计算机集成与柔性制造DOC.docx
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计算机集成与柔性制造DOC
第一章绪论
什么是CIMS？
•CIMS－计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystems）
•CIMS－现代集成制造系统（ContemporaryIntegratedManufacturingSystems）
•C是手段M是指大制造（制造业）S是指整个系统I是核心，即通过集成提高制造企业的竞争能力
机械制造业发展的几个阶段
•第一阶段－－手工单件生产第二阶段－－大批量重复生产
•第三阶段－－自动化生产第四阶段－－集成制造
单件手工生产（第1阶段）
•生产流程
–几个主要伙伴讨论用户需求，确定产品规格
–定购主要零件、各个承包商制造零件、汇总安装
•特点
–劳动力在设计、制造工艺水平上较高、组织十分分散
–产量低、价格高、产品维护费用高
•追求的目标
–全面满足客户的要求
–较高的制造装配工艺水平
–产品的机械性能
–
大批量重复生产（第2阶段）
•Ford生产线方式的引入（1908年）
－零件互换、标准化技术的引入
－装配线（固定线－>流动线）
－结果：
生产成本大量下降、生产率提高、产品的维护费用下降、维护方法简化
•特点
－劳动力专业化分工、培训时间缩短
－组织结构一体化、大而全，计划管理，由上而下协调生产组织－>官僚主义，对市场的响应能力下降
－机床的能力不断提高
•大批量生产追求的目标（50年代前）
－大量生产－低成本－提高劳动生产率
自动化生产（第三阶段，50-70年代）
•计算机应用水平提高
–CAD、CAPP、CAM、CAE技术应用
–MRPII技术应用
–车间控制技术
•局部集成技术
–MRPII（计划、物料、库存、生产能力、财务、销售信息集成）
–CAD/CAPP/CAM集成
–FMS、独立制造岛（加工设备、物料传送、仓库存储设备的集成〕
•优化
–MRPII系统优化了物料供应和生产计划
–FMS应用优化了生产调度和控制策略
–车间作业计划与调度系统的应用优化了制造资源分配
集成制造（20世纪80年代后）
•以信息技术为基础，系统集成与优化为手段，以提高企业的市场竞争能力为目标，致力于全面提高企业的T、Q、C、S水平。
•“自动化孤岛”问题：
片面提高自动化水平并不能够带来企业效益的提高
•“信息孤岛”问题：
孤立的信息单元作用有限
•集成成为现代制造业发展的主旋律
信息技术引发了制造业的深刻变革
•信息技术促使工业产品知识化，制造业信息化
–产品信息化
–设计制造过程信息化
–管理信息化
–资源信息化
–服务信息化
•信息技术推动了新技术经济体系的形成
–产生了新的生产管理和组织形式
–形成了当代最先进的生产力
–为制造业注入了新的活力
–增强了制造业的技术创新和管理创新能力。
•信息技术促进了经济全球化与制造全球化。
轨迹：
工具的变革
•计算机软硬件的发展；
•网络的发展；
•自动化装备的发展
轨迹：
生产方式的变革
制造技术的发展方向
自动化；柔性化；智能化；集成化；全球化；微型化；高精度。
刚性自动化数控加工柔性制造计算机集成制造信息化制造智能制造
1.2.1刚性自动化
Ø形式：
自动化单机、自动化流水线。
Ø采用的设备：
专用机床、组合机床。
Ø采用的主要技术：
机械化自动化技术（继电器控制、凸轮等）。
Ø特点：
Ø自动化程度高；
Ø投资巨大；
Ø适应性差；
Ø加工内容简单。
1.2.2数控加工
ØNC（NumericalControl）的产生
CNC（ComputerNumericalControl）的产生
•70－80年代，计算机技术、集成电路技术飞速发展，计算
机变得可靠性高，成本低、体积小、功能强；
•通用计算机替代专用计算机成为可能，PLC技术得到发展；
•CNC机床无论在性能和功能上比NC机床有了很大的发展，
最具代表性的产品是：
CNC车削中心、加工中心（Machining
Center）。
通用计算机替代专用计算机成为可能，PLC技术得
到发展；
1．2．3柔性制造技术
DNC（Distributed/DirectNumericalControl）技术
DNC系统是由一台中央控制器的控制多台NC机床运行，
从而提高NC机床的利用率和生产效率，有两种方式。
（1）群控方式（DirectNumericalControl）
（2）分布式（DistributedNumericalControl）
