现代制造技术发展趋势PPT课件下载

这是一个关于现代制造技术发展趋势PPT课件，主要介绍制造自动化技术概论、自动化制造装备、工业机器人的分类。4.1 制造自动化技术概论 4.1.1 制造自动化技术的定义、内涵　最初“自动化(Automation)”是美国人D.S.Harder于1936年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是"自动化"。这是早期制造自动化的概念。 随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。今天，制造自动化已远远突破了上述传统的概念，具有更加宽广和深刻的内涵。制造自动化的广义内涵至少包括以下几点。 (1) 在形式方面，制造自动化有三个方面的含义： · 代替人的体力劳动。 · 代替或辅助人的脑力劳动。 · 制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。 (2) 在功能方面，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系的一部分。制造自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。此体系可用功能目标模型描述。功能目标模型简称TQCSE模型，其中T表示时间(Time)，Q表示质量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服务(Service)，E表示环境友善性(Environment)。 (3) 在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体的生产制造过程，而且涉及产品生命周期的所有过程。4.1.2 制造自动化技术的发展历程及进展　随着科学技术的进步，机械制造自动化技术也由最初的主要依靠机械结构加上继电器等组成的刚性自动化机床和生产线发展到现今依靠 信息技术和先进的生产管理方法形成的高柔性化设备技术。如表4-1所示，其发展历程及典型产品大致经历了4个阶段，欢迎点击下载现代制造技术发展趋势PPT课件哦。

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4.1 制造自动化技术概论 4.1.1 制造自动化技术的定义、内涵　最初“自动化(Automation)”是美国人D.S.Harder于1936年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是"自动化"。这是早期制造自动化的概念。 随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。今天，制造自动化已远远突破了上述传统的概念，具有更加宽广和深刻的内涵。制造自动化的广义内涵至少包括以下几点。 (1) 在形式方面，制造自动化有三个方面的含义： · 代替人的体力劳动。 · 代替或辅助人的脑力劳动。 · 制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。 (2) 在功能方面，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系的一部分。制造自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。此体系可用功能目标模型描述。功能目标模型简称TQCSE模型，其中T表示时间(Time)，Q表示质量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服务(Service)，E表示环境友善性(Environment)。 (3) 在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体的生产制造过程，而且涉及产品生命周期的所有过程。 4.1.2 制造自动化技术的发展历程及进展　随着科学技术的进步，机械制造自动化技术也由最初的主要依靠机械结构加上继电器等组成的刚性自动化机床和生产线发展到现今依靠 信息技术和先进的生产管理方法形成的高柔性化设备技术。 如表4-1所示，其发展历程及典型产品大致经历了4个阶段。 国内外对制造自动化技术的研究非常重视，已经进行了大量研究，主要表现在以下7个方面。 　1. 制造系统中的集成技术和系统技术已成为制造自动化技术研究中的热点问题；　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，但实用化的成果还不多见； 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 制造自动化技术的关键技术实现21世纪制造自动化所涉及的关键技术主要有：（1）集成化技术。 （2）智能化技术。 （3）网络技术。 （4）分布式并行处理技术。 （5）多学科、多功能综合产品开发技术。 (6) 虚拟现实技术。 (7) 人机环境系统技术。 4.2 自动化制造装备 4.2.1 数控机床　1.CNC数控机床的组成　数控机床一般由输入/输出设备、CNC装置(或称CNC单元)、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器(PLC)及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。 图4-1是数控机床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为计算机数控(CNC)系统。 1) 机床本体　CNC机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加之在加工中是自动控制，不能像在普通机床上那样由人工进行调整、补偿，因而其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。 