改编自：《新一代智能化数控系统》（作者：陈吉红，杨建中，周会成）
目前，一般的智能化柔性生产线需要满足以下要求：
（1）加工设备中的机床应尽可能相互独立，单台机床应尽量能够完成全序加工，实现不停机就可以实现加工不同工件的同一工序或同一工件的不同工序，可以接受系统对于工序顺序的调整；
（2）能够根据客户不同阶段、不同工件、不同需求，来随时调整和改进工艺流程，优化加工效率及质量。
（3）工件的抓取、定位与夹紧过程中，机床应保持原有加工，无需停机等待；
（4）物流（工件流和刀具流）的运输存储过程中应具备缓冲区，使机床能够及时、迅速地完成工件与刀具的加载和卸载，尽量缩短中间运输转换时间；
（5）系统应可以实现对设备资源、工件、刀具、工艺和故障的监控和管理，能够随时随地查看了解生产线的生产状况和具体某一工件的加工状态与加工进度，能够根据情况自主安排、调度工件的加工顺序、优化工件的加工工艺流程，能够根据零件种类自动更换加工程序及刀具，保证加工流程的合理与顺畅。
为满足上述柔性生产线系统需求，可以将该柔性生产线系统划分为以下几个模块：设备资源管理、工单管理、工艺路线管理、排产调度、故障监控与诊断、工件在线测量质量管理以及大数据分析。系统各个功能模块如图1所示。
图1 柔性制造生产线总控系统架构图
（1）设备资源管理：设备资源管理一般包括对设备，刀具，夹具以及物料4部分的管理，总体上实现对设备状态的显示及监控，还可以根据加工需要对产线上设备进行增删改。资源管理可以为下游的排产计划提供基础信息，设备，刀具，夹具的可用性以及生产物料的数量都会影响最终排产的结果。
（2）工单管理：工单管理用于管理工单的各项信息，工单的导入导出，以及工单信息检索。工单信息主要包括工单号、物料类型、加工数量、已完成路线、工单状态以及优先级等，工单管理系统可以基于这些信息进行检索。工单的导入可以再线上进行，也可以在线下由人工进行导入。
（3）工艺路线管理：工艺路线管理用于进行产品的工艺路径规划，包括产品的工艺分解和工艺排序，这些工艺路径主要由算法自动生成，同时也支持工程师对工艺路径进行修改。这些信息将同步于产品全生命周期系统（PLM）中，同时在加工过程中生产线也可以从PLM系统中获取现有的工艺路径。
（4）排产调度：排产调度是指生产线根据现有的生产设备资源信息、工单信息以及产品的工艺路线信息做出详细的生产计划，并且可以根据设备和订单的变化做出及时的相应。这一过程生产线可以代替人工，将订单序列转变成一个工序序列，再将工序合理地分配到不同的加工设备上。
（5）故障监控与诊断：故障监控与诊断用于监控生产线各个生产单元的运行情况，基于各个生产单元采得的数据，可以判断生产单元的运行状态，刀具的工作状态。生产单元采得的数据出现异常时，该功能模块可以分析出故障源并进行报告。
（6）工件在线测量质量管理：工件在线测量质量管理可以通过执行测试程序获取在线的测量值，通过数据计算获得公差范围，通过对比标准值判断加工是否合格。
（7）大数据分析：通过对各个加工单元采得的数据进行整理和分析，实现对加工产品和生产线自身生产过程的优化。对于处于研发设计阶段的产品，生产线需要面对一个批次多而批量小的加工任务，在不同批次的加工过程中调整加工参数，根据采集到的数据可以对产品的工艺路径进行调整和优化。
柔性生产线整个生产过程大致可以分为3个阶段，第一个阶段是生产前的准备阶段；第二个阶段是排产仿真阶段，第三个阶段是实际生产阶段。生产过程的数据流图如图2所示。
图2 系统生产流程
1）生产前数据准备阶段
此阶段需要为系统准备两方面的数据，一方面是生产订单，另一方面是产品的工艺路线。
企业资源计划（ERP）会根据产品的供应链系统和现有资源信息的产生一个订单，订单导入系统的方式有两种：一种是产线系统的接口导入；一种是人工导入。
工艺路线用来表示并指导产品加工制造和生产的整个过程，也是确定车间生产进度、制订工艺过程和进行车间分工的重要依据。同时，工艺路线还与机床、刀具和物料等车间资源紧密联系，是进行任务划分和设备负荷情况分析的基础。
工艺路线规划过程如图3所示，在生产制造系统中，工艺规划与车间调度二者密不可分，对于二者集成问题的研究也有很多，主要目的都是充分利用设备资源，使设备合理分配，提高设备的利用率，从而缩短产品的制造周期，提高产能和企业效益。针对二者集成的问题可以将工艺规划大致分为3种基本类型：非线性式工艺规划、闭环式工艺规划和分布式工艺规划。