柔性制造技术（FlexibleManufacturingTechnology）
应用FMS这样的高技术具有投资大、风险高、难度大三大问题。
•FMS（FlexibleManufacturingSystem）
•FTL（FlexibleTransferLine）
•FMC（FlexibleManufacturingCell）
1.3计算机集成制造系统CIMS概述
•基本思想
系统的观点：
企业的各个生产环节是不可分割的，应该加以统一处理
信息的观点：
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。
早期CIM的定义
•CIM是一种组织、管理与运行企业生产的新哲理，
•它藉助计算机硬软件，综合运用与代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，
•将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行，
•以实现产品高质、低耗、上市快，从而使企业赢得市场竞争
几层含义
•CIM是一种组织、管理与运动企业生产的哲理，其宗旨是使企业的产品上市快T，高质量Q、低成本C、服务好S。
•企业生产的各个环节，是一个不可分割的有机整体
•企业生产的要素包括人、技术及经营管理。
•CIM技术是基于现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术的一门综合性技术。
它综合MIS、OA、MRPI-Ⅲ，CAD、CAE、CAPP、CAM，DNC，CNC，工业机器人，FMC、FMS），网络，数据库，标准化，CASE，AI，计算机辅助建模、仿真、实验技术，计算机辅助质量管理与控制等。
•企业生产活动中包括信息流（采集、传递和加工处理）用物流两大部分。
现代企业中尤其重视信息流的管理运行及信息流与物流间的集成。
CIMS定义
•CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）是基于CIM哲理而组成的系统，
•定义为：
“CIMS是通过计算机硬软件，并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程一味有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机物有机集成并优化运行的复杂的大系统。
”
•
1.4现代集成制造CIMS概述
1986年提出了863/CIMS主题计划。
以“发展高科技、实现产业化”为宗旨，科技部和各有关部门的大力支持下，经过相关专家、技术人员和管理人员不懈的努力，立足国情，创新发展，从早期的以信息集成为特征的“计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem）开始，发展到以信息集成和企业优化为特征的现代集成制造系统（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem），走出了一条具有中国特色的CIMS之路，取得重大进展。
时代背景1.全球化趋势2.以客户为中心的市场3.竞争新环境和新形式4.知识经济初露端倪
5.因特网的冲击6.环境保护和可持续发展的呼声日盛
CIM新定义
“CIM是一种组织、管理和运行现代制造类企业的理念。
它将传统的制造技术与现代化信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，使企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）各阶段活动中有关的人（组织、管理）、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流三流有机集成并优化运行，以达到产品（P）上市快（T）、高质（Q）、低耗（C）、服务好（S）、环境清洁（E），进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争”。
现代集成制造系统的特征
•在更高的层次上为企业指出了未来的发展方向
现代集成制造系统以系统论思想为核心
具有集成化、数字化、网络化、敏捷化、智能化和绿色化等特征。
“计算机集成制造系统”到“现代集成制造系统”
信息集成---信息集成和企业优化
CIMS技术
