《機械CAD CAM技術》課件-第5章

第5章CAD/CAM集成技術及發(fā)展5.121世紀制造業(yè)的特點5.2CIMS5.3工業(yè)機器人5.4有限元分析5.5CAPP技術5.6并行工程第5章CAD/CAM集成技術及發(fā)展5.7

成組技術5.8

逆向工程5.9

3D打印技術5.10

虛擬制造5.11敏捷制造5.12智能制造5.13

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)

5.121世紀制造業(yè)的特點

制造業(yè)是將制造資源通過制造過程轉化為可供人們使用與利用的工業(yè)產(chǎn)品與生活消費品的行業(yè)，它涉及國民經(jīng)濟的許多部門，是國民經(jīng)濟和綜合國力的支柱產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的制造業(yè)是建立在規(guī)模經(jīng)濟的基礎上，靠企業(yè)規(guī)模、生產(chǎn)批量、產(chǎn)品結構和重復性來獲得競爭優(yōu)勢的，它強調(diào)資源的有效利用，以降低成本獲得高質(zhì)量和高效率。

5.1.1產(chǎn)品、市場與環(huán)境特點

產(chǎn)品、市場與環(huán)境特點的主要特點如下：

(1)用戶需求多樣化，產(chǎn)品生命周期縮短。

(2)產(chǎn)品開發(fā)周期縮短，上市時間更快。

(3)市場占有率競爭激烈。

(4)產(chǎn)品質(zhì)量。

(5)分布、并行、集成并存。

(6)大市場和大競爭。

(7)適應市場，提高柔性。

(8)人的知識、素質(zhì)和要求的變化。

(9)環(huán)境保護意識的增強與可持續(xù)發(fā)展。

5.1.2技術特點

1.信息技術

計算機技術的深入和廣泛應用，使企業(yè)的控制進一步信息化，使企業(yè)的工作內(nèi)容、對象和方法發(fā)生了根本的改變。信息化是當今社會發(fā)展的趨勢，信息技術正在以人們想象不到的速度向前發(fā)展。信息技術也正在向制造技術注入和融合，促進著制造技術的不斷發(fā)展。其中先進制造技術的形成與發(fā)展，無不與信息技術的應用和注入有關。它使制造技術的技術含量提高，使傳統(tǒng)制造技術發(fā)生質(zhì)的變化。

2.現(xiàn)代設計技術

1)設計手段的計算機化

設計手段的計算機化在實現(xiàn)了計算機計算、繪圖的基礎上，當前突出反映在數(shù)值仿真或虛擬現(xiàn)實技術在設計中的應用，以及現(xiàn)代產(chǎn)品建模理論的發(fā)展上，并且向智能化設計方向發(fā)展。

2)新的設計思想和方法不斷出現(xiàn)

并行設計、面向“X”的設計(DesignForX，DFX)、健壯設計(RobustDesign)、優(yōu)化設計(OptimalDesign)、逆向工程(ReverseEngineering)等正在不斷出現(xiàn)。

3)向全壽命周期設計發(fā)展

傳統(tǒng)的設計只限于產(chǎn)品設計，全壽命周期設計則由簡單的、具體的、細節(jié)的設計轉向復雜的、總體的設計和決策，要通盤考慮包括設計、制造、檢測、銷售、使用、維修、報廢等階段的產(chǎn)品的整個生命周期。

4)設計過程由單純考慮技術因素轉向綜合考慮技術、經(jīng)濟和社會因素

設計不只是單純追求某項性能指標的先進和高低，還要考慮市場、價格、安全、美學、資源、環(huán)境等方面的影響。

3.成形制造技術與改性技術

成形制造技術是鑄造、塑性加工、連接、粉末冶金等單元技術的總稱。21世紀的成形制造技術正在從制造工件的毛坯、從接近零件形狀向直接制成工件精密成形發(fā)展。據(jù)權威部門預測，隨著塑性成形與磨削加工相結合，將取代大部分中小零件的切削加工。改性技術主要包括熱處理及表面工程等各項技術。主要發(fā)展趨勢是通過各種新型精密熱處理和復合處理達到零件性能精確、形狀尺寸精密以及獲得各種特殊性能要求的表面(涂)層，同時大大減少能耗及完全消除對環(huán)境的污染。

4.加工制造技術

1)超精密加工技術

目前加工精度已達到0.025m以上，表面粗糙度達0.0045m以上，已進入納米級加工時代。超精切削厚度由目前的紅外波段向可見光波段甚至更短波段逼近；超精加工機床向多功能模塊化方向發(fā)展；超精加工材料由金屬擴大到非金屬。

2)超高速切削

目前鋁合金超高速切削的切削速度已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金為300m/min，鈦合金為200m/min。超高速切削的發(fā)展已轉移到一些難加工材料的切削加工。

3)新一代制造裝備的發(fā)展

市場競爭和新產(chǎn)品、新技術、新材料的發(fā)展推動著新型加工設備的研究與開發(fā)，其中典型的例子是“并聯(lián)桁架式結構數(shù)控機床”(俗稱“六腿”機床)的發(fā)展。

5.工藝設計與工藝模擬技術

工藝設計由經(jīng)驗判斷走向定量分析，加工工藝由技藝發(fā)展為工程科學。工藝模擬也發(fā)展并應用于金屬切削加工過程和產(chǎn)品設計過程。最新的進展是在并行工程環(huán)境下，開展虛擬成形制造，使得在產(chǎn)品的設計完成時，成形制造的準備工作(如鑄造)也同時完成。

6.專業(yè)、學科間的界限逐漸淡化、消失

先進制造技術的不斷發(fā)展，在冷熱加工之間，加工、檢測、物流、裝配過程之間，設計、材料應用、加工制造之間，其界限均逐漸淡化并逐步走向一體化。CAD、CAPP、CAM等單元技術的出現(xiàn)，使設計、制造成為一體；精密成形技術的發(fā)展，使熱加工可能直接提供接近最終形狀、尺寸的零件，它與磨削加工相結合，有可能覆蓋大部分零件的加工，淡化了冷熱加工的界限；快速原型/零件制造技術的產(chǎn)生，是近20年制造領域的一個重大突破，它可以自動而迅速地將設計思想物化為具有一定結構和功能的原型或直接制造成零件，淡化了設計、制造的界限；機器人加工工作站及FMS的出現(xiàn)，使加工過程、檢測過程、物流過程融為一體；現(xiàn)代制造系統(tǒng)使得自動化技術與傳統(tǒng)工藝密不可分。

7.綠色制造將成為21世紀制造業(yè)的重要特征

日趨嚴格的環(huán)境與資源的約束，使綠色制造業(yè)顯得越來越重要，它將是21世紀制造業(yè)的重要特征。與此相應，綠色制造技術也將獲得快速的發(fā)展，主要體現(xiàn)在：

(1)綠色產(chǎn)品設計技術。

(2)綠色制造技術。

(3)產(chǎn)品的回收和循環(huán)再制造。

8.虛擬現(xiàn)實技術在制造業(yè)中獲得越來越多的應用

虛擬現(xiàn)實技術(VirtualRealityTechnology)主要包括虛擬制造技術和虛擬企業(yè)兩部分。

虛擬制造技術將從根本上改變設計、試制、修改設計、規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造模式。在產(chǎn)品真正制出之前，首先在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型(SoftPrototype)，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品(HardPrototype)進行試驗，對其性能和可制造性進行預測和評價，從而縮短產(chǎn)品的設計與制造周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)快速響應市場變化的能力。

虛擬企業(yè)是為了快速響應某一市場需求，通過信息高速公路，將產(chǎn)品涉及的不同企業(yè)臨時組建成為一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計算機網(wǎng)絡聯(lián)系、統(tǒng)一指揮的合作經(jīng)濟實體。虛擬企業(yè)的特點是企業(yè)功能上的不完整、地域上的分散性和組織結構上的非永久性，即功能的虛擬化、組織結構的虛擬化和地域的虛擬化。

9.信息技術、管理技術與工藝技術緊密結合

制造業(yè)在經(jīng)歷了少品種小批量—少品種大批量—多品種小批量生產(chǎn)模式的過渡后，20世紀70—80年代開始采用CIMS進行制造的柔性生產(chǎn)的模式，并逐步向智能制造技術(IntelligentManufacturingTechnology，IMT)和智能制造系統(tǒng)(IntelligentManufacturingSystem，IMS)的方向發(fā)展。精益生產(chǎn)(LeanProduction，LP)、敏捷制造(AgileManufacturing，AM)等先進制造模式相繼出現(xiàn)。當前，以先進制造模式及技術創(chuàng)新為主要手段的制造業(yè)已獲得蓬勃發(fā)展。

5.1.3CAD/CAM技術和先進制造技術體系

1.先進制造技術的定義

先進制造技術是為了適應時代要求提高競爭能力，對制造技術不斷進行優(yōu)化及推陳出新而形成的。它是一個相對的、動態(tài)的概念。先進制造技術作為一個專有名詞提出后，至今沒有一個明確的、公認的定義。

近年來通過對發(fā)展先進制造技術方面開展的工作，以及對其內(nèi)涵、特征的分析研究，可以定義為：“先進制造技術是制造業(yè)不斷吸收機械、電子、信息(計算機與通信、控制理論、人工智能等)、能源及現(xiàn)代系統(tǒng)管理等方面的成果，并將其綜合應用于產(chǎn)品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用乃至回收的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高對動態(tài)多變的產(chǎn)品市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱?！?/p>

2.先進制造技術的內(nèi)涵及技術構成

先進制造技術在不同發(fā)展水平的國家和同一國家的不同發(fā)展階段，有不同的技術內(nèi)涵和構成。對我國而言，機械科學研究院(AMST)提出先進制造技術是一個多層次的技術群。先進制造技術的內(nèi)涵和層次及其技術構成如圖5.1.1所示。

