（机械工程专业论文）加工中心在线加工和监控——刀具监控及远程故障诊断.pdf

昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导席的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 导师签名：。考侉论文作者签名：兰哗 日期：2 0 0 4 年1 0 月0 9 日 日气彰另”乖 2 昆1 1 j i i 理 。人学项十学位论文 摘要 摘要 本文结合昆明云内动力股份有限公司引进的多缸小缸径系列柴油机机体、缸 篙柔性生产线，应用网络d n c 技术，实现加工巾心实时在线加一i 一，c a d c a m 海量程序的传输：对数控系统的系统参数、刀具数据、收据控制程序和p l c 程 序进行管理和维护：实现产量统计、机床运行f 志、机床故障显示及诊断；通过 i n t e r n e t 进行机床的远程监控和诊断。试验方案采用s i e m e n s 公司的支撑软件 ( s i n c o m ，s i n d n c ，r e a c h o u t ，w i n s t a t ) 开发龉控和管理系统，采用先进的网络 没酱进行监控局域网的组建，通过i n t e r n e t 实现远程故障诊断。达到的预期效果 足：采l - f j 刀具监控管理系统，合理的使用切削刀具，提高生产效率，降低生产成 本，充分发挥了刀具的最大效能；实施网络在线加工，提升生产现场的管理水平， 减小劳动强度，减少生产人员，提高工作效率，提升产品质量；实现远程故障诊 鲫i ，若设备出现故障，公司现有人员不能排出故障时，可通过i n t e r n e t ，利用远 程技术千段，排查故障，降低维修费用，缩短设备故障停机时间，提高经济效益。 关键舌寸：高速加： 中心；在线加工；监控；刀具管理；故障诊断。 昆【1 j ) 理i 人学坝_ 一学位论文 目录 a b s t r a c t 1 h i sa r t i c l ec o n n e c t sw i t ht 1 1 em u l t ia n ds m a l l d i e s e le n g i n ec y l i n d e rb l o c kt o l dc y l i n d e r1 1 e a df l e x i b l e l i l a c so fy a n n e ip o w e rc o r p o r a t i o n ，t or e a l i z et h en e t w o r kd n cr o a c h i n i n go n l i n ep r o c e s s ，t h ec a d c a m l a r g en u m b e r so fp r o g r a n r sd e l i v e r i n g ；t oc o p yt h es y s t e mp a r a r n e t e r s ，t o o ld a t a sa n dn cp r o g r a m so ft h e s y s t e mc o n t r o l ，t op r o c e e dn cp r o g r a m sm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e ；t or e a l i z et h ey i e l ds t a t i s t i c s ，t h e d a i l yr e c o r do f m a c h i n ec e n t e rr u n n i n g ，t od i s p l a yt h ee q u i p m e n t sm a l f u n c t i o na n dd i a g n o s i s ；t op u tu pf i l e m a c h i n ec e n t l e sl o n gd i s t a n c em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i st l a r o u g hi n t e m e t e x p e r i m e n t i n gw a yi st l m ta d o p t s s i e m e n sc o m p a n y ss o f t w a r e ( n a m e l ys i n c o m ，s i n d n c ，r e a c h o u t ，w i n s t a t ) t oo p e no u tm o n i t o r i n gs y s t e m a n dm a r l a g e m e n tt h es y s t e m a d o p t st h ea d v a n c e dn e t w o l ke q u i p m e n t st op r o c e e dt h el o c a la r e an e t w o r ks e t s i 】p ，p a s s e st i l ei n t e r n e tr e a l i z e st h er e m o t ed i