•经营管理与决策系统技术--包括MIS、OA、制造资源规划（MRPⅡ）、业务流程重组（BPR）、企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）及电子商务等技术；
•设计自动化技术--包括CAD、CAPP、CAM、CAE，基于仿真的设计（SBD）、面向下游工作的设计（DFX）及虚拟样机（VP）等技术；
•支撑平台技术--包括网络、数据库、集成平台/框架、计算机辅助工程、产品数据管理（PDM）、计算机支持协同工作（CSCW）及人/机接口技术等。
现代集成制造的代表模式并行工程虚拟制造精良生产敏捷制造协同制造网络化制造
CIMS指导原则
863计划现代集成制造系统技术主题的指导原则是：
竞争驱动，系统发展，信息带动，升级跨越。
即以增强我国制造业国际竞争力为目标，采用系统发展模式，用现代集成制造系统技术推进制造业信息化工程，提高我国制造业的综合竞争能力，促进我国制造业和相关高技术产业的创新与跨越发展。
CIMS实施方式
1、整体化综合治理方式；2、分形化技术集成方式；3、集成化系统应用方式；
4、系统化产业发展方式。
5、协同化组织实施方式。
CIMS开展的战略目标
1、以若干重大行业和典型区域的集成应用为突破口，用现代集成制造系统技术推进制造业信息化工程，提高我国制造业的综合竞争能力，实现制造业的创新与跨越；
2、突破一批对提高我国制造业综合竞争能力具有重要意义的战略性、前沿性和前瞻性的现代集成制造技术，开发具有自主知识产权的现代集成制造系统和技术，力争在具有相对优势的技术领域实现突破和跨越，达到国际领先或先进水平，形成我国现代集成制造系统理论方法与技术体系；
3、促进形成我国的现代集成制造技术软件产业及咨询服务业，打破国外的垄断地位，形成较大的市场规模和产业优势；
4、形成一套激励创新、持续创新的体系，培养一批从事现代集成制造系统技术研究开发及产业化的高级人才。
CIMS的设计与实施
•理解模型
–现实世界是复杂的，人们所要面临和解决的大部分问题也是复杂的。
–人们可以通过一些办法和手段提炼出这个世界的某些本质特征和规律，用来把握一些复杂的系统和解决一些复杂的问题。
这些方法和手段需要某种形式的中介，这个中介就是所谓的模型。
–模型是对复杂系统及问题的一种简化和抽象，它将复杂系统的特征、行为和规律等通过比较简单明了的形式表达出来，帮助人们抓住问题的主要矛盾，认识问题、研究问题和解决问题。
企业模型是什么?
•企业模型是一种记载企业知识的系统结构，也可以说是一种企业知识和经验的形式化表达方法。
•企业模型也是描述企业形态、特征、行为的一种蓝图。
•企业的业务流程、组织结构、资源构成、产品结构、信息联系、规章、制度、规程、计划、方案、建议、管理方法等都属于企业模型的范畴。
•提供公共一致的企业知识表示形式，将企业的零散知识连接和整理成一个有机的整体。
•支持深入便捷地理解企业，支持对企业及其生存环境的真实面貌的探索，不断挖掘和积累企业的知识，将企业人员头脑中宝贵的经验以一定的形式固化下来。
什么是企业建模？
•企业建模是一个通用的术语，它涉及一组活动、方法和工具，它们被用来建立描述企业不同侧面的模型。
企业建模是根据关于建模企业的知识、以前的模型、企业参考模型，领域的本体论和模型表达语言来完成建立全部或部分企业模型（过程模型、数据模型、资源模型、新的本体，等等）的一个过程。
企业参考模型的要素：
体系结构建模方法工具方法体系集成基础结构
企业资源管理体系
企业决策支持系统
企业资源管理体系（管理作业、管理流程、管理组织）
人力管理分系统
财务管理分系统
市场与客户关系管理分系统
物流管理分系统
生产管理分系统
工程信息分系统
计算机辅助质量保证与质量管理分系统
办公自动化分系统
网络与数据库支撑环境分系统
制造自动化分系统
仓储自动化分系统
决策层管理层计划层调度层监控层控制层
CIMS工程开发生命周期
立项可行性论证需求分析初步设计详细设计工程实施与应用系统运行与维护
实施CIMS的指导方针：
效益驱动总体规划分步实施重点突破
1．5信息化制造
信息化制造
•按订单生产（Build-to-order）
•优化库存（OptimumInventory）
•生产维护能力（Maintainnon-stopoperation）
•同步（协调）能力（Synchronizing）
技术趋势：
数字化设计制造虚拟样机全球采购和分销大规模定制
NCCNCFMSFMCFTLDNCCIMSIMJIT
准时生产方式（JustInTime简称JIT）InstantMessaging（即时通讯,实时传讯）