圖5.1.1先進制造技術的層次及其技術構成

1)基礎制造技術

第一個層次是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔的基礎制造技術。

2)新型制造單元技術

第二個層次是新型的先進制造單元技術。

3)先進制造集成技術

第三個層次是先進制造集成技術。

3.先進制造技術的體系結構及分類

1)先進制造技術的體系結構

1994年，美國聯(lián)邦科學、工程和技術協(xié)調(diào)委員會(FCCSET)下屬的工業(yè)和技術委員會先進制造技術工作組提出了先進制造技術是由主體技術群、支撐技術群、管理技術群組成的三位一體的體系結構，如圖5.1.2所示。

圖5.1.2先進制造技術的體系結構

先進制造技術主要包括3個技術群：

①主體技術群，包括面向制造的設計技術群及制造工藝技術群；

②支撐技術群；

③管理技術群。

這3部分相互聯(lián)系，相互促進，組成一個完整的體系，每一部分均不可缺少，否則就很難發(fā)揮預期的整體功能效益。

2)先進制造技術的分類

根據(jù)先進制造技術的功能和研究對象，結合國家先進制造技術專項計劃指南，可以將先進制造技術歸納為以下幾個大類：

(1)先進設計技術。設計技術主要包括如下內(nèi)容：

①先進設計方法，包括模塊化設計、系統(tǒng)化設計、價值工程、模糊設計、面向對象的設計、反求工程、并行設計、綠色設計、工業(yè)設計等。

②產(chǎn)品可信性設計。

③設計自動化技術。

(2)先進制造工藝。先進制造工藝是先進制造技術的核心和基礎，是使各種原材料、半成品成為產(chǎn)品的方法和過程。先進制造技術包括：

①高效精密成形技術，包括精密潔凈鑄造成形工藝、精確高效塑性成形工藝、優(yōu)質(zhì)高效焊接及切割技術、優(yōu)質(zhì)低耗潔凈熱處理技術、快速成形和制造技術等。

②高效高精度切削加工工藝，包括精密和超精密加工、高速切削和磨削、復雜型面的數(shù)控加工等。

③現(xiàn)代特種加工工藝。它是指那些不屬于常規(guī)加工范疇的加工工藝，如高能束加工、電加工、超聲加工、高壓水射流加工、多種能源的復合加工、納米技術及微細加工等。

④表面改性、制膜和涂層技術，包括化學鍍、非晶態(tài)合金技術、表面強化處理技術、熱噴涂技術、激光表面熔覆處理技術、等離子化學氣相沉積技術等。

(3)先進制造自動化技術。先進制造自動化技術是用機電設備工具取代或放大人的體力，甚至取代和延伸人的部分智力，自動完成特定的作業(yè)，包括物料的存儲、運輸、加工、裝配和檢驗等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化。先進制造過程自動化技術包括數(shù)控技術、工業(yè)機器人技術、柔性制造技術、計算機集成制造技術、自動檢測及信號識別技術和過程設備工況監(jiān)測與控制技術等。

(4)先進制造模式及系統(tǒng)。先進制造模式及系統(tǒng)是面向企業(yè)生產(chǎn)全過程，將先進的信息技術與生產(chǎn)技術相結合的一種新思想和新哲理，其功能覆蓋企業(yè)的生產(chǎn)預測、產(chǎn)品設計開發(fā)、加工裝配、信息與資源管理直至產(chǎn)品營銷和售后服務的各項生產(chǎn)活動，是制造業(yè)的綜合自動化的新模式。它包括計算機集成制造(CIMS)、并行工程(CE)、敏捷制造(AM)、智能制造(IM)、精益生產(chǎn)(LP)等先進的生產(chǎn)組織管理模式和控制方法。

(5)先進管理技術。先進管理技術是先進制造技術體系的重要組成部分，包括現(xiàn)代管理信息系統(tǒng)、物流系統(tǒng)管理、工作流管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、質(zhì)量保障體系等。

5.1.4先進制造技術的特色和發(fā)展趨勢

制造業(yè)是永遠不落的太陽，是現(xiàn)代文明的支柱之一。它是工業(yè)的主體，是提供生產(chǎn)工具、生活資料、科技手段、國防裝備等的手段以及它們進步的依托，是現(xiàn)代化的動力源之一。制造業(yè)絕不是夕陽產(chǎn)業(yè)，但制造業(yè)中確有夕陽技術，這些技術同信息化大潮格格不入，同高科技發(fā)展不相適應，缺乏市場競爭力，甚至還可能危害生態(tài)環(huán)境。而與制造技術中的夕陽技術相對應的先進制造技術，則是制造技術同信息技術、管理科學等有關科學技術交融而形成的新型技術，可以說，它是高技術的載體，工業(yè)發(fā)達國家都給予了高度重視。它有以下8個方面的特色和發(fā)展趨勢。

1.數(shù)是發(fā)展的核心

數(shù)是指制造領域的數(shù)字化。它包括以設計為中心的數(shù)字制造、以控制為中心的數(shù)字制造和以管理為中心的數(shù)字制造。對數(shù)字化制造設備而言，其控制參數(shù)均為數(shù)字化信號；對數(shù)字化制造企業(yè)而言，各種信息(如圖形、數(shù)據(jù)、知識、技能等)均以數(shù)字形式通過網(wǎng)絡在企業(yè)內(nèi)傳遞，在多種數(shù)字化技術的支持下，企業(yè)對產(chǎn)品信息、工藝信息與資源信息進行分析、規(guī)劃與重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設計和產(chǎn)品功能的仿真，對加工過程與生產(chǎn)組織過程的仿真或完成原型制造，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速重組和對市場的快速反應。

2.精是發(fā)展的關鍵

精是指加工精度及其發(fā)展。20世紀初，超精密加工的誤差是10?m，20世紀70—80年代為0.01?μm，現(xiàn)在僅為0.001?μm，即1?nm。從海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭，到阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭，武器的命中率越來越高，其實質(zhì)就是武器越來越精，也就是說打精度戰(zhàn)。在現(xiàn)代超精密機械中，對精度要求極高，如人造衛(wèi)星的儀表軸承，其圓度、圓柱度、表面粗糙度等均達到納米級；基因操作機械的移動距離為納米級，移動精度為0.1?nm；細微加工、納米加工技術可達納米以下的要求，如果借助掃描隧道顯微鏡與原子力顯微鏡的加工，則可達0.1nm。

至于微電子芯片的制造，有所謂的三超：

(1)超凈。加工車間的塵埃顆粒直徑小于1?μm，顆粒數(shù)少于每立方英尺0.1個。

(2)超純。芯片材料有害雜質(zhì)的含量要小于十億分之一。

(3)超精。加工精度達納米級。顯然，沒有先進制造技術，就沒有先進電子技術裝備；當然，沒有先進電子技術與信息技術，也就沒有先進制造裝備。先進制造技術與先進信息技術是互相滲透、互相支持、緊密結合的。

3.極是發(fā)展的焦點

極就是極端條件，是指生產(chǎn)特需產(chǎn)品的制造技術，必須達到極的要求。例如，能在高溫、高壓、高濕、強沖擊、強磁場、強腐蝕等條件下工作，或有高硬度、大彈性等特點，或極大、極小、極厚、極薄、奇形怪狀的產(chǎn)品等，都屬于特需產(chǎn)品。微機電系統(tǒng)就是其中之一。這是工業(yè)發(fā)達國家高度關注的一項前沿科技，即所謂的微系統(tǒng)微制造。微機電系統(tǒng)的用途十分廣泛。

4.自是發(fā)展的條件

自就是自動化。它是減輕、強化、延伸、取代人的有關勞動的技術或手段。自動化總是伴隨著有關機械或工具來實現(xiàn)的?？梢哉f，機械是一切技術的載體，也是自動化技術的載體。

5.集是發(fā)展的方法

集就是集成化。目前，集主要指：

(1)現(xiàn)代技術的集成。機電一體化是個典型，它是高技術裝備的基礎。

(2)加工技術的集成。特種加工技術及其裝備是個典型，如激光加工、高能束加工、電加工等。

(3)企業(yè)的集成，即管理的集成，包括生產(chǎn)信息、功能、過程的集成，也包括企業(yè)內(nèi)部的集成和企業(yè)外部的集成。

6.網(wǎng)是發(fā)展的道路

網(wǎng)就是網(wǎng)絡化。制造技術的網(wǎng)絡化是先進制造技術發(fā)展的必由之路。制造業(yè)在市場競爭中，面臨多方的壓力：采購成本不斷提高，產(chǎn)品更新速度加快，市場需求不斷變化，全球化所帶來的沖擊日益加強，等等。企業(yè)要避免這一系列問題，就必須在生產(chǎn)組織上實行某種深刻的變革，拋棄傳統(tǒng)的小而全與大而全的夕陽技術，把力量集中在自己最有競爭力的核心業(yè)務上?？茖W技術特別是計算機技術、網(wǎng)絡技術的發(fā)展，使這種變革的需要成為可能。

7.智是發(fā)展的前景

智就是智能化。制造技術的智能化是制造技術發(fā)展的前景。與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造系統(tǒng)具有以下特點：

(1)人機一體化；

(2)自律能力強；

(3)自組織和超柔性；

(4)學習能力和自我維護能力；

(5)在未來，具有更高級的類人思維能力。

智能制造作為一種模式，是集自動化、集成化和智能化于一身，并具有不斷向縱深發(fā)展的高技術含量和高技術水平的先進制造系統(tǒng)，也是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化系統(tǒng)。它的突出之處，是在制造諸環(huán)節(jié)中，以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機模擬的人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構思和決策，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動，同時收集、存儲、處理、完善、共享、繼承和發(fā)展人類專家的制造智能。盡管智能化制造道路還很長，但是必將成為未來制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式之一，潛力極大，前景廣闊。

