机械制造技术：现代制造工程技术

机械制造技术：现代制造工程技术一、计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）1．概述计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）技术是设计人员和组织产品制造的工艺技术人员在计算机系统的辅助之下，根据产品的设计和制造程序进行设计和制造的一项新技术，是传统技术与计算机技术的结合。设计人员通过人——机交互操作方式进行产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和零件加工信息（工程图纸或数控加工信息等）的输出，以及技术文档和有关技术报告的编制。而工艺设计人员则可以根据CAD过程提供的信息和CAM系统的功能，进行零部件加工工艺路线的控制和加工状况的预显，以及生成控制零件加工过程的信息。2．CAD/CAM系统的基本组成与类型一般讲，一个CAD/CAM系统基本上只适用于某一类产品的设计和制造，如电子产品CAD/CAM只适用于设计制造印制板或集成电路，而机床的CAD/CAM只适用机床的设计和制造，这两个系统不仅基础和专业软件不一样，而且硬件配置上也有差异。但就系统的逻辑功能和系统结构角度来看还是基本相同的。不管是用于何种产品设计和制造的CAD/CAM系统，从其逻辑功能角度来看，CAD/CAM系统基本上是由计算机和一些外部设备（计算机和外部设备通常硬件）及相应的软件组成（其中包括系统软件、支撑软件及应用软件），如图7-10所示。但对于一个具体的CAD/CAM系统来讲，其硬件、软件相互的配置是需要进行周密考虑的，同时对硬软件的型号、性能以及厂家都需要进行全方位的考虑。①大型机CAD/CAM系统顾名思义，该系统一般一具有大容量的存储器和极强的计算功能的大型通用计算机为主机，一台计算机可以连接几十至几百台图形终端和字符终端及其他图形输入和输出设备。其主要优点有：系统具有一个大型的数据库，可以对整个系统的数据实行综合管理和维护；计算速度快；给企业的集成管理带来方便；提高了企业在设计、制造方面的效率，为企业的设计、制造一体化提供了条件，为企业生产方式向国际先进水平靠拢奠定了基础。主要缺点有：安全性能低：如果主机出现故障，则整个系统都不能工作；但随着双机容错等先进技术的广泛使用，安全性能已经今非昔比；终端距离不能太大；但随着网络技术的发展，距离的限制是越来越小了；随着计算机的总负荷增加，系统的响应速度将降低。这种现象在三维造型和复杂有限元分析时尤为突出。②小型机CAD/CAM系统70年代末至80年代初，这类系统处于蓬勃发展时期。我国在此期间从国外购进的CAD/CAM系统大都属这种类型。生产、制造这类系统的厂商很多，如美国的CV、Intergraph、DEC、Calma、Autotrol、Unigraphics和法国的Euelid等。通过使用，人们逐渐发现了这类小型机系统有一定的局限性，如系统的计算能力和扩充能力差等，而且，不同系统之间数据是很难进行交换的，即不同系统的数据存贮格式不相同的。③工程工作站组成的CAD/CAM系统80年代初，32位的工程工作站问世，以工作站组成CAD/CAM系统发展很快。它与小型机CAD/CAM系统不同，一台工作站只能一个人使用，并且具有较强的联网功能，其处理速度很快，一般都赶上或超过了过去的小型机的速度。这类工作站一般都采用RISC技术和开放系统的设计原则，且以UNIX为操作系统。这种类型的工作站式90年代CAD/CAM系统的主要机器。④PC微机组成的CAD/CAM系统随着微机性能的不断提高，价格的不断下降，以PC及组成的CAD/CAM系统近年来增加很快。过去以PC微机为主机的CAD/CAM系统一般只能进行二维拼图和绘图，而现在可以进行三维造型和复杂的分析计算。值得一提的是，由于网络技术的发展，现在的微机已能与大型机和小型机及工作站联网，成为整个网络的一个节点，共享主机和工作站资源。这样，大型系统、工作站系统、PC机系统就不再相互割裂，而成为一个有机的整体，在网络中发挥各自的优点，使得原来在小型机和工作战上运行的CAD/CAM软件直接在微机上运行。因此，在我国用高档微机组成的CAD/CAM系统发展很快，在某些方面已接近低档工程工作站的能力。3．