2) CNC装置　CNC装置是CNC系统的核心，主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口等。数控机床的CNC系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性化，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。 3) 输入/输出设备　键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。此外，还可以用串行通信的方式输入数字信息。数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形。操作人员通过显示器获得必要的信息。常见数控系统操作面板如图4-2所示。 4) 伺服单元　伺服单元是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。 5) 驱动装置　驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。 伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，因此，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。 　 6) 可编程控制器　可编程控制器(Programmable Controller，PC)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计。由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制，故称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。 当PLC用于控制机床顺序动作时，也称之为编程机床控制器(Programmable Machine Controller，PMC)。 PLC已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。用于数控机床的PLC一般分为两类： 一类是CNC的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计的PLC产品，称为内装型(或集成型)PLC，内装型PLC是CNC装置的一部分； 另一类是以独立、专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为独立型(或外装型)PLC。 7) 测量装置　测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。 按有无检测装置，CNC系统可分为开环与闭环数控系统，而按测量装置的安装位置又可分为闭环与半闭环数控系统。开环数控系统的控制精度取决于步进电机和丝杠的精度，闭环数控系统的控制精度取决于检测装置的精度。 因此，测量装置是高性能数控机床的重要组成部分。此外，由测量装置和显示环节构成的数显装置，可以在线显示机床移动部件的坐标值，大大提高机床工作效率和工件的加工精度。 2．CNC系统的研究与发展　目前，数控系统发展主要有如下趋势：　(1) 总线式、模块化结构的CNC装置： 采用多微处理机、多主总线体系结构，可以提高系统的计算能力和响应速度；模块化有利于满足用户需要，构成最小至最大系统。 (2) 在PC机基础上开发CNC装置：充分利用通用PC机丰富的软件资源，随PC机硬件的升级而升级；适当配置高分辨率的彩色显示器；通过图像、多窗口、菜单驱动以及多媒体等方式，得到友好的人机界面。 (3) PLC数控：PC既作为人机界面，利用其容量大、存储能力强和通信能力强的优点，又可进行机床控制，实现PC数控。 (4) 大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能，使其具备通信联网能力，支持多种通用和专用的网络操作系统，为工厂自动化提供基础设备。 (5) 将多种控制功能(如刀具破损检测、物料搬运、机械手控制等)集成到数控系统中，使系统实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力。 (6) 面向车间编程技术和智能化：系统能提供会话编程、蓝图编程和CAD/CAM等面向车间的编程技术，实现二﹑三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制智能机制。 4.2.2 加工中心　加工中心是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。它的最大特点是工序集中，自动化程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。 常见加工中心按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用(也称万能、五面体、复合)加工中心。图4-3给出了卧式加工中心和立式加工中心的外观图。 1. 镗铣加工中心　镗铣加工中心可完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作，它与普通数控镗床和数控铣床的区别之处主要在于它附有刀库和自动换刀装置。衡量加工中心刀库和自动换刀装置的指标有刀具存储量、刀具(加刀柄和刀杆等)最大尺寸与重量、换刀重复定位精度、安全性、可靠性、可扩展性、选刀方法和换刀时间等。 加工中心的刀库有链式、盘式和转塔式等基本类型，如图4-4所示。 2．车削加工中心　车削加工中心简称为车削中心(Turning Center)，它是在数控车床的基础上为扩大其工艺范围而逐步发展起来的。