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智能生產(chǎn)系統(tǒng)的組成
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| 發(fā)布時間：
2022/12/14 |
智能生產(chǎn)系統(tǒng)是防爆控制箱工廠信息流和物料流的結(jié)合點。在現(xiàn)代企業(yè)中，智能生產(chǎn)系統(tǒng)由不同的生產(chǎn)車間組成，車間是智能生產(chǎn)系統(tǒng)的核心。智能生產(chǎn)系統(tǒng)由完成防爆正壓柜制造加工的設備、裝置、工具、人員、相應信息、數(shù)據(jù)以及相應的體系結(jié)構(gòu)和組織管理模式等組成，具體包括車間控制系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、物料運輸與存儲系統(tǒng)、刀具準備與儲運系統(tǒng)、檢測和監(jiān)控系統(tǒng)等。
1．智能生產(chǎn)系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)
1)車間控制系統(tǒng)
車間控制系統(tǒng)由車間控制器、單元控制器、工作站控制和自動化設備本身的控制器以及車間生產(chǎn)、管理人員組成。
根據(jù)美國國家標準技術(shù)研究所的自動化制造研究實驗基地(Automated Manufacturing Facturitng Research Facility，AMRF)提出的五層遞階控制結(jié)構(gòu)參考模型，將車間控制系統(tǒng)分為車間層、單元層、工作站層和設備層(圖17)。
圖17 車間控制系統(tǒng)的遞階控制體系結(jié)構(gòu)
車間層是車間控制系統(tǒng)的最高級，主要任務是根據(jù)防爆控制箱工廠下達的生產(chǎn)計劃進行車間作業(yè)分解和作業(yè)調(diào)度，并反饋車間有關(guān)的生產(chǎn)信息。車間控制器是車間層控制系統(tǒng)與外界交換信息的核心與樞紐，具有三大功能：①計劃：根據(jù)MIS下達的主生產(chǎn)作業(yè)計劃和 EDS(I程設計系統(tǒng))提供的生產(chǎn)工藝信息制訂車間某時期內(nèi)的生產(chǎn)計劃。②調(diào)度：根據(jù)各生產(chǎn)單元的計劃完成情況對單元之間的生產(chǎn)任務和資源分配做適當?shù)恼{(diào)整，保證車間任務按期完成。③監(jiān)控：監(jiān)視各單元在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種異?，F(xiàn)象，并將異常信息及時反饋給調(diào)度模塊，供其決策。
單元層同時兼有計劃和調(diào)度的功能，其控制周期從幾小時到幾周，完成任務的實時分解、調(diào)度、資源需求分析，向工作站分配任務及監(jiān)控任務的執(zhí)行情況，并向車間控制器報告作業(yè)完成情況和單元狀態(tài)。單元控制器在向單元內(nèi)的各加工設備分配任務時，必須考慮各設備的加工能力和加工任務的均衡分配。單元控制器遇到無法解決的故障時，則向上一級的車間控制器實時反饋信息，進行單元間的任務調(diào)整。
工作站層負責指揮和協(xié)調(diào)車間中某個設備小組的活動，如加工工作站、毛坯工作站、刀具工作站、夾具工作站、測量工作站和物料存儲工作站等。其控制周期可以從幾分鐘到幾小時，其主要功能是根據(jù)單元控制器下達的命令完成各種加工準備、物料和刀具運送、加工過程監(jiān)控和協(xié)調(diào)、加工檢驗等工作。
設備層包括機床、加工中心、機器人、坐標測量機、自動引導車等設備的控制器?？刂浦芷谝话銖膸缀撩氲綆追昼?，是車間控制系統(tǒng)中實時性要求最高的一級。設備控制器的功能是將工作站控制器命令轉(zhuǎn)換成可操作的、有順序的簡單任務運行各種設備，完成工作站層指定的各類加工、測量任務，并通過各種傳感器監(jiān)控這些任務的執(zhí)行信息。
2)加工系統(tǒng)
