機(jī)械制造基礎(chǔ)第7章

7.1成組技術(shù)7.2計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)7.3柔性制造系統(tǒng)7.4計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)第7章現(xiàn)代機(jī)械制造工藝技術(shù)在機(jī)械制造工業(yè)中，中、小批量生產(chǎn)占有較大的比重。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇和科技水平的飛躍發(fā)展，要求產(chǎn)品不斷地改進(jìn)和更新，多品種小批量的生產(chǎn)方式越來(lái)越占有重要的地位。但是，傳統(tǒng)的小批量生產(chǎn)方式存在著很多弊端，如無(wú)法采用先進(jìn)高效的設(shè)備和工裝、生產(chǎn)率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)管理復(fù)雜等。與大批大量生產(chǎn)相比，傳統(tǒng)的針對(duì)小批量生產(chǎn)的組織模式會(huì)存在一些矛盾。（1）生產(chǎn)計(jì)劃、組織管理復(fù)雜化。（2）零件從投料到加工完成的總生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。（3）生產(chǎn)準(zhǔn)備工作量大。（4）產(chǎn)量小，使得先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用受到限制。成組技術(shù)便是為了解決這些矛盾應(yīng)運(yùn)而生的一門(mén)新的生產(chǎn)技術(shù)。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)7.1.1概述1.零件的相似原理機(jī)械產(chǎn)品中零件間的相似性是客觀存在的，且遵循一定的分布規(guī)律。大量的統(tǒng)計(jì)資料表明，各種機(jī)械產(chǎn)品的組成零件大致可以分為復(fù)雜件（或稱特殊件）、相似件和簡(jiǎn)單件三大類(lèi)，而其中相似件（如各種軸、套、法蘭盤(pán)、齒輪等）約占零件總數(shù)的70％。這些相似件之間在結(jié)構(gòu)形狀和加工工藝方面存在著大量的相似特征。2.成組技術(shù)充分利用事物之間的相似性，將許多具有相似信息的研究對(duì)象歸并成組，并用大致相同的方法來(lái)解決這一組研究對(duì)象的生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題，這樣就可以發(fā)揮規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的，這種技術(shù)統(tǒng)稱為成組技術(shù)（GroupTechnology，簡(jiǎn)稱GT）。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)成組技術(shù)的核心是成組工藝，即把尺寸、形狀和工藝相近的零件組成一個(gè)零件組（族），制訂統(tǒng)一的加工方案，并在同一機(jī)床組中制造。其重要作用在于擴(kuò)大工藝批量，使大批量生產(chǎn)中行之有效的工藝方法和高效自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，可以應(yīng)用到中小批生產(chǎn)中去。這樣就把原先的多品種轉(zhuǎn)化為少品種，小批量轉(zhuǎn)化為大批量，并以這些組為基礎(chǔ)，組織生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)多品種中小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使制造和管理合理化，從而克服了傳統(tǒng)小批量生產(chǎn)方式的缺點(diǎn)，使小批量生產(chǎn)能獲得接近大批量生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。這對(duì)于我國(guó)目前單件、中小批生產(chǎn)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（約占80％）的生產(chǎn)狀況來(lái)說(shuō)，無(wú)疑具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。3.成組工藝實(shí)施步驟零件分類(lèi)編碼及分組→擬定零件組工藝過(guò)程→選擇機(jī)床→設(shè)計(jì)成組夾具→確定生產(chǎn)組織形式及核算經(jīng)濟(jì)效果等。其中零件分類(lèi)編碼及分組是關(guān)鍵，沒(méi)有正確的編碼和分組，成組工藝也就不可能有效地實(shí)現(xiàn)。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)7.1.2零件的分類(lèi)編碼系統(tǒng)1.零件分類(lèi)編碼的基本原理分類(lèi)是一種根據(jù)特征屬性的有無(wú)，把事物劃分成不同組的過(guò)程。編碼能用于分類(lèi)，它是對(duì)不同組的事物給予不同的代碼。成組技術(shù)的編碼，是對(duì)機(jī)械零件的各種特征給予不同的代碼。這些特征包括零件的結(jié)構(gòu)形狀、各組成表面的類(lèi)別及配置關(guān)系、幾何尺寸、零件材料及熱處理要求，各種尺寸精度、形狀精度、位置精度和表面粗糙度等要求。對(duì)這些特征進(jìn)行抽象化、格式化，就需要用一定的代碼（符號(hào)）來(lái)表述。所用的代碼可以是阿拉伯?dāng)?shù)字、拉丁字母，甚至漢字，以及它們的組合。最方便、最常見(jiàn)的是用數(shù)字碼。