现代集成制造系统的关键技术.ppt

第5章现代集成制造系统的关键技术 现代集成制造系统的关键技术 现代集成制造系统理论和支持技术 略 现代集成制造系统中的信息技术计算机辅助技术现代集成制造系统的集成平台技术制造过程控制技术现代集成制造系统的新发展 软构件及其接口 1 软构件的概念构件是指语义完整 语法正确和有可重用价值的单位软件 是软件重用过程中可以明确辩识的系统 结构上 它是语义描述 通讯接口和实现代码的复合体 简单地说 构件是具有一定的功能 能够独立工作或能同其它构件装配起来协调工作的程序体 构件的使用同他的开发 生产无关 从抽象程度来看 面向对象技术已达到了类级重用 代码重用 它以类为封装的单位 这样的重用粒度还太小 不足以解决异构互操作和效率更高的重用 构件将抽象的程度提到一个更高的层次 它是对一组类的组合进行封装 并代表完成一个或多个功能的特定服务 也为用户提供了多个接口 整个构件隐藏了具体的实现 只用接口提供服务 构建技术流派 近年来 构件技术发展迅速 已形成三个主要流派 分别是OMG的CORBA Sun的Java平台和Microsoft的COM OMG的CORBA 公共对象请求代理体系结构 CORBA CommonOb jectRequestBrokerArchitecture 是对象管理组织 OMG 基于众多开放系统平台厂商提交的分布对象互操作内容基础上制定的分布式应用程序框架的规范 Sun的J2EE 为了推动基于Java的服务器端应用开发 Sun在1999年底推出了Java2技术及相关的J2EE规范 MicrosoftDNA是Microsoft在推出Windows2000系列操作系统平台基础上 在扩展了分布计算模型以及改造BackOffice系列服务器端分布计算产品后发布的新的分布计算体系结构和规范 CORBA CORBA是由绝大多数分布计算平台厂商所支持和遵循的系统规范 具有模型完整 先进 独立于系统平台和开发语言 被支持程度广泛的特点 已逐渐成为分布计算技术的标准 COBRA标准主要分为3个层次 对象请求代理 公共对象服务和公共设施 最底层是对象请求代理 ORB ObjectRequestBroker 规定了分布对象的定义 接口 和语言映射 实现对象间的通讯和互操作 是分布对象系统中的 软总线 在ORB之上定义了很多公共服务 可以提供诸如并发服务 名字服务 事务 交易 服务 安全服务等各种各样的服务 最上层的公共设施则定义了组件框架 提供可直接为业务对象使用的服务 规定业务对象有效协作所需的协定规则 CORBA的优点是大而全 互操作性和开放性非常好 缺点是庞大而复杂 并且技术和标准的更新相对较慢 在具体的应用中使用不是很多 J2EE J2EE的目标是提供与平台无关的 可移植的 支持并发访问和安全的 完全基于Java的开发服务器端中间件的标准 J2EE简化了构件可伸缩的 基于构件服务器端应用的复杂度 在J2EE中 Sun给出了完整的基于Java语言开发面向企业分布应用的规范 其中在分布式互操作协议上 J2EE同时支持远程方法调用 RMI Re moteMethodlnvocation 和因特网对象请求代理间协议 IlOP IntemetInter ORBProtocal 在服务器端分布式应用的构造形式包括了JavaServlet JSP JavaServerPage EJB等多种形式 以支持不同的业务需求 MicrosoftDNA WindowsDNA是WindowsDistributedInternetApplicationArchitecture的缩写 可以翻译为Windows分布式网络应用程序体系结构 这是一个相当抽象的概念 但它又是非常重要的一个概念 微软提出的DNA概念是借助生命科学中脱氧核糖核酸 DNA DeoxyribonucleicAcid 的寓意来诠释现代企业信息结构的真谛 WindowsDNA允许不同网络的计算机互相操作以及相互协作以完成某些目标 它可以使开发者很容易的建造能够服务许多用户的基于网络的系统 更为重要的是 WindowsDNA提供了一个具备协同工作能力的框架 Framework 而且由于这个框架支持公用的协议 