现代集成制造系统的关键技术

第5章现代集成制造系统的关键技术现代集成制造系统的关键技术现代集成制造系统实际和支持技术〔略〕现代集成制造系统中的信息技术计算机辅助技术现代集成制造系统的集成平台技术制造过程控制技术现代集成制造系统的新开展2山东大学计算机学院软构件及其接口1.软构件的概念构件是指语义完好、语法正确和有可重用价值的单位软件，是软件重用过程中可以明确辩识的系统；构造上，它是语义描画、通讯接口和实现代码的复合体。简单地说，构件是具有一定的功能，可以独立任务或能同其它构件装配起来协调任务的程序体，构件的运用同他的开发、消费无关。从笼统程度来看，面向对象技术已到达了类级重用(代码重用)，它以类为封装的单位。这样的重用粒度还太小，缺乏以处理异构互操作和效率更高的重用。构件将笼统的程度提到一个更高的层次，它是对一组类的组合进展封装，并代表完成一个或多个功能的特定效力，也为用户提供了多个接口。整个构件隐藏了详细的实现，只用接口提供效力。3山东大学计算机学院构建技术流派近年来，构件技术开展迅速，已构成三个主要流派，分别是OMG的CORBA、Sun的Java平台和Microsoft的COM+。OMG的CORBA：公共对象恳求代理体系构造(CORBA，CommonOb—jectRequestBrokerArchitecture)是对象管理组织(OMG)基于众多开放系统平台厂商提交的分布对象互操作内容根底上制定的分布式运用程序框架的规范。Sun的J2EE:为了推进基于Java的效力器端运用开发，Sun在1999年底推出了Java2技术及相关的J2EE规范。MicrosoftDNA是Microsoft在推出Windows2000系列操作系统平台根底上，在扩展了分布计算模型以及改造BackOffice系列效力器端分布计算产品后发布的新的分布计算体系构造和规范。4山东大学计算机学院CORBACORBA是由绝大多数分布计算平台厂商所支持和遵照的系统规范，具有模型完好、先进，独立于系统平台和开发言语，被支持程度广泛的特点，已逐渐成为分布计算技术的规范。COBRA规范主要分为3个层次：对象恳求代理、公共对象效力和公共设备。最底层是对象恳求代理(ORB，ObjectRequestBroker)，规定了分布对象的定义(接口)和言语映射，实现对象间的通讯和互操作，是分布对象系统中的“软总线〞；在ORB之上定义了很多公共效力，可以提供诸如并发效力、名字效力、事务(买卖)效力、平安效力等各种各样的效力；最上层的公共设备那么定义了组件框架，提供可直接为业务对象运用的效力，规定业务对象有效协作所需的协定规那么。CORBA的优点是大而全，互操作性和开放性非常好，缺陷是庞大而复杂，并且技术和规范的更新相对较慢，在详细的运用中运用不是很多。5山东大学计算机学院J2EEJ2EE的目的是提供与平台无关的、可移植的、支持并发访问和平安的、完全基于Java的开发效力器端中间件的规范。J2EE简化了构件可伸缩的、基于构件效力器端运用的复杂度。在J2EE中，Sun给出了完好的基于Java言语开发面向企业分布运用的规范，其中在分布式互操作协议上，J2EE同时支持远程方法调用(RMI，Re—moteMethodlnvocation)和因特网对象恳求代理间协议(IlOP，IntemetInter-ORBProtocal)，在效力器端分布式运用的构造方式包括了JavaServlet、JSP(JavaServerPage)、EJB等多种方式，以支持不同的业务需求。6山东大学计算机学院MicrosoftDNAWindowsDNA是WindowsDistributedInternetApplicationArchitecture的缩写，可以翻译为Windows分布式网络运用程序体系构造，这是一个相当笼统的概念。但它又是非常重要的一个概念。微软提出的DNA概念是借助生命科学中脱氧核糖核酸〔DNA,DeoxyribonucleicAcid〕的寓意来诠释现代企业信息构造的真理。WindowsDNA允许不同网络的计算机相互操作以及相互协作以完成某些目的，它可以使开发者很容易的建造可以效力许多用户的基于网络的系统。