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1、第四章自动化制造系统总体设计,科学决策的重要性,第一节系统可行性论证,可行性论证是用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。,考虑因素,一、可行性论证的意义 可行性论证是用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。可行性论证要客观、公正地反映企业的需求。对企业的现状和未来发展进行全面、详细的调查研究。,二、必要性分析(1)现实的必要性(2)预见的必要性,三、建立自动化制造系统的目标1)自动化制造系统所加工的产品及零件的品种覆盖率2)自动化制造系统的规模和年生产能力3)自动化程度及水平总
2、目标可行性论证应有四个方面的要求(1)有明确的定量目标(2)有明确的责任和活动范围(3)能提出约束条件(4)是客观的需要,四、制定自动化制造系统的技术方案,加工工艺方案,加工设备品种、规格及数量配置,刀具输送及管理系统方案,清洗、测量、切削液及切屑处理设备,系统控制结构及配置方案,数据管理系统,通信网络方案,确定技术方案时的注意事项,1.必须走适合国情的自动化制造系统发展道路；,（1）自动化程度低;（2）企业管理方式落后；（3）职工素质急需提高。,2.始终坚持需求驱动、效益驱动的原则；,3.加强关键技术的攻关和突破；,4.重视管理；,5.注重系统集成效益；,6.注重教育与人才培训。,各种设备,
3、五、投资概算,计算机系统,软件配置,软硬件设备开发/制造,土建及培训费用,投资概算是按技术方案，分别就各种设备、计算机系统、软件配置、软硬设备开发、土 建及培训费用进行分类概算。,应包括各种辅助工程的投资,六、主要的效益预计指标包括：,1)缩短零件制造周期；,2)降低废品率；,3)减少工装费用；,4)减少试切以及其它方面可能减少的工时费用；,5)提高机床利用率；,6)因减少在制品和库存而节省的费用；,7)提高人均劳动生产率；,8)提高产值及利润。,七、系统实施计划,根据企业生产经营状况，,资金筹集的可能性，,承制单位的情况等，,规划自动化制造系统项目实施的各工作阶段。,八、可行性分析1.经济可
4、行性(1)产品市场分析(2)项目投资分析(3)运行及维持费用分析(4)投资效益分析,2.技术可行性分析(1)加工对象和成组技术分析(2)加工工艺和加工设备分析(3)系统柔性和扩充能力分析(4)物流路线及平面布局分析(5)系统控制与生产管理系统分析(6)系统的集成性分析(7)其他,(5)其他,3.运行可行性分析,(1)企业的外部环境分析,(2)企业内部环境的分析,(3)可能利用的社会资源的分析,(4)新建系统的社会影响分析,自动化制造系统技术经过广泛细致的可行性论证后，从企业对自动化制造系统技术的可接受性、技术和经济的可承受性、建造自动化制造系统的周期、投入、产出及资金的回收期等方面进行比较后，
5、作出定性和定量的决策结论。,第二节 系统分析及系统类型的选择,*提出:新系统要完成哪些零件的哪些工序的加工任务、零件制造周期和单位时间产量的大小、加工质量。加工自动化程度和物流自动化程度。,一、系统分析,运用系统的观点和方法,对自动化制造系统建设进行全面的分析,提出对新建自动化制造系统的功能和性能需求。,*目标分析,*产品和零件分析,对操作人员的要求也较高,如果选型不当可能导致失败。(不能满足使用要求),二、自动化制造系统类型选择的意义和原则,1.意义,投资大、,系统技术和机构复杂,建设周期较长,二、自动化制造系统类型选择时遵循的原则,1、根据生产批量及生产方式选择；,2、根据零件的形状结构选
