先进制造技术(第2章)

1/43第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造2/43第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造3/43一、制造系统基本概念二、制造系统基本构成第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论4/43国际生产工程学会(CIRP)1990年将制造系统定义为：制造系统是制造业中形成制造生产(简称生产)的组织形式，而在机电工程产业中的制造系统具有设计、生产、发运和销售的一体化功能。制造系统作为由人、工具、材料组成的有机整体，存在狭义的制造系统概念和广义的制造系统概念。狭义的制造系统仅仅研究产品的设计、工艺、加工、装配等生产过程；而广义的制造系统除研究生产过程外，其研究内容还包括市场、经营、销售、售后服务、成本与财务等，即研究从经营决策开始直到售后服务、报废回收的产品生产整个生命周期过程。制造系统是制造过程所涉及的硬件(物料、设备、工具、能源等)、软件(包括制造理论、制造工艺和制造信息等)和人员所组成的一个具有特定功能的有机整体，将输入制造资源(原材料、能源等)，通过制造过程输出产品或半成品，制造系统的运行过程包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售及售后服务等各个环节一、制造系统基本概念第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论5/43制造系统是由众多的要素和子系统组成的有机整体，因而在子系统与要素之间存在着组织、协调等管理问题。制造系统是过程系统与结构系统的统一，因此制造系统理论应该实现过程研究与结构研究的统一，即制造系统理论应该实现静态分析与动态分析的统一。过程系统是指其产品的生产从设计、工艺、加工、装配到检测出厂是一个随时间变化的序列系统。对于过程系统，一般宜采用分析的方法，在对各环节分析的基础上进行综合。结构系统指制造系统在空间上具有一定的结构形态。对于结构系统，宜于采用综合的方法，在综合的基础上再对结构进行分析。二、制造系统基本构成第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论6/43制造系统静态分析是在不考虑时间因素情况下研究制造系统的各组成要素，要素之间的相互关系及子系统与分系统，系统与环境之间的相互关系。以系统论的观点，任何系统的功能都可以抽象为一个利用系统资源，在满足系统约束和目标的前提下，将从系统环境中获得的输入转换为输出的过程。二、制造系统基本构成第一节先进制造系统的基本构成第二章之先进制造系统基础理论制造系统根据订单和市场预测安排的生产计划，利用制造资源(包括人员、机床设备、刀量夹辅具、技术、相关的产品数据和计算机软、硬件等)，在生产过程中采用相应技术实现产品的生产，以最适当的制造成本，在最适当的时间生产出客户需要的产品以获取最大利润。7/43制造系统整体的性能是与系统各个组成部分之间是紧密相关的。在制造系统运行过程中，无时无刻不伴随着物料流、信息流和能量流的流动，并且制造系统中的物料流、信息流、能量流之间相互联系、相互影响，形成一个不可分割的有机整体。物料流是在整个加工过程中(包括加工准备阶段)物料的输入和输出的动态过程，这种物料在制造系统中的运动称为物料流。制造系统中的信息可分为静态信息(如工件尺寸、公差大小等)和动态信息(如刀具磨损程度、资源状态、加工进程等)，信息在制造系统中的作用过程称为信息流。所有这些信息不断地与制造过程的各种状态进行信息交换，并综合、分析来自各方面的信息，从而有效地控制制造过程，以保证制造过程的正常进行，提高制造系统的效率和产品质量。制造过程中的能量运动称为能量流。在制造系统中，能量是一切物质运动的基础，其所有运动，例如物料的运动，均需要能量来维持。第一节先进制造系统的基本构成二、制造系统基本构成第二章之先进制造系统基础理论8/43第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造9/43制造系统中的所有资源构成制造资源，制造资源是制造系统存在和运行的物质基础。狭义制造资源包括物料(原材料、坯料、半成品等)、设备(机床、生产线等)、能源(电能、燃料等)、其他(土地、厂房、工具等)；广义制造资源不仅包括物料、设备、能源、土地、厂房、工具等，还包括资金、技术、信息、人力等。制造系统中将制造资源转变为产品或零件的制造过程，实质上是一个物料流动的动态过程。根据制造系统的定义，制造系统是一个输入制造资源(原材料、能源等)通过制造过程而输出产品(包括半成品)的输入输出系统，它同时产生废弃物，并可能造成环境污染。第二节物料流第二章之先进制造系统基础理论10/43制造系统的物料流动过程不仅是物料资源转化和消耗的主要过程，而且因为物料的流动和物料的加工制造均需要能量来驱动或转化，因为物料流动过程也是能量消耗的主要过程。第二节物料流第二章之先进制造系统基础理论11/43制造系统是一个不断输入制造资源，通过制造过程而输出产品，并同时产生废弃物的输入输出系统。制造系统中资源的输入、消耗、转化、回收、处理及这些过程的影响和控制，形成了制造系统的物料流。制造系统物料流应以资源利用率最高和废弃物产生最小作为目标，充分考虑优化产品生产周期过程中影响资源消耗的各个环节。包括产品寿命终结后的处理，从而优化资源流动过程，最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物。制造过程是资源直接转化和资源直接消耗的主要环节，生产同样的产品，不同的制造加工的设备、工艺方案和不同的工艺路线，将会使得物料和能源的消耗不一样。另外，产品包装方式、运输状况、销售和服务状况(如是否回收用户消费后的产品废弃物)都直接或间接影响资源消耗状况。第二节物料流第二章之先进制造系统基础理论12/43第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造13/43传统企业的信息流，大多是按照企业的业务流程、组织机构、功能目标等框架体系进行设计，流程设计思路雷同，数据处理比较简单，缺乏针对不同企业、不同业务流程的个性化设计和深层次分析。