车削中心目前尚无比较权威性的明确定义，但一般都认为车削中心应具有如下特征：带刀库和自动换刀装置，带动力回转刀具，联动轴数大于2 (见图4-7)。 由于有这些特征，车削中心在一次装夹下除能完成车削加工外，还能完成钻削、攻螺纹、铣削等加工。车削中心的工件交换装置多采用机械手或行走式机器人。随着机床功能的扩展，多轴、多刀架以及带机内工件交换器和带棒料自动输送装置的车削中心在FMS中发展较快，这类车削中心也被称为车削FMM(Flexible Manufacturing Module)。 如对置式双主轴箱、双刀架的车削中心可实现自动翻转工件，在一次装夹下完成回转体工件的全部加工。 4.2.3 工业机器人　1. 工业机器人的定义　“机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小说家、剧作家恰佩克在他写的科学幻想戏剧《罗素姆万能机器人》中第一次使用了机器人一词，此后该词被欧洲各国语言所吸收而成为专有名词。 1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。” 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 工业机器人(通用及专用)一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造，某些家电产品(电视机、电冰箱、洗衣机)、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配，以及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。图4-8分别示出了搬运机器人、涂料机器人和焊接机器人。 　　 2. 工业机器人的组成　如图4-9所示，工业机器人一般由执行机构、控制系统、驱动系统以及位置检测机构等几个部分组成。 (1) 执行机构执行机构是一种具有和人手相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其它操作的机械装置，通常包括如下一些部件：　手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。此外，在手部安装的某些专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器等，可视为专用的特殊手部。 腕部：是连接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。手臂：是支承手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成，用以承受工件或工具的负荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们送至预定的位置。机座：包括立柱，是整个工业机器人的基础部件，起着支承和连接的作用。 (2) 控制系统。控制系统是机器人的大脑，支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度等)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出执行指令。 (3) 驱动系统。驱动系统是按照控制系统发来的控制指令进行信息放大，驱动执行机构运动的传动装置，常用的有液压、气压、电气和机械等四种传动形式。 (4) 位置检测装置 位置检测装置通过力、位置、触觉、视觉等传感器检测机器人的运动位置和工作状态，并随时反馈给控制系统，以便使执行机构以一定的精度达到设定的位置。 3. 工业机器人的分类 1) 按系统功能分类 (1) 专用机器人：在固定地点以固定程序工作的机器人。 其结构简单，无独立控制系统，造价低廉，如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手。 (2) 通用机器人： 具有独立控制系统，通过改变控制程序能完成多种作业的机器人。其结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。 (3) 示教再现式机器人：具有记忆功能，在操作者的示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。 (4) 智能机器人：采用计算机控制，具有视觉、听觉、触觉等多种感觉功能和识别功能机器人，通过比较和识别，能自主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。 2) 按驱动方式分类 (1) 气压传动机器人：以压缩空气作为动力源驱动执行机构运动的机器人，具有动作迅速、结构简单、成本低廉的特点，适用于高速轻载、高温和粉尘大的作业环境。 (2) 液压传动机器人：采用液压元器件驱动，具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于重载或低速驱动场合。 (3) 电气传动机器人：用交流或直流伺服电动机驱动的机器人，不需要中间转换机构，机械结构简单，响应速度快，控制精度高，是近年来常用的机器人传动方式。 　 3) 按结构形式分类 (1) 直角坐标机器人：由三个相互正交的平移坐标轴组成(见图4-10(a))，各个坐标轴运动独立，具有控制简单、定位精度高等特点。 (2) 圆坐标机器人： 由支柱和一个安状在立柱上的水平臂组成，其立柱安装座上，水平臂可以自由伸缩，并可沿立柱上下移动。该类机器人具有一个旋转轴和两个平移轴(见图4-10(b))。 (3) 球坐标机器人：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成，具有两个旋转轴和一个平移轴(见图4-10(c))。可伸缩摇臂的运动结构与坦克的转塔类似，可实现旋转和俯仰运动。 (4) 关节机器人： 其运动类似人的手臂，由大小两臂和立柱等机构组成。