a g n o s i s7 t h ee x p e c tr e s u l t sa r e ：a d o p t e dt h ea d v a n c e dn e t w o r ka n d c o n | t o lt e c h n i q u e s ，a n dt h et o o lm o n i t o r i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ，t oi n c l e a s ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，t ol o w e rt h e p l o d o c t i o nc o s t ，t ob r i n gi n t op l a yt h eb i g g e s te f f e c tt h a tm et o o l sh a v e ；r e a l i z eo n l i n et op r o c e s st h r o u g ht h e n e t w o r k ，t op r o m o t et h em a n a g e m e n tl e v e lo ft h ep r o d u c t i o nt h es p o t ，t ol e tu pt h el a b o rs t r e n g t h ，t or e d u c et h e p r o d u c t i o np e r s o n n e l ，t op r o m o t et h ew o r ke f f i c i e n c y ，a n dt op r o m o t et h ep r o d u c tq u a n t i t y ；r e a l i z e dt h e i e l n o t ea a l f u n c t i o na n dd i a g n o s i s i f 【1 1 ee q u i p m e n t sc o m eac r o s sp r o b l e m s ，w ec a nn o td i s p o s eo ft h i sk i n d l a u l tt h a tw ec a nu s et h ei n t e r n e tt og e tr i do ft h em a l f u n c t i o n s ，a n dw i l lt a k ef r o mt h em a i n t a i n i n ge x p e n s e s ， s h o l t e l lt i l ee q u i p m e n t si d l et i n m s ，i n c r e a s ee c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：1l i g hs p e e dm a c h i n i n gc e n t e r ；m a c h i n i n go n - l i n e ；m o n i t o r i n g ： f o o lm a n a g e m e n t ；m a l f u n c t i o n d i a g n o s i s 2 昆叫理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 “世界上各个工业国经济上的竞争，主要是制造技术的竞争”。我国机械制造业与世 界工、肚发达国家相比较而言，还处于较低水平。为了提高我国产品的国际竞争力，促进国 民经济发展，适应当前市场经济改革，应把握制造技术的动脉，掌握高新技术并使之尽快 应用于生产当中去。为了适应产品更新换代速度加快、用户个性化的需求，柔性化已成为 当前机械制造业的重要发展方向之一。昆明云内动力股份有限公司从德国引进了以高速加 工中心为主、组成的多缸小缸径系列柴油机机体、缸盖柔性生产线，为本课题研究的来源。 l - 1 柔性制造的基本概念： 柔性制造单元1 】1 2 f 3 】：柔性制造单元( f m c ，f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l ) 是在制造单 元的基础l 发展起来、具有柔性制造系统部分特点的一种单元。通常由1 至3 台具有零件 缓冲区、刀具换刀及托板自动更换装置的数控机床或加工中心与工件储存、运输装置组成， 具有适应加工多品种产晶的灵活性和柔性，可以作为f m s 中的基本单元，【旦可将其视为 一个规模最小的f m s ，是f m s 向廉价化及小型化方向发展的一种产物。柔性制造单元适 合多品种零件的加工，品种数一般为几十种。根据零件工时和组成f m c 的机床数量，年 产量从几千件到几万件，也可达十万件以上。f m c 的自动化程度虽略低于f m s ，但其投 资比f m s 少得多而经济效益接近，更适用于财力有限的中小型企业。目前国内外众多，一 家都将f m c 列为发展的重点。 柔性制造系统1 】 2 1p 】：关于柔性制造系统( f m s ，f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的定 义很多，下面列出一些权威性单位的定义。 