国家的技术水平,制造自动化技术的发展历程,回顾历史，制造自动化技术服务的生产模式经历了三个主要发展阶段:1 用机器代替手工，从作坊形成工厂。2 从单件生产方式发展到大量生产方式。3 从大量生产方式发展到多品种、小批量的柔性化、集成化生产方式。1760 年由于蒸汽机的出现而导致的工业革命揭开了工业化的序幕，从此使制造技术进人了第一阶段,1952 年美国麻省理工学院研制出的第一台数控铣床揭开了柔性自动化的序幕；70 年代初柔性自动化进人了生产实用阶段；近 20 多年来，柔性自动化有了飞速的发展，从单台数控机床到加工中心、DNC、柔性制造单元、柔性制造系统和计算机集成制造系统；到 90 年代更是向敏捷化、网络化、虚拟化、智能化等方向发展。,分析上述生产模式的发展历史和发展趋势，可以看出，制造自动化的历史和发展可分为五个台阶。,刚性自动化单机刚性自动化系统,数控机床加工中心自适应控制机床工业机器人计算机数控,分布式数控DNC柔性制造单元柔性制造系统柔性自动线,柔性自动化水平,1870年,50年代初,60年代中,80年代初,90年代中,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,未来发展,计算机集成制造系统CIMS,智能集成自动化制造系统,时间,机械控制电液控制,数字控制,计算机控制,计算机分布式递阶控制,计算机智能控制,自动化制造的发展历史,制造自动化技术的国内外研究现状,国内外对制造自动化技术的研究非常重视，主要表现在以下一些方面：1单元系统的研究占有很重要的位置2制造过程的计划和调度研究十分活跃，但实用化的成果还不多见 3柔性制造技术的研究向着深度和广度发展4制造系统的系统技术和集成技术已成为制造自动化研究中热点问题5更加注重制造自动化系统中人因作用的研究6适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起7底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃,制造自动化技术的发展趋势,发展趋势可用“六化”简要描述。即：制造全球化制造敏捷化制造网络化制造虚拟化制造智能化制造绿色化,柔性制造系统（FMS）,概述FMS的组成FMS的分类与应用FMS的发展,概述,柔性制造系统的概念柔性制造系统的发展历程,柔性制造系统的概念,柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物流储存系统和一组数字控制加工设备组成、能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，即Flexible Manufacturing System，英文缩写为FMS。,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。,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,柔性制造系统的发展历程,1967年，英国莫休斯公司首次根据威廉森提出的FMS概念，研制出了“系统24”。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。70年代末期，柔性制造系统在技术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35台设备组成的柔性制造系统为最多，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的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。,FMS的组成,一个柔性制造系统（FMS）可概括为由下列三部分组成：多工位数控加工系统、自动化的物料储运系统和控制与管理系统,三个子系统构成了制造系统的能量流（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）。,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。