机电一体化专业英语教学作者宋主民中文译文机电一体化3A

第二部分机电一体化的生产系统（模式）第8章设备自动化阶段8.1引言本书由此转入机电一体化的生产系统部分，它包括四个阶段，即设备自动化阶段；柔性自动化阶段；数据自动化阶段和决策自动化阶段。从20世纪50至60年代，制造业进入设备自动化阶段，这一阶段以NC机床，工业机器人和三坐标测量机为代表。8.2数字控制（NC）机床什么是NC机床？NC机床的特点是机床的运动部件包括电动机、齿轮副、丝杠-螺母副和溜板-导轨副等由一数控系统控制和一伺服驱动系统驱动。NC机床有下列优点：1。能加工复杂形状零件如火箭和飞机的零、部件。2。由于在NC机床中所用的程序载体是软介质，如易于修改的穿孔纸带或磁带，所以不再有机床的通用性和自动性之间的矛盾，这导致可实现小批量甚至一样一件生产的自动化，从而极大地促进了新产品的设计和制造，使我们的生活丰富多彩。3。提高了产品质量的可靠性这是由于防止了工人的误操作和提高了一批零件的重复尺寸精度，即降低了成批生产中的尺寸分散度。4。用计算机控制机床使操作员释负于紧张而专注的加工。当然，NC机床比传统的万能机床要昂贵得多，并对操作和维修人员有更高的要求。8.3NC/CNC系统的组成图8.1和8.2分别表示NC和CNC机床的结构。它们的区别是，NC机床的数控单元是一个复杂的包含大量电子元件的电路，这些元件有二极管，三极管和MSI（中规模集成电路）。它是用于控制一种特定的NC机床而没有通用性图8.1NC机床的系统组成图8.2CNC机床的系统组成在CNC系统中，采用微型计算机存储不同的控制软件并通过专门的接口电路去控制不同类型的NC机床。8.4NC机床编程系统8.4.1零件的NC编程的程序载体1。NC程序的内容NC机床按输入的零件加工程序工作，程序中包括了相对于零件的刀具的轨迹；加工工艺参数如进给速度、主轴转速和辅助开关动动作等。程序以专门的格式代码记录在各种介质内，包括穿孔纸带、盒式磁带或磁盘等。零件加工程序用输入设备如纸带阅读机、盒式磁带阅读机或磁盘驱动器输入NC控制单元。它也能用MDI（手工数据输入）方式输入CNC单元。2。一个程序段的编码和格式NC程序用英文字母和数字的不同组合而写成，程序经过编码并载入8通道穿孔纸带如图8.3所示。在中间通道的小孔是用于引导纸带的运动。左边通道的孔是用于补足每排孔使之能成为偶数，用以检验穿孔的正确性。图8.3NC穿孔纸带3。NC程序的内容一个零件的加工程序含有很多程序段，每段包含各种信息或称其为每个操作所必需的指令。这些指令分为三类：1）表示刀具运动的信息，包括位置、方向和位移指令等。在程序中的连续的几个轴的位移数字需要用分隔符号X、Y和Z等来分开，这些分隔符号也叫做其后跟数字的“称呼”（英文是address,在此不应翻译成“地址”）。进给方向指令包括直线或园弧的插补方向，即直线段在哪个象限内，以及园弧段是顺时针或是逆时针方向。同时还包括偏置指令，即刀具的路径是偏向加工轮廓的左边或右边。2）切削参数包括进给速度和转速等，它们用F和S指令表示。3）辅助功能指令包括刀具选择；起、停电动机或冷却液指令，以及计划停车和停车等。8.4.2手工和自动编程系统NC编程包括手工编程和计算机辅助编程或称自动编程。手工编程用人工产生全部加工信息，其缺点有易于出错，要做大量工作，要消耗大量时间用于编程，甚至超过加工所需时间的几十甚至上百倍，从而严重阻碍了NC机床效率的发挥。自动编程采用一种APT类的NC语言编写零件原程序，然后经过自动编软件系统的主处理器程序处理成为刀具位置（CL）数据，再经后置处理程序处理以产生能被专用的控制系统接受的加工指令。在自动编程系统，编程人员只需熟悉APT类语言的语法以及如何定义描述零件的几何元素和加工路径，从而编写零件的源程序，大量的计算工作则留给计算机去完成以产生NC加工指令。计算机辅助编程不仅能大大地提高效率和取消手工计算，还能避免发生人工误差。8.4.3NC自动编程的类型和发展趋势在20世纪50年代初期，美国MIT（麻省理工学院）于1955年公布了APT（自动编程工具），此后相继开发了加工曲线的APT-2系统，加工3～5坐标立体曲面的APT-3系统和加工自由曲面的APT-4系统，其中的数值计算程序是用FORTRAN算法语言编写的。有几个国家根据其本身的要求开发了几种各具特点的APT类的自动编程系统，包括德国的用于点位NC系统的EXAPT-1、用于车削NC系统的EXAPT-2和用于铣削的EXAPT-3系统；法国的用于点位NC系统的IFAPT和用于轮廓加工的IFAPT-C系统；日本的FAPT和HAPT系统；在中国，1970年代开发了用于铣削和车削的SKC自动编程系统，现时开发了装置在微机内的HZAPT、EAPT和SAPT等NC自动编程系统。随着NC技术的连续开发，NC机床已被广泛地用于中型甚至小型企业，这就要求开发更简单和使用方便的自动编程系统，以适应设计和制造各种新产品的需要。因此自动编程系统的发展趋势是：1。交互询问式自动编程系统这是一种在NC语言编程系统基础上开发出来的NC自动程系统，其中NC编程人员与计算机对话，并用键盘输入数据或指令回答计算机的提问。程编人员还可对用NC语言编制的零件源程序进行编辑和修改，包括删除、修改、插入和增加。软件程序可灵活地执行源程序，即从它的开始或其中任意语句执行均可。2。图形编程系统除了上面的优点外，图形编程系统采用了CAD技术中的利用显示在CRT上的加工图形，连同交互方式以产生CL（刀具位置）数据和完成编程。这种可视的图形编程方法的最大优点是提高编程人员的工作效率，并使他们不再做枯燥乏味的NC语言式的自动编程。3。数字化编程数字化编程适用于一个没有图纸的实体零件，这种编程也称为实物编程。它用一个测量装置测量实物或模型的尺寸，测量到的数据则送入计算机处理以产生NC指令和穿孔纸带。8.4.4零件轮廓的基点和节点的确定零件轮廓上的基点是指两个相邻几何元素的交点或切点，如直线和直线，直线和园弧，园弧和园弧的交、切点，以及一段曲线的离散点。节点则是指两个基点之间的加密点，每两个节点构成一个基本切削段。用直线插补器加工一段直线时，不论该直线长短，它的两个终点是基点也是节点。用园弧插补器加工园弧时，它的两个端点是基点也是节点。可以用直线段或双园弧段去逼近一个可用已知数学方程描述的平面曲线以产生节点的坐标，做这种逼近时必须使（曲线和直线或园弧间的）弓高小于加工裕量，如图8.4a所示。还可用单园弧段代替直线段去逼近曲线，这样会提高逼近精度。此外，可在局部坐标系内建立这些（逼近的）园弧段以简化计算。a)b)图8.4用单、双园弧逼近曲线a.单园弧逼近b.双园弧逼近在采用双园弧逼近平面曲线时，这些双园弧段必须相切以保证被拟合曲线的一阶导数（在节点处）连续，不过相邻两个园弧的半径则可不相等（见图8.4b）.在拟合离散点时需要作两次拟合：第一次拟合是用样条函数去逼近离散点；第二次拟合则是用直线或双园弧去逼近样条函数，这被称之为三次样条函数插补器，它只能适用于小挠度（或称小曲率）曲线。为了不作二次逼近，可用园弧样条函数（直接）去逼近离散点，这被称为园弧样条插补器。8.5计算机数控（CNC）系统8.5.1CNC系统的优点CNC系统是NC技术的一个本质性的飞跃，因它有以下的优点：1。