以及它发布了一些通用的接口 用户可以在它上面添加一些新的功能以扩充这个系统 WindowsDNA是微软为分布式应用程序的开发所提供的平台 它是微软将多年的技术精华集合起来而形成一个完整的多层结构的企业应用总体方案 它使Windows真正成为企业应用平台 WindowsDNA实际上是微软的基于组件的分布式应用程序战略框架结构 具有可伸缩性和高可靠性 COM MTS MicrosoftTransactionServer 就是这样一个COM DCOM对象的Container执行环境 MTS是Microsoft在Windows平台的中介软件之一 它的主要功能是让Windows程序员能够开发以组件为导向的分布式应用系统 并且具备在同质和异质数据库之间对修改的数据进行两阶段提交的功能 由于MTS提供了事务管理 各种Pooling功能以及对象及时激活等功能 执行在其中的COM DCOM组件将不用考虑这些事情 而只是专门执行企业逻辑代码 COM 的推出有机的统一了COM DCOM MTS的编程模型 形成一个功能强大的组件体系结构 并且把DCOM MTS的各种优势以更为便捷的方式提供给用户 Net NET可以看做是从WINDOWSDNA演进而来的 它是WINDOWSDNA的继续和发展 WINDOWSDNA是一个解决方案的平台 它关注的是如何使用微软服务器产品来解决业务问题 但是除了一个技术规范以外 WINDOWSDNA并没有任何切实的东西 但是 NET不仅有一套技术规范 它还包括了几个实实在在的产品 例如编译器 类库 甚至最终的用户程序 如Windows NET是操作系统平台 NETFramework是运行环境 NET企业服务器为产品服务器 VisualStudio NET为编程平台 CIMS应用集成平台 分布环境企业实施CIMS首先要实现信息集成 集成平台与集成框架就是企业应用的一种先进集成支持工具 开发CIMS应用集成平台的目的就是为企业实施CIMS提供开放的 易维护的 可重构的应用开发与系统运行的集成支持工具 CIMS应用集成平台基本定义 CIMS应用集成平台是一个支持复杂信息环境下CIMS应用开发 应用集成和系统运行的软件平台 它基于制造业信息特征 在异构分布环境 操作系统 网络 数据库 下提供透明 一致的信息访问和交互手段 对其上运行的应用进行管理 为应用提供服务 并支持CIMS信息环境下各特定领域应用系统的集成 CIMS应用集成平台的功能 1 通信服务 提供分布环境下透明的通信服务功能 使用户和应用程序无需关心具体的操作系统和应用程序所处的网络位置 而以透明的函数调用或对象服务方式完成它们所需的通信要求 2 信息服务 为应用提供透明的信息访问服务 使应用以一种一致的语义和接口实现对数据 数据库 数据文件 应用交互信息 的访问与控制 3 应用编程 集成 接口 是一组高层接口 以函数或对象服务的方式为用户提供更为专业化的服务 使用户可以方便地集成现有应用和开发新的应用 应用编程接口按照它们的通用程度又分为独立于应用的编程接口和依赖于应用的编程接口 4 应用开发工具 一组帮用户开发特定应用程序的支持工具 以简化用户应用程序的开发工作 5 管理应用程序 它是CIMS应用集成平台的运行管理和控制模块 负责CIMS应用集成平台的系统静态和动态配置 集成平台应用运行管理和维护 事件管理和出错处理等 CIMS应用集成平台的基本特性 1 为企业的经营 管理 生产和设计领域提供良好的应用编程接口和应用集成接口 2 提供支持CIMS应用开发 应用集成的应用开发工具 应用编程接口 应用原型系统 3 支持不同的企业规模和多种多样的企业信息环境 集成平台可为不同的企业规模和应用范围提供最佳的结构和功能配置 具有良好的可伸缩性 4 支持异构分布环境 提供一致透明的数据访问 支持现有应用 已有信息资源的集成和重用 5 根据企业对Internet服务的需求 提供相应的Internet服务功能 CIMS应用集成平台的发展趋势 1为企业实施CIMS提供全方位 全生命周期的支持 方便现有应用的集成这些支持包括提供通用的通信服务 信息服务和面向应用领域的应用开发工具 原型系统和应用集成接口 2既支持企业的信息集成 