加工系統(tǒng)是MAS的硬件核心。常見的加工系統(tǒng)類型有：剛性自動線、柔性制造單元(FMC、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性制造線(FML)和柔性裝配線(FAL)等。
剛性自動線一般由剛性自動化加工設備、工件輸送裝置、切削輸送裝置和控制系統(tǒng)等組成。加工設備有組合機床和專業(yè)機床，它們針對某一種或某一組零件的加工工藝而設計、制造，可以采用多面、多軸、多刀，對固定一種或少數(shù)幾種相似的零件同時加工，所以自動化程度和生產(chǎn)效率均很高。應用傳統(tǒng)的機械設計和制造工藝方法，采用剛性自動線可以進行大批量生產(chǎn)。但是，其剛性結(jié)構(gòu)導致實現(xiàn)防爆正壓柜品種的改變十分困難，無法快速響應多變的市場需求。
柔性制造單元(FMC)由1～3臺數(shù)控機床或加工中心、工件自動輸送及更換系統(tǒng)、刀具存儲、輸送及更換系統(tǒng)、設備控制器和單元控制器等組成。單元內(nèi)的機床在工藝能力上通常是相互補充的，可混合加工不同的零件。FMC具有獨立自動加工的功能，可實現(xiàn)某些零件的多品種和小批量的加工。FMC具有單元層和設備層兩級計算機控制，對外具有接口，可以組成柔性制造系統(tǒng)。
柔性制造系統(tǒng)(FMS)是在加工自動化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)物料流和信息流的自動化，其基本組成有：自動化加工設備(如數(shù)控機床、加工中心、車削中心、柔性制造單元等)、工件儲運系統(tǒng)、刀具儲運系統(tǒng)、多層計算機控制系統(tǒng)等。此外，F(xiàn)MS的組成還可以擴展為：自動清洗工作站、自動去毛刺設備、自動測量設備、集中切削運輸系統(tǒng)、集中冷卻潤滑系統(tǒng)等。 FMS能夠根據(jù)制造任務或生產(chǎn)的變化迅速進行調(diào)整，具有柔性高、工藝互補性強、可混合加工不同的零件、系統(tǒng)易于局部調(diào)整和維護等特點，適合于多品種、中小批量零件的生產(chǎn)。
柔性制造線(FML)由自動化加工設備(如數(shù)控機床、可換主軸箱機床等)、工件儲運系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。FML同時具有剛性自動線和FMS的某些特征。在柔性上接近FMS，在生產(chǎn)率方面則接近剛性自動線。
柔性裝配線(FAL)通常由裝配站、物料輸送裝置和控制系統(tǒng)等組成。裝配站可以是可編程的裝配機器人、不可編程的自動裝配裝置和人工裝配工位。物料輸送裝置由傳送帶和換向機構(gòu)組成。根據(jù)裝配工藝流程，F(xiàn)AL將不同的零件或已裝配好的半成品輸送到相應的裝配站。
3)物料運輸與存儲系統(tǒng)
物料運輸與存儲系統(tǒng)由運輸設備和存儲設備組成。物料運輸與存儲系統(tǒng)負責制造過程的各種物料(如工件、刀具、夾具、切屑、冷卻液等)的流動，它將工件毛坯或半成品及時準確地送到指定的加工位置，并將加工好的成品送進倉庫或裝卸站。物料運輸與存儲系統(tǒng)為自動化加工設備服務，使自動化系統(tǒng)得以正常運行，以發(fā)揮其整體效益。
工件輸送設備包括：①傳送帶：廣泛用于MAS中工件或工件托盤的輸送，傳送帶有步伐式、鏈式、輥道式、履帶式等形式。②運輸小車有：有軌小車、自動導向小車、牽引式小車和空中單軌小車四種。運輸小車能運輸各種輕重和各種型號的零件，具有控制簡單、可靠性好、成本低等特點。③工業(yè)機器人：是一種可編程的多功能操作器，用于搬運物料、工件和工具，或者說是一種通過不同的編程，以完成各種不同任務的設備。工業(yè)機器人有焊接機器人、噴漆機器人、搬運機器人、裝配機器人等幾種。④托盤及托盤交換裝置：在MAS中實現(xiàn)工件自動更換，縮短消耗在更換工件上的輔助時間。托盤是工件和夾具與輸送設備和加工設備之間的接口，有箱式、板式等多種結(jié)構(gòu)。