6、择；,3、根据用户资金情况选择；,4、根据工厂的现状及发展规划选择；,5、根据自动化制造系统的目标选择；,第三节 总体设计的内容和步骤,一、总体设计的内容,1)零件族选择；,2)对所确定的加工对象进行工艺分析，制订加工方案；,3)建立系统的功能模型和信息模型；,4)确定设备类型及配置，进行系统总体平面布局设计；,5)确定物流系统方案、控制系统方案、质量控制及监控方案；,6)计算机通讯网络及数据库管理系统设计；,7)辅助装置的确定；,8)对系统配置及运行方案进行计算机仿真以确定最佳方案；,9)对系统进行可靠性分析；,10)对系统进行风险分析和经济效益评估等。,二、总体设计的步骤,6)根据初步形成
7、的零件族、工艺分析、生产率、混流生产同时加工的零件族类及数量、总体布局、物料储运方案进行系统仿真,确定刀库容量、托盘缓冲站数量及工件运输小车和换刀机器人利用率等参数,1)组织队伍,明确分工,2)选择加工零件的类型和范围,进行工艺分析、制定工艺方案,确定设备的类型,3)按功能划分设计模块,初步制定技术指标和各自的接口,同时进行概要设计和初步设计,4)总体方案初步设计,5)总体组讨论形成的总体布局和各分系统的概要设计,7)组织专家评审总体设计方案,8)文档撰写,第四节 零件族的确定及工艺分析,将企业生产的多种产品、部件和零件按照特定的相似准则(分类系统)分类归族,并在分类的基础上组织产品生产的各个
8、环节,从而实现产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。,零件的结构相似:几何形状、功能要素、尺寸、精度、材料等。,零件的作用相似:用途、功能、规格。,一、成组技术,主样件:,在自动化制造系统中采用成组技术的作用和效益,1)可以以少品种、大批量的生产率和经济效益实现多品种、小批量的自动化生产。,2)在产品设计领域，提高了产品的继承性和标准化、系列化、通用化程度，大大减少了不必要的多样化和重复性劳动，缩短了产品的设计研制周期。,3)在工艺准备领域，由于成组可调工艺装备(包括刀具、夹具和量具)的应用，大大减少了专用工艺装备的数量，相应地减少了生产准备时间和费用，也减少了由于工件类型改变而引起的重新调整
9、时间，不仅降低了生产成本，也缩短了生产周期。,二、零件族的确定及工艺分析的目的,系统的加工范围总是有一定的限制的,零件族的确定是否恰当,关系到系统建成后能否满足要求和运行的效率。,零件族是根据成组技术原理，从零件的结构与工艺相似性出发，对生产系统中的各类零件进行统计分析，从中选出适合采用自动化制造系统加工的一组零件。,根据选择的零件族和工艺分析决定下列内容:,1)自动化制造系统需覆盖的加工范围和加工能力,2)自动化制造系统的类型和规模。,3)机床及其它设备的类型和所需的主要附件。,4)夹具种类和数量。,5)刀具种类和数量。,6)托盘及其缓冲站的数量。,7)所需投资的初步估算等。,1)零件类型,
10、2)零件尺寸大小,3)加工精度,4)材料硬度,5)装夹次数,6)生产批量,三、影响零件族确定的因素,1)人工挑选,2)计算机自动选择,四、零件选择方法,不是零件族内的所有零件都可以进自动化制造系统加工。,1零件工艺分析的要点1)工序的集中性2)工序的选择性3)成组技术原则4)切削参数的合理性,2工艺分析的基本步骤1)分析产品工艺要求2)工序划分3)选择工艺基准4)其它,五、零件工艺分析要点,第五节 设备配置及布局设计,1、设备配置,2、总体平面布局设计,不同类型的自动化制造系统，其设备配置与总体布局不一样。,一、设备配置设计,（一）设备的选择原则,设备选择的基本思想是将质量、时间、柔性和成本作