迄今為止，世界各國(guó)已制訂了幾十種編碼系統(tǒng)，其中以德國(guó)阿享工業(yè)大學(xué)奧匹茲教授領(lǐng)導(dǎo)的機(jī)床和生產(chǎn)工程實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的OPITZ零件分類(lèi)編碼系統(tǒng)，在國(guó)際上獲得了較為廣泛的應(yīng)用。我國(guó)已制訂了機(jī)械工業(yè)成組技術(shù)分類(lèi)編碼系統(tǒng)（JLBM－1系統(tǒng)）。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)2.JLBM－1分類(lèi)編碼系統(tǒng)JLBM－1系統(tǒng)是由我國(guó)機(jī)械工業(yè)部組織制定并批準(zhǔn)的機(jī)械零件分類(lèi)編碼系統(tǒng)，于1984年正式為我國(guó)機(jī)械工業(yè)部的指導(dǎo)性技術(shù)文件。它由15個(gè)碼位組成，采用混合式代碼結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖7－2所示。該系統(tǒng)的1、2碼位表示零件的名稱類(lèi)別，它采用零件的功能和名稱作為標(biāo)志，以矩陣表的形式表示出來(lái)，不僅容量大，也便于設(shè)計(jì)部門(mén)檢索。但由于零件的名稱不規(guī)范，可能會(huì)造成混亂，因此在分類(lèi)前必須先對(duì)企業(yè)的所有零件名稱進(jìn)行統(tǒng)一并使其標(biāo)準(zhǔn)化。3～9碼位是形狀及加工碼，分別表示回轉(zhuǎn)體零件和非回轉(zhuǎn)體零件的外部形狀、內(nèi)部形狀、平面、孔及其加工與輔助加工的種類(lèi)。10～15碼位是輔助碼，表示零件的材料、毛坯、熱處理、主要尺寸和精度的特征。尺寸碼規(guī)定了大型、中型與小型三個(gè)尺寸組，分別供儀表機(jī)械、一般通用機(jī)械和重型機(jī)械等三種類(lèi)型的企業(yè)參照使用。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)精度碼規(guī)定了低精度、中等精度、高精度和超高精度四個(gè)等級(jí)。在中等精度和高精度兩個(gè)等級(jí)中，再按有精度要求的不同加工表面而細(xì)分為幾個(gè)類(lèi)型，以不同的特征碼來(lái)表示。表7－1～表7－4列出了JLBM－1系統(tǒng)的部分內(nèi)容，供查閱。按照J(rèn)LBM1系統(tǒng)對(duì)如圖73所示回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行分類(lèi)編碼的結(jié)果如下：第1～2位該零件為回轉(zhuǎn)體類(lèi)、輪盤(pán)類(lèi)法蘭盤(pán)，第l位為0，第2位為2。第3～9位該零件“外部基本形狀”：?jiǎn)蜗蚺_(tái)階；“外部功能要素”：無(wú)；“內(nèi)部基本形狀”：雙向臺(tái)階通孔；“內(nèi)部功能要素”：有環(huán)槽；“外平面與端面”：?jiǎn)我黄矫?；“?nèi)平面”：無(wú)；“輔助加工”：均布軸向孔。第3～9位分別為1、0、5、1、1、0、1。第10～12位該零件材料為普通非合金鋼，毛坯原始形狀為鍛件，不進(jìn)行熱處理，第10～12位分別為2、6、0。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)第13～15位該零件主要尺寸(直徑)D>160～400mm；主要尺寸(長(zhǎng)度)L>50～120mm；內(nèi)、外圓與平面中等精度。第13～15位分別為5、1、3。所以，按JLBM－1系統(tǒng)分類(lèi)，該零件的分類(lèi)編碼為021051101260513。7.1.3零件分類(lèi)成組的方法施行成組技術(shù)時(shí)，首先必須按零件的相似特征將零件分類(lèi)成組，然后才能以成組的方式進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和組織生產(chǎn)。編碼分類(lèi)法是一種比較科學(xué)和有效的分類(lèi)成組方法。其具體做法是首先根據(jù)具體情況選用合適的編碼系統(tǒng)，然后對(duì)零件進(jìn)行編碼，根據(jù)零件的代碼按照一定的準(zhǔn)則將零件分類(lèi)歸并成組。零件分類(lèi)成組的方法有特征碼位法、碼域法及特征位碼域法。1.特征碼位法按編碼分類(lèi)，如把編碼完全相同的歸屬為一個(gè)零件組，這就要求同組零件有更多的特征屬性相似，即標(biāo)準(zhǔn)太嚴(yán)，會(huì)出現(xiàn)零件組組數(shù)過(guò)多，而每組零件種數(shù)很少的情況。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)實(shí)際上，根據(jù)分類(lèi)的目的，往往只要求有若干特征屬性相似即可。這樣，只需要在編碼中選用若干特征碼位來(lái)制定分類(lèi)的相似性標(biāo)準(zhǔn)；只要是特征碼位代碼相同的零件皆可以歸屬于同一零件組。如此，可能出現(xiàn)的最大組數(shù)可大大減少。例如，表7－5表示用特征碼位法的零件分類(lèi)，其中特征碼位為第1、第2、第6及第7碼位，規(guī)定的代碼分別為0、4、3及0，凡零件編碼相應(yīng)碼位的代碼與其相同的均可歸屬于同一零件組；圖中列出符合上述相似特征要求的幾個(gè)零件的簡(jiǎn)圖及其編碼。2.碼域法碼域法是對(duì)零件代碼各碼位的特征規(guī)定幾種允許的數(shù)據(jù)，用它作為分組的依據(jù)，就將相應(yīng)碼位的相似特征放寬了范圍。在圖7－4(a)所示的零件族特征矩陣表上，橫向數(shù)字表示碼位，縱向數(shù)字表示各個(gè)碼位上的代碼，圖中“×”表示的范圍稱為碼域。圖7－4(a)是根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)資料和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)而制定的零件相似性特征矩陣表。