柔性用柔性控制软件增加或改变功能使得CNC系统更适合制造的发展需求。2。多功能性在CNC系统中，计算机技术及其外部设备使得它具有多种功能，例如：用计算机图形显示技术去检验程编所产生的刀具路径的正确性；检验机床或夹具与刀具碰撞的可能性，它还能通过计算机网络构建CNC生产线等。3。可靠性在CNC系统中所用的盒式磁带或磁盘等程序输入设备如穿孔带更可靠。此外，在CNC系统中，硬件电路中的焊点和插件大大地减少了，这也提高了可靠性此外，CNC系统的自诊功能能及时指出在何处发生了何种故障，这对提高维修效率和MTTR（修复前平均时间）是有效的。8.5.2CNC系统的组成图8.5所示为一典型的含硬、软件的两轴CNC系统。硬件的核心是一微机，与其共同工作的有程序输入设备、外部设备的通用接口和用于传感器和机床控制单元的控制指令的（专用）输入/输出接口。软件是计算机内执行的程序，它执行控制算法程序和组织各种硬件有序地工作。这里简述CNC系统的三个部分，即微机、程序输入/输出单元和机床控制单元。图8.5典型的两轴CNC系统的组成微型计算机是CNC系统的核心，它包括微处理器、存储器和输入/输出接口等。微处理器执行存储在存储器内的程序去完成计算和产生各种控制信号。输入/输出接口电路是微处理器和外部的通道，在CNC系统中有两种接口：一种是通用接口，用以连接常用的输入/输出单元如键盘、操作面板、显示器（代码管或CRT）、文件存储器和穿孔带阅读机等；另一种是控制机床的输入/输出接口，它连接专用的控制和测量单元如位置测量、转速测量、机床状态测量和控制单元。在CNC系统中微机的键盘与机床的控制面板是做在一起的，程序的输入和编辑都是在键盘上由人工完成的，这被称为人工数据输入（MDI）方式。在机床的控制面板上有各种开关、按钮和指示灯，供人工操作机床及机床工作状态的指示和报警之用。8.5.3CNC系统中微机的功能1。接受从纸带阅读机、磁盘驱动器、键盘或其他计算机经串行接口输入的程序并将其存储于存储器内。2。逐条解释零件加工程序并对其进行预处理，例如，由载入零件程序中的零件的轮廓数据和刀具偏置指令计算刀具的偏置数据；将切削参数代码转换为真实速度，以供插补计算和控制之用。3。插补在第6章中曾讨论了常用的脉冲比较法插补器。为了提高进给速度，一些CNC系统采用软件和硬件联合插补方法，其中软件进行粗插补而硬件完成细插补，即：软件按照插补周期将零件轮廓分成许多小段并计算相应的进给增量，然后将其送至硬件插补器去完成细插补且产生脉冲输出。4。伺服控制由插补器产生的计算机输出——脉冲序列，经功率伺服控制放大器放大以驱动开环控制系统中用的步进电动机。对于闭环控制系统，计算机将由插补器产生的位置增量转换为在当前插补周期内的伺服电动机的相应转速，然后将其转换为模拟量送至电动机驱动电路。在此周期内计算机按位置反馈值控制两个电动机使得运动部件按给定的位移值运动。5。机床的状态控制机床的操作人员用操作面板上的开关和按钮调整机床状态，例如调整切削参数等。同时，计算机扫描这些开关和按钮以产生调整机床状态的控制信号输出。这样就可取消那些早期使用的用于机床状态控制的复杂电子线路。8.5.4CNC系统中的可编程逻辑控制器（PLC）1。PLC在CNC系统中的功能NC机床除了路径控制外，还要做许多辅助性工作，如刀具交换、主轴起停、夹紧松开零件和冷却、润滑液的开关等，以及机床状态监控包括检查进给是否超程、主轴扭矩是否过大和电动机是否过流或过热等。所有这些动作都是用开关信号来表示的，它们在早期的NC机床中是用继电器逻辑电路来控制的。现在这些由继电器电路所完成的工作已由柔性的PLC所代替。2。PLC和CNC系统的连接PLC和CNC系统有两种连接方式，它们是：1）独立PLC方式PLC作为一个独立单元工作，CNC系统的指令通过输入端口输入PLC。因此对CNC系统来说，PLC是一种外部设备。2）集中PLC方式CNC系统通过系统总线与PLC联系，在这种集成的CNC和PLC系统中，用梯形图来作为PLC的编程工具。8.5.3CNC系统的CPU（中央处理器）早期的CNC系统采用内装的中、小规模集成电路的小型计算机。现在的CNC系统无例外地采用微型计算机来实现其功能。CNC系统的性能在很大程度上决定于MPU的性能，它一般可由MPU的位数来表示。一般MPU芯片是通用的，包括8位MPU如8085（Intel公司），Z80（Zilog公司）和M6800（Motorala公司）等；16位MPU如8086、Z8000和M68000等，以及32位MPU如80386、80486、M68020和M68030等。经济型CNC系统采用8位MPU，中等CNC系统采用16位MPU而32位MPU则用于高性能CNC系统。一般地说，高分辨率和高进给速度的CNC系统要求MPU有高运算速度和更多的位数。除了通用MPU外，CNC系统暜遍采用单片微机作为它的CPU，典型的系统包括8位单片计算机如MCS-48和MCS-51以及16位单片机如MCS-96控制的CNC系统。单片微机除了在经济型CNC系统中用作CPU外，还可作为全功能CNC系统中的伺服驱动系统中的控制计算机。8.5.6CNC系统的存储器在CNC系统中的控制程序和零件加工程序要重复地使用，所以需要将它们固定存储在只读存储器中。这样，在CNC系统中一定是同时使用只读存储器（ROM）和读写存储器（RAM）。因为CNC系统所需要的存储器的容量不是太大，所以它的RAM适合采用半导体触发器而不是在大型计算机中所用的MOS管。为了防止当电源断电时在RAM中的数据丢失，应采用UPS（不间断电源）以保证无RAM数据丢失。CNC系统中的ROM一般是EPROM（可擦除只读存储器），它是一种可擦除数据的ROM且能重复地使用。其原理是在芯片上开一个小玻璃窗口用以透过擦除所存数据的紫外线。在需要擦除EPROM的内容时，只要将窗口朝向紫外线光源10至20分钟就可擦除数据，所以此法适用于那些控制程序需要经常修改的CNC系统。另一种EPROM所用的芯片可以在线用电擦除，而不需要紫外线照射，所以对它再写入数据就更方便。一般EPROM的（有效）擦除次数可达10，000次。8.5.7CNC系统的I/O接口CNC系统的I/O接口包括计算机和外部设备之间的通用接口和计算机与测量单元和机床控制单元之间的专用接口。8255型芯片是常用的I/O接口芯片，它能将MPU如Z80，8085，8086与单片计算机如MCS-48，MCS-51和MCS-56直接连接以实现多种功能，包括并行或串行输入和输出通信，中断处理和直接访问存储器等。图8.6表示8255芯片的引腿布置，其中有三组8位并行端口和24根数据线（PAO～PA7，PBO～PB7和PCO～PC7）。CPU可通过这三个端口访问外部设备。DO～D7是连接CPU和8255芯片的数据线。Rd和Wr是接受读/写控制信号的读/写控制引腿。A0和A1是用以选择三个控制引腿和一个控制寄存器。CS是8255的片选信号，它是低电平有效。CS是低电平时8255工作。RESET是清除信号，它在高电平时有效。图8.68255芯片的引腿分布图8.7简单开环CNC系统的I/O接口在CNC系统中，CPU和机床之间的专用I/O接口要完成光电隔离；电平转换；功率匹配；D/A和A/D转换工作。