,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,FMS的分类与应用,1.FMS的分类 按规模大小，FMS可分为如下三类。1）柔性制造单元（FMC）FMC如图，由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的CNC机床组成，具有适应加工多品种产品的灵活性。,2）柔性制造系统（FMS）通常包括3台以上的CNC机床（或加工中心），通过集中的控制系统及物料系统连接起来，可在在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。值得一提的是由于装配自动化技术远远落后于加工自动化技术，产品最后的装配工序一直是现代化生产的一个瓶颈问题。研制开发适用于中小批量、多品种生产的高柔性装配自动化系统，特别是柔性装配单元（FAC）及相关设备已越来越广泛地引起重视。,3）柔性制造线（FML）是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线，对物料系统的柔性要求低于FMS，但生产效率更高。如图所示为加工244FM摩托车发动机气缸的柔性制造线。,2.FMS的应用 从加工领域看，现在的FMS不仅能完成机械加工，还可应用于饭金加工、锻造、焊接、装配、铸造和激光、电火花等特种加工，以及喷漆、热处理、注塑和橡胶模制造等加工领域。从生产产品看，现在的FMS已不再局限于汽车、机床、飞机、坦克、火炮、舰船、拖拉机等产品的制造，还可用于计算机、半导体、木制产品、服装、食品/饮料以及医药和化工等产品的生产。据统计，1994年初，世界各国已投入运行的FMS约有3000多个。其中日本拥有2100多个，占世界首位。,FMS的发展,FMS发展方向集中在以下几个方面：1）小型化、单元化 20世纪90年代开始,FMS由大型复杂系统，向经济、可靠、易管理、灵活性好的小型化、单元化FMC方向发展。2）模块化、集成化 以模块化结构（比如将FMC,FMM作为FMS的基本模块）集成FMS、再以FMS作为制造自动化基本模块集成CIMS是一种基本趋势。3）开放式 开放式FMS系统强调5个方面的性能特征：即插即用；可移植性；可扩展性；可缩放性；互操作性。,计算机集成制造系统,概述CIMS的组成与体系结构CIMS的现状与发展CIMS的实施方法明确用户需求可行性论证初步设计详细设计工程实施系统的运行和维护,概述,CIMS的产生CIMS的发展策略CIMS的定义CIMS的效益,概述,CIMS的产生随着自动化技术、计算机技术和机械制造业的飞速发展，出现了“自动化弧岛”。如由加工中心、机器人、物料储运系统组成的FMS，CAD和CAM通过CAPP集成的CAD/CAM系统，以MRP II为核心发展起来的企业信息管理系统等。它们相对独立、易于控制、具有完整的功能模块、具有便于相互连接的接口。随着现代制造技术与信息技术的结合，人们提出了CIMS的现代制造企业模式。CIMS在这些“自动化弧岛”技术的基础上，从市场分析、产品设计、生产规划、制造、质量保证、经营管理到产品售后服务等，通过数据驱动形成一个有机整体，以获得一个高效益、高柔性、智能化的大系统。,CIMS的发展策略1）美国 1976年，美国空军制订了集成计算机捕助制造计划ICAM（Integrated Computer Aided Manufacturing），该计划提出了著名的结构化分析设计方法IDEF（ICAM Definition Method），并于1990年在道格拉斯飞机公司建立了CIMS工程。1986年，美国国家标准技术研究院实施的自动化制造技术研究基地（AMRF）计划，提出了CIMS的五层递阶控制结构，至今仍然是CIMS的参考控制结构，获得广泛应用。,2）欧盟 1984年，发起了欧洲信息技术研究发展战略计划（ESPRIT），在CIMS发展方面制订了专门计划。提出的CIMS开放体系结构（CIM-OSA），为CIMS建模提供了统一描述框架和集成基础结构，已被国际标准草案所采纳，得到广泛应用。,3）日本 从1980年起，实施包括订货、设计、加工、装配等功能在内的工厂自动化（FA）计划，建立了多个自动化程度较高的无人生产车间。