CAD/CAM系统的功能界定我们以制造业为例来说明一个CAD/CAM系统的功能界定。一个完整的制造企业CAD/CAM系统应包括如下几个由底层到高层的模块：（1）CNC系统及各种自动化加工设备，包括数控加工中心等各种数控机床、三坐标数控测量机、PLC、监测设备等。（2）物料存储及运送系统（包括自动化仓库）。（3）分布式直接数控及设备控制系统，包括直接数控群控（DDNC）系统及其与自动仓库的互联系统、工业控制系统等。（4）物流控制与管理系统，其功能式对物料存储及运送系统进行监测和控制，以服务于车间生产计划控制系统。（5）工艺规程设计与管理系统，其功能包括计算机辅助工艺规程设计、工艺数据库管理、工艺规程管理等。（6）数控加工自动编程系统，包括复杂曲面模具加工自动编程系统、数控线切割、车、铣和磨等加工的自动编程系统。（7）全面质量保证系统。（8）车间生产计划控制系统（SFCS）。（9）计算机辅助工程制图（CAED）系统，其功能包括辅助制图、图纸扫描及光栅-矢量混合编辑、图纸管理等。（10）计算机辅助设计/辅助工程（CAD/CAE）系统，其功能包括产品的二维设计或三维设计、装配设计、工程分析及优化、工业设计、产品信息管理等。（11）产品综合信息管理系统（PIIMS），其功能是基于一个统一的数据库、一个统一的框架对产品的各项信息，例如设计文档、设计辅助数据、产品模型（二维或三维）、版本信息、工程图纸、工艺规程、工艺数据、数控加工程序等实行管理。前八个模块主要完成制造企业生产管理中的控制和执行功能，属于计算机辅助制造（CAM）范畴。其中，车间生产计划控制系统是对CAM各个功能模块的大集成。通过SFCS，我们实现了集成的CAM系统，我们将这种集成系统称为车间级计算机集成制作系统。二、计算机工艺规程设计（CAPP）1．概述CAPP是计算机辅助工艺过程设计的简称，是利用计算机技术辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品的制造方法，是将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术。2．CAPP系统的功能一个CAPP系统应具有以下功能：检索标准工艺文件；选择加工方法；安排加工路线；选择机床、刀具、量具、夹具等；选择装夹方式和装夹表面；优化选择切削用量；计算加工时间和加工费用；确定工序尺寸和公差及选择毛坯；绘制工序图及编写工序卡。有的CAPP系统还具有计算刀具轨迹，自动进行NC编程和进行加工过程模拟的功能，有些专家认为这些功能属于CAM的范畴。3．CAPP系统的分类①检索式CAPP系统这种CAPP系统常应用于大批大量生产模式，工件的种类很少，零件变化不大且相似程度很高。检索式CAPP系统不需要进行零件的编码，在建立系统时，只需要将各类零件的工艺规程输入计算机。一般情况下，只需要对已建立的工艺规程进行管理即可。如果需要编制新零件的工艺规程，将同类零件的工艺规程调出并进行修改即可。这是最简单的CAPP系统。②派生式CAPP系统这是一种建立在成组技术基础上的CAPP系统。首先对生产对象进行分析，根据成组技术原理（几何形状和工艺上的相似性）将各种零件分类归族，形成零件组；对于每一零件族，选择一个能包含该组中所有零件特征的零件为标准样件，也可以构造一个并不存在但包含该组中所有零件特征的零件为标准样件；对标准样件编制成熟的，经过考验的标准工艺规程；然后将该标准工艺规程存放在数据库中；当要为新零件设计工艺规程时，首先输入该零件的成组技术代码，也可以输入零件信息，由系统自动生成该零件的成组技术代码；更具零件的成组技术代码，系统自动判断零件所属的零件组，并检索出该零件族的标准工艺规程；然后根据零件的结构形状特点和尺寸及公差，利用系统提供的修改编辑功能，对标准工艺规程进行修改编辑，最后得到所需的工艺规程。派生式CAPP系统具有结构简单，系统容易建立，便于维护和使用，系统性能可靠、成熟等优点，所以应用比较广泛。目前大多数实用型CAPP系统都属于这种类型。③创成式CAPP系统与派生式CAPP系统不同，创成式CAPP系统中不存在标准工艺规程，但是有一个收集有大量工艺数据的数据库和一个存贮工艺专家知识的知识库。当输入零件的有关信息后，系统可以模仿工艺专家，应用各种工艺决策规则，在没有人工干预的条件下，从无到有，自动生成该零件的工艺规程。