11、为优化目标统筹兼顾，综合考虑，而将环境性作为约束条件，进行多目标优化。,质量,生产率,柔性,成本,（二）独立工作站的设备配置,独立工作站的配置方案取决于企业经营目标、系统生产纲领、零件族类型及功能需求等。,机械加工工作站,工件装卸站,工件检测站,清洗工作站,加工机床的种类、数量、性能等配置,数量、工作台、监视系统、辅助搬运设备、安全防护等,检测设备、在线检测、离线检测,加工机床的种类、数量、性能等配置,（三）物料运贮系统的设备配置,物料搬运设备,物料缓冲储存,存储,工件搬运系统,托盘,托盘缓冲站,夹具,小车、机器人、吸盘,标准形式、非标准形式,工件排队等待加工的暂存地点、数目、位置。,（1）定
12、位面有精确的坐标尺寸；（2）元件数尽可能少；（3）不与机床发生干涉；（4）工序集中；（5）多工件装夹。,刀具搬运系统,刀具进出站,中央刀库,换刀机器人、换刀机械手,指示灯、预调仪、条码阅读器,刀位数设定、安放位置,立体仓库是毛坯和成品零件的存放地点，托盘及大型夹具也可在立体仓库中存放。立体仓库通常以巷道、货架型结构设置。巷道数、货架数、堆垛机、管理计算机是需要配置时考虑的。,二、总体平面布局,（一）总体布局设计的目标、依据及基本原则,1)有利于提高机床的加工精度。,2)加工机床与物料运输设备(有轨小车或无轨自动导引小车)之间的空间位置应相互协调。,3)计算机工作站应有合理的空间位置，通信线路畅
13、通且不受外界强磁场干扰。,4)确保工作人员的人身安全，应设置安全防护栅栏。,5)为便于系统扩展以模块化结构布局为好。,6)物料运输路线愈短愈好。,（二）设备布局的基本形式及运输调度策略,一维布局：假设设备系统由多台设备组成，各设备排列成一条直线，产品为一组零件,二维布局：二维空间中设备可以布置成行式排列或非行式排列。,（三）平面布局实例,第六节 自动化制造系统的控制与生产管理,1、AMS控制系统的任务,2、AMS的递阶控制结构,3、FMS单元控制系统,4、单元控制器的生产计划与调度过程,一、自动化制造系统控制系统的任务,5)系统状态监控,1)各种设备的自动控制,2)生产计划调度管理,3)制造质
14、量控制,4)信息与通信管理,二、自动化制造系统的阶梯控制结构,工厂级计算机 工厂层,加工车间计算机 装配车间计算机 车间层,1虚拟单元控制计算机,n虚拟单元控制计算机,单元层,铣削工作站控制器,检验工作站控制器,物料储运工作站控制器,机器人控制器,铣床控制器,工作站层,设备层,（1）把复杂控制过程的管理和控制进行分解，分为相对简单的过程，分别由各层计算机去处理，功能单一，易于实现，不易出错。,（2）各层的处理相对独立，易于实现模块化，使局部增、删、修改简单易行，从而增加了整个系统的柔性和对新技术的开放性。,3）分层处理对实时性要求有很大差别的任务，可以充分有效地利用计算机的资源。,（一）单元控
15、制系统的层次结构,（二）单元控制系统的基本任务,1)单元中各加工设备的任务管理与调度；2)单元内物流设备的管理与调度；3)刀具系统的管理。,（三）单元控制系统硬件配置原则,FMS单元控制系统的硬件配置依据各控制级而定,（一）单元控制系统软件的功能,计划功能,调度功能,监控功能,制定计划；发放计划；实施计划；建议调整任务。,分解计划；实施调度；建议调整计划。,分析数据；提出报告。,（二）FMS单元控制系统的信息,计算机辅助生产管理信息,计算机辅助工艺规程设计信息,从执行机构获得的信息,1)生产作业计划2)物料需求计划3)能力需求计划,1)工艺计划信息2)零件制造参数3)刀具需求信息4)零件数控加