美国国家标准局( u n i t e ds t a t e s b u r e a u o f s t a n d a r d s ) 把f m s 定义为：“由一个传输系 统联系起来的一些设备，传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备，使工件加 工准确、迅速和自动化。中央计算机控制机床和传输系统，柔性制造系统有时可同时加工 几种不同的零件。” 美国政府称之为“由一组自动化的机床或制造设备与一个自动化的物料处理系统相结 合，由一个公共的、多层的、数字化可编程的计算机进行控制，可对事先确定类别的零件 进行自山地加工或装配的系统。” 国际生产工程研究协会指出：“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统，在最少 人的干预下，能够生产任何范围的产品族，系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品 族的限制。” 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 欧共体机床工业委员会认为：“柔性制造系统是一个自动化制造系统，它能够以最少 的人干预，加工任一范围的零件族工件，该系统通常用于有效加工中小批量零件族，以不 同批量加工或混合加：l ：；系统的柔性一般受到系统设计时考虑的产品族限制，该系统含有 调度生产和产品通过系统路径的功能。系统也具有产生报告和系统操作数据的手段。” 在“中华人民共和国国家军用标准”有关“武器装备柔性制造系统术语”c p 的定义为： “柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系 统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于 多品种、中小批量生产。” 综上所述，f m s 是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成，并能根 据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统【4 f 5 】 6 1 1 。 一个f m s 通常包括以下三部分： 能独立工作的数控机床或加工中心。数目一般在2 0 台以下，较为适宜的规模是5 1 0 个加工工位。 在各机床、装卸站、缓冲站之间运送零件和刀具的传送系统。可以由运输带、托板、 有轨小车( r g v ) 、无轨小车( a g v ) 、机器人等单项或多项装置组成，运输路线可粗略分 为直线式、环形封闭式、网状式和直线随机式四类。 使系统中各部分协调工作的计算机控制系统。包括设计规划、工程分析、生产调度、 系统管理、监控及通讯等子系统。 在柔性制造系统中，；b n q - 零件被装夹在随行夹具或托盘上，自动地按加工顺序在机床 问逐个输送，工序问输送的：l ：件一般不再重新装夹。专用刀具和夹具也能在计算机控制下 自动调度利更换。如果在系统中设置有测量工作站，则加工零件的质量也能在测量 作站 上检查，甚至进一步实现加工质量的反馈控制。系统只需要最低限度的操作人员，并能实 现夜班无人作业。操作人员只负责启停系统和装卸工件。由于f m s 是一种具有很高柔性 的自动化制造系统，因此它最适合于多品种、中小批量的零件生产。对于生产规模为每批 2 0 0 2 0 0 0 件产品的中批量生产类型，采用f m s 是比较经济的，这种类型的生产企业，估 计有5 0 7 5 的零件能用f m s 加工。但由于f m s 的投资很大，在建造f m s 时必须慎重。 1 2 课题研究的背景和意义 1 2 1 国外研究现状及动态 柔性制造是为解决多品种、中小批量生产效率低、周期长、成本高及质量差等问题而 出现的，而且由于社会经济发展的需要和科学技术发展提供的可能，f m s 在1 9 6 7 年英国 6 昆叫理丁大学硕j 学位论文 第一章绪论 m o l i n s 公司建造首条以来，已有了很大的发展。据统计，1 9 8 5 年世界各国己投入运行的 f m s 有4 0 0 套，1 9 8 7 年近8 0 0 套，而1 9 9 0 年即达15 0 0 余套，年增长率为3 0 以上，到 2 0 0 0 年有近2 5 0 0 - 3 5 0 0 套投入运行。 1 9 9 1 年全世界对f m s 的投资达1 4 0 亿美元，其中欧洲占5 0 。已投入运行的f m s 主要分布在日本、美国、德国、俄罗斯、英国等工业发达国家。美国不仅是最早把f m s 用于生产的国家，而且现在在f m s 硬件，尤其是软件方面是世界上水平最高的国家；日 本拥有的f m s 数目最多，但其小规模f m c 所占的比例也比较大；德国的f m s 加工零件 品种数可达5 0 - 2 5 0 种，是世界上柔性最强的系统。f m s 使汽车的换代周期由1 5 年缩短至 不到5 年，节省5 0 以土的劳动力，。没备利用率提高5 0 1 0 0 ，生产场地和在制品减少 5 0 以上，且可以降低成本6 0 。 8 0 年代后期f m s 已进入了实用阶段，形成了高技术产业。