機(jī)械制造過(guò)程是一種離散的生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化較困難。機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展經(jīng)歷了單機(jī)自動(dòng)化、 自動(dòng)線、數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和并行工程等幾個(gè)階段，并進(jìn)一步向柔性化、集成化和智能化發(fā)展。 目前，柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)在機(jī)械制造中的應(yīng)用日益廣泛。

一、柔性制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)（FMS： Flexible Manufacturing System）是由統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（信息流）、物料（工件、刀具）和輸送系統(tǒng)（物料流）連接起來(lái)的一組加工設(shè)備，能在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)多品種、小批量零件的加工，并具有一定管理功能的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。

1.FMS的一般組成

FMS主要是由多工位的數(shù)控加工系統(tǒng)、 自動(dòng)化物料輸送、存儲(chǔ)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制的信息系統(tǒng)組成的（如圖11-10所示）。圖中空心箭頭表示信息流，實(shí)線箭頭表示物料流，虛線框內(nèi)表示FMS范圍。FMS的系統(tǒng)擴(kuò)展必須以模塊結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。

圖11-10　柔性制造系統(tǒng)組成原理

數(shù)控加工系統(tǒng)是由可自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心或車(chē)削中心組成的。待加工工件的類(lèi)別及技術(shù)要求將決定FMS所采用的設(shè)備形式。

物料輸送和存儲(chǔ)系統(tǒng)是由存儲(chǔ)、輸送和裝卸三個(gè)子系統(tǒng)組成的，用以實(shí)現(xiàn)工件及工夾具的自動(dòng)供給和裝卸以及完成工序間的自動(dòng)傳送、調(diào)運(yùn)和存儲(chǔ)工作。該系統(tǒng)包括各種傳送帶、 自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)、工業(yè)機(jī)器人及專(zhuān)用吊運(yùn)送機(jī)等。

計(jì)算機(jī)控制的信息系統(tǒng)是用于處理FMS的各種信息、輸出控制CNC機(jī)床、物料搬運(yùn)系統(tǒng)等自動(dòng)操作所需的信息，是通過(guò)主控計(jì)算機(jī)或分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)主要控制功能的。根據(jù)FMS的規(guī)模大小，信息系統(tǒng)的復(fù)雜程度將有所不同。

2.FMS的分類(lèi)

按FMS的規(guī)模大小可分為以下四類(lèi)：

（1）柔性制造單元（FMC： Flexible Manufacturing Cell）　FMC在生產(chǎn)中比FMS晚6～8年出現(xiàn)，是FMS向廉價(jià)化和小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化的代表，可看成是一個(gè)規(guī)模最小的FMS，它通常由1～2臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和物料運(yùn)送存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)成，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的特性， 目前已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。

（2）柔性制造系統(tǒng)（FMS： Flexible Manufacturing System）　FMS通常有4臺(tái)或更多全自動(dòng)數(shù)控機(jī)床（加工中心或車(chē)削中心等）， 由集中的控制系統(tǒng)及物料搬運(yùn)系統(tǒng)連接起來(lái)，可在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量零件的加工及管理。

（3）柔性制造線（FML： Flexible Manufacturing Line）　FML是處于單一或少品種大批量非柔性自動(dòng)線與中小批量多品種FMS之間的生產(chǎn)線，是以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連接性生產(chǎn)過(guò)程中的分散型控制系統(tǒng)（DCS）為代表，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動(dòng)化的。它通常由通用的加工中心、CNC機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床、NC專(zhuān)用機(jī)床和柔性低于FMS的物料搬運(yùn)系統(tǒng)構(gòu)成，但生產(chǎn)率更高。其技術(shù)已基本成熟， 目前進(jìn)入實(shí)用化階段。

（4）柔性制造工廠（FMF： Flexible Manufacturing Factory）　 FMF是將多條FMS連接起來(lái)，配以自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。它也包括了CAD/CAM并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）投入實(shí)際使用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程的自動(dòng)化。