图8.7表示简单开环控制CNC机床的I/O接口。8.5.8CNC系统的模块化设计CNC系统模块化设计的基本思想是将所设计的CNC系统分解为许多功能模块，它们通过标准的连接接口和连接网络互相联结，从而组成各种具有不同功能和规模的CNC系统。因此，模块化设计的关键问题之一是按照各种要求适当地设计CNC系统的各种功能模块；另一个关键问题就是如何联结这些功能模快。完成这些工作还要求提高设计效率；缩短制造周期；提高系统对控制对象的适应性和模块组成的柔性。计算机总线标准的开发解决了模块之间最佳联结的问题，用总线可将各种不同内部功能的模块按总线规定插装在一块公共板上以构建一个模块化的CNC系统，而各种插槽的联结线就是总线，由此，各种模块能通过总线进行信号交换。图8.8表示一模快化的CNC系统。图8.8模块结构的CNC系统1。控制面板2。限位开关3。接触器4。电液阀5。伺服电动机6。传感器7．CRT8。串行通信9。磁盘总线是由几十、上百根的信号线所组成，包括数据线，其数量决定了被转换数据的位数；地址线，其数量决定了直接寻址的范围；控制线，用以转换控制信号包括时钟、读/写和中断信号；总线仲裁，解决个模块之间的争用问题；以及电源线和备用线。在模块化CNC系统设计中需要制定一个总线标准，而总线接口应按此标准制作，这样才能构建模块化的CNC系统。有几个常用的标准总线包括S-100总线；IEE396标准多总线（Intel）;UME总线（Motorola）和STD总线（Bolog&Mostek）.STD总线具有最小面积、柔性和可靠性、兼容性和产品序列化等优点，目前国际上有超过1,000种STD总线模块。在总线结构式CNC系统中的功能模块板是指联结在总线中的模块，它包括CPU模块板；存储模块板；I/O模块板和CNC系统的专用模块板。后者又包括时钟/计数器模块板；中断控制器；实时时钟；掉电处理和伺服控制等模块板等。伺服控制模块的工作是脉冲分配；开环控制系统的加速/减速控制；闭环控制系统的位置测量、调节和产生模拟电压输出。所以伺服控制板是用专用的MPU并与CPU同步工作的，这样可以减轻CPU的工作负担。8.5.9CNC系统的控制软件控制软件是CNC系统的核心，它接受由键盘和操作面板输入的零件加工程序和各种操作指令，以及表示机床工作状态的信号输入。这些信号由CNC软件处理并转换为指令信号以驱动机床及改变它的工作状态。图8.9是CNC系统控制软件的组成。图8.10是控制软件的主控程序，操作者经由人机接口运行控制程序。图8.9CNC系统的软件组成图8.10CNC系统的主控程序框图控制软件的结构也可以做成模块化的，其中具有实时处理能力的程序模块如中断计算；伺服控制和机床的I/O控制；非正常工作状态的处理和外部设备的管理等，被作为中断服务程序（前台程序）来处理。其他的功能如工件程序的输入/出管理；程序编辑、编译和数据处理；系统状态显示；系统管理和调节等均被处理为后台程序，并作为控制程序的主程序与前台程序一起工作。8.6数控加工中心机床NC加工中心机床内装置有一个自动换刀系统，因而可以自动连续地完成各种工序如铣、钻、镗、铰和攻丝等。在制造复杂箱体类零件时，加工中心机床能集中地完成多道工序，从而极大地提高效率，缩短生产周期，保证工件的定位精度和减少生产面积。图8.11所示为一小型JCS-018立式钻、铣加工中心机床，它可以实现三轴（X、Y、Z）运动。安装在工作台上的工件沿X轴和Y轴运动，刀具则装在主轴上而主轴箱则沿着立柱的导轨上下运动。刀库的容量是16把刀具，用机械手在刀库和主轴箱间实现自动换刀。图8.11JCX-018型加工中心机床加工中心机床有两种换刀方法：一种是顺序换刀，它要求刀具按照被加工零件的工序放置在刀库内，显然这样刀具是不能重复使用的。此外，在加工另一种工件时，就要按它的工序放置另一组刀具到刀库内；另一种方法是随机换刀，在此法中计算机跟踪、记忆和存储刀具在刀库内的变换位置。这样，当前工序所需要的刀具能够随机地由刀库取出并（在用后）送回，且这些刀具可以重复使用。图8.12所示为一五轴铣削加工中心机床，它有两个旋转坐标轴A和B，分别为刀具绕X轴和工件绕Y轴的转动，以及三个直线运动坐标X、Y和Z。这五个坐标由一个先进的CNC系统联动控制以满足加工复杂工件如曲面模具；透平叶片和箱体类零件的需要。图8.12五轴铣削加工中心机床笔1．刀库2。刀具3。机械手这台铣削加工中心机床带有可容纳几十把各种刀具的刀库，换刀是用机械手按编程规定进行的。对于专用的铣削加工中心机床而言，为了节省工件安装的辅助时间，它还采用了可换托架来安装和运载工件，以实现工件的快速更换和运输。车削加工中心机床用于加工轴类零件，其主轴也可以是伺服控制的，这就是所谓的C轴数控。有了这个功能，车削加工中心机床除了能车削外，还可以在零件的端面或园柱表面上进行钻、铣和车丝等工序加工。除此之外，它还可以在零件端面上铣削出曲面或在园柱面上铣削出凸轮槽。现代先进的加工中心机床已配备了自动化系统测量和监控刀具寿命和加工状态，用于故障诊断和管理以及对加工误差的补偿。8.7数控电火花加工（EDM）机床EDM机床包括电火花成型机床（EDM）和线电切割（WEDM）机床。8.7.1NC电火花成型机床（EDM）图8.13表示EDM系统，其中安装在主轴上的工具电极由NC伺服控制系统驱动并与工件之间保持放电间隙。电火花将工件烧损以形成与工具电极形状一致的空穴。图8.13NCEDM机床8.7.2NC线电切割机床（WEDM）图8.14表示WEDM机床的工作原理图。载有工件的工作台由NC伺服驱动系统驱动以得到所需的路径。电阻丝沿着导轮运动并绕在一个旋转的绕丝筒上。脉冲电源产生的高频脉冲电流变成电火花去燃烧工件材料以形成所要求的工件轮廓(电阻丝与工件互为两极并保持放电间隙)。图8.14NCWEDM机床8.8工业机器人另一类典型的机电一体化产品是工业机器人，这是一种基于模仿人的手、腰和臂的用于获取工件或工具的自动化装置。工业机器人主要用于完成机器制造中的装卸、装配和那些环境恶劣的工作如喷漆、喷沙和焊接甚至人类不能进入的环境如深水、空间或有辐射材料的工作。图8.15表示一工业机器人系统，它有七个自由度，包括腰的转动；肩的转动；臂的摇动；肘关节的伸缩；腕的摇动、滚动和颠动。每一个运动都由相应的伺服系统驱动，其动力机械包括液压马达、液压缸、气动马达或伺服电动机，而动力源则分别为液压系统、压缩空气系统和电力系统。图8.15七坐标工业机器人第一类工业机器人是最简单的开环控制搬运机器人（PNP），它的每个关节按照事件的次序工作，并用限位开关或机械挡块控制工作行程和启动下一关节工作。这种机器人适用于材料处理如装卸或堆码工件，无需对运动坐标作复杂的调节。第二类工业机器人是多轴伺服控制机器人包括点位控制（PTP）和连续控制（CP）工业机器人。PTP机器人的工作是点焊、钻孔等。CP机器人则可完成喷漆、焊缝焊接、去毛刺以及金属切削等。PTP机器人可用可编程控制器或微机连同一个悬挂式示教板或手持示教盒进行离线编程。对于CP机器人，在编制连续空间焊缝的程序时，要用一个探头在计算机的控制下进行示教编程。