9.1 柔性制造系统FMS
9.2 计算机集成制造系统CIMS
第九章 计算机辅助制造技术
(CAM— Computer Aided Manufacturing)
第一节 柔性制造系统FMS
９.１.1 柔性制造系统基本概念
９.１.2 FMS的加工系统
９.１.3 FMS的工件运储系统
９.１.4 FMS的刀具运储系统
９.１.5 FMS的控制与管理系统
FMS定义和组成
(FMS— Flexible Manufacturing System)
定义：由两台以上加工设备、物料运储和控制系统组成，通过改变软件程序适应多品种、中小批量生产自动化制造系统。
组成：
加工系统- CNC、MC、FMC 机床及测量机、清洗机、动平衡机；
工件运储系统 -包括工件装卸站、自动化仓库、自动化运输小车、机器人、托盘缓冲站、托盘交换装置等；
刀具运储系统 -包括刀具预调站、刀具装卸站、中央刀库、
机床刀库、刀具输送与交换装置等；
控制系统 --对 FMS进行计划调度、运行控制、物料管理、系统监控和网络通信等；
其他-冷却、润滑、排屑、清洗、去毛刺等附属设备。
9.1.1 柔性制造系统的基本概念
FMS基本组成典型的柔性制造系统
柔性高，适应多品种中小批量生产；
系统内的机床在工艺能力上是相互补充或相互替代的；
可混流加工不同的零件；
系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；
递阶结构的计算机控制，可以上层计算机联网通信；
可进行第三班无人值守生产。
FMS的特点不同类型的柔性制造设备
柔性制造模块 （FMM） 相当于功能齐全的加工中心；
柔性制造单元（ FMC） 小型FMS，由1-2台机床组成，自动更换刀具，自动上下工件；
柔性制造系统 （FMS） 控制与管理功能比 FMC强，管理通信要求高；
柔性制造生产线 （FML） 数控组合机床设备，专用性强、
生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用FMS。
柔性制造工厂 （FMF） 全企业范围生产管理、设计开发、
加工制造和物料运储全盘自动化。
柔性制造单元
1-加工中心机床 2-托盘 3-托盘站
4-环形工作台 5-工件交换台不同类型柔性设备的适用范围加工系统的功能与要求
工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数；
控制功能强、扩展性好；
高刚度、高精度、高速度；
自保护与自维护性好；
使用经济性好；
对环境的适应性与保护性好。
9.1.2 FMS的加工系统加工系统常用配置形式
箱体类零件：立式、卧式或立卧两用加工中心；
回转体零件：数控车床或车削加工中心机床。
配置形式：
互替式-是并联配置，各机床功能可互相代替，具有好的工艺柔性和较宽的工艺范围。
互补式-是串联配置，功能互相补充，各自完成特定的加工任务，生产率高，降低了可靠性。
混合式-互替式与互补式结合。
卧式加工中心
1-主轴头 2-刀库 3-刀库 4-立柱底座
5-回转工作台、6-工作台底座车削加工中心
1-刀库 2-回转刀架
3-换刀机械手 4-上下工件机器人 5-工件存储站
a)互替式 b)互补式 c)混合式
FMS机床配置形式加工系统的辅助装置
机床夹具组合夹具：利用标准化夹具零部件快速拼装所需夹具；
柔性夹具：一部夹具能为多个加工对象服务。
托盘 （Pallet） 承载工件和夹具完成加工任务，是各加工单元间的硬件接口。
自动上下料装置托盘交换器：联接加工系统和物料运储系统桥梁；
工业机器人：具有较大的柔性度。
组合夹具柔性夹具
ISO标准规定的托盘基本形状
1-托盘导向面 2-侧面定位面 3-安装螺孔
4-工件安装面 5-中心孔 6-托盘搁置面 7底面
8-工件固定孔 9-托盘夹紧面 10-托盘定位面回转式托盘交换器往复式托盘交换器
9.1.3 FMS的工件运储系统
工件装卸站 设在 FMS入口，由人工完成装卸；
托盘缓冲站 工件中间存储站，起缓冲物料作用；
自动化仓库 多层立体布局结构，由计算机控制，服从 FMS
命令和调度；
物料运载装置 负责在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间物料搬运作业。
传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损；
自动运输小车：分有轨小车、无轨小车；
搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。
FMS工件运储系统组成
FMS物料输送基本回路
直线输送回路 沿直线路线单向或双向移动，顺序地在各个连接点停靠；
环形输送回路 运载工具沿环形路线单向或双向移动；
网状输送回路 由多个回路相互交叉组成，可由一条环路移动到另一回路。
运输小车结构：
车体安装平台托盘交换装置蓄电池控制系统自动运输小车导向
有轨小车 铁轨导向，速度快，负载能力大，停靠准确，可靠好，制造成本低，线路不便更动，转角不宜太大。
线导小车 电磁感应导向，柔性大、扩展性好、不怕污染、工作可靠。
光导小车 采用带有荧光材料油漆或色带，通过光电制导，改变线路非常容易，对环境要求严格。
激光灯台制导 小车顶部装有激光装置，通过固定位置反射激光束信息，确定小车位置。
AGV电磁感应制导原理激光灯台制导原理自动化仓库
货架 为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。
堆垛机 由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动电动机以及传感器构成的三维搬运设备。
控制与管理系统 负责物料信息的登录、识别，
物料自动存取，仓库管理。
自动化仓库示意图堆垛机结构示意图
1-上导轨 2-支柱 3-
物料 4-托架 5-移动电动机 6-传感器
9.1.4 FMS的刀具运储系统刀具运储系统的组成
刀具预调站 设在 FMS之外，按要求对刀具进行装配和调整；
刀具装卸站 是刀具进出 FMS入口，多为排架式框架结构；
刀具库系统 存放当前加工所需的 机床刀库,容量小；存放各加工单元共享的中央刀库，容量大；
刀具运载交换装置 负责刀具运输和交换，适时向加工单元提供所需刀具；
计算机控制管理系统--控制刀具运输、存储和管理，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或寿命已耗尽的刀具。
刀具运储系统作业过程刀具刃磨人工组装刀具预调刀具装卸站中央刀具库需重磨或报废刀具加工单元刀库加工单元刀库加工单元刀库刀具运载交换装置
FMS中刀具交换内容：
机床刀库与机床主轴刀具交换-由机床换刀装置完成；
刀具装卸站、中央刀库、各机床刀库间刀具交换；
AGV运载刀架与机床刀库间刀具交换。
刀具交换运载工具：
换刀机器人-有地轨和高架导轨形式；
刀具运载小车-在小车上放置一个装载刀架，并附设小型机器人，负责刀具交换。
高架导轨式的换刀机器人
1-纵向导轨 2-横梁 3-滑台 4-换刀机器人高架导轨式的换刀机器人
1-AGV 2-装载刀架 3-机器人 4-机床刀库刀具破损的监控监测方法 传感原理 传感器直接法光学图像 光发射、折射、TV摄像光敏、激光、光纤、CCD、
摄像管接触 电阻，开关量，磁力线电阻电路，开关电路，磁间隙传感器间接法切削力 切削力，切削分力比例 应变片，力传感器扭矩 主轴或进给系统扭矩 应变片，电流表功率 主轴或进给系统功率消耗 功率传感器振动 切削过程振动及其变化 加速度计，振动传感器超声波 接受超声波的反射波 超声波换能器与接受器噪声 切削区环境噪声探测 拾音器声发射 刀具破损时声发射信号 声发射传感器刀具的信息管理静态刀具信息：固定不变的信息，如刀具类型、编码、几何形状、结构参数等。
动态刀具信息：随时间不断变化的刀具参数，如刀具寿命、
实际参与切削时间、工作直径和长度等。
四层结构的刀具信息管理系统：
第1层-实时动态文件，每把在线刀具都拥有独立文件，
记载刀具实时动态数据；
第2层-静态刀具类型文件，每一类刀具拥有一个文件；
第3层-刀具组件文件；
第4层-刀具元件文件。
FMS刀具信息的管理
9.1.5 FMS的控制与管理系统
FMS控制与管理系统的体系结构递阶控制结构：将复杂系统分层分模块设置，各层相对独立，便于系统的开发和维护。
递阶控制特点：愈往底层，实时性愈强；愈到上层，处理信息量愈大，实时性要求愈小。
FMS三层递阶控制结构
系统管理与控制层（单元控制层）-接受上级任务，制定系统作业计划，进行任务分配，监控系统执行；
过程协调与监控层（工作站层）-加工程序分配、协调工件流动、运行状态采集监控、向上层反馈信息；
设备控制层-控制设备工作循环，执行上层控制指令，
反馈现场数据。
单元控制器铣削工作站车削工作站
……
物流管理工作站
CNC No1 CNC No2
PLC
自动化仓库
AGV
ROBOT
刀具管理
...
