摘  要： CIMS （計算機集成制造系統(tǒng)）是將信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合。本文通過CIMS這一高效、高自由度的系統(tǒng)在機床上下料自動化行業(yè)的應(yīng)用，介紹了基于CIMS機床上下料自動化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)特點及工作流程。

　　關(guān)鍵詞： CIMS；直角坐標(biāo)機械手；自動化；數(shù)控機床

0 引言

　　我國企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)營雖然在近期有了長足的進步，但效率依然有待提高，費時誤工依然是明顯的不足。CIMS的引入能夠很好地改善這一缺點，提高整個企業(yè)運行過程的效率、降低成本，提高企業(yè)的核心競爭能力。CIMS是21世紀(jì)最主要的生產(chǎn)和管理模式，CIMS的應(yīng)用將大大提高企業(yè)的核心競爭力[1-3]。

　　CIMS是一種非常先進的技術(shù)，國內(nèi)外對此的研究有很多。贠海濤、張強提出了建立CIMS環(huán)境下的可靠性信息系統(tǒng)平臺的思想，針對數(shù)控機床的可靠性預(yù)計問題，研究了CIMS環(huán)境下數(shù)控機床可靠性預(yù)計的過程與方法，并開發(fā)了相應(yīng)的工具軟件[4]。馮立剛提出了把企業(yè)業(yè)務(wù)流程再造的方法結(jié)合到CIMS環(huán)境下的重要意義，并且較為詳細地論述了幾個關(guān)鍵的技術(shù)，提出了CIMS環(huán)境下企業(yè)業(yè)務(wù)流程再造的方法[5]。張彩虹、臧良震、張?zhí)m等對3種常用的能源政策評價模型——自上而下分析模型、自下而上分析模型和混合模型進行概述，并對各種模型的具體分類進行說明，在此基礎(chǔ)上對模型在碳減排中的成本定價問題進行分析，并介紹了近年來發(fā)展較快的CIMS模型[6]。邱勝海、樊樹海等人分析了CIMS環(huán)境下影響車間設(shè)施規(guī)劃方案評價的若干經(jīng)濟及非經(jīng)濟因素的定性與定量要素，建立了層次化的車間設(shè)施規(guī)劃方案綜合評價指標(biāo)集及指標(biāo)體系，給出了基于層次分析法（AHP）的詳細實現(xiàn)步驟。采用加權(quán)綜合評價、多級模糊數(shù)學(xué)評價等多種評價方法，以曲軸零件生產(chǎn)車間設(shè)施規(guī)劃為例，對其規(guī)劃方案進行了驗證[7]。

　　機床上下料自動化對于我國來說還不被大眾知曉，還有待于長足的發(fā)展。不過在發(fā)達國家例如美國、德國、英國以及日韓等國，早在上世紀(jì)90年代，機床上下料自動化系統(tǒng)就已經(jīng)到了非常發(fā)達的地步。上下料直角坐標(biāo)機械手或6軸機器人與數(shù)控機床相結(jié)合，可以實現(xiàn)工件的自動抓取、上料、下料、裝卡、加工等所有的工藝過程，解放了生產(chǎn)力，使生產(chǎn)效率成倍增加。適用于那些大批量、小型零部件的加工，如機械加工標(biāo)準(zhǔn)件、軸承套（座）、汽車殼體、金屬沖壓結(jié)構(gòu)件等。

1 CIMS的優(yōu)勢

　　1.1 傳統(tǒng)的加工方法

　　目前的整線機加工自動化和單機機加工自動化系統(tǒng)由上下料機械手或6軸機器人、數(shù)控機床、上料臺系統(tǒng)、下料臺系統(tǒng)、過渡站系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)組成。通常采取的設(shè)備間連線方式是數(shù)控系統(tǒng)與相鄰的上下料機械手或機器人之間以數(shù)字量I/O或者總線方式進行連線，如圖1所示。

　　交互信號包括機床的自動門是否打開、卡盤是否打開、檢測機是否準(zhǔn)備好等。整線機加工自動化系統(tǒng)中通常有多個機械手或機器人。機械手和機器人為保證加工工序是線性流向，選擇所有機械手或者機器人都安裝在同一導(dǎo)軌上的方式（如圖1），但是，這樣的方式有一個弊端，那就是在運行過程中，可能出現(xiàn)兩個或者多個機器人發(fā)生干涉。因此，為消除兩個機械手或機器人可能發(fā)生的干涉現(xiàn)象，所有的機械手或機器人之間還需要在運動至干涉區(qū)域內(nèi)發(fā)送一個信號，其他機器人接收到信號之后可以按照一定的規(guī)則以避免機器人之間相互碰撞。這樣的方法雖然解決了干涉碰撞的問題，但是這樣的方法只適合于按照一個成熟的程序進行加工，一旦加工流程有一點改變，就必須對所有的設(shè)備程序進行修改，因此這樣的方法都應(yīng)用在加工流程已經(jīng)非常成熟的環(huán)境。

　　1.2 CIMS的優(yōu)勢

　　在現(xiàn)有的機床上下料系統(tǒng)中引入CIMS系統(tǒng)之后，能夠?qū)⑸a(chǎn)線中所有設(shè)備的運行狀況進行統(tǒng)一采集，對各設(shè)備的動作和各設(shè)備間的銜接進行統(tǒng)一調(diào)度、控制。CIMS的組成可分為四個功能子系統(tǒng)和兩個支撐系統(tǒng)，分別是工程設(shè)計自動化系統(tǒng)、制造自動化子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)、質(zhì)量保證子系統(tǒng)、計算機通信網(wǎng)絡(luò)支撐子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫支撐子系統(tǒng)，如圖2所示。