第二章DNC系统
2.1.1DNC定义
DNC是用一台或多台计算机，对多台数控设备实施综合控制的一种方法，是机械制造系统的一个重要发展。
DNC系统属于自动化制造系统的一种模式。
2.1.2DNC发展过程
Ø群控（DirectNumericalControl）
直接数字控制（DirectNumericalControl），也有人称它为“群控”（60‘s）
Ø分布式数控（DistributedNumericalControl）
DNC系统实施分级控制，CNC计算机直接控制生产机床并与DNC系统主机进行信息交互，DNC主机也可与其它计算机进行信息的交互。
DNC系统配置的这种发展，使DNC的含义由直接数控变为分布式数控（DistributedNumericalControl）。
（70’s）
Ø柔性DNC（FlexibleDistributedNumericalControl）
DNC系统不仅用计算机来管理、调度和控制多台NC机床，而且还与CAD/CAPP/CAM、物料输送和存贮、生产计划与控制相结合，形成了柔性分布式数字控制（FlexibleDistributedNumericalControl：
FDNC）系统。
（80’s）
2．2．1DNC系统的组成
•DNC控制计算机
• 数据通讯系统
•DNC接口
• NC或CNC装置
• 软件系统
软件系统包括实时多任务操作系统、DNC通信软件、DNC管理和监控软件、NC程序编辑软件等。
有时需要数据库管理系统、图形输入与编辑软件、刀具轨迹模拟和DNC接口管理软件等。
解决计算机与数控机床之间的信息交换和互联，是DNC的核心问题
2．2．3DNC系统的主要功能
•NC程序的上载与下载；
•NC程序存储与管理；
•系统的简单控制与调度；
•系统状态信息的采集、处理和报告；
•根据生产作业计划进行生产调度与控制；
•计划、工装（刀具、量具、夹具）信息、物料数据的集成化生产管理。
目前多数DNC系统仅包括前三项功能，同时包括第四项功能的DNC还不多见。
由于DNC系统的上述功能都是在DNC管理与控制软件（包括DNC接口软件）支持下完成的，因此DNC系统的功能实际上也是DNC管理与控制软件应具有的功能。
2．3DNC系统的控制结构
DNC系统的一般结构
多级DNC结构
多级DNC结构，通常为树型结构。
一般来说，底部的能力主要面向应用，具有专用的能力，用于完成规定的特殊任务。
而顶部则具有通用的能力，控制与协调整个系统。
DNC系统的结构与系统的规模有关，可能有二、三、四级的结构，常用的是二、三级结构，以三级为居多。
•最高级：
自动编程、系统管理、生产计划和物料需求计划等项功能。
•中间级：
接收来自上一级系统的指令信息，也可根据下一级的设备状态，进行任务分解和调度，实时地向各个设备分配加工任务及一些统计信息和系统状态信息的反馈。
•设备级：
一般都是机床控制单元，它接受来自上一级的加工指令和控制信息，实现机床各坐标轴的运动及有关辅助功能的协调工作。
也可向上一级反馈工况信息。
•
2．4DNC通信系统的物理连接
Ø采用RS－232C或RS422
采用RS-232C或RS422连接方式实现起来比较方便，成本也比较低，但也带来以下一些问题：
（1）传输距离短。
如RS-232C的传输距离不超过50m，20mA电流环
和RS-422/RS-423为1000m左右；
（2）传输不够可靠。
这些接口和连接电缆的抗干扰能力较差，而且
其传输过程的检错功能较弱；
（3）传输速率低，实时性差，响应速度慢；
（4）系统规模有限。
由于一台计算机不可能提供很多串行接口，所
连设备很有限，因此整个系统的规模就不可能很大；
（5）电缆费用高，系统复杂性增加。
每台设备都需一条来自DNC主机的通信电缆，因此整个系统的电缆费用很大，而且导致系统环境的复杂性也大大增加。
（6）系统的扩展不容易。
不但要修改系统软件，而且也要更改硬件。
采用计算机网络通信接口
新一代的CNC装置为了能连入到DNC、FMS中设置了可直接与网络连接的专用通讯微处理器接口，通过该接口可以把数控设备连接在工业局域网（LAN）中。
网络通信协议大多采用ISO开放系统互联参考模型七层结构为基础的有关协议。
专用网络：
DATA－HIGHWAY（DH）、（DH+）
•MAP网和工业以太网：
FANUC、Simens、AB等。
现场总线（FieldBus）
-结构简单、协议直观；
-价格低廉、性能稳定；
-实时性较高，抗干扰能力强，适用与工业现场通信。
•DeviceNET
•
