《机械制造基础》课件第7章

第7章先进制造技术7.1计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术7.2计算机辅助工艺过程设计(CAPP)7.3柔性制造技术(FM)7.4计算机集成制造系统(CIMS)复习思考题先进制造技术是传统制造技术在不断吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理技术等先进技术成果,并将其综合应用到产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务的机械制造全过程,实现优质、高效、低能耗、清洁、灵活生产,提高对动态市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。根据功能和研究对象,先进制造技术分为先进设计技术、先进制造工艺技术、制造自动化技术、先进生产制造模式和制造系统五个方面。

本章主要介绍CAD/CAM、CAPP、FMS和CIMS技术。7.1计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术

7.1.1CAD/CAM基本概念

计算机辅助设计与制造(ComputerAidedDesignandComputerAidedManufacturing,简称CAD/CAM)是一项利用计算机协助人完成产品设计与制造的现代技术。它将传统设计与制造彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发,实现信息处理的高度一体化。

计算机辅助设计(CAD)是指工程技术人员以计算机为辅助工具,完成产品设计构思和论证、产品总体设计、技术设计、零部件设计及绘图等工作的总和。

计算机辅助制造(CAM)是指计算机在制造领域有关应用的统称,它可分为狭义CAM和广义CAM。狭义CAM通常指工艺准备中某些、某个活动应用计算机辅助进行;广义CAM是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品制造过程的直接和间接的各种活动,包括工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等。7.1.2CAD/CAM系统的组成

CAD/CAM系统一般由人、硬件和软件组成。之所以把人放在第一位,是因为目前CAD/CAM系统的工作方式是人-机交互的,只有通过人-机对话才能完成CAD/CAM的各种作业过程。所以,人的作用是决定性的。硬件是系统的物质基础,如图7-1所示。软件是系统信息处理的载体,是系统的核心。软件包括系统软件(如操作系统)、支承软件(工程分析软件、图形处理软件、数据库管理系统、计算机网络工作软件)和应用软件(模具设计软件、组合机床设计软件、电器设计软件、机械零件设计软件以及飞机、船舶、汽车等交通工具设计制造的专用软件等)。显然,软件配置的水平和档次决定了CAD/CAM系统性能的优劣。图7-1CAD/CAM系统的硬件组成7.1.3CAD/CAM系统的工作过程

CAD/CAM系统是设计、制造过程中的信息处理系统。它需要对产品设计、制造全过程的信息进行处理,包括设计、制造中的数值计算、设计分析、三维造型、工程绘图、工程数据库的管理、工艺分析、NC自动编程、加工仿真等各个方面,其工作过程如图7-2所示。图7-2CAD/CAM系统的工作过程

7.2计算机辅助工艺过程设计(CAPP)

7.2.1CAPP的基本概念

计算机辅助工艺设计(ComputerAidedProcessPlanning,简称CAPP)是应用计算机快速处理信息的功能及应用具有各种决策功能的软件，对产品设计结果自动生成工艺文件的过程。工艺过程设计主要是在分析和处理大量信息的基础上选择加工方法、机床、刀具、加工顺序等，以及计算加工余量、工序尺寸、公差、切削量、工时定额、绘制工序图以及编制工艺文件等。7.2.2成组技术

1.成组技术原理

成组技术(GroupTechnology,简称GT)是研究如何识别和发展生产活动中有关事务的相似性,并充分利用它把各种问题按其相似性归类成组,寻求解决这一组问题相对统一的最优方案,以取得所期望的经济效益的一门生产技术科学和管理科学。它是提高多品种、中小批量机械制造业的生产效率和水平,增加生产效益的一种基础技术。在机械制造中应用成组技术,就是将企业生产的多种产品、部件和零件,按照一定的相似性准则分类,并以这种分类为基础组织生产,以实现产品设计、制造和生产管理的合理化及高效益。具体地说,就是在零件设计时,把与所设计零件形状相似的零件分成一类,然后针对这类零件建立一个集这类零件全部特征的典型零件,新零件的设计就可以通过修改这个典型零件而形成。同理,对加工工艺过程类似的零件,也可以组建一个加工单元,该加工单元包含这类零件全部待加工的表面要素,在对该单元中的零件编制加工工艺时,通过对加工单元的修改就可以很方便地得到需要的工艺过程,从而使生产计划工作及其控制变得简单。所以,成组技术的核心就是充分利用零件的几何形状及加工工艺相似性进行设计和组织生产,以获得最大的经济效益。