大小臂之间用铰链连接形成肘关节，大臂和立柱连接形成肩关节，可实现三个方向的旋转运动(见图4-10(d))。它能抓取靠近机座的物件，也能绕过机座和目标间的障碍物去抓取物件，具有较高的运动速度和极好的灵活性，成为最通用的机器人。 工业机器人按臂部的运动形式分为四种。 直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作； 球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩； 关节型的臂部有多个转动关节。 工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。 编程输入型工业机器人通过穿孔卡、穿孔带或磁带等信息载体输入已编好的程序。 示教输入型机器人的示教方法有两种：一种由操作者手动操作控制器(示教操纵盒)，如图4-11所示，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种由操作者直接控制执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。 4. 工业机器人的性能特征　工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性。在设计和选用机器人时应考虑如下几个性能指标：　(1) 自由度。自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。所谓自由度，是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动。 每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，因而自由度数越高，机器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但相应地带来的技术困难也越大。一般情况下，通用工业机器人有3～6个自由度。 　 (2) 工作空间。工作空间是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。 图4-10中分别画出了各类机器人的工作空间，其中直角坐标机器人的工作空间是一个矩形空间，圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱体，而球坐标机器人的工作空间是一个球体。 (3) 提取重力。机器人提取的重力是反映其负载能力的一个参数，根据提取重力的不同，可将机器人大致分为：① 微型机器人，提取重力在10 N以下； ② 小型机器人， 提取重力为10～50 N； ③ 中型机器人， 提取重力为50～300 N； ④ 大型机器人， 提取重力为300～500 N； ⑤ 重型机器人，提取重力在500 N以上。目前实际应用机器人一般为中、小型机器人。 (4) 运动速度。 运动速度影响机器人的工作效率，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将在加减速时承受较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。就目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000 mm/s以下。 (5) 位置精度。 位置精度是衡量机器人工作质量的又一技术指标。位置精度的高低取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。 5. 工业机器人的机械结构　1) 工业机器人的手部结构　工业机器人的手部是直接用于抓取和握紧(或吸附)工件或夹紧专用工具进行操作的部件。它安装在机器人手臂的前端，具有模仿人手动作的功能。 由于被握持工件的形状、尺寸、质量、材料性能以及表面形状不同，故工业机器人的手部结构多种多样，大部分手部结构都是根据特定的工作要求而专门设计的，它们不仅结构形式不完全相同，其工作原理也并不一样。如按握持工件的原理分，机器人的手部可大致分为夹持式和吸附式两大类。 夹持式手部是利用夹钳的开闭来夹紧和抓取工件的，按其结构又分为两指或多指、回转和平移、外夹和内撑等多种形式。吸附式手部又分为气吸式和磁吸式：气吸式手部利用真空吸力及负压吸力吸持工件，它适用于抓取薄片工件，通常吸盘由橡胶或塑料制成；磁吸式手部利用电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具有磁性物质的小五金工件。 除此之外，在机器人腕部可直接安装被视为特殊手部的专用工具，如焊枪、喷枪、电动扳手、电钻等。 2) 手臂的机械结构　手臂是机器人机械结构的重要部件，它具有前后伸缩、上下升降、左右摆动或左右回转等运动功能。机器人手臂由大臂和小臂组成，小臂只完成伸缩运动，大臂完成回转、升降或上下摆动运动。机器人的大臂与机座连在一起，小臂前端装有手腕和手部。若没有手腕，可在手臂前端直接安装手部。 手臂是支持手指和手腕部分的机构，它不仅承受被抓取工件的物重，而且承受手部、手腕和手臂自身的重量。它的结构性能、工作范围、承载能力和动作精度直接影响机器人的工作性能。因此，必须根据机器人的抓取物重、运动方式、自由度数和运动速度等要求来设计选择手臂的结构形式。 机器人手臂有不同的结构形式和驱动方法。常见的驱动方式有气压驱动、液压驱动、电力驱动以及复合驱动方式等。常用的运动形式和传动机构有： (1) 直线运动机构包括直线运动液(气)压缸、丝杆螺母机构、直线电动机、链传动、直线液(气)压缸加齿轮齿条机构、丝杆螺母加花键导向机构等。 (2) 回转运动机构包括叶片式摆动液(气)压缸、直线液(气)压缸加齿轮齿条机构、回转液(气)压缸加行星机构、直线液(气)压缸加链条链轮机构、摆动直线液(气)压缸加摆杆机构等。 3) 手腕的机械结构　手腕是连接手部和手臂的部件，起着调整和改变手部方位的作用(见图4-13)。 