在编制一个已知（有数学定义的）空间焊缝的程序时，需要作多个关节的复杂的运动学分析，这就构成了第三类工业机器人，一般它有5到6个伺服控制坐标。8.9三维CNC坐标测量机（CMM）三维坐标测量机是一种精密测量机器，和NC机床及工业机器人一样，它也是一种典型的机电一体化产品，用于测量复杂形状零件如箱体、模具类零件。CMM常与NC机床一道工作，设若没有CMM自动地测量零件的加工精度，则制造系统不能达到均衡负荷状态。图8.16是一CMM系统的方块图，它由机械本体、计算机和测量头所构成。可以看出CMM非常象一台NC机床。图8.16CMM系统的组成8.9.1CMM测量头图8.17表示一个CMM的触发式测量头，其工作原理就象一个零位信号开关。安装在测量杆11底部的园柱8与球9接触以构成三个球-园柱体接触副。当六个球与三个园柱体均匀接触时，测量杆处于零位置。在测量时，当杆11缓慢地移动并推动探头12接触被测物体时，杆11受力而偏移至某一方向或被提升，从而这三个球-园柱副中必有一个脱离接触。此时在测量头内部的电路就立即断开并输出一个过零位信号至计算机。计算机就是这样获取每个轴的（测量）坐标值的。其间测量头无需停止运动或返回，而允许它有几个毫米的超程。图8.17CMM系统的触发式测量头1．螺栓2。防转杆3。上体4。插头5。测力调节螺丝6。压力弹簧7．测杆座8。园杆10。底座11。测杆12。探头8.9.2三维感应式测量头图8.18表示一个三层双片三维感应式测量头，在每层上有三个部分：一是电磁机构8，它在X、Y方向上产生电磁力推开测量杆使其有一个预偏移量。当测量杆与被测物体接触时，探头被推向零位置而送出一个信号指示测量头刚好接触物体。在完成这个过程后电磁力再次作用在测量头上。第二个部分是电感式位移传感器7，当测量杆移动而改变其预偏量时，它就产生一个位移信号给计算机。第三部分是电磁铁锁紧机构，因为各个测量头不会同时在三个方向上工作，所以需要在一个或两个方向上锁住测量头。图8.18三维感应式测量头1．测杆座2。螺栓3。销4。螺母5。弹簧6。壳体7。感应传感器8。测力单元9．锥销10。小座11。磁铁12。片簧13。线圈14。吸铁15。探头8.10程序控制系统程序控制系统采用开关控制的方法控制自动机械或生产过程的开关工作，在程序控制系统中主要是用可编程控制器（PLC）来完成开关控制。在工业环境中采用PLC是PLC与普通微机的区别。另一方面，PLC也是一种通用的具有柔性和可扩充性的控制器，这使得它可以取代传统的继电器控制的逻辑电路。图8.19是一个以CPU为核心且带有存储器的PLC系统的原理图，其I/O模块连接PLC和被控对象，采用了一个附加的编程器来编制并调试设计的程序。在将此程序写入存储器后，这个编程器就可以拿掉。图8.19PLC系统原理图PLC的核心技术是程序设计，其内容包括程序设计语言的规定和编程方法。程序设计语言包括助记符方式和梯形图，用它们编程时应按下列四个步骤进行：1.根据被控对象的工作流程确定控制顺序。；2.用继电器梯形图符号绘制一个梯形图，其中每一步（水平线）表示一个控制逻辑的分支。在梯形图中的基本电气元件包括输入元件如按钮、开关、继电器接触器、限位开关、光电开关和其他逻辑开关；输出元件则有继电器线圈、电磁铁线圈、电动机、电磁阀、报警装置、电铃、指示灯和其他被动载荷，在每一步的右端必须至少有一个输出元件。在梯形图的每一步中，其右端的输出元件的接通或断开状态是这一步左边的输入开关状态的函数，这个函数是用布尔代数所表示的。其中的逻辑符号有与门、或门和非门，分别用“。”、“+”和“－”来表示。3.将梯形图编译成代码程序并用编码器将其输入PLC。4.编辑和调试程序并存入PLC。例1PLC在开关车库门的自动控制中的应用图8.20是一个汽车库开关门的自动控制系统，其中0000是一个超声开关，当其合上时就发出汽车已临近车库的信号，车库门就升起。当汽车进门后，超声开关断开。0002是在门上端的限位开关。0001是在门的入口处的光电开关，它发出信号让门下降。0003是在门下端处的限位开关。0005和0501是门上升和下降的输出继电器。图8.20车库门自动控制系统的梯形图助记符程序如下：LD0000OR0500AND0002AND0501OUT0500LD0001OR0501AND0003AND0500OUT0501程序解释：当汽车临近车库门，超声开关0000接通，0001得电，门上升，0500断开，0002工作，0500失电，门停止上升。当车辆进门后，0111工作，超声开关0000断开，0501得电，门下降，0003断开，门停止下降。0501和0500互锁。例2用PLC控制一装配线的传送带，要求在正常高速运行前以低速启动，自动循环要求如下：1。压下瞬时按键X10,低速启动系统；2。压下瞬时按键X11，高速启动系统；3。无论在什么状态，压下X12停止系统；绘出该系统的梯形图，并写出其助记符程序。解：助记符程序如下：STRX10ORY1ANDNOTY2ANDNOTX12OUTY1STRX11ANDY1ORY2ANDNTX10ANDOTX12OUY2图8.21传动带系统控制梯形图8.11NC机床和NC技术的发展趋势1。高效和高精度要求进给速度达到24米/分钟而定位精度达到0。1微米。为此需要考虑以下措施：1）采用能承受高速旋转的陶瓷球轴承以提高主轴转速；2）提高CNC系统的计算机运行速度，采用主频超过33兆赫的32位CPU；3）采用数字伺服系统使位置环和速度环的控制数字化。在专用的MPU芯片中实现高速运算，然后将运动指令送入放大器以控制伺服电动机。提高编码器的分辨率以达到16384脉冲/转；4）提高系统的可靠性，包括采用大规模和超大规模集成电路。采用专用芯片以提高集成度和采用表面封装技术以极大地减少系统失效的可能性。2。实现智能故障诊断和编程，采用专家系统和知识库来分析故障以减少停机时间。用CAPP系统设计工艺规程。3。提高通信能力以适应现代DNC系统，这要求提高CNC系统在计算机网络中的连接能力。一般CNC系统要求装备有远距离串行接口RS232和RS422，使其能按照用户的格式要求与同级计算机进行数据交换。为了在计算机网络中能满足连接不同类型NC机床的要求，大多数现代CNC机床都要求配备MAP（制造自动化协议）接口，现已开发了其最新版本MAP3.0。此外，光缆通信也被采用以使数据传输更为快捷可靠。8.12群控系统（DNC直接数控）DNC系统原来是想用一台计算机去控制一群机床。现在NC机床已越来越多地用于小批量自动化生产，为了方便管理工件的数控穿孔带，在不断地发展着DNC系统。其中几台NC机床所用的NC数据在一台计算机内集中管理并输送给各台NC机床。DNC系统有两种。即：1。间接DNC系统计算机将程序通过接口送至每台NC机床，而不再使用纸带阅读机。在DNC系统中NC机床仍保持其原有的功能并可脱离DNC系统而单独工作。2。直接DNC系统在DNC系统中的NC机床的控制系统被简化为仅由伺服驱动电路和操作面板所组成的机床的一台控制器，而NC单元原来的插补功能由计算机集中地完成。在这种DNC系统中NC机床不可以脱离DNC系统而单独地工作。除了用分时方式控制一群机床外，DNC系统还能连接上生产管理，这要求有大存储容量的计算机和复杂的软件系统，因此发展了一种新型的分布式DNC系统，将在下文中述及。