更为重要的是，WindowsDNA提供了一个具备协同任务才干的框架〔Framework〕，而且由于这个框架支持公用的协议，以及它发布了一些通用的接口，用户可以在它上面添加一些新的功能以扩展这个系统。WindowsDNA是微软为分布式运用程序的开发所提供的平台，它是微软将多年的技术精华集合起来而构成一个完好的多层构造的企业运用总体方案，它使Windows真正成为企业运用平台。WindowsDNA实践上是微软的基于组件的分布式运用程序战略框架构造，具有可伸缩性和高可靠性。7山东大学计算机学院COM+MTS〔MicrosoftTransactionServer〕就是这样一个COM/DCOM对象的Container执行环境。MTS是Microsoft在Windows平台的中介软件之一，它的主要功能是让Windows程序员可以开发以组件为导向的分布式运用系统，并且具备在同质和异质数据库之间对修正的数据进展两阶段提交的功能。由于MTS提供了事务管理、各种Pooling功能以及对象及时激活等功能，执行在其中的COM/DCOM组件将不用思索这些事情，而只是专门执行企业逻辑代码。COM＋的推出有机的一致了COM/DCOM/MTS的编程模型，构成一个功能强大的组件体系构造，并且把DCOM/MTS的各种优势以更为便利的方式提供应用户。8山东大学计算机学院.NetNET可以看做是从WINDOWSDNA演进而来的，它是WINDOWSDNA的继续和开展。WINDOWSDNA是一个处理方案的平台，它关注的是如何运用微软效力器产品来处理业务问题。但是除了一个技术规范以外，WINDOWSDNA并没有任何真实的东西。但是.NET不仅有一套技术规范，它还包括了几个实真实在的产品，例如编译器、类库、甚至最终的用户程序。如Windows.NET是操作系统平台、.NETFramework是运转环境、.NET企业效力器为产品效力器、VisualStudio.NET为编程平台。9山东大学计算机学院CIMS运用集成平台分布环境企业实施CIMS首先要实现信息集成。集成平台与集成框架就是企业运用的一种先进集成支持工具。开发CIMS运用集成平台的目的就是为企业实施CIMS提供开放的、易维护的、可重构的运用开发与系统运转的集成支持工具。10山东大学计算机学院CIMS运用集成平台根本定义CIMS运用集成平台是一个支持复杂信息环境下CIMS运用开发、运用集成和系统运转的软件平台。它基于制造业信息特征，在异构分布环境〔操作系统、网络、数据库〕下提供透明、一致的信息访问和交互手段，对其上运转的运用进展管理，为运用提供效力，并支持CIMS信息环境下各特定领域运用系统的集成。11山东大学计算机学院CIMS运用集成平台的功能(1)通讯效力：提供分布环境下透明的通讯效力功能，运用户和运用程序无需关怀详细的操作系统和运用程序所处的网络位置，而以透明的函数调用或对象效力方式完成它们所需的通讯要求。(2)信息效力：为运用提供透明的信息访问效力，使运用以一种一致的语义和接口实现对数据〔数据库、数据文件、运用交互信息〕的访问与控制。(3)运用编程〔集成〕接口：是一组高层接口,以函数或对象效力的方式为用户提供更为专业化的效力,运用户可以方便地集成现有运用和开发新的运用。运用编程接口按照它们的通用程度又分为独立于运用的编程接口和依赖于运用的编程接口。(4)运用开发工具：一组帮用户开发特定运用程序的支持工具，以简化用户运用程序的开发任务。(5)管理运用程序:它是CIMS运用集成平台的运转管理和控制模块。担任CIMS运用集成平台的系统静态和动态配置、集成平台运用运转管理和维护、事件管理和出错处置等。12山东大学计算机学院CIMS运用集成平台的根本特性(1)为企业的运营、管理、消费和设计领域提供良好的运用编程接口和运用集成接口。(2)提供支持CIMS运用开发、运用集成的运用开发工具、运用编程接口、运用原型系统。(3)支持不同的企业规模和多种多样的企业信息环境。集成平台可为不同的企业规模和运用范围提供最正确的构造和功能配置，具有良好的可伸缩性。(4)支持异构分布环境，提供一致透明的数据访问。