物料存儲系統(tǒng)包括：工件進出站、托盤站和自動化立體倉庫。自動化立體倉庫主要由庫房、貨架、堆垛起重機、外圍輸送設備、自動控制裝置等組成。自動化立體倉庫是一種先進的倉儲設備，目的是將物料存放在正確的位置，以便于隨時向制造系統(tǒng)提供物料。自動化立體倉庫的特點有：①利用計算機管理，物資庫存賬目清楚，物料存放的位置準確，對MAS系統(tǒng)物料需求響應速度快；②與搬運設備(如AGV、有軌小車、傳送帶等)銜接，可靠及時地提供物料；③減少庫存量，加速資金周轉(zhuǎn)；④充分利用空間，減少廠房面積；⑤減少工件損傷和物料丟失；⑥可存放的物料范圍廣；⑦減少管理人員，降低管理費用；③耗資比較大，適用于具有_定規(guī)模的生產(chǎn)。
4)刀具準備與儲運系統(tǒng)
刀具準備與儲運系統(tǒng)為加工設備及時提供所需的刀具，能按照要求在各個機床之間進行刀具交換，對刀具具有運輸、管理和監(jiān)控的能力。刀具準備與儲運系統(tǒng)由刀具組裝臺、刀具預調(diào)儀、刀具進出站、中央刀具庫、機床刀庫、刀具輸送裝置和刀具交換機構(gòu)、刀具計算機管理系統(tǒng)等組成。
在組合機床和加工中心上廣泛使用模塊化結(jié)構(gòu)的組合刀具。組合刀具由標準化的刀具組件構(gòu)成，在刀具組裝臺完成組裝。組合刀具可以提供刀具的柔性，減少刀具組件的數(shù)量，降低刀具成本。刀具預調(diào)儀由刀柄定位機構(gòu)、測量頭、Z／X軸測量機構(gòu)、測量數(shù)據(jù)處等幾部分組成。組裝好一把完整的刀具后，上刀具預調(diào)儀按照刀具清單進行調(diào)整，使其幾何參數(shù)與名義值一致。刀具經(jīng)預調(diào)和編碼后，送人刀具進出站，以便進入中央刀具庫。中央刀具庫用于存儲FMS加工所需的各種刀具及備用刀具。中央刀具庫通過刀具自動輸送裝置與機床刀庫連接起來，構(gòu)成自動刀庫供給系統(tǒng)。機床刀庫用來裝載當前工件加工所需的刀具，刀具來源可以是刀具室、中央刀具庫和其他機床刀庫。刀具輸送裝置和刀具交換機構(gòu)的任務是為各種機床刀庫及時提供所需的刀具，并將磨損、破損的刀具送出系統(tǒng)。刀具的自動輸送裝置主要有帶有刀具托盤的有軌或無軌小車、高架有軌小車、刀具搬運機器人等類型。
5)檢測和監(jiān)控系統(tǒng)
檢測和監(jiān)控系統(tǒng)的功能是保證MAS正常可靠運行及加工質(zhì)量。檢測和監(jiān)控的對象有加工設備、工件儲運系統(tǒng)、刀具及儲運系統(tǒng)、工件質(zhì)量、環(huán)境及安全參數(shù)等。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，檢測和監(jiān)控的目的是要主動控制質(zhì)量，防止產(chǎn)生廢品，為質(zhì)量保證體系提供反饋信息，構(gòu)成閉環(huán)質(zhì)量控制回路。
檢測設備包括傳統(tǒng)的工具(如卡尺、千分尺、百分表等)或者自動測量裝置(如三坐標測量機、測量機器人等)。檢測設備通過對零件加工精度的檢測來保證加工質(zhì)量。零件精度檢測過程可分為工序問的循環(huán)檢測和最終工序檢測。采用的檢測方法可以分為接觸式檢測(如采用三坐標測量機、循環(huán)內(nèi)檢測和機器人輔助測量技術(shù)等)和非接觸式檢測(如采用激光技術(shù)和光敏二極管陣列技術(shù)等)。
2．智能生產(chǎn)系統(tǒng)的功能模型
生產(chǎn)系統(tǒng)的IDEF0功能模型如圖3．18所示。其中，車間控制系統(tǒng)的主要功能有：車間生產(chǎn)作業(yè)計劃的制訂與調(diào)度、刀具管理、物料管理、制造與檢驗、質(zhì)量控制、監(jiān)控功能等。
圖19是車間控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流模型。車間控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)有賴于與其他分系統(tǒng)的配合，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。
(1)車間生產(chǎn)作業(yè)計劃的制訂必須以主生產(chǎn)作業(yè)計劃為依據(jù)。生產(chǎn)作業(yè)計劃的制訂必然使用由EDS提供的許多工藝信息。而加工過程采用的控制規(guī)律以及精度檢查方面的信息則由質(zhì)量管理系統(tǒng)(QMS)提供。
