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1、1,第六章 机电一体化生产系统总体设计,2,第一节 机电一体化生产系统总体设计的工作流程,总体设计包括：可行性论证、初步设计、详细设计等阶段。,一、可行性论证阶段,（一）可行性论证的任务,了解企业现状与系统开发的内外环境，确定系统开发的总体目标、系统的作业内容与系统的主要规格参数，提出系统的总体方案，论证总体方案的可行性，制定投资规划与开发计划，编写可行性论证报告，进行可行性论证报告评审。,（二）可行性论证的工作步骤,3,4,一、可行性论证阶段,（三）可行性论证的工作内容,组织队伍 层次高、专业配套，包括机、电、控制等专业的系统设计开发专家、企业管理人员以及熟悉系统作业内容的技术人员；制定工作
2、计划 按时间顺序进行安排，明确每个人的职责任务；调查分析 了解企业的市场环境、经营现状与特点、现有技术水平、能为开发提供的技术及物质支持、与系统衔接的生产活动现状；,确定系统开发目标 应注意的问题：,机电一体化生产系统应以解决当前技术上（或经营上）的瓶颈问题，或者是将要成为瓶颈的生产问题作为系统开发目标。,衡量系统目标的合理性标准是：是否具有技术上的先进性、企业是否能够负担开发费用、系统的开发是否给企业带来了显著效益。,5,一、可行性论证阶段,确定系统规格 应综合考虑以下因素：,社会、经济、市场等环境条件；自动化技术水平；产品的要求、特性；系统与周边机械的关联性；,从环境、社会条件、技术进步等
3、方面考察，至少相当长一段时间内系统目标都是合理的，以避免企业短期行为造成浪费。,系统开发目标可以是增加销售额、增加利润、提高产品质量、改善作业条件等。,确定生产作业内容 应选择实现系统目标最有效的生产作业、全面考虑整个生产过程选择生产作业、选择通过少量改造就能适应对象变更的生产作业；,6,一、可行性论证阶段,提出系统目标与要求，包括系统开发目标、系统功能要求、生产对象的主要参数等；生产能力分析计算，包括系统作业的初始条件、主要设备允许操作时间、生产节拍计算等；提出系统总体方案，包括系统体系结构的初步方案、各分系统之间的相互联系方式等；指出系统的关键技术及可行的解决方案；提出分系统设计初步方案；
4、拟定系统初步开发计划，提出投资规划并进行初步的投资效益分析。,操作难易程度；开发期限、预定投产日期；,确定系统总体方案 系统总体方案的主要内容有：,7,一、可行性论证阶段,编写可行性论证报告,系统评价,编制开发实施计划,评审,8,第一节 机电一体化生产系统总体设计的工作流程,二、初步设计阶段,（一）初步设计的任务,进行系统的体系结构设计、功能设计和资源设计，提出系统经费预算和进行经济效益分析，制定系统实施进度计划，编写初步设计报告和进行评审。初步设计也可称为概念设计。,（二）初步设计的工作步骤,9,10,二、初步设计阶段,（三）初步设计的主要工作内容,系统的体系设计 机电一体化生产系统的体系结
5、构是系统的内部结构特性，通常按递阶层次展开为战略层（决策层）、战术层（管理层）和运行层。连续生产系统可以展开为决策层、管理层、调度层、过程控制层与设备控制层；离散生产系统可以展开为工厂层、车间层、单元层、工作站层与设备层。系统的功能设计 系统功能的描述方法主要有两种：功能树和功能模型图。,系统的资源设计 包括：,硬件资源配置：各种生产设备、工具和设施；各种辅助设备如能源设备、运输设备、计量器具；计算机或其它控制设备。,软件资源配置：计算机系统软件和应用软件。,人件资源配置,11,第一节 机电一体化生产系统总体设计的工作流程,三、详细设计阶段,（一）详细设计的任务,确定系统设计技术标准，拟定产品
6、质量保证计划，外购设备、硬件、软件的选型，系统总体详细设计（特别是界面设定和接口设计），分系统详细设计，按照详细设计内容修订投资预算和实施计划，编写详细设计文档，进行评审。,（二）详细设计的工作步骤,12,13,三、详细设计阶段,（三）详细设计的注意事项,必须充分考虑系统与周边设备、周边环境的关系 确定工件位置、位姿必须简单可靠，既要考虑到工件本身的特性，又要易于实现，并保持稳定系统中使用的已经商品化的设备、部件应尽可能外购，这不仅符合标准化要求，也能确保质量，降低系统开发成本系统机械结构必须保持足够的刚性系统设计时必须特别注意高精度部件的装配、调节环节选用最优控制方式选用适当的传感器并合理配