8.綠是發(fā)展的必然

綠就是綠色制造。人類必須從各方面促使自身的發(fā)展與自然界和諧一致，制造技術也不例外。制造業(yè)的產(chǎn)品從構思開始，到設計、制造、銷售、使用與維修，直到回收、再制造等各階段，都必須充分顧及環(huán)境保護與改善。不僅要保護與改善自然環(huán)境，還要保護與改善社會環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境以及生產(chǎn)者的身心健康。其實，保護與改善環(huán)境也是保護與發(fā)展生產(chǎn)力。在此前提下，制造出物美價廉、供貨期短、售后服務好的產(chǎn)品。

作為綠色制造，產(chǎn)品必須力求同用戶的工作、生活環(huán)境相適應，給人以高尚的精神享受，體現(xiàn)物質(zhì)文明與精神文明的高度交融。因此，發(fā)展和采用一項新技術時，必須樹立科學的發(fā)展觀，使制造業(yè)不斷邁向綠色制造。

5.2CIMS

CIMS是計算機應用技術在工業(yè)生產(chǎn)領域的主要分支技術之一。它的概念是由美國的J.Harrington于1973年首次提出的，但是直到20世紀80年代才得到人們的認可。對于CIMS的認識，一般包括以下兩個基本要點：

(1)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)，如市場分析預測、產(chǎn)品設計、加工制造、經(jīng)營管理、產(chǎn)品銷售等一切的生產(chǎn)經(jīng)營活動，是一個不可分割的整體。

(2)企業(yè)整個生產(chǎn)經(jīng)營過程從本質(zhì)上看，是一個數(shù)據(jù)的采集、傳遞、加工處理的過程，而形成的最終產(chǎn)品也可看成是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)形式。因此對CIMS通俗的解釋可以是“用計算機通過信息集成實現(xiàn)現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造，以求得企業(yè)的總體效益”。整個CIMS的研究開發(fā)，即系統(tǒng)的目標、結構、組成、約束、優(yōu)化和實現(xiàn)等方面，體現(xiàn)了系統(tǒng)的總體性和一致性。

構成CIMS的三大基本要素是人、技術和經(jīng)營管理，三者相互關聯(lián)、相互支持、相互制約。人掌握技術，技術支持人員工作；人制定管理模式、確定組織機構，同時也受組織和管理模式的制約；技術支持管理，同時管理也管技術。三者相重疊的部分實現(xiàn)了人、技術和經(jīng)營管理的集成。

5.2.1CIMS的構成

CIMS一般可以劃分為4個功能子系統(tǒng)和兩個支撐子系統(tǒng)：工程設計自動化子系統(tǒng)、管理信息子系統(tǒng)、制造自動化子系統(tǒng)、質(zhì)量保證子系統(tǒng)以及計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成框圖如圖5.2.1所示。

圖5.2.1CIMS構成框圖

1.?4個功能子系統(tǒng)

(1)管理信息子系統(tǒng)，以制造資源計劃(ManufacturingResourcePlanning，MRPII)為核心，包括預測、經(jīng)營決策、各級生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)技術準備、銷售、供應、財務、成本、設備、人力資源的管理信息功能。

(2)產(chǎn)品設計與制造工程自動化子系統(tǒng)，通過計算機來輔助產(chǎn)品設計、制造準備以及產(chǎn)品測試，即CAD/CAPP/CAM階段。

(3)制造自動化或柔性制造子系統(tǒng)，是CIMS信息流和物料流的結合點，是CIMS最終產(chǎn)生經(jīng)濟效益的聚集地，由數(shù)控機床、加工中心、清洗機、測量儀、運輸小車、立體倉庫、多級分布式控制計算機等設備及相應的支持軟件組成。

(4)質(zhì)量保證子系統(tǒng)，包括質(zhì)量決策、質(zhì)量檢測、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的采集、質(zhì)量評價、生產(chǎn)加工過程中的質(zhì)量控制與跟蹤功能。系統(tǒng)保證從產(chǎn)品設計、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品檢測到售后服務全過程的質(zhì)量。

2.兩個輔助子系統(tǒng)

(1)計算機網(wǎng)絡子系統(tǒng)，即企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)，支持CIMS各子系統(tǒng)的開放型網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。采用標準協(xié)議可以實現(xiàn)異機互聯(lián)、異構局域網(wǎng)和多種網(wǎng)絡的互聯(lián)。系統(tǒng)可滿足不同子系統(tǒng)對網(wǎng)絡服務提出的不同需求，支持資源共享、分布處理、分布數(shù)據(jù)庫和適時控制。

(2)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，支持CIMS各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和信息集成，覆蓋了企業(yè)全部數(shù)據(jù)信息，在邏輯上是統(tǒng)一的，在物理上是分布式的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

CIMS的主要特征是集成化與智能化。集成化反映了自動化的廣度，把系統(tǒng)空間擴展到市場、設計、加工、檢驗、銷售及用戶服務等全部過程；而智能化則體現(xiàn)了自動化的深度，即不僅涉及物質(zhì)流控制的傳統(tǒng)的體力勞動自動化，還包括了信息流控制的腦力勞動自動化。

總之，CIM是組織、管理生產(chǎn)的一種哲理、思想與方法，適用于各種制造業(yè)。CIM的許多相關技術具有共性，而CIMS則是這種思想的具體實現(xiàn)。它不是千篇一律的一種模式，各國乃至各個企業(yè)均應根據(jù)自己的需求與特點來發(fā)展自己的CIMS。

5.2.2CIMS的控制體系結構

在對傳統(tǒng)的制造管理系統(tǒng)功能需求進行深入分析的基礎上，美國國家標準技術研究院提出了5層的CIMS控制體系結構(如圖5.2.2所示)，即工廠層、車間層、單元層、工作站層和設備層。每一層又可進一步分解為模塊或子層，并都由數(shù)據(jù)驅動。

圖5.2.2AMRF/CIMS分級體系結構

1.工廠層控制系統(tǒng)

工廠層控制系統(tǒng)為CIMS的最高一級控制，進行生產(chǎn)管理，履行“工廠”或“總公司”的職能。它的規(guī)劃時間范圍(指任何控制層完成任務的時間長度)可以從幾個月到幾年。該層按主要功能又可分為3個模塊：生產(chǎn)管理模塊、信息管理模塊和制造工程模塊。

(1)生產(chǎn)管理模塊。

(2)信息管理模塊。

(3)制造工程模塊。

2.車間層控制系統(tǒng)

車間層控制系統(tǒng)負責協(xié)調(diào)車間的生產(chǎn)和輔助性工作，以及完成上述工作的資源配置。其規(guī)劃時間范圍從幾周到幾個月。它一般有以下兩個主要模塊：

(1)任務管理模塊。

(2)資源分配模塊。

3.單元層控制系統(tǒng)

單元層控制系統(tǒng)負責相似零件分批通過工作站的順序和管理及其他有關輔助工作。它的規(guī)劃時間范圍可從幾個小時到幾周。具體的工作內(nèi)容是完成任務分解，資源需求分析，向車間層控制系統(tǒng)報告作業(yè)進展和系統(tǒng)狀態(tài)，決定分批零件的動態(tài)加工路線，安排工作站的工序，給工作站分配任務以及監(jiān)控任務的進展情況。

4.工作站層控制系統(tǒng)

工作站層控制系統(tǒng)負責和協(xié)調(diào)車間中一個設備小組的活動。它的規(guī)劃時間范圍可從幾分鐘到幾小時。一個典型的加工工作站由一臺機器人、一臺機床、一個物料存儲器和一臺控制計算機組成。

5.設備層控制系統(tǒng)

設備層控制系統(tǒng)是機器人、各種加工機床、測量儀器、小車、傳送裝置等各種設備的控制器。采用這種控制是為了加工過程中的改善修正、質(zhì)量檢測等方面的自動計量和自動在線檢測、監(jiān)控。該層控制系統(tǒng)向上與工作站控制系統(tǒng)接口連接，向下與廠家供應的各單元設備控制器連接。設備控制器的功能是把工作站控制器命令轉換成可操作的、有次序的簡單任務，并通過各種傳感器監(jiān)控這些任務的執(zhí)行。

5.2.3CIMS中的信息集成

CIMS的關鍵是信息集成，集成的作用是將原來獨立的自動化系統(tǒng)組成一個協(xié)同工作的、功能更強的新系統(tǒng)。

CIMS系統(tǒng)的集成一般應具備以下3個基本特征：

(1)數(shù)據(jù)共享。

(2)功能交互。

(3)開放式結構。

CIMS信息集成的實施包括3個層次：物理集成、應用集成和經(jīng)營集成。物理集成是指物理設備互連、網(wǎng)絡配置和管理、設備間通信、數(shù)據(jù)交換規(guī)則和協(xié)定的設定等，它是一切信息集成的基礎。應用集成又稱應用軟件集成，它能提供一些機制，如采用全局數(shù)據(jù)管理、客戶機/服務器結構等，能使各過程之間共享公共數(shù)據(jù)和公共資源。經(jīng)營集成又稱業(yè)務集成，可支持穩(wěn)定的決策過程，是在應用集成的基礎上實現(xiàn)各種經(jīng)營功能的完整集成。

5.2.4CIMS的關鍵技術

CIMS是一個復雜的系統(tǒng)，是一種適用于多品種、中小批量的高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。它是由很多子系統(tǒng)組成的，而這些子系統(tǒng)本身又都是具有相當規(guī)模的復雜系統(tǒng)。因此，涉及CIMS的關鍵技術很多，歸納起來，大致有以下5個方面。