2.成组工艺

成组工艺是以零件结构和加工工艺相似为依据,将零件分成相似形零件组,再针对每一组零件制定出工艺规程。成组工艺着眼于工艺过程和工序的相似性,不强求零件的结构形状必须属于同一类型,只要一群零件的某道工序能在同一型号的设备上、采用相同的工艺装备进行少量的调整工作即可加工,便可归并成组,一并在这道工序加工。如果有多个工序具有这种相似性,则可合并为成组工艺。

1)复合零件法

复合零件法也称为样件法。它是利用一个所谓的复合零件来设计成组工艺的方法。图7-3所示是这种方法的一个示例,图中复合零件包括了四个零件的所有待加工表面的特征,由于组内其他零件所具有的待加工表面特征都比复合零件少,所以按复合零件设计的成组工艺自然便能适用于加工零件组内的所有零件。换句话说,只要从成组工艺中删除某一零件所不用的工序(或工步)内容,便可形成该零件的加工工艺。如图中第四个零件的加工工艺,就是删除钻孔工序Z后的复合零件加工工艺。图7-3复合零件法示例复合零件法适用于不太复杂的回转零件。

在复合零件法中,复合零件可以是真实的零件,也可以是虚拟的零件。

2)复合路线法

复合路线法是在零件分类成组时,把同组零件的工艺过程文件收集在一起,然后从中选出组内最复杂,也就是最长的工艺路线作为加工该组零件的基本路线,再将此工艺路线与组内其他零件的工艺路线比较,并将其他零件有的而此基本路线没有的工序按合理的顺序一一添加,便可最终得出满足全组零件要求的复合工艺。如表7-1中,选第一个零件的工

艺路线作为基本工艺路线,在此基础上,添加C(车)工序,就形成全组零件的复合工艺路线。表7-1复合工艺路线法复合路线法主要用于非旋转体,因其形状不规则,虚拟零件困难。

综上所述,成组工艺可以概括为确定相似工序并尽可能标准化,为一组零件设计的复合工艺。7.2.3CAPP的功能及组成

利用成组技术CAPP能实现工艺设计自动化,同时还能把生产实践中行之有效的若干工艺原则及方法转换成工艺决策模型,建立科学的决策逻辑,从而编制出最佳的制造方案。

CAPP系统通常具有输入设计信息,选择工艺路线,决定工序、机床及刀具,决定切削用量,估算工时与成本,输出工艺文件以及向CAM提供零件加工所需设备、工装、切削参数、装夹参数,反映零件切削过程的刀具轨迹等功能。

CAPP系统的构成与其开发环境、产品对象和规模有关,一般由输入模块、数据库、工艺生成模块、工序图绘制模块、输出模块和工艺规程排印模块等组成。其中,数据库和工艺生成各功能模块是CAPP系统的核心。

7.3柔性制造技术(FM)

7.3.1FM技术的概念

柔性制造是用计算机控制的数控机床(ComputerNumericalControl,简称CNC)在制造中使用而产生的一种先进制造技术。所谓的柔性,就是不用改动制造设备,只通过计算机改变程序的办法即可制造出多种零件中任何一种零件的制造方法。柔性制造适合多品种、中小批量生产过程中高效、高精度的零件制造。目前主要有柔性制造系统(FMS)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造自动生产线(FML)和柔性制造工厂(FMF或FA),其中柔性制造系统最具有代表性。在我国的有关标准中,柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem,简称FMS)是指由数控加工设备、物流储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。国外有关专家把柔性制造系统定义为至少由两台机床、一套物流储运系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统。7.3.2FMS的组成