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)凡零件各碼位上的編碼落在該碼域內(nèi)，即劃分為同一零件組，如圖7－4(b)中所示3個(gè)零件即為一組，或稱為一個(gè)零件族。這種分類(lèi)方法就稱為碼域法。3.特征位碼域法它是上述兩種方法的綜合，因而能兼?zhèn)涠叩奶攸c(diǎn)，即既能抓拄零件分類(lèi)的主要特征方面，又能適當(dāng)放寬其相似性要求，允許有更多的零件種數(shù)進(jìn)入零件組，以期得到滿意的分類(lèi)效果。7.1.4成組工藝的設(shè)計(jì)方法1.復(fù)合零件法按照零件組中的復(fù)合零件來(lái)編制工藝規(guī)程的方法稱為復(fù)合零件法。所謂復(fù)合零件，是擁有同組零件的全部待加工表面要素的一個(gè)零件。它可以是零件組中實(shí)際存在的某個(gè)具體零件，也可以是一個(gè)假擬的零件。如圖7－5(a)所示的復(fù)合零件包含了組內(nèi)其他零件所具有的所有五種加工表面要素，按照這一零件所設(shè)計(jì)的工藝過(guò)程，即為該零件組的成組工藝。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)只要從中刪除一些不為某一零件所用的工序或工步內(nèi)容，便能為組內(nèi)其他零件使用，形成各個(gè)零件的加工工藝。2.復(fù)合路線法對(duì)于形狀不規(guī)則的非回轉(zhuǎn)體零件，有時(shí)找出某一零件組的復(fù)合零件常常十分困難，此時(shí)可以采用復(fù)合線路法。復(fù)合路線法是在零件分類(lèi)成組的基礎(chǔ)上，分析比較全組所有零件的工藝路線，從中選出工藝較長(zhǎng)、流程合理、代表性強(qiáng)的一條作為基礎(chǔ)工藝路線，然后將其他零件的工序(去掉重復(fù)的)按合理的位置安插到基礎(chǔ)工藝路線中，便得到一條適合整個(gè)零件組的成組工藝路線，并以它為依據(jù)來(lái)編制詳細(xì)的工藝規(guī)程。圖7－6是按復(fù)合路線法來(lái)設(shè)計(jì)成組工藝的例子。7.1.5成組生產(chǎn)的組織形式1.單機(jī)成組加工在轉(zhuǎn)塔車(chē)床、自動(dòng)車(chē)床或其他數(shù)控機(jī)床上成組加工小型零件，這些零件的全部或大部分加工工序都在這一臺(tái)設(shè)備上完成，這種形式稱為單機(jī)成組加工。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)單機(jī)成組加工時(shí)機(jī)床的布置雖然與機(jī)群式生產(chǎn)工段類(lèi)似，但在生產(chǎn)方式上卻有著本質(zhì)上的差異。它是按成組工藝來(lái)組織和安排生產(chǎn)的。2.成組生產(chǎn)單元在一組機(jī)床上完成一個(gè)或幾個(gè)工藝相似零件組的全部工藝過(guò)程，該組機(jī)床即構(gòu)成車(chē)間的一個(gè)封閉生產(chǎn)單元。這種生產(chǎn)單元與傳統(tǒng)的小批量生產(chǎn)下所常用的“機(jī)群式”排列的生產(chǎn)工段是不一樣的。一個(gè)機(jī)群式生產(chǎn)工段只能完成零件的某一個(gè)別工序，而成組生產(chǎn)單元卻能完成零件組的全部工藝過(guò)程。圖7－7為成組生產(chǎn)單元的平面布置示意圖。由圖可見(jiàn)，單元內(nèi)的機(jī)床按照成組工藝過(guò)程排列，零件在單元內(nèi)按各自的工藝路線流動(dòng)，縮短了工序間的運(yùn)輸距離，減少了在制品的積壓，縮短了零件的生產(chǎn)周期；同時(shí)零件的加工和輸送不需要保持一定的節(jié)拍，使得生產(chǎn)的計(jì)劃管理具有一定的靈活性；單元內(nèi)的工人工作趨向?qū)I(yè)化，加工質(zhì)量穩(wěn)定，效率比較高，所以成組生產(chǎn)單元是一種較好的生產(chǎn)組織形式。7.1成組技術(shù)返回下一頁(yè)上一頁(yè)3.成組生產(chǎn)流水線當(dāng)組內(nèi)零件工藝相似程度很高，且批量較大時(shí)，機(jī)床可以排列成一條流水生產(chǎn)線。這種流水線稱為成組生產(chǎn)流水線。零件在線上用相互接近的節(jié)拍單向流動(dòng)，工作過(guò)程連續(xù)而有一定的節(jié)奏，因此它具有一般流水線的大部分優(yōu)點(diǎn)。與一般流水線相比，所不同之處在于它經(jīng)過(guò)少量的調(diào)整可以加工組內(nèi)的不同零件，對(duì)于某一種零件來(lái)說(shuō)，不一定經(jīng)過(guò)線上的每一臺(tái)機(jī)床。成組生產(chǎn)流水線是成組加工的高級(jí)形式。7.1成組技術(shù)返回上一頁(yè)7.2.1概述如前所述，工藝規(guī)程設(shè)計(jì)是機(jī)械制造生產(chǎn)過(guò)程中一項(xiàng)重要的技術(shù)準(zhǔn)備工作，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造之間的中間環(huán)節(jié)。但是傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法需要大量的時(shí)間和豐富的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量在很大程度上取決于工藝人員的水平和主觀性，這就使工藝設(shè)計(jì)很難做到最優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化。隨著計(jì)算機(jī)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的應(yīng)用日漸普及，傳統(tǒng)的用手工編制工藝規(guī)程的方法更顯得很不協(xié)調(diào)，于是產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助編制工藝規(guī)程(CAPP)的方法。