日本政府于1988年提出了智能制造计划（IMS），该计划的目的在于融合日、美、欧各先进工业国家的技术优势和研究开发方法，致力于面向2l世纪的生产系统研究，克服影响制造业生存的各种共性问题，使生产基础技术真正成为人类共同财富和国际公认标准，以推动世界制造业的发展。,4）中国 1986年制订国家高技术发展计划（863计划），CIMS是其中一个主题。我国的863/CIMS主题发展战略目标是：首先建立CIMS工程研究中心及相应的单元技术研究实验基地，进行CIMS关键技术研究；同时选择有条件、有需求的若干个企业开展CIMS应用示范工程，并使之取得经济与社会效益。在上述基础上，逐步推广并实现CIMS产业化工程。1990年起，863/CIMS主题在全国范围内选择了一批企业作为863/CIMS典型应用企业。截至1995年底，首批CIMS典型应用企业中，成都飞机工业公司CIMS工程，北京第一机床厂CIMS工程，沈阳鼓风机厂CIMS工程分别通过科技部验收和各部、委的成果鉴定，取得了显著的经济和社会效益。其中北京第一机床厂CIMS工程还荣获了美国制造工程师协会（SME）颁发的1995年“CIMS工业领先奖”。,3.CIMS的定义计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的概念是1973年由美国学者Joseph Harrington率先提出的，它包含两个基本观点：（1）系统的观点；（2）信息的观点。,1998年，我国制定的CIMS的定义为：将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段；通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组织、管理），经营和技术三要素的集成，以加强企业新产品开发的时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）、环境（E），从而提高企业的市场应变能力和竟争能力。这实质上已将计算机集成制造发展到了现代集成制造。,CIMS的效益1）美国 美国国家科研委员会对CIMS实施方面处于领先地位的五家公司，包括麦道飞机公司、通用汽车公司、迪尔拖拉机公司、英格索尔铣床公司和西屋电子公司的长期跟踪调查，1985年的分析表明：工程设计成本降低了15%60%；生产周期缩短了30%60%；生产率提高了40%70%；在制品数量减少了30%60%；产品质量提高了25倍；工程技术人员工作能力提高了335倍；设备利用率提高了23倍；人力费用减少了5%20%。,2）日本 富士通公司的试点工厂运转一年半后，分析效益如下：生产率提高2倍；作业日基准数降低50%；生产人员减少50%；库存减少35%；废品率降低为原来的1/3。,3）东方电机DFEM-CIMS DFEMCIMS提高了产品设计开发与创新能力，设计周期在原来612个月的基础上普通缩短3个月。实现重大质量事故为零的突破，全面提高了产品质量。DFEM-CIMS建立的信息系统提高了我国大型水轮发电机组的设计和制造水平，使企业具备了设计制造三峡水轮发电机组和700MW巨型水电机组的生产能力。DFEM-CIMS的实施与应用取得了显著的经济效益和社会效益。,CIMS的组成与体系结构,CIMS的三要素CIMS的基本结构CIMS的组成分系统,CIMS的组成与体系结构,CIMS的三要素通常认为系统集成包括经营、技术及人/机构三个要素，如图。这三个要素相互作用、相互支持，使制造系统达到优化。根据这三个要素相互间的关系，可以看出存在四类集成的问题。,（1）利用计算机技术、自动化技术、制造技术及信息技术等支持企业达到预期的经营目标。如缩短产品设计与开发周期，提高产品质量，减少库存量等。即经营目标是企业建立集成的目的，而技术则仅仅是一种手段。（2）利用技术支持企业中各种人员的工作，能互相配合，协调一致，例如通过共享数据库使产品设计人员能及时了解产品制造的可行性。（3）通过改进组织机构、培训人员及提高人员素质，支持企业达到经营目标，即人/机构和技术一样也是实现集成的一个重要手段。（4）统一管理并实现经营、人/机构及技术三者的集成。,CIMS的基本结构1993年美国提出了新版的CIMS轮图来表示其结构。,第一层是驱动轮子的轴心顾客。迅速而圆满地满足顾客的愿望和要求。市场是企业获得利润和求得发展的基本点。第二层是企业组织中的人员和群体工作方法。