第9章柔性制造阶段：柔性制造系统（FMS）9.1FMS的发展背景DNC（直接数控系统，群控系统）是在20世纪60到70年代发展起来的，它企图用一台小型计算机去控制一群机床来加工单一类型产品。这就给制造业者带来几个问题，即1。一般一个零件有几道工序需要在几台机床上完成加工，由于每台机床完成相应的工序所需的工时是不同的，所以机床的负荷是不平衡的，即，一些机床可能非常忙碌而另一些机床则可能处于空闲状态。解决这个问题的办法可以是同时投放不同品种的产品去制造并借助于计算机的调度以平衡机床的负荷。2。为了提高昂贵NC机床的生产效率，减少在工件和刀具的准备、预调、运输和装卸工作中所需的很长的辅助时间是非常重要的，解决的办法是开发一个材料处理系统（MHS）。3。系统的柔性问题当某一台机床出了问题时，原来计划在该台机床上加工的零件能借助计算机调度而安置到另一台机床上去加工，要解决以上这三个问题，就需要开发一个柔性制造系统，其特点是具有对多品种产品的均衡载荷生产的适应性；对生产调度的柔性和用MHS以提高生产效率。换言之，FMS是更适合于多品种小批量生产。9.2FMC(柔性制造单元)这里先介绍作为FMS初级阶段的FMC。FMC远较DNC灵活，它由一台或几台设备组成，能实现多品种小批量的自动化制造。几套FMC可发展成为一条FMS，所以FMC是发展FMS的中间阶段。FMC有两种，即9.2.1带机械手的FMC图9.1表示一个带机械手的FMC，它用于在加工中心机床的装卸零件。零件被堆码在零件架上，监控器协调加工中心机床和机械手的动作。图9.1带机械手的FMC9.2.2带托盘交换系统的FMC图9.2是一个由加工中心机床和一个托盘交换系统组成的FMC。被加工零件安装在托盘上，加工完一个零件后，托盘转动一个工位以取得另一工件。托盘装在圆形导轨上并用链传动。托盘的位置选择和停车均由PLC控制，一般一个FMC系统可配备五个以上的托盘。图9.2带托盘的FMC图9.3所示的FMC系统由两台NC机床、两台工业机器人、三台自动牵引小车（AGV）、装卸工作站和刀库所组成，该FMC系统用单元控制器与局域网（LAN）相连接以实现各个独立设备之间的联系。这种机电一体化系统在制造系统中可作为自动化岛来应用。图9.3由NC机床、AGV和刀库组成的FMC9.3FMS的组成如图9.4所示，FMS是由加工系统、MHS和信号系统所组成。图9.4FMS的组成9.3.1加工系统FMS的加工系统通常有5到10台带20把刀具以上的加工中心机床，以及自动刀具交换器和托盘交换器。它可实现自动装卸工件和夜间无人操作加工。此外，它还采用一台CMM（坐标测量机）用于平衡加工和检验工作。9.3.2材料处理系统（HMS）FMS中的HMS包括一个立体仓储，用以存储刀具、工件、毛坯和一个工件、刀具站，在那里进行刀具预调和在托盘上安装工件。9.3.3直线式和园周式运输系统HMS的运输装备包括传动带、轨道、运载托盘的有轨或无轨小车、自动托盘交换器（APC）和自动刀具交换器（ATC）。图9.5所示为一感应式有轨自动导引小车（AGV）系统，其感应导体是一根直径为1mm的绝缘导线，它被置入地下一个6mm×20mm图9.5感应式有轨AGV的原理图9.3.4FMS的信息系统FMS的信息系统的功能包括识别进入制造系统的工件，例如：采用设在工件上的特殊编码以识别是什么工件；选择相应的NC加工程序；按照这些工件的不同的加工要求合理地安排相应的NC机床加工。当加工状态改变，例如改变工件或某些机床出了问题时，信息系统能灵活地改变加工顺序和重新安排机床。9.3.5FMS的控制系统如图9.6所示，FMS的控制系统是一个基于扩展的分布式DNC系统的中央集成计算机控制系统，它有两个数据库提供DNC系统所有加工和管理信息。用小型计算机服务器通过多路转换器和网卡连接终端，终端是一个扩展的CNC系统，它通过人机交互式接口执行由服务器发送来的NC指令并向它反馈加工状态信息。因此，图9.6所示的FMS可改画如图9.7.图9.6分布式DNC系统图9.7FMS的信息和控制系统可以看出它是一个分级式计算机控制系统，由微机、小型机到宿主机以及各种数据库所组成。因此，FMS的数据库管理系统（DBMS）的结构应是一个分布式面向客户机-服务器的数据库管理系统，能支持多级计算机环境。可供的这类DBMS有ORACLE和SYBASE等。存储在文件数据库中的有各种文件和数据，包括工件的加工程序文件；工艺过程文件；生产文件；托盘文件和刀具文件等。计算机根据这些存储各种数据的文件有效地控制整个FMS。9.4开发FMS的关键技术开发FMS有若干关键技术，包括：9.4.1材料处理系统（MHS）在MHS中的关键技术包括信息控制、管理和立体仓储空间的最佳利用；对进入制造系统的工件的识别；非轨道式运输控制和精密定位；APC和ATC等。9.4.2计算机调度无论是使制造系统负荷均衡还是多品种工件加工或再安排加工，这种改变状态的加工都要靠先进的计算机调度来完成。9.4.3网络通信和DBMS在FMS中每个独立的设备都在局域网（LAN）内联系。现场总线作为一种合适的通信结构能提供传感器、机械执行件和控制器以灵活的通信系统，而更先进的通信结构如MAP（制造自动化协议）则适合于FMS与车间和企业之间的通信。必须开发工程数据库及其DBMS以管理在制造中的各种工程数据，包括计算时的数字数据和数字化的图形信息。然而，无论是工程数据结构或它的DBMS都存在有待解决的问题。9.4.4FMS的计算机仿真FMS是一个极为昂贵的专为某种产品加工的系统，所以在作巨大投资前必须对其进行计算机仿真以免犯大错误。然而，对于制造业这个离散生产系统，如何建立它的数学模型以进行仿真仍然是个未解决的问题。9.4.51。在线监测刀具磨、破损和机器状态；2。在FMS中用三维坐标测量机在线测量工件尺寸以进行质量控制；9.4.6适应性控制（AC）由于FMS是一高度自动化的非专注的制造系统，事先编制的加工参数不一定能使切削过程达到最优。因此开发FMS的另一个趋向是适应性控制。有两种AC，即：1.约束适应性控制（ACC方式）如图9,8所示，ACC实际上是一个反馈控制系统，其目的是将某一个被控变量约束在规定的范围内，即在一个由给定的上下限界定的阈值内。图9.8约束适应性控制2。最佳适应性控制（ACO方式）如图9.9所示，ACO方式的目的是使切削过程最佳化，即使得某一特定的被控变量的值最大或最小化。ACO在数学上是一个迭代过程，其中某一个被控变量称为输入变量C1，C2，C3的目标函数（POI），其几何意义是一个以C1，C2和C3为坐标系的一个多维空间曲面如图9.10所示。迭代过程从起点到终点逐步进行，当两个相邻点的POI值小于一个给定小值图9.9最佳适应性控制时，POI值成为最大而达到最佳切削状态。然而，其它的被控变量则被处理为迭代过程中的约束，这样，ACO过程在数学上称为非线性规划，求解它是更为困难的。例如，对于车削过程来说，如果选择金属切去率为输入变量切削深度、主轴转速和进给速度的POI值，则其他被控变量如粗糙度、振动水平、加工精度、噪声和温度等则可被处理为迭代过程的约束。图9.10ACO的迭代过程