所謂計(jì)算機(jī)輔助編制工藝規(guī)程，就是通過(guò)向計(jì)算機(jī)輸入被加工零件的原始數(shù)據(jù)、加工條件和加工要求，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地進(jìn)行編碼、編程直至最后輸出經(jīng)過(guò)優(yōu)化的工藝規(guī)程卡片。采用CAPP不僅克服了上述傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的各項(xiàng)缺點(diǎn)，適應(yīng)了當(dāng)前日趨自動(dòng)化的現(xiàn)代制造環(huán)節(jié)的需要，而且為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。正因?yàn)镃APP的產(chǎn)生和應(yīng)用對(duì)于機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的意義，所以在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)引起了越來(lái)越多的重視和研究。7.2計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)返回下一頁(yè)目前在理論體系和生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用方面都已取得了重大的進(jìn)展，一批先進(jìn)實(shí)用的CAPP系統(tǒng)在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，并取得了較好的效果。CAPP系統(tǒng)的主要功能是只要輸入零件加工的有關(guān)信息，計(jì)算機(jī)就能自動(dòng)生成并輸出零件的加工工藝規(guī)程。有些較完善的系統(tǒng)還能進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行模擬顯示，以便檢查工藝規(guī)程的正確性。CAPP系統(tǒng)一般由若干程序模塊所組成，如輸入輸出模塊、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)模塊、工序決策模塊、工步?jīng)Q策模塊、NC指令生成模塊以及控制模塊、動(dòng)態(tài)仿真模塊等。視系統(tǒng)的規(guī)模大小和完善程度而存在一定的差異。7.2.2CAPP的類(lèi)型根據(jù)CAPP系統(tǒng)的工作原理，可以將CAPP分成五種類(lèi)型。1.交互型交互型CAPP系統(tǒng)是按照不同類(lèi)型零件的加工工藝需求，編制的人機(jī)交互軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)以人機(jī)交互方式對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行決策，形成所需的工藝規(guī)程，對(duì)操作人員的依賴性很大。7.2計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)返回下一頁(yè)上一頁(yè)2.變異型（又稱派生型）變異型CAPP系統(tǒng)利用成組技術(shù)（GroupTechnology，GT）原理，將零件按幾何形狀及工藝相似性進(jìn)行分類(lèi)、歸族和編碼，每一個(gè)族有一個(gè)主樣件，根據(jù)此樣件建立加工工藝文件，即典型工藝規(guī)程，存入典型工藝規(guī)程庫(kù)中。當(dāng)需要設(shè)計(jì)新零件的工藝規(guī)程時(shí)，根據(jù)其成組編碼，確定其所屬零件族，由計(jì)算機(jī)檢索出相應(yīng)零件族（主樣件）的典型工藝規(guī)程，再根據(jù)當(dāng)前零件的具體要求，對(duì)典型工藝進(jìn)行修改，最后得到新零件的工藝規(guī)程。變異型CAPP系統(tǒng)工作流程如圖7－8所示。3.創(chuàng)成型創(chuàng)成型CAPP系統(tǒng)是一個(gè)能綜合加工信息，自動(dòng)地為一個(gè)新零件制訂工藝規(guī)程的系統(tǒng)。在創(chuàng)成型CAPP系統(tǒng)中，工藝規(guī)程是根據(jù)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息在沒(méi)有人工干預(yù)的條件下生成的。系統(tǒng)在獲取零件信息后，能自動(dòng)地提取制造信息，產(chǎn)生零件所需要的各個(gè)工序和加工順序，7.2計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)返回下一頁(yè)上一頁(yè)自動(dòng)地選擇機(jī)床、夾具、量具、切削用量和加工過(guò)程，并通過(guò)應(yīng)用決策邏輯，模擬工藝設(shè)計(jì)人員的決策過(guò)程。創(chuàng)成型CAPP系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖7－9所示。在創(chuàng)成型CAPP系統(tǒng)中，系統(tǒng)的決策邏輯是軟件的核心，它控制著程序的走向。就決策知識(shí)的應(yīng)用形式來(lái)分，創(chuàng)成型CAPP系統(tǒng)有常規(guī)程序?qū)崿F(xiàn)和采用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩種類(lèi)型。前者按工藝決策知識(shí)利用決策表、決策樹(shù)或公理模型等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；后者為工藝設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)，它利用人工智能技術(shù)，綜合工藝設(shè)計(jì)專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行自動(dòng)推理和決策。