f m s 在进入实用阶段后= ：i ； 仅没有停滞或被取代，反而正在迅速发展。1 9 8 9 年美国未来技术预测有限公司( f t s i n c ) 对美国f m s 市场进行了调查和预测。其结果是1 9 9 0 年美国f m s 交易额为1 2 1 亿美元， 1 9 9 1 年为1 3 3 亿美元，1 9 9 2 年和1 9 9 3 年分别为1 4 6 和1 6 l 亿美元。平均年增长率为1 0 ； 1 9 9 1 年f r o s t & s u l l i v a n 公司提交了一篇长达2 3 0 页的f m s 市场调查报告说，尽管f m s 价 格昂贵，但其销售额仍在增长。报告蜕1 9 9 0 年美国f m s 市场销售总额达2 2 6 亿美元，预 计1 9 9 5 年可达5 5 9 亿美元：1 9 9 1 年5 月“制造自动化新闻”报道了欧州1 9 9 2 年f m s 市 场预测。预测认为，欧州1 9 9 2 年f m s 市场交易额将从1 9 9 0 年的8 2 5 亿美元跃至3 0 亿美 元。这些数字虽因统计的内容没有统一规定，各公司问相互差异较大，但从发展趋势看却 是完金一致的，均呈增长态势。另外，1 9 9 3 年9 月在德国汉诺威举办的第十届盒属加工博 览会( 9 3 e m o ) 参展情况报道，共有2 7 9 家公司的3 2 1 个展台展出了回转零件f m s 、棱 体类零件f m s 、锻造加工f m s 、焊接、热处理、抛光等f m s 阻及柔性装配系统等柔性制 造设备和技术；还有近3 0 0 个展台展出了与f m s 有关的工具、工具识别监视、系统诊断、 数据处理系统以及生产计划管理软件等展品。总之，无论是从市场交易还是博览会展出情 况i g - i j 看出f m s 仍在迅速发展1 8 j 【9 】。 闷外用户在加工中心的应用中，对加： 中心的网络功能提出了更高的需求，采用先进 的网络和性能较好的网络交抉设备，服务器采用较高的配鬣，应用网络技术进行零件的生 ， 昆明理工大学 i 鲰十学位论文 第一章绪论 产、加工中心的管理和监控 i o i 【1 2 l 。许多加工中心专业生产厂家都在开发和生j “：采用 e t h e m e t 接口( t c p i p ) 的网络型加工中心机床，如德国的h u e l l e r - h i l l e 、d e c k m a h o 、 h i l l e r 等加工中心厂家。现场监控计算机利用专门的监控软件通过以太网对机床进行实日j 监控，定时采样机床正在执行的零件加工程序名和正在加工的程序段、机床的进给速度、 主轴速度以及它们的倍率，实时对机床状态信息进行采集，如机床所处的工作状态、报警 信息等，实现现场无人化执守的加工可靠性和稳定性。远程设备监控的研究主要集中在以 下三个方面： 一设备的远程调试和配置：设备到位后，需要安装调试，如果建立远程设备监控系 统，制造商或供应商就可通过视频图像，对现场的安装和调试工作进行远程指导，进一步 可和现场设备连接，直接对设备进行系统数据的远程配置、调试操作，通过对现场设备运 行数据的采集，通过通讯网络连接到制造商或供应商专用仪器上，由专家进行会诊和判断， 得出系统的优化参数，然后对设备进行优化配置，傈证设备正常进入生产环节。 一设备的远程数据采集和控制：通过对现场设备的视频和运行状态信息的采集，得 到设备的实际状态，远程监控系统就可对现场设备进行控制。 一刀具监控管理系统 刀具管理系统1 1 4 】是f m s 的一个重要组成部分，它主要实现加工单元内所需刀具的 调度、贮存及信息管理等任务。刀具管理技术的水平直接影响f m s 的生产效率、生产质 量和柔性，随着柔性制造技术的发展，国外对刀具管理理论和刀具管理系统的研究也在不 断地深入和完善。f m s 刀具管理系统由刀具进出站、中央刀库、加工中心刀库、标准刀库、 刀具预调仪、条码阅读机、换刀机器人、7 j g , 清洗站以及刀具管理工作站组成。f m s 中的 刀具主要分布在刀具库房、中央刀库、加工中心刀库。中央刀库容纳了f m s 全系统的刀 具，除包括根据作业计划加工不同种类另件所需不同种类的刀具外，还备有防止刀具破损 或突然受到破坏需及时更换的刀具。刀具管理系统由用户登录、系统运行控制、刀具离线 管理、刀具在线管理、系统状态监控、系统信息管理等功能模块及管理支持系统组成。刀 具管理系统采用合理的刀具分配与调度策略，实现系统内j j 具的有序流动；依据控制系统 的监测信息实现刀具刃磨，破损管理；根据实际加工条件与状态计算刀具的剩余寿命，建立 刀具管理系统数据库，实现系统信息的集成，在自动他的f m s 生产线上，实现无人值守 r 昆f ! j j 理工大学硕士学位论文第一章绪论 的自动化刀具管理。 f m s 控制技术无论是软件还是硬件均有突飞猛进的发展。这一发展主要表现在以下 几个方面： a ) 不断推出新型控制软件。随着f m s 的发展，特别是c i m s 的发展，单元控制软件 发展很快，无论是制造商还是应用厂商都在不断地推出或引进新的单元控制软件。例如西 屋电气公司的一种用来监督和控制f m s 制造单元的新型软件u n i c e l l ，这是种数据驱动 的单元控制软件；还有亚瑟安德森( a r t h u ra n d e r s e n ) 公司的c e l l p a c 软件包，它是一 种具有开放结构的单元生产活动控制软件包。 