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1、数字化数字化发展的核心发展的核心精密化精密化发展的关键发展的关键极端化极端化发展的焦点发展的焦点自动化自动化发展的条件发展的条件集成化集成化发展的方法发展的方法网络化网络化发展的道路发展的道路智能化智能化发展的前景发展的前景绿色化绿色化发展的必然发展的必然制造技术的发展趋势制造技术的发展趋势1.3现代制造的特征现代制造的特征 速度（速度（Speed）在在生产底层控制和上层企业资源管理系统有机集成的基础上，生产底层控制和上层企业资源管理系统有机集成的基础上，将供将供应商和客户纳入到企业自身的供应链中，及时知道下游客户需求情况，应商和客户纳入到企业自身的供应链中，及时知道下游客户需求情况，让上游的
2、供应商及时了解企业原材料的库存情况、配套情况，在供应商、让上游的供应商及时了解企业原材料的库存情况、配套情况，在供应商、商家、客户三者之间没有形成一个有效的闭路，实现对市场的快速响应商家、客户三者之间没有形成一个有效的闭路，实现对市场的快速响应。柔性柔性（Flexibility）在通过互联网实施在通过互联网实施EAM（EnterpriseAssetManagement），合作），合作伙伴基于一定的资产运作程序和伙伴基于一定的资产运作程序和ISO认证都可共享资产、程序和加工方认证都可共享资产、程序和加工方面的信息面的信息，使得制造系统更加柔性。，使得制造系统更加柔性。集成集成（Integrati
3、on）利用集成的控制平台实现制造过程与商务过程的并行实施，使工作利用集成的控制平台实现制造过程与商务过程的并行实施，使工作流、信息流和物流运作相互协调，增加操作的敏捷性。流、信息流和物流运作相互协调，增加操作的敏捷性。可视化可视化（Visibility）向客户和供应商提供各种数字和图像信息，实现制造过程可视化。向客户和供应商提供各种数字和图像信息，实现制造过程可视化。在增加对企业的了解，提高对企业的信心的同时，加强对企业的监督。在增加对企业的了解，提高对企业的信心的同时，加强对企业的监督。2.计算机集成制造计算机集成制造2.1背景与理念背景与理念 Dr.JosephHarrington1974
4、年提出年提出CIM的制造理念：的制造理念：ComputerIntegratedManufacturing(CIM)用计算机通过信息集成、过程集成、企业集成实现用计算机通过信息集成、过程集成、企业集成实现现代化生产制造，求得企业的总体效益的一种先进的现代化生产制造，求得企业的总体效益的一种先进的制造理念。制造理念。根据这个理念开发的系统叫做根据这个理念开发的系统叫做CIMS。在中国经过在中国经过10多年的发展，结合新的技术演变为：多年的发展，结合新的技术演变为：ContemporaryIntegratedManufacturingSystem现代集成制造现代集成制造2.2CIMS基本组成基本组成
5、 生产管理信息系统生产管理信息系统(ERP/MRPII)工程设计系统（工程设计系统（CAD/CAM/CAPP/PDM）生产自动化系统（生产自动化系统（FMS/DNC）质量管理信息系统（质量管理信息系统（CAQ）数据库管理系统和计算机网络系统数据库管理系统和计算机网络系统第二章第二章DNC系统系统2.1概述概述2.1.1DNC定义定义DNC是用一台或多台计算机，对多台数控设备实施综合控是用一台或多台计算机，对多台数控设备实施综合控制的一种方法，是机械制造系统的一个重要发展。制的一种方法，是机械制造系统的一个重要发展。DNC系统属系统属于自动化制造系统的一种模式。于自动化制造系统的一种模式。2.1
