自动化制造系统概论

本章教学要点，导入案例（看书解释）

1.1 基本概念

1.1.1 系统

1. 系统的定义：系统是指由相互联系、相互作用的若干要素构成的具有特定功能的有机整体。

2. 系统的特征：系统的特征是从各种具体的系统中抽象出来的系统的共性。明确系统的特征是我们正确认识系统的关键。作为一个系统，一般具备五大特征。

1）目的性：通常系统都具有某种目的。比如，经过改造的自然农田系统，目的是为了发展农业生产，增加粮食产量；一个技术系统的目的可能是实现某种技术要求，达到给定的性能、经济和进度指标。但明确系统的目的并非易事，必须经过严格的论证，并要求提出科学的书面报告。要实现系统目的，一般要制定具体目标。首先制定总目标及总功能，然后层层分解成各分目标并落实。另外，分目标之间可能是矛盾的，要注意整体平衡与协调。比如设计一个工厂，它的分目标可能有“基建费最低”、“运行费最小”、“可靠性最大”等等。显然，较低的基建投资往往导致较高的运行费，较高的安全可靠性标准将使基建费和运行维修费都增加。因此，要获得全局最佳结果，就要在矛盾的分目标之间根据贡献大小寻找一个折衷方案。

2）整体性：系统是由相互联系的若干要素组成的，它作为一个有机整体存在于特定的环境之中。系统的整体性可以从以下几方面来理解。

1

首先，系统是一个集合，是由两个或两个以上相互区别的要素结合而成。

其次，系统整体联系的统一性。在系统中各个要素对整体的影响不是的，而是依赖于其它若干要素的协同作用。也就是说，系统要素的性质和行为并非地影响系统整体的功能或特征，而是相互影响、相互协调地来适应系统整体的要求，实现系统的功能。

再次，系统功能的非加和性。系统要素相互区别、相互作用构成了整体，但整体功能不等于各要素功能之和。即使每个要素是良好的，但组成的整体不一定具有良好整体功能。

由此可知，系统之所以产生整体性，是因为系统的各个组成部分服从系统的目的和要求，而形成一种协同作用。只有通过协同作用，系统的整体功能才能显现。

3）相关性：系统的各个组成要素是相互联系和制约的，这是系统内部的相关性。系统中某一要素变化，就意味着其它要素也要作相应的调整和改变。另一方面，系统的生存与运行几乎都要从外界环境输入，并向外界环境输出，输入与输出把系统要素与环境要素连接起来，因此，系统与环境之间也具有相关性。

研究系统的相关性主要为了弄清楚各个要素之间的相互依存关系，提高系统的延续性，避免系统的内耗，提高系统的整体运行效果。弄清楚各要素的相关性也是实现系统有机集成的前提。

4）层次性：由于客观事物的复杂性，使系统具有多层次结构。即系统可以分解为若干子系统，每个子系统又可层层分解下去，分解为若干更

2

低层次的子系统，最后分解成要素。要素是完成系统功能的最小单元。这种分解的基本标志是目标，一系列的目标要求产生一系列分系统。系统、分系统和系统要素构成了层次结构。在层次结构的底部，通常是一些结构和功能相对简单的子系统，越往上越复杂，占据顶层的则是结构和功能相当复杂的系统。对于中间层次的系统来说，它既是的，又与上下层系统有着密切的联系。相对上层，它处于被支配和被控制的地位；相对下层，它处于支配和控制地位。

系统的层次性体现了系统目标逐级的具体化和系统要素在系统结构中的位置和隶属关系。将系统适当分层，是研究和设计复杂大系统的有力手段。

5）环境适应性：系统适应外部环境的变化，以获取生存和发展能力的性质，就是系统的环境适应性。系统与环境的作用是相互的。一方面，系统不能脱离环境而存在。系统存在于环境之中，外界环境通过与系统进行物质、能量、信息的交换，而对系统产生影响，使系统结构发生振荡。当环境变化超过了系统承受能力时，系统将解体，被新的适应环境要求的系统所代替。只有系统与环境保持最佳适应状态，才能对环境做出尽可能大的贡献。另一方面，系统又可以通过输出对环境施加影响，如人类不仅能够适应自然环境，还能够利用和改造自然环境，使其满足人类的需求。为了使系统不断适应变化的环境，需要不断调整系统的内部结构。

