機械制造技術：現(xiàn)代制造工程技術

機械制造技術：現(xiàn)代制造工程技術一、計算機輔助設計及制造（CAD/CAM）1．概述計算機輔助設計和計算機輔助制造（CAD/CAM）技術是設計人員和組織產品制造的工藝技術人員在計算機系統(tǒng)的輔助之下，根據產品的設計和制造程序進行設計和制造的一項新技術，是傳統(tǒng)技術與計算機技術的結合。設計人員通過人——機交互操作方式進行產品設計構思和論證，產品總體設計，技術設計，零部件設計，有關零件的強度、剛度、熱、電、磁的分析計算和零件加工信息（工程圖紙或數控加工信息等）的輸出，以及技術文檔和有關技術報告的編制。而工藝設計人員則可以根據CAD過程提供的信息和CAM系統(tǒng)的功能，進行零部件加工工藝路線的控制和加工狀況的預顯，以及生成控制零件加工過程的信息。2．CAD/CAM系統(tǒng)的基本組成與類型一般講，一個CAD/CAM系統(tǒng)基本上只適用于某一類產品的設計和制造，如電子產品CAD/CAM只適用于設計制造印制板或集成電路，而機床的CAD/CAM只適用機床的設計和制造，這兩個系統(tǒng)不僅基礎和專業(yè)軟件不一樣，而且硬件配置上也有差異。但就系統(tǒng)的邏輯功能和系統(tǒng)結構角度來看還是基本相同的。不管是用于何種產品設計和制造的CAD/CAM系統(tǒng)，從其邏輯功能角度來看，CAD/CAM系統(tǒng)基本上是由計算機和一些外部設備（計算機和外部設備通常硬件）及相應的軟件組成（其中包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件及應用軟件），如圖7-10所示。但對于一個具體的CAD/CAM系統(tǒng)來講，其硬件、軟件相互的配置是需要進行周密考慮的，同時對硬軟件的型號、性能以及廠家都需要進行全方位的考慮。①大型機CAD/CAM系統(tǒng)顧名思義，該系統(tǒng)一般一具有大容量的存儲器和極強的計算功能的大型通用計算機為主機，一臺計算機可以連接幾十至幾百臺圖形終端和字符終端及其他圖形輸入和輸出設備。其主要優(yōu)點有：系統(tǒng)具有一個大型的數據庫，可以對整個系統(tǒng)的數據實行綜合管理和維護；計算速度快；給企業(yè)的集成管理帶來方便；提高了企業(yè)在設計、制造方面的效率，為企業(yè)的設計、制造一體化提供了條件，為企業(yè)生產方式向國際先進水平靠攏奠定了基礎。主要缺點有：安全性能低：如果主機出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)都不能工作；但隨著雙機容錯等先進技術的廣泛使用，安全性能已經今非昔比；終端距離不能太大；但隨著網絡技術的發(fā)展，距離的限制是越來越小了；隨著計算機的總負荷增加，系統(tǒng)的響應速度將降低。這種現(xiàn)象在三維造型和復雜有限元分析時尤為突出。②小型機CAD/CAM系統(tǒng)70年代末至80年代初，這類系統(tǒng)處于蓬勃發(fā)展時期。我國在此期間從國外購進的CAD/CAM系統(tǒng)大都屬這種類型。生產、制造這類系統(tǒng)的廠商很多，如美國的CV、Intergraph、DEC、Calma、Autotrol、Unigraphics和法國的Euelid等。通過使用，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了這類小型機系統(tǒng)有一定的局限性，如系統(tǒng)的計算能力和擴充能力差等，而且，不同系統(tǒng)之間數據是很難進行交換的，即不同系統(tǒng)的數據存貯格式不相同的。③工程工作站組成的CAD/CAM系統(tǒng)80年代初，32位的工程工作站問世，以工作站組成CAD/CAM系統(tǒng)發(fā)展很快。它與小型機CAD/CAM系統(tǒng)不同，一臺工作站只能一個人使用，并且具有較強的聯(lián)網功能，其處理速度很快，一般都趕上或超過了過去的小型機的速度。這類工作站一般都采用RISC技術和開放系統(tǒng)的設計原則，且以UNIX為操作系統(tǒng)。這種類型的工作站式90年代CAD/CAM系統(tǒng)的主要機器。④PC微機組成的CAD/CAM系統(tǒng)隨著微機性能的不斷提高，價格的不斷下降，以PC及組成的CAD/CAM系統(tǒng)近年來增加很快。過去以PC微機為主機的CAD/CAM系統(tǒng)一般只能進行二維拼圖和繪圖，而現(xiàn)在可以進行三維造型和復雜的分析計算。