创成式CAPP系统理论目前尚不完善，因此还未出现一个纯粹的创成式CAPP系统。创成式CAPP系统的核心是工艺决策逻辑，这是人工智能、专家系统发挥作用的大好领域。所以，应用专家系统原理的创成式CAPP系统将是今后研究的重点。④半创成式CAPP系统从原理上看，半创成式CAPP系统是派生式和创出式CAPP原理的综合。也就是说，这种系统是在派生式CAPP的基础上，增加若干创成功能而形成的系统。这种系统既有派生式可靠成熟、结构简单、便于使用和维护的优点，又有创成式能够存贮、积累、应用工艺专家知识的优点。这种系统非常灵活，便于结合企业的具体情况进行开发，是一种实用性很强，很有发展前途的CAPP模式。⑤广义CAPP系统又称综合式CAPP系统或多元化CAPP系统，这种系统将传统CAPP系统的概念扩充到生产计划编制，车间调度和生产负荷平衡等领域，它同时还包括多种CAPP模式（检索式、派生式、创成式），根据不同的生产情况，系统可以自动选择适用的模式。⑥CAPP开发平台（见CAPP系统的柔性化）⑦智能CAPP系统4．CAPP系统的柔性化到目前为止，国内外开发的CAPP系统都是针对某一具体生产环境专门设计的、不具有通用性，也无法实现软件的商品化。国外某公司曾与某大学合作，投资几百万美元，试图开发完全通用的CAPP系统，虽然在某些局部技术上取得一些进展，但最终不得不宣告失败。可见，目前技术条件下，开发完全通用的CAPP系统几乎不可能。而开发专用CAPP系统工作量大，开发周期长、开发费用高，这种情况对于广大工厂企业迫切希望采用CAPP技术的愿望极不适应。因此，需要提高CAPP系统的柔性，建立一个CAPP开发平台，并提供众多实用性二次开发工具，使开发平台商品化。用户在购得开发平台后，只需经过不十分复杂的标准化的二次开发，即可得到符合用户具体情况的、满足用户使用要求的CAPP系统。为了实现通用的CAPP开发平台，应在零件信息描述、工艺决策逻辑归纳等方面进行努力：①零件信息描述的标准化和统一化②工艺决策逻辑的统一化、代码化和开放性③软件设计的模块化④统一的工程数据库5．派生式CAPP系统⑴零件编码零件编码的目的是将零件图上的信息代码化，使计算机易于识别和处理。常用的系统有Opitz、JLBM等系统、编码分为手工编码和计算机编码两种。手工编码是由编码人员根据编码法则，对照零件图用手工方式编出各码位的代码。这种方式的效率低，劳动强度大，一致性差，容易出错。计算机辅助编码采用人机对话的方式，由计算机提问，操作人员回答，对编码系统的理解和判断是由计算机软件自动完成的。这种系统明显优于人工编码。⑵零件特征识别零件特征识别的目的是将输入零件的代码与存在计算机中的零件组相比较，确定零件所属的零件族，以便检索出标准工艺。⑶工艺规程编辑器系统应提供对工艺文件进行编辑的功能，应能方便地删除、添加、修改标准工艺规程。修改包括加工工艺路线（加工方法、加工路线等）和工序内容（机床、刀具、夹具、量具、切削参数、加工尺寸和公差）的修改以及加工时间和加工费用的重新计算。为此，系统应有一个大型数据库存放大量的切削数据。6．创成式CAPP系统在创成式CAPP系统中，由计算机模仿工艺人员的逻辑思维能力，以人机交互的方式或自动地进行各种决策和计算。图7-12为创成法工作原理示意图⑴零件信息描述创成式CAPP系统中零件的描述方法很多，最常用的有以下三种：①型面描述法这种描述方法将零件视为由若干种基本型面按一定规律组合而成，而每种型面都可用一组特征参数来确定，型面种类及它的特征参数及型面间的关系可用代码表示。②元（体）素描述法元素是零件上可分解的最基本的三维几何体，如圆锥体、圆柱体、六面体、圆环体及球体等。元素描述法把零件看成是由若干种基本几何体按一定位置关系组合而成。元素描述法往往更乐于为工艺人员采用，因为它更符合工艺人员的习惯。但由于元素的加工最后都落实在它们的表面形成上，所以，型面描述法本质上更合适些。③从CAD数据库获取零件信息这种方法是利用中间接口或其他的传输手段，将零件的设计信息直接由CAD数据库传给CAPP系统，用以进行工艺规程设计。采用这种方法可以省去工艺设计前对零件的二次描述，并可获得完整的零件信息，实现CAD/CAPP/CAM的一体化。这种方法尽管目前还无法完全实现，但它是CAPP零件信息获取的最佳方法。