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智能生產系統的組成
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| 發布時間：
2022/12/14 |
智能生產系統是防爆控制箱工廠信息流和物料流的結合點。在現代企業中，智能生產系統由不同的生產車間組成，車間是智能生產系統的核心。智能生產系統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、數據以及相應的體系結構和組織管理模式等組成，具體包括車間控制系統、加工系統、物料運輸與存儲系統、刀具準備與儲運系統、檢測和監控系統等。
1．智能生產系統的組成及結構
1)車間控制系統
車間控制系統由車間控制器、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、管理人員組成。
根據美國國家標準技術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構參考模型，將車間控制系統分為車間層、單元層、工作站層和設備層(圖17)。
圖17 車間控制系統的遞階控制體系結構
車間層是車間控制系統的最高級，主要任務是根據防爆控制箱工廠下達的生產計劃進行車間作業分解和作業調度，并反饋車間有關的生產信息。車間控制器是車間層控制系統與外界交換信息的核心與樞紐，具有三大功能：①計劃：根據MIS下達的主生產作業計劃和 EDS(I程設計系統)提供的生產工藝信息制訂車間某時期內的生產計劃。②調度：根據各生產單元的計劃完成情況對單元之間的生產任務和資源分配做適當的調整，保證車間任務按期完成。③監控：監視各單元在生產過程中出現的各種異常現象，并將異常信息及時反饋給調度模塊，供其決策。
單元層同時兼有計劃和調度的功能，其控制周期從幾小時到幾周，完成任務的實時分解、調度、資源需求分析，向工作站分配任務及監控任務的執行情況，并向車間控制器報告作業完成情況和單元狀態。單元控制器在向單元內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整。
工作站層負責指揮和協調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、加工過程監控和協調、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。控制周期一般從幾毫秒到幾分鐘，是車間控制系統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控這些任務的執行信息。
2)加工系統
加工系統是MAS的硬件核心。常見的加工系統類型有：剛性自動線、柔性制造單元(FMC、柔性制造系統(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等組成。加工設備有組合機床和專業機床，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，對固定一種或少數幾種相似的零件同時加工，所以自動化程度和生產效率均很高。應用傳統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。但是，其剛性結構導致實現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臺數控機床或加工中心、工件自動輸送及更換系統、刀具存儲、輸送及更換系統、設備控制器和單元控制器等組成。單元內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。
柔性制造系統(FMS)是在加工自動化的基礎上實現物料流和信息流的自動化，其基本組成有：自動化加工設備(如數控機床、加工中心、車削中心、柔性制造單元等)、工件儲運系統、刀具儲運系統、多層計算機控制系統等。此外，FMS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、集中冷卻潤滑系統等。 FMS能夠根據制造任務或生產的變化迅速進行調整，具有柔性高、工藝互補性強、可混合加工不同的零件、系統易于局部調整和維護等特點，適合于多品種、中小批量零件的生產。
柔性制造線(FML)由自動化加工設備(如數控機床、可換主軸箱機床等)、工件儲運系統和控制系統等組成。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組成。根據裝配工藝流程，FAL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
物料運輸與存儲系統由運輸設備和存儲設備組成。物料運輸與存儲系統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為自動化加工設備服務，使自動化系統得以正常運行，以發揮其整體效益。
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、板式等多種結構。
物料存儲系統包括：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；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_定規模的生產。
4)刀具準備與儲運系統
刀具準備與儲運系統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、管理和監控的能力。刀具準備與儲運系統由刀具組裝臺、刀具預調儀、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、刀具計算機管理系統等組成。
在組合機床和加工中心上廣泛使用模塊化結構的組合刀具。組合刀具由標準化的刀具組件構成，在刀具組裝臺完成組裝。組合刀具可以提供刀具的柔性，減少刀具組件的數量，降低刀具成本。刀具預調儀由刀柄定位機構、測量頭、Z／X軸測量機構、測量數據處等幾部分組成。組裝好一把完整的刀具后，上刀具預調儀按照刀具清單進行調整，使其幾何參數與名義值一致。刀具經預調和編碼后，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，構成自動刀庫供給系統。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。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)檢測和監控系統
檢測和監控系統的功能是保證MAS正常可靠運行及加工質量。檢測和監控的對象有加工設備、工件儲運系統、刀具及儲運系統、工件質量、環境及安全參數等。在現代制造系統中，檢測和監控的目的是要主動控制質量，防止產生廢品，為質量保證體系提供反饋信息，構成閉環質量控制回路。
檢測設備包括傳統的工具(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量。零件精度檢測過程可分為工序問的循環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、循環內檢測和機器人輔助測量技術等)和非接觸式檢測(如采用激光技術和光敏二極管陣列技術等)。
2．智能生產系統的功能模型
生產系統的IDEF0功能模型如圖3．18所示。其中，車間控制系統的主要功能有：車間生產作業計劃的制訂與調度、刀具管理、物料管理、制造與檢驗、質量控制、監控功能等。
