可重构制造系统

ReconfigurableManufacturingSystem以重排、重复利用、革新组元或子系统的方式，快速调整制造过系统。，ReconfigurableManufacturingSystem）是指为能适应市场的需求变化，按系统规划的要求，以重排、重复利用、一条可重构制造系统相当于几条传统的制造系统。1发展现状概述可重构制造系统是继承20年代的自动化流水线、50年代的NC60年代的FMS和80年代的CIMS之后，由国外一目的在于：大大缩短适应产品品种与产量变化的制造系统的规造的投资、降低生产成本、保证质量、合理利用资源、提高企业的市场竞争力和利润率。它涉及：先进的制造战略、营销、新产自治与协同控制、硬软件接口与协议技术、经济可承受性、系统集成管理和生产运作管理等多学科、多种技术的交叉融合。20年代的自动化流水线、50年代的NC机床、60年代的FMS和80年代的CIMS的上市时间，大幅度地压缩系统建造的投资、降低生产成本、保证质量、合理利用资源、提高企业的市场竞争力和利润率。它涉及：先进的制造战略、营销、新产品创新与改进的设计与开发、系统工程与分析、随机动态规划与决策论、质量工程、系统可靠性和运行跟踪与诊断、计算机技术、自治与协同控制、硬软件接多学科、多种技术的交叉融合。RMS是适应今天和明天先进制造发展的新一代技术群体中一种重要而适用的技术，对我国制造企业增强竞争力有重要意义。它与传统的制造系统规划、设计和建造的区别在于：企业可Team）的支持下快速实施系统动态组态（重构）。因它是建立在公共地基、可随时移动又可重复利用、优化布置、物流合理、保证质量、设备运行可靠、短交货期和低成本等优点。它既是可改进、可革新的开放系统，又是存在寿命期、由产品状况决定的一种新的可变制造系统。RMS技术可用于大多数制造系统中，特别是市场竞争激烈、征是可重构（可组态）性，除此之外还包括以下主要特征：可集成性。是可嵌套新模块与新装置或设备，能实现系统大于部分之和的系统整合。订货化。可按订单驱动。模块化。可进行制造过程、制造功能和制造能力的模块化组合。WIP－，验是压缩装配质量分散性1/3左右，即使δ变为2/3δ）。可诊断性。对产品质量缺陷和设备故障的可跟踪和可溯源性。经济可承受性。是投资、系统功能和成本综合优化，经济上可行的。敏捷性。以强的市场扩展柔性、增强企业竞争力，使企业获利。RMS技术可带来的经济效益有：改进制造系统，为产品并行设计提供可能；降低制造系统投资1―20%，可重复利用已有或闲置的设备；较短的生产导入时间。制造系统与新产品开发、商务实践构成了制造的三个基本要－60造竞争力的优势。－80年代以丰田生产方式为代表改进了大量生产的制造系统，由NC与CNC机床和、FMC实现中小批量生产的优势。但在80年代以来，不断全球化和呈快速多变的制造货物市场上，它们均不能满意地解决上述3个问题。CIMS虽然是一种解决问题的途径，但一些先进的企业为了实行统进行－2次的重组布置，以适应产品的变化；英国有的公司达到1次/周的重组布置频率。在工业界和政府的推广下，发达国家从90年代中开展了可重构制造系统的基础与应用研究，并已推广应用。例如：－1999年以美国密执安大学为中心的RMS课题获得了NSF与工业界3080万美元的支持，进行了制造系统重构方式对系统性能的影响，产品装配过程的变流理论与建模等方面的研究，并以可重构的敏捷制造为课程进行了广泛地企业培训，同30个以上的企业进行以RMS－ERC究人员对这类系统的设计进行了研究。因此，可以预见，一个建立在科学基础上可重构制造系统技术将成为支持20世纪初制造业发展的重大技术。－60年代，刚性的自动化流水生产（大量生产）帮助先进的企业和国家形成制造竞争力的优势。－80年代以丰田生产方式为代表改进了大量生产的制造系统，由NC与CNC机床和F、FMC实现中小批量生产的优势。但在80年代以来，不断上述3个问题。CIMS均每年对制造系统进行－2英国有的公司达到1次/周的重组布置频率。在工业界和政府的推广下，发达国家从90年代中开展了可重构制造系统的基础与应用研究，并已推广应用。例如：－1999年以美国密执安大学为中心的RMS课题获得了NSF与工业界3080万美元的支持，进行了制造系统重构方式对系统性能的影响，产品装配过程的变流理论与建模等方面的研究，并以可重构的敏捷制造为课程进行了广泛地企业培训，同30个以上的企业进行以－ERC为基础的合作。与此同时，美国依阿华大学和麻省20世纪初制造业发展的重大技术。2可重构制造系统的主要研究内容①机床可移动性与性能测试评价的研究。