1.?CIMS系統(tǒng)的結構分析與設計

這是系統(tǒng)集成的理論基礎及工具，如系統(tǒng)結構組織學和多級遞階決策理論、離散事件動態(tài)系統(tǒng)理論、建模技術與仿真、系統(tǒng)可靠性理論及容錯控制，以及面向目標的系統(tǒng)設計方法等。

2.支持集成制造系統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫技術及系統(tǒng)應用支撐軟件

它包括支持CAD/CAM集成的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，支持分布式多級生產(chǎn)管理調(diào)度的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)與實時、在線遞級控制系統(tǒng)的綜合與集成。CIMS的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常采用集中與分布相結合的體系結構，以保證數(shù)據(jù)的安全性、一致性和易維護性。此外，CIMS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)往往還建立一個專用的工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用來處理大量的工程數(shù)據(jù)。工程數(shù)據(jù)類型復雜，它包含圖形、加工工藝規(guī)程、NC代碼等各種類型的數(shù)據(jù)。

3.?CIMS網(wǎng)絡

它是支持CIMS各個分系統(tǒng)的開放型網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。通過計算機網(wǎng)絡將物理上分布的CIMS各個分系統(tǒng)的信息聯(lián)系起來，以達到共享的目的。按照企業(yè)覆蓋地理范圍的大小，有兩種計算機網(wǎng)絡可供CIMS采用，一種為局域網(wǎng)，另一種為廣域網(wǎng)。目前，CIMS一般以互聯(lián)的局域網(wǎng)為主。如果工廠廠區(qū)的地理范圍相當大，局域網(wǎng)可能要通過遠程網(wǎng)進行互聯(lián)，從而使CIMS同時兼有局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的特點。

4.自動化制造技術與設備

這是實現(xiàn)CIMS的物質(zhì)技術基礎，其中包括自動化制造設備FMS、自動化物料輸送系統(tǒng)、移動機器人及裝配機器人、自動化倉庫以及在線檢測及質(zhì)量保障等技術。

5.軟件開發(fā)環(huán)境

良好的軟件開發(fā)環(huán)境是系統(tǒng)開發(fā)和研究的保證。這里涉及面向用戶的圖形軟件系統(tǒng)、適用于CIMS分析設計的仿真軟件系統(tǒng)、CAD直接檢查軟件系統(tǒng)以及面向制造控制與規(guī)劃開發(fā)的專家系統(tǒng)。

5.2.5CIMS的實施要點

CIMS系統(tǒng)是企業(yè)經(jīng)營過程、人的作用發(fā)揮和新技術的應用這3方面集成的產(chǎn)物。因此，CIMS的實施要點也要從這幾方面來考慮。

(1)要改造原有的經(jīng)營模式、體制和組織，以適應市場競爭的需要。因為CIMS是多技術支持條件下的一種新的經(jīng)營模式。

(2)在企業(yè)經(jīng)營模式、體制和組織的改造過程中，對于人的因素要給予充分的重視，并妥善處理，因為其中涉及了人的知識水平、技能和觀念。

(3)?CIMS的實施是一個復雜的系統(tǒng)工程，整個實施過程必須有正確的方法論指導和規(guī)范化的實施步驟，以減少盲目性和不必要的疏漏。

5.2.6CIMS的經(jīng)濟效益

一個制造型企業(yè)采用CIMS，概括地講是提高了企業(yè)整體效率。具體而言，體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)在工程設計自動化方面，可提高產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)能力，便于開發(fā)技術含量高和結構復雜的產(chǎn)品，保證產(chǎn)品設計質(zhì)量，縮短產(chǎn)品設計與工藝設計的周期，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，滿足顧客需求，從而占領市場。

(2)在制造自動化或柔性制造方面，加強了產(chǎn)品制造的質(zhì)量和柔性，提高了設備利用率，縮短了產(chǎn)品制造周期，增強了生產(chǎn)能力，加強了產(chǎn)品供貨能力。

(3)在經(jīng)營管理方面，可使企業(yè)的經(jīng)營決策和生產(chǎn)管理趨于科學化，使企業(yè)能夠在市場競爭中快速、準確地報價，贏得時間；在實際生產(chǎn)中，可解決“瓶頸”問題，減少在制品；同時，可降低庫存資金的占用。

5.2.7CIMS的研究發(fā)展趨勢

20世紀80年代以來，CIMS逐漸成為制造工業(yè)的熱點。CIMS以其生產(chǎn)率高、生產(chǎn)周期短以及在制品少等一系列極有吸引力的優(yōu)點，給一些大公司帶來了顯著的經(jīng)濟效益。世界上很多國家和企業(yè)都把發(fā)展CIMS定為全國制造工業(yè)或企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，制訂了很多由政府或企業(yè)支持的計劃，用以推動CIMS的開發(fā)應用。

在我國，盡管制造工業(yè)的技術和管理總體水平與工業(yè)發(fā)達國家還有較大差距，但也已將CIMS技術列入我國的高技術研究發(fā)展計劃(即“863”計劃)，其目的就是要在自動化領域跟蹤世界的發(fā)展，力求縮小與國外先進制造技術的差距，為增強我國的綜合國力服務。

CIMS是現(xiàn)代信息技術、計算機技術、自動控制技術、生產(chǎn)制造技術、系統(tǒng)和管理技術的綜合集成系統(tǒng)，也是一項投資大、涉及面廣、實現(xiàn)時間長和技術上不斷演變的系統(tǒng)工程，其中各項單元技術的發(fā)展、部分系統(tǒng)的運行都成功地表明了CIMS工程的巨大潛力。

近些年，并行工程、人工智能及專家系統(tǒng)技術在CIMS中的應用大大推動了CIMS技術的發(fā)展，增強了CIMS的柔性和智能性。隨著信息技術的發(fā)展，人們在CIMS基礎上又提出了各種現(xiàn)代制造系統(tǒng)，諸如精良生產(chǎn)、敏捷技術、全球制造等。與此同時，人們不但將信息引入到了制造業(yè)，而且將基因工程和生物模擬引入了制造技術，力圖建立一種具有更高柔性的開放的制造系統(tǒng)。

5.3工?業(yè)?機?器?人

機器人技術是涉及機械學、傳感器技術、驅動技術、控制技術、通信技術和計算機技術的一門綜合性高新技術，既是光機電一體化的重要基礎，又是光機電一體化技術的典型代表。特定應用的機器人，如弧焊、點焊、噴漆裝備、刷膠和建筑等，形成了龐大的機器人產(chǎn)業(yè)。

5.3.1工業(yè)機器人的基本概念

1.工業(yè)機器人的定義

工業(yè)機器人是一種可重復編程、多自由度的自動控制操作機，至今尚無公認的定義。我們綜合有關定義，可將其理解為“工業(yè)機器人是技術系統(tǒng)的一種類別，它能以其動作復現(xiàn)人的動作和職能；它與傳統(tǒng)的自動機的區(qū)別在于有更大的萬能性和多目的用途，可以反復調(diào)整以執(zhí)行不同的功能”。

2.工業(yè)機器人的組成

工業(yè)機器人一般由操作機構、控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。

(1)操作機構。操作機構是一種具有和人手相似的動作功能，可在空中抓放物體或執(zhí)行其他操作的機械裝置，通常包括以下部件：

·手部：又稱抓取機構或夾持器，用于直接抓取工件或工具。手部還可安裝一些專用工具，如焊槍、噴槍、電鉆、擰緊器等。

·腕部：是連接手部和手臂的部件，用以調(diào)整手部的姿態(tài)和方位。

·手臂：是支撐手部和腕部的部件，由動力關節(jié)和連桿組成，用以承受工件或工具的負荷，改變工件或工具的空間位置并到達指定地點。

·機身：是基礎部件，起支撐和連接作用。

(2)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是機器人的大腦，使機器人按預定要求進行動作，并記憶人們給予的指令信息，同時按照控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出執(zhí)行指令。

(3)驅動系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)是機器人的動力源，它按照控制系統(tǒng)發(fā)來的控制指令，驅動執(zhí)行機構進行運動。

(4)位置檢測系統(tǒng)。位置檢測系統(tǒng)通過力、位置、觸覺、視覺等傳感器檢測機器人的運動位置和工作狀態(tài)，并隨時反饋給控制系統(tǒng)，以便使執(zhí)行機構具有一定的精度。

(5)人工智能系統(tǒng)。人工智能系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是由各類傳感器來實現(xiàn)感覺功能的感覺系統(tǒng)；二是決策、規(guī)劃系統(tǒng)，包括邏輯判斷、模式識別和規(guī)劃操作程序等功能。

3.工業(yè)機器人的分類

1)按系統(tǒng)功能分

(1)專用機器人：在固定地點以固定的程序工作，無獨立的控制系統(tǒng)，工作對象單一，動作少，結構簡單，造價低。

(2)通用機器人：具有獨立的控制系統(tǒng)，動作靈活多樣，通過改變控制程序能完成多種作業(yè)。它的結構復雜，工作范圍大，定位精度高，通用性強。

(3)示教再現(xiàn)機器人：具有記憶功能，可完成復雜動作，通過人的示教使機器人的控制系統(tǒng)記憶所做的動作順序，機器人就能按記憶自動完成作業(yè)，用于完成空間路徑和動作復雜的工作場所。

(4)智能機器人：采用計算機控制，具有人工智能。通過各種感覺功能和識別功能可做出決策并自動進行反饋糾正。

2)按驅動方式分

(1)氣壓傳動機器人：以壓縮空氣來驅動執(zhí)行機構，具有動作快、結構簡單、成本低等優(yōu)點，不足之處是工作速度穩(wěn)定性差，抓重有一定的限制，適合在高速輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中作業(yè)。