然而不是所有的机器人都有手腕部分。手腕的设置增加了手臂的负荷，影响机器人的抓取能力和惯性矩。在设计机器人手腕时应考虑如下的两个原则：  　(1) 凡是能由臂部完成的动作，尽量不选取腕部，以使机器人结构简单、制造方便，降低成本且减轻重量，改善机器人的动力学性能。 (2) 在不得不使用手腕时，应使腕部的结构在保证动作要求下尽量简单、紧凑和小巧。机器人手腕的设计首先应确定所要求的运动和动作。手腕动作一般是在手臂动作确定之后，根据工件的上下料要求进行确定的。手臂完成不了的动作由手腕来完成，或同时考虑和分配手臂、手腕共同担负的动作。 手腕的机械结构是根据它的运动要求来确定的。对于手腕的回转运动，多采用回转液(气)压缸或直线液(气)压缸加齿条的结构形式。 6. 工业机器人的控制系统 1) 机器人控制系统的组成　机器人控制系统的组成如图4-14所示。 (1) 控制计算机：控制系统的调度指挥机构，一般为微型机，微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型的CPU。 (2) 示教盒：设定示教机器人的工作轨迹和参数以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 (3) 操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本操作功能。 (4) 存储设备：存储机器人工作程序的外围存储器，分为硬盘和软盘两大类。 (5) 数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出设备。 (6) 打印机接口：记录需要输出的各种信息。 (7) 传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔性控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 (8) 轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度的控制。 (9) 辅助控制设备：用于配合机器人工作的辅助控制设备，如手爪变位器等。 (10) 通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般分为串行接口和并行接口。 (11) 网络接口：通过网络连接实现更多扩展功能。 2) 机器人的编程语言及其分类　描述机器人运动的语言叫做机器人语言(Robot Language)。 以机器人语言为线索，利用机器人语言对机器人编程，可实现对机器人及其周边装置的控制。机器人是一种在人与机器人之间记录信号或交换信息的程序语言。　从不同的方面考虑，机器人语言有多种分类方法，通常人们根据作业描述水平将其分为三级。 (1) 动作级。 动作级语言以机器人的运动作为描述的中心，由一系列命令组成，一般一个命令对应一个动作，语言简单，易于编程，其缺点是不能进行复杂的数学运算。 　 (2) 对象级。 对象级语言是以描写操作物之间的关系为中心的语言。 (3) 任务级。 任务级语言是比较高级的机器人语言，这类语言允许使用者对工作任务要求达到的目标直接下命令，不需要规定机器人所做的每一个动作的细节，只要按某种原则给出最初的环境模型和最终的工作状态，机器人即可自动进行推理计算，最后生成机器人的动作。 7．工业机器人的应用 1) 在摩托车行业中的应用海南新大洲摩托车厂用4台弧焊机器人工作站完成新大洲50系列摩托车的车架焊接。该生产线自1998年3月投入运行以来，运行良好，性能稳定。南京金城机械有限公司在其125-7D车架的生产线上使用了7台机器人用于焊接和切割，提高了产品的一致性。 2) 在电子、家电行业中的应用机器人的应用改变了韵声集团八音琴全靠手工装配的历史，提高了企业形象，积累了经验，培养了人才，为企业的下一步发展打下了基础。 3) 在石化行业中的应用哈工大博实公司自主开发的“自动包装机器人码垛生产线”应用于大庆石化公司10万吨/年聚丙烯生产装置，全线实现了自动运行， 动作平稳可靠，运行速度快，称重精度高，缝口位置准确，码垛垛形整齐。 　 4) 在采矿业中的应用采矿业是一种劳动条件相当恶劣的生产行业，根据井下作业的特殊条件和特点，机器人主要应用在以下几个方面： (1) 特殊煤层采掘机器人目前，一般煤矿都用综合机械化采煤机采煤，但对于薄煤层这类特殊情况， 运用综合机械化采煤机采煤就很不方便，有时甚至是不可能的，而人工采煤作业又十分艰苦和危险，但如果舍弃薄煤层，又会造成资源的极大浪费。因此，采用遥控机器人进行特殊煤层的采掘是最佳的方法。这种采掘机器人应该能拿起各种工具，比如高速转机、电动机和其它采爆器械等，并且能操作这些工具。这种机器人的肩部应装有强光源和视觉传感器，这样能及时将采区前方的情况传 送给操作人员。 (2) 凿岩机器人。这种机器人可以利用传感器来确定巷道的上缘，这样就可以自动瞄准巷道缝，然后把钻头按规定的间隔布置好，钻孔过程用微机控制，随时根据岩石硬度调整钻头的转速、力的大小以及钻孔的形状，这样可以大大提高生产率，人只要在安全的地方监视整个作业过程就行了。 　(3) 井下喷浆机器人。井下喷浆作业是一项繁重且危害人体健康的作业，目前这种作业主要由人操作机械装置来完成，缺陷很多。采用喷浆机器人不仅可以提高喷涂质量，也可以将人从恶劣和繁重的作业环境中解放出来。 (4) 瓦斯、地压检测机器人。瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素，一旦发生突然事故，则相当危险， 后果十分严重。瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前都会表现出种种迹象，如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动式机器人连续监视采矿状态，可以及早发现突发事故的先兆，采取相应的预防措施。　