4.綜合型綜合型CAPP系統(tǒng)將變異型與創(chuàng)成型結(jié)合起來(lái)，采取變異與自動(dòng)決策相結(jié)合的工作方式。對(duì)一個(gè)新零件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，先通過(guò)計(jì)算機(jī)檢索它所屬零件族的典型工藝，然后根據(jù)零件的具體情況，對(duì)典型工藝進(jìn)行修改，工序設(shè)計(jì)則采用自動(dòng)決策產(chǎn)生。7.2計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)返回下一頁(yè)上一頁(yè)5.智能型智能型CAPP系統(tǒng)是將人工智能技術(shù)應(yīng)用于工藝過(guò)程設(shè)計(jì)而形成CAPP專(zhuān)家系統(tǒng)。與創(chuàng)成型CAPP系統(tǒng)相比，雖然二者都可自動(dòng)生成工藝規(guī)程，但創(chuàng)成型CAPP系統(tǒng)是以邏輯算法加決策表為特征，而智能型CAPP系統(tǒng)則是以推理加知識(shí)為特征。7.2.3CAPP的數(shù)據(jù)庫(kù)在計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)時(shí)，所需的信息和數(shù)據(jù)都以文件的形式儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，形成數(shù)據(jù)庫(kù)以備檢索和調(diào)用。因此，在CAPP軟件中，工藝數(shù)據(jù)庫(kù)占了重要的位置。工藝數(shù)據(jù)是在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中所使用、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。在生成零件工藝規(guī)程時(shí)，一方面要應(yīng)用到大量工藝圖表、線圖等靜態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)也將產(chǎn)生許多動(dòng)態(tài)的工藝數(shù)據(jù)，如大量的中間過(guò)程數(shù)據(jù)、工序圖形、NC代碼等。這些儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器中以供用戶共享的工藝數(shù)據(jù)集合就稱為工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。7.2計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)返回下一頁(yè)上一頁(yè)工藝數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，同時(shí)系統(tǒng)必須具備材料動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模式才能對(duì)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和規(guī)范化管理。工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的建立比一般數(shù)據(jù)庫(kù)更加復(fù)雜和麻煩。一般工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容有：(1)材料數(shù)據(jù)，各種材料規(guī)格及屬性的數(shù)據(jù)、毛坯特性、刀具-工件組合特性等。(2)刀具數(shù)據(jù)，刀具號(hào)、刀具成組分類(lèi)信息、刀具尺寸及幾何形狀、刀具應(yīng)用條件等。(3)機(jī)床數(shù)據(jù)，各種機(jī)床名稱、型號(hào)、規(guī)格、控制系統(tǒng)類(lèi)型、用量范圍、精度等。(4)夾具和量具數(shù)據(jù)，各種夾具和量具的類(lèi)型、重要尺寸及精度等。(5)標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程及成組分類(lèi)特征數(shù)據(jù)。(6)動(dòng)態(tài)工藝設(shè)計(jì)信息，包括零件圖形數(shù)據(jù)、工序圖形數(shù)據(jù)、最終工藝規(guī)程、NC代碼等。7.2計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)返回上一頁(yè)7.3.1概述隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)與新興的微電子技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了很多現(xiàn)代化的加工設(shè)備和手段，特別是數(shù)控機(jī)床和加工中心的迅速普及和多功能化，為改變中小批量生產(chǎn)的落后狀況提供了可能。柔性制造系統(tǒng)(FMS)便是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的。所謂柔性制造系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和物料輸送系統(tǒng)，把若干臺(tái)設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，形成沒(méi)有固定加工順序和節(jié)拍的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。它在加工完一定批量的某種工件后，能在不停機(jī)調(diào)整的情況下，自動(dòng)地向另一種工件轉(zhuǎn)換。它的主要特點(diǎn)是包括以下幾方面。(1)高柔性。