上述系统的五个基本特征，在处理系统问题时，应具备的主要观点。即从总体目标出发，着眼长远、整体优化的观点；从系统的内在联系分析问题的观点；考虑系统结构层次性的观点；考虑外界条件变化，使系统适

3

应环境的观点等。在系统分析、设计、评价、决策时，这些基本观点是第一位的，离开这些基本观点，将会导致错误的结果。 1.1.2 制造

1. 制造：国际生产工程学会对制造的定义为：制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。在实际应用中，制造的概念有广义和狭义之分。狭义的制造是指生产车间与物流有关的加工和装配过程。广义的制造是包括市场分析、经营决策、工程设计、加工装配、质量控制、生产过程管理、销售运输、售后服务直至产品报废处理等整个产品生命周期内一系列相互联系的生产活动。阅读材料（看书解释）。

2. 制造业：制造业是将可用资源与能源，通过制造过程转化为可供人们使用或利用的工业品或生产消费品的行业。它涉及到机械、电子、轻工、化工、食品、军工、航天等很多行业，是国民经济和综合国力的支柱产业。制造业一方面创造价值，产生物质财富和新的知识；另一方面为国民经济各个部门的进步和发展提供先进的手段和装备，对一个国家的经济地位和政治地位具有至关重要的影响。

3. 制造规模：制造企业的产品品种和生产批量大小是各不相同的，我们称之为制造规模。通常，可以将制造规模分为三种：大规模制造、大批量制造和多品种小批量制造。

年产量超过5000件的制造常称为大规模制造，例如标准件（螺钉、螺母、垫圈、销等）的制造、自行车的制造、汽车制造等。大规模制造常

4

采用组合机床生产线或自动化单机系统，通常其生产率极高，产品的一致性非常好。

年产量在500～5000件之间的制造常称为大批量制造，如大型汽车制造、大型推土机制造等均属于大批量制造。大批量制造的自动化程度和生产率通常较低，实际中多使用加工中心和柔性制造单元。

年产量在500件以下的制造通常称为多品种小批量制造，如飞机制造、大型轮船制造等。随着用户需求的不断变化，机械制造企业的生产规模越来越小，正在向着多品种、单件化的方向发展，目前已成为机械制造业的主导方式。本书所介绍的自动化制造系统就主要针对多品种小批量制造规模。

1.1.3 制造系统

1. 制造系统的定义

相对于制造的广义和狭义的定义，制造系统也有广义和狭义之分。 广义的制造系统是包含从原材料供给到销售服务的所有制造过程及其所涉及的硬件和有关软件组成的一个具有特定功能的有机整体。其中，硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置；软件包括制造理论、制造技术（制造工艺和制造方法等）和制造信息。对上面所给的制造系统的定义，可以从三个方面来理解。从制造系统的结构上看，制造系统是制造过程所涉及的硬件（包括人员、设备、物料流等）及其相关软件所组成的一个统一整体。从制造系统的功能上看，制造系统是一个将制造资源（原材料、能源等）转变为产品或半成品的输入输出系统。从制造系统的过程上来看，制造系统可看成是制造生产的全部运行过程，包括市场分

5

析、产品设计、工艺规划、制造实施、检验出厂、产品销售等各个环节。狭义的制造系统通常指产品加工和装配相关的机械制造系统。

2. 制造系统的概念模型

制造系统的基本模型如图1.1所示。它明确地描述了制造系统最核心的功能，即资源转换功能，为社会创造财富。

从系统基本模型可以看出，制造系统的发展主要由资源输入、资源输出、资源转换、机制和控制五大要素决定。

1） 输入：资源输入是实现转换功能的必备和前提条件，传统的输入资源主要是指物质和能量资源，也有信息资源和技术资源，但不占主导地位。今天，要树立新的资源观，即面对信息时代和知识经济，信息、技术、知识等无形资源将逐渐占主导地位，成为企业系统可持续发展的主要资源。总的来看，资源输入有两大类：（1）有形资源。如土地、厂房、机器、设备、能源、动力、各种自然资源（包括稀缺的和富有的）、人力资源等。（2）无形资源。主要有管理、市场、技术、信息、知识、智力资源以及

