第二章 自动化制造系统的人机一体化设计与评价

第二章 自动化制造系统的人机一体化设计与评价 第一节 自动化制造系统的人机一体化基本概念 自动化制造系统的实质是现代制造技术、计算机信息技术、自动化技术、电子、通信及人工智能等高新技术有机结合的产物。因此，制造系统的高度自动化曾一度成为人们研究的核心，并期望建立一种全盘自动化的无人工厂。

所谓人机一体化制造系统，就是人与具有适度自动化水平的制造装备和控制系统共同组成的一个完整系统，各自执行自己最擅长的工作，人与机器共同决策、共同作业，从而突破传统自动化制造系统将人排除在外的旧格局，形成新一代人机有机结合的适度自动化制造系统。 该定义的核心内容是强调人在制造系统中的重要作用，人机功能的最优匹配，以实现制造系统经济高效、安全可靠地运行，使整个制作系统取得最佳的社会经济效益。

自动化制造系统的人机一体化总体结构 在人机一体化制造系统定义下的自动化制造系统应该在三个层面上实现一体化，即感知和信息交互层面、控制层面（对输入制造系统的加工信息进行识别、判断、推理、决策和维护）和执行层面。 1.感知层面上的人机联合作用 2.控制层面上的人机共同决策 3.执行层面上人机交互协作、取长补短，充分发挥各自优势

第二节 自动化制造系统的人机一体化总体设计 为了更好地设计出人机一体化的自动化制造系统，有必要对人和机器系统在感知、控制和执行方面的特征进行对比分析。 人机一体化制造系统的目的，就是在总体上、系统级的最高层次上正确解决好人机功能分配、人机关系协调、人机界面匹配三个基本问题，以求得令人满意的人机系统方案，获得安全、舒适、高效的综合效益。

人机系统设计要求

人机系统设计的内容 1.确定人机系统的功能及其在人、机间的合理分配 2.信息显示器的选型、设计和布置 3.操纵器的选型、设计和布置 4.机器的危区分析和安全防护设计 5.人机界面的优化匹配 6.人机系统的可靠性设计 7.作业空间设计 8.作业环境设计和控制

第三节 人机一体化运行与维护 1、人机系统中的失误分析 人的失误可以定义为：人没有完成人机系统分配给他的功能。从这一定义出发，可将人的失误分为以下三种情况： 1）没有执行分配给他的功能 2）按错误的程序或错误的时间执行了分配给他的功能 3）执行了没有分配给他的功能 2、人的失误所产生的后果 人失误所产生的后果，取决于人失误程度以及机器安全系统的功能，大体可归为五种情况：

3、 引起人的失误有四方面的原因：错觉失误、一般失误、技术失误及管理因素造成的失误。 4、克服人的失误方法 1）改善人的状况 2）改善机的状况

第三章 自动化制造系统的组成 自动化制造系统是指在较少的人工直接或间接干预下，将原材料加工成零件或将零件组装成产品，在加工过程中实现管理过程和工艺过程自动化。管理过程包括产品的优化设计；程序的编制及工艺的生成；设备的组织及协调；材料的计划与分配；环境的监控等。工艺过程包括工件的装卸、储存和输送；刀具的装配、调整、输送和更换；工件的切削加工、排屑、清洗和测量；切屑的输送、切削液的净化处理等。 第一节 自动化制造系统常见类型 自动化制造系统包括刚性制造和柔性制造，“刚性”的含义是指该生产线只能生产某种或生产工艺相近的某类产品，表现为生产产品的单一性。刚性制造包括组合机床、专用机床、刚性自动化生产线等。“柔性”是指生产组织形式和生产产品及工艺的多样性和可变性，可具体表现为机床的柔性、产品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。柔性制造包括柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、柔性制造线（FML）、柔性装配线（FAL）、计算机集成制造系统（CIMS）等。下面依据自动化制造系统的生产能力和智能程度进行分类介绍。 一、刚性自动化生产 1、刚性半自动化单机 除上下料外，机床可以自动地完成单个工艺过程的加工循环，这样的机床称为刚性半自动化机床。这种机床一般是机械或电液复合控制式组合机床和专用机床，可以进行多面、多轴、多刀同时加工，加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列；切削刀具由人工安装、调整，实行定时强制换刀；例如：单台组合机床，通用多刀半自动车床，转塔车床等。从复杂程度讲，刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次，但是投资少、见效快，适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点是调整工作量大，加工质量较差，工人的劳动强度也大。 二、分布式数字控制DNC DNC有两种英文表达，即Direct Numerical Control和Distributed Numerical Control，前者为直接数字控制，后者为分布式数字控制，这两种表达反映了DNC的不同发展阶段。其出现标志着数控加工由单机控制发展到集中控制。 最早的DNC是用一台或多台计算机，对多台数控机床实施综合控制的一种方法，机床的部分数控功能（例如粗插补运算）由中央计算机完成，组成DNC的数控机床只配备简单的机床控制器（MCU,Machine Control Unit)用于数据传送、驱动和手工操作。在这种控制模式下，机床不能独立工作，虽然能节省部分硬件，但现在硬件价格很低，因此该方案已失去实用意义。 三、柔性制造单元FMC 柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）是由单台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等组成。它是实现单工序加工的可变加工单元，单元内的机床在工艺能力上通常是相互补充的，可混流加工不同的零件。系统对外设有接口，可与其它单元组成柔性制造系统。 1、FMC控制系统 FMC控制系统一般分二级，分别是单元控制级和设备控制级。 （1）设备控制级 是针对各种设备，如机器人、机床、坐标测量机、小车、传送装置等的单机控制。这一级的控制系统向上与单元控制系统用接口连接，向下与设备连接。设备控制器的功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感器监控这些任务的执行。设备控制级一般采用具有较强控制功能的微型计算机、总线控制机或可编程控制器等工控机。 （2）单元控制级 这一级控制系统是指挥和协调单元中各设备的活动，处理由物料贮运系统交来的零件托盘，并通过控制工件调整、零件夹紧、切削加工、切屑清除、加工过程中检验、卸下工件以及清洗工件等功能对设备级各子系统进行调度。单元控制系统一般采用具有有限实时处理能力的微型计算机或工作站。单元控制级通过RS232接口与设备控制级之间进行通讯，并可以通过该接口与其它系统组成FMS。 2、FMC的基本控制功能 （1）单元中各加工设备的任务管理与调度，其中包括制定单元作业计划、计划的管理与调度、设备和单元运行状态的登录与上报。 （2）单元内物流设备的管理与调度，这些设备包括传送带、有轨或无轨物料运输车、机器人、托盘系统、工件装卸站等。 （3）刀具系统的管理，包括向车间控制器和刀具预调仪提出刀具请求、将刀具分发至需要它的机床等。