支持现有运用、已有信息资源的集成和重用。(5)根据企业对Internet效力的需求，提供相应的Internet效力功能。13山东大学计算机学院CIMS运用集成平台的开展趋势1为企业实施CIMS提供全方位、全生命周期的支持，方便现有运用的集成这些支持包括提供通用的通讯效力、信息效力和面向运用领域的运用开发工具、原型系统和运用集成接口。2既支持企业的信息集成，又支持功能集成和过程集成3采用新技术和实际，支持规范化和开放系统概念，高度的软件可重用性4维护运用系统的平安性、可靠性、完好性,实现系统资源和数据的有效管理5对Internet/Intranet/Extranet技术的支持14山东大学计算机学院面向效力的运用集成15山东大学计算机学院现代集成制造系统的关键技术现代集成制造系统实际和支持技术〔略〕现代集成制造系统中的信息技术计算机辅助技术现代集成制造系统的集成平台技术制造过程控制技术现代集成制造系统的新开展16山东大学计算机学院5.制造过程控制技术数字控制技术柔性制造技术智能制造技术数控技术自从本世纪中叶数控技术创建以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。如今，数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化消费的根底技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、矫捷制造和智能制造等，都是建立在现代数控技术之上；数控技术是提高产质量量、提高劳动消费率必不可少的物质手段；国家战略技术和表达国家综合国力程度重要标志。专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其本质是数控技术的竞争。18山东大学计算机学院数字控制〔NumericalControlNC〕是一种借助数字、字符或其它符号对某一任务过程〔如加工、丈量、装配等〕进展编程控制的自动化方法。数控技术〔NumericalControlTechnology〕采用数字控制的方法对某一任务过程实现自动控制的技术。数控机床〔NumericalControlMachineTools〕是采用数字控制技术对机床的加工过程进展自动控制的一类机床。它是数控技术典型运用的例子。数控系统〔NumericalControlSystem〕实现数字控制的安装。计算机数控系统〔ComputerNumericalControlCNC〕以计算机为控制中心的数字控制系统。数字控制与数控技术19山东大学计算机学院高精度、高效率；刚性自动化不能满足的要求〔手工、小规模、大规模消费〕；柔性自动化〔多种类、变批量〕、复杂零件的加工〔多坐标加工〕；计算机技术的开展。数控技术产生的缘由20山东大学计算机学院数控技术的开展历史1952年，第一代电子管数控系统；1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、加工中心；1960年，第三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统〔称为NC；1970年，第四代小型计算机数控〔CNC〕；1974年，第五代微型计算机数控〔MNC，统称CNC〕；1980年后，FMS、FMC、CIMS、开放式数控〔openNC〕系统、智能制造系统〔IMS〕大开展。1990年后,高速加工，纳米制造。21山东大学计算机学院定梁龙门挪动式五轴联动加工中心22山东大学计算机学院数控动梁龙门镗铣床加工中心23山东大学计算机学院多连杆机械压力机24山东大学计算机学院济南一机床和华东数控十五期间开发的国内领先的数控设备25山东大学计算机学院将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控安装，按照程序的要求，经过信息处置，分配，使各坐标以最小位移量为单位挪动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。