此外，在食品工业、核工业等行业中也已经开始广泛使用机器人来代替一些手工作业。 4.3 CAD/CAPP/CAM — 体化技术 4.3.1 CAD/CAM基本概念　从计算机科学的角度看，设计与制造过程是有关产品的信息产生、处理、交换和管理的过程。CAD/CAM技术不是传统设计、制造流程方法的简单映像，也不会局限于在个别步骤或环节中部分使用计算机作为工具，它将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的 智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个过程，以获得最佳效果。而广义的CAD/CAM集成系统还应包括生产规划、管理、质量控制等方面的功能。 4.3.2 计算机辅助工艺设计CAPP技术　1．CAPP基本概念　CAPP的开发、研制是从20世纪60年代末开始的，在制造自动化领域，CAPP的发展是最迟的。世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1969年，并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS； 1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统。 在CAPP发展史上，具有里程碑意义的是CAM-I于1976年推出的CAM-I‘s Automated Process Planning系统，取每个单词的首字母，称其为CAPP系统。目前对CAPP这个缩写虽然还有不同的解释，但把CAPP称为计算机辅助工艺过程设计已经成为公认的释义。 CAPP(Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺过程设计)的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制定， 把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息(形状、尺寸等)和工艺信息(材料、热处理、批量等)，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。 由于计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)的出现，CAPP上与计算机辅助设计 (Computer Aided Design，CAD)相接， 下与计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)相连，是连接设计与制造之间的桥梁。设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息，设计只能通过工艺设计才能实现功能和信息的集成。由此可见，CAPP在实现生产自动化中具有重要地位。 传统上，工艺设计应由具有丰富生产经验的工程师负责。作为一个好的工艺设计工程师 ，必须具有丰富的生产经验，熟知企业内各种设备的使用情况，熟知企业内的各种生产工艺方法，熟知企业内各种与生产加工有关的规范，熟知与生产管理有关的各种规章制度，能与有关各方保持友好协作。 传统的工艺设计都是由人工进行的，这就不可避免地存在以下一些缺点： (1) 对工艺设计人员要求高。 (2) 工作量大，效率低下。 (3) 无法利用CAD的图形和数据。 (4) 难以保证数据的准确性。 (5) 信息不能共享。 2．CAPP的功能 (1) 接受输入或生成零件图上的几何及拓扑信息、工艺信息和测量信息； (2) 检索标准工艺文件； (3) 选择加工方法； (4) 安排加工路线； (5) 选择机床、刀具、夹具等； (6) 选择切削用量； (7) 计算切削参数、加工时间和监工费用等； (8) 进行工艺流程的优化及多工序、单工序切削用量的优化； (9) 确定工序尺寸和公差，选择毛坯等； (10) 绘制工序图； (11) 产生刀具运动轨迹，自动进行NC编程； (12) 模拟加工过程，显示刀具的运动轨迹。 3．CAPP的结构组成　CAPP系统的构成与其开发环境、产品对象、规模大小有关。图4-15所示的系统结构是根据CAD/CAPP/CAM集成的要求而拟定的，其基本模块如下：　(1) 控制模块：协调各模块的运行，实现人机之间的信息交流，控制零件信息的获取方式。 (2) 零件信息获取模块：零件信息输入可以有下列几种方式：人工交互输入，从CAD系统直接获取，来自集成环境下统一的产品数据模型。 (3) 工艺过程设计模块：进行加工工艺过程的决策，生成工艺过程卡。 (4) 工序决策模块：生成工序卡。 (5) 工步决策模块：生成工步卡并提供形成NC指令所需的刀位文件。 (6) NC加工指令生成模块：根据刀位文件生成控制数控机床的NC加工指令。 (7) 输出模块：可输出工艺过程卡、工序和工步卡、工序图等各类文档，并可利用编辑工具对现有文件进行修改后得到所需的工艺文件。 (8) 加工过程动态仿真模块：可检查工艺过程及NC指令的正确性。 4．CAPP的基础技术　(1) 成组技术。我国CAPP系统的开发与成组技术密切相关，早期开发的CAPP系统一般是以GT为基础的变异CAPP系统。　(2) 零件信息的描述与获取。CAPP与CAD、CAM一样，其单元技术都是按照自己的特点而各自发展的。因此，即使在集成化、智能化的CAD/CAPP/CAM系统中，零件信息的生成与获取也是一项关键问题。 (3) 工艺设计决策机制 其核心为特征型面加工方法的选择，零件加工工序及工步的安排及组合，故其主要的决策内容如下：① 工艺流程决策；② 工序决策；③ 工步决策；④ 工艺参数决策。为保证工艺设计达到全局最优化，系统把这些内容集成在一起，进行综合分析、动态优化、交叉设计。 (4) 工艺知识的获取及表示 工艺设计随设计人员、资源条件、技术水平、工艺习惯而变。