b ) 控制软件的模块化、标准化。为了便于对柔性制造控制软件进锰修改、扩展或集 成，控制软件模块化、标准化已成为f m s 控制系统的主要发展趋势，现在美国国家标准 局期望这项技术能够吸引美国3 万个小型生产厂商。 c ) 软件开发“平台”的研究。迅速发展新型软件丌发已成为控制系统发展的瓶颈， 因此一些软件公司不断推出一些称之为“平台? 的支持开发工具，帮助用户来完成自己的 工程项甘设计和实施一例如i t p 软件有限公司推出的m a i n s t r e a m 应用软件开发“平台”产 品，还有h p 公司的h p i p t ，f a s t e e h 公司的c e l l w o r k s ，d e c 公司b a s e s t a r ，i b m 公司的 p l a n tw o r k s ，：h i l c o 公司的m o n i t r o l 等。 d ) 积极引入设计新方法。为提高控制系统的正确性和有效性，人们在不断开发新型 控制软件，发展软件开发王具的同时，还积极引入设计新办法。例如面向对象( 0 0 ) 方 法。 e ) 发展新型控制体系结构。f m s 控制系统的体系结构吊期参照传统的生产管理方式， 采用集中式分级递阶控制体系结构。这种结构，控制功能的实现比较困难，顶层控制系统 出现故障时f m s 将全部瘫痪，所以逐渐发展为多级分布控制体系结构。这种控制结构虽 然易于实现各种控制功能，可靠性也比较高，但由于控制层数比较多，工作效率和灵敏性 则相对比较差。所以又发展出非递阶或自治协商式控制体系结构。这秭控制结构虽然还是 采用分布控制，但响应速度快、柔性好。这种控制结构更适台于开始先安装一个或几个小 型的易于管理的柔性制造单元，然后再集成单元之间的信息流和物料流的分步实施方法。 n 大力开发应用人工智能技术。单元控制系统功能的增强除了本身控制技术的发展 9 昆明理工大学碗士学位论文 第一章绪论 外，还有一个重要原因，那就是基于人工智能( a i ) 技术的专家系统在控制、检测监控和 仿真等单元控制技术中的广泛应用。 监控计算机利用专门的监控软件通过以太网对机床进行实时监控，定时采样机床e 在 执行的零件加工程序名和正在加工的程序段，机床的迸给速度、主轴速度以及它们的倍率， 对机床的状态信息和生产数据进行采集，如机床所处的工作状态、报警信息、产量统计、 机床运行日志、机床故障显示及诊断等，已经实现并正在向运行速度快和可靠性高方向研 究。远程设备监控方面己实现了没各的远程数据采集和控制，通过对现场设备的视频和运 行状态信息的采集，得到设备的实际状态，对设备进行远程诊断和维修，但对设备的远程 调试和配置、现场设备监控和设备的远程维修正在研究，以期达到较佳的效果。 l 。2 。2 国内研究现状及动态： 随着信息技术和计算机网络技术的发展，目前国内用户在加工中心的应用中，对加： 中心的网络功能提出了更高的需求，应用网络技术对零件的生产、j j n tc 9 一i i , 的管理、维修 和维护等进行现场监控和远程诊断。现场监控计算机利用专门的髓控软件通过以太网对机 床进行实时监控，定时采样机床正在执行的零件加工程序名和正在加工的程序段、机床的 进给速度、主轴速度以及它们的倍率，实时对机床的状态信息进行采集，如机床所处的工 作状态、报警信息等，并将这些信息存储在本地计算机的数据库中。系统还实现了数控程 序的相互传递，通过p c 即可起动机床进行加工或停止加工。远程监控系统通过i n t e r n e t 对机床进行远程状态监控和故障诊断，并对故障进行直接处理或远程指导用户进行故障处 理。 刀具管理系统在f m s 线上已在广泛应用。f m s 要实现自动化加工，。必须具有刀具管 理功能。刀具管理系统作为f m s 的一个子系统，要及时而准确地为指定的机床提供适用 的刀具，以便在维持较好的设备利用率的前提下，生产出所需的合格产品。f m s 运行时， 刀具处于一个动态变化的过程中，因此刀具的管理就显得十分必要和复杂。刀具管理的研 究主要在以下几个方面： 刀具的贮存、运输和交换。 刀具的分配与调度。 一一刀具的监控。 l o 昆明理工火学硕士学位论文第一章绪论 刀具的信息管理。 在刀具管理系统中，上述几个方面相互联系，又相互影响。研究目的是尽可能的减少 刀具操作、监控管理人员，降低成本，提高劳动生产率。 我国的f m s 研制起步于1 9 8 4 年，比国外晚了1 7 年。我国第一套f m s 系统是由北京 机床研究所于1 9 8 5 年1 0 月开发完成的( j c s f m s 1 ) ，用于加工数控机床直流伺服电机中 的主轴、端盖、法兰盘、壳体和刷架体等共2 0 0 0 0 件年，它由5 台国产加工中心、日本富 士电机公司的a g v 及4 台日本产的机器人组成，其控制系统由f a n u c 提供，据分析它 的投资回收期约为两年半。1 9 8 3 1 9 8 5 年，在国家的支持下，北京第一机床厂、湖南江麓 机床厂、郑州纺织机械厂、广碹柳州开关j 一等一些单位分别从德国、日本进日了国内第一 批f m s 。1 9 8 5 年后在国家机电部“七五”重点科技攻关项目的支持和国家8 6 3 高技术发 展计划自动化领域的工作的带动下，f m s 得到极大的重视和发展，进入了自行开发和部分 进i _ 的交叉阶段。