又支持功能集成和过程集成3采用新技术和理论 支持标准化和开放系统概念 高度的软件可重用性4维护应用系统的安全性 可靠性 完整性 实现系统资源和数据的有效管理5对Internet Intranet Extranet技术的支持 面向服务的应用集成 现代集成制造系统的关键技术 现代集成制造系统理论和支持技术 略 现代集成制造系统中的信息技术计算机辅助技术现代集成制造系统的集成平台技术制造过程控制技术现代集成制造系统的新发展 5 制造过程控制技术 数字控制技术柔性制造技术智能制造技术 数控技术 自从本世纪中叶数控技术创立以来 它给机械制造业带来了革命性的变化 现在 数控技术已成为制造业实现自动化 柔性化 集成化生产的基础技术 现代的CAD CAM FMS和CIMS 敏捷制造和智能制造等 都是建立在现代数控技术之上 数控技术是提高产品质量 提高劳动生产率必不可少的物质手段 国家战略技术和体现国家综合国力水平重要标志 专家们预言 二十一世纪机械制造业的竞争 其实质是数控技术的竞争 数字控制 NumericalControlNC 是一种借助数字 字符或其它符号对某一工作过程 如加工 测量 装配等 进行编程控制的自动化方法 数控技术 NumericalControlTechnology 采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术 数控机床 NumericalControlMachineTools 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床 它是数控技术典型应用的例子 数控系统 NumericalControlSystem 实现数字控制的装置 计算机数控系统 ComputerNumericalControlCNC 以计算机为控制核心的数字控制系统 数字控制与数控技术 高精度 高效率 刚性自动化不能满足的要求 手工 小规模 大规模生产 柔性自动化 多品种 变批量 复杂零件的加工 多坐标加工 计算机技术的发展 数控技术产生的原因 数控技术的发展历史 1952年 第一代电子管数控系统 1959年 第二代晶体管数控系统 随之出现刀库 机械手 加工中心 1960年 第三代集成电路数控系统 硬逻辑数控系统 称为NC 1970年 第四代小型计算机数控 CNC 1974年 第五代微型计算机数控 MNC 统称CNC 1980年后 FMS FMC CIMS 开放式数控 openNC 系统 智能制造系统 IMS 大发展 1990年后 高速加工 纳米制造 定梁龙门移动式五轴联动加工中心 数控动梁龙门镗铣床加工中心 多连杆机械压力机 济南一机床和华东数控十五期间开发的国内领先的数控设备 将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序 然后将程序输入数控装置 按照程序的要求 经过信息处理 分配 使各坐标以最小位移量为单位移动 其合成运动实现了刀具与工件的相对运动 完成零件的加工 最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理 即轨迹控制原理 插补原理 点位控制 严格控制点到点的距离 不严格要求路径 运动中不加工 数控机床的工作原理 数控系统 I 0接口 CNC装置 伺服系统 PLC机械主机 主运动机构 进给运动机构 辅助机构 床身等 数控机床的组成 1 多品种变批量 单件小批量的自动化2 柔性加工和柔性自动化 小批量而又轮番生产的零件 几何形状复杂的零件 在加工过程中必须进行多种工序加工的零件 切削余量大的零件 必须严格控制公差 公差带范围很小 的零件 工艺设计会经常变化的零件 贵重零件 需全部检测的零件 等等 数控机床的应用 CNC系统的组成 CNC系统由 数控装置 伺服系统 和系统程序组成 数控装置 专用计算机 硬件和软件组成 伺服系统 检测装置 驱动装置和伺服电机组成 数控装置的硬件组成及功能1 数控装置的硬件包括 微机基本系统 CPU 总线 存储器 I O设备等数控接口组件 进给轴位置控制接口组件 主轴控制接口组件手摇脉冲发生器接口组件等 接口 