FMS递阶控制结构
CNC No1 CNC No2
PLC
...
单元层工作站层设备层
FMS单元控制器功能
通信管理与运行控制 --实现上下层信息通讯，控制内部模块运行；
系统信息管理--对单元信息进行存储、管理和维护；
作业计划制定--根据上级下达任务制定本单元作业计划
，并进行计划调整；
系统作业调度 --具有系统仿真、静/动态调度、系统资源调度等功能；
系统过程监控--监控系统状态变化，故障处理，其结果传送至系统信息管理模块和上级控制器。
FMS单元控制器的功能模型
FMS控制系统的信息流
9.2.1 CIM和CIMS的概念
9.2.2 CIMS的组成
9.2.3 CIMS递阶控制结构
9.2.4 CIMS的体系结构
9.2.5 CIMS在我国的实施进展第二节 计算机集成制造系统CIMS
(CIMS— Computer Intergrated Manufacturing System)
9.2.1 CIM和CIMS的概念计算机集成制造CIM
美国Harrington博士关于CIM两个观点:
企业各个生产环节是一个不可分隔的整体(集成)；
企业生产制造过程实质上是对信息的采集、传递和加工处理的过程（信息）。
ISO关于CIM定义：是将企业所有的人员、功能、信息和组织等诸方面集成为一个整体的生产方式。
CIM：是一种思想、模式、哲理，强调企业信息集成。
CIMS三要素关系：
经营管理与技术:技术支持企业达到预期的经营目标；
人与技术:技术支持各类人员互相配合、协调一致工作；
人与经营管理:人员素质提高支持企业的经营管理；
CIMS三要素集成计算机集成制造系统CIMS
(CIMS— Computer Intergrated Manufacturing System)
CIMS:基于CIM哲理的一种工程集成系统。
CIMS核心:是将企业内的人/组织、经营管理和技术三要素之间的集成，以保证企业内的工作流程、物质流和信息流畅通无阻。
9.2.2 CIMS的组成四个功能分系统，两个支撑分系统组成
1、经营管理信息分系统（MIS)
(MIS—Management Information System)
信息处理 包括信息的收集、传输、加工和查询；
事务管理 包括计划管理、物料管理、生产管理、财务 管理、人力资源管理等；
辅助决策 根据现有信息，利用数学分析手段预测未来，提供企业经营管理决策。
核心工具：制造资源计划MRPII，将企业内各个管理环节进行集成，缩短生产周期、减少库存、降低成本、
提高企业市场应变能力。
2、工程设计信息分系统(EDIS)
(EDIS—Engineering Design Information System)
（CAD/CAE/CAPP/CAM）
CAD 计算机绘图、有限元分析、产品造型、图像分析处理、优化设计、动态分析与仿真、物料清单（BOM- Bill Of
Material ）生成等；
CAPP 毛坯设计、工艺方法选择、工序设计、工艺路线制定、工时定额计算等；
CAM 刀具路径确定、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、NC
代码的生成等作业。
3、制造自动化分系统(MAS)
(MAS—Manufacturing Automatic System)
MAS地位,位于企业底层，是企业信息流和物料流的结合点，
是最终产生效益聚集地。
MAS组成:
机械加工系统-CNC、MC、FMC、FMS加工设备；
物流系统—对工件和工具存储、搬运、装卸等操作；
控制系统-实现对加工设备和物流系统的控制；
MAS目标:
实现多品种、小批量生产柔性自动化；
实现优质、低成本、短周期、高效率生产；
创造舒适安全劳动环境。
4、质量保证信息分系统（QIS)
（ QIS—Quality Assurance Information System)
质量计划--建立质量技术标准，制定检测计划、检测规程和规范；
质量检测管理--包括进出厂材料检测、产品质量检测管理，设计质量指标管理，生产质量数据管理；
质量分析评价--对各类质量问题进行分析，评价各种影响因素，查明主要原因。
质量信息综合与控制--报表生成，质量综合查询，
采取各种质量控制措施。
5、数据库管理分系统对各类数据进行存储和调用，满足各分系统信息的交换和共享。
数据的分布：采用分布式异型数据库技术，通过互连网络体系，完成全局数据调用和分布式事务处理。
数据库系统类型：工程数据库管理系统，实现对图形数据和非图形数据处理。
6、计算机网络分系统是CIMS信息集成工具，常用局域网，对地理范围大的企业，可通过远程网进行互连，使CIMS同时兼有局域网和广域网的特点。
9.2.3 CIMS五层递阶控制结构
工厂层-最高决策层，制定长期生产计划、确定资源需求、产品开发、成本核算，规划周期几个月/几年时间。
车间层-协调车间作业和资源配置，作用周期几周/几个月。
单元层-完成本单元作业调度，包括作业顺序和指令发放、进行任务分配调度、协调物料运输，规划时间几小时/几周。
工作站层-负责协调设备小组活动，规划时间几分钟/几小时。
设备层-各种设备控制器，执行上层控制命令，完成加工、测量、运输等任务，响应时间几毫秒/几分钟。
CIMS递阶控制结构工厂加工车间 装配车间
1
#
单元 N
#
单元铣削工作站检验工作站物料运储工作站机器人 铣床零件存储器机器人检验机零件存储器机器人机器人小车传感器
……….