最小位移量的合成运动是机床数字控制的根本原理，即轨迹控制原理〔插补原理〕。

点位控制：严厉控制点到点的间隔，不严厉要求途径，运动中不加工。数控机床的任务原理26山东大学计算机学院数控系统：I/0接口、CNC安装、伺服系统、PLC

机械主机：主运动机构、进给运动机构、辅助机构、床身等

输入数控安装驱动安装机床MG丈量反响数控机床的组成27山东大学计算机学院1〕多种类变批量、单件小批量的自动化

2〕柔性加工和柔性自动化

◆小批量而又轮番消费的零件；

◆几何外形复杂的零件；

◆在加工过程中必需进展多种工序加工的零件；

◆切削余量大的零件；

◆必需严厉控制公差〔公差带范围很小〕的零件；

◆工艺设计会经常变化的零件；

◆贵重零件；

◆需全部检测的零件，等等。数控机床的运用28山东大学计算机学院CNC系统的组成CNC系统由“数控安装〞、“伺服系统〞和系统程序组成。数控安装〔公用计算机〕：硬件和软件组成。伺服系统：检测安装、驱动安装和伺服电机组成。数控安装的硬件组成及功能1.数控安装的硬件包括：微机根本系统：CPU、总线、存储器、I/O设备等数控接口组件：进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件手摇脉冲发生器接口组件等。接口：人机界面接口、通讯接口、机电接口辅助功能〔M〕控制接口等2.硬件功能：与软件一同接纳输入信息〔程序〕、经过译码、轨迹计算〔速度计算〕、补偿计算、加/减处置和插补运算，给各个坐标的伺服驱动器分配速度、位移指令，完成数控加工义务。29山东大学计算机学院软件由控制功能程序、管理功能程序组成控制功能程序--实时性强,用于进给坐标的位置控制，中断完成;译码;预处置〔刀补和速度处置〕；插补；位控；管理功能程序--实时性稍差，但要保证控制软件数据的供应传送，详细见图。CNC软件管理控制显示STMI/O处置通讯诊断译码刀具补偿速度处置插补位置控制输入存储数控安装软件的根本组成和功能30山东大学计算机学院数控技术的开展趋势当代，数控技术的典型运用是FMC/FMS/CIMS，其开展方向是高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复合化、开放化和智能化以及数控规范的开展。目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统。开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、规范化(用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、缺点诊断、网络通讯)，而且对实时性和可靠性要求很高。基于PC的CNC系统\PC嵌入式\PC+CNC〔交融系统〕新的数控规范STEP-NC31山东大学计算机学院随着人工智能在计算机领域的不断浸透和开展,数控系统的智能化将不断提高。主要为：①运用自顺应控制〔AdaptiveControl〕技术数控系统检测加工过程中的一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，到达改良系统运转形状的目的。②引入专家系统指点加工将熟练工人和专家的阅历，加工的普通规律与特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。当前已开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络的数控系统和其它数控加工系统。③引入缺点诊断专家系统④智能化伺服驱动安装可以经过自动识别负载而自动调整参数，使驱动系统获得最正确的运转形状。32山东大学计算机学院HEADER;文件头部开场语句…ENDSEC;文件头部分终了DATA;数据段开场#1=PROJECT(Workplan#10);#1规划由任务方案#10完成#10=Workplan(#20,#35,…);#10包括：#20工步、#35工步、……#20=Machining-Workingstep(,#21(feature),#22(Machining);#20为加工工步，包括：#21加工特征、#22加工操作#21=Roundhole(‘HoleM6’,,…);被加工的是M6‥,圆周孔#22=Drilling(#(Tool),,,#(technology),#(Machine-functions);钻削加工〔刀具、工艺、机床功能〕…#35=Machining-Workingstep(…);#35为加工工步…其它加工工步ENDSEC;程序终了〔数据段〕NC例子33山东大学计算机学院5.制造过程控制技术数字控制技术柔性制造技术智能制造技术柔性制造系统FMS柔性制造系统〔FMS-FlexibleManufacturingSystem〕是经过局域网把数控机床(加工中心)、座标丈量机、物料保送安装、对刀仪、立体刀库、工件装卸站、机器人等设备结合起来，在计算机及控制软件的控制下，构成一个加工系统35山东大学计算机学院FMS的组成硬件1〕系统制造设备﹕数控加工设备〔如加工中心〕﹑丈量机﹑清洗机等。