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制造自动化系统

制造业的自动化大体上分为刚性自动化、柔性自动化和集成自动化三个阶段。70年代以前，主要利用机械设备，实现大批量生产，解决代替人的体力劳动的自动化，目标是提高劳动生产率，这一时期为刚性自动化阶段。80年代中期以前，主要利用柔性制造系统实现多品种、小批量生产，解决高生产率与柔性的统一，目标是在继续提高劳动生产率的同时，实现产品本身和制造过程的柔性，这一时期为柔性自动化阶段。90年代以后，主要利用计算机集成制造系统，实现全局优化的集成生产，目标是将不同种类和功能的自动化孤岛集成起来，实现全局优化，这一时期为集成自动化阶段。     制造自动化系统位于企业制造环境的底层，是直接完成制造活动的基本环节。它覆盖了企业从车间层至设备层的全部功能和活动。通常，制造自动化系统由制造系统、控制系统、物流系统、监测系统和机器人组成。制造系统用于对工件或产品进行物理加工的操作，它直接完成零件或产品的各种加工和装配，主要包括各种数控机床、加工中心、柔性制造单元等加工设备、测量设备和装配设备。控制系统用以实现对制造系统的操作过程控制，是制造自动化系统集成信息流、决策流的基础。它控制全系统协调运行，包括车间层管理与控制。单元层控制、工作站控制及物流控制等功能。物流系统是制造自动化系统物流集成的基础，它完成对工件和工具的存储、搬运、装卸等三大操作功能。监测系统是制造自动化系统工作质量保证的基础，它完成制造过程中对加工对象、加工设备及加工工具的在线自动监测。机器人除在传统的搬运、装卸过程中大量应用外，在焊接、装配、喷涂、测试、清洗等生产过程中目前正朝着开放式结构、分布式处理的方向发展。开放即建立公共的硬件、软件平台，面向不同的应用环境，适应多种系统的需求。分布式处理包括各种设备的网络互连、分布式数据管理、分布式数据库和实时多任务并发处理。随着自动化向管理和技术领域的渗透和发展，制造自动化系统必然要同管理信息系统和技术信息系统集成起来，并最终形成集成制造系统。     制造自动化系统是企业信息流、物料流和决策流交汇的枢纽。按照功能活动的基本特征，制造自动化的体系结构自顶向下分别为     1）公司经营决策层；     2）工厂生产管理层；     3）车间管理控制层；     4）单元控制层；     5）工作站控制层；     6）设备控制层。     上述层状模型包容了制造业的全部功能和活动，描述了其层次结构和关系，体现了集中与分散相结合的递阶控制结构原理。递阶控制结构原理规定：每一层将其上一层发出的命令分解为本层执行的过程和继续向下一层传送的子命令，并接收来自上一层的相关数据。命令执行的结果，即状态的改变或数据的生成，需及时反馈给上一层，以便作为决策的依据，或生成相应的报告。每一层只接收其下一层反馈的信息，只向其上一层反馈信息。决策和信息的传递均不隔层，同一层的不同实体之间，由其上一层实体控制和协调。这种逐层分解的过 程可以一直分解到最底层的设备和最基本的生产动作序列。它从功能、活动。控制、数据和接口等各个方面，建立了一种通用、统一的分析方法和结构模型。     制造自动化系统通常由各种机械设备构成。其中最重要、最基本的加工设备是各种类型的数控机床。自1957年世界上第一台数控机床诞生以来，随着微电子技术的迅速发展，70年代中期出现了基于微处理器的计算机数控（Computer Numeric Control——CNC）机床，并在60年代末期的直接数字控制（Direct Numeric Control——DNC）的基础上，进一步发展成为今天的分布式数字控制（Distributed Numeric Control——DNC）。     为进一步提高机床的利用率和自动化水平，在CNC机床的基础上，又增加了刀具自动交换装置，形成了各种类型的加工中心，如主要用于镗、铣切削的卧式和立式加工中心，主要用于车削的车削加工中心，主要用于冲切加工的冲切加工中心等。在各类加工中心的基础上，再增加托盘交换装置和输送托盘的物流装置，则成为柔性制造单元和柔性制造系统。图1是一种典型的柔性制造单元的配置。     制造自动化是生产发展的必然趋势。但若不从实际情况和需求出发，片面地追求自动化，有时不仅不能达到目的，甚至会适得其反，导致企业困境，因为它往往是消耗投资最大的部分。制造自动化系统是指反映先进技术应用的企业底层的生产和物流活动，自动化程度的高低，完全取决于实际需要，必须慎重对待。这些企业底层的生产和物流活动，在集成制

造中往往被划分为“单元”进行管理和调度。每个单元有一个单元控制器，单元控制器主要有计划、调度和调节三方面的功能。计划功能负责安排单元范围内的生产计划，完成上级下达的各项任务，并在其下属发生意外情况时，修改现有的生产计划。调度功能主要包括对计划功能给出的生产计划进行评估和选择；为各工作站或设备控制器生成作业开始和完成时间的排序，以及解决当前正在执行的排序表的矛盾和问题。调节功能是单元控制器和其下属工作站控制器或设备控制器之间的接口，其内容是向下属下达任务；对下属执行任务时的反馈进行监视；把任务执行中出现的矛盾和问题通知给调度功能进行调度。