08060426-先进制造

1、先进制造技术智能制造系统的具体应用Intelligent manufacturing system specific application班级：08营 姓名：颜琼 学号：08060426摘要：随着生产力的发展，制造业也由传统的模式转变为如今的先进制造技术。近半个世纪特别是近20年来，随着产品性能的完善化及其结构的复杂化、精细化，以及功能的多样化，各类产品制造过程和管理工作的信息量呈爆炸性增长趋势，促使制造技术的发展转向如何提高制造系统的信息处理能力和效率上来。制造系统正由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具有柔性，而且还要表现出智能，否则是难以如此大量而复杂的信息工作量

2、。激光智能制造系统是中科院力学所自行研制成功的国内首套高度集成化、智能化、柔性化激光加工制造系统（具有自主知识产权），研制成果已申报了多项国家发明和实用新型专利。目前该技术已提供给上海大众汽车有限公司，并实际应用于汽车冲压件模具激光表面强化及修复，有效提高了现有模具的服役寿命，获得良好的经济效益。该系统可广泛应用于汽车制造等机械行业中的模具工作表面强化及快速修复，特别适用于大、中型覆盖件模具的高效强化处理。该系统还可进行多种激光柔性加工和智能制造，包括激光三维切割及焊接、激光微打孔、金属零件的激光直接成形和复杂表面上耐蚀、耐磨涂层的制备等。Extraction：With the develop

3、ment of productive forces, manufacturing also from the traditional model changes for today's advanced manufacture technology. Nearly half a century, especially in the past 20 years, with the performance of the product perfect and structure of complication, fineness and function diversity, all ki

4、nds of products manufacturing process and management information amid explosive growth, impels manufacture technology development to how to improve manufacturing system of information processing capability and efficiency up. Manufacturing system is by the original energy driven model into informatio

5、n driven model, which requires not only to with flexible manufacturing system, but also showed intelligence, it is difficult to so large and complex information workload. Laser intelligent manufacturing system is developed by Chinese academy of sciences mechanics of successful domestic first set of

6、highly integrated, intelligentize and flexibility laser processing manufacturing systems (with independent intellectual property rights), research achievement has been declared the many national invention or utility model patents. At present, the technology has provided to Shanghai general motors Co

7、., LTD, and actual application in automobile stamping mould laser surface strengthening and repair, and improves the existing mould service life, for good economic benefit. This system can be widely used in automotive manufacturing machinery industry in die working surface strengthening and fast rep

8、air, especially suitable for large and medium-sized panel die efficient strengthen treatment. This system can also perform a variety of laser flexible processing and intelligent manufacture, including laser three-dimensional cutting and welding, laser micro punching, metal parts of the laser direct

9、forming and complex surface corrosion resistance and wear resistance coating preparation etc.关键词：智能制造系统 汽车模具 激光强化 智能强化 快速成型Keywords: Intelligent manufacturing system Auto mould Laser hardening Intelligent aggrandizement Rapid prototyping引言：瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，要求制造系统表现出更高的灵活、敏捷和智能。智能制造是制造技术的发展，特别是信息技

10、术发展的必然，是自动化和集成技术向纵向发展的结果。以敏捷性和智能化为主要特征的先进制造技术1在当今世界各国的信息化进程中发挥着至关重要的作用，并在机械、电子、航空、医疗等领域得到迅速应用。以制造工艺力学和信息科技为基础的集成化激光智能制造及柔性加工2已经形成了力学与制造交叉领域的国际前沿。中国科学院力学所作为国家级研究机构，瞄准国际科学技术发展的前沿，开展我国先进制造及相关力学科学技术领域的前瞻性、基础性和战略性研究。中科院力学所在前期研究和装备建设基础上，承担了中科院知识创新重大项目及与上海大众的科技合作研究。通过对激光材料相互作用的机理进行实验研究、理论分析及数值模拟，深入开展工艺力学基础