能在不停機(jī)調(diào)整的情況下，實(shí)現(xiàn)多種不同工藝要求的零件加工。(2)高效率。能采用合理的切削用量實(shí)現(xiàn)高效加工，同時(shí)使輔助時(shí)間和準(zhǔn)備終結(jié)時(shí)間減小到最低程度。7.3柔性制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)(3)高度自動(dòng)化。自動(dòng)更換工件、刀具、夾具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝夾和輸送，自動(dòng)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程，有很強(qiáng)的系統(tǒng)軟件功能。7.3.2柔性制造系統(tǒng)的組成柔性制造系統(tǒng)由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、信息流系統(tǒng)三部分組成。1.加工系統(tǒng)加工系統(tǒng)的功能是以任意順序自動(dòng)加工各種工件，并能自動(dòng)地更換工件和刀具。通常由若干臺(tái)加工零件的CNC機(jī)床或CNC板材加工設(shè)備以及操縱這種機(jī)床要使用的刀具所構(gòu)成。在加工較復(fù)雜零件的FMS加工系統(tǒng)中，由于機(jī)床上機(jī)載刀庫(kù)能提供的刀具數(shù)目有限，除盡可能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，以便使用通用刀具和減少專(zhuān)用刀具的數(shù)量外，必要時(shí)還需要在加工系統(tǒng)中設(shè)置機(jī)外自動(dòng)刀庫(kù)以補(bǔ)充機(jī)載刀庫(kù)容量的不足。7.3柔性制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)上一頁(yè)2.物流系統(tǒng)FMS中的物流系統(tǒng)與傳統(tǒng)的自動(dòng)線或流水線有很大的差別，整個(gè)工件輸送系統(tǒng)的工作狀態(tài)是可以進(jìn)行隨機(jī)調(diào)度的，而且都設(shè)置有儲(chǔ)料庫(kù)以調(diào)節(jié)各工位上加工時(shí)間的差異。物流系統(tǒng)包含工件的輸送和儲(chǔ)存兩個(gè)方面。工件輸送包括工件從系統(tǒng)外部送入系統(tǒng)和工件在系統(tǒng)內(nèi)部的傳送兩部分，目前，大多數(shù)工件送入系統(tǒng)和夾具上裝夾工件仍由人工操作，系統(tǒng)中設(shè)置裝卸工位，較重的工件可用各種起重設(shè)備或機(jī)器人搬運(yùn)。工件輸送系統(tǒng)按所用運(yùn)輸工具可分成為自動(dòng)輸送車(chē)、軌道傳送系統(tǒng)、帶式傳送系統(tǒng)和機(jī)器人傳送系統(tǒng)四類(lèi)。在FMS的物料系統(tǒng)中，設(shè)置適當(dāng)?shù)闹醒肓蠋?kù)和托盤(pán)庫(kù)及各種形式的緩沖儲(chǔ)區(qū)，來(lái)進(jìn)行工件的存儲(chǔ)，保證系統(tǒng)的柔性。7.3柔性制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)上一頁(yè)3.信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)包括過(guò)程控制及過(guò)程監(jiān)視兩個(gè)子系統(tǒng)，其功能分別為進(jìn)行加工系統(tǒng)及物流系統(tǒng)的自動(dòng)控制，以及在線狀態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理。FMS中信息由多級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和控制。7.3.3FMS中的機(jī)床設(shè)備和夾具1.加工設(shè)備FMS的機(jī)床設(shè)備一般選擇臥式、立式或立臥兩用的數(shù)控加工中心(MC)。數(shù)控加工中心機(jī)床是一種帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置(ATC)的多工序數(shù)控機(jī)床，工件經(jīng)一次裝夾后，能自動(dòng)完成銑、鏜、鉆、鉸等多種工序的加工，并且有多種換刀和選刀功能，從而可使生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度大大提高。在FMS的加工系統(tǒng)中還有一類(lèi)加工中心，它們除了機(jī)床本身之外，還配有一個(gè)儲(chǔ)存工件的托盤(pán)站和自動(dòng)上下料的工件交換臺(tái)。當(dāng)在這類(lèi)加工中心機(jī)床上加工完一個(gè)工件后，托盤(pán)交換裝置便將加工完的工件連同托盤(pán)一起拖回環(huán)形工作臺(tái)的空閑位置，7.3柔性制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)上一頁(yè)然后按指令將下一個(gè)待加工的工件/托盤(pán)轉(zhuǎn)到交換裝置，由托盤(pán)交換裝置將它送到機(jī)床上進(jìn)行定位夾緊以待加工。這類(lèi)具有儲(chǔ)存較多工件/托盤(pán)的加工中心是一種基礎(chǔ)形式的柔性制造單元(FMC)，它的規(guī)模和柔性化程度都比FMS小，可以作為FMS的基礎(chǔ)加工單元，也可作為獨(dú)立的自動(dòng)化加工設(shè)備。FMC自成體系、占地面積少；成本低、功能完善，有廉價(jià)小型FMS之稱。由于FMC的這些特點(diǎn)比較適合我國(guó)的國(guó)情，因而近年來(lái)它在我國(guó)發(fā)展較快。FMS對(duì)機(jī)床的要求包括工序集中，高柔性度和高效率，易控制性及具有通信接口。2.