图3 工艺规划原理图
本文根据工艺路线模型以及数据之间的交互关系，目前多采用分布式工艺规划，保证工艺规划与车间调度二者能够并行执行，在设备的选择决策过程中能够不断交互、协调与合作，如图所示。其中，工艺规划与调度可分为初步规划和详细规划两个阶段。前一个阶段的主要任务是初步确定特征的加工方法和资源分配情况；后一阶段主要任务是实现生产任务与设备信息之间的匹配，并生成完整、确定的工艺路线和调度计划。
2）排产仿真阶段
此阶段需要完成的工作是确定每一台加工中心需要完成的加工工序和进行各项加工工序的加工次序，且将数据导入数字孪生模型进行实际生产前的仿真。
产线系统所得到的产品生产工艺的信息具体包括工单管理模块产生的工单信息，工艺路径规划产生的加工工件的工艺路径信息，以及设备资源管理模块产生的可用资源信息（加工设备、物料、刀具以及夹具）。系统将通过这些信息进行排产，明确每一台加工中心在何时进行何种工序的加工，并向各个模拟加工中心开立指令单进行模拟仿真。
为了使产线的效率更高，实际加工过程中要考虑更多的时间因素，包括转运物料所需要的时间，上料和卸料的时间，加工中心更换刀具所需要的时间等等。当排产过程中考虑的时间因素越多，碎片化时间的利用率会更高。例如，在物料转运的过程中更换刀具，根据加工工序的时长选择需要不同转运时间的加工中心（加工时间长的工序可以选择需要转运时间较短的加工中心进行）等等。同时，调度排产是一个动态的过程，当订单发生变化或者有设备出现故障时，系统可以及时地重新进行排产。
3）加工生产
（1）数据流
在数字模拟仿真成功之后，产线系统根据排产的结果，以及产品的工艺信息，向WMS系统（仓库管理系统）发布一个发料流程，然后WMS根据发料流程，向MES系统反馈一份配料单的信息（包括材料的位置，品质，出入库时间等等），系统得到配料单的信息后，向AGV小车发布取料信息（从仓库取料）和送料信息（将物料运送至加工中心），AGV小车将物料运送至加工中心后，再向系统反馈一个交接信息，系统收到交接信息后，向加工中心发布加工指令，加工中心根据在排产阶段收到的制令单开始进行相应的加工。
当开始加工时，机床上安装的RFID阅读器识别电子标签并读取标签中的编码号，然后根据编码号查询数据库找到对应的工件及工件的记录，此时将工件的加工信息写入数据表中对应工件编号的记录下，从而采集到工件加工过程中的数据信息。
按照排产结果，如果工件在一台机床上完成部分工序，余下工序需要在另一台机床上完成，则机械手上RFID阅读器再次通过扫描标签确定工件编号，将工件送入下一机床或者暂存立体库中。
若在加工过程中刀具调用、物流配送或者机床出现故障，则调用故障处理模块处理相应的故障，并将信息保存记录。
工件加工完成后，机械手将工件再次送至上下料站，此时工人将工件卸下并在软件操作界面完成“解绑”动作，这意味着标签编号与工件编号解除关系，此后工件信息通过工件编号在数据库中查询。与此同时，连接计算机的二维码打印机将成品工件的信息打印在“新的二维码”中，成品进入下一流通，而托盘（固定了标签）则循环使用。
整个加工过程完成后，将生成的加工记录保存并添加到数据中心，便于优化后续加工。
（2）物流调度
通过对数据流的介绍可以发现生产过程中对物料的及时转运是一个十分重要的过程，生产线物料管理系统的总体技术框架如图4所示。
图4 物料管理系统总体框架
该技术框架从系统实现的不同层面进行划分，将上述功能模块融入到各层中，通过层与层之间的连接与作用来实现系统的功能。数据采集层对应数据采集模块，它是数据的重要来源之一，作为系统实现的基础，是通过建立的RFID系统来完成生产线数据的采集和处理；物料配送执行层对应物料配送执行模块，它是系统的核心功能之一，通过接口层接收上游排产系统生成的排产结果——物料执行指令，然后以执行指令去实现对物料的配送任务；系统功能模块层包含物料缓存库管理、数据管理、跟踪与监控及产品质量信息追溯等四个模块，这部分是在采集层和配送执行层的基础上实现的，通过各功能模块之间的协作，实现生产线物料的管理、监控等功能；数据接口层是实现物料管理系统与其它关联系统（如上游排产系统、故障诊断与管理系统等）的数据传输，主要是通过开发的接口来实现的。
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