…..
9.2.4 CIMS的体系结构
CIMS/OSA
体系结构：
是沿结构方向、建模方向和视图方向的三维坐标结构。
开放系统结构
(Open System
Architecture OSA)
CIMS/OSA 结构层次
通用层 包括通用组件、约束、服务和协议
，以及各企业共同需求和处理方法；
部分通用层 按照工业类型、不同行业、企业规模等不同分类的各类典型结构；
专用层 在通用层和部分通用层基础上根据特定企业需求而选定和建立的系统和结构，
仅适用于一个特定企业，一个企业只能通过一种专用结构来描述。
CIMS/OSA 建模层次
需求定义层 按用户准则描述一个企业的需求定义模型；
设计说明层 根据企业经营需求和系统能力，对用户需求进行重构和优化；
实施描述层 在设计说明层基础上，对企业生产过程及系统制造技术元件和信息技术元件物理元件进行描述。
制造技术元件：包括CAD、CAM、MRP (制造资源计划—Manufacturing Resource Planning),DNC
（Distributed Numerical Control ）、FMC等；
信息技术元件--包括计算机、网络、数据库、各类系统软件和应用软件。
CIMS/OSA 视图层次
功能视图 --指导用户确定和选用相应的功能模块；
信息视图 --用来帮助企业用户确定其信息需求，建立信息关系和确定数据库结构；
资源视图 --用于帮助企业用户确定其资源需求，建立优化的资源结构；
组织视图 --确定CIMS内部的多级多维职责体系，建立CIMS的多级组织结构。
9.2.5 CIMS在我国的实施进展
863/CIMS主题确立：研究内容包括应用基础研究、关键技术攻关、目标产品开发、应用示范工程四个层次；
1994年清华大学CIMS工程中心获美国SME,大学领先奖” ；
1995年北京第一机床厂CIMS工程获SME,工业领先奖”
十五863/CIMS主题内涵更新 （Contemporary Integrated
Manufacturing System,CIMS）
十五863/CIMS主题研究专题：
行业/区域现代集成制造系统专题数字化设计与制造专题；
过程自动化系统专题；
企业管理与电子商务系统专题；
现代集成制造系统平台专题。
小结
CIMS是企业内的人/组织、经营管理和技术三要素集成，以保证企业内的工作流程、物质流和信息流畅通无阻的企业信息集成系统。
CIMS是由经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证信息系统四个功能分系统，以及计算机网络和数据库管理两个支撑分系统组成；
并行工程是将时间上先后的知识处理和作业实施过程转变为同时考虑和尽可能的同时处理的一种生产组织管理方式。
群体小组和并行工程是精益生产的基础，及时生产、成组技术和全面质量管理是精益生产的三大支柱。
敏捷制造是在,竞争-合作-协同” 机制下，实现对市场需求作出灵活快速反应的一种生产制造模式。
9.2 计算机集成制造系统CIMS
第九章 计算机辅助制造技术
(CAM— Computer Aided Manufacturing)
第一节 柔性制造系统FMS
９.１.1 柔性制造系统基本概念
９.１.2 FMS的加工系统
９.１.3 FMS的工件运储系统
９.１.4 FMS的刀具运储系统
９.１.5 FMS的控制与管理系统
FMS定义和组成
(FMS— Flexible Manufacturing System)
定义：由两台以上加工设备、物料运储和控制系统组成，通过改变软件程序适应多品种、中小批量生产自动化制造系统。
组成：
加工系统- CNC、MC、FMC 机床及测量机、清洗机、动平衡机；
工件运储系统 -包括工件装卸站、自动化仓库、自动化运输小车、机器人、托盘缓冲站、托盘交换装置等；