機(jī)床夾具目前，用于FMS機(jī)床的夾具有兩個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)：其一，大量使用組合夾具，使夾具零部件標(biāo)準(zhǔn)化，可針對(duì)不同的服務(wù)對(duì)象快速拼裝出所需的夾具，使夾具的重復(fù)利用率提高；此外，開(kāi)發(fā)柔性?shī)A具，使一臺(tái)夾具能為多個(gè)加工對(duì)象服務(wù)。7.3柔性制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)上一頁(yè)7.3.4自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)FMS的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)與一般倉(cāng)庫(kù)不同。它不僅是儲(chǔ)存和檢索物料的場(chǎng)所，同時(shí)也是FMS物料系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。它由FMS的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所控制，為FMS服務(wù)，服從FMS的命令和調(diào)度，所以從功能性質(zhì)說(shuō)它是一個(gè)工藝倉(cāng)庫(kù)。正因?yàn)镕MS的自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)屬于一種工藝倉(cāng)庫(kù)，它的布置和物料存放方法也以方便工藝處理為原則，倉(cāng)庫(kù)本身按工藝分成毛坯庫(kù)、在制品庫(kù)和成品庫(kù)等多個(gè)存儲(chǔ)單元。目前，自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)一般采用多層立體布局的結(jié)構(gòu)形式，所占用的場(chǎng)地面積較小。7.3.5物料運(yùn)載裝置物料運(yùn)載裝置直接擔(dān)負(fù)著工件、刀具以及其他物料的運(yùn)輸，包括物料在加工機(jī)床之間，自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)與托盤(pán)存儲(chǔ)站之間以及托盤(pán)存儲(chǔ)站與機(jī)床之間的輸送與搬運(yùn)。FMS中常見(jiàn)的物料運(yùn)載裝置有傳送帶、自動(dòng)運(yùn)輸小車(chē)和搬運(yùn)機(jī)器人等。7.3柔性制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)上一頁(yè)7.3.6刀具管理系統(tǒng)刀具管理系統(tǒng)在FMS中占有重要的地位，其主要職能是負(fù)責(zé)刀具的運(yùn)輸、存儲(chǔ)和管理，適時(shí)地向加工單元提供所需的刀具，監(jiān)控管理刀具的使用，及時(shí)取走已報(bào)廢或耐用度已耗盡的刀具，在保證正常生產(chǎn)的同時(shí)，最大程度地降低刀具的成本。刀具管理系統(tǒng)的功能和柔性程度直接影響到整個(gè)FMS的柔性和生產(chǎn)率。典型的FMS刀具管理系統(tǒng)通常由刀庫(kù)系統(tǒng)、刀具預(yù)調(diào)站、刀具裝卸站、刀具交換裝置以及管理控制刀具流的計(jì)算機(jī)組成。7.3.7控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是FMS的核心。它管理和協(xié)調(diào)FMS內(nèi)的各項(xiàng)活動(dòng)，以保證生產(chǎn)計(jì)劃的完成，實(shí)現(xiàn)最大的生產(chǎn)效率。FMS除了少數(shù)操作由人工控制外(如裝卸、調(diào)整和維修)，可以說(shuō)正常的工作完全是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的。FMS的控制系統(tǒng)通常采用兩級(jí)或三級(jí)遞階控制結(jié)構(gòu)形式，在控制結(jié)構(gòu)中，每層的信息流都是雙向流動(dòng)的：向下可下達(dá)控制指令，分配控制任務(wù)，監(jiān)控下層的作業(yè)過(guò)程；7.3柔性制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)上一頁(yè)向上可反饋控制狀態(tài)，報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。然而，在控制的實(shí)時(shí)性和處理信息量方面，各層控制計(jì)算機(jī)是有所區(qū)別的：越往底層，其控制的實(shí)時(shí)性要求越高，而處理的信息量則越小；越到上層，其處理信息量越大，而對(duì)實(shí)時(shí)性要求則越小。這種遞階的控制結(jié)構(gòu)，各層的控制處理相對(duì)獨(dú)立，易于實(shí)現(xiàn)模塊化，使局部增、刪、修改簡(jiǎn)單易行，從而增加了整個(gè)系統(tǒng)的柔性和開(kāi)放性，充分地利用了計(jì)算機(jī)的資源。然而，究竟需分幾層為好，這要視具體對(duì)象和條件而定，不可千篇一律。7.3柔性制造系統(tǒng)返回上一頁(yè)7.4.1計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)1.CAM的概念和應(yīng)用利用計(jì)算機(jī)分級(jí)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息自動(dòng)地轉(zhuǎn)換成制造信息，以控制產(chǎn)品的加工、裝配、檢驗(yàn)、包裝、試驗(yàn)等全過(guò)程，以及與這些過(guò)程有關(guān)的全部物流系統(tǒng)和初步的生產(chǎn)調(diào)度，這就是計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)，它可以理解為“計(jì)算機(jī)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用”，這是一個(gè)廣義含義，它包含了制造系統(tǒng)中的許多功能活動(dòng)。