先进制造技术基础 第4章 制造自动化技术.ppt

4 1制造自动化技术概述 4 2柔性制造系统 4 3计算机集成制造系统 第4章制造自动化技术 4 4现代机床数控技术 教学时数 5学时教学目标 了解制造自动化技术的内涵 技术地位及发展趋势 掌握柔性制造系统 计算机集成制造系统及现代机床数控技术涉及的关键技术及发展应用 了解制造自动化技术手段在现代机械产品制造中的实际应用 教学要求 了解制造自动化相关知识 把握其内涵与发展趋势 掌握柔性制造系统相关的理论 技术知识 了解其应用 把握CIMS现状和发展 了解CIMS组成和信息集成技术 掌握现代机床数控系统的组成和结构特点 了解其关键技术和发展趋势 定义 指 大制造概念 广义 的制造过程的所有环节采用自动化技术 实现制造全过程的自动化 也就是对制造过程进行规划 运作 管理 组织 控制与协调优化 以使产品制造过程实现高效 优质 低耗 及时和洁净的目标 4 1制造自动化技术概述 4 1 1制造自动化技术的定义 内涵 内涵 1 制造技术的自动化2 制造系统的自动化 4 1 2制造自动化技术的研究现状 研究现状 1 制造系统中的集成技术和系统技术已成为制造自动化研究中热点问题 2 更加注重研究制造自动化系统中人的作用的发挥 3 单元系统的研究仍然占有重要的位置 4 制造过程的计划和调度研究十分活跃 实用化的成果不多 5 柔性制造技术的研究向着深度和广义发展 6 适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起 7 底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃 4 1 3制造自动化技术发展趋势 发展趋势 1 制造全球化 2 制造敏捷化 3 制造网络化 4 制造虚拟化 5 制造智能化 6 制造绿色化 4 2柔性制造系统 1 柔性制造系统定义 1 我国国家军用标准 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 2 美国国家标准局 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 4 2 1概述 柔性制造系统 2 柔性制造系统的类型 1 柔性制造单元 FMC 由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元 柔性制造单元1 刀具库2 换刀机械手3 托盘库4 装卸工位5 托盘交换机构 2 柔性制造系统 FMS 以数控机床或加工中心为基础 配以物料传送装置组成的生产系统 该系统由电子计算机实现自动控制 能在不停机的情况下 满足多品种的加工 3 柔性自动生产线 FML 把多台可以调整的机床 多为专用机床 联结起来 配以自动运送装置组成的生产线 该生产线可以加工批量较大的不同规格零件 244FM摩托车发动机汽缸柔性自动线 3 柔性制造系统的特点和适用范围 柔性制造系统的特点 1 适应市场需求 以利于多品种 中小批量生产 2 提高机床利用率 缩减辅助时间 降低生产成本 3 缩短生产周期 减少库存量 提高市场响应能力 4 提高自动化水平 提高产品质量 降低劳动强度 改善生产环境 柔性制造系统的适用范围 柔性制造系统主要解决单件小批的自动化 以及中 大批多品种生产的自动化 4 2 2柔性制造系统的组成 典型的FMS一般由三个子系统组成 加工系统 物流系统和控制与管理系统 柔性制造系统 物流系统 控制与管理系统 加工设备 辅助设备 检测设备 工件流 刀具流 过程控制 过程调度 过程监视 加工系统 1 加工系统1 加工系统的配置互替形式 并联 互补形式 串联 混合形式 并串联 2 加工系统中常用设备 加工中心 立式加工中心 卧式铣镗加工中心 加工中心与普通数控机床的区别之处 主要在于它附有刀库和自动换刀装置 a 转塔式b 链式c 盘式加工中心刀库的基本类型 链式刀库 数控组合机床 指数控专用机床 可换主轴箱数控机床 模块化多动力头数控机床等加工设备 三工位数控组合机床 设备运行状态监控与检测技术设备运行状态监控与检测 3 加工系统的监控 设备运行状态的监控与检测原理 加工过程监控 2 物流系统FMS中物料流动的总称 主要由输送装置 交换装置 缓冲装置和存储装置等组成 1 物流系统的输送装置 输送带 自动小车 自动小车分为有轨和无轨两种 2 物流系统的物料装卸与交换装置 常见的装卸与交换装置有箱体类零件的托盘交换器 加工中心的换刀机械手 自动仓库的堆垛机 输送系统与工件装卸站的装卸设备等 自动仓库堆垛机 3 物流系统的物料存储装置 常见的物料存储装置有立体仓库 水平回转型自动料架 垂直回转型自动料架和缓冲料架 立体仓库 采集物流系统的状态数据 监视物流系统状态 处理异常情况 人机交互 接受上级控制与管理系统下发的计划和任务 并控制执行机构去完成 4 物流系统的监控 主要完成以下功能 3 控制与管理系统 它由计算机 工业控制机 可编程序控制器 通信网络 数据库和相应的控制与管理软件等组成 它是FMS的神经中枢和命脉 