值得一提的是，由于網絡技術的發(fā)展，現(xiàn)在的微機已能與大型機和小型機及工作站聯(lián)網，成為整個網絡的一個節(jié)點，共享主機和工作站資源。這樣，大型系統(tǒng)、工作站系統(tǒng)、PC機系統(tǒng)就不再相互割裂，而成為一個有機的整體，在網絡中發(fā)揮各自的優(yōu)點，使得原來在小型機和工作戰(zhàn)上運行的CAD/CAM軟件直接在微機上運行。因此，在我國用高檔微機組成的CAD/CAM系統(tǒng)發(fā)展很快，在某些方面已接近低檔工程工作站的能力。3．CAD/CAM系統(tǒng)的功能界定我們以制造業(yè)為例來說明一個CAD/CAM系統(tǒng)的功能界定。一個完整的制造企業(yè)CAD/CAM系統(tǒng)應包括如下幾個由底層到高層的模塊：（1）CNC系統(tǒng)及各種自動化加工設備，包括數控加工中心等各種數控機床、三坐標數控測量機、PLC、監(jiān)測設備等。（2）物料存儲及運送系統(tǒng)（包括自動化倉庫）。（3）分布式直接數控及設備控制系統(tǒng)，包括直接數控群控（DDNC）系統(tǒng)及其與自動倉庫的互聯(lián)系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等。（4）物流控制與管理系統(tǒng)，其功能式對物料存儲及運送系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制，以服務于車間生產計劃控制系統(tǒng)。（5）工藝規(guī)程設計與管理系統(tǒng)，其功能包括計算機輔助工藝規(guī)程設計、工藝數據庫管理、工藝規(guī)程管理等。（6）數控加工自動編程系統(tǒng)，包括復雜曲面模具加工自動編程系統(tǒng)、數控線切割、車、銑和磨等加工的自動編程系統(tǒng)。（7）全面質量保證系統(tǒng)。（8）車間生產計劃控制系統(tǒng)（SFCS）。（9）計算機輔助工程制圖（CAED）系統(tǒng)，其功能包括輔助制圖、圖紙掃描及光柵-矢量混合編輯、圖紙管理等。（10）計算機輔助設計/輔助工程（CAD/CAE）系統(tǒng)，其功能包括產品的二維設計或三維設計、裝配設計、工程分析及優(yōu)化、工業(yè)設計、產品信息管理等。（11）產品綜合信息管理系統(tǒng)（PIIMS），其功能是基于一個統(tǒng)一的數據庫、一個統(tǒng)一的框架對產品的各項信息，例如設計文檔、設計輔助數據、產品模型（二維或三維）、版本信息、工程圖紙、工藝規(guī)程、工藝數據、數控加工程序等實行管理。前八個模塊主要完成制造企業(yè)生產管理中的控制和執(zhí)行功能，屬于計算機輔助制造（CAM）范疇。其中，車間生產計劃控制系統(tǒng)是對CAM各個功能模塊的大集成。通過SFCS，我們實現(xiàn)了集成的CAM系統(tǒng)，我們將這種集成系統(tǒng)稱為車間級計算機集成制作系統(tǒng)。二、計算機工藝規(guī)程設計（CAPP）1．概述CAPP是計算機輔助工藝過程設計的簡稱，是利用計算機技術輔助工藝人員設計零件從毛坯到成品的制造方法，是將企業(yè)產品設計數據轉換為產品制造數據的一種技術。2．CAPP系統(tǒng)的功能一個CAPP系統(tǒng)應具有以下功能：檢索標準工藝文件；選擇加工方法；安排加工路線；選擇機床、刀具、量具、夾具等；選擇裝夾方式和裝夾表面；優(yōu)化選擇切削用量；計算加工時間和加工費用；確定工序尺寸和公差及選擇毛坯；繪制工序圖及編寫工序卡。有的CAPP系統(tǒng)還具有計算刀具軌跡，自動進行NC編程和進行加工過程模擬的功能，有些專家認為這些功能屬于CAM的范疇。3．CAPP系統(tǒng)的分類①檢索式CAPP系統(tǒng)這種CAPP系統(tǒng)常應用于大批大量生產模式，工件的種類很少，零件變化不大且相似程度很高。檢索式CAPP系統(tǒng)不需要進行零件的編碼，在建立系統(tǒng)時，只需要將各類零件的工藝規(guī)程輸入計算機。一般情況下，只需要對已建立的工藝規(guī)程進行管理即可。如果需要編制新零件的工藝規(guī)程，將同類零件的工藝規(guī)程調出并進行修改即可。這是最簡單的CAPP系統(tǒng)。②派生式CAPP系統(tǒng)這是一種建立在成組技術基礎上的CAPP系統(tǒng)。