FMS的组成如图7-4所示。

除上述三个主要组成部分外,FMS系统还包括冷却系统、排屑系统、刀具监控和管理等附属系统。图7-4FMS组成框图7.3.3FMS的主要功能

一般的FMS主要具有以下功能:

(1)自动制造功能,由数控机床类设备来承担。

(2)自动交换和输送功能,包括工件和刀具的交换和输送。(3)自动保管功能,包括毛坯、工件、半成品、工具、卡具、模具的保管。

(4)自动监视功能,主要对刀具进行监视,还有自动补偿和自诊断等。

(5)作业计划与调度。要实现FMS的上述功能,必须由计算机系统控制,使其协调一致、连续、有序地进行。作业计划、加工或装配等系统运行必需的信息,要预先存放在计算机系统中。作业时,物流系统根据作业计划从仓库调出相应的毛坯、刀具和卡具,并将它们交换到对应的机床上,机床则依据已经传送来的程序执行预定的制造任务。

7.4计算机集成制造系统(CIMS)

7.4.1CIMS的概念

计算机集成制造(ComputerIntegratedManufacturing,简称CIM)是组织企业生产的一种新概念,这一概念是由美国的JosephHarrington博士在1974年提出的。主要内容是:①企业生产的各个环节,包括市场分析、产品设计、加工制造、经营管理及售后服务的全部经营活动,是一个不可分割的整体,要紧密连接,统一考虑;②整个经营活动过程实质上是一个数据采集、传递和加工测量的过程,其最终形成的产品可以看做是数据的物质表现;③在企业中主要存在信息流和物质流两种运动过程,物质流受信息流控制。

CIMS是在CIM思想指导下,逐步实现企业全过程的计算机化的综合人机系统。它被认为是未来机械制造工业的生产模式。CIMS的核心是集成,这种集成不是简单的组合,而在于企业内的人、生产经营和技术这三者的信息集成。传统的机械制造厂是一个多层次、多环节的离散型生产系统,各子系统都是独立地运行,由于各子系统既要调用其他子系统共用的数据和信息,又要处理本系统的特有数据和信息,因此,如何划分层次结构,准确处理集中与分散的关系,又能有序地使各子系统形成一个集成环境,就成为实施CIMS的关键之一。7.4.2CIMS的组成

CIMS不是一种具体的制造技术,而是组织、管理生产的一种新概念,所以,从技术组成的角度来讲,它包含了四个应用分系统和两个支撑分系统。

1.管理信息系统(ManagementInformationSystem,简称MIS)

管理信息是指一个企业整个生产经营过程中产、供、销、人、财、物的有关信息,一般可将MIS分解为经营管理(BusinessManagement,简称BM)、物料管理(Material

Management,简称MM)、生产管理(ProductManagement,简称PM)、人力资源管理(Laborresource

Management,简称LM)和财务管理(FinanceManagement,简称FM)等子系统。

2.工程设计系统(EngineeringDesignSystem,简称EDS)

产品设计是产品成本和质量的最重要部分。工程设计系统通常指CAD/CAPP/CAM的集成,有时还包括工程分析CAE。其基本功能为:

(1)面向产品生命周期的产品建模。

(2)CAD/CAE/CAPP/CAM集成的实现。CAD/CAE/

CAPP/CAM集成是指通过信息交换、共享技术将各分系统有机地集成在一起。

3.质量保证系统(QualityAssuranceSystem,简称QAS)

质量保证系统QAS一般由三个部分组成:

(1)质量计划制定。

(2)制造过程质量信息管理。

(3)质量综合信息管理。包括质量指标考核与分析、质量成本管理、质量文档管理等。

4.制造自动化系统(ManufacturingAutomationSystem,简称MAS)

制造自动化系统是通过计算机将企业内部生产活动所需的各自分散的自动化过程有机地集成起来,使其成为适用多品种、小批量生产的高效益、高柔性的智能化的生产制造

系统。MAS的基本功能如下:

(1)实现递阶控制。

(2)工具、卡具、量具集中管理与调度。

(3)满足多品种小批量生产需求,实现加工过程柔性化。(4)信息采集自动化,加强工件检测、刀具监控和故障诊断的功能,使工作可靠,保证无故障运行。

(5)对零件加工质量进行统计分析,并反馈给质量保证系统。

5.数据库系统(DB)

数据库管理系统是CIMS信息集成的关键之一。CIMS环境下的管理信息系统、工程设计系统、质量保证系统和制造自动化系统四个应用系统的信息数据都要在一个结构合理的数据库里进行存储和调用,以满足各子系统信息的交换和共享。

6.通信网络系统(NET)

通信网络系统是信息集成的工具,它是通过计算机通信网络将物理上分布的CIMS各个功能子系统的信息联系起来,达到共享的目的。依照企业的规模,可采用局域网或广域网。CIMS在数据库和计算机网络的支持下,即可方便地实现各个功能子系统之间的通信,从而有效地完成全系统的集成。7.4.3CIMS的发展

CIMS工程经过多年的研究与实践,已基本实现了从实验室走进工厂。但早期的研究设计中过于强调技术集成,忽视人的集成,其CIMS并不尽人意。20世纪80年代中期开始,人们先后提出并行工程、敏捷制造、智能制造、虚拟制造等涉及技术和管理的新理念,并在国内外兴起了研究和实践的热潮。

1.并行工程技术(ConcurrentEngineering,简称CE)

传统产品制造的工作方式是串行的,即市场分析、产品设计、工艺设计、计划调度、生产制造是按顺序依次进行的。因此,产品开发的周期长,新产品上市慢,而且设计与制造脱节,一旦制造出现问题,就要修改设计,产品的市场竞争能力弱。为了提高产品的市场竞争能力,1988年美国国防分析研究所提出了并行工程的概念,如图7-5所示。图7-5并行设计过程

CE是站在产品整个生命周期的高度,从而打破了传统的部门分割和封闭的制造模式,更加强调参与者的协同工作,特别重视产品开发过程的重组、重构。换句话说,在并行工程环境下,特别强调的是把正确的信息、在正确的时间里、以正确的方式送给正确的人,以便作出正确的决策,从而缩短产品的开发周期,实现提高产品竞争能力的目的。

2.敏捷制造(AgileManufacturing,简称AM)

敏捷制造是美国通用汽车公司与美国Lehigh大学工业工程系于1991年在《21世纪制造企业战略》报告中提出的。敏捷制造与CIMS的概念一样,是改变传统的大批量生产,利用先进制造技术和信息技术对市场的变化做出快速响应的一种生产方式,指的是制造企业能够把握市场机遇,及时、动态地重组生产系统,在最短的时间内向市场推出有利可图的、用户认可的、高质量的产品。敏捷制造的特点是通过先进的柔性生产技术与动态的组织结构和高素质的工作人员的集成,获取企业长期的经济效益。敏捷制造的目标是要实现企业间的集成。敏捷制造的核心问题是组建动态联盟(也称虚拟企业)。动态联盟是充分利用现代通信技术把地理位置上分开的两个或两个以上的成员公司组成在一起的一种有时限(非固定化)的,相互依赖、信任、合作的组织,通过竞争被核心公司吸收加入。为了共同的利益,每个成员只做自己特长的工作。把各个成员的专长、知识和信息集成起来,以最短响应时间和最少的投资为目标,来满足用户的需求。敏捷制造的具体方式体现为迅速地研制全新的产品,并不断改造老产品;在整个产品生命周期中满足用户要求;采用多变的动态组织结构;生产成本与生产批量无关;最大限度地发挥人的作用。

实现敏捷制造的关键技术包括:计算机集成制造(CIM)、计算机建模与仿真、虚拟制造技术、企业经营过程重构、快速原型制造、网络技术、并行工程与协同工作环境、企业资源计划(ERP)、人工智能等。