•CNC网络设置
设置联网CNC的IP地址、端口地址
CNC状态监视
加工状态：
加工中、空闲、报警、故障信息
联网状态：
联机、脱机
位置信息：
绝对位置、相对位置、机械位置、剩余移动量、进给速度
• 历史记录：
报警历史记录、操作履历
CNC远程控制
显示各种机床参数
设置各种机床参数
显示NC程序各种信息：
如内存大小，程序数等
选择NC程序：
选择当前加工程序、查找任意NC程序
编辑NC程序：
编辑CNC系统中的NC程序
删除NC程序：
直接删除CNC系统中的NC程序
清除报警历史记录
清除操作履历
系统复位：
通过远程CNC复位
远程启动：
通过远程启动加工
远程暂停：
通过远程暂停加工
•
混合通信接口
混合通信接口实际上就是前几种方式的混合。
例如计算机网络与RS-232C、RS422、RS485混合。
良好的通信功能，可以通信联网最多达16台数控设备，并可与4台数控设备同时通信，速率达89300bps；传送方式多样，可一次传送、逐次传送、同时传送。
良好数据存储和管理功能。
具有对数据进行有效的管理功能。
调度功能根据加工件数、交货期，生成对每台数控机床传送NC程序的调度指令。
生产计划功能根据加工时间、作业时间及DNC的调度指令自动生成生产计划一览表。
无人运转功能实现夜间的无人操作。
2．6DNC系统发展趋势
•开放式数控系统中PC与CNC的融合；
•生产管理技术与DNC的集成；
•由直接数控和分布式数控向柔性分布式数控发展；
•基于标准化、通用化的DNC平台产品；
•应用高速数据通信技术、无线技术及现场总线；
•DNC系统和INTERNET技术结合实现异地设计和异地制造。
第三章柔性制造系统（FMS）
3.1FMS概述
3.1.1制造柔性
•制造柔性是指一个制造设备或系统对生产需求变化的适应能力，通常制造柔性体现在以下几个方面：
制造设备的柔性
•制造设备通过配备相应的刀具、量具、夹具、NC程序等，使得此设备具有制造
•给定零件族中任何零件的能力；（这是一种固有的柔性，它与制造设备所具有的
•相关功能有关，如机附刀库的容量、控制的运动轴数等。
）
•加工柔性
•以不同加工工序和工艺加工一个零件的能力或在给定的一个工艺规划下以不同
•的加工路线实现零件的加工（制造工作站间和加工功能间的互换和替代）。
•产品柔性能够经济、快速地转变生产产品的能力。
•零件流动路线柔性
•当系统出现局部故障时，能重新选择零件加工路径，并继续进行加工的能力。
•产量柔性
•系统运行可适应不同的生产批量，并具有良好的生产效益。
•系统重构柔性
•系统具有重构柔性，可以生产需求发生变化时，系统可以方便地扩展、收缩或重构。
•故障控制柔性
•当系统中的设备出现故障时，制造系统对故障的处理能力。
•
3.1.2FMS定义
•柔性制造系统（简称FMS）是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。
它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产的变化迅速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。
3.1.3FMS的组成与功能
（1）FMS的组成
Ø硬件系统（第一部分）
•制造设备：
数控加工设备（如加工中心）、测量机、清洗机等；
•自动化储运设备：
传送带、有轨小车、AGV、搬运机器人、立体库、
中央托盘库、物料或刀具装卸站、中央刀库等；
•计算机控制系统及网络通信系统。
软件系统（第二部分）
系统支持软件：
操作系统、网络操作系统、数据库管理系统等。
FMS运行控制系统：
动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统，物料（工件和刀具）管理控制系统等
（2）FMS的功能
能自动控制和管理零件的加工过程，包括制造质量的自动控制、故障的自动诊断和处理、
制造信息的自动采集和处理；
通过简单的软件系统变更，便能制造出某一零件族的多种零件；
自动控制和管理物料（包括工件与刀具）的运输和存储过程；
能解决多机床下零件的混流加工，且无需增加额外费用
具有优化的调度管理功能，无需过多的人工介入，能做到无人加工。
3.1.4FMS的特点
Ø设备利用率高
Ø减少设备投资
Ø减少占地面积
Ø减少直接工时费用
Ø减少了在制品的数量，缩短了生产准备时间
Ø具有快速应变能力
Ø维持生产能力强
Ø产品质量高而稳定
Ø系统运行灵活性大
Ø产量变化适应
升级会员 