2〕自动化储运设备﹕传送带﹑有轨小车﹑AGV﹑搬运机械人﹑立体仓库﹑中央托盘库﹑物料或刀具装卸站﹑中央刀库等。3〕计算机控制系统及网络通讯系统软件系统1〕系统支持软件﹕操作系统、网络操作系统、数据库管理系统等。2〕FMS运转控制系统﹕动态调度系统、实时缺点诊断系统、消费预备系统3〕物料〔工件和刀具〕管理控制系统等。36山东大学计算机学院根本型FMS的根本组成根本型FMS的硬件布置如下图。加工系统主要由加工中心、数控车床组成；物流系统由自动导引小车即一辆小车、三个机器人、一个装卸站、两个缓冲站组成；计算机控制系统采用分布递阶的控制方式。37山东大学计算机学院FMS的分类按系统的规模和构造﹐FMS可分为：1.柔性制造安装〔FMU〕：是以一台加工中心为主的系统。配备有托盘库、自动托盘交换站或机器人、一个自动化工具交换安装。2.柔性制造单元〔FMC〕:FMC是由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，具有顺应加工多种类产品的灵敏性。FMC可视为一个规模最小的〔FMS〕，是FMS向廉价化及小型化方向开展和一种产物，其特点是实现单机柔性化及自动化，迄今已进入普及运用阶段。3.柔性制造系统〔FMS〕:通常包括4台或更多台全自动数控机床〔加工中心与车削中心等〕，由集中的控制系统及物料搬运系统衔接起来，可在不停机的情况下实现多种类、中小批量的加工及管理。38山东大学计算机学院FMS的功能能自动控制和管理零件的加工过程﹐如制造质量的自动控制﹑缺点的自动诊断和处置等；经过软件系统变卦﹐能制造出系列零件的多种零件﹔自动控制和管理物料〔包括工件与刀具〕的运输和存储过程﹔具有优化的调度管理功能﹐无需过多的人工介入﹐能做到无人加工39山东大学计算机学院FMS的特点1.制造柔性高﹕FMS因内在的灵敏性﹐能顺应由于市场需求变化和工程设计变卦所出现的变动﹐进展多种类消费。2.设备利用率高﹑占地面积少﹕设备的利用率普通可达70％以上。系统规划紧凑﹐占地面积可减少20%-50%。3.减少直接工时费用﹕由于机床是在计算机控制下进展任务﹐不需工人去支配。4.减少制品数量﹐缩短消费预备时间﹕在FMS中﹐加工设备集中在一个很小的场地﹔各种工序集中在加工中心﹐减少了零件装夹次数和零件经过机床数目。5.维持消费才干强﹕当一台或几台机床发生缺点时，仍可降级运转。6.产质量量高而稳定﹕FMS采用全自动化加工﹐减少人为要素﹐产质量量高而稳定。7.投资高﹑风险大﹐开发周期长﹑管理程度要求高。40山东大学计算机学院5.制造过程控制技术数字控制技术柔性制造技术智能制造技术智能制造系统它是发扬人的发明才干和具有人的智能的制造系统，制造任务者以为它是当前制造系统开展的最高阶段，展现了与人类智能行为相关的特性，如了解言语、学习才干、逻辑推理和处理问题等才干，可以深化了解人脑活动机理，取代人的部分脑力劳动，强调企业的自组织才干。智能制造技术的内容大体包括专家系统、模糊推理、人工神经网络和遗传因子等方面，其表现方式有智能制造单元和系统，如智能数控机床、智能机器人、制造过程的智能控制、智能监测与诊断系统等。42山东大学计算机学院智能制造的历史1988年,赖特和伯恩出版了智能制造研讨领域的首本专著<智能制造>.他们在这本书中提出智能机床的想象:采用拟人化的方法将智能机床制成能模拟熟练机械师技艺的加工机器,根据给定的输入,自动完成加工义务,并输出所希望的产品.智能机床与熟练机械师操作普通机床具有同样的功能,因此具有智能.智能机床具有目的了解,信息感知,通讯,顺应控制等功能.43山东大学计算机学院智能制造系统组成有三个子系统:①虚拟制造系统,事先模拟制造过程.②全息制造系统,系统的元素是“自主,自治〞的模块,协作完成给定的义务,既协作又自治;系统的构造既是“他中有我〞,又是“我中有他〞,加强系统的柔性.③全球同步工程,使产品的不同部分能同时在世界上不同的消费研讨基地进展制造,保证产质量量,降低消费本钱.44山东大学计算机学院智能制造系统的体系构造1)Holonic制造系统Holonic系统的根本构件是Holonic〔Holon〕。Holon是从希腊语借过来的，人们用Holon表示系统的最小组成个体，Holonic系统就是由很多不同种类的Holonic构成。Holonic的最本质特征是：自治性，每个Holonic可以对其本身的操作行为作出规划，可以对不测事件〔如制造资源变化、制造义务货物要求变化等〕作出反响，并且其行为可控；协作性，每个Holonic可以恳求其它Holonic执行某种操作行为，也可以对其他Holonic提出的操作恳求提供效力；智能性，Holonic具有推理、判别等智力，这也是它具有自治性和协作性的内在缘由。45山东大学计算机学院智能制造系统的体系构造2〕分形企业(fractalenterprise)是借用分形几何中的自类似性概念描画的一种新的消费方式。用数学的言语来说,分形几何是研讨自然界中没有特征长度而又具有自类似性的外形和景象。大量现实阐明分数维态(即分数维构造)是介于无序—有序之间的形状,是自然界最广泛分布的形状。这种形状是不稳定的或是准稳定的，这正是自然界运动、开展、演化的根本缘由。46山东大学计算机学院智能制造系统的体系构造分形企业的自