6

企业形象、产品品牌、客户关系、公众认可等。

2） 输出：输出是企业系统的基本要素，也是企业系统存在的前提条件。现代企业系统对社会环境的输出至少应包含以下四种类型：（1）产品。包括硬件产品和软件产品，这是常规的认识。实际上，现代产品已扩大到无形产品，如决策咨询、战略规划等。（2）服务。是指从一般的售前售后服务到高级的技术输出、人员培训、咨询服务等。（3）创造客户。企业的生存在于是否拥有客户，如何留住老客户、创造新客户，是企业系统一项基本任务，也是企业系统的重要业绩。（4）社会责任。企业系统的发展受所在社区环境的支撑，必须对社区和整个社会承担责任，如环境保护、公共建设、人文环境等。

3）资源转换：这是企业系统最本质的功能。目前，资源转换只要是依据物理的或化学的原理，有关专家指出，基于遗传工程的生物学原理将成为新的资源转换方法。衡量转换优劣主要有五大指标，即时间短、质量优、成本低、服务好、环境清洁。

4）机制：主要是支撑企业实现资源转换的各种平台，如硬件平台、软件平台、战略平台、知识平台、文化平台等。

5）控制或约束：主要是指企业系统的外部约束，如国家的方针、法律法规、规范标准以及其它的有关要求和约束，如环境保护、社区要求等。

3. 制造系统的特征

首先，一个制造系统必然具备“系统”的全部特征，即目的性、整体性、相关性、层次性和环境适应性。

7

其次，制造系统除具有一般系统的上述特征外，还具有以下三个显著特点。

1）制造系统是一个动态系统。制造系统的动态特性主要表现在：（1）制造系统总是处于生产要素（原材料、能量、信息等）的不断输入和产品的不断输出这样一个动态过程中；（2）制造系统内部的全部硬件和软件也是处于不断的动态变化之中；（3）为适应生存的环境，特别是在激烈的市场竞争中，制造系统总是处于不断发展、不断更新、不断完善的运动中。

2）制造系统在运行过程中无时无刻不伴随着物料流、资金流、价值流、信息流和工作流的运动。

3）制造系统具有反馈特性。制造系统在运行过程中，其输出状态，如产品质量信息和制造资源利用状况，总是不断地反馈回制造过程的各个环节中，从而实现制造过程的不断调节、改善和优化。

4. 制造系统的“流”理论

1）制造系统的“五流”理论：前已述及，资源转换是制造系统的本质功能，既然是转换，那一定是一个动态过程。在这个动态过程中，有五种要素流在流动，极大地影响着制造系统运行的质量和发展的活力，这就是物料流、资金流、价值流、信息流和工作流，如图1.2所示。

8

（1）信息流：根据类型将信息分为需求信息和供给信息。需求信息如客户订单、生产计划、采购合同等从需求方向供应方流动。而供给信息如入库单、完工报告单、库存记录、提货单等，同物料一起从供应方向需求方流动。

（2）物料流：任何制造系统都是根据客户和市场的需求，开发产品，购进原料，加工制造成品，以商品的形式销售给客户并提供售后服务。物料从供应方开始，沿着各个环节向需求方移动。这是最显而易见的物质流动。

（3）资金流：物料是有价值的，物料的流动引发资金的流动。企业系统的各项业务活动都会消耗一定的资源。消耗资源会导致资金流出，只有当消耗资源生产出产品出售给客户后，资金才会重新流回企业系统，并发生利润。一个商品的经营生产周期，是以接到客户订单开始到真正收回货款为止。