首先對生產對象進行分析，根據成組技術原理（幾何形狀和工藝上的相似性）將各種零件分類歸族，形成零件組；對于每一零件族，選擇一個能包含該組中所有零件特征的零件為標準樣件，也可以構造一個并不存在但包含該組中所有零件特征的零件為標準樣件；對標準樣件編制成熟的，經過考驗的標準工藝規(guī)程；然后將該標準工藝規(guī)程存放在數據庫中；當要為新零件設計工藝規(guī)程時，首先輸入該零件的成組技術代碼，也可以輸入零件信息，由系統(tǒng)自動生成該零件的成組技術代碼；更具零件的成組技術代碼，系統(tǒng)自動判斷零件所屬的零件組，并檢索出該零件族的標準工藝規(guī)程；然后根據零件的結構形狀特點和尺寸及公差，利用系統(tǒng)提供的修改編輯功能，對標準工藝規(guī)程進行修改編輯，最后得到所需的工藝規(guī)程。派生式CAPP系統(tǒng)具有結構簡單，系統(tǒng)容易建立，便于維護和使用，系統(tǒng)性能可靠、成熟等優(yōu)點，所以應用比較廣泛。目前大多數實用型CAPP系統(tǒng)都屬于這種類型。③創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)與派生式CAPP系統(tǒng)不同，創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)中不存在標準工藝規(guī)程，但是有一個收集有大量工藝數據的數據庫和一個存貯工藝專家知識的知識庫。當輸入零件的有關信息后，系統(tǒng)可以模仿工藝專家，應用各種工藝決策規(guī)則，在沒有人工干預的條件下，從無到有，自動生成該零件的工藝規(guī)程。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)理論目前尚不完善，因此還未出現(xiàn)一個純粹的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的核心是工藝決策邏輯，這是人工智能、專家系統(tǒng)發(fā)揮作用的大好領域。所以，應用專家系統(tǒng)原理的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)將是今后研究的重點。④半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)從原理上看，半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是派生式和創(chuàng)出式CAPP原理的綜合。也就是說，這種系統(tǒng)是在派生式CAPP的基礎上，增加若干創(chuàng)成功能而形成的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既有派生式可靠成熟、結構簡單、便于使用和維護的優(yōu)點，又有創(chuàng)成式能夠存貯、積累、應用工藝專家知識的優(yōu)點。這種系統(tǒng)非常靈活，便于結合企業(yè)的具體情況進行開發(fā)，是一種實用性很強，很有發(fā)展前途的CAPP模式。⑤廣義CAPP系統(tǒng)又稱綜合式CAPP系統(tǒng)或多元化CAPP系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)的概念擴充到生產計劃編制，車間調度和生產負荷平衡等領域，它同時還包括多種CAPP模式（檢索式、派生式、創(chuàng)成式），根據不同的生產情況，系統(tǒng)可以自動選擇適用的模式。⑥CAPP開發(fā)平臺（見CAPP系統(tǒng)的柔性化）⑦智能CAPP系統(tǒng)4．CAPP系統(tǒng)的柔性化到目前為止，國內外開發(fā)的CAPP系統(tǒng)都是針對某一具體生產環(huán)境專門設計的、不具有通用性，也無法實現(xiàn)軟件的商品化。國外某公司曾與某大學合作，投資幾百萬美元，試圖開發(fā)完全通用的CAPP系統(tǒng)，雖然在某些局部技術上取得一些進展，但最終不得不宣告失敗。可見，目前技術條件下，開發(fā)完全通用的CAPP系統(tǒng)幾乎不可能。而開發(fā)專用CAPP系統(tǒng)工作量大，開發(fā)周期長、開發(fā)費用高，這種情況對于廣大工廠企業(yè)迫切希望采用CAPP技術的愿望極不適應。因此，需要提高CAPP系統(tǒng)的柔性，建立一個CAPP開發(fā)平臺，并提供眾多實用性二次開發(fā)工具，使開發(fā)平臺商品化。