通过分析、设计和试验，开发功能与结构优化的机床设备、系统的性能测试、评价系统和方法，逐步形成行业规范。②建立RMS技术平台。该平台应能支持新产品工艺流程驱动的组态物流分析、优化和评价；系统或单元重组、布置的规DFD〕；重组后制造产品质量缺陷和设备故障跟踪测试及溯源诊断的设计、评价；企业提出的RMS要求、软件试验和人员培训教育。③开发自主版权的计算机化与智能化技术与软件。研究开发当前企业迫切要求的通/专用夹具CAFD软件、计算机辅助工艺技术（下料图、刀/工具选择、切削或操作参数优化），并应以微机版本为主。④开发基于经济可承受性的投资、功能与成本或价值控制与决策支持系统及支持软件。⑤开发RMS技术实施的系统管理与Team组织管理及其评价体系。⑥在企业进行应用示范。3RMS发展的主要趋势：①在基础研究和应用研究的基础上开发实用技术和支持系统工具，改变个别摸索或经验型为科学化、标准化技术与作业，并发展支持产品和系统工具；②在先进制造战略指导下，逐步建立完整的RMS理论、设术形成融合的第三技术群；③深入研究系统分解与集成的理论，与集成制造和CIMS等技术一起形成能建立和发挥系统乘积效果的科学重构理论技术；④在模块化理论指导下研究开发模块化的装置、机床装备和产品，支持CIMS等技术一起形成能建立和发挥系统乘积效果的科学重构理论技术；④在模块化理论指导下研究开发模块化的装置、机床装备和产品，支持RMS技术在产品、设备设计与建造和重复利用中的应用；⑤研究和开发支持RMS的系统集成管理、订货化商务和生产运作管理，以及RMS小组组织与管理。RMSRMS小组组织与管理。数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床车削中心等。1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；19591960年以后，较为简单和经济的点床在机械制造业各部门逐步获得推广。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC),使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人动监控刀具破损和自动检测工件等功能。数控装置的键盘直接手动输入。分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制三类。点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。床和数控磨床等。连续轨迹控制(或称轮廓控制)能够连续控制两个或两个以上坐工曲面用的数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度大多数中小型数控机床所采用。置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。为了保证机床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控机床结构设计的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热运动时不出现爬行现象。以不用或少用齿轮传动和齿轮变速，这就简化了机床的传动机控制的可靠性和灵活性。能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，入高度自动化的柔性制造系统中。1988年制造》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.格林菲尔德等人提出在未来环境中自治与开放系统机床的概念,认为在未来的先进制造系统中,加工机床应是自治的和开放的.作为实验原型,他们研制了以一台立式加工中心为主的智能机床.为达到自治性,给加工中心配置了机器人,测量头视觉系统,灵巧机械手等装置;为达到开放性,用开放体系结构的工作站计算机和标准软件,实现对加工中心及其附加装置的智能控制.未来工厂:人们追求的目标现在已经看到,人们正在努力研制智能加工机器,设计未来工厂创造未来的智能工厂最终实现工厂智能化.1990年6月,日本通产省就提出称之为"智能制造系统"研究的10年计划,并从1991年正式实施这是一项耗资10亿美元的设计未来工厂的国际研究计划,日本政府决定邀请世界各地精通机器人和有关制造技术的专家参加,以便找到办法把一些新出现的高技术,特别是人工智能技术同具有视觉和触觉功能的机器人结合起来,最终创建一些智能工厂——未来工厂的雏型.