柔性制造系统与计算机集成制造系统

机械制造过程是一种离散的生产过程，实现自动化较困难。机械制造自动化的发展经历了单机自动化、 自动线、数控机床、加工中心、柔性制造系统、计算机集成制造系统和并行工程等几个阶段，并进一步向柔性化、集成化和智能化发展。 目前，柔性制造系统和计算机集成制造系统在机械制造中的应用日益广泛。

一、柔性制造系统

柔性制造系统（FMS： Flexible Manufacturing System）是由统一的计算机控制系统（信息流）、物料（工件、刀具）和输送系统（物料流）连接起来的一组加工设备，能在不停机的情况下实现多品种、小批量零件的加工，并具有一定管理功能的自动化制造系统。

1.FMS的一般组成

FMS主要是由多工位的数控加工系统、 自动化物料输送、存储系统和计算机控制的信息系统组成的（如图11-10所示）。图中空心箭头表示信息流，实线箭头表示物料流，虚线框内表示FMS范围。FMS的系统扩展必须以模块结构为基础。

图11-10　柔性制造系统组成原理

数控加工系统是由可自动换刀的数控机床、数控加工中心或车削中心组成的。待加工工件的类别及技术要求将决定FMS所采用的设备形式。

物料输送和存储系统是由存储、输送和装卸三个子系统组成的，用以实现工件及工夹具的自动供给和装卸以及完成工序间的自动传送、调运和存储工作。该系统包括各种传送带、 自动导引小车、工业机器人及专用吊运送机等。

计算机控制的信息系统是用于处理FMS的各种信息、输出控制CNC机床、物料搬运系统等自动操作所需的信息，是通过主控计算机或分布式计算机系统来实现主要控制功能的。根据FMS的规模大小，信息系统的复杂程度将有所不同。

2.FMS的分类

按FMS的规模大小可分为以下四类：

（1）柔性制造单元（FMC： Flexible Manufacturing Cell）　FMC在生产中比FMS晚6～8年出现，是FMS向廉价化和小型化方向发展的一种产物，是实现单机柔性化及自动化的代表，可看成是一个规模最小的FMS，它通常由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床和物料运送存储设备构成，具有适应加工多品种产品的特性， 目前已进入普及应用阶段。

（2）柔性制造系统（FMS： Flexible Manufacturing System）　FMS通常有4台或更多全自动数控机床（加工中心或车削中心等）， 由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量零件的加工及管理。

（3）柔性制造线（FML： Flexible Manufacturing Line）　FML是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线，是以离散型生产中的柔性制造系统和连接性生产过程中的分散型控制系统（DCS）为代表，实现生产线柔性化及自动化的。它通常由通用的加工中心、CNC机床或专用机床、NC专用机床和柔性低于FMS的物料搬运系统构成，但生产率更高。其技术已基本成熟， 目前进入实用化阶段。

（4）柔性制造工厂（FMF： Flexible Manufacturing Factory）　 FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。它也包括了CAD/CAM并使计算机集成制造系统（CIMS）投入实际使用，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料储运过程的自动化。

3.FMS应具有的功能

FMS是在成组技术（GT）、计算机技术、数控技术、CAD技术、机电一体化技术（Mechatronics）、模糊控制技术、智能传感器技术、人工神经网络技术（ANN）和虚拟现实（VR）及计算机仿真技术等技术基础上发展起来的，它具有以下主要功能：

（1） 自动完成多品种、多工序工件的加工功能 这是依靠计算机控制的数控机床群来实现的，其中包括自动更换刀具、 自动安装工件、切削液的自动供应和切屑的自动处理等。

（2） 自动输送和储料功能 这是由各种自动输送设备如环形输送托板、传输装置、无轨小车、工业机器人等和自动化储料仓库如毛坯仓库、中间仓库、零件仓库、夹具仓库、刀具仓库等来实现的。

（3） 自动诊断功能 这是由系统工况监视功能、指令和恢复功能组成的。监视功能（监控功能）是通过各类传感器来测量、控制加工精度，监视刀具的磨损或破损，以保证加工的顺利进行。指令和恢复功能是计算机发出工作指令来补偿加工精度、更换磨损或破损刀具的功能。

（4）信息处理功能 这是对所需信息进行综合、控制，主要有：①编制生产计划及生产管理程序，实现可变加工而又均衡生产；②编制数控机床、输送装置、储料装置及其它设备的工作程序，实现自动加工；③生产、工程信息的论证及其数据库的建立。