（4）价值流：从形式上看，客户是在购买商品和服务，但实质上客户是在购买商品和服务的价值。各种物料沿各环节移动，是一个不断增加其技术含量或附加值的增值过程。

（5）工作流：信息、物料、资金都不会自己流动，物料的价值也不会自动增值，它们都要靠人的劳务来实现，要靠企业系统的业务活动——工作流来带动。工作流决定了各种流的流速和流量，企业系统的组织必须保证工作流畅通，对瞬息万变的环境做出响应，加快各种流的流速（生产率），在此基础上增加流量（产量），为企业系统谋求更大的效益。

2）机械制造系统“三流”理论

9

狭义的制造系统——机械制造系统，在运行过程中，无时无刻不伴随着“三流”的运动，即总是伴随着物料流、信息流和能量流的运动。机械制造系统的“三流”示意图如图1.3所示。

（1）物料流（物流）。机械加工系统输入的原材料或坯料（有时也包括半成品）及相应的刀具、量具、夹具、润滑油、切削液和其他辅助物料等，经过输送、装夹、加工检验等过程，最后输出半成品或成品（一般还伴随着切屑的输出）。整个加工过程（包括加工准备阶段）是物料输入和输出的动态过程，这种物料在机械加工系统中的运动被称为物料流。

（2）信息流。在机械加工系统中，必须集成各个方面的信息，以保证机械加工过程的正常进行。这些信息主要包括加工任务、加工工序、加工方法、刀具状态、工件要求、质量指标和切削参数等。这些信息又可分为静态信息（如工件尺寸要求、公差大小等）和动态信息（如刀具磨损程度、机床故障状态等）。所有这些信息构成了机械加工过程的信息系统。这个系统不断地和机械加工过程的各种状态进行信息交换，从而有效地控制机械加工过程，以保证机械加工的效率和产品质量。这种信息在机械加工系统中的作用过程称为信息流。

（3）能量流。能量是一种物质运动的基础。机械加工系统是一个动

10

态系统，这个动态过程中的所有运动，特别是物料的运动，均需要能量来维持。来自机械加工系统外部的能量（一般是电能），多数转变为机械能。一部分机械能用以维持系统中的各种运动，另一部分通过传递、损耗而到达机械加工的切削区域，转变为分离金属的动能和势能。这种在机械加工过程中的能量运动称为能量流。

机械制造系统中的物料流、信息流、能量流之间相互联系、相互影响，组成了一个不可分割的有机整体。

5.制造系统的分类

对制造系统的研究可以从不同的角度进行。在图1.4中，我们从人在系统中的作用、零件品种和批量、零件及其工艺类型、系统的柔性、系统的自动化程度及系统的智能程度等方面对制造系统进行了分类，并简单介绍了它们各自的特点。另外，把不同类型的制造系统进行组合，可以得到新的制造系统。例如，刚性自动化离散型制造系统就是自动化程度、系统柔性和工艺类型三种分类方式的组合，它适用于离散型制造企业的大批量自动化制造。

由于人机一体化的、面向机械制造业的多品种、中小批量生产的柔性制造系统是制造系统的主要发展方向，所以，本书主要介绍这种类型制造系统的分析与设计。 1.1.4 自动化的含义

任何制造过程都是由若干个工序组成，而在一个工序中，又包含若干个基本动作，如传动、上下料、换刀、切削以及检测等动作。此外，还有操纵和管理这些基本动作的操作动作，如开动和关闭传动机构等动作。这

11

些动作可以用手动来完成，也可以用机器来完成。

当执行制造过程的基本动作由机器（机械）代替人力劳动来完成时，这个过程就是机械化；若操纵这些机构的动作也是由机器来完成，则可以认为这个制造过程是“自动化”了。

1.1.5 制造自动化

1. 制造自动化的概念

制造自动化就是在广义制造过程的所有环节采用自动化技术，实现制

12

造全过程的自动化。其广义内涵至少包括以下几点：

1）在形式上，制造自动化有三个方面的含义：代替人的体力劳动；代替或辅助人的脑力劳动；制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。

2）在功能上，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系的一部分。制造自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。此

图1.5 制造自动化功能目标模型

体系可以用功能目标模型（TQCSE模型）

来描述，如图1.5所示。其中T表示时间（Time），Q表示质量（Quality），C表示成本（Cost），S表示服务（Service），E表示环境友善性（Environment）。