一个好的智能制造系统,还要有三个子系统:①虚拟制造系统,事先模拟制造过程.②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.③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.智能制造系统的进一步发展,将是未来工厂:一种是费莱克塔工厂,可以实现制造系统的自组织,自优化.另一种是随机制造系统,有自主的机床系统,自我组织管理,依据任务组合加工过程.组内要合作,各组之间要竞争,以适应生产环境的变化.多功能集成工厂是未来工厂的又一模式,以满足消费者对某种产品的多功能需求.例如,现在需要一种将汽车,船舶和飞机的功能集合于一身的产品,于是该工厂负责设计,并通过计算机网络组织各有关厂家分工制造,最后又由该厂总装.这样,可以发挥专业厂家的优势,自己投资少,效率高,还有很大的灵活性.根据用户不同的要求更加灵活地生产出具有个性的,更新的,更美的智能化产品是智能工厂的基本任务."更新,更美,更智能是智能时代的最强.数控编程是CAM的重要组成部分。它包括加工刀具路径文件的CAD/CAM软件，根据加工对象的结构特征、加工环境特征其中包括机床-夹具-刀具-工件所组成的具体工序加工系统的特征）以及加工工艺设计的具体特征来生成描述加工过程的刀具路径文件。通过后置处理器读取由CAM系统生成的刀具路径文件，NC程识别的NCCAD/CAM集成系统非常重要的组成部分，它直接影响CAD/CAMCAD/CAM软件用户对软件的应用只停留在CAD模块上，对CAM模块点进行必要的二次开发，由此生成的代码还需人工做大量的修改，严重影响了CAM模块的应用效果。目前，从技术上讲，由于CAD/CAM系统硬件和软件的发展，刀具路径的生成、加工过程仿真和干涉碰撞检查已经是可行的。北京市机电研究院在工程实践中已付诸实施，并取得了良好效NC制机床实施加工，还必须以相应的后置处理器开发为条件。对于使用多种CAD/CAM系统，配备多种机床各种类型数控系统的情况就更为复杂，这是因为后置处理面临如下纷繁的情况：刀具路径文件格式的多样性刀具路径文件采用APT语言格式，这种语言接近于英语自然语不受机床结构、数控系统类型的影响。但不同的CAD/CAM软件生成的刀具路径文件的格式均有所不同如：调用n号刀具，长度补偿选用a寄存器中的值，表示这一功能的指令在不同的CAM系统表述格式不同。例如几种CAD/CAM系统的表述格式如表1所示。表1CAD/CAM系统的表述格式CAD/CAM系统表述格式UG-IILOAD/TOOL，n，ADJUST，aSDRCMasterLOADTL/n，，hPro/ENGINEERLOADTL/n，OSETNO，aCVCADDSLOAD/TOOL，n，OSETNO，a2.NC程序格式的多样性NC程序由一系列程序段组成，通常每一程序段包含了加工操作的一个单步命令。程序段通常是由NGXYZT、．．．．．地址字和相应的数字值组成的。(1)ISO-1056-1975标准对其中的部分准备代码功能、辅助功能代码的功能作了统一的规定，如：G00快速点位运动、G01G02G03逆时针圆弧插补、G04驻留。但还有大量的未作统一规定的‘不指定代码'，其中不指定的‘G'代码由数控系统厂家根据需要自行制定其代码功能，如表2所示。表2根据需要自行制定的‘G'代码功能G码FANUC-15MA系统TOSNUC800-MG10数据设置撤消坐标转换G11取消数据设置模式坐标转换G15取消极坐标命令G16极坐标命令未做统一规定的‘M'代码由数控机床制造厂根据其机床所具有的加工单元HG500，带有16个托盘（PPL），托盘可自动交换，实现无人加工。为了控制托盘自动进入主机，它用M87～M89代码控制A.P.C门的开关：M87A.P.CdoorrightopenA.P.C右侧门打开M88A.P.CdoorleftopenA.P.C左侧门打开M89A.P.CdoorcloseA.P.C门关闭(2)有些数控系统对部分G代码的功能并不严守ISO-1056标准的规定，而是自行定义，如表3所示。表3东芝数控系统自行定义的G码功能G码TOSNUC800-MISOG20参考点返回检查英制G21第、、4参考点返回检查公制G44取消长度补偿刀具偏置-负G93局部坐标系设定时间倒数进给率(3)个别数控系统的NC程序采用了比较特殊的代码格式，如HEIDENHAINTNC426系统，右补偿直线插补语句格式：FLX+10Y+10RL，对应于标准代码：G01G42X10Y10。