摘 要： CIMS （計算機集成制造系統）是將信息技術、現代管理技術和制造技術相結合。本文通過CIMS這一高效、高自由度的系統在機床上下料自動化行業的應用，介紹了基于CIMS機床上下料自動化系統的控制結構特點及工作流程。
關鍵詞： CIMS；直角坐標機械手；自動化；數控機床
0 引言
我國企業傳統生產經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，提高整個企業運行過程的效率、降低成本，提高企業的核心競爭能力。CIMS是21世紀最主要的生產和管理模式，CIMS的應用將大大提高企業的核心競爭力[1-3]。
CIMS是一種非常先進的技術，國內外對此的研究有很多。贠海濤、張強提出了建立CIMS環境下的可靠性信息系統平臺的思想，針對數控機床的可靠性預計問題，研究了CIMS環境下數控機床可靠性預計的過程與方法，并開發了相應的工具軟件[4]。馮立剛提出了把企業業務流程再造的方法結合到CIMS環境下的重要意義，并且較為詳細地論述了幾個關鍵的技術，提出了CIMS環境下企業業務流程再造的方法[5]。張彩虹、臧良震、張蘭等對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，并介紹了近年來發展較快的CIMS模型[6]。邱勝海、樊樹海等人分析了CIMS環境下影響車間設施規劃方案評價的若干經濟及非經濟因素的定性與定量要素，建立了層次化的車間設施規劃方案綜合評價指標集及指標體系，給出了基于層次分析法（AHP）的詳細實現步驟。采用加權綜合評價、多級模糊數學評價等多種評價方法，以曲軸零件生產車間設施規劃為例，對其規劃方案進行了驗證[7]。
機床上下料自動化對于我國來說還不被大眾知曉，還有待于長足的發展。不過在發達國家例如美國、德國、英國以及日韓等國，早在上世紀90年代，機床上下料自動化系統就已經到了非常發達的地步。上下料直角坐標機械手或6軸機器人與數控機床相結合，可以實現工件的自動抓取、上料、下料、裝卡、加工等所有的工藝過程，解放了生產力，使生產效率成倍增加。適用于那些大批量、小型零部件的加工，如機械加工標準件、軸承套（座）、汽車殼體、金屬沖壓結構件等。
1 CIMS的優勢
1.1 傳統的加工方法
目前的整線機加工自動化和單機機加工自動化系統由上下料機械手或6軸機器人、數控機床、上料臺系統、下料臺系統、過渡站系統、檢測系統組成。通常采取的設備間連線方式是數控系統與相鄰的上下料機械手或機器人之間以數字量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、檢測機是否準備好等。整線機加工自動化系統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，可能出現兩個或者多個機器人發生干涉。因此，為消除兩個機械手或機器人可能發生的干涉現象，所有的機械手或機器人之間還需要在運動至干涉區域內發送一個信號，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，就必須對所有的設備程序進行修改，因此這樣的方法都應用在加工流程已經非常成熟的環境。
1.2 CIMS的優勢
在現有的機床上下料系統中引入CIMS系統之后，能夠將生產線中所有設備的運行狀況進行統一采集，對各設備的動作和各設備間的銜接進行統一調度、控制。CIMS的組成可分為四個功能子系統和兩個支撐系統，分別是工程設計自動化系統、制造自動化子系統、管理子系統、質量保證子系統、計算機通信網絡支撐子系統和數據庫支撐子系統，如圖2所示。
CIMS繼承了計算機通信網絡的可靠性高、硬件擴展靈活等優點，可以通過現有的多種集成開發環境開發針對各類設備的通信接口，結合數據庫系統對產品在各個機床上的加工情況進行采集。如遇到加工節拍非常高的系統，可以利用PLC對機器人各部分進行控制。
2 設計實例
新松機器人自動化股份有限公司為某輪轂機加工生產線設計了一款基于CIMS的機床上下料自動化系統。
2.1 控制網絡結構