人机界面接口 通讯接口 机电接口辅助功能 M 控制接口等2 硬件功能 与软件一起接收输入信息 程序 经过译码 轨迹计算 速度计算 补偿计算 加 减处理和插补运算 给各个坐标的伺服驱动器分配速度 位移指令 完成数控加工任务 软件由控制功能程序 管理功能程序组成控制功能程序 实时性强 用于进给坐标的位置控制 中断完成 译码 预处理 刀补和速度处理 插补 位控 管理功能程序 实时性稍差 但要保证控制软件数据的供给传递 具体见图 数控装置软件的基本组成和功能 数控技术的发展趋势 当代 数控技术的典型应用是FMC FMS CIMS 其发展方向是高速化 高精度化 高效加工 多功能化 小型化 复合化 开放化和智能化以及数控标准的发展 目前的动向是 开放式数控系统 高速加工系统 开放式数控系统 不但要求模块化 网络化 标准化 用户界面 图形显示 动态仿真 数控编程 故障诊断 网络通讯 而且对实时性和可靠性要求很高 基于PC的CNC系统 PC嵌入式 PC CNC 融合系统 新的数控标准STEP NC 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展 数控系统的智能化将不断提高 主要为 应用自适应控制 AdaptiveControl 技术数控系统检测加工过程中的一些重要信息 并自动调整系统的有关参数 达到改进系统运行状态的目的 引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验 加工的一般规律与特殊规律存入系统中 以工艺参数数据库为支撑 建立具有人工智能的专家系统 当前已开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络的数控系统和其它数控加工系统 引入故障诊断专家系统 智能化伺服驱动装置可以通过自动识别负载而自动调整参数 使驱动系统获得最佳的运行状态 HEADER 文件头部开始语句 ENDSEC 文件头部分结束DATA 数据段开始 1 PROJECT Workplan 10 1规划由工作计划 10完成 10 Workplan 20 35 10包括 20工步 35工步 20 Machining Workingstep 21 feature 22 Machining 20为加工工步 包括 21加工特征 22加工操作 21 Roundhole HoleM6 被加工的是M6 圆周孔 22 Drilling Tool technology Machine functions 钻削加工 刀具 工艺 机床功能 35 Machining Workingstep 35为加工工步 其它加工工步ENDSEC 程序结束 数据段 NC例子 5 制造过程控制技术 数字控制技术柔性制造技术智能制造技术 柔性制造系统FMS 柔性制造系统 FMS FlexibleManufacturingSystem 是通过局域网把数控机床 加工中心 座标测量机 物料输送装置 对刀仪 立体刀库 工件装卸站 机器人等设备联结起来 在计算机及控制软件的控制下 形成一个加工系统 FMS的组成 硬件1 系统制造设备 数控加工设备 如加工中心 测量机 清洗机等 2 自动化储运设备 传送带 有轨小车 AGV 搬运机械人 立体仓库 中央托盘库 物料或刀具装卸站 中央刀库等 3 计算机控制系统及网络通讯系统软件系统1 系统支持软件 操作系统 网络操作系统 数据库管理系统等 2 FMS运行控制系统 动态调度系统 实时故障诊断系统 生产准备系统3 物料 工件和刀具 管理控制系统等 基本型FMS的基本组成 基本型FMS的硬件布置如图所示 加工系统主要由加工中心 数控车床组成 物流系统由自动导引小车即一辆小车 三个机器人 一个装卸站 两个缓冲站组成 计算机控制系统采用分布递阶的控制方式 FMS的分类 按系统的规模和结构 FMS可分为 1 柔性制造装置 FMU 是以一台加工中心为主的系统 装备有托盘库 自动托盘交换站或机器人 一个自动化工具交换装置 2 柔性制造单元 FMC FMC是由1 2台加工中心 工业机器人 数控机床及物料运送存贮设备构成 具有适应加工多品种产品的灵活性 