第十一章自动化制造系统及先进制造技术简介

第十一章自动化制造系统及先进制造技术简介第一节制造自动化技术发展过程及发展趋势第二节计算机辅助工艺过程设计(CAPP)第三节自动化制造系统第四节先进制造技术、工艺和方法第一节制造自动化技术发展过程及发展趋势一、发展过程自从18世纪中叶瓦特发明蒸汽机以来，制造自动化技术就随机械化的发展而得到迅猛发展，从其发展过程来看，可以分为五个阶段：第一阶段：刚性自动化，包括自动单机和刚性自动线。该阶段在20世纪40～50年代已相当成熟。应用传统的机械设计与制造工艺方法，采用专用机床和组合机床、自动化单机或自动化生产线进行大批量生产。如1870年美国发明了自动制造螺钉的机器，继而于1895年发明多轴自动车床，是典型的单机自动化系统。1924年第一条采用流水作业的机械加工自动线出现在英国的Morris汽车公司，1935年前苏联成功地研制出第一条汽车发动机气缸体加工自动线。这两条自动线的出现，使得自动化制造技术由单机自动化转向了自动化系统。在第二次世界大战前后，美国福特汽车公司采用自动化生产线，使汽车生产率成倍提高，生产成本大幅度降低，汽车的质量明显改善。随后，自动化制造技术和自动化制造系统得到迅速的普及。虽然当时的自动化制造系统仅应用于像汽车这样的大批大量生产的产品，但它对人类社会生产技术的发展却起到了巨大的推动作用。1946年，前苏联又提出了成组生产工艺的思想，其对自动化制造系统的发展具有十分重大的意义。至今，成组技术仍然是自动化制造系统赖以生存和发展的主要技术基础之一。二、发展趋势1.制造全球化1)市场的国际化，产品销售的全球网络正在形成。2)产品设计和开发的国际合作。3)产品制造的跨国化。4)制造企业在世界范围内的重组与集成，如动态联盟公司。5)制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利用。6)全球制造的体系结构将会形成。2.制造敏捷化1)柔性。2)重构能力。3)快速化的集成制造工艺。3.制造网络化1)制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。2)制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中各子系统的集成。3)企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用。4)通过网络，实现异地制造。第二节计算机辅助工艺过程设计(CAPP)一、概述CAM，它起到一个连接CAD与CAM的桥梁作用。来自CAD的几何和技术要求的数据在CAPP完成加工处理，成为指导生产加工的制造数据。因此，CAD的结果能否有效、充分地在生产中予以应用与实现，数控机床与加工中心能否充分发挥其最大作用，CAD与CAM能否真正实现集成，CAPP技术是关键，并且受到愈来愈广泛的重视。二、CAPP系统的功能一个CAPP系统应具有以下功能：①检索标准工艺文件；②选择加工方法；③工序安排；④选择机床、刀具、量具、夹具、辅具等；⑤选择装夹方式、装夹表面和定位基准；⑥优化选择切削用量；⑦计算加工时间和加工费用；⑧确定工序尺寸和公差；⑨选择毛坯；⑩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。三、CAPP系统的分类(1)派生法派生法是一种建立在成组技术基础上的CAPP系统。(2)创成法与派生法CAPP系统不同之处，在于创成法CAPP系统中没有标准工艺规程，只有一个收集有大量工艺数据的数据库和一个机械加工工艺专家系统。(3)半创成法从原理上看，半创成法CAPP系统是派生法和创成法CAPP系统二者的综合。(4)智能CAPP系统。工作原理：利用零件相似性检索现有工艺的一种软件系统。要求先对零件编码，根据编码确定所属零件族，调用该族零件标准工艺，经过编辑修改，最终获得零件工艺规程。派生式CAPP工作原理四、派生法CAPP系统零件族特征矩阵库派生式CAPP开发过程1)根据产品特点与生产情况，确定编码系统；2)进行零件编码；3)对零件分类，形成若干零件族，建立零件族特征矩阵库；4)对各零件族构造“典型零件”；5)编制“典型零件”标准工艺和相应的工序内容；6)建立工艺数据库，存储常用工艺数据和规范；7)编制系统程序，实现各功能模块。