第二节 自动化制造系统
一．柔性制造系统(FMS—Flexible Manufacturing System)
Ford 开创的大批量生产时代，以刚性自动化生产线为主要模式，专用设备、组合机床、专用工夹量具，以协调的节拍设计组成的生产线。这种生产线制造系统最大的优点是生产率很高，但缺点是适应性差，如果要改变产品的品种，生产线便要大规模改造，花费很大代价。
为了适应多品种、小批量的需要而兴起的柔性制造技术得到了迅速的发展。柔性制造技术是主要用于多品种、中小批量生产的制造自动化技术。柔性制造技术有多种不同的应用形式，如柔性制造系统、柔性制造单元、柔性制造自动化、柔性装配单元等。其中，FMS是最常用的、也是最具有代表性的使用柔性制造技术的制造自动化系统。
（一）柔性制造单元（(FMC—Flexible Manufacturing Cell)
FMC是在制造单元的基础上发展起来的、具有柔性制造系统部分特点的一种制造单元。它具有独立自动加工的功能，部分还具有自动传送和监控管理的功能，可实现某种零件的多品种、小批量的加工。由于投资比FMS小，技术上容易实现，因此它是一种常见的加工系统。FMC的构成是在加工中心上配上托盘交换系统、数控机床上配上工业机器人两个大类。
采用FMC比采用若干单台的数控机床或加工中心具有更显著的技术经济效益，主要体现在如下几个方面：
1．增加柔性、降低库存
FMC比单台加工中心可以实现多品
种配套加工。据有关资料统计，一般FMC每天可以进行21.3种工件的加工，50种工件只要2.34天即可完成一套。而加工中心一天只能加工2.09种，50种工件要加工23.9天，单台的库存在制品积压数量是FMC的10倍。
2．可以实现24小时连续运转，降低生产成本
FMC可以24小时连续运转，而加工中心最多每天工作18小时。FMC提高了机床利用率，其生产成本远比加工中心低。
3．便于实现计算机集成制造系统
应用FMC可积累物料传输系统、自动化仓库和自动化检测方面的经验，便于向FMS或CIMS发现发展。
（二）柔性制造系统
FMS是一种高效率、高精度、高柔性的加工系统（图15-7）。自1967年第一条FMS在英国问世以来，就显示出极强的生命力。据统计，1985年在全世界安装的FMS达349套，到1994年就有3000套，其中日本拥有2100多个。在现已运行的FMS中，50%的FMS由美国制造商提供。随着全球化市场的形成和发展，FMS已成为当今乃至今后若干年机械制造自动化发展的重要方向。
由于FMS仍然处于发展中，至今还无统一的定义。在我国有关标准中，FMS被定义为：“柔性制造系统是由数控加工设备、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。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，以适应于多品种、中小批量生产”。
为了实现系统的柔性，FMS必须具有：制造不同零件的机器及相应的刀具、夹具等；可以灵活改变加工路径的物料输送系统；一整套的计算机控制和调度系统，并能根据需要，产生和传送加工所需的NC代码。FMS主要由加工系统（数控加工设备，一般是加工中心）、物料运储系统（工件和刀具运输和存储）以及计算机控制系统（中央计算机及其网络）组成。
图15-7 柔性制造系统
1．加工系统
加工系统通常由若干台加工零件的CNC机床或CNC板材加工设备组成。加工零件的类别将决定FMS所采用的设备形式。按加工工件类别划分，加工系统的主要类型包括：以加工箱体类零件为主的FMS，这类FMS配备有数控加工中心；以加工回转类零件为主的FMS，这类FMS配备有CNC车削中心、CNC车床、CNC磨床；适应于混合零件加工的FMS，即能加工箱体类零件和回转体类零件的FMS，它既配备有CNC加工中心，又配备有CNC车削中心或CNC车床；用于专门零件加工的FMS，如加工齿轮类零件FMS，它除配备CNC车床还需配备CNC齿轮加工机床。
FMS的加工能力由它所拥有的加工设备决定。而FMS里的加工中心所需的功率、加工尺寸范围和精度则由待加工的工件族决定。
2．物料运储系统
在FMS中，需要经常将工件装夹在拖板（有的称随行夹具）上进行输送和搬运。通过物料输送系统可以实现工件在机床之间、加工单元之间、自动仓库与机床或加工单元之间以及拖板存放站与机床之间的输送和搬运。有时还负责刀具和夹具的运输。FMS物料系统主要完成两种不同的工作，即工件的输送和工件的存储。工件输送包括两部分：一是系统与外界的工件交换，如从外界获取零件毛坯、原材料、工具和配套间等，以及将加工好的成品和换下的工具从系统中移出；二是零件、工具和配套件等在系统内部的搬运。在一般情况下，前者需要人工干预，即工件送入系统和装夹工件都是人工操作，而后者可以在计算机的统一管理和控制下自动完成。工件输送系统所用的运输工具为运输小车、传输带和搬运机器人等。工件的存储包括物品在仓库中的保管和生产过程中在制品的临时性停放。这就要求FMS的物料系统中设置适当的中央料库和拖板库以及各种形式的缓冲储区，以保证系统的柔性。在FMS中，中央料库和拖板库往往采用自动化立体仓库。自动化立体仓库不仅对占地的立体使用，解决了地皮不足的难题；而且实现了出库作业的自动化和迅速处理库存信息的能力，克服了人手缺乏、库存管理复杂的困难。