要使工艺设计在企业内得到广泛而有效的应用，就应总结出适应本企业零件加工的典型工艺及工艺决策方法，按所开发CAPP系统的要求，用不同的形式表达这些经验及决策逻辑。 5) 工序图及其他文档的自动生成。 (6) NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真。 (7) 工艺数据库的建立。 5．CAPP系统的类型 (1) 派生式CAPP系统(又称为变异型CAPP系统)。派生式CAPP系统建立在成组技术(GT)的基础上，其基本原理是零件的相似性，即相似零件有相似的工艺规程。 一个新零件的工艺规程是通过检索系统中已有的相似零件的工艺规程并加以筛选或编辑而成的。计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准工序。从设计角度看，这种设计方法与常规工艺设计的类比设计相同，即用计算机模拟人工设计的方式，其继承和应用的是标准工艺。 (2) 创成式CAPP系统创成式CAPP系统的工艺规程是根据程序中所反映的决策逻辑和制造工程数据信息生成的，这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和对象、各种设备及刀具的适用范围等一系列基本知识。工艺决策中的各种决策逻辑存入相对独立的工艺知识库中，供主程序调用。 向创成式系统输入待加工零件的信息后，系统能自动生成各种工艺规程文件，用户不需或略加修改即可。　　创成式系统不需要派生法中的样板工艺文件，在创成系统中只有决策逻辑与规则，系统必须读取零件的全面信息，在此基础上按照程序所规定的逻辑规则自动生成工艺文件。 (3) 综合式CAPP系统(又称半创成型CAPP系统)。综合式CAPP系统是将派生式、创成式CAPP系统与人工智能结合在一起综合而成的，沿用以派生式CAPP系统为主的“检索-编辑”原理，当零件不能归入系统已存在的零件族时，则转向创成式工艺规程设计， 或在工艺编辑时引入创成式CAPP系统的决策逻辑原理。这种CAPP方式将变异型与创成式CAPP系统结合起来(如工序设计用变异型系统的设计方法，工步设计用创成式系统的设计方法)，具有两种系统的优点，克服了它们的部分缺点，因此应用十分广泛。我国自行开发的CAPP系统多采用这种类型。 (4) 交互型CAPP 它以人机对话的方式完成工艺规程的设计，实际上是按“变异型＋创成式＋人工干预”方式开发的一种系统，它将一些经验性强，模糊难定的问题留给设计人员去完成，这就简化了系统的开发难度，使其更灵活、方便，但系统的运行效率低且对人的依赖性较大。 (5) 智能型CAPP。它是将人工智能技术应用在CAPP系统中形成的CAPP专家系统。智能型CAPP与创成式系统的不同性在于：创成式CAPP采用逻辑算术规则进行决策，而智能型CAPP则以推理加知识的专家系统技术来解决工艺设计中经验性强、模糊和不确定的若干问题，它更加完善和方便，是CAPP的发展方向，也是当今国内外研究的热点之一。 目前，国内商品化的CAPP系统可分为以下几种： (1) 使用Word、Excel、AutoCAD或再开发的CAPP系统。此类CAPP系统所生成的工艺文件是以文本文件的形式存在的，无法生成工艺数据，更谈不上工艺数据的管理。 (2) 常规的数据库管理系统，使用Form、Report或在AutoCAD上绘制工艺卡片的CAPP系统。此类CAPP系统所生成的工艺卡片是由程序设计生成的，工艺卡片的填写无法实现所见 即所得，如果企业的卡片形式需要更新的话，就需要更改原程序。 (3) 注重卡片的生成，但工艺数据的管理功能较弱的CAPP系统。此类CAPP系统的工艺数据是分散在各个工艺卡片当中的，很难做到对工艺数据的集中管理。 (4) 采用“所见即所得”的交互式填表方式＋工艺数据管理、集成的综合式CAPP系统。此类系统的填表方式更符合工艺设计人员的工作习惯，便于与企业的PDM系统集成，管理产品的工艺数据，并为MRPⅡ、MIS等系统提供有效的生产和管理用工艺数据。 6．成组技术　1) 零件分类编码系统　零件的分类编码系统是用数字和字母对零件特征进行标识和描述的一套特定的规则和依据。目前，国内外已有100多种编码系统在工业中使用。每个工业部门可以根据本企业的产品特点选择其中一种，或在某种编码系统基础上加以改进，以适应本单位的要求。 一个较好的零件分类编码系统应满足如下的要求： (1) 各特征代码应有明确含义，不能含糊不清和相互混淆。 (2) 系统的信息容量与特征项目足够，应能覆盖企业内所有产品零件的有关特征信息，并留有余地，满足产品更新和工艺技术发展的需要。 (3) 系统所描述的特征应尽量具有永久性，不致因产品更换或生产条件变化而变得不适用。 (4) 能满足企业内各有关部门的要求。 (5) 结构紧凑，便于掌握使用，并能适合于计算机处理。 OPITZ编码系统是由德国OPITZ教授提出的，是世界上最早的一种适用于设计和工艺的多功能系统。 其基本结构如图4-16所示。该系统分为主码和辅码，用9位数字码表示。前5位为主码，主要用来描述零件的基本形状元素，其中第Ⅰ位是零件类别码，用来区分回转体零件与非回转体零件两大类；第Ⅱ～Ⅵ位是针对类别码所确定的零件形状及加工码，分别描述外部和内部形状及要素、平面加工和辅助加工。 系统的第Ⅶ～Ⅹ位是辅助码，表示零件的主要尺寸、材料及热处理性质、毛坯形状和精度要求。 2) 零件的分类成组方法所谓零件的分类成组，是指按照一定的相似准则，将产品中品种繁多的零件归并成为几个具有相似特征的零件族，这是成组技术的核心。 零件分类成组的方法很多，但大致可分为编码分类法和生产流程分析法两大类。　(1) 编码分类法根据编码系统编制的零件代码代表了零件一定的特征。因此，利用零件代码就能方便地找到相同或相似特征的零件，形成零件族。原则上讲，代码完全相同的零件便可组成一个零件族。 但这样做会使得零件族数很多，而每个族内零件种类数都不多，达不到扩大批量、提高效率的目的。为此，应适当放宽相似性程度，做到合理分类。目前，常用的编码分类方法有： ① 特征码位法此法以对某种目的影响最大的码位作为特征码位来划分零件族。 