刀具运储系统 -包括刀具预调站、刀具装卸站、中央刀库、
机床刀库、刀具输送与交换装置等；
控制系统 --对 FMS进行计划调度、运行控制、物料管理、系统监控和网络通信等；
其他-冷却、润滑、排屑、清洗、去毛刺等附属设备。
9.1.1 柔性制造系统的基本概念
FMS基本组成典型的柔性制造系统
柔性高，适应多品种中小批量生产；
系统内的机床在工艺能力上是相互补充或相互替代的；
可混流加工不同的零件；
系统局部调整或维修不中断整个系统的运作；
递阶结构的计算机控制，可以上层计算机联网通信；
可进行第三班无人值守生产。
FMS的特点不同类型的柔性制造设备
柔性制造模块 （FMM） 相当于功能齐全的加工中心；
柔性制造单元（ FMC） 小型FMS，由1-2台机床组成，自动更换刀具，自动上下工件；
柔性制造系统 （FMS） 控制与管理功能比 FMC强，管理通信要求高；
柔性制造生产线 （FML） 数控组合机床设备，专用性强、
生产率高，相当于数控自动生产线，用于少品种、中大批量生产，为专用FMS。
柔性制造工厂 （FMF） 全企业范围生产管理、设计开发、
加工制造和物料运储全盘自动化。
柔性制造单元
1-加工中心机床 2-托盘 3-托盘站
4-环形工作台 5-工件交换台不同类型柔性设备的适用范围加工系统的功能与要求
工序集中，减轻物流负担，减少装夹次数；
控制功能强、扩展性好；
高刚度、高精度、高速度；
自保护与自维护性好；
使用经济性好；
对环境的适应性与保护性好。
9.1.2 FMS的加工系统加工系统常用配置形式
箱体类零件：立式、卧式或立卧两用加工中心；
回转体零件：数控车床或车削加工中心机床。
配置形式：
互替式-是并联配置，各机床功能可互相代替，具有好的工艺柔性和较宽的工艺范围。
互补式-是串联配置，功能互相补充，各自完成特定的加工任务，生产率高，降低了可靠性。
混合式-互替式与互补式结合。
卧式加工中心
1-主轴头 2-刀库 3-刀库 4-立柱底座
5-回转工作台、6-工作台底座车削加工中心
1-刀库 2-回转刀架
3-换刀机械手 4-上下工件机器人 5-工件存储站
a)互替式 b)互补式 c)混合式
FMS机床配置形式加工系统的辅助装置
机床夹具组合夹具：利用标准化夹具零部件快速拼装所需夹具；
柔性夹具：一部夹具能为多个加工对象服务。
托盘 （Pallet） 承载工件和夹具完成加工任务，是各加工单元间的硬件接口。
自动上下料装置托盘交换器：联接加工系统和物料运储系统桥梁；
工业机器人：具有较大的柔性度。
组合夹具柔性夹具
ISO标准规定的托盘基本形状
1-托盘导向面 2-侧面定位面 3-安装螺孔
4-工件安装面 5-中心孔 6-托盘搁置面 7底面
8-工件固定孔 9-托盘夹紧面 10-托盘定位面回转式托盘交换器往复式托盘交换器
9.1.3 FMS的工件运储系统
工件装卸站 设在 FMS入口，由人工完成装卸；
托盘缓冲站 工件中间存储站，起缓冲物料作用；
自动化仓库 多层立体布局结构，由计算机控制，服从 FMS
命令和调度；
物料运载装置 负责在机床、自动化仓库和托盘缓冲站之间物料搬运作业。
传送带：用于小零件短程传送，占据空间大、易磨损；
自动运输小车：分有轨小车、无轨小车；
搬运机器人：具有较高柔性和控制水平。
FMS工件运储系统组成
FMS物料输送基本回路
直线输送回路 沿直线路线单向或双向移动，顺序地在各个连接点停靠；
环形输送回路 运载工具沿环形路线单向或双向移动；
网状输送回路 由多个回路相互交叉组成，可由一条环路移动到另一回路。
运输小车结构：
车体安装平台托盘交换装置蓄电池控制系统自动运输小车导向
有轨小车 铁轨导向，速度快，负载能力大，停靠准确，可靠好，制造成本低，线路不便更动，转角不宜太大。