用戶在購得開發(fā)平臺后，只需經過不十分復雜的標準化的二次開發(fā)，即可得到符合用戶具體情況的、滿足用戶使用要求的CAPP系統(tǒng)。為了實現(xiàn)通用的CAPP開發(fā)平臺，應在零件信息描述、工藝決策邏輯歸納等方面進行努力：①零件信息描述的標準化和統(tǒng)一化②工藝決策邏輯的統(tǒng)一化、代碼化和開放性③軟件設計的模塊化④統(tǒng)一的工程數據庫5．派生式CAPP系統(tǒng)⑴零件編碼零件編碼的目的是將零件圖上的信息代碼化，使計算機易于識別和處理。常用的系統(tǒng)有Opitz、JLBM等系統(tǒng)、編碼分為手工編碼和計算機編碼兩種。手工編碼是由編碼人員根據編碼法則，對照零件圖用手工方式編出各碼位的代碼。這種方式的效率低，勞動強度大，一致性差，容易出錯。計算機輔助編碼采用人機對話的方式，由計算機提問，操作人員回答，對編碼系統(tǒng)的理解和判斷是由計算機軟件自動完成的。這種系統(tǒng)明顯優(yōu)于人工編碼。⑵零件特征識別零件特征識別的目的是將輸入零件的代碼與存在計算機中的零件組相比較，確定零件所屬的零件族，以便檢索出標準工藝。⑶工藝規(guī)程編輯器系統(tǒng)應提供對工藝文件進行編輯的功能，應能方便地刪除、添加、修改標準工藝規(guī)程。修改包括加工工藝路線（加工方法、加工路線等）和工序內容（機床、刀具、夾具、量具、切削參數、加工尺寸和公差）的修改以及加工時間和加工費用的重新計算。為此，系統(tǒng)應有一個大型數據庫存放大量的切削數據。6．創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)在創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)中，由計算機模仿工藝人員的邏輯思維能力，以人機交互的方式或自動地進行各種決策和計算。圖7-12為創(chuàng)成法工作原理示意圖⑴零件信息描述創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)中零件的描述方法很多，最常用的有以下三種：①型面描述法這種描述方法將零件視為由若干種基本型面按一定規(guī)律組合而成，而每種型面都可用一組特征參數來確定，型面種類及它的特征參數及型面間的關系可用代碼表示。②元（體）素描述法元素是零件上可分解的最基本的三維幾何體，如圓錐體、圓柱體、六面體、圓環(huán)體及球體等。元素描述法把零件看成是由若干種基本幾何體按一定位置關系組合而成。元素描述法往往更樂于為工藝人員采用，因為它更符合工藝人員的習慣。但由于元素的加工最后都落實在它們的表面形成上，所以，型面描述法本質上更合適些。③從CAD數據庫獲取零件信息這種方法是利用中間接口或其他的傳輸手段，將零件的設計信息直接由CAD數據庫傳給CAPP系統(tǒng)，用以進行工藝規(guī)程設計。采用這種方法可以省去工藝設計前對零件的二次描述，并可獲得完整的零件信息，實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的一體化。這種方法盡管目前還無法完全實現(xiàn)，但它是CAPP零件信息獲取的最佳方法。⑵工藝決策邏輯在創(chuàng)成式工藝設計系統(tǒng)中，決策邏輯是軟件的核心，它引導程序的走向。創(chuàng)成式系統(tǒng)就是決策邏輯的應用，它將工藝知識用決策表或決策樹的形式來表示。。決策樹是和決策表類似的工具，是一個樹狀圖形，由樹根、分支和樹葉組成，樹根表示需要決策的項目，分支表示條件，樹葉表示決策結果。⑶工藝設計專家系統(tǒng)在利用決策表和決策樹的CAPP系統(tǒng)中，工藝知識和決策邏輯都用程序設計語言編制在軟件程序中，系統(tǒng)程序一旦編制、調試完畢，其功能就確定下來，很不容易修改。當生產環(huán)境變化時，就缺乏足夠的柔性適應這些變化。另外，現(xiàn)有的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)缺乏總結經驗、發(fā)現(xiàn)問題的自學習能力。由于這些缺陷，促使人們將人工智能、專家系統(tǒng)的原理應用于CAPP系統(tǒng)，開發(fā)出柔性高，具有自學功能，能夠真正模擬人類專家進行工藝設計的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)。三、柔性制造系統(tǒng)1．