(2)車間生產(chǎn)資源的管理均與MIS、EDS、QMS等系統(tǒng)密切相關(guān)。車間生產(chǎn)資源的狀態(tài)是MIS制訂生產(chǎn)計劃的依據(jù)，CAPP系統(tǒng)根據(jù)車間資源情況制訂加工工藝，而車間量具、檢驗夾具的可用性取決于QMS的定檢計劃。
(3)車間制造所需的工藝規(guī)程、NC代碼都來自于EDS，檢驗規(guī)程或檢驗NC代碼則來自于QMS，作為質(zhì)量管理的依據(jù)。
(4)車間監(jiān)控系統(tǒng)一方面保證車間生產(chǎn)計劃順利進行；另一方面，為EDS、MIS、QMS提供車間的實時運行狀態(tài)，以便根據(jù)實際加工情況更改有關(guān)計劃，檢查、追蹤出現(xiàn)質(zhì)量事故的原因。
圖18生產(chǎn)系統(tǒng)的IDEF0功能模型
圖19 軍I司控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流模型
(5)車間控制系統(tǒng)要實現(xiàn)上述功能，需要分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的支持。分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可以保證車間控制系統(tǒng)所需信息的一致性、完整性和安全性。計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)則是數(shù)據(jù)交換和共享的橋梁。
3．智能生產(chǎn)系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)的信息接口
MAS與其他分系統(tǒng)的信息聯(lián)系按照性質(zhì)可分為靜態(tài)信息和動態(tài)信息；按照信息的來源和去向可分為輸入信息和輸出信息(圖3．20)。MAS信息的特點是在車間范圍內(nèi)具有局域?qū)崟r性。信息類型包含文字、數(shù)據(jù)、圖形等。根據(jù)不同企業(yè)的實際情況，從這些信息中可以分別抽象出以下不同的實體。
(1)車間作業(yè)計劃類：包含的實體有生產(chǎn)調(diào)度計劃、計劃修改要求、車間工作指令要求、生產(chǎn)能力、工作令優(yōu)先級因素、操作優(yōu)先級、工作指令報告、車間工作令、物料申請、操作順序、工作令卡等。
(2)生產(chǎn)準備類：包含的實體有生產(chǎn)準備數(shù)據(jù)、物料計劃、防爆正壓柜批號、工位點文件、設備分組、負荷能力、質(zhì)量綜合考核信息等。
(3)生產(chǎn)控制類：包含的實體有最終計劃修改要求、設備分配情況表、工作進程表、工具材料傳送報告、生產(chǎn)制造活動報告、生產(chǎn)狀態(tài)信息報告、車間作業(yè)調(diào)度、日產(chǎn)任務通知單、日產(chǎn)進度、防爆正壓柜制造工藝卡、工(量)卡信息、NC文件、設備開動記錄、質(zhì)量分析信息、申請檢驗信息、工藝試驗信息、新工裝調(diào)用信息等。
(4)庫存記錄類：包含庫存計劃事項、庫存調(diào)整、安全存儲、庫存查詢、庫存記錄、成品入庫報告、成品出庫報告、庫存報警、物料信息、廢品信息、量具需求計劃等實體。
(5)仿真數(shù)據(jù)類：包含生產(chǎn)計劃仿真參數(shù)、生產(chǎn)過程仿真命令、仿真算法、仿真數(shù)據(jù)文件、仿真圖形文件等實體。
4．技術(shù)的發(fā)展趨勢
1)智能化
智能制造將是未來制造自動化發(fā)展的重要方向。智能制造系統(tǒng)是一種由智能機器類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分良理、判斷、構(gòu)思和決策等。智能制造技術(shù)的宗旨在于通過人與智能機器的合作共安擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，以實現(xiàn)制造過程的.