TQCSE模型中的T有两方面的含义，一是指采用自动化技术，能缩短产品制造周期，产品上市快；二是提高生产率。Q的含义是采用自动化系统，能提高和保证产品质量。C的含义是采用自动化技术能有效地降低成本，提高经济效益。S也有两方面的含义，一是利用自动化技术，更好地做好市场服务工作；二是利用自动化技术，替代或减轻制造人员的体力和脑力劳动，直接为制造人员服务。E的含义是制造自动化应该有利于充分利用资源，减少废弃物和环境污染，有利于实现绿色制造。

TQCSE模型还表明，T、Q、C、S、E是相互关联的，它们构成了一个制造自动化功能目标的有机体系。

3）在范围上，制造自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而且涉及产品生命周期的各类活动——市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、

13

生产、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）以及产品最后报废、环境处理等。

2. 制造自动化的发展历程

自从英国人瓦特发明蒸汽机而引发工业以来，自动化制造技术就伴随着知识与技术的革新得到迅速发展。从其发展历程看，自动化制造技术大约经历了四个发展阶段，如图1.6所示。

第一个阶段：从1870年到1950年左右，随着机械控制和电液控制的大量应用，刚性自动化单机和刚性自动化系统得到长足发展。如1870年美国发明了自动制造螺钉的机器，15年发明了多轴自动车床，它们都属于典型的单机自动化，都是采用纯机械方式控制的。1924年第一条采用流水作业的机械加工自动线在英国的Morris汽车公司出现，1935年原苏联研制成功第一条汽车发动机气缸体加工自动线。这两条自动线的出现使得自动化制造技术由单机自动化转向更高级形式的自动化系统。在第二次世

14

界大战前后，位于美国底特律的福特汽车公司大量采用自动化生产线，使汽车生产的生产率成倍提高，汽车的成本大幅度降低，汽车的质量也得到明显改善。随后，西方其它工业化国家、原苏联以及日本都开始广泛采用自动化制造技术和系统，使这种形式的自动化制造系统得到迅速的普及，其技术也日趋完善，在生产实践中的应用也达到高峰。尽管这种形式的自动化制造系统仅适合于像汽车这样的大批大量生产，但它对人类社会的发展起到了巨大的推动作用。值得注意的是，在此期间，原苏联于1946年提出成组生产工艺的思想，它对自动化制造系统的发展具有极其重要的意义。一直到目前，成组技术仍然是自动化制造系统赖以发展的主要基础之一。

第二个阶段：从1952年到1965年左右，数控技术（Numerical Control，NC），特别是单机数控得到飞速发展。数控技术的出现是自动化制造技术发展史上的一个里程碑，它对多品种、小批量生产的自动化意义重大，几乎是目前经济性实现小批量生产自动化的惟一实用技术。第一台数控机床于1952年在美国的麻省理工学院研制成功，它一出现就立即得到人们的普遍重视。1953年，麻省理工学院又研制成功著名的数控加工自动编程语言APT（Automatically Programmed Tools），为数控加工技术的发展奠定了坚实的基础。1958年，第一台具有自动换刀装置的数控机床即加工中心（Machining Centre，MC）在美国研制成功，进一步提高了数控机床的自动化程度。1959年，第一台工业机器人（Industrial Robot）又诞生在美国，它的出现对自动化制造技术具有很大的意义。工业机器人不但是自动化制造系统中必不可少的自动化设备，它本身也可单独工作，自动进行装配、

15

焊接、涂装、热处理、清砂、浇注铸件等工作。1960年，美国研制成功自适应控制机床（Adaptive Control Machine Tools），使机床具有了一定的智能，可以有效提高加工质量。1961年在美国出现计算机控制的碳电阻自动化制造系统，可以称为CAM（Computer Aided Manufacturing）的雏形。1962年和1963年又相继在美国出现了圆柱坐标式工业机器人和计算机辅助设计及绘图系统CAD（Computer Aided Design），后者为设计自动化以及设计与制造之间的集成奠定了基础。1965年出现的计算机数控机床CNC（Computerized Numerical Control）具有很重要的意义，因为它的出现为实现更高级别的自动化制造系统扫清了技术障碍。