3．计算机
控制系统
计算机控制系统通过主控制计算机或分布计算机系统来实现系统的主要控制功能。控制系统通常采用三级分布式体系结构。第一层为设备层，主要是对机床和工件装卸机器人的控制，包括对各种加工作业的控制和检测；第二级工件层，它包括对整个系统运转的管理、零件流动的控制、零件程序的分配以及对第一级生产数据的收集；第三级为单元层，主要编制日程进度计划，把生产所需的信息如加工零件信息、刀夹具信息等送到第二级系统管理计算机。FMS中的单元级控制系统，即单元控制器是FMS控制系统的核心，也是实现FMS柔性的主要组成部分。
除了上述三个主要组成部分之外，FMS还包括冷却系统、刀具监视和管理系统、切屑排除系统以及零件的自动清洗和自动测量设备等附属系统。
（三）FMS的优点
由于FMS将硬件、软件、数据库与信息集成在一起，融和了普通NC机床的灵活性和专用机床及刚性自动化系统的高效率、低成本，因而具有许多优点。
1．在计算机直接控制下实现产品的自动化制造，大大提高了加工精度和生产过程的可靠性。
2． 生产过程的控制和流程连续，并且达到最佳化，有效地提高了生产效率。
3． 在系统内材料、刀具、机床、贮存、夹具以及测量检查站的理想配置，具有良好的柔性。
4． 直接调整物流（即工件流、工具流）和制造中的各项工序，制造不同品种的产品，大大提高了设备的利用率。
二、计算机集成制造系统(CIMS –Computer Integrated Manufacturing System)
CIMS是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式。它是以计算机网络和数据库为基础，利用信息技术和现代管理技术将制造企业的经营、管理、计划、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，将各种资源集成起来，将人、机系统集成起来，实现整个企业的信息集成，达到实现企业全局优化，提高企业综合效益和提高市场竞争能力的目的。
CIMS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技术。具体地说，它综合并发展了企业生产各个环节有关的计算机辅助技术，即计算机辅助经营管理与决策技术、计算机辅助设计与工程分析技术、计算机辅助制造与控制技术、自动化物流储运技术、信息集成技术、计算机仿真技术、计算机辅助质量管理与控制等。
CIMS的核心是集成，它包括企业各种经营活动集成、企业各个生产系统与环节的集成，各种生产技术的集成、企业部门组织间的集成和各类人员之间的集成。在企业内的人、生产经营和技术这三者之间信息集成的基础上，使企业组成一个统一的整体，保证企业内的工作流、物质流和信息流畅通无阻。
（一）CIMS的组成及其功能
从系统各功能角度考虑，一般认为CIMS是由四个功能分系统和两个支撑系统组成。即管理信息系统（MIS）、工程设计集成（自动化）系统（EDIS）、制造自动化系统（MAS）、质量保证系统（CAQ）、数据库系统与计算机网络。
然而，这并不意味着任何一个企业在实施CIMS时必须同时实现六个分系统，由于每个企业原有的基础不同，各自所处的环境不同，因此应根据企业的具体需求和条件，在CIMS思想指导下进行局部实施或分步实施。各个分系统的功能如下。
1．管理信息系统（MIS—Management Information System）
MIS通常是以MRP-Ⅱ（Manufacturing Resource Planning）为核心，从制造资源出发，考虑了企业进行经营决策的战略层、中短期生产计划编制的战术层、及车间作业计划与生产活动控制的操作层，它包括预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、工具、人力资源等各项管理信息功能。它是CIMS的神经中枢，指挥与控制着其他各个部分有条不紊地工作。它把企业内的各个管理环节有机地结合起来，各
个功能可在统一的数据环境下工作，以实现管理信息的集成，从而达到缩短产品生产周期、降低流动资金占用、减少库存、提高企业应变能力的目的。
2．工程设计集成系统 (EDIS—Engineering Design Integrated System)
EDIS是CIMS的一个核心分系统，它主要包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程计算（CAE）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助夹具设计（CAFD），其中最关键的是CAD、CAPP、CAM三个子系统之间的信息集成，通常称为CAD/CAPP/CAM集成。该系统的目标是使产品开发活动能够高效、优质、自动地进行。