6、.2DNC发展过程发展过程群控（群控（DirectNumericalControl）直接数字控制（直接数字控制（DirectNumericalControl），也有人称它），也有人称它为为“群控群控”（60s）分布式数控分布式数控（DistributedNumericalControl）DNC系统实施分级控制，系统实施分级控制，CNC计算机直接控制生产机床计算机直接控制生产机床并与并与DNC系统主机进行信息交互，系统主机进行信息交互，DNC主机也可与其它计算主机也可与其它计算机进行信息的交互。机进行信息的交互。DNC系统配置的这种发展，使系统配置的这种发展，使DNC的含的含义由直接数控变为分布
7、式数控（义由直接数控变为分布式数控（DistributedNumericalControl）。（）。（70s）柔性柔性DNC（FlexibleDistributedNumericalControl）DNC系统不仅用计算机来管理、调度和控制多台系统不仅用计算机来管理、调度和控制多台NC机机床，而且还与床，而且还与CAD/CAPP/CAM、物料输送和存贮、生产计、物料输送和存贮、生产计划与控制相结合，形成了柔性分布式数字控制（划与控制相结合，形成了柔性分布式数字控制（FlexibleDistributedNumericalControl：FDNC）系统。）系统。（80s）24DNC通信系统的物理连
8、接通信系统的物理连接采用采用RS232C或或RS422采用采用RS-232C或或RS422连接方式实现起来比较方便，成本也比较低，连接方式实现起来比较方便，成本也比较低，但也带来以下一些问题：但也带来以下一些问题：（1）传输距离短。如）传输距离短。如RS-232C的传输距离不超过的传输距离不超过50m，20mA电流环电流环和和RS-422/RS-423为为1000m左右；左右；（2）传输不够可靠。这些接口和连接电缆的抗干扰能力较差，而且）传输不够可靠。这些接口和连接电缆的抗干扰能力较差，而且其传输过程的检错功能较弱；其传输过程的检错功能较弱；（3）传输速率低，实时性差，响应速度慢；）传输速率低
9、，实时性差，响应速度慢；（4）系统规模有限。由于一台计算机不可能提供很多串行接口，所）系统规模有限。由于一台计算机不可能提供很多串行接口，所连设备很有限，因此整个系统的规模就不可能很大；连设备很有限，因此整个系统的规模就不可能很大；（5）电缆费用高，系统复杂性增加。每台设备都需一条来自）电缆费用高，系统复杂性增加。每台设备都需一条来自DNC主主机的通信电缆，因此整个系统的电缆费用很大，而且导致系统机的通信电缆，因此整个系统的电缆费用很大，而且导致系统环境的复杂性也大大增加。环境的复杂性也大大增加。（6）系统的扩展不容易。当系统需扩充时，不但要修改系统软件，）系统的扩展不容易。当系统需扩充时，不
10、但要修改系统软件，而且也要更改硬件。而且也要更改硬件。采用计算机网络通信接口采用计算机网络通信接口新一代的新一代的CNC装置为了能连入到装置为了能连入到DNC、FMS中设置了中设置了可直接与网络连接的专用通讯微处理器接口，通过该接口可可直接与网络连接的专用通讯微处理器接口，通过该接口可以把数控设备连接在工业局域网（以把数控设备连接在工业局域网（LAN）中。网络通信协议）中。网络通信协议大多采用大多采用ISO开放系统互联参考模型七层结构为基础的有关开放系统互联参考模型七层结构为基础的有关协议。协议。专用网络：专用网络：DATAHIGHWAY（DH）、（）、（DH+）MAP网和工业以太网：网和工业
11、以太网：FANUC、Simens、AB等等。现场总线现场总线（FieldBus）-结构简单、协议直观；结构简单、协议直观；-价格低廉、性能稳定；价格低廉、性能稳定；-实时性较高，抗干扰能力强，适用与工业现场通信。实时性较高，抗干扰能力强，适用与工业现场通信。DeviceNET第三章第三章 柔性制造系统柔性制造系统（FMS）3.1FMS概述概述3.1.1制造柔性制造柔性制造柔性是指一个制造设备或系统对生产需求变化的适应制造柔性是指一个制造设备或系统对生产需求变化的适应能力，通常制造柔性体现在以下几个方面：能力，通常制造柔性体现在以下几个方面：制造设备的柔性制造设备的柔性制造设备通过配备相应的刀具