图 柔性制造单元 四、柔性制造系统FMS 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）是由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化，其基本组成部分有：自动化加工设备，工件储运系统，刀具储运系统，多层计算机控制系统等。 1、自动化加工设备 组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。这些加工设备都是计算机控制的，加工零件的改变一般只需要改变数控程序，因而具有很高的柔性。自动化加工设备是自动化制造系统最基本，也是最重要的设备。 2、工件储运系统 FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。工件库包括自动化立体仓库和托盘（工件）缓冲站。工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等。工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。 3、刀具储运系统 FMS的刀具储运系统由刀具库、刀具输送装置和交换机构等组成。刀具库有中央刀库和机床刀库。刀具输送装置有不同形式的运输小车、机器人或机械手。刀具交换装置通常是指机床上的换刀机构，如换刀机械手。 4、辅助设备 FMS可以根据生产需要配置辅助设备。辅助设备一般包括：①自动清洗工作站；②自动去毛刺设备；③自动测量设备；④集中切屑运输系统；⑤集中冷却润滑系统等。 5、多层计算机控制系统 FMS的控制系统采用三级控制，分别是单元控制级、工作站控制级、设备控制级。图8-4就是一个FMS控制系统实例，系统包括自动导向小车（AGV）、TH6350卧式加工中心、XH714A立式加工中心和仓储设备等 五、柔性制造线FML 制造柔性线（Flexible Manufacturing Line）由自动化加工设备、工件输送系统和控制系统等组成。柔性制造线FML与柔性制造系统之间的界限也很模糊，两者的重要区别是前者象刚性自动线一样，具有一定的生产节拍，工作沿一定的方向顺序传送，后者则没有一定的生产节拍，工件的传送方向也是随机性质的。柔性制造线主要适用于品种变化不大的中批和大批量生产，线上的机床主要是多轴主轴箱的换箱式和转塔式加工中心。在工件变换以后，各机床的主轴箱可自动进行更换，同时调入相应的数控程序，生产节拍也会作相应的调整。 柔性制造线的主要优点是：具有刚性自动线的绝大部分优点，当批量不很大时，生产成本比刚性自动线低得多，当品种改变时，系统所需的调整时间又比刚性自动线少得多，但建立系统的总费用却比刚性自动线高得多。有时为了节省投资，提高系统的运行效率，柔性制造线常采用刚柔结合的形式，即生产线的一部分设备采用刚性专用设备（主要是组合机床），另一部分采用换箱或换刀式柔性加工机床。 六、柔性装配线FAL 柔性装配线（Flexible Assembly Line）通常由装配站、物料输送装置和控制系统等组成。 1、装配站 FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人，不可编程的自动装配装置和人工装配工位。 2、物料输送装置 在FAL中，物料输送装置根据装配工艺流程为装配线提供各种装配零件，使不同的零件和已装配成的半成品合理地在各装配点间流动，同时还要将成品部件（或产品）运离现场。输送装置由传送带和换向机构等组成。 3、控制系统 FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要是控制物料的流向、自动装配站和装配机器人。