线导小车 电磁感应导向，柔性大、扩展性好、不怕污染、工作可靠。
光导小车 采用带有荧光材料油漆或色带，通过光电制导，改变线路非常容易，对环境要求严格。
激光灯台制导 小车顶部装有激光装置，通过固定位置反射激光束信息，确定小车位置。
AGV电磁感应制导原理激光灯台制导原理自动化仓库
货架 为一个个存储单元，设有地址编码，货架之间有巷道，每个巷道配有专用堆垛机。
堆垛机 由托架、货叉、支柱、上下导轨、移动电动机以及传感器构成的三维搬运设备。
控制与管理系统 负责物料信息的登录、识别，
物料自动存取，仓库管理。
自动化仓库示意图堆垛机结构示意图
1-上导轨 2-支柱 3-
物料 4-托架 5-移动电动机 6-传感器
9.1.4 FMS的刀具运储系统刀具运储系统的组成
刀具预调站 设在 FMS之外，按要求对刀具进行装配和调整；
刀具装卸站 是刀具进出 FMS入口，多为排架式框架结构；
刀具库系统 存放当前加工所需的 机床刀库,容量小；存放各加工单元共享的中央刀库，容量大；
刀具运载交换装置 负责刀具运输和交换，适时向加工单元提供所需刀具；
计算机控制管理系统--控制刀具运输、存储和管理，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或寿命已耗尽的刀具。
刀具运储系统作业过程刀具刃磨人工组装刀具预调刀具装卸站中央刀具库需重磨或报废刀具加工单元刀库加工单元刀库加工单元刀库刀具运载交换装置
FMS中刀具交换内容：
机床刀库与机床主轴刀具交换-由机床换刀装置完成；
刀具装卸站、中央刀库、各机床刀库间刀具交换；
AGV运载刀架与机床刀库间刀具交换。
刀具交换运载工具：
换刀机器人-有地轨和高架导轨形式；
刀具运载小车-在小车上放置一个装载刀架，并附设小型机器人，负责刀具交换。
高架导轨式的换刀机器人
1-纵向导轨 2-横梁 3-滑台 4-换刀机器人高架导轨式的换刀机器人
1-AGV 2-装载刀架 3-机器人 4-机床刀库刀具破损的监控监测方法 传感原理 传感器直接法光学图像 光发射、折射、TV摄像光敏、激光、光纤、CCD、
摄像管接触 电阻，开关量，磁力线电阻电路，开关电路，磁间隙传感器间接法切削力 切削力，切削分力比例 应变片，力传感器扭矩 主轴或进给系统扭矩 应变片，电流表功率 主轴或进给系统功率消耗 功率传感器振动 切削过程振动及其变化 加速度计，振动传感器超声波 接受超声波的反射波 超声波换能器与接受器噪声 切削区环境噪声探测 拾音器声发射 刀具破损时声发射信号 声发射传感器刀具的信息管理静态刀具信息：固定不变的信息，如刀具类型、编码、几何形状、结构参数等。
动态刀具信息：随时间不断变化的刀具参数，如刀具寿命、
实际参与切削时间、工作直径和长度等。
四层结构的刀具信息管理系统：
第1层-实时动态文件，每把在线刀具都拥有独立文件，
记载刀具实时动态数据；
第2层-静态刀具类型文件，每一类刀具拥有一个文件；
第3层-刀具组件文件；
第4层-刀具元件文件。
FMS刀具信息的管理
9.1.5 FMS的控制与管理系统
FMS控制与管理系统的体系结构递阶控制结构：将复杂系统分层分模块设置，各层相对独立，便于系统的开发和维护。
递阶控制特点：愈往底层，实时性愈强；愈到上层，处理信息量愈大，实时性要求愈小。
FMS三层递阶控制结构
系统管理与控制层（单元控制层）-接受上级任务，制定系统作业计划，进行任务分配，监控系统执行；
过程协调与监控层（工作站层）-加工程序分配、协调工件流动、运行状态采集监控、向上层反馈信息；
设备控制层-控制设备工作循环，执行上层控制指令，
反馈现场数据。
单元控制器铣削工作站车削工作站
……
物流管理工作站
CNC No1 CNC No2
PLC
自动化仓库
AGV
ROBOT
刀具管理
...