FMC可视为一个规模最小的 FMS 是FMS向廉价化及小型化方向发展和一种产物 其特点是实现单机柔性化及自动化 迄今已进入普及应用阶段 3 柔性制造系统 FMS 通常包括4台或更多台全自动数控机床 加工中心与车削中心等 由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来 可在不停机的情况下实现多品种 中小批量的加工及管理 FMS的功能 能自动控制和管理零件的加工过程 如制造质量的自动控制 故障的自动诊断和处理等 通过软件系统变更 能制造出系列零件的多种零件 自动控制和管理物料 包括工件与刀具 的运输和存储过程 具有优化的调度管理功能 无需过多的人工介入 能做到无人加工 FMS的特点 1 制造柔性高 FMS因内在的灵活性 能适应由于市场需求变化和工程设计变更所出现的变动 进行多品种生产 2 设备利用率高 占地面积少 设备的利用率一般可达70 以上 系统布局紧凑 占地面积可减少20 50 3 减少直接工时费用 由于机床是在计算机控制下进行工作 不需工人去操纵 4 减少制品数量 缩短生产准备时间 在FMS中 加工设备集中在一个很小的场地 各种工序集中在加工中心 减少了零件装夹次数和零件经过机床数目 5 维持生产能力强 当一台或几台机床发生故障时 仍可降级运转 6 产品质量高而稳定 FMS采用全自动化加工 减少人为因素 产品质量高而稳定 7 投资高 风险大 开发周期长 管理水平要求高 5 制造过程控制技术 数字控制技术柔性制造技术智能制造技术 智能制造系统 它是发挥人的创造能力和具有人的智能的制造系统 制造工作者认为它是当前制造系统发展的最高阶段 展现了与人类智能行为相关的特性 如理解语言 学习能力 逻辑推理和解决问题等能力 能够深入了解人脑活动机理 取代人的部分脑力劳动 强调企业的自组织能力 智能制造技术的内容大体包括专家系统 模糊推理 人工神经网络和遗传因子等方面 其表现形式有智能制造单元和系统 如智能数控机床 智能机器人 制造过程的智能控制 智能监测与诊断系统等 智能制造的历史 1988年 赖特和伯恩出版了智能制造研究领域的首本专著 智能制造 他们在这本书中提出智能机床的设想 采用拟人化的方法将智能机床制成能模仿熟练机械师技能的加工机器 根据给定的输入 自动完成加工任务 并输出所希望的产品 智能机床与熟练机械师操作普通机床具有同样的功能 因而具有智能 智能机床具有目标理解 信息感知 通信 适应控制等功能 智能制造系统组成 有三个子系统 虚拟制造系统 事先模拟制造过程 全息制造系统 系统的元素是 自主 自治 的模块 协作完成给定的任务 既合作又自治 系统的结构既是 你中有我 又是 我中有你 增强系统的柔性 全球同步工程 使产品的不同部分能同时在世界上不同的生产研究基地进行制造 保证产品质量 降低生产成本 智能制造系统的体系结构 1 Holonic制造系统Holonic系统的基本构件是Holonic Holon Holon是从希腊语借过来的 人们用Holon表示系统的最小组成个体 Holonic系统就是由很多不同种类的Holonic构成 Holonic的最本质特征是 自治性 每个Holonic可以对其自身的操作行为作出规划 可以对意外事件 如制造资源变化 制造任务货物要求变化等 作出反应 并且其行为可控 合作性 每个Holonic可以请求其它Holonic执行某种操作行为 也可以对其他Holonic提出的操作申请提供服务 智能性 Holonic具有推理 判断等智力 这也是它具有自治性和合作性的内在原因 智能制造系统的体系结构 2 分形企业 fractalenterprise 是借用分形几何中的自相似性概念描述的一种新的生产方式 用数学的语言来说 分形几何是研究自然界中没有特征长度而又具有自相似性的形状和现象 大量事实说明分数维态 即分数维构造 是介于无序 有序之间的状态 是自然界最广泛分布的状态 这种状态是不稳定的或是准稳定的 这正是自然界运动 发展 演化的根本原因 智能制造系统的体系结构 分形企业的自相似性包括 企业组织结构的自相似 即以过程为中心建立企业的组织 目标自相似 即单元的目标与企业的目标一致 分形企业在自相似的基