12、、量具、夹具、制造设备通过配备相应的刀具、量具、夹具、NC程序程序等，使得此设备具有制造给定零件族中任何零件的能力；等，使得此设备具有制造给定零件族中任何零件的能力；（这是一种固有的柔性，它与制造设备所具有的相关功能有（这是一种固有的柔性，它与制造设备所具有的相关功能有关，如机附刀库的容量、控制的运动轴数等。关，如机附刀库的容量、控制的运动轴数等。）（FlexibleManufacturingSystem，简称，简称FMS）加工柔性加工柔性以不同加工工序和工艺加工一个零件的能力或在给定的以不同加工工序和工艺加工一个零件的能力或在给定的一个工艺规划下以不同的加工路线实现零件的加工（制造工一个工艺
13、规划下以不同的加工路线实现零件的加工（制造工作站间和加工功能间的互换和替代）作站间和加工功能间的互换和替代）。产品柔性产品柔性能够经济、快速地转变生产产品的能力能够经济、快速地转变生产产品的能力。零件流动路线柔性零件流动路线柔性当系统出现局部故障时，能重新选择零件加工路径，并当系统出现局部故障时，能重新选择零件加工路径，并继续进行加工的能力。继续进行加工的能力。产量柔性产量柔性系统运行可适应不同的生产批量，并具有良好的生产效系统运行可适应不同的生产批量，并具有良好的生产效益。益。系统重构柔性系统重构柔性系统具有重构柔性，可以生产需求发生变化时，系统可系统具有重构柔性，可以生产需求发生变化时，系
14、统可以方便地扩展、收缩或重构。以方便地扩展、收缩或重构。故障控制柔性故障控制柔性当系统中的设备出现故障时，制造系统对故障的处理能当系统中的设备出现故障时，制造系统对故障的处理能力力。3.1.2FMS定义定义 柔性制造系统（简称柔性制造系统（简称FMS）是由数控加工设备、物料）是由数控加工设备、物料储储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产的变化迅包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产的变化迅速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。速进行调整，适用于多品种中、小批量生产。（依据：中华人民共和国
15、国家军用标准武器装备柔性制造系统术语）3.1.3FMS的组成与功能的组成与功能硬件系统（硬件系统（第一部分）制造设备：数控加工设备（如加工中心）、测量机、清洗机等；制造设备：数控加工设备（如加工中心）、测量机、清洗机等；自动化储运设备：传送带、有轨小车、自动化储运设备：传送带、有轨小车、AGV、搬运机器人、立体库、搬运机器人、立体库、中央托盘库、物料或刀具装卸站、中央刀库等；中央托盘库、物料或刀具装卸站、中央刀库等；计算机控制系统及网络通信系统。计算机控制系统及网络通信系统。软件系统（软件系统（第二部分）系统支持软件：系统支持软件：操作系统、网络操作系统、数据库管理系统等。操作系统、网络操作系
16、统、数据库管理系统等。FMS运行控制系统：动态调度系统、实时故障诊断系统、生产运行控制系统：动态调度系统、实时故障诊断系统、生产准备系统，物料（工件和刀具）管理控制系统等准备系统，物料（工件和刀具）管理控制系统等（1）FMS的组成的组成（2）FMS的功能的功能能自动控制和管理零件的加工过程，包括制造质量的自能自动控制和管理零件的加工过程，包括制造质量的自动控制、故障的自动诊断和处理、制造信息的自动采集和动控制、故障的自动诊断和处理、制造信息的自动采集和处理；处理；通过简单的软件系统变更，便能制造出某一零件族的多通过简单的软件系统变更，便能制造出某一零件族的多种零件；种零件；自动控制和管理物料（