1 9 8 8 年北京机床研究所为天津减速机厂提供的加工减速机机座的 j c s f m s 2 系统是全部自行开发和配套的，它标志着我国已具有自主开发f m s 系统的实 力。近几年来，国内一些经济实力比较雄厚的工厂( 北京第一机床厂，上海第二纺织机械 厂，天沣减速机总厂，山西经纬纺织机械厂等) ，为实旆c i m s ，又进口了一些国外的f m s 系统。目前我国大约有3 0 条左右的f m s 投入调试和使用，当前f m s 在我国正在流行“! 随着i n t e r n e t 在全世界的迅猛发展和普及，计算机信息网络技术已经开始在各个领域 中。泛应用。如在医疗、教学方面，已实现了网上的远程医疗和远程教学。在制造业方面， 工业发达国家十分重视远程服务在工业上的应用，其研究及应用水平已相当高。如德国的 大学和工业界都在积极开展这方面的研究工作，而且有的甚至结合对中国出口的设备开展 这方面的研究。 刀具管理系统，对于在国外的用户而言，大量成熟的刀具制造商就在当地办厂，用户 可以获得非常及时的服务。这对于刀具管理的开展无疑提供了极大的便利。而在审国，这 条路似乎来得有些迟缓，只是在汽车行业率先应甩a 由于目前国内刀具市场仍然以进口刀 具为主体，特别是刀具供应方面，信息传递、生产周期、报关运输等等均会给刀具管理设 置障碍。采用刀具管理系统在生产过程中将避免由于刀具供应问题造成停产等损失。另外， 一种担心的心理目前还无法排除，即用户对刀具管理供应商产生强烈的依赖i 在下一轮选 l i 昆明理工大学硕士学位沦文第一章绪论 择中如选中另一家新的刀具管理供应商，将不可避免地混乱一段时阃。这主要是由于作为 刀具管理的用户本身也不够成熟，其次是中国市场可供选择的刀具管理供应商还很少。 2 0 0 1 年上海通用汽车公司的“刀具管理”正式宣布由奥地利t c m 公司承担，使得上 海通用汽车公司成为我国第一家采用专业化、社会化的先进刀具管理模式的企业。也将 “刀具总包”这样的概念大大地向前推进了一步。 随着中国制造业的飞速发展，刀具供应商对中国市场臼益重视，刀具管理正在显示出 它的潜能。包括s a n d v i kc o r o m a n t 、k e n n a m e t a l 、i s c a r 、g u e h r i n g 等较大公司在内的刀具 商均表示可以提供刀具管理。中国用户不仅将在合作中逐渐成熟，也将通过这种新的形式， 摸索适应中国国情的刀具管理系统。 在国内，目前网络的应用大多只是限于企业内部网络的建设或与i n t e r n e t 的联接，缺 少企业间横向的联系，尤其是对需要多方合作共同完成的大型工程建设和运行期问遇到的 故障问题，极少应用远程监测、预报、诊断技术解决。但是，我国的机械制造业经过几十 年的发展，尤其是8 0 年代末以来的计算机产业的迅猛发展和普及应用，以及国家8 6 3 高 技术发展计划的推动，在许多设备制造企业进行了以信息技术为基础的改造，已经具备了 实现远程故障监测、预报、诊断技术的硬件体系基础。在软件方面，实时监测、远程临测、 故障诊断等单元技术都有了一定成果和经验。然而对于一门综合性技术。我国尚未组织食 业与研究部门结合并投入较大力量进行系统研究开发，致使我国远程监测、预报、诊断技 术的研究和应用进展缓慢。 在当前发动机加工行业；国内的一些用户购买了国外的一些先进设备与技术，实施在 线加工，利用现场监控计算机对机床进行实时监控和远程故障诊断，如昆明云内动力一匕 海通用、广州本田、锡柴、朝柴等发动机厂家。国内用户在远程监控方面已通过i n t e r n e t 实现了远程故障诊断，但由于连入i n t e m e t 方式的不同及费用等原因，数据的传输速率受 到较大影响，而且经常因网络掉线等原因导致数据传输中断。即使为局域网式，也只是d n c 主机连到局域网hd n c 主机与机床数控系统的连接仍为点到点式；我们认为应大力推广 使用m a p 应用。因为它能容易地将车问中的机器人、n c 机床及其它数控设备联结到工厂 网络中，实现信息的集成与信息管理的自动化。另外为解决数据大量高速传输、实时性、 通讯距离长等问题，发展高速化数据通讯技术及大量使用现场总线( f i e l db u s ) 就成为必 1 2 昆i j j ：】理工犬学硕t 学位i 仓文 第章绪论 须。我们认为未来十年d n c 集成系统将是f i e l db u s 时代。 在柔性制造中，f m s 要实现自动化加工，必须具有刀具管理功能。刀具管理主要包 括刀具的贮存、运输和交换；刀具的分配与调度；刀具的监控；刀具的信息管理。根据经 验，一条由9 台加工中心组成的f m s ，大约需要3 0 0 0 4 0 0 0 把刀具。若低于这个数目， 生产线可能会由于等待刀具而造成停工，其结果是，不可能最大限度地提高设备利用率， 因此也就不呵能充分地发挥f m s 的优越性。在一些加工单元较少的简单系统中，可以不 设独立的中央刀库，而利用各加工单元本身配备的刀库来满足系统对刀具的需求。这种配 置形式的缺点是刀库存刀量有限，刀具利用率低。典型的刀具自动运贮和管理系统应由中 央刀库、刀具预调及刀具装卸站、刀具交换装置以及管理和控制刀具流系统的刀具工作站 计算机组成。