3.FMS應(yīng)具有的功能

FMS是在成組技術(shù)（GT）、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、CAD技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)（Mechatronics）、模糊控制技術(shù)、智能傳感器技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ANN）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它具有以下主要功能：

（1） 自動(dòng)完成多品種、多工序工件的加工功能 這是依靠計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床群來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中包括自動(dòng)更換刀具、 自動(dòng)安裝工件、切削液的自動(dòng)供應(yīng)和切屑的自動(dòng)處理等。

（2） 自動(dòng)輸送和儲(chǔ)料功能 這是由各種自動(dòng)輸送設(shè)備如環(huán)形輸送托板、傳輸裝置、無(wú)軌小車(chē)、工業(yè)機(jī)器人等和自動(dòng)化儲(chǔ)料倉(cāng)庫(kù)如毛坯倉(cāng)庫(kù)、中間倉(cāng)庫(kù)、零件倉(cāng)庫(kù)、夾具倉(cāng)庫(kù)、刀具倉(cāng)庫(kù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

（3） 自動(dòng)診斷功能 這是由系統(tǒng)工況監(jiān)視功能、指令和恢復(fù)功能組成的。監(jiān)視功能（監(jiān)控功能）是通過(guò)各類(lèi)傳感器來(lái)測(cè)量、控制加工精度，監(jiān)視刀具的磨損或破損，以保證加工的順利進(jìn)行。指令和恢復(fù)功能是計(jì)算機(jī)發(fā)出工作指令來(lái)補(bǔ)償加工精度、更換磨損或破損刀具的功能。

（4）信息處理功能 這是對(duì)所需信息進(jìn)行綜合、控制，主要有：①編制生產(chǎn)計(jì)劃及生產(chǎn)管理程序，實(shí)現(xiàn)可變加工而又均衡生產(chǎn)；②編制數(shù)控機(jī)床、輸送裝置、儲(chǔ)料裝置及其它設(shè)備的工作程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工；③生產(chǎn)、工程信息的論證及其數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。

柔性制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集中控制和實(shí)時(shí)在線控制，縮短了生產(chǎn)周期，解決了多品種、中小批量零件的生產(chǎn)率和系統(tǒng)柔性間的矛盾，具有較低的生產(chǎn)成本，是發(fā)展應(yīng)用最廣的現(xiàn)代制造系統(tǒng)。

二、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS： Computer Integrated Manufacturing System）是指在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件系統(tǒng)，將制造企業(yè)內(nèi)部與整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)的所有物料流和信息流實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)高度統(tǒng)一的綜合化管理，從而把各種分散的自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)地集成起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)高效益、高柔性的智能制造系統(tǒng)。

CIMS是通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的全過(guò)程，即從市場(chǎng)預(yù)測(cè)、經(jīng)營(yíng)決策、計(jì)劃控制、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制到產(chǎn)品銷(xiāo)售等部門(mén)聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，保證了企業(yè)內(nèi)部信息的一致性、共享性、可靠性、精確性和及時(shí)性，使生產(chǎn)由局部自動(dòng)化走向全局自動(dòng)化。

CIMS在工程應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通常劃分為四個(gè)功能分系統(tǒng)和兩個(gè)支撐分系統(tǒng)（如圖11-11所示）。

圖11-11　CIMS結(jié)構(gòu)

1.功能分系統(tǒng)

（1）管理信息系統(tǒng)（MIS： Management Information System）　MIS的主要功能是進(jìn)行信息處理，提供決策信息。具體工作是進(jìn)行信息的收集、傳輸、加工和查詢(xún)等，處理信息包括經(jīng)營(yíng)計(jì)劃管理、物料管理、生產(chǎn)管理、財(cái)務(wù)管理、人力資源管理、質(zhì)量管理以及輔助事務(wù)管理等，并根據(jù)決策支持模塊產(chǎn)生決策信息。其目標(biāo)是縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低流動(dòng)資金占用，提高企業(yè)應(yīng)變能力。在經(jīng)營(yíng)管理中主要應(yīng)用制造資源計(jì)劃（MRP Ⅱ）、準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)（JIT： Just In Time）等技術(shù)。