17、包括工件与刀具）的运输和存储自动控制和管理物料（包括工件与刀具）的运输和存储过程；过程；能解决多机床下零件的混流加工，且无需增加额外费用能解决多机床下零件的混流加工，且无需增加额外费用具有优化的调度管理功能，无需过多的人工介入，能做具有优化的调度管理功能，无需过多的人工介入，能做到无人加工。到无人加工。柔性制造系统：两台或两台以上的数控机床或加工中心或柔性制造单元所组成，配有自动输送装置，自动上下料装置。托盘库，自动化仓库，中央刀库等。并有计算机综合控制功能，数据管理功能，生产计划和调度管理功能和监控功能等。33FMS物料储运系统物料储运系统331FMS物料储运系统概述物料储运系统概述(1)F
18、MS物料储运系统物料储运系统柔性制造系统中物料传送系统就是把各工作站联接起来，柔性制造系统中物料传送系统就是把各工作站联接起来，实现物料传送的自动化系统。根据传送对象不同，可分为用实现物料传送的自动化系统。根据传送对象不同，可分为用于传送工件的工件流子系统和用于传送刀具的刀具流子系统于传送工件的工件流子系统和用于传送刀具的刀具流子系统。（2）FMS物料储运系统的功能物料储运系统的功能物料自动存储功能物料自动存储功能物料存储设备：自动化立体库（物料存储设备：自动化立体库（ASRS），中央），中央托盘区、装卸站、刀具进出口站、中央刀库、机附托盘区、装卸站、刀具进出口站、中央刀库、机附刀库等刀库等物
19、料自动传送功能物料自动传送功能物料自动化传输设备：工业机器人、传送带、有轨小车、物料自动化传输设备：工业机器人、传送带、有轨小车、自动导向小车（自动导向小车（AutomatedGuidedVehicle,AGV）等。）等。AGVAGV的基本原理的基本原理AGV有别于有轨自动运输小车是有别于有轨自动运输小车是AGV的运行不依靠于固的运行不依靠于固定的运行轨道，而是通过采用不同的引导方式来控制运行路定的运行轨道，而是通过采用不同的引导方式来控制运行路线。线。AGV的导引方式分为有线导引和无线导引。如激光导引的导引方式分为有线导引和无线导引。如激光导引就是无线导引中的一种。有线导引又有电磁感应式和光
20、发射就是无线导引中的一种。有线导引又有电磁感应式和光发射导引式。随着科学技术的发展，新的导引方式层出不穷，如导引式。随着科学技术的发展，新的导引方式层出不穷，如模式识别导引、陀螺导引等。模式识别导引、陀螺导引等。（1）导引方式导引方式 电磁感应式电磁感应式 感应线圈（左）感应线圈（左）感应线圈（右）感应线圈（右）导向线导向线导引电流一般频率较导引电流一般频率较低（小于低（小于15kHz），低），低压（小于压（小于40V），消耗），消耗电流的强度小于电流的强度小于600mA。AGV系统导航技术系统导航技术磁感应导航（磁感应导航（Wire navigationWire navigation）视觉导
21、航（视觉导航（Camera navigationCamera navigation）磁导航（磁导航（Magnet navigationMagnet navigation）激光导航（激光导航（Laser navigationLaser navigation）综合导航（综合导航（Multi-mode navigationMulti-mode navigation）（2）AGV运行路径的选择运行路径的选择AGV运行路径的选择，是运行路径的选择，是AGV使用过程中一个重要的问使用过程中一个重要的问题，因为题，因为AGV从一个站点运行到另一个站点往往有多条路径从一个站点运行到另一个站点往往有多条路径可选
