三、制造自动化分系统（CAM）

在 CAM 中，利用计算机对生产设备进行直接控制，实现信息流对物流的控制和完成物流的转换。

CAM 包含不同自动化程度的制造系统，如数控加工、计算机数控、计算机群控、柔性制造单元、柔性制造系统等。

（一）数控（Numerical Control，NC）加工。数控加工是一种可编程的， 由数字、文字与符号来实施控制加工的自动化过程。NC 对于每一个专门的工件或作业，因编制程序指令作业不同，程序指令则不同。一个 NC 加工中心， 采用不同指令，可以完成多台机床才能完成的作业。NC 系统一般由三部分组成，如图 5—9 所示。

图 5—9 NC 系统的基本组成

  1. 指令程序。是一组详细的使机床实施各顺序步骤的命令的集合。

  2. 控制单元。包括读入与翻译指令程序的电子线路与硬件，它的任务是将指令程序变为机床的机械动作。

  3. 机床或其他控制件。包括机床、刀具、夹具及其他辅助装置。

NC 加工已广泛应用于发达国家机械制造工业，特别是金属切削加工中， 它的主要优点是：

  1. 缩短制造周期。由于减少了工件装卡、搬运等非生产时间，而且在机床上可自动更换刀具从而缩短制造周期。

  2. 减少夹具数量和费用。NC 用穿孔带控制定位，使夹具简单便宜。

  3. 改进产品质量。

NC 加工可减少人为的错误，减少废品。

  1. 增强制造的柔性。对工程设计的变化，生产工序的变化有较大的灵活性与适应能力。

但 NC 系统在应用中经常出现一些问题，如零件编程错误，穿孔纸带脆、

容易撕裂、工作不可靠，纸带输入机可靠性差，NC 系统不能向管理方面提供有关操作性能的实时信息等。为解决这些问题，发展了计算机数控技术。

（二）计算机数控系统（Computer Numerical Control，CNC）。

CNC 是利用一台专用的微机或小型机作控制器来存贮程序，完成数控功能的数控系统。它与 NC 的区别在于：NC 在批量加工中，每加工一个零件， NC 穿孔带都要通过输入器；而在 CNC 系统中，只需在批量加工开始时，将零件程序与数据通过输入器输入，随即存贮到计算机存贮器中，不需多次输入。同时 CNC 的功能比 NC 要多，其主要功能为：

  1. 控制机床。在 CNC

    系统中，通过计算机与伺服系统的接口，将零件程序指令变换为机床运动。

  2. 加工中补偿。它能使加工过程中机床运动的变化与误差，得到动态修主与补偿。

  3. 改进编程及操作性能。

CNC 可编辑机床上的零件程序，使程序得到修正与优化。4.诊断。

NC 机床是复杂昂贵的系统，系统维护十分重要。CNC 系统常具有诊断能力，能对某些部件的紧急故障给出警告信号、事故停机时能迅速找到停机原因等，以便支持系统的维护和修复。

（三）计算机群控（Direct Numerical Control，DNC）系统。DNC 是由一台计算机直接连接，并实时控制一个制造系统中的许多机床组成。在 DNC 中，零件加工程序直接由计算机存贮器输入机床，不用纸带输入器，因而使系统可靠性提高。DNC 中计算机与机床的通信包括：由计算机向机床提供加工控制指令；由机床反馈加工结果信息至计算机的数据采集和处理。DNC 的组成如图 5—10 所示，它由计算机（包括 NC 程序存贮器）、远程通信线路 和机床组成。

DNC 的主要优点是：

（1）将 NC 零件加工程序存贮于计算机文件中，不但取消了穿孔纸带与纸带输入器，提高了系统可靠性，同时可以使同一加工程序在几台不同的机床上使用。（2）DNC 能收集、处理来自 NC 机床生产情况的数据，产生车间生产情况的报告，建立制造自动化发展的基础。

图 5—10 DNC 系统基本组成

（四）柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）。柔性制造系统是具有分布式数据处理的，利用计算机数控机床、计算机控制的装配单元、工业机器人、自动检测机器，以及计算机物料处理与存贮系统等集成的，实现物流自动化的系统。