也是各子系统之间的联系纽带 FMS的递阶控制结构 4 2 3柔性制造系统中的数据流 数据的流动 实质上就是信息的流动 信息流系统执行单元加工中信息流的处理 储存和传输等功能 是协调多台机床加工和物料输送的计算系统 信息系统是柔性制造系统 FMS 的中枢神经 它关系到整个系统是否能准确 顺利地运行 1 计划层2 管理层3 单元层4 设备控制层5 动作执行层 1 信息流组成 FMS信息网络 2 信息流的特征 1 数据类型 2 联系形式 基本数据 控制数据 状态数据 数据联系 决策联系 组织联系 5 FMS仿真 3 网络及通信 4 运行控制 FMS信息流畅通必不可少的条件是接口标准兼容问题 FMS的作业计划管理 FMS的过程协调控制 加工过程监控 图形仿真 排队网络模型的分析 统计模型的数字仿真 4 2 4柔性制造系统的发展前景 1 向小型化 单元化方向发展2 向模块化 集成化方向发展3 单项技术性能与系统性能不断提高4 重视人的因素5 应用范围逐步扩大 柔性制造技术是在自动化技术 信息技术及制造技术的基础上 将以往企业中相互独立的工程设计 生产制造及经营管理等过程 在计算机及其软件的支撑下 构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统 以实现全局动态最优化 总体高效益 高柔性 并进而赢得竞争全胜的智能制造技术 它作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技 为未来制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图 将成为21世纪制造业的主要生产模式 4 3计算机集成制造系统 1 CIMS的定义 4 3 1概述 将信息技术 现代管理技术和制造技术相结合 按系统技术的理论与方法应用于企业产品全生命周期 从市场需求分析到最终报废处理 的各个阶段 通过信息集成 过程优化及资源优化 实现物流 信息流 价值流的集成和优化运行 达到人 组织 管理 经营和技术三要素的集成 以加强企业新产品开发的T 时间 Q 质量 C 成本 S 服务 和E 环境 从而提高企业的市场应变能力和竞争能力 2 CIMS的历史意义 1 促进科学技术的发展 2 CIMS使人类物质生活更加丰富 3 使企业的生产规模空前扩大 成本降低 4 充分挖掘资源的潜力和优化资源的配置 5 企业的计划性和市场应变能力极大增强 6 制造业从业人数将大大减少 4 3 2CIMS的组成 CIMS是一个大的系统 包括人与机构 经营 技术三要素 CIMS的三要素 CIMS的组成 从功能角度看 一般可以将CIMS分为四个功能分系统和两个支撑分系统 1 工程设计自动化分系统 CIMS工程设计自动化分系统是在产品开发过程中利用计算机软硬件及网络环境 辅助产品设计 制造准备及产品性能测试等 从而使产品开发活动更高效 更优质 2 管理信息分系统 MIS 是CIMS中的神经中枢 它指挥控制着CIMS各分系统 企业各部门有条不紊地运行 完成企业的经营生产任务 3 CIMS制造自动化分系统 MAS 制造自动化分系统一般由数控机床 加工中心 清洗机 测量机 运输小车 立体仓库 多级分布式控制 管理 计算机等设备及相应支持软件组成 4 CIMS质量保证分系统 通过该体系有效地采集 存储 评价与处理存在于设汁 制造过程中与质量有关的大量数据 从而获得一系列控制环 有效地控制 促进质量的提高 5 CIMS支撑分系统 计算机网络分系统 是支持CIMS各分系统的开放型网络通信系统采用国际标准和工业标准规定的网络协议 可以实现异种计算机互联 异构局部网络及多种网络的互联 主要由计算机系统 包括终端设备 通信传输设备和网络软件组成 是支持CIMS各个分系统 覆盖企业全部信息的数据存储和管理系统它是逻辑上统一 物理上分布的全局数据库管理系统 可以实现企业数据和信息集成 数据库分系统 4 3 3CIMS的信息集成技术 1 数据库技术 信息集成是集成的基础 是企业集成优化的基础 数据库 就是以一定的组织方式将相关的数据组织在一起存放在计算机存储器上形成的 能为多个用户共享的 与应用程序彼此独立的一组相关数据的集合 数据库系统 是一个实际可运行的 按照数据库方法存储 维护和向应用系统提供数据支持的系统 它是数据库 硬件 软件和数据库管理员 DBA 的集合体 2 PDM技术 ProductDataManagement产品数据管理 是以软件为基础的技术 它将所有与产品相关的信息和所有与产品开发相关的过程集成在一起 组成要素 1 一个电子仓库或数据仓库 2 一组用户功能 3 一组应用功能 3 数据仓库和数据挖掘技术 数据仓库技术所要研究和解决的问题是从联机事务处理系统 异构的外部数据源 脱机的历史业务数据中获取数据 经过处理后为数据分析统计和企业决策支持提供应用服务 数据仓库技术 工作过程 1 数据的抽取 2 存储和管理 3 数据的表现 数据挖掘 DataMining 技术 数据挖掘就是从大量数据中获取有效的 新颖的 潜在有用的 