16、工程序,1)数控加工设备2)数控测量设备3)零件清洗设备4)物料自动运储系统5)刀具自动运储系统,三、柔性制造系统的单元控制器,主要任务是：）零件加工的先后排序与生产调度管理）设备运行的调度管理）实时监控系统的运行管理）系统信息管理）信息通信）其他（系统运行仿真，单元控制器运行管理）,四、单元控制器的生产计划与调度控制,（一）单元控制器进行生产计划与调度的过程,其主要任务是进行生产管理合理安排零件的加工次序和调度管理制造系统内全部加工资源，以尽可能优化的方式完成指定的加工任务,当日或当班的作业计划和管理单元控制器,中长期计划（年度、季度、月度）决策工厂级,短期生产计划（周、日、班次）决策车间级
17、,（二）的作业计划,目标保证全部生产任务按订单的要求按时完成；为创造尽可能优的运行环境,输入上级部门下达的生产任务订单,输出的日或班次任务,（）系统能力的平衡和调整,生产作业计划过程的三个阶段,（）订单分析,（）日或班次作业计划,（一）FMS生产计划调度与控制系统,生产调度管理技术是决定FMS能否取得预期经济效益的关键技术之一，因此，生产计划调度系统是FMS控制系统的核心功能软件。计划与调度的目的是保证按期交货，保证均衡生产，提高设备利用率缩短生产周期。,从时间方面看，单元控制器的计划展望期(或称规划时间范围)从旬(周)到数小时或数分钟。,从空间层次结构看，FMS生产计划调度与控制又分为四个层
18、次，即FMS作业计划、静态调度、动态调度及系统资源管理,（二）FMS生产作业计划,（三）的静态调度,在每天或每班开始加工之前，将当天或当班将要完成的所有零件作一次生产计划安排，保证系统能以最优方式完成所接手的任务。,辅助制造资源的需求计划,静态调度的问题包括：,零件的最优分组,系统负荷的最优分配,零件加工的最优排序,1.零件的最优分组,零件分组最主要的原因:加工单元本身加工资源的限制(如有限数量的托盘和夹具、各加工中心刀具库容量),零件分组的要求:在不作刀具更换和大规模调整的情况下能够连续完成一组零件的加工。,零件分组数尽可能少减少调整次数,分组优化的目标,尽可能为每组零件实现系统负荷最优分配
19、创造条件资源负荷分配合理,2.系统负荷的最优分配,零件在系统中可以有不同的工艺路线,当每个零件的工艺路线确定之后,系统内各设备的负荷比例也就确定了,解决负荷分配问题的目的:对于任一组给定的零件,找到使系统获得最大生产效益的负荷分配方案,负荷分配要解决的问题:系统中各加工设备应按什么比例分配才能使系统获得最大的整体效益如何按比例将零件的工序分配到不同的设备,3.零件加工的最优排序,确定零件加工的先后顺序。,零件的优化排序将影响到系统的预置、调整、设备空闲时间和完成这一批零件的加工的总时间。,4.辅助制造资源的需求计划,刀具、夹具、托盘和量具等,(四)AMS的实时动态调度在线调度过程,随时掌握系统
20、资源和在线零件的真实状态实现实时动态调度的基础通过系统状态表来实现,实时动态调度的内容:被加工零件的动态排序 对系统资源生产活动的实时动态调度,1.被加工零件的动态排序,根据系统当前的情况,实时地调度安排零件在系统内的流动过程。,它的目标主要是减少系统内在制品的数量、提高设备资源的利用率,特别是关键机床的利用率。,2.AMS系统资源生产活动的实时动态调度,动态调度的内容:刀具的调度管理、夹具的调度管理、机器人的调度管理、缓冲托盘站的调度管理、输送小车的调度管理等,五、自动化制造系统的网络方案,自动化制造系统信息系统的物理配置包括下列内容:1)自动化制造系统控制体系结构的选择和设计2)自动化制造