FMS递阶控制结构
CNC No1 CNC No2
PLC
...
单元层工作站层设备层
FMS单元控制器功能
通信管理与运行控制 --实现上下层信息通讯，控制内部模块运行；
系统信息管理--对单元信息进行存储、管理和维护；
作业计划制定--根据上级下达任务制定本单元作业计划
，并进行计划调整；
系统作业调度 --具有系统仿真、静/动态调度、系统资源调度等功能；
系统过程监控--监控系统状态变化，故障处理，其结果传送至系统信息管理模块和上级控制器。
FMS单元控制器的功能模型
FMS控制系统的信息流
9.2.1 CIM和CIMS的概念
9.2.2 CIMS的组成
9.2.3 CIMS递阶控制结构
9.2.4 CIMS的体系结构
9.2.5 CIMS在我国的实施进展第二节 计算机集成制造系统CIMS
(CIMS— Computer Intergrated Manufacturing System)
9.2.1 CIM和CIMS的概念计算机集成制造CIM
美国Harrington博士关于CIM两个观点:
企业各个生产环节是一个不可分隔的整体(集成)；
企业生产制造过程实质上是对信息的采集、传递和加工处理的过程（信息）。
ISO关于CIM定义：是将企业所有的人员、功能、信息和组织等诸方面集成为一个整体的生产方式。
CIM：是一种思想、模式、哲理，强调企业信息集成。
CIMS三要素关系：
经营管理与技术:技术支持企业达到预期的经营目标；
人与技术:技术支持各类人员互相配合、协调一致工作；
人与经营管理:人员素质提高支持企业的经营管理；
CIMS三要素集成计算机集成制造系统CIMS
(CIMS— Computer Intergrated Manufacturing System)
CIMS:基于CIM哲理的一种工程集成系统。
CIMS核心:是将企业内的人/组织、经营管理和技术三要素之间的集成，以保证企业内的工作流程、物质流和信息流畅通无阻。
9.2.2 CIMS的组成四个功能分系统，两个支撑分系统组成
1、经营管理信息分系统（MIS)
(MIS—Management Information System)
信息处理 包括信息的收集、传输、加工和查询；
事务管理 包括计划管理、物料管理、生产管理、财务 管理、人力资源管理等；
辅助决策 根据现有信息，利用数学分析手段预测未来，提供企业经营管理决策。
核心工具：制造资源计划MRPII，将企业内各个管理环节进行集成，缩短生产周期、减少库存、降低成本、
提高企业市场应变能力。
2、工程设计信息分系统(EDIS)
(EDIS—Engineering Design Information System)
（CAD/CAE/CAPP/CAM）
CAD 计算机绘图、有限元分析、产品造型、图像分析处理、优化设计、动态分析与仿真、物料清单（BOM- Bill Of
Material ）生成等；
CAPP 毛坯设计、工艺方法选择、工序设计、工艺路线制定、工时定额计算等；
CAM 刀具路径确定、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、NC
代码的生成等作业。
3、制造自动化分系统(MAS)
(MAS—Manufacturing Automatic System)
MAS地位,位于企业底层，是企业信息流和物料流的结合点，
是最终产生效益聚集地。
MAS组成:
机械加工系统-CNC、MC、FMC、FMS加工设备；
物流系统—对工件和工具存储、搬运、装卸等操作；
控制系统-实现对加工设备和物流系统的控制；
MAS目标:
实现多品种、小批量生产柔性自动化；
实现优质、低成本、短周期、高效率生产；
创造舒适安全劳动环境。
4、质量保证信息分系统（QIS)
（ QIS—Quality Assurance Information System)
质量计划--建立质量技术标准，制定检测计划、检测规程和规范；
质量检测管理--包括进出厂材料检测、产品质量检测管理，设计质量指标管理，生产质量数据管理；
质量分析评价--对各类质量问题进行分析，评价各种影响因素，查明主要原因。
质量信息综合与控制--报表生成，质量综合查询，