柔性制造系统实现了集中控制和实时在线控制，缩短了生产周期，解决了多品种、中小批量零件的生产率和系统柔性间的矛盾，具有较低的生产成本，是发展应用最广的现代制造系统。

二、计算机集成制造系统

计算机集成制造系统（CIMS： Computer Integrated Manufacturing System）是指在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件系统，将制造企业内部与整个生产活动有关的所有物料流和信息流实现计算机高度统一的综合化管理，从而把各种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个高效益、高柔性的智能制造系统。

CIMS是通过计算机网络把企业生产活动的全过程，即从市场预测、经营决策、计划控制、工程设计、生产制造、质量控制到产品销售等部门联结为一个整体，保证了企业内部信息的一致性、共享性、可靠性、精确性和及时性，使生产由局部自动化走向全局自动化。

CIMS在工程应用的实现过程中，通常划分为四个功能分系统和两个支撑分系统（如图11-11所示）。

图11-11　CIMS结构

1.功能分系统

（1）管理信息系统（MIS： Management Information System）　MIS的主要功能是进行信息处理，提供决策信息。具体工作是进行信息的收集、传输、加工和查询等，处理信息包括经营计划管理、物料管理、生产管理、财务管理、人力资源管理、质量管理以及辅助事务管理等，并根据决策支持模块产生决策信息。其目标是缩短产品生产周期，降低流动资金占用，提高企业应变能力。在经营管理中主要应用制造资源计划（MRP Ⅱ）、准时生产（JIT： Just In Time）等技术。

（2）工程设计集成系统（EDIS： Engineering Design Integrated System）　EDIS的主要功能是进行工程设计、分析和制造，使产品开发活动能够高效、优质、 自动地进行。该系统包括CAD、 CAE、 CAPP、 CAM等部分，是CAD/CAPP/CAM的局部集成。具体工作是接到管理信息系统下达的产品设计指令后，进行产品设计、工艺过程设计和产品数控加工编程，并将设计文档、工艺规程、设备信息、工时定额送给MIS，将NC加工等工艺指令送给MAS 。

（3）制造自动化系统（MAS： Manufacturing Automation System）　MAS是在计算机的控制与调度下，按照NC代码将毛坯加工成合格的零件并装配成部件或产品。主要组成部分有数控机床或加工中心、FMC和FMS等，包括立体仓库、缓冲站、运输车、刀具预调仪、装刀台、刀具库、清洗机、数控机床、加工中心、三坐标测量仪、夹具组装台、机器人及计算机控制管理系统等。其目标是使产品制造活动优化、周期短、成本低、柔性高。

（4）质量保证系统（CAQS： Computer Aided Quality System）　CAQS的主要功能是制订质量计划，进行质量信息管理和计算机辅助在线质量控制等，其中包括产品质量决策、质量检测与数据采集、质量评价、控制与跟踪、量具质量管理、生产过程质量管理等。其目标是保证从产品设计、制造、检验到售后服务整个过程的质量，提高企业竞争能力。

2.支撑分系统

（1）计算机网络系统（NETS： NETwork System）　NETS是支持CIMS各个分系统的开放型网络通信系统，采用国际标准和工业标准规定的网络协议（如MAP， TCP/IP）等，可实现异种机互联，异构局域网及多种网络的互联，满足各应用分系统对网络支持服务的不同需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库、分层递阶和实时控制。

（2）数据库管理系统（DBMS： Data Base Management System）　DBMS是支持CIMS各个分系统，覆盖企业全部信息，以实现企业的数据共享和信息集成。通常采用集中与分布相结合的三层递阶控制体系结构一主数据管理系统、分布数据管理系统、数据控制系统，以保证数据的安全性、一致性、易维护性等。

20世纪90年代以来，CIMS进入了一个迅速发展的阶段。它提供了一种未来工厂的生产模式，使企业的生产要素配置更合理、更优化，各种资源浪费减到最少，生产潜力得以更好的发挥，产品质量、生产率、设备利用率得到极大的提高，生产周期大大缩短，生产成本大幅降低，使企业获得更大的经济效益。由于CIMS的一些关键技术（如数据模型、系统技术、现代管理技术等）还没有得到很好的解决， 目前主要应用于离散型制造业，如汽车、飞机、电子设备和机床等的制造。但随着未来这些关键技术的解决和新制造思想的实现，将使CIMS应用提高到一个新的水平。