21、系统计算机硬件系统与通信网络的体系结构设计3)自动化制造系统计算机软件的设计,网络选择的基本步骤,(一),（二）信息传输需求分析,基本信息,控制信息,系统状态信息,制造单元系统配置信息；物料流等系统资源基本信息。,工程控制数据；计划控制数据。,设备状态数据；物料状态数据。,（三）网络功能设计,1单元控制器与工作站之间的网络功能和性能要求 1)网络体系结构应具有下列功能：支持异种机及异种操作系统(如UNIX、WINDOWS)等上网；网络协议符合国际标准或工业标准；能与异构网连接。2)网络功能包括：文件传递；报文传送；电子邮件；虚拟终端；进程间通信；分布式数据处理与查询。3)网络性能：传输速率：1
22、一10Mbps；误码率：10-7以下；传输距离：1001000m。4)网络管理保障功能：网络管理服务；计算机及网络安全；网络平均无故障时间至少一年以上。,2工作站控制器与设备层网络的功能和性能要求：1)传送NC程序，控制命令，应答状态反馈信息；2)进程间通信；3)误码率：10-7以下；4)响应时间：毫秒级；5)传输距离：50m以内。,（四）网络的物理结构,六、自动化制造系统控制系统的设计,第七节 AMS的可靠性分析,1、系统可靠性分析的目的,2、系统可靠性分析的主要内容,3、AMS可靠性分析的特点与要求,4、AMS可靠性分析相关术语定义,5、AMS可靠性分析指标,6、AMS可靠性分析的步骤与方
23、法,7、提高AMS可靠性的途径,自动化制造系统的设计可靠性是实现其功能的基础，运行可靠性是实现功能的保证二者共同决定了系统的可靠性。,可靠性分析的目的就在于计算所设计的自动化制造系统所能达到的可靠度、可用度、MTBF(平均无故障间隔时间)等可靠性指标，为系统的可靠运行和进行可靠性设计提供必要的依据，是系统设计不可缺少的重要环节。,(一)系统设计可靠性分析的主要内容1)分析系统的性能是否满足规定的要求。2)分析可靠性目标是否符合用户要求，现实性怎样。3)分析工作环境对系统可靠性有何影响。4)分析是否考虑了系统安全性要求。5)分析是否对系统各组成部分有可靠性要求，设计的簿弱环节是什么6)分析系统的
24、安装工艺和系统调试考虑得怎样。7)分析系统是否需要作试运行试验。8)分析资金投入是否合理等。,(二)系统运行可靠性分析的主要内容1)分析制造工艺的可靠性。2)分析安全操作规程。3)分析系统中的各个设备、装置以及刀、夹、量具和检测设备的可靠性。4)分析工作环境的严格控制。5)分析异常状态的监测和报警。6)分析入员安全防护装置的可靠性7)分析外购件、外协件的可靠性等。,（一）AMS可靠性分析的特点,1)自动化制造系统是一种多功能系统，对各种功能有不同程度的可靠性要求。2)在自动化制造系统运行中可能发生异常情况。3)参与自动化制造系统工作的有各种保障机构和人员，它们对自动控制系统的可靠性水平都可能有
25、不同程度的影响。4)每一套自动化制造系统的组成中都包括有大量各种不同的组元。,（二）AMS可靠性分析的一般要求,三、AMS可靠性分析特点和一般要求,(一)分析指标的选择 1)应选用能表征下列特征的指标作为自动化制造系统可靠性指标。完成系统功能的可靠程度。在某一自动化制造模块出现故障情况下，自动化制造系统可以继续工 作所显示的柔性。自动化制造系统发生紧急情况的危险性大小。2)应按自动化制造系统各功能子系统来描述自动化制造系统设计与运行的可靠性。,(二)系统可靠性分析指标1）无故障性的主要指标2）维修性的主要指标3）系统柔性的主要指标4）系统寿命的主要指标,五、AMS可靠性分析特点和一般要求,(一)可靠性分析的基本步骤（1）建立系统的可靠性模型（2）计算系统的故障概率（3）进行系统可靠性分析,(二)可靠性分析的基本方法可靠性实验分析,六、AMS可靠性分析基本步骤和方法,(一)按照可靠性工程要求，搞好系统设计(二)制造技术的高低，也将对系统的固有可靠性产生较大的影响(三)系统使用与维护,三、提高AMS可靠性的途径,