22、择，我们希望能选择一条合理的运行路径，从而提高系可选择，我们希望能选择一条合理的运行路径，从而提高系统的效率。统的效率。ADBCOEOAACCDDEOAABBDDEOAABBCCDDE。从从O点到点到E点：点：l具有良好的柔性；具有良好的柔性；l减少劳动力需求；减少劳动力需求；l不同的不同的AGV能够在同一个系统中运行；能够在同一个系统中运行；l在系统中即使有个别在系统中即使有个别AGV不能正常工作，系统不会瘫痪；不能正常工作，系统不会瘫痪；l系统容易扩展；系统容易扩展；l提高了产品设备运输的安全性；提高了产品设备运输的安全性；l高的可靠性；高的可靠性；l减少占用空间；减少占用空间；l需要少的
23、能源，并且运行低噪音；需要少的能源，并且运行低噪音；l容易安装，维护方便；容易安装，维护方便；l易于与其它自动化系统集成。易于与其它自动化系统集成。AGV的特点的特点缺点主要表现为一次性投入成本较高，因而投资回收期变长；第二缺点主要表现为一次性投入成本较高，因而投资回收期变长；第二它主要适用于室内，在环境恶劣的露天环境不宜采用，对由磁导向装它主要适用于室内，在环境恶劣的露天环境不宜采用，对由磁导向装置的置的AGV，不能在金属地位上运行。，不能在金属地位上运行。4.2新一代集成的网络通信结构新一代集成的网络通信结构4.2.1两种通信模式的基本特点比较两种通信模式的基本特点比较 主主主主/从式或者
24、源从式或者源从式或者源从式或者源/目的地（目的地（目的地（目的地（Source/Destination）生产者生产者生产者生产者/消费者（消费者（消费者（消费者（Producer/ConsumerProducer/Consumer）或者）或者）或者）或者 出版者出版者出版者出版者/订阅者订阅者订阅者订阅者（Publisher/SubscriberPublisher/Subscriber）主主/从通信模式从通信模式缺点：缺点：优点：优点：通讯关系清晰，容易理通讯关系清晰，容易理 解和实现。解和实现。网络通讯效率高；网络通讯效率高；具备较高的通讯的实时性；具备较高的通讯的实时性；高确定性；高确定性
25、；网络通讯可重复性。网络通讯可重复性。通讯带宽浪费严重；通讯带宽浪费严重；无法保证通讯的确定性；无法保证通讯的确定性；无法保证通讯的可重复性无法保证通讯的可重复性 对制造厂商有更高的要对制造厂商有更高的要 求。求。生产者生产者/消费者模式消费者模式4.2.2两种通信模式的通信技术细节比较两种通信模式的通信技术细节比较 源源/目的地模式目的地模式每个数据包必须含有特定的源和目的地址字段；每个数据包必须含有特定的源和目的地址字段；由于数据到达每个节点所需要的数据传输时间不一致，节点之间由于数据到达每个节点所需要的数据传输时间不一致，节点之间的同步动作非常困难；的同步动作非常困难；带宽浪费严重，因为
26、同一设备发送同样的数据到不同的节点，需带宽浪费严重，因为同一设备发送同样的数据到不同的节点，需要发送多个独立的数据包。要发送多个独立的数据包。源源目的目的数数据据crc标标 识识数数 据据crccrc 生产者生产者/消费者消费者 标识字段是标识数据的代码，所有节点可以在同一时间接收到；标识字段是标识数据的代码，所有节点可以在同一时间接收到；多个节点可以同时共享来自同一生产者节点的数据；多个节点可以同时共享来自同一生产者节点的数据；带宽利用更为有效带宽利用更为有效。5.1.2什么是什么是OPC 它它定义了工业客户机和服务器之间进行数据交换的定义了工业客户机和服务器之间进行数据交换的定义了工业客户
27、机和服务器之间进行数据交换的定义了工业客户机和服务器之间进行数据交换的工业标准；工业标准；OPC用于过程控制的用于过程控制的用于过程控制的用于过程控制的OLE(ObjectLinkEmbed)OLE(ObjectLinkEmbed)（OLEforProcessControlOLEforProcessControl）目前有近目前有近300家仪表及控制设备生产厂商支持该工业标准。家仪表及控制设备生产厂商支持该工业标准。(1)OPC定义定义 基于基于基于基于 MicrosoftMicrosoft的的的的 OLE(ActiveX),ComponentObjectModelOLE(ActiveX),Co