(2)液壓傳動機器人：具有較大的抓舉能力，且結構緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但要求有嚴格的密封和油液過濾，對液壓件的制造精度也有較高的要求，不宜在高溫或低溫下工作。

(3)電力傳動機器人：由交、直流伺服電動機，直線電動機或功率步進電動機驅動。因其可以運用多種靈活的控制方法及電動機的品種眾多而為設計提供了多種選擇，且結構簡單、緊湊，所以成為目前應用較為廣泛的工業(yè)機器人。

3)按結構形式分

(1)直角坐標機器人：由3個相互正交的平移坐標軸組成，各個坐標軸運動獨立，具有控制簡單、定位精度高的特點。

(2)圓柱坐標機器人：由立柱和一個安裝在立柱上的水平臂組成，其立柱安裝在回轉機座上，水平臂可以自由伸縮，并可沿立柱上下移動。該類機器人具有一個旋轉軸和兩個平移軸。

(3)球坐標機器人：由回轉機座、俯仰鉸鏈和伸縮臂組成，具有兩個旋轉軸和一個平移軸?？缮炜s搖臂的運動結構與坦克的轉塔類似，可實現(xiàn)旋轉和俯仰運動。

(4)關節(jié)機器人：其運動類似人的手臂，由大小兩臂和立柱等機構組成。大小臂之間用鉸鏈連接而形成肘關節(jié)，大臂和立柱連接而形成肩關節(jié)，可實現(xiàn)三個方向的旋轉運動。它能抓取靠近機座的物件，也能繞過機體和目標間的障礙物去抓取物件，具有較高的運動速度和極好的靈活性，成為最通用的機器人。

4.工業(yè)機器人的性能特征

工業(yè)機器人的性能特征影響機器人的工作效率和可靠性，以下幾方面的性能指標在機器人的設計和選用時必須逐一予以考慮和重視，以便能滿足需要。

(1)自由度。自由度是衡量機器人技術水平的主要指標。所謂自由度是指運動件相對于固定坐標系所具有的獨立運動。

(2)工作空間。工作空間是指機器人運用手部進行工作的空間范圍。機器人的工作空間取決于機器人的結構形式和每個關節(jié)的運動范圍。

(3)提取重力。提取重力是反映機器人負載能力的一個重要參數(shù)，根據(jù)提取重力的不同范圍，可將機器人分為：

·微型機器人，提取重力在10N以下；

·小型機器人，提取重力為10～50N；

·中型機器人，提取重力為50～300N；

·大型機器人，提取重力為300～500N；

·重型機器人，提取重力在500N以上。

(4)運動速度。運動速度影響機器人的運動周期和工作效率，它與機器人所提取的重力和位置精度有密切的關系。運動速度高，機器人所承受的動載荷變大，并同時承受著加減速時較大的慣性力，影響機器人的工作平穩(wěn)性和位置精度。

(5)位置精度。位置精度是衡量機器人工作質(zhì)量的另一項重要指標。位置精度的高低取決于位置控制方式以及機器人運動部件本身的精度和剛度，此外還與提取重力和運動速度等因素有密切關系。

5.3.2工業(yè)機器人的機械結構

1.工業(yè)機器人手部的機械結構

工業(yè)機器人的手部是用于抓取和握緊(或吸附)工件或專用夾緊工具進行操作的部件。它安裝在機器人手臂的前端，是操作機構直接執(zhí)行工作的裝置。根據(jù)其用途和結構的不同可以分為夾持式、吸附式和專用工具3類。

(1)夾持類手部是利用夾鉗的開閉來夾緊和抓取工件的，按其結構又分為兩指或多指、回轉和平移、外夾和內(nèi)撐等多種形式。

(2)吸附式手部分為氣吸式和磁吸式。氣吸式手部是利用真空吸力及負壓吸力吸持工件，它適用于抓取薄片工件，吸盤由橡膠或塑料制成。磁吸式手部是利用電磁鐵和永久磁鐵的磁力吸取磁性物質(zhì)的小五金件。

(3)專用工具供工業(yè)機器人完成某類特定的作業(yè)之用，可直接安裝在機器人的腕部，如焊槍、噴槍、電動扳手、電鉆等。

2.工業(yè)機器人手臂的機械結構

手臂是操作機構中的主要運動部件，它用來支撐手部和腕部，并調(diào)整手部在空間的位置。手臂一般應有三個自由度，這些自由度可以是移動副和回轉副。手臂的直線運動多數(shù)通過液壓缸來實現(xiàn)，也可通過齒輪齒條、滾珠絲杠、直線電動機來實現(xiàn)?；剞D運動可采用蝸輪蝸桿式、液壓缸活塞桿上的齒條驅動齒輪的方式、液壓缸通過鏈條驅動鏈輪轉動、利用液壓缸活塞桿直接驅動手臂回轉、由回轉液壓缸直接驅動手臂回轉、由步進電動機通過齒輪轉動使手臂回轉、由直流電動機通過諧波傳動裝置驅動手臂回轉。

3.工業(yè)機器人腕部的機械結構

手腕是連接手臂和手部的部件，其功能是在手臂和腕部實現(xiàn)了手部在空間的3個位置(自由度)坐標的基礎上，再由手腕來實現(xiàn)手部在作業(yè)空間的3個姿態(tài)(方位)坐標，即實現(xiàn)3個旋轉自由度。手腕一般由彎曲式關節(jié)和轉動式關節(jié)組成，它處于手臂末端，為減輕手臂載荷，使機器人具有良好的動力學特性，一般將驅動裝置安裝在立柱或靠近立柱的其他部件上，而不直接安裝在腕部，通過齒條、齒形帶或連桿將運動傳遞到腕部。

5.3.3工業(yè)機器人的控制原理

1.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的技術特點

(1)工業(yè)機器人有若干個關節(jié)，多個關節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

(2)工業(yè)機器人的任務控制手部進行空間點位運動或連續(xù)軌跡運動，對工業(yè)機器人的運動控制需要進行復雜的坐標變換運算及矩陣函數(shù)的逆運算。

(3)工業(yè)機器人的數(shù)學模型是一個多變量、非線性和參變數(shù)的復雜模型，各變量之間還存在耦合，因此工業(yè)機器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦和自適應等復雜控制技術。

(4)較高級的工業(yè)機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析，采用計算機建立數(shù)據(jù)庫，用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作，按照要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。

2.工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，它使機器人按照作業(yè)要求去完成各種任務。由于機器人的類型較多，因此其控制系統(tǒng)的形式也是多種多樣的。

一個典型機器人的閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理如圖5.3.1所示。

圖5.3.1機器人閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理

工業(yè)機器人的動作是通過示教→存儲→再現(xiàn)的過程來實現(xiàn)的。要使機器人具有完成預定作業(yè)的功能，須將作業(yè)示教給機器人，這個操作過程稱為“示教”；將示教內(nèi)容記憶下來稱為“存儲”；按照存儲的示教內(nèi)容進行動作稱為“再現(xiàn)”。早期是利用行程開關、擋塊、凸輪及各類順序控制器來實現(xiàn)這一過程的。由于計算機性能的提高和價格的下降，目前大多采用計算機控制以不同的方法完成示教編程。實現(xiàn)自動完成預定的作業(yè)任務，關鍵在于控制系統(tǒng)具有記憶功能，能存儲完成作業(yè)所需的全部信息。

在示教階段，由操作者撥動示教盒上的開關按鈕或用手握著機器人的手臂來操作機器人，使它按需要的姿勢、順序和路線進行工作。此時，機器人一邊工作，一邊將示教的各種信息通過反饋回路逐一反饋到記憶裝置中存儲起來。實際工作時，撥動控制面板上的啟動開關使機器人轉入再現(xiàn)階段，于是機器人便從記憶裝置中依次調(diào)出在示教階段所存儲的信息，利用這些信息去控制機器人再現(xiàn)示教階段的動作。示教再現(xiàn)式控制系統(tǒng)的工作原理如圖5.3.2所示。

圖5.3.2示教再現(xiàn)式控制系統(tǒng)工作原理圖

5.3.4工業(yè)機器人的應用及發(fā)展趨勢

機器人作為一種擬人的工作機械，隨著機器人技術的不斷發(fā)展，其應用領域也在不斷拓寬，從傳統(tǒng)的制造業(yè)正在向非制造業(yè)領域擴展。

工業(yè)機器人之所以得到如此廣泛的應用，是因為它具有以下幾個特點：

(1)造價越來越低，1990年平均每臺的價格為3萬元左右。

(2)工業(yè)機器人適合長時間工作，尤其是重復性工作。

(3)工業(yè)機器人可在危險、有毒、有害的環(huán)境中工作，避免了人在這種環(huán)境下傷亡的可能性。

(4)工作性能穩(wěn)定，不受情緒等因素的影響，易于保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

(5)工業(yè)機器人適應的產(chǎn)品和作業(yè)范圍很廣。

目前，工業(yè)機器人有如下幾個發(fā)展趨勢。

1.精良機器人

精良機器人是由英國的ABBRobotics公司在近年來提出的，其宗旨是尋求成本低廉的自動化。

2.微型機器人

微型機器人是21世紀的尖端技術之一。開發(fā)幾何尺寸為毫米級(甚至更小尺寸)的微型機器人一直是機器人技術研究和開發(fā)的一個誘人的目標。

3.智能機器人

智能化是工業(yè)機器人的一個重要發(fā)展方向。目前，機器人的智能化研究可以分為兩個層次：一是利用模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制等智能控制策略，利用被控對象對模型依賴性不強的特點來解決機器人的復雜控制問題，或者在此基礎上增加軌跡或動作規(guī)劃等內(nèi)容，這是智能化的最低層次；二是使機器人具有與人類類似的邏輯推理和問題求解能力，面對非結構性環(huán)境能夠自主尋求解決方案并加以執(zhí)行，這是更高層次的智能化。