它适于加工处理多品种、中小批量相似的零件。一个功能完备的 FMS 组成如图 5—11 所示。一般应包括下面几个组成部分：

  1. 自动加工模块。即实现自动控制的切削加工单元。它实时地接受 FMS

    控制系统分配的加工数据信息，并反馈加工单元状态信息给 FMS。自动加工模块包括柔性制造单元、群控或计算机数控、单功能数控机床等。

  2. 刀具预调站。在工作站上，工人将磨好的加工所需刀具的标准刀套配件组装好。然后，将刀具结构参数和刀具代码通过对刀仪发送给

    FMS 控制系统，将“新”刀具送往刀具收发站备用。

使用后退回到刀具收发站，需要重新刃磨的“旧刀”，将由工人取回工作站并分解刀套，送刃磨处理。

  1. 刀具管理子系统。即 FMS

    中刀具的交换、存贮及刀具使用寿命管理的子系统，它的功能包括：

图 5—11 FMS 的组成

  1. 换刀机械手将“新刀”从刀具收发站取出，送到刀具交换站的控制过程；

  2. 按 FMS

    指令，换刀机械手将指定刀具标识码的刀具从刀具交换站中取出，并送到指定的自动加工模块的控制过程。

  3. 换刀机械手将加工模块上“冗余”的刀具取下，并送回刀具交换站的控制过程。

  1. 工件装卸站。它通过字符或图形显示终端，提供 FMS

    系统所指定的夹具拼装施工图或拼装块清单，以及工件毛坯/托盘夹具装夹施工图。或毛坯/ 托盘夹具拼装件清单，供工人组装用。

  2. 辅助功能模块。指切削加工单元以外的自动运行的设备，如检测模块

（坐标测量机）、清洗模块（清洗机）等。

  1. 物料运输子系统。它的主要功能有两个：（1）在机器之间搬运工件，

    即将工件装卸站指定站位上已拼装好的工件/夹具/托盘组件，自动装到运输小车上，送到加工区指定的位置以等待加工；将已加工完毕的工件/夹具/托盘组件送清洗模块；将指定需要在线测量的、已加工完毕的工件组送坐标测量模块；将已处理完毕的工件组送仓库或物料系统出口，称为主搬运功能。

（2）面向机床的搬运及将工件安装于机床上，称为辅搬运功能。为完成辅搬运功能，通常每台机床有一个运输机构。

物料运输子系统常用设备有：自动引导小车（ Automated Guided Vehicles，AGV），传送带、自动吊车、直线有轨小车、与加工设备相连的上下料设备（如机器人）等。

  1. 自动化仓库。自动化仓库又称为自动存贮/自动检索系统（Automated

    Storage/Retrieval System，AS/RS）。它是通过仓库管理计算机对工件毛坯、在制品、夹具块、托盘等进行编码、进库及出库管理的子系统。它能按 FMS 指令，将指定工件毛坯、在制品、夹具所在的货架由立体仓库取出，送往工件装卸站；也能将应送回立体仓库的工件、夹具及托盘所用货架，由装卸站送回相应位置。

通过 AS/RS，可以对毛坯、在制品、半成品、配套件及成品进行自动存贮与检索。自动仓库如图 5—12 所示。

图 5─12 自动化仓库

自动化仓库主要由立体货架、起重运输设备，如堆垛起重机、出入库运输机，以及计算机监控设备组成。其中，计算机监控设备一般有以下方面功能：

  1. 仓库管理。进行仓库帐目管理、货位管理、出入库管理（入库时合理分配栈位，出库时确定出库顺序等），以及信息的处理。

  2. 通信监控。它接收管理功能的作业命令，将作业命令按巷道分类排序，交由堆垛机控制及运输机控制功能执行。

  3. 堆垛机控制。它由通信控制得到作业命令控制堆垛作业，有出库、入库、搬库、直接出入库等工作方式，有占位报警、取货无箱报警、故障暂停等功能。

  4. 运输机控制。从通信监控得到作业命令，完成出入库操作及有关信息处理。

  1. 机器人。工业机器人是一种一般用途的、具有某些人类特征的、可编程控制的机器。由程序控制机器人可完成顺序的机械运动。机器人编程是以联机的形式完成的。其指令存放在机器人的存贮器中。按运动形式的不同，

    机器人可分为两种型式：（1）逐点式运动机器人。适合于完成机器的装载与卸载、点焊和提放动作等生产活动。（2）连续轨迹式机器人，适用于喷漆、连续焊接加工或实现沿一个输送机抓取移动物件的运动。

FMS 的主要优点是：

  1. 机床利用率高。由于 FMS

    中，用于安装的时间最少、工件能有效运送、工件可同时进行加工等特性，机床利用率可高达 85％，而一般 NC 机床的利用率低于 50％。

  2. 加工制造与研制周期缩短。一般制造系统要求成批加工的工件，经过几个不同的加工中心，在每个加工中心都需要有安装时间与等待时间，并且安装等待时间常常比加工时间长得多。FMS

    中这些非加工时间大力下降，从而使加工研制周期显著缩短。

  3. 在制品及零件库存量降低。由于 FMS

    中加工研制周期短，加工过程与运输过程紧密衔接，使零件和在制品能显著降低库存水平。