按照計(jì)算機(jī)與制造系統(tǒng)的關(guān)系，它可以分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用兩類(lèi)。（1）直接應(yīng)用。即計(jì)算機(jī)用于制造過(guò)程的監(jiān)視和控制，如CNC、FMS等即為CAM的基礎(chǔ)單項(xiàng)形式。（2）間接應(yīng)用。計(jì)算機(jī)并不與制造過(guò)程直接連接，而是用來(lái)提供生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備和發(fā)出各種指令和有關(guān)信息，以進(jìn)一步指導(dǎo)和管理制造過(guò)程，如計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程、計(jì)算機(jī)輔助編制生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理等。7.4計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)在CAM的間接應(yīng)用中，人給計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息，再按照計(jì)算機(jī)的輸出去指導(dǎo)生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)在上述各部門(mén)的廣泛應(yīng)用，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到，單純孤立地在各個(gè)部門(mén)用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行各項(xiàng)工作，遠(yuǎn)沒(méi)有充分發(fā)揮出計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)的潛在能力；各個(gè)環(huán)節(jié)之間也容易產(chǎn)生矛盾和不協(xié)調(diào)。只有用更高級(jí)的計(jì)算機(jī)分級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將制造過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)集中和協(xié)調(diào)起來(lái)，組成更高水平的制造系統(tǒng)，才能取得更好的效益，這就是通常所說(shuō)的CAM系統(tǒng)。2.CAM系統(tǒng)的組成和分級(jí)結(jié)構(gòu)CAM系統(tǒng)的組成可以分為硬件和軟件兩個(gè)方面：硬件方面有各種數(shù)控機(jī)床、加工中心、自動(dòng)輸送和運(yùn)儲(chǔ)裝置、檢測(cè)裝置及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等；它的軟件系統(tǒng)通常由下列五個(gè)部分組成。7.4計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)上一頁(yè)(1)中心數(shù)據(jù)庫(kù)。包括工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、切削有關(guān)的數(shù)據(jù)、NC編程的數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)及相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等，這是一個(gè)龐大復(fù)雜的工程數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)根據(jù)需要，隨時(shí)存入或調(diào)用其中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算和編程等工作。(2)工藝設(shè)計(jì)程序。(3)生產(chǎn)調(diào)度程序。(4)加工控制程序。(5)質(zhì)量管理和監(jiān)控程序。系統(tǒng)啟動(dòng)后，上述各應(yīng)用程序從中心數(shù)據(jù)庫(kù)取得各種信息，進(jìn)行運(yùn)算和處理，控制制造過(guò)程自動(dòng)運(yùn)行，并將有關(guān)信息再返回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。7.4計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)返回下一頁(yè)上一頁(yè)7.4.2計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)1.計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)的概念如前所述，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)中的普及推廣和應(yīng)用，在各項(xiàng)制造功能的子系統(tǒng)中發(fā)展了許多計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)化系統(tǒng)，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)(CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助計(jì)劃編程等，但它們都是各自獨(dú)立的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)整