概述柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和一組數字控制加工設備組成，能適應加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)，英文縮寫為FMS。FMS的工藝基礎是成組技術，它按照成組的加工對象確定工藝過程，選擇相適應的數控加工設備和工件、工具等物料的儲運系統(tǒng)，并由計算機進行控制，故能自動調整并實現(xiàn)一定范圍內多種工件的成批高效生產(即具有“柔性”)，并能及時地改變產品以滿足市場需求。FMS兼有加工制造和部分生產管理兩種功能，因此能綜合地提高生產效益。FMS的工藝范圍正在不斷擴大，可以包括毛坯制造、機械加工、裝配和質量檢驗等。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于沖壓和焊接的。采用FMS的主要技術經濟效果是：能按裝配作業(yè)配套需要，及時安排所需零件的加工，實現(xiàn)及時生產，從而減少毛坯和在制品的庫存量，及相應的流動資金占用量，縮短生產周期；提高設備的利用率，減少設備數量和廠房面積；減少直接勞動力，在少人看管條件下可實現(xiàn)晝夜24小時的連續(xù)“無人化生產”；提高產品質量的一致性。FMS信息控制系統(tǒng)的結構組成形式很多，但一般多采用群控方式的遞階系統(tǒng)。第一級為各個工藝設備的計算機數控裝置(CNC)，實現(xiàn)各個加工過程的控制；第二級為群控計算機，負責把來自第三級計算機的生產計劃和數控指令等信息，分配給第一級中有關設備的數控裝置，同時把它們的運轉狀況信息上報給上級計算機；第三級是FMS的主計算機(控制計算機)，其功能是制訂生產作業(yè)計劃，實施FMS運行狀態(tài)的管理，及各種數據的管理；第四級是全廠的管理計算機。性能完善的軟件是實現(xiàn)FMS功能的基礎，除支持計算機工作的系統(tǒng)軟件外，數量更多的是根據使用要求和用戶經驗所發(fā)展的專門應用軟件，大體上包括控制軟件(控制機床、物料儲運系統(tǒng)、檢驗裝置和監(jiān)視系統(tǒng))、計劃管理軟件(調度管理、質量管理、庫存管理、工裝管理等)和數據管理軟件(仿真、檢索和各種數據庫)等。為保證FMS的連續(xù)自動運轉，須對刀具和切削過程進行監(jiān)視，可能采用的方法有：測量機床主軸電機輸出的電流功率，或主軸的扭矩；利用傳感器拾取刀具破裂的信號；利用接觸測頭直接測量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的變化；累積計算刀具的切削時間以進行刀具壽命管理。此外，還可利用接觸測頭來測量機床熱變形和工件安裝誤差，并據此對其進行補償。柔性制造系統(tǒng)按機床與搬運系統(tǒng)的相互關系可分為直線型、循環(huán)型、網絡型和單元型。加工工件品種少、柔性要求小的制造系統(tǒng)多采用直線布局，雖然加工順序不能改變，但管理容易；單元型具有較大柔性，易于擴展，但調度作業(yè)的程序設計比較復雜。柔性制造系統(tǒng)未來將向發(fā)展各種工藝內容的柔性制造單元和小型FMS；完善FMS的自動化功能；擴大FMS完成的作業(yè)內容，并與計算機輔助設計和輔助制造技術(CAD/CAM)相結合，向全盤自動化工廠方向發(fā)展。2．柔性制造系統(tǒng)組成一個柔性制造系統(tǒng)一般可概括為下列三個部分組成：可編程控制的數控加工系統(tǒng)、自動化的物料儲運系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng).⑴加工系統(tǒng)加工系統(tǒng)實施對產品零件的加工。在FMS上大多采用自動換刀的加工中心或其它數控機床。加工系統(tǒng)能按照主控計算機的指令自動加工各種零件，并能自動實現(xiàn)工件、刀具的交換，常由若干臺CNC機床組成。對以加工箱體類零件為主的柔性制造系統(tǒng)而言，通常配備有數控加工中心、CNC銑床等；對以加工軸類零件為主的系統(tǒng)而言，則多數配有CNC車削中心、CNC車床和CNC磨床等。對于加工專門零件的系統(tǒng)除了一些通用的CNC設備以外，還配備一些專用的CNC設備。⑵物流系統(tǒng)物流系統(tǒng)由儲存、輸送和裝卸三個子系統(tǒng)組成，它完成毛坯、夾具、工件等的出入庫和裝卸工件工作。柔性制造系統(tǒng)的物流系統(tǒng)與傳統(tǒng)的自動線或流水線有很大區(qū)別，它的工件輸送系統(tǒng)是不按固定節(jié)拍強迫運送