11、性研究以及多学科交叉的系统集成创新研究，为建立我国第一套集成化激光智能制造及柔性加工实验研究系统提供了理论基础及技术支撑。同时可进一步开展激光制造工艺力学和激光材料工艺力学方面的基础性研究，以满足学科发展的重大需求。正文：先进制造系统（Intelligent Manufacturing System，IMS）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。它突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力活动，同时收集、存储、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。智能制造突出了知识在制造

12、活动中的价值地位，而知识经济又是继工业经济后的主体经济形势，所以智能制造就成为影响未来经济发展过程中制造业的重要生产模式。所谓智能制造系统，就是智能制造模式展现的载体。一、激光智能制造及柔性加工系统激光智能制造系统的硬件由激光系统，光纤传送和光束变换装置，五维机器人系统，数控系统，运载小车等部分组成。激光系统采用的全数字化控制激光器，光纤长，可实现长距离的光束柔性传输。五维机器人采用框架式结构，在保证本体刚性基础上，增大了系统的加工范围。软件系统是基于Windows 2000环境下的工业控制软件，运行在一台普通的PC机上，该系统包含许多基本功能模块，这些模块相互联系，构成一个有机整体。为集成化

13、智能激光加工系统提供了一个统一的软件和操作平台，实现了从测量到加工的一个完整的工业化过程。下面的表1显示系统的各个模块及其功能。设计相应的模块，各个模块之间的关系如图：模块名称技 术功 能智能测量模块自适应测量算法提供数据数据库模块ODBC管理系统文件、存储工艺参数，存储系统操作信息，查询工艺参数曲面拟合及插值模块BB三角曲面片构建连续光顺曲面，生成标准CAD文件轨迹规划及优化模块优化算法产生优化的机器人路径及工作参数仿真及防碰撞模块OpenGL仿真显示机器人运动，防止机器人碰撞机器人控制模块串口通讯为控制机器人运动提供接口，反馈机器人工作信息激光控制模块现场总线为控制激光器提供接口，反馈激光

14、器工作信息智能加工多线程协调整个系统同步加工在线监测动态链接库检测系统工作状态，确保安全表1软件模块二、关键技术（1）智能测量 大型模具型面虽然复杂多样，但其有一些主要和常见的形状特征。通过总结大量模具的表面形状并结合测量的特点，可将其分为四种主要形状特征：自由曲面、棱线结构、岛状结构、标准几何体素。在这四种结构中，自由曲面和复杂棱线结构占主要地位，同时在实际的冲压加工中，这些地方也往往因为应力急剧集中和快速磨损而造成损坏，因而需要对它们进行强化处理。要进行强化处理首先要获得其型面数据，即要求研究如何才能有效地数字化模具上的自由曲面和棱线结构。下面主要以自由曲面为例简单介绍一下自适应测量的原理

15、。在自由曲面测量中采用二维自适应测量就是根据曲面特征，自适应地生成下一个探测点和对应的避障点，从而做到合理地布置测点，提高测量效率和精度。其基本思想是：利用自由曲面的一个截面曲线上已经测得的四点Pi-3、Pi-2、Pi-1、Pi，用贝塞尔方法拟合曲线，通过调整拟合曲线参数自适应地用外插值来获取下一个探测点和避障点，得到下一测量点坐标Pi1后，再以Pi-2、Pi-1、Pi、Pi1作为控制点拟合曲线，来自适应地获取新的探测点和避障点，如此循环至测量结束。图4为自适应测量原理示意图。在二维自适应测量基础上又进一步发展了三维自适应测量，为测量效率的提高打下了坚实的基础。OZYYPi-3Pi-2Pi-1

16、PiPi+1Pb,i +1探测点避障点X图4 二维自适应测量示意图（2）仿真技术 仿真模块主要目的和用途在于为系统提供安全的可直接用于加工的轨迹数据，包括显示功能和碰撞检测及后续处理。通过显示功能可以观察加工轨迹的空间位置及激光加工头的位姿与实际是否相符合，在加工过程显示的同时碰撞检测功能完成每一加工点处激光加工头与加工工件的碰撞检测，并将检测结果以文件形式导出，由后续处理进行加工轨迹的修正。目前已经完成激光加工系统仿真软件的开发，通过OpenGL编程实现了对整套机器人系统及加工环境的建模与显示，并且完成了与待加工面的碰撞检测工作，所设计的仿真软件能够实时显示加工过程。（3）加工轨迹规划 首先