4.機器人的多機協(xié)調(diào)化

由于生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，因此對機器人的多機協(xié)調(diào)作業(yè)要求越來越迫切。在很多大型生產(chǎn)線上，往往要求很多機器人共同完成一個生產(chǎn)過程，因而每個機器人的控制就不單純是自身的控制問題，而需要多機協(xié)調(diào)動作。

5.機器人的標準化

機器人的標準化工作是一項十分重要而又艱巨的任務。機器人的標準化有利于制造業(yè)的發(fā)展，但目前不同廠家的機器人之間很難進行通信和零部件的互換。

6.機器人的模塊化

智能機器人和高級機器人的結構力求簡單緊湊，其高性能部件甚至全部機構的設計已向模塊化方向發(fā)展。其驅動采用交流伺服電動機，向小型和高輸出方向發(fā)展；其控制裝置向小型化和智能化方向發(fā)展；其軟件編程也在向模塊化方向發(fā)展。

5.4有?限?元?分?析

5.4.1有限元法的基本思想有限元法的基本思想是：先把一個原來是連續(xù)的物體剖分(離散)成有限個單元，而且它們相互連接在有限個節(jié)點上(如圖5.4.1所示)，承受等效的節(jié)點載荷，并根據(jù)平衡條件進行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合起來，成為一個組合體，再綜合求解。由于單元的個數(shù)是有限的，節(jié)點數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。

圖5.4.1單元剖分示例

5.4.2有限元分析法的應用

有限元方法是隨著計算機技術的應用而發(fā)展起來的一種先進的CAD/CAE技術，廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、機械、電子、土木等各個領域中的科學計算、設計、分析中，成功地解決了許多復雜的設計和分析問題，已成為工程設計和分析中的重要工具。如圖5.4.2所示為CAE技術在機械工程中的應用，目前，有限元方法在機械工程中的應用主要有以下幾個方面。

(1)靜力學分析：這是對二維或三維的機械結構承載后的應力、應變和變形進行分析，是有限元方法在機械工程中最基本、最常用的分析類型。當作用在結構上的載荷不隨時間變化或隨時間的變化十分緩慢時，應進行靜力學分析。

(2)模態(tài)分析：這是動力學分析的一種，用于研究結構的固有頻率和自振形式等振動特性，進行這種分析時所施加的載荷只能是位移載荷和預應力載荷。

(3)諧響應分析和瞬態(tài)動力學分析：這兩類分析也屬動力學分析，用于研究結構對周期載荷和非周期載荷的動態(tài)響應。

(4)熱應力分析：這類分析用于研究結構的工作溫度不等于安裝溫度或工作時結構內(nèi)部存在溫度分布時結構內(nèi)部的溫度應力。

(5)接觸分析：這是一種狀態(tài)非線性分析，用于分析兩個結構物發(fā)生接觸時的接觸面狀態(tài)、法向力等。

(6)屈曲分析：這是一種幾何非線性分析，用于確定結構開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀，比如壓桿穩(wěn)定性問題。

圖5.4.2CAE技術在機械工程中的應用

5.4.3常用有限元軟件

隨著一些商業(yè)通用有限元軟件的出現(xiàn)，有限元分析的應用范圍越來越廣，能處理的問題越來越多，涉及的問題越來越大。

常用的有限元軟件包有MSC、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、NASTRAN、MARC、ASKA、ADINA等。

5.4.4有限元分析的一般流程

有限元分析的目的就是針對具有任意復雜幾何形狀的變形體，完整獲取在復雜外力作用下它內(nèi)部的準確力學信息，即求取該變形體的3類力學信息(位移、應變、應力)。在準確進行力學分析的基礎上，設計師就可以對所設計對象進行強度、剛度等方面的評判，以便對不合理的設計參數(shù)進行修改，得到較優(yōu)化的設計方案；然后，再次進行方案修改后的有限元分析，以進行最后的力學評判和校核，確定出最后的設計方案。

有限元問題最終可以歸結為：在滿足邊界條件的情況下，求解基本方程。

對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導和運算求解不同。有限元求解問題的基本步驟如下：

第一步，問題及求解域定義。

第二步，求解域離散化。

第三步，確定狀態(tài)變量及控制方法。

第四步，單元推導。

第五步，總裝求解。

第六步，聯(lián)立方程組求解和結果解釋。

簡言之，有限元分析可分成3個階段，即前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。有限元法求解的具體步驟如圖5.4.3所示，基于ANSYS的有限元應力應變分析如圖5.4.4所示。

圖5.4.4基于ANSYS有限元應力應變分析圖

圖5.4.3有限元法求解的具體步驟

5.5CAPP技術

5.5.1CAPP的概念及意義CAPP的開發(fā)、研制是從20世紀60年代末開始的，在制造自動化領域，CAPP的發(fā)展是最遲的部分。CAPP的作用是利用計算機來進行零件加工工藝過程的制訂，把毛坯加工成工程圖紙上所要求的零件。CAPP也常被譯為計算機輔助工藝規(guī)劃。

計算機輔助工藝過程設計的基本原理正是基于人工設計的過程及需要解決的問題而提出的：隨著機械制造生產(chǎn)技術的發(fā)展及多品種小批量生產(chǎn)的要求，特別是CAD/CAM系統(tǒng)向集成化、智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的工藝設計方法已遠遠不能滿足要求。CAPP也是應運而生的，用CAPP代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工藝設計克服了上述缺點。它對于機械制造業(yè)具有重要意義，其主要表現(xiàn)如下：

(1)可以將工藝設計人員從大量繁重的、重復性的手工勞動中解放出來，使他們能從事新產(chǎn)品的開發(fā)、工藝裝備的改進及新工藝的研究等創(chuàng)造性的工作。

(2)可以大大地縮短工藝設計周期，保證工藝設計的質(zhì)量，提高產(chǎn)品在市場上的競爭能力。

(3)能繼承有經(jīng)驗的工藝設計人員的經(jīng)驗，提高企業(yè)工藝的繼承性，特別是在當前國內(nèi)外機械制造企業(yè)有經(jīng)驗的工藝設計人員日益短缺的情況下，它具有特殊意義。

(4)可以提高企業(yè)工藝設計的標準化，并有利于工藝設計的最優(yōu)化工作。

(5)為適應當前日趨自動化的現(xiàn)代制造環(huán)節(jié)的需要和實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)創(chuàng)造必要的技術基礎。

(6)工藝人員的工藝經(jīng)驗、工藝知識能夠得到充分的利用和共享。

(7)制造資源、工藝參數(shù)等以適當?shù)男问浇⒅圃熨Y源和工藝參數(shù)庫。

(8)能充分利用標準(典型)工藝生成新的工藝文件。

5.5.2CAPP系統(tǒng)的分類

計算機輔助編制工藝規(guī)程的方法大致有派生式、創(chuàng)成式和綜合式3種，那么相應的CAPP系統(tǒng)也就可以分為以下3種。

1.派生式(Variant)CAPP系統(tǒng)

派生式CAPP系統(tǒng)也叫檢索式、變異式、修訂式、樣件式CAPP系統(tǒng)，它是建立在成組技術(GT)的基礎上，它的基本原理是利用零件的相似性(即相似零件有相似工藝規(guī)程)。一個新零件的工藝規(guī)程是通過檢索系統(tǒng)中已有的相似零件的工藝規(guī)程并加以篩選或編輯而成的。

計算機內(nèi)存儲的是一些標準工藝過程和標準工序；從設計角度看，與常規(guī)工藝設計的類比設計相同，也就是用計算機模擬人工設計的方式，其繼承和應用的是標準工藝。派生式系統(tǒng)必須有一定量的樣板(標準)工藝文件，在已有工藝文件的基礎上修改編制而生成新的工藝文件。

2.創(chuàng)成式(Generative)CAPP系統(tǒng)

創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)也叫生成式CAPP系統(tǒng)。創(chuàng)成式系統(tǒng)的工藝規(guī)程是根據(jù)程序中所反映的決策邏輯和制造工程數(shù)據(jù)信息生成的，這些信息主要是有關各種加工方法的加工能力和對象，各種設備及刀具的適用范圍等一系列的基本知識。工藝決策中的各種決策邏輯存入相對獨立的工藝知識庫，供主程序調(diào)用。向創(chuàng)成式系統(tǒng)輸入待加工零件的信息后，系統(tǒng)能自動生成各種工藝規(guī)程文件，用戶不需或略加修改即可。創(chuàng)成式系統(tǒng)不需要派生法中的樣板工藝文件，在創(chuàng)成系統(tǒng)中只有決策邏輯與規(guī)則，系統(tǒng)必須讀取零件的全面信息，在此基礎上按照程序所規(guī)定的邏輯規(guī)則自動生成工藝文件。

3.綜合式(Hybrid)CAPP系統(tǒng)

綜合式是將派生式、創(chuàng)成式與人工智能結合在一起，綜合而成的。

從以上3種CAPP系統(tǒng)中工藝文件產(chǎn)生的方式可以看出，派生式系統(tǒng)必須有樣板文件，因此它的適用范圍局限性很大，只能針對某些具有相似性的零件產(chǎn)生工藝文件。在一個企業(yè)中這種零件只是一部分，那么派生式系統(tǒng)就無法解決其他零件的工藝文件。創(chuàng)成式系統(tǒng)雖然基于專家系統(tǒng)自動生成工藝文件，但需輸入全面的零件信息，包括工藝加工的信息。