在多变的、竞争激烈的市场中，企业中的每个人都必须具有市场意识，每个职工都要了解市场的变化以及企业在市场中的地位、本职工作和市场竞争能力的关系。企业的成败关键不是技术，而是人和组织。第三层是信息（知识）共享系统。信息是企业的主要资源，现代企业的生产活动是依靠信息和知识来组织的。在传统的生产方式下，信息冗余量大，传递速度慢，共享程度很低。现代制造企业一定要建立个信息和知识共享系统，它是以计算机网络为基础的，并且有使用操作方便和可靠的系统，使信息流动起来，形成一个连续不断的信息流，才有可能大大提高企业的生产和工作效率。,第四层是企业的活动层，可划分为三大部门和15个功能区。这15种功能都是企业在市场竞争中必不可少的。第五层是企业管理层，这一层应该是很薄的、但卓有成效的一层，是企业内部活动和企业所在环境的接口。企业管理层是把原料、半成品、资金、设备、技术信息和人力资源作为投入，去组织和管理生产，并将产品推出到市场销售。第六层是企业的外部环境。企业是社会中的经济实体，受到用户、竞争者、合作者和其他市场因素的影响。例如老用户和新用户的各种需求，原料和外购件的供应渠道，推销和代理商的组织，能源、交通和通讯基础设施的好坏，劳动力和金融市场的变动，大专院校和研究所的支持，政府的经济法规和政治形势的变化等。企业管理人员不能孤立地只看到企业内部，必须置身于市场环境中去运筹帷幄、高瞻远瞩地作出企业发展的决策。,CIMS的组成分系统由生产经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证系统四个功能分系统以及计算机通信网络和数据库两个支撑分系统组成。如图为CIMS的组成框图。,1）管理信息系统（MIS）对企业生产经营的主要作用是：（1）合理安排生产，提高企业生产效率。（2）降低产品的生产成本。（3）提高对客户的服务质量。（4）提高企业的管理水平和管理素质。（5）增加企业的应变能力和竟争能力。2）工程设计自动化系统 工程设计自动化系统实质上是指在产品开发过程中引入计算机技术，使产品开发活动更有效、更优质、更自动化地进行。产品开发活动包括产品的概念设计、工程与结构分析、详细设计、工艺设计以及数控编程等设计和制造准备阶段的一系列工作，即通常所说的CAD、CAE、CAPP和CAM四大部分。,3）制造自动化系统 主要作用可归纳为：（1）实现多品种、小批量产品制造的柔性自动化。制造过程应包括加工、装配、检验等各生产阶段。目前的制造自动化分系统，大部分只实现了加工制造这一个局部的自动化，能实现加工制造、装配及检验全部自动化的系统还很少。（2）实现优质、低成本、短周期及高效率生产，提高企业的市场竞争力。（3）为作业人员创造舒适而安全的劳动环境。4）质量保证系统 其主要功能包括：（1）确定产品质量目标与标准，制订质量计划与检测计划。（2）在企业的内部和外部，通过检测和试验设备以及其他数据源收集质量数据。,（3）把收集到的质量数据转换为所需形式，以评价产品质量，诊断缺陷及其原因。（4）当诊断出缺陷产生的原因后，将有关纠正措施的控制信息传送给相应的部门、人员及设备。（5）为不同层次的质量问题决策提供依据，进行质量优化与决策。5）CIMS数据库系统 组成CIMS的各个功能分系统的信息都要在一个结构合理的数据库系统里进行存储和调用，以实现整个企业数据的集成与共享。数据库系统提供了定义数据结构和方便地对数据进行操纵的功能；具有安全控制功能，保证了数据安全性；提供完整性控制，保证数据的正确性和一致性；提供并发控制，保证多个用户操作数据库数据的正确性。,6）CIMS计算机通信网络系统 计算机网络主要由计算机系统（包括终端设备）、通信传输设备和网络软件组成。计算机系统可以是大型机、中型机、小型机、工作站和个人计算机。终端设备包括各种输入/输出设备。通信传输设备包括传输介质、通信设备和通信控制设备。计算机通信网络技术采用国际标准和工业标准规定的网络协议，可以实现异种机互连、异构局部网络及多种网络的互连。通过计算机网络能将物理上分布的CIMS各个功能分系统的信息联系起来，以达到共享的目的。,CIMS的现状与发展,CIMS的现状CIMS的发展,CIMS的现状与发展,CIMS的现状1）国外 目前，国外关于CIMS的研究和推广应用正向纵深发展。