第10章数据自动化阶段：计算机集成制造系统（CIMS）从上世纪80年代开始，信息技术（IT）的快速发展推动了制造业进入数据自动化阶段，这就是所谓的CIMS（计算机集成制造系统）。10.1CIMS的发展背景1。国际背景在上世纪70年代，日本在制造自动化方面非常成功，包括CNC机床、工业机器人和FMS等，这给美国人在市场竞争上带来很大压力。为了应对这种压力，美国政府和企业采用了由J。Harrington博士在1973年提出的CIM新概念，其基本观点为：1）制造业企业是所有子部门的集合体，包括设计、制造、管理、质量控制和售购等。企业应着眼于使整个生产系统最优化以获得最大利益。换言之，最大利益不一定能从单个子系统获得。2）企业的整个生产系统实际上是一个数据集合、传输和处理的过程，而产品则是信息的物质形式。在一定意义上CIMS是着重于数据自动化，它表示数据的自动化阶段。3）在CIMS中，计算机不再仅作为一个在设计、管理和控制等中的自动化工具，而且还给企业提供一个（网络）环境去集成与整个生产系统有关的数据。4）CIMS在理论上也是一个多学科的综合研究和应用，包括机械工程、计算机科学、自动控制、通信和系统工程等，这将提高机械工程科学和技术到一个新的水平。2。国内背景在中国的国家86.3高科技长期规划中有两个主题，一个是被称为“面向21世纪的自动机械”的智能机器人，用于非制造工业如采矿、建筑和运输等；另一个是CIMS，用于所有制造工业包括连续类生产如化学工业和冶金工业等，以及离散类生产如机械制造工业等。3.中国政府和一些高级专家对CIMS的观点1）改革和开放政策推动了中国的制造业者进入国际市场竞争，其战略是TIQS（时间、投资、质量和服务），其中T是最重要的。这就是说，制造业者必须尽快地开发新产品并将其推向市场，才能赢得竞争。——提高效率2）制造业者必须适应多品种甚至一样一件生产，其中的生产管理要变得复杂得多。——提高管理水平3）在现代生产中，从接受定单到完成产品的生产的过程中，会有许多不确定性因素。因此生产系统中的各个部门必须根据正确的有关数据作出正确（调整）决策。——作出正确决策显然，上述要求与企业的数据集成有关，需要建立一个数据集成系统去实现企业各个部门（生产计划、产品的设计、制造、生产管理、质量控制和售购等）的正确数据能在正确时间到达正确地方/人，使得决策者能据此作出正确决策以满足上述要求。10.2CIMS的组成按照制造系统的集成度，CIMS被认为有以下几个阶段：10.2.1自动化岛的集合这是CIMS的初级阶段。如图10.1a所示，在此阶段许多自动化岛独立地工作而没有数据集成，它们互相间就可能有一些冗余和不一致的数据，这将使系统不安全和使用不方便。尽管企业曾向这些自动化岛作了大笔投资，但仍没有获得显著效益。10.2.2CIMS的数据集成（图10.1b）1。计算机数据集成系统由4个子系统所组成，即TIS（技术信息系统）、MIS（管理信息系统）、QIS（质量信息系统）和MAS（制造自动化系统），以及两个支持系统：计算机网络系统和数据库系统所组成。各子系统均有可供的先进商用软件如CAD/CAM（TIS）中的PROENGINEER和UG-2；MIS中的MRP-2；网络中的WINDOWSNT以及DBMS（数据库管理系统）中的ORACLE和SYBASE等。c.CIMS的功能集成阶段d.CIMS的运行集成阶段图10.1CIMS的组成2。数据集成是指各个子系统能在数据集成技术的基础上实现数据分享，这些技术包括通信协议（MAP/TOP，TCP/IP等）；统一数据编码和各种数据接口等。3。开发PDM（产品数据管理）系统。数据集成实际上主要是集成与全部子系统有关的产品的信息，这包括在设计、管理、试验和售后服务等中的所有与产品有关的数据。因此，需要开发一个PDM系统以实现数据集成。10.2.3CIMS的物理（功能）集成在数据集成的基础上，CIMS的下一个目标是实现引向现代制造的功能集成，其关键和目标性工作包括：1。开发制造系统的功能界面，例如：CAPP是CAD和CAM的功能界面；动态测量和信号分析是CAD、CAE和质量控制之间的功能界面等。2。发展先进生产模式如CE（并行工程）和JIT（按需准时生产）模式等。3。建立生产系统的数学模型和计算机仿真，以及建立DSS（决策支持系统）以自动作出正确决策。10.2.4CIMS的运行集成CIMS的数据集成实际上是一个技术系统，它必须与企业的组织系统和经营系统相结合以组成一个运行集成系统。在这一阶段，涉及的人员要远多于技术系统，而CIMS的人的集成比技术集成更为重要而困难。因此，有国外专家建议将CIMS改名为HIMS（人员集成系统）。10.3技术信息系统（TIS）TIS是一个专用的计算机辅助技术，产品设计者和制造工程师用它做构思设计，整机设计，工艺规程设计，NC编程和刀具路径仿真等。TIS包括CAE（计算机辅助工程设计），CAD（计算机辅助图形设计），CAPP（计算机辅助工艺过程设计）和CAM（计算机辅助制造）。在CIMS的数据集成阶段，TIS子系统是指CAD和CAM的集成（CAD/CAM）和CAD，CAPP和CAM的集成（CAD/CAPP/CAM）。10.3.1CAD/CAM系统的功能1。人际交互式绘图输入、编辑和输出（显示）所设计的图形。2。几何建模（GM）GM的工作是建立所设计产品的几何模型。GM的目的是实现企业各部门之间的信息共享以提高系统的安全性和缩短新产品的开发周期。GM的主要工作为：1）产品工程信息的数字化。这些信息包产品的图形、尺寸、加工符号等，数字化后就能满足存储产品信息和几何模型的需要。2）建立几何模型（图10.2）GM是建立被开发产品的几何模型，其目的是描述、处理和存储几何图形信息和产品的拓扑信息。几何图形信息是指一个物体在欧几里得空间中的形状、位置和尺寸，而拓扑信息是指构成物体的基本元素的布置。GM有以下几种：—线框模型（图10.2）这是几何建模的初级阶段，它用边线来描述物体。设计者必需逐点、逐线地建立模型。并在计算机内用点和线的表来存储线框模型，而物体则是该表的三维映射。因此线框模型能表示物体的轮廓形状但不能提供CAE和CAM所必需的分析数据。a,线框建模b,曲面建模c.实体建模图10.2几何模型的类型—曲面建模曲面建模是一种表面建模，它就是用一种表面片去覆盖线框模型的离散点而形成曲面模型如图10.2b所示。物体的表面在数学上用参数曲面如Coons、Seizer和B样条曲面来描述。在曲面模型内部的隐藏线能被去掉，而切割平面和参数曲面的截面能得到以供产生NC加工指令的需要。—实体建模实体建模是用一些几何元素如立方体、园柱体、园环和园锥体等来组合所要的几何实体和CAE及CAM所需的数据。在实体建模中的基本工作是定义这些元素和用布尔运算来组合它们。—特征建模特征建模是为了实现CAD和CAM的集成而开发的。实际上纯曲面或实体模型没有具体意义也没有工程和制造信息。因此，实体模型中的原始几何元素由功能性的特征单元所取代，例如螺孔、支承孔、阶梯孔、定位孔、键和槽等。此外，加工精度和公差、材料热处理和装配要求也引入了特征模型。—参数模型参数模型旨在建立一个在功能和外形上的相似模型，这使得设计者能借修改某些参数而快速地产生新的零、部件，而无需从最开始的工作做起。它有点象我们在用算法语言编写计算机程序时所用的过程语句一样。