第三个阶段：从1967年到20世纪80年代中期，是以数控机床和工业机器人组成的柔性自动化制造系统得到飞速发展的时期。1967年英国的Molins公司研制成功计算机控制6台数控机床的可变制造系统，这就是目前称为DNC（Distributed Numerical Control）分布式系统的雏形，它的出现成功地解决了多品种、小批量复杂零件生产的自动化及降低成本和提高效率的问题。同一年，美国的Sundstand公司和日本国铁大宫工厂也相继研制成功计算机控制的数控系统。1969年日本研制出按成组加工原理运行的IKEGAI可变加工系统，1969年美国又研制出工业机器人操作的焊接自动线。随着工业机器人技术和数控技术的发展和成熟，20世纪70年代初出现了小型自动化制造系统即柔性制造单元FMC（Flexible Manufacturing Cell），继而又出现了柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）。到目前，柔性制造单元和柔性制造系统也仍然是自动化程度最高和最实用的系统。1980年日本建成面向多品种、小批量生产的无人化机械制造厂

16

——富士工厂，从毛坯及外购件入库、搬运、加工到成品入库等除装配以外均实现完全自动化。20世纪80年代初期，日本还搞了一个由机器人进行装配的全自动化、无人电机制造厂和一个规模庞大的利用激光加工的综合柔性制造系统。然而，这种无人自动化工厂的努力最终却是不成功的，原因并不在技术，而主要在于它的经济性太差，并且忽视了人在制造系统中的作用。

第四个阶段：从20世纪80年代至今，制造自动化系统的主要发展是计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System），并被认为是21世纪制造业新模式。ClMS是由美国人约瑟夫·哈林顿于1974年提出的概念，其基本思想是借助于计算机技术、现代系统管理技术、现代制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术，将制造过程中有关的人、技术和经营管理三要素有机集成，通过信息共享以及信息流与物流的有机集成实现系统的优化运行。所以说，CIMS技术是集管理、技术、质量保证和制造自动化为一体的广义自动化制造系统。然而，CIMS概念刚开始提出时，并没有受到人们的重视，一直到20世纪80年代初，人们才意识到ClMS的重要性，世界各国纷纷投入巨资研究并实施CIMS。可以说，80年代是CIMS技术发展的黄金时代。早期人们对CIMS的认识是全盘自动化的无人化工厂，忽视了人的主导作用，国外也确实有些CIMS工程是按照无人化工厂来设计和实施的。但是随着对CIMS认识的不断深入，人们意识到无人化工厂并不会给企业带来经济效益，这种无人化工厂至少在目前阶段是不实用的。于是，按全盘自动化模式设计的CIMS工程纷纷下马，国外甚至有人开始否定CIMS，认为CIMS技术在现阶段是不

17

现实的。但更多的人对CIMS技术作了重新思考，认为实施CIMS必须抛弃全盘自动化的思想，应充分发挥人的主观能动性，将人集成进整个系统，这才是CIMS的正确发展道路。于是，从20世纪90年代以来，CIMS的观念发生了巨大变化，开始提出以人为中心的CIMS的思想，并将并行工程、精益生产、敏捷制造和企业重组等新思想、新模式引入CIMS，进一步提出第二代CIMS的观念。CIMS中一般包括四个应用分系统，其中与物流有关的是制造自动化分系统MAS（Manufacturing Automation Sub-system），它的主体就是计算机控制的柔性制造系统（或DNC系统），这种人机结合的、集成环境下的自动化制造系统就是本教材将要重点介绍的内容。

3. 制造自动化的发展趋势（具体解释看书）

随着科学技术的飞速发展和社会的不断进步，先进的生产模式对自动化系统及技术提出了多种不同的要求，这些要求也同时代表了机械制造自动化今后的发展趋势。这种趋势可以用“六化”来简要描述。即：制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造智能化、制造绿色化。

18