⑵工艺决策逻辑在创成式工艺设计系统中，决策逻辑是软件的核心，它引导程序的走向。创成式系统就是决策逻辑的应用，它将工艺知识用决策表或决策树的形式来表示。。决策树是和决策表类似的工具，是一个树状图形，由树根、分支和树叶组成，树根表示需要决策的项目，分支表示条件，树叶表示决策结果。⑶工艺设计专家系统在利用决策表和决策树的CAPP系统中，工艺知识和决策逻辑都用程序设计语言编制在软件程序中，系统程序一旦编制、调试完毕，其功能就确定下来，很不容易修改。当生产环境变化时，就缺乏足够的柔性适应这些变化。另外，现有的创成式CAPP系统缺乏总结经验、发现问题的自学习能力。由于这些缺陷，促使人们将人工智能、专家系统的原理应用于CAPP系统，开发出柔性高，具有自学功能，能够真正模拟人类专家进行工艺设计的创成式CAPP系统。三、柔性制造系统1．概述柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，英文缩写为FMS。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。80年代中期投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。采用FMS的主要技术经济效果是：能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；提高产品质量的一致性。FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用群控方式的递阶系统。第一级为各个工艺设备的计算机数控装置(CNC)，实现各个加工过程的控制；第二级为群控计算机，负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息，分配给第一级中有关设备的数控装置，同时把它们的运转状况信息上报给上级计算机；第三级是FMS的主计算机(控制计算机)，其功能是制订生产作业计划，实施FMS运行状态的管理，及各种数据的管理；第四级是全厂的管理计算机。性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括控制软件(控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统)、计划管理软件(调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等)和数据管理软件(仿真、检索和各种数据库)等。为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有：测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。柔性制造系统按机床与搬运系统的相互关系可分为直线型、循环型、网络型和单元型。加工工件品种少、柔性要求小的制造系统多采用直线布局，虽然加工顺序不能改变，但管理容易；单元型具有较大柔性，易于扩展，但调度作业的程序设计比较复杂。柔性制造系统未来将向发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型FMS；完善FMS的自动化功能；扩大FMS完成的作业内容，并与计算机辅助设计和辅助制造技术(CAD/CAM)相结合，向全盘自动化工厂方向发展。2．柔性制造系统组成一个柔性制造系统一般可概括为下列三个部分组成：可编程控制的数控加工系统、自动化的物料储运系统和计算机控制系统.⑴加工系统加工系统实施对产品零件的加工。在FMS上大多采用自动换刀的加工中心或其它数控机床。加工系统能按照主控计算机的指令自动加工各种零件，并能自动实现工件、刀具的交换，常由若干台CNC机床组成。对以加工箱体类零件为主的柔性制造系统而言，通常配备有数控加工中心、CNC铣床等；对以加工轴类零件为主的系统而言，则多数配有CNC车削中心、CNC车床和CNC磨床等。对于加工专门零件的系统除了一些通用的CNC设备以外，还配备一些专用的CNC设备。⑵物流系统物流系统由储存、输送和装卸三个子系统组成，它完成毛坯、夹具、工件等的出入库和装卸工件工作。柔性制造系统的物流系统与传统的自动线或流水线有很大区别，它的工件输送系统是不按固定节拍强迫运送