欧美国家的重要理工科大学大都建立了与CIM有关的研究所或实验室；有些大学还开设了CIM相关技术的课程。在制造系统模式方面，国外的研究人员对各种新的制造系统模式，如大批量定制生产模式、敏捷制造模式和可持续发展的制造系统模式等进行了深入的研究。这些研究成果充实丰富了CIMS的内涵。,各种CIMS单元技术，如现代产品设计技术、虚拟制造、并行工程、产品建模技术、面向产品全生命周期的设计分析技术、先进的单元制造工艺、新型数控系统、制造资源计划MRP II、企业资源计划ERP、敏捷供应链管理、企业过程重组BPR、集成质量保证系统和面向产品全生命周期的质量工程等的研究与开发也取得了长足的进步。随着信息技术的发展，系统集成技术领域发展十分迅速。如基于Web技术的制造应用系统的集成、面向对象和浏览器/客户机/服务器及CORBA和COM/OLE规范的企业集成平台和集成框架技术、以因特网和企业内部网及虚拟网络为代表的企业网络技术、异构分布的多库集成和数据仓库技术等。,2）国内 当前，我国CIMS的试点推广应用更进一步，已经扩展到机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、冶金、石油化工等诸多领域，正得到各行各业越来越多的关注和投入。在CIMS 产业化方面，国产CIMS产业已经崛起，初步形成了多个系列的CIMS目标产品，覆盖了企业信息化工程所需软件产品的85%以上。863/CIMS目标产品，已在50%的CIMS应用示范企业得到应用。国内领先的CIMS目标产品开发单位联合形成了一支在市场上可与国外软件竞争的主力军，在国内形成了一支高水平的产品开发队伍。在CIMS的应用方面，我国已在多个省市、多个行业的多个企业实施或正在实施CIMS应用示范工程，其中已有50多家通过验收并取得显著效益。863/CIMS主题在实践中形成了一支工程设计、开发、应用骨干队伍，总结出了一套适合我国国情的CIMS实施方法、规范和管理机制。,CIMS的发展近些年，并行工程、人工智能及专家系统技术在CIMS中的应用，大大推动了CIMS技术的发展，增强了CIMS的柔性和智能性。随着信息技术的发展，在CIMS基础上又提出了各种现代先进制造系统，诸如精益生产、敏捷制造、全球制造等。与此同时，人们不但将信息技术引入到制造业，而且将基因工程和生物模拟技术引入制造技术中，试图建立一种具有更高柔性的开放的制造系统。,CIMS的实施方法,明确用户需求可行性论证初步设计详细设计工程实施系统的运行和维护,1.明确用户需求 其工作流程是：组成工作小组市场分析和变化趋势分析确定企业发展方向，提出初步的具体定量指标确定方针政策编写报告 2.可行性论证 其工作流程有以下几步：组织工作队伍，拟定工作计划分析企业的市场环境，提出经营目标和应采取的市场策略调查和分析企业的内部资源情况，找出瓶颈提出系统建设/改造选型的需求确定目标及主要功能拟定CIMS总体集成方案和技术路线提出系统开发过程中的关键技术项目及解决途径明确组织机构调整或变革需求及可能造成的影响进行投资概算及初步成本效益分析拟定系统开发计划编写可行性论证报告,3.初步设计 其工作流程是：建立初步设计组织系统需求分析设计系统的总体结构确定分系统技术方案设计系统的功能模型初步确定信息模型的实体和联系建立过程模型和提出的其他模型提出系统集成的内部、外部接口需求提出拟采用的开发方法和技术路线提出关键技术及解决方案确定系统配置规划集成环境下的组织机构经费预算技术经济效益分析确定详细设计任务、实施进度计划编写初步设计报告,4.详细设计 其工作流程有以下几步：建立详细设计组织确定系统的详细需求细化系统功能模型完成系统信息模型应用软件系统设计接口设计数据库系统设计系统设备资源设计信息分类编码设计关键技术的研究、试验调整与确定系统组织机构修正投资预算和效益分析，进行资金规划拟定系统实施计划编制详细的系统测试计划编写详细设计报告和文档,5.工程实施 其工作流程有以下几步：修订落实工程实施计划建立集成环境应用系统实施数据库系统实施组织机构的调整落实文档编制和完善,6.系统的运行和维护 其工作流程有以下几步：完善各种操作规程和维护规程做好后备工作技术培训系统运行状况纪录制定维护手册软、硬件资源维护数据库，网络系统软件的维护数据和数据文件维护机构和人员调整定期进行系统运行评价,