2)制造虛擬化
虛擬制造(virtual manufacturing)是以制造技術(shù)和計算機技術(shù)支持的系統(tǒng)建模技術(shù)‘真技術(shù)為基礎(chǔ)，集現(xiàn)代制造工藝、計算機圖形學、并行工程、人工智能、人工現(xiàn)實技術(shù)媒體技術(shù)等多種高新技術(shù)為一體，由多學科知識形成的一種綜合系統(tǒng)技術(shù)。它將現(xiàn)造環(huán)境及其制造過程通過建立系統(tǒng)模型映射到計算機及其相關(guān)技術(shù)所支撐的虛擬：中，在虛擬環(huán)境下模擬現(xiàn)實制造環(huán)境及其制造過程的一切活動和防爆正壓柜制造全過程，防爆正壓柜制造及制造系統(tǒng)的行為進行預測和評價。
3)敏捷化
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，為適應多品種、小批量生產(chǎn)的自動化，發(fā)展了若干臺計算機數(shù)．床和一臺工業(yè)機器人協(xié)同工作，以便加工一組或幾組結(jié)構(gòu)形狀和工藝特征相似的零人而構(gòu)成柔性制造單元(FMC)。借助一個物流自動化系統(tǒng)，將若干個FMC連接起沒實現(xiàn)更大規(guī)模的加工自動化，于是構(gòu)成了柔性制造系統(tǒng)(FMS)。以數(shù)字化的方式 l加工過程的物料流、加工流和控制流的表征、存儲與控制，這就形成了以控制為中心：字化制造系統(tǒng)的一部分。敏捷制造模式的出現(xiàn)，使可重構(gòu)制造系統(tǒng)(Recon“gurable Manufacturing System， S)成為可能。RMS是一種通過對制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其組成單元進行快速重組或更新，調(diào)整制造系統(tǒng)的功能和生產(chǎn)能力，以迅速響應市場變化及其他需求的制造系統(tǒng)。其．技術(shù)是系統(tǒng)的可重構(gòu)性，即利用對制造設備及其模塊或組件的重排、更替、剪裁、嵌 l革新等手段對系統(tǒng)進行重新組態(tài)、更新過程、變換功能或改變系統(tǒng)的輸出(防爆正壓柜與：)。敏捷制造是一種面向21世紀的制造戰(zhàn)略和現(xiàn)代制造模式，當前全球范圍內(nèi)敏捷制研究十分活躍。敏捷制造是對廣義制造系統(tǒng)而言。制造環(huán)境和制造過程的敏捷性}是敏捷制造的重要組成部分。敏捷化是制造環(huán)境和制造過程面向2l世紀制造活動 j然趨勢。
4)網(wǎng)絡化
當前，網(wǎng)絡技術(shù)(特別是Internet/Intranet技術(shù))的迅速發(fā)展，正在給企業(yè)制造活動帶 i的變革，其影響的深度、廣度和發(fā)展速度遠遠超過人們的預測?；贗nternet的生!營活動出人意料地迅猛增長。其中，基于網(wǎng)絡的制造包括以下幾個方面：制造環(huán)境5的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)制造過程的集成；制造環(huán)境與整個制造企業(yè)的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)制造環(huán)境：業(yè)中工程設計、管理信息系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的集成；企業(yè)與企業(yè)間的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)企業(yè))資源共享、組合與優(yōu)化利用；通過網(wǎng)絡，實現(xiàn)異地制造。總之，制造的網(wǎng)絡化，特別是：Internet/Intranet的制造已成為重要的發(fā)展趨勢。
5)全球化
制造全球化的概念出于美、日、歐等發(fā)達國家的智能系統(tǒng)計劃。近年來，隨著 Internet技術(shù)的發(fā)展，制造全球化的研究和應用發(fā)展迅速。制造全球化包括的內(nèi)容非常廣泛，主要有：市場的國際化，防爆正壓柜銷售的全球網(wǎng)絡正在形成；防爆正壓柜設計和開發(fā)的國際合作；防爆正壓柜制造的跨國化；制造企業(yè)在世界范圍內(nèi)的重組與集成，如動態(tài)聯(lián)盟公司；制造資源的跨地區(qū)、跨國家的協(xié)調(diào)、共享和優(yōu)化利用；全球制造的體系結(jié)構(gòu)將要形成。
6)制造綠色化
環(huán)境、資源、人口是當今人類社會面臨的三大主要問題。制造業(yè)量大、面廣，對環(huán)境的總體影響很大。可以說，制造業(yè)一方面是創(chuàng)造人類財富的支柱產(chǎn)業(yè)，但同時又是當前環(huán)境污染的主要源頭。鑒于此，如何使制造業(yè)盡可能少地產(chǎn)生環(huán)境污染是當前環(huán)境問題研究的一個重要方面。于是，一個新概念——綠色制造(green manufacturing)由此產(chǎn)生。
綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標是使得防爆正壓柜從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個防爆正壓柜生命周期中，對環(huán)境的影響(副作用)最小，資源效率最高。綠色制造是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的體現(xiàn)，或者說，綠色制造是現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。綠色制造涉及的面很廣，涉及防爆正壓柜的整個生命周期和多生命周期。對制造環(huán)境和制造過程而言，綠色制造主要涉及資源的優(yōu)化利用、清潔生產(chǎn)和廢棄物的最少化及綜合利用。綠色制造是目前和將來制造自動化系統(tǒng)應該予以充分考慮的一個重大問題。
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