摘  要： CIMS （計(jì)算機(jī)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(jī)床上下料自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用，介紹了基于CIMS機(jī)床上下料自動(dòng)化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作流程。

　　關(guān)鍵詞： CIMS；直角坐標(biāo)機(jī)械手；自動(dòng)化；數(shù)控機(jī)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(jìn)步，但效率依然有待提高，費(fèi)時(shí)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(diǎn)，提高整個(gè)企業(yè)運(yùn)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(jìn)的技術(shù)，國內(nèi)外對此的研究有很多。贠海濤、張強(qiáng)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(jī)床的可靠性預(yù)計(jì)問題，研究了CIMS環(huán)境下數(shù)控機(jī)床可靠性預(yù)計(jì)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(xì)地論述了幾個(gè)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(jià)模型——自上而下分析模型、自下而上分析模型和混合模型進(jìn)行概述，并對各種模型的具體分類進(jìn)行說明，在此基礎(chǔ)上對模型在碳減排中的成本定價(jià)問題進(jìn)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(jià)的若干經(jīng)濟(jì)及非經(jīng)濟(jì)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(jià)指標(biāo)集及指標(biāo)體系，給出了基于層次分析法（AHP）的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)步驟。采用加權(quán)綜合評價(jià)、多級模糊數(shù)學(xué)評價(jià)等多種評價(jià)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(jìn)行了驗(yàn)證[7]。

　　機(jī)床上下料自動(dòng)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(dá)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(jī)床上下料自動(dòng)化系統(tǒng)就已經(jīng)到了非常發(fā)達(dá)的地步。上下料直角坐標(biāo)機(jī)械手或6軸機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)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(jī)械加工標(biāo)準(zhǔn)件、軸承套（座）、汽車殼體、金屬?zèng)_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(jī)加工自動(dòng)化和單機(jī)機(jī)加工自動(dòng)化系統(tǒng)由上下料機(jī)械手或6軸機(jī)器人、數(shù)控機(jī)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(jī)械手或機(jī)器人之間以數(shù)字量I/O或者總線方式進(jìn)行連線，如圖1所示。

　　交互信號包括機(jī)床的自動(dòng)門是否打開、卡盤是否打開、檢測機(jī)是否準(zhǔn)備好等。整線機(jī)加工自動(dòng)化系統(tǒng)中通常有多個(gè)機(jī)械手或機(jī)器人。機(jī)械手和機(jī)器人為保證加工工序是線性流向，選擇所有機(jī)械手或者機(jī)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(gè)弊端，那就是在運(yùn)行過程中，可能出現(xiàn)兩個(gè)或者多個(gè)機(jī)器人發(fā)生干涉。因此，為消除兩個(gè)機(jī)械手或機(jī)器人可能發(fā)生的干涉現(xiàn)象，所有的機(jī)械手或機(jī)器人之間還需要在運(yùn)動(dòng)至干涉區(qū)域內(nèi)發(fā)送一個(gè)信號，其他機(jī)器人接收到信號之后可以按照一定的規(guī)則以避免機(jī)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(gè)成熟的程序進(jìn)行加工，一旦加工流程有一點(diǎn)改變，就必須對所有的設(shè)備程序進(jìn)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(jī)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(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)一采集，對各設(shè)備的動(dòng)作和各設(shè)備間的銜接進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度、控制。CIMS的組成可分為四個(gè)功能子系統(tǒng)和兩個(gè)支撐系統(tǒng)，分別是工程設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)、制造自動(dòng)化子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)、質(zhì)量保證子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性高、硬件擴(kuò)展靈活等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)機(jī)床上的加工情況進(jìn)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(jī)器人各部分進(jìn)行控制。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司為某輪轂機(jī)加工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)了一款基于CIMS的機(jī)床上下料自動(dòng)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(yùn)行于總控工控機(jī)之上，選擇以太網(wǎng)與所有機(jī)械手控制器和機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、檢測機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行通信。通信內(nèi)容包括安全軟信號、機(jī)械手示教作業(yè)調(diào)度、工件加工參數(shù)等。所有的機(jī)械臂之間采取數(shù)字量I/O互連干涉區(qū)安全信號，機(jī)械手和機(jī)床之間連接動(dòng)作通過I/O信號相連，這樣就可以實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)各部分的信號。CIMS控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程I/O模塊對過渡站、上料臺、下料臺、定位機(jī)、倒角機(jī)等外圍設(shè)備進(jìn)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(shí)現(xiàn)了下列功能：

　?。?）輪轂機(jī)加工生產(chǎn)線系統(tǒng)加工動(dòng)態(tài)的監(jiān)控；

　?。?）輪轂機(jī)的加工工藝輸入以及機(jī)器人之間的調(diào)度；

　?。?）應(yīng)付突發(fā)事件的報(bào)警功能；

　　（4）為客戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；

　　（5）支持MCS調(diào)度；

　　（6）通過各類工業(yè)總線進(jìn)行通信；

　?。?）加工所需的各種原料和工具的統(tǒng)計(jì)和管理；

　　（8）仿真更加切合實(shí)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(jī)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(shí)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(jī)械加工的全線自動(dòng)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(shí)上料臺開始上料，毛坯料或者半成品移動(dòng)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(jī)械手1到上料臺取料作業(yè)，機(jī)械手1完成取料，CIMS系統(tǒng)調(diào)度機(jī)械手1給機(jī)床1上料，機(jī)械手1完成上料，接受CIMS命令到上料臺再次取料，機(jī)床1加工完成，CIMS調(diào)度機(jī)械手1對機(jī)床1加工件進(jìn)行換料，并將加工完成的工件放在過渡站1上；CIMS調(diào)度機(jī)械手2到過渡站1上取料，并將工件送入機(jī)床2中，然后到過渡站前等待R1再次給過渡站上料；機(jī)械手2從過渡站上取第2件工件，然后給機(jī)床2進(jìn)行換料，并把機(jī)床2加工完成的工件放入檢測機(jī)進(jìn)行檢測，檢測機(jī)對工件進(jìn)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(shí)CIMS對該加工參數(shù)進(jìn)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(jī)床1或者機(jī)床2的加工參數(shù)；然后機(jī)械手3到檢測機(jī)取出工件，并將其送入立加1中進(jìn)行加工；立加1加工完成后，由機(jī)械手3將該工件放在過渡站2上，由機(jī)械手4來取料。機(jī)械手4將過渡站2上的工件取出并送入立加2中進(jìn)行加工，加工完成后，對立加2進(jìn)行下料，把該工件送入下料臺上。激光打標(biāo)機(jī)根據(jù)CIMS系統(tǒng)中對該工件的加工參數(shù)和序列號進(jìn)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(jìn)行綁定存入數(shù)據(jù)庫，方便進(jìn)行產(chǎn)品加工參數(shù)追溯。

　　2.4 CIMS控制系統(tǒng)的擴(kuò)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(jī)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(xiàng)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(kuò)展為數(shù)字工廠的需求。

3 結(jié)束語

　　CIMS系統(tǒng)在機(jī)床上下料自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用推動(dòng)了機(jī)床上下料自動(dòng)化的發(fā)展，替代了傳統(tǒng)的單機(jī)互連型系統(tǒng)，提高了設(shè)備的可靠性，提高了自動(dòng)化生產(chǎn)水平，有效地解決了傳統(tǒng)機(jī)床上下料自動(dòng)化生產(chǎn)線中產(chǎn)品追溯的問題，并且解決了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的在線修改等問題。同時(shí)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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