采取各种质量控制措施。
5、数据库管理分系统对各类数据进行存储和调用，满足各分系统信息的交换和共享。
数据的分布：采用分布式异型数据库技术，通过互连网络体系，完成全局数据调用和分布式事务处理。
数据库系统类型：工程数据库管理系统，实现对图形数据和非图形数据处理。
6、计算机网络分系统是CIMS信息集成工具，常用局域网，对地理范围大的企业，可通过远程网进行互连，使CIMS同时兼有局域网和广域网的特点。
9.2.3 CIMS五层递阶控制结构
工厂层-最高决策层，制定长期生产计划、确定资源需求、产品开发、成本核算，规划周期几个月/几年时间。
车间层-协调车间作业和资源配置，作用周期几周/几个月。
单元层-完成本单元作业调度，包括作业顺序和指令发放、进行任务分配调度、协调物料运输，规划时间几小时/几周。
工作站层-负责协调设备小组活动，规划时间几分钟/几小时。
设备层-各种设备控制器，执行上层控制命令，完成加工、测量、运输等任务，响应时间几毫秒/几分钟。
CIMS递阶控制结构工厂加工车间 装配车间
1
#
单元 N
#
单元铣削工作站检验工作站物料运储工作站机器人 铣床零件存储器机器人检验机零件存储器机器人机器人小车传感器
……….
…..
9.2.4 CIMS的体系结构
CIMS/OSA
体系结构：
是沿结构方向、建模方向和视图方向的三维坐标结构。
开放系统结构
(Open System
Architecture OSA)
CIMS/OSA 结构层次
通用层 包括通用组件、约束、服务和协议
，以及各企业共同需求和处理方法；
部分通用层 按照工业类型、不同行业、企业规模等不同分类的各类典型结构；
专用层 在通用层和部分通用层基础上根据特定企业需求而选定和建立的系统和结构，
仅适用于一个特定企业，一个企业只能通过一种专用结构来描述。
CIMS/OSA 建模层次
需求定义层 按用户准则描述一个企业的需求定义模型；
设计说明层 根据企业经营需求和系统能力，对用户需求进行重构和优化；
实施描述层 在设计说明层基础上，对企业生产过程及系统制造技术元件和信息技术元件物理元件进行描述。
制造技术元件：包括CAD、CAM、MRP (制造资源计划—Manufacturing Resource Planning),DNC
（Distributed Numerical Control ）、FMC等；
信息技术元件--包括计算机、网络、数据库、各类系统软件和应用软件。
CIMS/OSA 视图层次
功能视图 --指导用户确定和选用相应的功能模块；
信息视图 --用来帮助企业用户确定其信息需求，建立信息关系和确定数据库结构；
资源视图 --用于帮助企业用户确定其资源需求，建立优化的资源结构；
组织视图 --确定CIMS内部的多级多维职责体系，建立CIMS的多级组织结构。
9.2.5 CIMS在我国的实施进展
863/CIMS主题确立：研究内容包括应用基础研究、关键技术攻关、目标产品开发、应用示范工程四个层次；
1994年清华大学CIMS工程中心获美国SME,大学领先奖” ；
1995年北京第一机床厂CIMS工程获SME,工业领先奖”
十五863/CIMS主题内涵更新 （Contemporary Integrated
Manufacturing System,CIMS）
十五863/CIMS主题研究专题：
行业/区域现代集成制造系统专题数字化设计与制造专题；
过程自动化系统专题；
企业管理与电子商务系统专题；
现代集成制造系统平台专题。
小结
CIMS是企业内的人/组织、经营管理和技术三要素集成，以保证企业内的工作流程、物质流和信息流畅通无阻的企业信息集成系统。
CIMS是由经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证信息系统四个功能分系统，以及计算机网络和数据库管理两个支撑分系统组成；
并行工程是将时间上先后的知识处理和作业实施过程转变为同时考虑和尽可能的同时处理的一种生产组织管理方式。
群体小组和并行工程是精益生产的基础，及时生产、成组技术和全面质量管理是精益生产的三大支柱。
敏捷制造是在,竞争-合作-协同” 机制下，实现对市场需求作出灵活快速反应的一种生产制造模式。
