计算机集成制造系统大纲(DOC)

1计算机集成制造系统概论

生产系统（production system）：是指组织实现公司的生产运作所需的人、设备以及流程的集合。包括生产设施和制造执行系统。

生产设施（facilities）：是指工厂、工厂中的设备及设备的组织方式。

制造支持系统（manufacturing support system）：是指用来管理生产，解决原材料采购、物料搬运过程中遇到的技术和物流问题，确保产品达到规定质量标准的一套流程。（产品设计、其它业务功能等）

自动化制造系统是在较少的人为参与下，完成加工、装配、检验或物料搬运等类似的操作。比如加工零件的自动化设备、自动化装配系统、自动化生产线、自动检验系统、自动物料搬运系统等。

（1）固定自动化，是指系统中加工错的顺序是由设备的结构决定的。特征为：设备的初始投资比较高，具有很高的生产率，对产品种类表现出较差的柔性。用于大批量和高生产率的生产模式。（自动化生产线，自动化装配线）

（2）可编程自动化，是指生产设备的操作顺序可以根据不同的的产品结构来设计，由程序（一系列可以被系统读取和解释的编码指令）来控制。特征为：在通用设备上高投资，比固定自动化的生产率低，具备处理产品结构变更的柔性，更适合于成批生产。（数控机床）（3）柔性自动化，是可编程自动化的一种扩展形式。体现在不同样式操作之间变换所用的时间很少。特征为：较高的投资，不同混合比的连续生产，中等生产率，对于产品设计的多样性具有一定的柔性。用于小批量多种类的生产模式。（加工中心）

2制造操作

制造操作是指工厂将原材料加工成产品过程中的基本活动，主要包括：加工和装配操作、物料搬运、检验和测试、协调和控制。

（1）加工操作是通过能量改变工件的形状、物理特性或外观来增值的过程，能量包括机械能、热能、电能、化学能等。

成形操作是通过能量改变工件的几何形状和特征。比如凝固工艺、微粒工艺、变形工艺、材料去除工艺。

改善特性的操作是用来提高工件的机械性能和物理性能。比如热处理。

表面处理操作主要包括表面清洗、表面处理、表面涂层和镀膜。如微电子集成电路的表面处理。

（2）装配操作是指将两个以上的独立零部件整合成一个新的实体，组成部分永久或暂时连接。

永久连接：焊接、粘接、铆接等

暂时连接：螺纹连接、销连接等

（3）物料搬运和存储，工厂物流

（4）检验和测试，检测生产地产品是否符合设计要求

（5）协调和控制，对每个加工和装配过程的调节以及对工厂层面运作的管理和控制。

3自动化概述

（2）故障恢复

是指运用必要的措施校正故障，使得系统恢复到正常工作状态。故障恢复系统的设计关键在于设计一定的策略和流程，是的加工过过程中任何可能发生的误差都得以校正或补偿。

利用中断系统进行故障恢复。将中断当前正在执行的程序，插入一个故障恢复子程序。主要策略为

策略1，在当前工作循环结束时进行调整。

策略2，在工作循环中进行校正

策略3，停止加工进行校正

策略4，停止加工寻求帮助。

例3.3某自动化制造单元故障恢复

故障1：刀具的温度巨变导致工件尺寸变化

校正措施：调整程序坐标对其进行补偿（策略1）

故障2：机械手夹取工件时滑落

校正措施：夹取另一个工件（策略2）

故障3：切削温度过高

校正措施：降低切削速度（策略2）

故障4：刀具失效

校正措施：更换刀具（策略3）

故障5：碎屑影响机加工

校正措施：提醒操作人员清理工作区域的碎屑（策略4）

4工业控制系统

（2）离散控制系统

系统的参数和变量以离散形式随时间变化。比如事件驱动的变化、事件驱动的变化。

当控制器对引起系统状态变化的事件做出反应时，发生事件驱动的变化。对其控制称为组合逻辑控制比如机器人把工件放在夹具中，限位开关能够探测到工件，探测到工件的存在就是改变系统状态的事件，事件驱动的变化就是现在可以开始自动加工循环。