派生式CAPP特点1)以成组技术为基础，理论上比较成熟；2)应用范围比较广泛，有较好的实用性；3)适用于结构比较简单的零件，尤其回转类零件；4)继承企业较成熟的传统工艺，但系统柔性度较差；5)对于相似性较差的复杂零件，难以编码描述。派生式CAPP举例CAM－I派生式CAPP系统工作流程（美国计算机辅助制造公司）工作原理：根据零件模型和工艺信息，应用决策逻辑，模拟工艺人员决策过程，自动创成加工工艺规程，完成机床刀具选择和工艺过程优化。创成式CAPP系统工作原理五、创成法CAPP系统零件信息描述(1)型面描述法这种描述方法将零件看成由若干种基本型面按一定方式组合而成，而每种型面都可用一组特征参数来表示，型面类别及它的特征参数及型面间的相互关系可用代码表示。(2)元素描述法元素描述法把零件看成是由若干种基本几何体，如圆锥体、圆柱体、六面体、圆环体及球体等，按一定位置关系组合而成。(3)从CAD数据库采集零件信息这种方法是利用中间接口或其他的传输方式，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。创成式CAPP开发过程1)确定系统对象范围，是针对回转体零件还是非回转体零件；2)确定零件描述方法，是型面单元描述还是体素组合语言描述；3)确定和建立工艺决策模型，用决策表还是决策树；4)建立加工资源数据库，包括机床、夹具、刀具、切削用量等；5)设计系统主控模块、人机接口模块、工艺文件生成和输出模块。创成式CAPP特点1)通过逻辑推理，自动决策生成零件工艺规程，无需人为干预；2)具有较高的柔性，适应范围广；3)便于与CAD和CAM系统的集成；4)系统实现较为困难，目前只能处理特定环境下的特定零件。SIP系统结构组成：由制造资源模块、零件特征定义模块、工艺决策以及主控模块组成，其中工艺决策模块是系统核心，零件信息是决策对象，制造资源信息是决策约束。创成式CAPP举例（上海交大SIP系统）制造资源的构成•车间层资源包括粗加工、精加工、热处理、装配等生产车间。•设备层资源包括不同的机床和工艺装备。•知识层资源包括决策规则、切削参数、加工余量和工时定额等工艺数据。工艺决策知识的表示决策表决策树数控机床：采用数字化信号对机床的运动及加工过程进行控制的机床，称为数控机床。计算机数控（CNC）：采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能，则称为计算机数控。加工中心（MC）：具有刀库、自动换刀装置并能对工件进行多工序加工的数控机床。1.数控加工概念(一)数控加工(NC)一、数控加工(NC)和加工中心(MC)第三节自动化制造系统图11-4数控机床工作过程框图2.数控机床的组成(1)主机数控机床的主体，包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部分。(2)计算机数控(CNC)装置它是数控机床的控制核心，主要由计算机系统、位置控制器、PLC接口板、通信接口板、纸带阅读机、扩展功能模块以及响应的控制软件等模块组成。(3)伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置和主轴电动机以及进给伺服驱动装置和进给电动机。(4)数控机床的辅助装置数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的正常运行。(5)编程机及其他一些附属设备现代数控机床不仅可以利用CNC装置上的键盘直接输入零件的加工程序，也可以利用自动编程机进行零件加工程序编制，将程序记录在信息载体上(如磁盘、磁带等)，然后送入数控装置。3.数控机床的工作原理1)根据零件图样，确定工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，并把这些代码存储在信息载体上。2)把存储在信息载体上的代码通过输入装置输入到数控装置(即CNC单元)中去。3)数控装置的代码，经过处理和运算转变成脉冲信号。4)伺服系统根据控制系统(数控装置)发出的指令，驱动机床的运动部件，使刀具和工件严格按照程序所规定的轨迹移动。