根据刀具交换方式的不同，又有两种基本的方式：一种是交换单把刀具，另 - ；f , p 是交换活动刀库。当前使用最普遍的是交换单把刀具的方式。其工作过程大致为：首 先在刀具预凋站，由人工将刃磨好的专用刀具或购买来的标准刀具在对刀仪上测量有关参 数。测量完成后，与标准刀套组装好，再将刀具结构参数和刀具代码以及其他有关信息通 过串口输入到刀具工作站计算机。有时还要将这些信息通过专用的读写装置，记录在安装 于刀柄或刀杆中的磁卡或其他形式的记录器中。预调好的刀具，一般是用人工搬运并装到 刀具装卸站上面，准备进入系统。刀具交换装置一般是指换刀机器人或刀具运送小车，它 们完成刀具装卸站与中央刀库之间或中央刀库与机床( 加工单元) 刀库之间的刀具交换。 刀具在刀具装卸站上，只是暂存一下。根据刀具工作站计算机的指令，刀具交换装置将刀 具装卸站的刀具搬移至中央刀库中。等待加工时调用。同时，再根据生产计划和王艺规程 的要求，刀具交换装置又从中央刀库将各加工单元需求的刀具取出，送至各加工单元，准 备加工。工件加工完成后，或发现刀具需要刃磨，根据刀具工作站指令，刀具交换装置又 将这些从机床上卸下来的刀具，从各个加工单元取走，送回中央刀库，或将一些需要熏磨 或重新调整的刀具以及断裂的刀具，直接送至刀具装卸站。 1 2 3 课题研究的意义 课题“加工中心在线加工和监控刀具监控及远程故障诊断”来源于云内多缸 小缸径系列柴油机机体、缸盖柔性生产线项目，系国家第七批国债项目。该项目采用引避 高速、高精度加工中心加工不同系列、不同规格、不同品种的柴油机机体和缸盖的关键、 3 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 精密孔系，技术上在国内处于领先地位。该项目设备、工艺、技术等是通过国内外合作而 完成的，该项目的目标加工产品与国外合作开发的具有较高水平的为微型车、经济型轿车、 轻型车配套的柴油机，生产产品预期综合指标对国产车的适应性较优越，具有良好的技术 经济性。 实施柔性制造，加工中心在线加工，可实现多种产品混线生产，使加工中心得到充分 有效利用。同时可加快新产品的开发速度，缩短新产品投放市场周期，很快满足市场对新 产品的批量需求。 ， 实施远程故障诊断系统将管理部门、运行现场和诊断专家结合起来，利用现代化的信 息传输载体网络缩短收集故障信息的时间，提高故障诊断的效率，实现协同监测和诊断。 【l5 1 6 1 对于新建的生产线引入刀具管理系统，降低刀具管理项目的成本，成本包括第次 买新刀的费用、安全库存量、刀具准备、涂层和其它外协加工、刃磨机床和计算机购旨、 人员工资、工程费用、消耗品、房屋租金和保险费、差旅费、人员培训费【1 7 】【1 8 1 1 9 。公司 引入刀具管理，就可把更多的精力投入到组织生产、进行质量改进与质量控制、降低生产 成本等还可很快就达到合理的刀具数量和相应的人员配置；根据刀具的使用情况支付服 务商的费用，支付的金额与产出的零件数成比例；刀具利用率提高，刀具库存的品种和数 量减少；在刀具的供货业务中引入了市场机制；刀具使用成本的透明度提高，由内部费用 变为外部费用，由固定成本变为可变成本；刀具的供应量被分成较小的批量，并集中在有 资格的供应商上。对公司的风险是，一些技术诀窍需要对刀具管理服务商及与其相关的人 员公开。此外，还担心逐渐失去在刀具技术方面的职能。为了防止技术诀窍公开范围的扩 大和与刀具有关职能的消失。可以通过紧密的伙伴关系和有限的工作人员加以避免。 1 3 课题研究的主要任务和目的 1 3 1 课题研究主要任务 在加工中心上应用网络d n c 进行实时在线加工，c a d c a m 海量程序的传输 对数 控系统的系统参数、刀具数据、n c 程序和p l c 程序进行备份；产量统计、机床运行日志、 机床故障显示及诊断 通过h _ l t e m e t 进行机床的远程诊断；各种报表的管理和打印。 1 3 2 课题研究主要目的 1 4 昆f j l 理工人学颂士学位论文 第一章绪论 在加工中心上应用网络d n c 进行实时在线n i l 20 1 ，提升加工水平，采用先进的加工 技术和手段，实施柔性制造，在同一条生产线上可同时实现多品种混线轮番生产，加快新 产品的投放市场周期；同时减小劳动强度，减少生产人员，提高工作效率，提升产品质量， 增强产品的市场竞争能力。 实施刀具管理系统，对各使用点刀具经过跟踪评定，确定刀具定额，并将刀具的定额 具体量化到机体、缸盖制造成本中，并以此为基数确定年刀具定额的降低目标、库存目标、 各生产车间刀具消耗目标，激发基层领导管理思路，增强各部门员工的工作责任心，在既 相互配合又相互制约的良性循环中促进各部门的工作力度。合理的使用切削刀具，提高生 产效率，降低生产成本，充分了挥刀具的最大效能。 实现远程故障诊蝌2 ”，用现代的信息传输载体网络，可以缩短收集故障信息的时间， 提高故障诊断的效率，实现对设备异地的协同监测和渗断。降低维修费用，缩短设备故障 停机时间，提高经济效益。 昆硝理工大学硕上学位论文 第二二章研究加 ：中心在线加工和监控的理论摹稿l ； 第二章研究加工中心在线加工和监控的理论基础 在传统的生产环境中，生产效率及精度不太高，自动化程度低，人们可以比较容易地 判别制造过程的工况状态，有故障也容易排除。