3.其它功能1）图形转换这一功能是用于将由外形设计所产生的3D图形转换为2D加工图纸。改变2D图纸中的任何部分时，其3D图形中的对应部分自动地产生改变，反之亦然。这个功能叫做2D～3D耦合（联动）。2）有限单元分析（FEA）分析和计算产品的关键零、部件的应力、应变、变形和热应力等。3）设计最优化在渐进式设计中，按照规定的约束得到最大的目标函数值。4）生成2～5轴控制装置用的NC指令并用计算机仿真刀具路径来检验NC指令的正确性。5）数据管理在CAD/CAM系统中有大量的工程数据，包括数字的和非数字的（几何图形的）数据；静态数据如技术规范和修改设计的动态数据。为了有效地存储、读出、传输和管理这些数据，必须建立一个工程数据库，而它与现有的事业和统计学中所使用的商用数据库不同。因此，实现CAD/CAM系统的一个关键和紧迫的任务就是开发一个工程数据库的管理系统。可是还有一些理论上和使用上的问题尚未解决。10.3.2开发CAD/CAM系统的环境1。硬件系统包括微机、图形扫描器和NC绘图机等。2。软件系统如图10.3所示，包括有：图10.3CAD/CAM系统的软件系统组成1）产品设计软件这是一个CAD软件用于设计一种特定产品，如一种新型飞机或汽车等。产品设计软件一般会被CAD/CAM系统的用户按其特别要求做二次开发。二次开发由CAD/CAM系统的系统软件和应用软件所支持，后者包括从构思设计到NC编程的全部程序。2）系统软件CAD/CAM系统的系统软件由作为核心的操作系统和一些实用程序组成，后者包括提供对命令的解释的用户交互式接口和窗口操作系统；提供各种编程语言和编译程序的支持系统；数据库管理系统（DBMS）和文件制作系统等。3）应用软件这个软件用于实现CAD/CAM系统的全部功能，包括交互式绘图、几何建模和NC编程等。10.3.3不同CAD/CAM系统之间的数据转换开发CAD/CAM系统间的数据转换的背景是：1。由不同供应商提供的软件的特点不同，例如输入数据结构、存储和输出不同，以及所用的硬件系统也有所不同。2。企业的各个部门可能按其各自的用途采用不同的CAD/CAM系统。3。这样，企业将在实现信息集成时受阻于CAD/CAM系统的不兼容性，所以要解决的首要问题就是在不同CAD/CAM系统间进行数据交换。数据交换是指在计算机网络的支持下，不同CAD/CAM系统的用户可以用他们所熟悉的软件方便地工作，而不同格式的输入/输出数据可以通过数据转换互相接受。一般来说，数据转换还可以在企业和用户、企业和合作者、企业和顾问及研究所之间进行。为了实现不同CAD/CAM系统之间的数据转换，需要建立一个数据转换标准。因为在产品外形设计后所产生的几何数据将被应用于整个生产过程，所以关键是要使几何数据标准化，即建立一个图形转换标准。现有的图形数据标准有美国的IGES；法国的SEF；德国的VDA-ES和中国航天和航空工业部的DEF。1988年ISO（国际标准化组织）推出了一个国际数据转换标准STEP，它结合了上述数据标准的优点。10.3.4CAPP（计算机辅助工艺过程设计）CAPP系统的功能是接受从CAD系统来的工件信息以产生工艺过程文件，换句话说，CAPP是CAD和CAM之间的桥梁。它不仅是CAD和CAM之间的信息界面，也是其功能界面。图10.4所示为CAPP系统的分类。工艺过程设计包括查找材料和手册；决定加工方法和安排加工过程；选择设备、工装和切削参数；计算工序尺寸；画工序图和填写工序卡和表等。图10.4CAPP系统的分类传统的人工工艺过程设计有许多缺点诸如不同设计者设计结果的不一致性；设计质量的不稳定性；低效率；不能应用GT（成组技术）的优点；大量的人工工作将导致产生错误等。CAPP旨在克服在人工工艺过程设计中的这些缺点。10.3.5CAD/CAPP/CAM（3C）集成1。3C集成的目的为了保证在产品设计、分析、零件工艺过程设计和制造中的数据一致性，其间数据的传递必须完全地直接在计算机之间进行，从而跨越由于制图或语言之间的数据传递的鸿沟，消除人工传递和编辑时的错误。2。3C集成的步骤第1步CAD系统首先完成产品设计、制图并产生产品数据，其中CAPP所用的数据按STEP标准转换为CAPP可接受的格式并产生一个中性文件供CAPP系统读入。第2步CAPP系统读入该中性文件并将它转换为产生工艺过程文件所需的格式，然后为CAM系统所需的数据被转换为一个中性文件供CAM系统读入。第3步CAM系统读入该中性文件并将其转换为一个新的格式以供产生NC程序。10.3.63C集成实例图10.5所示为一回转体类零件的3C集成的系统组成，其中部分模块的功能为：图10.5回转体类零件的3C集成系统1。用户界面用户用它输入零件的特征参数并定义它。2。特征操作用于创立、删去、插入和修改从特征文件库输入的特征参数以生成特征图形。3。特征组合编辑和修改特征图形以组合零件图。4。生成二维图形给组合图形标注公差、粗糙度等，以生成2D零件图形并存入DWG文件。5。零件数据建模用一致的数据格式建立零件数据模型，包括完全图形和非图形信息。6。预处理将工件的数据模型转换为基于STEP标准的中性文件，然后将其转换为符合CAPP/CAM要求格式的专用文件。7。PDL（产品数据库）工具生成单一图形和组合零件图形。8。特征库由若干个PDL文件所组成，用于定义特征和生成特征图形。9。工程数据库存储由图形设计系统生成的图形和特征信息，包括DWG文件、STEP文件、CAPP/CAM专门文件和工程数据等。在CAPP方块中有：1。工件信息输入由CAD子系统输入STEP中性文件。2。CAPP零件信息建模建立基于特征的零件信息模型。3。工艺决策根据零件信息在技术数据库和知识库中获取相关的数据以自动生成工艺过程。4。工序设计包括工序设计、尺寸链计算和工序图绘制。5。工艺文件管理供用户编辑工艺文件，包括删除、修改、插入和排序等。6。工艺知识库存储全部工艺知识包括加工方法、定位和夹紧、工艺过程制定和实例知识等。在CAM方块，其中的NC自动编程模块用APT语言按CAD的零件信息输出和由CAPP输出的技术文件生成APT程序。后置处理器将APT程序转换为NC指令然后送至NC机床。10.3.7PPro/engineering系统是一个由PTC公司开发的著名的CAD/CAM系统，它有21个模块，可供用户构建自用的CAD/CAM系统。其主要模块为：1。Pro/engineer系统的基本模块，它的功能包括从参数化定义零件到生成全部工程图。2。Pro/design供二维非参数化组合设计。3。Pro/detail直接从Pro/engineer的实体模型生成ANSC、ISO、DIN或JIS标准的工程图。4。Pro/feature按用户自定义的形状特征组合一些复杂形状。5。Pro/surface支持用户生成复杂的曲面。6。Pro/mesh自动生成有限单元法中的网格。7。Pro/manufacturing生成工艺路线；钻、车和2到5轴铣削的刀具路径。8。Pro/moldesign模具和组合模具设计。9。Pro/sheet-metal钣金工参数化建模。10。Pro/cabling电动机和机械另、部件最佳标注。11。Pro/assembly为用户提供参数化装配程序的工具。12。