CAD系统包括产品结构的设计、定型产品的变型设计以及模块化结构的产品设计。通常具有计算机绘图、有限元分析、产品造型、图象分析处理、优化设计与仿真、物流清单的生成等功能。
CAPP系统是按照设计要求进行决策和规划将原材料加工成产品所需要的一系列加工活动和资源的描述。CAPP可进行毛坯设计、加工方法选择、工艺路线制定以及工时定额计算等工作，同时还具有加工余量分配、切削用量选择、工序图生成以及机床、刀具和夹具的选择等功能。
CAM系统是指刀具路线的确定、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等工作。
基于产品模型的CAD/CAPP/CAM信息集成提供了产品数据格式的标准化，可实现各自数据的交换和共享。
3．制造自动化系统 (MAS—Manufacturing Automation System)
MAS是CIMS系统的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，通常由数控机床、加工中心、工业机器人、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布式控制计算机等设备及相应软件组成。
制造自动化系统在计算机控制和调度下，按照NC代码将一个毛坯加工成合格的零件再装配成部件以至产品，并将制造现场的各种信息实时地或经过相应处理后反馈到相关部门，以便及时地进行调度和控制。MAS的目标是使产品制造活动最优化。
4．质量保证系统 (CAQ—Computer Aided Quality)
CAQ主要是采集、储存、评价和处理存在于设计、制造过程中与质量有关的大量数据，从而在产品质量控制环的作用下有效地促进产品质量的提高，来实现产品的高质量、低成本，提高企业的竞争能力。因此开发一套完整的质量保证系统是非常重要的。CIMS中质量保证系统覆盖产品生命周期的各个阶段，它包括质量决策子系统、质量检测与数据采集子系统、质量评价子系统、质量控制与跟踪子系统等功能。
5．CIMS数据库系统
数据库管理系统是一个支撑系统，它是CIMS信息集成的关键之一。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储存和调用，以实现整个企业数据的集成和共享。CIMS的数据库系统通常是采用集中与分布相结合的体系结构，以保证数据的安全、一致性和易于维护性。此外，CIMS数据库系统往往还建立一个专用的工程数据库系统，用来处理大量的工程数据。
6．CIMS计算机通信网络系统
计算机通信网络技术是CIMS的又一主要支撑技术，是CIMS各个分系统重要的信息集成工具。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、异构局域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，以达到共享目的。CIMS在数据库和计算机网络的支持下，可方便地实现各个功能分系统之间的通信，从而有效地完成系统的集成。
（二）CIMS面向功能构成的系统结构
按照系统功能原理，作为大型复杂系统的CIMS，可以分解成不同的分系统，而分系统又可以分解为更小的子系统。
美国制造工程师学会和自动化系统协会（CASA/SME）在1993年提出了CIMS的轮式结构（如图15-8），其功能分解为：核和内、中、外三层。其中，“核”为集成系统体系结构；内层为支撑分系统
，包括公共数据库、信息资源管理和通信；中层可水平分解为工程设计（产品/过程）、制造计划与控制以及工厂自动化三个分系统。外层则有市场、战略规划、财务及制造管理以及人力资源等分系统。在实现企业CIMS工程中，可以参照这种轮式结构的功能分解方案。
（三）CIMS的应用
由于CIMS对广大制造业企业生存和发展所具有战略意义，而制造业对一个国家的国民经济发展有举足轻重的作用，因而工业发达国家先后都对CIMS的发展给予了很大关注，制定了长期发展规划，并采取切实有效的措施推进其在众多企业中的应用。如美国的通用汽车公司、波音飞机公司等都耗巨资应用CIMS技术，使工厂生产效率提高40%~70%，工程费用减少15%~30%，产品研制周期缩短30%~60%，设备利用率提高2~3倍。日本不仅将CIMS应用于离散型制造业，也应用于流程型制造业。如食品、造纸、化学、橡胶、采煤、钢铁、电器等行业。
图15-8 CIMS体系结构
近二十年来，我国在863/CIMS 主题“效益驱动、总体规划、重点突破、分布实施”方针的指导下，CIMS在我国的研究、开发与应用取得了重大进展，完成了一批CIMS研究，开发了一批具有实用价值的CIMS工具产品，建立了许多CIMS典型应用工程。如北京第一机床厂、成都飞机工业公司、西安飞机工业公司、沈阳鼓风机厂等一批企业推广、试用CIMS工程后，产品的设计、制造周期大大减少，增强了企业的市场竞争能力，取得了良好的经济和社会效益。目前应用企业包括飞机、机床、大型鼓风机、纺织、汽车、家电和服装等行业，按照我国企业CIMS的需求以及CIMS本身发展的规律，应用企业还可将扩大到钢铁、化工等流程工业中去。