（2）工程設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)（EDIS： Engineering Design Integrated System）　EDIS的主要功能是進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、分析和制造，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)活動(dòng)能夠高效、優(yōu)質(zhì)、 自動(dòng)地進(jìn)行。該系統(tǒng)包括CAD、 CAE、 CAPP、 CAM等部分，是CAD/CAPP/CAM的局部集成。具體工作是接到管理信息系統(tǒng)下達(dá)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)指令后，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品數(shù)控加工編程，并將設(shè)計(jì)文檔、工藝規(guī)程、設(shè)備信息、工時(shí)定額送給MIS，將NC加工等工藝指令送給MAS 。

（3）制造自動(dòng)化系統(tǒng)（MAS： Manufacturing Automation System）　MAS是在計(jì)算機(jī)的控制與調(diào)度下，按照NC代碼將毛坯加工成合格的零件并裝配成部件或產(chǎn)品。主要組成部分有數(shù)控機(jī)床或加工中心、FMC和FMS等，包括立體倉(cāng)庫(kù)、緩沖站、運(yùn)輸車(chē)、刀具預(yù)調(diào)儀、裝刀臺(tái)、刀具庫(kù)、清洗機(jī)、數(shù)控機(jī)床、加工中心、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、夾具組裝臺(tái)、機(jī)器人及計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)等。其目標(biāo)是使產(chǎn)品制造活動(dòng)優(yōu)化、周期短、成本低、柔性高。

（4）質(zhì)量保證系統(tǒng)（CAQS： Computer Aided Quality System）　CAQS的主要功能是制訂質(zhì)量計(jì)劃，進(jìn)行質(zhì)量信息管理和計(jì)算機(jī)輔助在線質(zhì)量控制等，其中包括產(chǎn)品質(zhì)量決策、質(zhì)量檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量評(píng)價(jià)、控制與跟蹤、量具質(zhì)量管理、生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量管理等。其目標(biāo)是保證從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)到售后服務(wù)整個(gè)過(guò)程的質(zhì)量，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。

2.支撐分系統(tǒng)

（1）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（NETS： NETwork System）　NETS是支持CIMS各個(gè)分系統(tǒng)的開(kāi)放型網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如MAP， TCP/IP）等，可實(shí)現(xiàn)異種機(jī)互聯(lián)，異構(gòu)局域網(wǎng)及多種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，滿足各應(yīng)用分系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)的不同需求，支持資源共享、分布處理、分布數(shù)據(jù)庫(kù)、分層遞階和實(shí)時(shí)控制。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS： Data Base Management System）　DBMS是支持CIMS各個(gè)分系統(tǒng)，覆蓋企業(yè)全部信息，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的數(shù)據(jù)共享和信息集成。通常采用集中與分布相結(jié)合的三層遞階控制體系結(jié)構(gòu)一主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、分布數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)的安全性、一致性、易維護(hù)性等。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，CIMS進(jìn)入了一個(gè)迅速發(fā)展的階段。它提供了一種未來(lái)工廠的生產(chǎn)模式，使企業(yè)的生產(chǎn)要素配置更合理、更優(yōu)化，各種資源浪費(fèi)減到最少，生產(chǎn)潛力得以更好的發(fā)揮，產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率、設(shè)備利用率得到極大的提高，生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅降低，使企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。由于CIMS的一些關(guān)鍵技術(shù)（如數(shù)據(jù)模型、系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)等）還沒(méi)有得到很好的解決， 目前主要應(yīng)用于離散型制造業(yè)，如汽車(chē)、飛機(jī)、電子設(shè)備和機(jī)床等的制造。但隨著未來(lái)這些關(guān)鍵技術(shù)的解決和新制造思想的實(shí)現(xiàn)，將使CIMS應(yīng)用提高到一個(gè)新的水平。