Pro/interface提供在不同CAD/CAM系统间各种标准的数据转换格式，包括IGES、STEP、VDA和DXF等。13。Pro/ECAD提供在不同电动机CAD系统间的数据转换接口14。Pro/drafting直接生成和绘制2D工程图而无需作3D建模。10.4管理信息系统（MIS）10.4.1MRP和MRP-2系统1。MIS是一个面向管理的数据集成系统，用于收集、转换、存储和处理企业的全部管理信息包括经营管理；材料生产管理；财务管理；人力资源管理和质量管理等。2。生产管理系统是MIS的核心，它包括两个内容，即1）按照市场预测的信息，制定与产生交换和外协件有关的主生产计划；2）基于主生产计划制定材料需求计划。3。美国政府于上世纪60年代开发了一个计算机辅助制定材料需求计划系统（MRP），它结合了产品交付时间表、另、部件生产、材料和外协件，以期解决企业中长期存在的生产管理和库存控制之间的矛盾，从而实现既能压缩库存又能保证生产所需求的材料供应。4。但MRP系统是不完备的，它实际上是一个开环系统，没有反馈和调节平衡生产和消除制定的计划与实际生产之间差异的功能。此外，MRP只涉及生产管理和供应而与其他的管理如财务、人力资源和经营决策管理无关。因此，在1970年代，美国政府又开发了MRP-2系统，这是一个广义的MRP系统，它集成了生产、供应、销售、财务和人力资源管理。由于这些因素全都是制造资源，所以MRP-2实际上是一个制造资源计划系统。图10.6表示MRP-2系统的功能模型。图10.6MRP-2系统的功能模型10.4.2MRP-3系统简介虽然MRP-2系统已广泛地用于企业管理，但也发现它不是如预期的那样有效，因其仍存在一些缺点。英国的ICL（国际计算机有限公司）开发了一个新的制造资源计划MRP-3系统取代MRP-2系统。MRP-3系统由五个部分组成，即：MRP-2系统；JIT（准时按需生产方式）系统；专家系统；并行工程和售后服务人员系统组成，如图10.7所示。由图看出，MRP-3系统的主要特点就是将MRP-2系统和JIT系统集成为一个系统，从而解决长期制造资源计划与日生产管理之间的矛盾。此外，MRP-3系统中的专家系统能有助于实现决策自动化。图10.7MRP-3系统的组成10.5质量信息系统（QIS）10.5.1质量控制系统和质量保证系统1。QIS是一个面向质量的数据集成系。质量信息存在于企业的各个部门之中。企业的质量包括决策质量和履行质量，它们分别用产品质量和服务质量来表示，如图10.8所示。图10.8企业质量系统的组成2。企业必须有一个质量管理系统以保证产品质量，该系统包括：1）质量控制系统这是一个对工作监测和对设备控制的系统，用于支持产品质量和服务质量，使之能满足规定的要求2）质量保证系统这是一个严格而全面的计划，制定它的目的是要保证产品质量和服务质量能满足要求和取得（用户的）信任。10.5.2全面质量管理（TQM）TQM的基本观点是：1。质量管理（QM）不仅是质量管理部门的事，也是企业全体职工（从厂长到工人）的事；2。QM不仅限于产品检验，而是遍及从市场分析到产品计划、开发、制造、质量检验和售后服务的整个过程；3。QM着重于防患于未然，即消除存在于设计和制造中的隐患，而不是在最后出废品。4。QM着重于提高各个部门的工作质量，以保证有高产品质量和服务质量。5。QM着重于质量保证的能力真实产品的质量只能表示顾客买到的产品的质量，而不能代表供货者的质量保证能力和产品质量的可靠性。10.5.3国际质量标准（ISO9000序列）这个序列是ISO于1987年颁布的，它由6个子系统所组成，其目的在于建立一个质量管理和质量保证的国际标准。按此标准企业应建立一套用于质量管理和质量保证的完整而严密的规程和系统以及质量保证的文件，以实现在产品寿命周期内的质量控制的全部活动，并使企业能长期、稳定地生产出高质量的产品和取得用户的信任。10.6制造自动化系统（MAS）MAS作为CIMS的一个子系统，它有两个方面的工作：，即10.6.1MAS中的制造信息和管理信息系统这个系统是为NC机床、机器人和FMC等设备而建立的，每台独立的设备通过局域网（LAN）联系，其组成如图10.9所示。图10.9企业内部联系的局域网10.6.2MAS中的动态监控系统（DMS）现代自动化制造的发展向制造系统和单机提出了高水平要求，这就导致了动态监控技术的发展，其内容包括1。加工过程的适应性控制NC机床其实是一种按事前编制的程序工作的静态控制，适应控制则要求能适应地补偿加工中的动态误差以提高加工精度。此外，它还要求监控随机加工状态，以调节加工参数，从而提高表面质量。作为一例，图10.10表示一个切入磨削过程的园度误差预报补偿控制系统。根据所作的多因素方差分析可知，主轴的回转误差运动（SREM）是产生磨削工件园度误差r的主要因素（约占75%）。因此，可以用消除SREM来补偿大部分的r。在此系统中采用了一个线性可变差动变压器（LVDT）来测量一个标准园环的径向跳动量以得到一个SREM误差的数据序列。由于这是一个单输入、单输出内反馈系统，所以用此SREM数据序列拟合了一个ARMA（4，3，0）模型。据此取SREM的一步预报值并用比例控制器将其转换为预报补偿执行量，然后经D/A控制器将它转换为模拟电压。将该电压输入一个压电晶体微位移发生器以产生一个补偿位移，经杠杆机构减小后去推动砂轮以补偿工件的园度误差。图10.10园度误差补偿控制系统另一例是一个无颤振车削过程控制系统如图10.11所示。车削过程的颤振是系统的自激振动现象当切削系统的阻尼比变得很小时得以放大的结果。用装在车床尾座上的加速度计拾取加速度信号，并据以拟合了AR（2）模型。用此模型的参数1和2计算系统的模态参数1和2。观察发现在切削状态由稳定向不稳定变化时，即切削颤振发生时，弱阻尼率突然变小。因此，无颤振切削过程可由计算和监控的一步预报值来控制。当它趋向于一定值时，控制系统发出减速脉冲去推动一个机械执行件以使主轴电动机的电枢产生一个微小位移，并由此改变主轴电动机的转速，从而使切削过程恢复到无颤振切削状态。然而，计算是相当费时的，但发现1和2的变化趋势与的相同，即这三个参数都在同一时刻发生突变。这样，就可以用预报1和2来代替预报去实现无颤振切削，而这样则可以提高对切削过程控制的连续性。图10.11无颤振切削过程控制系统另一例（图10.12）是一个电火花加工（EDM）过程的参数识别和适应控制系统。EDM是一个制造复杂凹型模具的有效方法，EDM的电火花脉冲有正常火花脉冲、部分拉弧脉冲亦称污染脉冲、全部拉弧脉冲和无效脉冲等数种。拉弧脉冲会将工件表面烧损而必须避免产生，而正常脉冲则要求尽可能地多。由时间序列信号建模和模态分析可知，EDM过程的系统阻尼率在拉弧脉冲发生时产生突变，这意味着可用来识别EDM状态。另一个方法是提取电脉冲的维持电压上的20兆赫以上的射频信号来识别EDM状态。射频信号经DZFZ-2EDM状态识别仪处理为0到2V的直流电压并将其分段表示为在采样间隔内的各种状态脉冲所占的百分数。将正常脉冲的百分数作为时间序列信号建立模型并作一步预报，然后将它与期望值相比较。和的差值经控制器处理后去调节一个或几个电参数如脉宽、脉间、脉冲幅值或电流等，由此提高正常脉冲的百分