　　CIMS繼承了計算機通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性高、硬件擴展靈活等優(yōu)點，可以通過現(xiàn)有的多種集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)針對各類設(shè)備的通信接口，結(jié)合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對產(chǎn)品在各個機床上的加工情況進行采集。如遇到加工節(jié)拍非常高的系統(tǒng)，可以利用PLC對機器人各部分進行控制。

2 設(shè)計實例

　　新松機器人自動化股份有限公司為某輪轂機加工生產(chǎn)線設(shè)計了一款基于CIMS的機床上下料自動化系統(tǒng)。

　　2.1 控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)將CIMS控制系統(tǒng)運行于總控工控機之上，選擇以太網(wǎng)與所有機械手控制器和機床數(shù)控系統(tǒng)、檢測機、激光打標(biāo)機進行通信。通信內(nèi)容包括安全軟信號、機械手示教作業(yè)調(diào)度、工件加工參數(shù)等。所有的機械臂之間采取數(shù)字量I/O互連干涉區(qū)安全信號，機械手和機床之間連接動作通過I/O信號相連，這樣就可以實時觀測系統(tǒng)各部分的信號。CIMS控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)遠程I/O模塊對過渡站、上料臺、下料臺、定位機、倒角機等外圍設(shè)備進行控制。該控制結(jié)構(gòu)盡最大可能地把從頂層的系統(tǒng)總控制器到底層執(zhí)行設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)做到扁平化，以提高全線頂層調(diào)度指令到底層執(zhí)行設(shè)備之間的傳輸效率。

　　2.2 該系統(tǒng)中CIMS的功能

　　該系統(tǒng)采用MFC開發(fā)實現(xiàn)了下列功能：

　?。?）輪轂機加工生產(chǎn)線系統(tǒng)加工動態(tài)的監(jiān)控；

　?。?）輪轂機的加工工藝輸入以及機器人之間的調(diào)度；

　?。?）應(yīng)付突發(fā)事件的報警功能；

　?。?）為客戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；

　?。?）支持MCS調(diào)度；

　　（6）通過各類工業(yè)總線進行通信；

　?。?）加工所需的各種原料和工具的統(tǒng)計和管理；

　?。?）仿真更加切合實際，更易懂；

　?。?）對于某些產(chǎn)品的抽檢管理。

　　上述9大功能中，對于機械加工中所需要的刀具、加工流程的控制，與傳統(tǒng)的加工方法相比，上下料時人工修改設(shè)備參數(shù)的次數(shù)已經(jīng)降到了最低限度，真正做到了機械加工的全線自動化。

　　2.3 CIMS對全線設(shè)備的調(diào)度流程

　　CIMS控制系統(tǒng)采用I/O模塊發(fā)出上料信號，這時上料臺開始上料，毛坯料或者半成品移動至正確的位置并發(fā)出信號，CIMS控制系統(tǒng)收到該到位信號后控制機械手1到上料臺取料作業(yè)，機械手1完成取料，CIMS系統(tǒng)調(diào)度機械手1給機床1上料，機械手1完成上料，接受CIMS命令到上料臺再次取料，機床1加工完成，CIMS調(diào)度機械手1對機床1加工件進行換料，并將加工完成的工件放在過渡站1上；CIMS調(diào)度機械手2到過渡站1上取料，并將工件送入機床2中，然后到過渡站前等待R1再次給過渡站上料；機械手2從過渡站上取第2件工件，然后給機床2進行換料，并把機床2加工完成的工件放入檢測機進行檢測，檢測機對工件進行檢測，把該工件的測試數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給CIMS，CIMS把該數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，同時CIMS對該加工參數(shù)進行判別，如果第一序或者第二序加工參數(shù)有偏差，則CIMS針對該偏差調(diào)整機床1或者機床2的加工參數(shù)；然后機械手3到檢測機取出工件，并將其送入立加1中進行加工；立加1加工完成后，由機械手3將該工件放在過渡站2上，由機械手4來取料。機械手4將過渡站2上的工件取出并送入立加2中進行加工，加工完成后，對立加2進行下料，把該工件送入下料臺上。激光打標(biāo)機根據(jù)CIMS系統(tǒng)中對該工件的加工參數(shù)和序列號進行激光二維碼標(biāo)記，CIMS控制系統(tǒng)將該工件的二維碼標(biāo)記與加工參數(shù)進行綁定存入數(shù)據(jù)庫，方便進行產(chǎn)品加工參數(shù)追溯。

　　2.4 CIMS控制系統(tǒng)的擴展

　　目前人工成本迅速增加，越來越多的企業(yè)將目光投向了機器人，其智能制造和無人值守已經(jīng)得到了越來越多企業(yè)的青睞。所以該項目中CIMS系統(tǒng)特別預(yù)留了MES系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口和軟件接口，以滿足將來用戶對擴展為數(shù)字工廠的需求。

3 結(jié)束語

　　CIMS系統(tǒng)在機床上下料自動化系統(tǒng)的應(yīng)用推動了機床上下料自動化的發(fā)展，替代了傳統(tǒng)的單機互連型系統(tǒng)，提高了設(shè)備的可靠性，提高了自動化生產(chǎn)水平，有效地解決了傳統(tǒng)機床上下料自動化生產(chǎn)線中產(chǎn)品追溯的問題，并且解決了機床數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的在線修改等問題。同時為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、信息化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

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