28、mponentObjectModel（COMCOM）&Distributed(DOCM),XML&Internet&Distributed(DOCM),XML&Internet以及以及以及以及.NET.NET 技术；技术；技术；技术；5.1.4OPC优势优势降低系统集成成本，缩短集成周期；降低系统集成成本，缩短集成周期；具有即插即用具有即插即用(Plug and Play)的连接性；的连接性；方便地将微软的基础平台与其它应用软件及产品集成到自动方便地将微软的基础平台与其它应用软件及产品集成到自动化解决方案中；化解决方案中；简单、方便地实现应用程序的连接性和互操作性；简单、方便地实现应用程序的连
29、接性和互操作性；使用同一应用软件界面程序；使用同一应用软件界面程序；不受传统设备供应商遗留的专用性限制，自由选择不受传统设备供应商遗留的专用性限制，自由选择“最好产最好产品品”；降低故障诊断和系统维护费用。降低故障诊断和系统维护费用。5.2.10信息的读和写信息的读和写（1）OPCGroup信息读和写方式信息读和写方式同步方式读写（同步方式读写（SyncRed&SyncWrite）同步方式是在读或写的开始之后方法不返回，直到读或写操作结束。同步方式是在读或写的开始之后方法不返回，直到读或写操作结束。异步方式读写（异步方式读写（AsyncRed&AsyncWrite）异步方式是在读或写的开始之后
30、方法马上返回，此时客户端没有得到异步方式是在读或写的开始之后方法马上返回，此时客户端没有得到从从OPCServer返回的信息，客户端可以继续做别的工作，而读或写返回的信息，客户端可以继续做别的工作，而读或写操作在后台进行。当读写操作完成之后，操作在后台进行。当读写操作完成之后，OPC通知客户端读取或写通知客户端读取或写入相关的信息。这种方式的好处是不会阻塞用户的其它进程。入相关的信息。这种方式的好处是不会阻塞用户的其它进程。同步和异步读写是同步和异步读写是OPCGroup独有的方法。独有的方法。5.3.OPC性能性能5.3.1OPC性能评价指标性能评价指标 系统系统系统系统的响应时间；的响应时
31、间；的响应时间；的响应时间；信息刷新最慢速度。信息刷新最慢速度。信息刷新最慢速度。信息刷新最慢速度。5.3.2影响影响OPC性能的因素性能的因素 Group/ItemGroup/Item的数量及的数量及的数量及的数量及ItemItem数据类型；数据类型；数据类型；数据类型；在同一时间数据刷新的项数；在同一时间数据刷新的项数；在同一时间数据刷新的项数；在同一时间数据刷新的项数；OPCOPC客户端和客户端和客户端和客户端和ServerServer是否在同一计算机上运行，也就是是否在同一计算机上运行，也就是是否在同一计算机上运行，也就是是否在同一计算机上运行，也就是 说采用说采用说采用说采用COMC
32、OM还是还是还是还是DCOMDCOM；计算机的速度。计算机的速度。计算机的速度。计算机的速度。一、信息化制造与物流自动化一、信息化制造与物流自动化二、基于摩擦驱动的物流柔性自动化技术二、基于摩擦驱动的物流柔性自动化技术三、三、AGV技术发展及其应用技术发展及其应用四、非接触供电技术四、非接触供电技术主要内容主要内容主要内容主要内容 100%免维护，无需电池；免维护，无需电池；对速度和加速度没有限制；对速度和加速度没有限制；可工作于危险环境中；可工作于危险环境中；理想的无污染应用，无噪音；理想的无污染应用，无噪音；适用于复杂的磁轨布局和移动布局；适用于复杂的磁轨布局和移动布局；在潮湿的环境中也是安全的。在潮湿的环境中也是安全的。l IPT优势优势