除上面幾種CAPP系統(tǒng)以外，還有一種智能式的CAPP系統(tǒng)越來越受到重視。智能式CAPP系統(tǒng)是將人工智能技術應用在CAPP系統(tǒng)中所形成的CAPP專家系統(tǒng)。智能式CAPP系統(tǒng)與創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)有一定區(qū)別，正如人們所知，創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)及CAPP專家系統(tǒng)都可自動地生成工藝規(guī)程。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)以邏輯算法加決策表為其特征，而智能式CAPP系統(tǒng)則以推理加知識為其特征。

5.5.3CAPP系統(tǒng)的基礎技術

1.成組技術

成組技術是一門生產(chǎn)技術科學，CAPP系統(tǒng)的研究和開發(fā)與成組技術密切相關。成組技術的實質(zhì)是利用事物的相似性，把相似問題歸類成組并進行編碼，尋求解決這一類問題相對統(tǒng)一的最優(yōu)方案，從而節(jié)約時間和精力以取得所期望的經(jīng)濟效益。零件分類和編碼是成組技術的兩個最基本概念。

根據(jù)零件特征對零件進行分組的過程是分類；給零件賦予代碼則是編碼。對零件設計來說，由于許多零件具有類似的形狀，可將它們歸并為設計族，設計一個新的零件可以通過修改一個現(xiàn)有同族典型零件而形成。

2.零件信息的描述與輸入

零件信息的描述與輸入是CAPP系統(tǒng)運行的基礎和依據(jù)。零件信息包括零件名稱、圖號、材料、幾何形狀及尺寸、加工精度、表面質(zhì)量、熱處理以及其他技術要求等。準確的零件信息描述是CAPP系統(tǒng)進行工藝分析決策的可靠保證，因此對零件信息描述的簡明性、方便性以及輸入的快速性等方面都有較高的要求。

3.工藝設計決策機制

工藝設計方案決策主要有工藝流程決策、工序決策、工步?jīng)Q策以及工藝參數(shù)決策等內(nèi)容。其中，工藝流程設計中的決策最為復雜，是CAPP系統(tǒng)中的核心部分。不同類型CAPP系統(tǒng)的形成，主要也是由于工藝流程生成的決策方法不同而決定的。為保證工藝設計達到全局最優(yōu)，系統(tǒng)常把上述內(nèi)容集成在一起，進行綜合分析、動態(tài)優(yōu)化和交叉設計。

4.工藝知識的獲取及表示

工藝設計隨著各個企業(yè)的設計人員、資料條件、技術水平以及工藝習慣不同而變化。要使工藝設計能夠在企業(yè)中得到廣泛有效的應用，必須根據(jù)企業(yè)的具體情況，總結出適應本企業(yè)的零件加工典型工藝決策的方法，按所開發(fā)CAPP系統(tǒng)的要求，用不同的形式表示這些經(jīng)驗及決策邏輯。

5.工藝數(shù)據(jù)庫的建立

CAPP系統(tǒng)在運行時需要相應的各種信息，如機床參數(shù)、刀具參數(shù)、夾具參數(shù)、量具參數(shù)、材料、加工余量、標準公差及工時定額等。工藝數(shù)據(jù)庫的結構要考慮方便用戶對數(shù)據(jù)庫進行檢索、修改和增刪，還要考慮工件、刀具材料以及加工條件變化時數(shù)據(jù)庫的擴充和完善。

5.5.4CAPP軟件的基本功能

1.?CAPP的體系結構

對照前面手工工藝設計過程及相應內(nèi)容，計算機輔助工藝規(guī)劃的內(nèi)容主要應包括：

①產(chǎn)品零件信息輸入；

②毛坯選擇及毛坯圖生成；

③定位夾緊方案選擇；

④加工方法選擇；

⑤加工順序安排；

⑥加工設備和工藝裝備確定；

⑦工藝參數(shù)計算；

⑧工藝信息(文件)輸出。

CAPP系統(tǒng)的結構，視其工作原理、產(chǎn)品對象、規(guī)模大小不同而有較大的差異。以下是根據(jù)CAD/CAPP/CAM集成要求而擬定的一個例子，其基本模塊如下：

(1)控制模塊，其主要任務是協(xié)調(diào)各模塊的運行，是人機交互窗口，實現(xiàn)人機之間的信息交流，控制零件信息的獲取方式。

(2)零件信息輸入模塊，當零件信息不能從CAD系統(tǒng)直接獲取時，用此模塊實現(xiàn)零件信息的輸入。

(3)工藝過程設計模塊，進行加工工藝流程的決策，產(chǎn)生工藝過程卡，供加工及生產(chǎn)管理部門使用。

(4)工序決策模塊，其主要任務是生成工序卡，對工序間的尺寸進行計算，生成工序圖。

(5)工步?jīng)Q策模塊，對工步內(nèi)容進行設計，確定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件。

(6)?NC加工指令生成模塊，依據(jù)工步?jīng)Q策模塊所提供的刀位文件，調(diào)用NC代碼庫中適應于具體機床的NC指令系統(tǒng)代碼，產(chǎn)生NC加工控制指令。

(7)輸出模塊，可輸出工藝流程卡、工序卡、工步卡、工序圖及其他文檔，輸出也可從現(xiàn)有工藝文件庫中調(diào)出各類工藝文件，利用編輯工具對現(xiàn)有工藝文件進行修改而得到所需的工藝文件。

(8)加工過程動態(tài)仿真，對所產(chǎn)生的加工過程進行模擬，檢查工藝的正確性。

2.?CAPP系統(tǒng)功能

為了適應極其錯綜復雜的制造環(huán)境，企業(yè)工藝設計對CAPP系統(tǒng)提出以下要求：

(1)基于產(chǎn)品結構。

(2)工藝管理。

(3)工藝設計。

(4)資源的利用。

(5)工藝匯總。

(6)工藝設計管理。

(7)流程。

(8)工藝設計的后處理。

(9)標準工藝。

3.工藝數(shù)據(jù)

工藝數(shù)據(jù)指在工藝設計過程中所使用、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)性質(zhì)來看，工藝數(shù)據(jù)包括靜態(tài)和動態(tài)兩種類型。靜態(tài)工藝數(shù)據(jù)主要涉及支持工藝規(guī)劃的相關信息，其可對應于工藝設計手冊和已規(guī)范化的工藝規(guī)程等。靜態(tài)工藝數(shù)據(jù)一般由加工材料數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)、機床數(shù)據(jù)、刀具數(shù)據(jù)、量夾具數(shù)據(jù)、標準工藝規(guī)程數(shù)據(jù)、成組分類特征數(shù)據(jù)等組成，且常采用表格、線圈、公式、圖形及格式化文本等形式表示。

動態(tài)工藝數(shù)據(jù)則主要指在工藝規(guī)劃過程中產(chǎn)生的相關信息，其由大量的中間過程數(shù)據(jù)、零件圖形數(shù)據(jù)、工序圖形數(shù)據(jù)、最終工藝規(guī)程、NC代碼等組成。從工藝規(guī)劃的方式來看，工藝數(shù)據(jù)又可劃分成支持檢索式、派生式、創(chuàng)成式CAPP的工藝數(shù)據(jù)。但不管是用于何種形式的CAPP系統(tǒng)，相應的工藝數(shù)據(jù)不外乎是上述靜態(tài)與動態(tài)數(shù)據(jù)的不同組合。

5.5.5CAPP與企業(yè)信息集成

1.?CAPP在CAD/CAM集成系統(tǒng)中的作用

自20世紀80年代中后期以來，CAD、CAM的單元技術日趨成熟，隨著機械制造業(yè)向CIMS或IMS發(fā)展，CAD/CAM集成化的要求是亟待解決的問題。CAD/CAM集成系統(tǒng)實際上是CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)。CAPP從CAD系統(tǒng)中獲取零件的幾何拓撲信息、工藝信息，并從工程數(shù)據(jù)庫中獲取企業(yè)的生產(chǎn)條件、資源情況及企業(yè)工人技術水平等信息，進行工藝設計，形成工藝流程卡、工序卡、工步卡及NC加工控制指令，在CAD、CAM中起紐帶作用。

為達到此目的，在集成系統(tǒng)中必須解決以下問題：

(1)?CAPP模塊能直接從CAD模塊中獲取零件的幾何信息、材料信息、工藝信息等，以代替零件信息描述的輸入。

(2)?CAD模塊的幾何建模系統(tǒng)，除提供幾何形狀及其拓撲信息外，還必須提供零件的工藝信息、檢測信息、組織信息及結構分析信息等。因此，以計算機圖形學為基礎的幾何建模系統(tǒng)(如線框建模、表面建模及三維實體建模等)是不能適應集成化的要求的，特征建模也就應運而生。

(3)須適應多種數(shù)控系統(tǒng)NC加工控制指令的生成。生成NC加工指令的以往工作過程是根據(jù)零件圖紙及加工要求，利用自動編程語言，編寫加工該零件的NC源程序，經(jīng)過后置處理器，形成NC加工控制指令；在一些商品化的CAD/CAM系統(tǒng)中，以圖形為驅動，用人機交互方式補充工藝信息，形成NC加工源程序，經(jīng)后置處理得到NC加工控制指令。這兩種生成NC加工指令的過程都不能適應集成化的要求。

2.?CAPP在企業(yè)信息集成中的重要作用

企業(yè)在建立了集成的CAPP系統(tǒng)以后，將有效地推動企業(yè)設計和生產(chǎn)制造的效率。而下列各方面的問題，也只有在集成化的CAPP環(huán)境下，才能夠很好地解決。

1)有效利用企業(yè)制造資源數(shù)據(jù)