該系統將CIMS控制系統運行于總控工控機之上，選擇以太網與所有機械手控制器和機床數控系統、檢測機、激光打標機進行通信。通信內容包括安全軟信號、機械手示教作業調度、工件加工參數等。所有的機械臂之間采取數字量I/O互連干涉區安全信號，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各部分的信號。CIMS控制系統通過以太網遠程I/O模塊對過渡站、上料臺、下料臺、定位機、倒角機等外圍設備進行控制。該控制結構盡最大可能地把從頂層的系統總控制器到底層執行設備之間的網絡做到扁平化，以提高全線頂層調度指令到底層執行設備之間的傳輸效率。
2.2 該系統中CIMS的功能
該系統采用MFC開發實現了下列功能：
?。?）輪轂機加工生產線系統加工動態的監控；
?。?）輪轂機的加工工藝輸入以及機器人之間的調度；
?。?）應付突發事件的報警功能；
?。?）為客戶提供網絡服務；
?。?）支持MCS調度；
（6）通過各類工業總線進行通信；
?。?）加工所需的各種原料和工具的統計和管理；
?。?）仿真更加切合實際，更易懂；
?。?）對于某些產品的抽檢管理。
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，與傳統的加工方法相比，上下料時人工修改設備參數的次數已經降到了最低限度，真正做到了機械加工的全線自動化。
2.3 CIMS對全線設備的調度流程
CIMS控制系統采用I/O模塊發出上料信號，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出信號，CIMS控制系統收到該到位信號后控制機械手1到上料臺取料作業，機械手1完成取料，CIMS系統調度機械手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，把該工件的測試數據通過以太網發送給CIMS，CIMS把該數據存入數據庫，同時CIMS對該加工參數進行判別，如果第一序或者第二序加工參數有偏差，則CIMS針對該偏差調整機床1或者機床2的加工參數；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。激光打標機根據CIMS系統中對該工件的加工參數和序列號進行激光二維碼標記，CIMS控制系統將該工件的二維碼標記與加工參數進行綁定存入數據庫，方便進行產品加工參數追溯。
2.4 CIMS控制系統的擴展
目前人工成本迅速增加，越來越多的企業將目光投向了機器人，其智能制造和無人值守已經得到了越來越多企業的青睞。所以該項目中CIMS系統特別預留了MES系統的網絡接口和軟件接口，以滿足將來用戶對擴展為數字工廠的需求。
3 結束語
CIMS系統在機床上下料自動化系統的應用推動了機床上下料自動化的發展，替代了傳統的單機互連型系統，提高了設備的可靠性，提高了自動化生產水平，有效地解決了傳統機床上下料自動化生產線中產品追溯的問題，并且解決了機床數控系統相關參數的在線修改等問題。同時為企業的標準化、規范化、信息化建設奠定了基礎。
參考文獻
[1] 王移風，汪琛琛，曹衍龍，等.數控機床幾何誤差的辨識研究[J].機械設計與制造，2014，2（2）：136-139.
[2] 張寶深.計算機信息技術在互聯網中的應用探討[J].計算機光盤軟件與應用，2013（2）：44-45.
[3] 趙彬，劉振宇，鄒風山，等.單臂SCARA真空手運動學建模與仿真[J].機械設計與制造，2014，8（8）：183-185.
[4] 贠海濤，張強.CIMS環境下數控機床可靠性預計系統的研究與開發[J].制造技術與機床，2003（11）：26-27.
[5] 曹立剛.基于CIMS環境下的制造企業流程再造研究[D].成都：成都理工大學，2012.
[6] 張彩虹，臧良震，張蘭.能源政策模型在碳減排應用中的差異和CIMS模型的發展[D].北京：北京林業大學，2013.
[7] 邱勝海，樊樹海，高成沖，等.環境下車間設施規劃方案綜合評價方法研究[J].現代制造工程，2014（4）：1-6.