控制系统到达某个给定时间点或在一定时间之后，发生时间驱动变化。对其控制称为顺序控制。比如自动热处理循环通过机器人把工件放入熔炉，热处理达到规定时间后，取出工件。

离散控制广泛用于离散制造和过程工业中，比如控制传送带的操作、物料搬运系统、自动存储系统、柔性制造系统、自动生产线、自动化装配系统等。过程工业的批量处理用到离散控制。

（2）计算机控制能力。

轮询，指周期性地对过程状态进行数据采样。轮询频率、轮询顺序、轮询格式

互锁，指用来协调两个或多个设备的活动，防止设备之间相互干扰。输入互锁（外部设备产生的信号并传送给控制器，包括继续执行工作循环的程序和中断工作循环程序）和输出互锁（由控制器传输到外部设备的信号）

中断系统，悬挂当前程序去处理另一个级别更高的程序或子程序，以响应输入事件。根据收到的中断信号，系统跳转到事先设定的子程序来处理特定的中断信号，当前程序的状态被暂时存储，以便中断服务完成之后可以继续执行。内部中断（系统自身产生，比如计时器触发的事件）和外部中断（系统之外产生，比如初始过程的中断、操作者的输入）。一般要设置中断系统的优先级水平。例4.1

异常处理，异常是超出了过程或控制系统正常操作或期望操作的事件。通过调用异常处理程序完成故障识别与恢复。比如生产质量问题、过程变量超出正常范围、维持工程必须的原材料或供应出现短缺、控制器故障、危险的条件等。

5传感器、执行器及其他控制系统元件

（1）连续模拟信号的模数转换

传感器和变换器、产生模拟信号的测量设备。

信号调理（通过过滤去除随机噪声信号，一种信号形式转换为另一种形式比如电流转电压）

多路转换器、是多个输入通道的转换开关。

放大器、用于放大或者缩小信号，使之符合数模转换器的处理范围

模数转换器ADC（核心部件）

转换过程：采样、量化、编码。

（采样频率（对连续模拟信号取样的频率）、转换时间、分辨率、转换方法）

采样、在周期性时间间隔内，将连续的模拟信号变化为一系列离散的模拟信号（每个离散信号分配一个事先定义的信号幅值级水平，这些离散的信号幅值水平转换为数字编码，表示一系列二进制编码的信号序列的幅值）。

量化、分辨率是模拟信号被估计的精确程度，精确度用二进制表示是由量化位数决定，量化水平Nq为2n ，n为比特数,分辨率是工作范围与量化水平减1的比值。量化误差（量化得到的数字值与模拟信号真实值不同）取分辨率的一半。

编码、连续逼近法（将一系列已知的试验电压值与未知的输入信号值相比较）。试验电压数目与编码信号位数对应，第一个试验电压值取工作范围的0.5，每一个连续的试验电压值是前一个电压值的0.5，将输入电压的剩余部分与每个试验电压值比较，输入值超过试验电压值取1，反之取0，得到连续比特值与相应试验电压值相乘。最终获得输入信号的编码值。

6数字控制技术

2、计算机数字控制

特点：存储多个零件程序、多种形式的程序输入、在加工设备上直接编程、固定循环及子程序的编写、插补、初始位置的定位特征、刀具长度和大小补偿、加速和减速的计算、通信接口、诊断（控制启动诊断、故障和失效分析、为个别的零件提供扩展诊断、刀具寿命监控、预防性维修提示、程序诊断）等。

计算机数控系统的机器控制单元。其子系统由一条系统总线相互连接起来。

（1）中央处理器CPU，依靠存储器的软件管理系统组件，包括3部分：控制部分、算