所以在传统的生产环境中，是以人为主体， 对生产过程或生产没备进行监控，没有适用的制造过程状态检测方法和检测仪表。从本触 纪8 0 年代初开始，随着f m s 、c i m s 的发展，在c i m s 生产环境中，主要靠计算机技术、 自动化控制技术对制造过程进行监控，大大减少了人对制造过程的直接干预，制造过程状 态的自动识别、故障自动排除是制造系统稳定性的基础。所以在c i m s 生产环境中，制造 过程监控技术越来越受到人们关注，并成为c i m s 的重要技术保障。 任何一种制造系统，它的最终目标是在保证产品质量前提下，降低制造成本，提高生 产效率。因此，制造过程监控的目的，就是为了保证达到上述目标，在线识别过程状态， 分析过程中的问题。通过参数调节，提供稳定的生产条件。从监控对象的侧重点不同来分， 制造过程监控分为设备髓控、流程监控和质量监控f 2 2 j 。设备监控是流程监控的基础，设备 监控和流程监控是质量监控的重要保证。设备监控、流程监控和质量监控互为支撑，互相 渗透。 制造过程监控是十多年来发展最迅猛的综合性应用技术之一，该技术是利用传感检测 技术、信号处理、模式识别、信息理论、人工智能、预报决策、控制工程、电子技术、计 算机技术及有关专业领域的研究成果，以制造过程的设备、流程及产品质量为研究对象， 根据制造过程中的二次效应( 如热力参数、电磁参数、机械力学参数、各种性能参数等) 及其动态变化，在不影响制造过程正常工作的前提下，1 ) 对制造过程的没备状态进行脏 测，作出是否有故障、故障种类、故障部位、故障严重程度、故障发展变化趋势等诊断结 果，判断设备性能劣化趋势，并制定出相应对策和处理结果，对设备进行自动控制；2 ) 对制造过程的流程进行监控；3 ) 对制造过程的产品质量进行监控。 2 1 单元控制系统 照删埋上火学硕上学位论文 第二章研究加j - 中心在线加工种监控的理论基础 第二章研究加工中心在线加工和监控的理论基础 在传统的生产环境中，生产效率及精度不太高，自动化程度低，人们可以比较容易地 判别制造过程的工况状态，有故障也容易排除。所以在传统的生产环境中，是以人为主体， 埘生产过程或牛产设备进行临控，没有适用的制造过程状态柃测方法采1 检测仪表。从术时 纪8 0 年代初开始，随着f m s 、c i m s 的发展在c i m s 生产环境中，主要靠h 算机技术、 自动化控制技术对制造过程进行监控，大大减少了人对制造过程的直接干预，制造过程状 态的自动识别、故障自动排除是制造系统稳定性的基础。所以在c i m s 生产环境中，带0 墙 过程j | f 控技术越来越受到人们关注，并成为c i m s 的重要技术保障。 任何一种制造系统，它的最终目标是在保证产品质量前提下，降低制造成本，提；岛生 产效率。因此，制造过程监控的目的，就是为了保证达到上述目标，在线识别过程状态， 分析过程中的问题，通过参数调节，提供稳定的生产条件。从监控剥象的侧重点不同来分， 制造过程监控分为设备监控、流程监控和质量崎控”1 。设备峪控是流程随控的基础，设备 监摔和流程椎控是质量监控的重要保证。设备胎控、流程监控和质量监控互为支撑，互相 渗透。 制造过棵监控是十多年来发展最迅猛的综合性应用技术之一，该技术是利用传赌检测 技术、信号处理、模式识别、信息理论、人工智能、预报决策、控制工程、电子技术、计 算机技术及有关专业领域的研究成果，以制造过程的设备、流程及产品质量为研究对象， 根据制造过程中的二次效应( 如热力参数、电磁参数、机械力学参数、各种性能参数等) 及其动态变化在小影响制造过程j 1 = ：常工作的前提下，t ) 对制造过程的设备状态进行j | ：i 测，作h 1 是否有故障、故障种类、故障部位、故障严重程度、故障发展变化趋势等渗断结 果，判断设备性能劣化趋势，并制定出相应对箫和处理结果，埘设备进行自动控制；2 ) 对制造过程的流程进行监控；3 ) 对制造过程的产品质量进行监控。 2 + 1 单元控制系统 2 , 1 单元控制系统 昆明理 二大学硕j 二学位论文第二章研究加1 中心在线加工和监控的理论基础 单元控制系统是f m s 的大脑及神经中枢，随着计算机技术的进一步发展以及人工智 能技术的发展与应用，f m s 控制技术无论是软件还是硬件均有突飞猛进的发展。单元控制 系统的发展主要表现在以下几个方面： 1 ) 不断推山新型控制软件。随着f m s 的发展，特别是c i m s 的发展，单元控制软件 发展很快，无论是制造商还是应用厂商都在不断地推出或引进新的单元控制软件。例如西 屋电气公司的- 3 中用来监督和控制f m s 制造单元的新型软件u n i c e l l ，这是一种数据驱动 的单元控制软件；还有亚瑟安德森( a r t h u r a n d e r s e n ) 公司的c e l l p a c 软件包，它是 种具有开放结构的单元生产活动控制软件包。 2 ) 控制软件的模块化、标准化。为了便于对柔性制造控制软件进行修改、扩展和集 成，控制软件模块化、标准化已成为f m s 控制系统的主要发展趋势，现在美国国家标准 局期望这项技术能够吸引美国3 万个小型生产厂商。 3 ) 迅速发展新型软件开发已成为控制系统发展的瓶颈，因此一些软件公司不断推出 一些称之为“平台”的支持开发工具，帮助用户来完成自己的工程项目设计和实