17、在测量的基础上生成参数化的B-B曲面，但在这种曲面上直接通过控制参数值的变化难以生成适合加工的等距轨迹。对此我们采用了一种间接的生成方法。由三角网格的所有三角形所组成的曲面称之为三角网格面，由于每个三角形的面积非常小，所以三角网格面逼近于三角B-B曲面。对于一条参照轨迹线L，先在三角网格面上生成一条与L距离一定的曲线，求出该曲线上的点在对应三角域的重心坐标参数，从而可以求出对应的三角B-B曲面片上的值及外法线方向。以这些点为型值点，构造累加弦长参数样条曲线，该曲线即可看作L的一条等距轨迹线。以这条轨迹线参照，可以用同样的方法生成下一条轨迹线。另外对于一些特殊的曲面类型，如棱脊，采取了基于特征线

18、的轨迹规划方法，在保证精度的基础上，极大提高了轨迹生成的效率。根据上面的方法，在中科院知识创新工程重大项目“集成化智能激光加工和柔性制造系统”的中，实现了汽车冲压模具激光强化加工轨迹的规划。可以在加工现场由测量数据直接生成加工轨迹，保证了加工效率和加工灵活性，在实际应用中取得了良好的加工效果。（4）光束转换 通常激光束经聚焦后形成直径很小的光斑，尽管激光脉冲重复率可以达到上千次乃至上万次，但处理大、中型模具表面仍需较长的时间，而且由于光斑为圆形，表面强化时为了完全地处理材料表面，就难免产生光斑的重叠，这样会引起表面强化的不均匀，影响处理效果。采用光束变换是克服这一问题的有效方法。光束变换可以从

19、光束的时间特性和空间特性两个方面进行，时间特性如脉冲激光的频率，脉宽等，空间特性如模式分布，光斑形状等。利用二元光学元件（DOE）可以对光束进行空间强度分布特性进行变换，它可以高效灵活的形成特定的光强分布。二元光学器件具有传统光学器件无法比拟的优越性，尤其表现在它可以实现任意形状的波面变换，实现普通折反光学元件无法完成的功能。通过二元光学变换技术，可用单脉冲一次在聚焦透镜的焦平面上产生二维3×3到33×33位级的变换的光斑阵列。三、激光加工整个装备系统完全能适应现代大功率激光智能制造工艺的要求，可作为从事激光智能制造和柔性加工研究的实验系统和技术平台，为开展激光材料工艺力学

20、和激光制造工艺力学的基础性研究提供了必备的实验装备。二元光学转光片的应用改变了脉冲激光束的空间能量分布特征，并将此首次应用于材料的激光加工中。（1）激光快速成型 利用激光熔化金属粉末，以CAD模型为蓝本，在无需任何硬质工模具情况下，能够适应广泛的材料变化，制备出具有复杂几何形状的金属零件。该技术在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备上具有广阔的应用前景。通过改变材料，得到不同部位由不同材料组成的零件或梯度功能零件，与材料设计相结合，可以发展成为材料的智能制备系统。应用激光快速成型技术，可以快速制作模具。从而迅速地生产出高质量、高精度、形状复杂的样件、样车。即节省了成本，又保证了质量。（2）激光表面强化 对各种复杂形状的模具表面进行高精度的快速定位，实现对模具表面全部或局部进行激光表面强化和激光表面修复，极大地提高了大型模具的使用寿命。目前，该技术已在上海大众汽车有限公司成功地应用于大型汽车冲压覆盖件模具的激光表面强化和修复。采用空间能量分布特征变换后的在一个光斑尺度内具有周期点阵分布特征的脉冲激光束对球墨铸铁进行表面强化时，表面粗糙度下降至多不超过2个等级，可满足汽车冲压模具的使用要求。其强化层显微组织不仅在沿层深方向出现了梯度分布，而且在强化层表面也同样形成了激光熔凝区、