5)机床机械部分带动刀具与工件的相对运动，加工出满足零件设计图要求的零件。6)检测系统对机床的运动及时检测，并通过反馈装置把信息反馈给控制系统并进行修正，使机床的工作正常，保证工件的加工精度。图11-5数控系统基本组成图一、按加工工艺方法分类1、普通数控机床与普通机床的区别：加工复杂形状的零件2、数控加工中心数控加工中心：带有刀库和自动换刀装置的数控机床。与一般数控机床的区别：减少机床台数，便于管理。减少定位误差工序集中，减少辅助时间，提高生产率减少专用工夹具数量4.数控机床的分类3、多坐标数控机床4、计算机群控（DNC）读带机通用计算机接口装置数控装置1机床1数控装置2数控装置m机床2机床m存储装置CRT显示及打印机特点：数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂。五轴数控铣床二、按控制运动方式分类特点：数控装置只能控制点与点的精确定位两相关位置之间的移动是先快后慢使用于钻床、冲床、坐标镗床ZYX1、点位控制数控机床录像2、直线控制数控机床特点：控制两相关点的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线路线由与各个轴线平行的直线段组成使用于简易数控车、数控镗铣床、数控加工中心3、轮廓控制数控机床特点：数控装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制加工复杂形状零件使用于数控车床、数控铣床、数控磨床录像三、按伺服系统的不同分类1、开环数控机床特点：没有位置检测反馈和校正控制装置数控装置发出信号的流程是单向的速度和加工精度低，其精度取决于伺服系统的性能成本低，适用于中、小型数控机床数控装置驱动电路步进电动机工作台指令脉冲齿轮箱=t360ºi2、闭环数控机床特点：e=0，工作台停止检测工作台直线位移（检测元件：感应同步器、光栅）驱动元件：宽调速直流或交流伺服电机加工精度高，但结构复杂，造价高，调试维修困难适用于精度要求高的大型和精密机床数控装置位置比较电路伺服电动机工作台指令脉冲齿轮箱速度控制电路测量装置检测元件测速元件3、半闭环数控机床特点：检测丝杠或电动机轴旋转角位移角位移检测元件：旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等精度低于闭环系统系统调试较容易，稳定性也较好数控装置位置比较电路伺服电动机工作台指令脉冲齿轮箱速度控制电路测量装置检测元件测速元件四、按所用数控装置类型分类1、硬件式数控机床（NC机床）组成：晶体管和集成电路特点：通用性、灵活性差，制造周期长、成本高2、软件式数控机床（CNC机床）组成：采用小型或微型计算机，加上通用或专用大规模集成电路特点：很高柔性五、按加工方式分类1、金属切削类数控机床1）数控车床（NCLathe）。2）数控铣床（NCMillingMachine）。3）加工中心（MachineCenter）。4）数控钻床（NCDrillingMachine）。5）数控镗床（NCBoringMachine）。6）数控齿轮加工机床（NCGearHollingMachine）。7）数控平面磨床（NCSurfaceGrindingMachine）。六、按功能方式分类高、中、低档三类经济型数控：在我国指由单板机、单片机和步进电动机组成数控系统和其它功能简单、价格低的数控系统4、其它类型数控机床2、金属成型类数控机床1）数控电火花加工机床（NCDiesinkingElectricDischargeMachine）。2）数控线切割机床（NCWireElectricDischargeMachine）。3）数控激光加工机床（NCLaserBeamMachine）。3、数控特种加工机床5.数控机床的加工特点1)能实现不同零件的自动加工。2)生产效率及加工精度高、加工质量稳定。3)功能复合程度高，可以一机多用，适合加工形状复杂的轮廓表面。4)有利于实现计算机辅助制造。5)投资大，加工成本高。6)有利于实现制造自动化。7)数控机床维护和数控编程的技术要求较高。6.数控机床的发展趋势1)实现长时间地、连续地自动加工。2)向高速度、高精度与高质量发展。3)提高数控机床生产效率，提高数控机床的可靠性，具有良好的操作性能。4)能自动编程