7、置确保系统的安全性和可靠性,14,第二节 机电一体化生产系统设备选择、布局与生产线节拍平衡,设备选择和布局是系统资源设计的工作内容，设备选择是资源需求问题，设备布局是资源配置问题。平衡生产线节拍是为了提高系统效率。,一、系统设备的选择,（一）比较法,首先将零件特征信息和设备功能信息进行量化，如零件几何特征和加工工艺特征，然后进行计算，将计算结果同限制条件相比较，满足限制条件的就是可以选用的设备。此方法中最重要的一个判别系数，它的限制条件依经验确定。,15,一、系统设备的选择,（二）优化法,系统设备的选择是一个综合决策问题，可以使用优化的方法进行选择，需要统筹兼顾质量、生产率、生产成本和系统环境
8、进行优化。单目标优化：可以从质量、生产率、生产成本等中选择一个作为优化的目标函数，剩余的两项和系统环境作为约束条件进行单目标优化。多目标优化：可以同时选择质量、生产率、生产成本等作为优化的目标函数，而系统环境作为约束条件进行多目标优化。,优化方法中约束条件的确定是非常关键的，大体上约束条件分为下面几类：资源约束、互斥设备约束、从属设备约束、互补约束、工作效率约束。,16,一、系统设备的选择,（三）人工智能法,明确问题和收集整理信息 首先明确讨论的设备选择问题是否适合用知识系统求解，可行则收集有关信息，信息范围根据设备选择流程图所涉及的范围决定。找出规则库知识存入知识库 规则库知识分为两类，一类
9、用于知识的收集、运算、模型选择的规则和算法；另一类表示设备、零件、工序间相互关系的规则。选择或构造模型，确定算法和控制策略求解评价所得到的解,系统约束复杂，可以采用人工智能方法，常用的是知识系统。知识系统是小型专家系统，它的规模和知识专有性不及常规的专家系统。,17,第二节 机电一体化生产系统设备选择、布局与生产线节拍平衡,二、系统设备的布局,以一维布局为例说明，二维布局原理相同,假设系统有m台设备组成，各台设备排列成一条直线，产品为n个零件，所有零件的最大工序为q，布局如图所示，Dk为第k台设备的编号。,18,二、系统设备的布局,零件工序设备矩阵,Gij是第i个零件的第j道工序的加工设备编号
10、。如果第i个零件的第j道工序在设备Dk上进行，则Dij=Dk；如果第i个零件的第j道工序无加工，则Dij=0；,19,二、系统设备的布局,零件单位距离运输成本向量,Ci是第i个零件传输每单位距离的运输成本。,以系统内运输总成本最低为优化目标,零件坐标向量,20,二、系统设备的布局,目标函数,约束条件,保证设备布局在许可范围内的边界约束,保证设备之间有足够间距的间距约束,21,第二节 机电一体化生产系统设备选择、布局与生产线节拍平衡,三、生产线节拍平衡,产品按工艺路线顺序移动进行生产作业的方式称为流水线生产方式。设备、传送装置和操作人员所组成的系统称为流水线。流水线有移动作业型和静止作业型两种。
11、移动作业型流水线如汽车总装线，工件一边移动一边进行作业；静止作业型流水线如小型家电产品的组装线，只有在产品静止时进行装配作业，作业完成后由传送装置将产品送到下一工位。为提高效率，要求每个操作者的作业时间尽可能接近或成简单倍数关系，这就是流水线的节拍平衡问题。,22,三、生产线节拍平衡,（一）生产线的平衡系数,设计生产线时，首先将生产过程分解为单元作业，单元作业是生产过程能够分解的最小单位，用单元作业编号、作业所需时间和作业顺序约束表示。然后将单元作业分配给各位操作者，每个操作者分配到的一组单元作业组成一道工程，用工程编号表示。工程数就是操作人员数目。分配原则：应满足作业顺序约束和尽量使每个操作
12、者的作业时间尽可能接近。生产线的节拍由最大的工程作业时间决定。,23,三、生产线节拍平衡,（二）设定生产线节拍进行节拍平衡,单元作业表,节拍为100秒,24,三、生产线节拍平衡,单元作业的顺序约束图,25,单元作业顺序表,左侧的作业单元为基点，上方的作业单元作为比较对象。基点作业在对象作业之前则填1，之后则填1，无关或本身则填0。,26,三、生产线节拍平衡,计算试算顺序判别值时，将上表第二列改为矩阵，该写时将对角线上的0全部改写为1，将所有1该为0，其余保持不变。该矩阵与作业所需时间（第三列）相乘后得到的就是试算顺序判别值。,按照试算顺序判别值确定单元作业组合成工程的试算顺序，判别值大的单元作业优先试算，单元作业组合成工程时不能使单元作业时间之和超出节拍。排列出的试算顺序为A、B、C、F、G、D、E、I、H、J、K。如果将A、B、C、F、G组成一个工程时，作业总时间为105秒，超出了节拍，因此不能将G编入第一个工程，应按试算顺序继续将D、E编入第一个工程。,27,三、生产线节拍平衡,该方案的节拍平衡系数为98.5%,（二）设定工程数进行节拍平衡,按照给定的工程数假定一个节拍进行计算，然后不断减少节拍直到获得满足设计要求的方案。,