最终可理解的模式的非平凡过程 数据挖掘的方法 1 神经网络方法 2 遗传算法 3 决策树方法 4 粗集方法 5 覆盖正例排斥反例方法 6 统计分析方法 7 模糊集方法 4 3 4CIMS的发展趋势 1 集成化 2 数字化 3 智能化 CIMS已从信息集成和功能集成 发展到过程集成 并正在步入实现企业间集成的阶段 基于全数字化产品模型和仿真技术的虚拟制造技术将制造业带入了数字化时代 是制造系统在柔性化和集成化基础上进一步的发展与延伸 4 敏捷化 5 网络化 6 绿色化 制造企业通过组织动态联盟 重组其企业过程以及在更广泛范围内集成制造资源 以对不断变化的市场需求做出迅速响应 制造网络化体现在信息高速公路及集成基础设施支持下的网络制造系统 绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式 4 4现代机床数控技术 1 数控技术和数控机床 4 4 1CNC系统的组成和结构特点 就是数字控制 NumericalControl 是指用数字 文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术 1 数控 NC 也叫计算机数控 ComputerNumericalControl 技术 目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术 2 数控技术 是典型的数控装备 是高新技术的重要组成部分 它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示 通过信息载体输入数控装置 经运算处理由数控装置发出各种控制信号 控制机床的动作 按图纸要求的形状和尺寸 自动地将零件加工出来 3 数控机床 采用数控机床 提高机械工业的自动化生产水平和产品质量 是当前机械制造业技术改造 技术更新的必由之路 卧式数控机床 立式数控机床 2 数控机床的组成和种类 1 数控机床的组成 数控机床的基本组成包括加工程序载体 数控装置 伺服驱动装置 机床主体和其他辅助装置 2 数控机床的种类 按数控机床加工原理分 特种加工数控机床 线切割数控机床 电火花成型加工数控机床等 普通数控机床 数控车床 数控铣床 加工中心等 按数控机床运动轨迹 点位控制运动 直线控制运动和连续控制运动 按进给伺服系统控制方式 开环控制系统 闭环控制系统 半闭环控制系统 4 4 2数控加工编程技术 1 数控加工与数控编程 1 数控程序 NCProgram 输入NC或CNC机床 执行一个确定的加工任务的一系列指令 称为数控程序或零件程序 2 数控加工 NCMachining 根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序 简称为数控程序 输入数控系统 控制数控机床中刀具与工件的相对运动 从而完成零件的加工 2 数控编程的分类 3 数控编程 NCProgramming 生成用数控机床进行零件加工的数控程序的过程 称为数控编程 有时也称为零件编程 part programming 1 手工编程 整个程序的编制过程由人工完成 要求编程人员不仅要熟悉数控代码及编程规则 而且还必须具备机械加工工艺知识和一定的数值计算能力 2 计算机辅助数控编程 数控语言编程系统 图形编程系统 美国的APT AutomaticallyProgrammedTools 自动化编程工具 国外引进 Unigraphics Pro Engineer CATIA Solidworks Mastercam SDRC I DEAS DELCAM等 Pro E界面 UG界面 3 数控编程常用指令及其格式 1 程序段的一般格式 N35G01X26 8Y32 Z15 428F152 其中 N35为程序段号 G代码为准备功能 X Y Z为刀具运动的终点坐标位置 F为进给速度代码 可能出现的编码字符还有S T M I J K A B C D H R等 2 常用的编程指令 部分G指令 部分辅助功能指令 M00 程序停止M01 计划程序停M02 程序结束M03 M04 M05 分别为主轴顺时针旋转 主轴逆时针旋转及主轴停止M06 换刀M08 冷却液开M09 冷却液关M30 程序结束并返回 其它常用功能指令 T功能 刀具功能S功能 主轴速度功能F功能 进给速度进给率功能 3 数控编程步骤 4 计算机辅助数控编程的一般原理 计算机辅助数控加工编程的一般过程 4 4 3数控加工技术的发展趋势 1 高速度与高精度化 1 数控系统 微处理器 由原来的8位CPU过渡到16 32位及64位CPU 主频由原来的5MHz提高到16MHz 20MHz 32MHz 有些系统已开始采用双CPU结构 以提高系统的数据处理能力 即提高插补运算的速度和精度 2 伺服驱动系统 全数字交流伺服系统大大提高了系统的定位精度 进给速度 3 机床静 动摩擦的非线性补偿控制技术 4 高速大功率电主轴的应用 内装式电动机主轴机床主轴转速10000 75000r min 5 配置高速 功能强的内装式可编程控制器 PLC 利