技术需求的多样性在仅仅是对刀具路径文件床和数控系统的特征出发，赋予后置处理器以更多的功能要求。高速数控加工的出现不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求，对于加工工艺的策划、厂商开发了专门支持高速加工床，可借助该后置处理器所配可生成相应的代码，激活/撤配备高速加工控制器的机床，惯性力设定允许的最大加/减等。又如各种数控系统在曲面加工时，所用的曲面拟合模型不尽相同，有的用Nurbs拟合模型，有的用Bezier拟合模型，有的用Polymial拟合模型，还有的用Spline拟合模型，后置处理器就面临支持相应的多种曲面拟合模型的问题。以用已有的行之有效的NC个问题，不能都放到机床上去调试，这在单件加工时尤为重要。此外，现有的许多CAD/CAM系统的加工仿真只是以所生成的刀具路径文件为基础进行加工仿真和干涉检查，这显然是不够的。因此，以NC代码指令集及其得十分重要。因此一个完善的后置处理器应具备以下功能：）接口功能：后置处理器能自动地识别、读取不同的CAD/CAM软件所生成的刀具路径文件。NC程序生成功能：数控机床具有直线插补、圆弧插补、自动换刀、夹具偏置、冷却等一系结构、顺序由数控机床规定的NC格式决定。当前世界上一些著名的后置处理器公司开发出通用后置处理器，它提供一种功能数据库模型，用户根据数控机床的具体情况回答它所提出的问题，通过问题回答生成用户指定NC编程知识，就能编出满意的提供的开发器允许用户进行修改和编译。因此可以按照数控机床的功能建立一个关系数据库，每个功能如何实现，由用户根据机床的结构、使用的数控系统指定控制的代码及代码结构。转换，还要能加入一定的工艺知识。如高速加工的处理、加工丝杠时切削参数的选择等。NC代码指令集及其相应参数设置为信息源的仿真。它包括两部分：NC程序的主体结构检查和NC程序语法结构检查；数控加工过程仿真。以NC程序为基础，模拟仿真加工过程，判断运动轨迹的正确性及加工参数的合理性。不同结构的机床、不同的数控系统、不同的编程习惯，其NC程序的结构和格式千差万别。控机床加工，则必须针对所用的CAM系统及所生成的刀其表述格式，而这一工作是智力密集和劳动密集兼而有之的过程。当面临的CAM系统众多，机床及其数控系统众多的情况下，从头开发专用后置处理器的工作就显得相当繁重。因此，近年来出现了以开发通用后置处置处理器的做法，用通用后置明，这是一种有效的方法。该院应用这一方法从1996加工中心、龙门式立式加工中心、卧式柔性加工单元、立式加工中心、数控车床、车削中心等多种类型机床的十种专用后置处理器，数控系统包括FANUC、TOSNUC、MITSUBISH、A、A850、MAZAK等，覆盖了该院的产对三轴带回转工作台的卧式结构机床的后置处理结构模定制开发用于HC800/FANUC-15MA的专用后处理器的方法：*使用的定制开发软件......Pro/E的NCPOSTICAM技术公司生产的ICAM通用后置处理开发器。*使用的CAM软件......Pro/E的CAM模块。应用Pro/E的CAM模块，设计加工环境，进行模拟加工仿真，生成刀具路径文件。*NC程序应用对象......卧式加工中心HC800。该机床为日本日立精机公司制造生产，配备‘X'‘Y'‘Z'三条直线轴，一个回转工作台，一个容量为120把刀的链状刀库，六个交换托盘；控制系统为FANUC-15MA主要用于箱体类零件的加工。(1)首先了解机床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式（手动还是自动）。(2)机床配备的数控系统，熟悉该系统的NC编程包括功能代码的组成、含义，是否有不同于ISO-1056-1975标准的代码格式。(3)应用通用后置处理器导向模板，根据以上掌握的知识，逐条回答模板提出的问题，定制专部数据库模型，经判断、排列、组合后，生成用户要求的专用后置处理器。应用按此方法定制的HC800/FANUC-15MA专用后置处理器处理刀具路径文件，生成的NC程序约可用，还有需作进一步开发。(4)当通用后置处理器提供的数据模型不能全部满足用户的要求，或者用户需要优化处理NC程CAM模块的使用方法，掌握刀具路径文件的格式，并具备软件开发和加工工艺方面的经验。本专用后置处理器应用的机床为配备一个回转工作台的三轴卧式加工中心，工作台回转不换。刀库为链状结构，容量为120Pro/E的CAM模块和NCPOST模块中均无此类机NC程序不再需要人工做修改，可对CAM模块的加工环境参数进行特定的设置，并用NCPOST模块的开发语言进行宏程序编制，建NC通用后置处理器内部