敏捷制造在运行时采用的是优化的、联盟的组合,运作协调,同时对运行效益和风险事前有充分的估计和评价,从而保证了在市场竞争中的取胜能力。

3.智能制造系统(IntelligentManufacturingSystem,简称IMS)

智能制造是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动,并将这些智能活动与智能机器有机地融合起来,将其贯穿应用于整个制造企业的各个子系统,以实现整个制造企业经营运作的高度柔性化和高度集成化,从而取代或延伸制造环境中专家的部分脑力劳动,并对制造业专家的智能信息进行收集、存储、完善、共享、继承和发展。智能制造系统是综合应用人工智能技术、信息技术、自动化技术、制造技术、并行工程、生命科学、现代管理技术和系统工程理论与方法,在国际标准化和互换性的基础上,使整个企业制造系统中的各个子系统分别智能化,并使制造系统成为网络集成、高度自动化的一种制造系统。其主要特征有自律能力、自组织能力、自学能力、自我修复能力、人机一体化、虚拟现实及智能集成。

智能制造系统的研究领域有智能设计、智能机器人、智能调度、智能诊断、智能办公系统、智能控制等。

4.虚拟制造(VirtualRealityTechnology,简称VRT)

虚拟制造(VRT)是用虚拟的方法在计算机上对产品的设计、制造、装配的全过程进行全面仿真的虚拟现实技术,是一种新的人-机界面形式。虚拟现实是指用计算机和其他交互设备产生一个虚拟环境,能用人类自然的技能和感知能力与虚拟世界中的对象进行交互作用,使得参与者能与虚拟环境进行自然交流。在虚拟环境下,操作者会产生身临其境的感觉,并可以通过看、听、触摸等交互方式与虚拟世界进行交流。虚拟现实系统有桌面虚拟现实系统、灵境虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统三大类。桌面虚拟现实系统采用标准的CRT显示器和立体显示技术,通过六自由度鼠标和三维操纵杆来和系统交互,常用于工程CAD和建筑设计。灵境虚拟现实系统利用头盔显示器把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来,产生一种身在虚拟环境中的错觉,常用于模拟驾驶。分布式虚拟现实系统是在灵境式虚拟现实系统的基础上,将不同的用户连接在一起,共享同一个虚拟空间,使用户达到一个更高的境界。虚拟现实系统的开发环境可以是工作站或PC机,一般以工作站为佳。系统中应专门配备图形加速卡,以提高图形的处理速度,增加真实感,软件则选用专门用来开发虚拟现实系统的软件。在此虚拟现实环境下,就能进行虚拟制造系统的仿真和实验,模拟产品设计、制造和装配的全过程。

5.快速原型技术(RapidPrototypingTechnology,简称RPT)

快速原型技术RPT是快速形成所需实体制件的制造技术,它综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术、材料技术、测试传感技术、数据处理技术等机械电子技术和计算机技术,通过固化、烧结、粘结、熔结等方式,将材料逐层或逐点堆积成形。快速原型技术制造实体样件的步骤如下:

(1)由CAD软件设计出样件的实体模型,并按照一定的厚度在Z坐标方向对生成的CAD模型进行切面分层,生成每个截面的二维平面信息。

(2)对二维平面信息进行工艺处理,选择合适的加工参数,系统自动生产刀具移动轨迹和数控加工代码。

(3)对加工过程进行仿真。

(4)利用数控装置控制激光束或其他工具的运动,在当前层上进行轮廓扫描,加工出适当的截面形状。

(5)铺上一层新的成型材料,进行下一层面的加工,重复上面过程,直至样件加工完毕。

快速原型技术用于产品开发的设计评价、功能验证、可制造性和可装配性检验、非功能性样品制作、快速模具制造、快速制造金属型零件以及快速反求工程等。快速原型技术能大大缩短产品开发周期、降低产品开发成本,它与虚拟制造技术一起,被称为是未来制造业的两大支柱技术。

RPT技术的主要方法有光固化法、叠层法、烧结法和熔融沉积法。

1)光固化法(LaserSteroLitho