圖19是車間控制系統的數據流模型。車間控制系統功能的實現有賴于與其他分系統的配合，具體體現在以下幾個方面。
(1)車間生產作業計劃的制訂必須以主生產作業計劃為依據。生產作業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律以及精度檢查方面的信息則由質量管理系統(QMS)提供。
(2)車間生產資源的管理均與MIS、EDS、QMS等系統密切相關。車間生產資源的狀態是MIS制訂生產計劃的依據，CAPP系統根據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程、NC代碼都來自于EDS，檢驗規程或檢驗NC代碼則來自于QMS，作為質量管理的依據。
(4)車間監控系統一方面保證車間生產計劃順利進行；另一方面，為EDS、MIS、QMS提供車間的實時運行狀態，以便根據實際加工情況更改有關計劃，檢查、追蹤出現質量事故的原因。
圖18生產系統的IDEF0功能模型
圖19 軍I司控制系統的數據流模型
(5)車間控制系統要實現上述功能，需要分布式數據庫管理系統和計算機網絡系統的支持。分布式數據庫管理系統可以保證車間控制系統所需信息的一致性、完整性和安全性。計算機網絡系統則是數據交換和共享的橋梁。
3．智能生產系統與其他分系統的信息接口
MAS與其他分系統的信息聯系按照性質可分為靜態信息和動態信息；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具有局域實時性。信息類型包含文字、數據、圖形等。根據不同企業的實際情況，從這些信息中可以分別抽象出以下不同的實體。
(1)車間作業計劃類：包含的實體有生產調度計劃、計劃修改要求、車間工作指令要求、生產能力、工作令優先級因素、操作優先級、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)生產準備類：包含的實體有生產準備數據、物料計劃、防爆正壓柜批號、工位點文件、設備分組、負荷能力、質量綜合考核信息等。
(3)生產控制類：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、生產制造活動報告、生產狀態信息報告、車間作業調度、日產任務通知單、日產進度、防爆正壓柜制造工藝卡、工(量)卡信息、NC文件、設備開動記錄、質量分析信息、申請檢驗信息、工藝試驗信息、新工裝調用信息等。
(4)庫存記錄類：包含庫存計劃事項、庫存調整、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)仿真數據類：包含生產計劃仿真參數、生產過程仿真命令、仿真算法、仿真數據文件、仿真圖形文件等實體。
4．技術的發展趨勢
1)智能化
智能制造將是未來制造自動化發展的重要方向。智能制造系統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，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分良理、判斷、構思和決策等。智能制造技術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，以實現制造過程的.
2)制造虛擬化
虛擬制造(virtual manufacturing)是以制造技術和計算機技術支持的系統建模技術‘真技術為基礎，集現代制造工藝、計算機圖形學、并行工程、人工智能、人工現實技術媒體技術等多種高新技術為一體，由多學科知識形成的一種綜合系統技術。它將現造環境及其制造過程通過建立系統模型映射到計算機及其相關技術所支撐的虛擬：中，在虛擬環境下模擬現實制造環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的行為進行預測和評價。
3)敏捷化
隨著數控技術的發展，為適應多品種、小批量生產的自動化，發展了若干臺計算機數．床和一臺工業機器人協同工作，以便加工一組或幾組結構形狀和工藝特征相似的零人而構成柔性制造單元(FMC)。借助一個物流自動化系統，將若干個FMC連接起沒實現更大規模的加工自動化，于是構成了柔性制造系統(FMS)。以數字化的方式 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：字化制造系統的一部分。敏捷制造模式的出現，使可重構制造系統(Recon“gurable Manufacturing System， S)成為可能。RMS是一種通過對制造系統結構及其組成單元進行快速重組或更新，調整制造系統的功能和生產能力，以迅速響應市場變化及其他需求的制造系統。其．技術是系統的可重構性，即利用對制造設備及其模塊或組件的重排、更替、剪裁、嵌 l革新等手段對系統進行重新組態、更新過程、變換功能或改變系統的輸出(防爆正壓柜與：)。敏捷制造是一種面向21世紀的制造戰略和現代制造模式，當前全球范圍內敏捷制研究十分活躍。敏捷制造是對廣義制造系統而言。制造環境和制造過程的敏捷性}是敏捷制造的重要組成部分。敏捷化是制造環境和制造過程面向2l世紀制造活動 j然趨勢。
4)網絡化
當前，網絡技術(特別是Internet/Intranet技術)的迅速發展，正在給企業制造活動帶 i的變革，其影響的深度、廣度和發展速度遠遠超過人們的預測。基于Internet的生!營活動出人意料地迅猛增長。其中，基于網絡的制造包括以下幾個方面：制造環境5的網絡化，實現制造過程的集成；制造環境與整個制造企業的網絡化，實現制造環境：業中工程設計、管理信息系統等各子系統的集成；企業與企業間的網絡化，實現企業)資源共享、組合與優化利用；通過網絡，實現異地制造。總之，制造的網絡化，特別是：Internet/Intranet的制造已成為重要的發展趨勢。
5)全球化
制造全球化的概念出于美、日、歐等發達國家的智能系統計劃。近年來，隨著 Internet技術的發展，制造全球化的研究和應用發展迅速。制造全球化包括的內容非常廣泛，主要有：市場的國際化，防爆正壓柜銷售的全球網絡正在形成；防爆正壓柜設計和開發的國際合作；防爆正壓柜制造的跨國化；制造企業在世界范圍內的重組與集成，如動態聯盟公司；制造資源的跨地區、跨國家的協調、共享和優化利用；全球制造的體系結構將要形成。
6)制造綠色化
環境、資源、人口是當今人類社會面臨的三大主要問題。制造業量大、面廣，對環境的總體影響很大。可以說，制造業一方面是創造人類財富的支柱產業，但同時又是當前環境污染的主要源頭。鑒于此，如何使制造業盡可能少地產生環境污染是當前環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)由此產生。
綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式，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，對環境的影響(副作用)最小，資源效率最高。綠色制造是可持續發展戰略在制造業中的體現，或者說，綠色制造是現代制造業的可持續發展模式。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。對制造環境和制造過程而言，綠色制造主要涉及資源的優化利用、清潔生產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應該予以充分考慮的一個重大問題。
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