现代企业的信息流不能只满足于对现有数据的简单的、常规的处理和分析，应更积极主动地思考生产管理中的重要问题，对数据进行进一步的挖掘和多角度的分析，从而赋予企业更灵敏的反应能力、更积极主动的调整能力和更强有力的竞争能力。第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论14/43传统制造系统的信息流，大多是按照其业务流程、组织机构、功能目标等框架体系进行设计，导致系统在关键时刻却找不到所需的信息或错误信息。先进制造系统的信息流不仅能满足对简单、常规信息的处理与分析，而且能够通过对数据的全面管理和挖掘，使制造系统具有更高的柔性、敏捷性和竞争力。通过网络系统和分布式数据库系统规划、调度和监视整个制造系统中的信息流，从而能够以正确的方式、在正确的时间、向正确的信息流节点传输所需的正确信息，并支持分布式制造环境下信息和人员的分布性以及信息流动过程的时序性。制造系统中，管理信息分系统MIS、制造自动化分系统MAS、技术信息分系统TIS和质量信息分系统QIS，在网络系统以及分布式数据库系统支持下其信息流如图2—3所示。第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论15/43第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论16/43第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论17/43第三节信息流第二章之先进制造系统基础理论18/43第二章先进制造系统的基础理论第一节先进制造系统的基本构成第二节物料流第三节信息流第四节先进制造系统的控制方式第五节约束与决策第六节面向21世纪的信息化制造19/43第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论为了便于对控制系统进行研究，人们把一个复杂的控制系统分为若干组成部分(控制单元)，控制结构描述了控制系统中各控制单元的决策职责和权限及各控制单元之间的协调关系。控制系统的职责分配在相应控制结构的各控制单元之中，并通过各控制单元协调执行。20/43一、制造系统对控制结构的要求二、集中式控制结构三、递阶式控制结构四、分布式控制结构第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论21/43(1)可靠性／容错能力。可靠性是对系统按照规定指标无故障连续运行性能的度量，而容错能力是指系统在状态恶化，甚至发生故障条件下继续运行的能力。通常，容错期由四个阶段组成：故障原因检测、损坏范围确定和程度评定、故障原因处理、故障恢复和继续系统服务。(2)可更改性／可扩展性。可更改性是指对已存控制系统的部分控制单元进行更改和调整的可行性，而可扩展性是指扩展已存控制系统的功能时，将新控制单元加入系统的可行性。(3)可重构性／适应性。可重构性是指在已存的控制系统中增加或拆除部分控制单元并重构成新系统的可行性，动态的可重构性是指在系统运行过程中进行重构的性能。适应性是指控制系统对制造环境迅速变化的适应性能。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论一、制造系统对控制结构的要求22/43集中式控制结构的特点是对整个制造系统中的信息统一处理，拥有一个全局数据库以记录系统各种工程活动，每一制造实体都和中央处理单元连接。其主要特征如下：(1)集中控制单元由一台强功能计算机构成。(2)所有控制决策功能由集中控制单元承担。(3)全局数据库记录系统的全部活动。其主要优点如下：(1)全局信息可共享。(2)可全局优化。(3)唯一的系统状态信息源。其主要缺点如下：(1)响应速度慢且不一致。(2)控制任务的完成依赖于唯一的集中控制单元。(3)控制软件难以更改。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论二、集中式控制结构23/43递阶式控制结构：组织方式和控制结构是一种从上到下逐步细化的方式。递阶式控制结构虽然增加了信息传递的环节，但降低了控制难度。其主要特点：(1)异型多计算机构成控制系统。(2)决策层之间维持刚性的上下级关系。(3)上级协调下级的所有活动。(4)每一层都有集中的数据库。其主要优点如下：(1)可逐步实现。(2)可以用冗余的计算机资源来增强系统的容错能力。(3)可利用状态反馈信息。(4)简化各控制模块自身的规模、功能和复杂性。其主要缺点如下：(1)上层故障会造成下层控制的整体瘫痪。(2)设备布置的改变会影响到整个控制系统，因而使增加或删除设备变得非常困难，难以满足未来修改的需要。(3)由于通信延迟使上层决策往往滞后于下层状态的变化，甚至基于对下层信息的估计上，会造成控制失误，难以满足动态适应性要求。(4)局部控制器的计算能力有限。·(5)通信可靠性随递阶层次增多而降低。第四节先进制造系统的控制方式第二章之先进制造系统基础理论三、递阶式控制结构24/431．非等级控制非等级控制策略主要包括排队策略、任务投标策略、协商策略、协作策略等。(1)排队策略。在排队策略中，当一项新任务进入系统时，系统按照预先约定的原则把它分配到一个单元，这种原则可以是最短排队长度原则或最先可用单元原则。(2)任务投标策略。当一项新任务进入投标系统时，各单元把任务的处理要求及规范与自己的能力进行比较，有能力完成该任务的单元参加投标。按照预先约定的判据，投标值最高或最低的单元将获得该项任务。(3)协商策略。当一项新任务进入协商系统时，有能力完成该项任务的单元与另一试图承担该项任务的单元协商。每一个单元内均包含本单元的所有信息，包括本单元能加工的零件族、可用的排队场地等。每一单元仅试图获得自己能完成的任务，它将总是试图按照自己的能力和当前的负荷状况，估计自己完成该任务的效率来获得这项任务。(4)协作策略。协作策略形式上与协商相似，但原理上与协商不同。在协商方式中，各单元为获得任务而竞争；而在协作方式中，各单元为系