(1)可以利用企業(yè)已建立的管理信息系統(tǒng)(ManagementInformationSystem，MIS)中的資源數(shù)據(jù)，如設備管理信息系統(tǒng)中的設備、工裝管理信息系統(tǒng)中的工裝、企業(yè)組織機構中的部門信息、人事管理系統(tǒng)中的人員信息，等等。

(2)可以智能化(開放的推理、過濾、查詢機制)地使用企業(yè)的任意資源數(shù)據(jù)。

2)給管理部門及時提供有效的工藝BOM數(shù)據(jù)

(1)可以對產(chǎn)品、零部件或工藝文件進行自動統(tǒng)計匯總工作，自動生成各種報表(屬于工藝文件的組成部分)。

(2)可以將統(tǒng)計匯總結果直接傳遞給其他管理系統(tǒng)，或存儲為指定格式的中間數(shù)據(jù)庫文件供其他系統(tǒng)或部門使用。

(3)其他系統(tǒng)也可以直接從工藝數(shù)據(jù)庫中提取相關的工藝數(shù)據(jù)。

3)充分利用CAD成果

(1)利用CAD的產(chǎn)品結構信息。

(2)利用CAD的產(chǎn)品屬性數(shù)據(jù)。

(3)利用CAD的圖檔。

4)提供CAM圖形、管理CAM結果

CAM是與CAPP完全不同的技術，但CAM的原始數(shù)據(jù)—工藝圖和結果—設計方案與NC代碼是工藝數(shù)據(jù)的重要組成部分。

(1)?CAPP的工藝圖管理CAM方案。

(2)?CAPP的工藝圖管理CAM的NC代碼。

5)與流行的PDM系統(tǒng)無縫集成

(1)可以集成到PDM系統(tǒng)中工作。

(2)共享PDM系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和權限數(shù)據(jù)。

(3)支持在PDM系統(tǒng)中瀏覽、打印、批注工藝文件。

(4)按PDM系統(tǒng)的要求進行工藝文件的版本控制。

(5)按PDM系統(tǒng)的要求進行工藝設計的流程作業(yè)。

6)可傳遞工藝數(shù)據(jù)給MRPII、ERP等管理系統(tǒng)

這些系統(tǒng)可直接從CAPP的工藝數(shù)據(jù)庫中提取所需數(shù)據(jù)。

5.5.6CAPP技術的發(fā)展趨向

作為真正的創(chuàng)成形系統(tǒng)的近似，目前開發(fā)的創(chuàng)成形CAPP系統(tǒng)主要是指帶有一定工藝決策邏輯的CAPP系統(tǒng)。理論界也有一種觀點認為，追求完全創(chuàng)成形的CAPP系統(tǒng)并不明智，要使CAPP成為一個完整的系統(tǒng)，軟件中須包含一切決策邏輯，系統(tǒng)具有工藝規(guī)劃設計所需要的所有信息，需要做大量的準備工作，要廣泛收集生產(chǎn)實踐中的工藝知識，建立龐大的工藝數(shù)據(jù)庫。

各國的研究者對CAPP都給予了高度重視，但由于CAPP所涉及的是典型的跨學科的復雜問題，是一個研究難度較大的領域，因此還存在不少亟待解決的問題。例如，由于各個具體制造生產(chǎn)環(huán)境的差別很大，雖然人們迫切希望CAPP系統(tǒng)如同CAD系統(tǒng)那樣有較強的通用性，但是就目前的CAPP發(fā)展水平而言還很難做到這一點。

總的來說，CAPP在工程實際中應用的深度和廣度都還不理想，當前研究開發(fā)的熱點課題主要有：產(chǎn)品信息模型的生成與獲取、CAPP體系結構研究及工具系統(tǒng)的開發(fā)、并行工程模式下的CAPP系統(tǒng)、基于人工智能技術的分布型CAPP專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術與專家系統(tǒng)在CAPP中的綜合應用、CAPP與自動生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的集成、基于Web技術的CAPP系統(tǒng)等。

5.6并行工程

并行工程是集成地、并行地設計產(chǎn)品及相關過程的系統(tǒng)化方法，通過組織多學科產(chǎn)品開發(fā)小組、改進產(chǎn)品開發(fā)流程和利用各種計算機輔助工具等手段，使多學科小組在產(chǎn)品開發(fā)初始階段就能及早考慮下游的可制造性、可裝配性、質(zhì)量保證等因素，從而達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、增強企業(yè)競爭力的目標。將并行工程應用于智能設計中，能夠最大限度地減少設計的盲目性和重復性。

5.6.1并行工程的定義和特點

使產(chǎn)品設計具備高度預見性和預防性的技術就稱作“并行設計”或“并行工程”。并行工程的實質(zhì)就是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其零部件和相關各種過程的一種系統(tǒng)方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員與其他人員一起工作，在開始設計時就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶的要求。

從上述定義可以看出，并行工程具有如下特點。

1.強調(diào)團隊工作(TeamWork)、團隊精神和工作方式

一個人的能力總是有限的，他不可能同時精通產(chǎn)品從設計到售后服務各個環(huán)節(jié)的知識，也不可能掌握各個方面的最新情報。因此，為了設計出便于加工、便于裝配、便于維修、便于回收、便于使用的產(chǎn)品，就必須將產(chǎn)品壽命循環(huán)各個方面的專家，甚至包括潛在的用戶集中起來，形成專門的工作小組，大家共同工作，隨時對設計出的產(chǎn)品和零件從各個方面進行審查，力求使設計出的產(chǎn)品便于加工、便于裝配、便于維修、便于運送，外觀美、成本低、便于使用。

在集中了各方面專家的智慧后設計出來的產(chǎn)品(在定型之前經(jīng)過多次設計修改)必然可以滿足(或基本滿足)上述要求。在設計過程中，要定期組織討論，大家都暢所欲言，對設計可以“橫加挑剔”，幫助設計人員得出最佳化設計。需要指出的是，團隊工作方式并不意味著一定要大家成天待在一起，這樣有時會造成人力的浪費。所以，可以采取定時碰頭的方式，或由設計人員單獨向某方面的專家咨詢。在計算機及網(wǎng)絡通信技術高度發(fā)達的今天，工作小組完全可以通過計算機網(wǎng)絡來工作。設計人員通過網(wǎng)絡向各方面的專家咨詢。專家們也可通過網(wǎng)絡隨時調(diào)出設計結果來進行審查和討論。這種工作方式如圖5.6.1所示。

圖5.6.1借助于計算機網(wǎng)絡的工作方式

2.強調(diào)設計過程的并行性

并行性有兩方面的含義：其一是在設計過程中通過專家把關，同時考慮產(chǎn)品壽命循環(huán)的各個方面；其二是在設計階段就可同時進行工藝(包括加工工藝、裝配工藝和檢驗工藝)過程設計，并對工藝設計的結果進行計算機仿真，直至用快速原型法產(chǎn)生出產(chǎn)品的樣件。這種方式與傳統(tǒng)的設計在設計部門進行，工藝在工藝部門進行已大不相同。傳統(tǒng)設計過程與并行設計過程分別見圖5.6.2和圖5.6.3。

圖5.6.2傳統(tǒng)設計過程

圖5.6.3并行設計過程

3.強調(diào)設計過程的系統(tǒng)性

設計、制造、管理等過程不再是一個個相互獨立的單元，而要將它們納入一個整體的系統(tǒng)來考慮。設計過程不僅要提供圖紙和其他設計資料，還要進行質(zhì)量控制、成本核算，也要產(chǎn)生進度計劃等。這種工作方式是對傳統(tǒng)管理機構的一種挑戰(zhàn)。

4.強調(diào)設計過程的快速反饋

并行工程強調(diào)對設計結果及時進行審查，并及時反饋給設計人員。這樣可以大大縮短設計時間，還可以保證將錯誤消滅在“萌芽”狀態(tài)。并行工程的組成及信息流如圖5.6.4所示，在圖中未畫出計算機、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡，但是它們都是并行工程必不可少的支撐環(huán)境。

圖5.6.4并行工程的組成及信息流

5.6.2并行工程的關鍵技術

并行工程是一種以空間換取時間來處理系統(tǒng)復雜性的系統(tǒng)化方法，它以信息論、控制論和系統(tǒng)論為理論基礎，在數(shù)據(jù)共享、人機交互等工具及集成上述工具的智能技術支持下，

按多學科、多層次協(xié)同一致的組織方式工作。

1.過程重構

并行工程與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的本質(zhì)區(qū)別在于它把產(chǎn)品開發(fā)的各個活動作為一個集成的過程，從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，對該集成過程進行管理和控制，并且對已有產(chǎn)品開發(fā)過程進行不斷的改進與提高，這種方法稱為產(chǎn)品開發(fā)過程重構。

2.產(chǎn)品生命周期的數(shù)字定義

這里包括全局產(chǎn)品模型的定義、并行工程數(shù)字工具的使用以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理，它能夠提供一種結構化的方法，有效地、有規(guī)則地存取、集成、管理和控制數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的使用流程。

3.決策支持

并行工程產(chǎn)品開發(fā)過程得以實現(xiàn)的前提條件之一，是建立全局的決策管理模型，在相互的決策模型的支持下，使產(chǎn)品開發(fā)活動形成有機的整體，因而大大超出了簡單的計算機工具所帶來的效益積累。決策支持包括用戶需求定義和保證、產(chǎn)品開發(fā)過程協(xié)調(diào)管理與控制、群組協(xié)同工作支持等。

5.6.3并行工程的效益

1.縮短產(chǎn)品投放市場的時間

在制造業(yè)不發(fā)達時代，用戶主要考慮產(chǎn)品的功能，要求功能的完善程度和實用性，其他要求則放在次要的位置。隨著制造技術的發(fā)展，能夠提供的商品增多，用戶又開始強調(diào)產(chǎn)品的價格。這時，價格往往作為顧客