例如：零件的形状、尺寸、材质等特征对制造工艺影响较大，在采用OPITZ系统时，将第Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ码位作为特征码位。特征码位相同，不论其他码位如何，都认为属同一零件族。　② 码域法此法将分类编码系统中各码位数值规定一个范围作为零件分组的依据。 ③ 特征位码域法 该法是由特征码位法与码域法结合而成的一种分组方法，选取若干特征性较强的码位，并在这些码位上规定允许的特征项数据的变化范围，来作为分组的依据。 (2) 生产流程分析法零件的分类编码系统一般是以零件的结构开头和几何特征为依据建立的，对于零件加工 工艺信息它不可能描述得非常精细，采用编码分类成组方法来划分零件族，不能很好地将之与加工工艺和加工设备联系起来。而生产流程分析法是以生产过程或以加工工艺过程为主要依据的零件分类成组方式，它通过相似的物料流找出相似的零件集合，并以生产实施或设备的对应关系来确定零件族，同时也能得到加工该族零件的生产工艺流程 和设备组。生产流程分析通常包含如下4方面内容：① 工厂流程分析—建立车间与零件的对应关系；② 车间流程分析—建立制造单元与零件的对应关系；③ 单元流程分析—建立加工设备与零件的对应关系；④ 单台设备流程分析—建立工艺装备与零件的对应关系。根据这些对应关系，编制出各类关系中最佳的作 业顺序，找出各个设备组与零件族。 4.3.3 CAM技术 1．数控加工与编程　数控机床是数字控制机床的简称。数控机床的运动参数和各种动作是由机床配置的数控系统以数字量的形式进行控制的。这些动作和运动参数是由零件的加工程序详细规定好的。 数控加工是指利用数控机床或计算机代替人工操纵机床自动选择加工工具，生成加工路径，消除加工干涉，配置加工驱动等，从而完成零件的加工。为了在数控机床上进行加工，首先必须根据零件图样得到一个控制纸带。数控零件加工程序的编制是数控加工的基础，程序编制的好坏将直接影响到数控机床的加工质量和经济效益。 国内外数控加工统计表明：造成数控加工设备空闲大约有20％～30％的情况是编程不当造成的，因此理想的加工程序不仅应保证加工出符合设计要求的合格零件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用及充分的发挥，且能安全高效地工作。 用普通机床加工零件，事先需要根据生产计划和零件图纸的要求编制工艺规程， 其中包括确定工艺路线、选择加工机床、设计零件装夹方式、计算工序尺寸和规定切削用量等。应用数控机床加工时，大体也要经历这些步骤，这时的工作流程可以简略地用图4-17表示。 图中数控编程的内容与步骤如下： (1) 分析零件图样，进行工艺处理。 (2) 数学处理。 (3) 编写零件加工程序。 (4) 控制介质及输入程序。 (5) 程序校核及试切。 2．数控编程的方法　1) 手工编程　手工编程从分析零件、制定工艺规程、计算刀具运动轨迹、编写零件加工程序单、制作控制介质直到程序校核，整个过程都是由人工完成的。数控加工程序应按固定的格式编写，一般按下列顺序书写，即N××× G×× X Y Z R F××× S×× T×× M×× CR。 其中N×××为程序号； G××为准备功能，用地址G后面的2位数值代码来表示一个指令方式的准备功能地址，如G41表示刀具偏左；X、Y、Z表示要移动的轴，字母后注有方向(可省略)及移动量，单位为mm； R及其后数值为圆弧插补参数； F×××为刀具每分钟进给量，如F1为1mm/min； S、T、M为主轴功能、刀具功能和辅助功能，用S和其后的数值表示主轴每分钟的转速，刀具功能是由T后的两位数字表示的，至于哪个代码对应于什么刀具，则由机床厂家来决定，地址M后指定的两位数用于送出BCD两位代码信号和脉冲选通信号， 以便控制机床的开/关，如M02表示主程序结束，M03表示主轴启动；CR表示程序段结束，一般用分号“；”表示。例如在数控镗床上钻一个如图4-18所示的孔的程序为 N001 G81 X－70 F600 T01； N002 Z174 R148 F110 S880； N003 G80 X0 Y0； N004 M02； 2) 自动编程　由于手工编程既烦琐又枯燥，并影响和限制了NC机床的发展和应用，因而在NC机床出现不久，人们就开始了对自动编程方法的研究。自动编程就是指利用计算机编制数控加工程序，因而又称为计算机辅助编程。 自动编程具有编程速度快、周期短、质量高、使用方便等一系列优点，与手工编程相比，可提高编程效率数倍乃至数十倍。零件越是复杂，自动编程的技术经济效果越是显著，特别是它能编制用手工编程无法完成的程序。自动编程根据编程信息输入与计算机对信息处理方式的不同，主要有如下三种： (1) 数控语言自动编程。数控语言自动编程就是利用计算机以专门的数控编程语言编写零件的源程序来实现自动编制零件数控加工程序。编程人员选用合适的数控语言来描述零件图样上的几何形状及刀具相对零件运动的轨迹、顺序和其他工艺参数等，所编制的程序称为零件的源程序。将编好的源程序全部输入给计算机进行处理，得到可以用于数控加工的NC指令。 (2) 计算机辅助图形自动编程。编程人员不需要懂任何数控编程语言，其工作主要是对零件图样进行工艺分析，确定构图方案后，利用自动编程软件本身的自动绘图功能，在CRT显示器上以人机对话的方式构建出零件几何图形，然后利用软件的CAM功能制作出NC加工程序。这种自动编程主要是以人机交互方式进行的，所以又称为图形交互式自动编程。 (3) CAD/CAM集成编程。在CAD/CAM集成环境中，数控加工程序的生成直接提取了CAD的零件信息和CAPP的工艺设计结果，自动生成刀位文件，经过后置处理，刀位文件转换成NC加工程序。集成环境下NC自动编程系统如图4-19所示。这种编程过程达到了很高的自动化水平，生成的NC程序可以人工由键盘输入数控系统，或通过串行通信线路传输至数控系统。 3．数控语言自动编程技术 1) 数控语言自动编程过程　数控加工程序编制过程如图4-20所示，可分为源程序编制和目标程序编制两个阶段。 (1) 源程序编制。源程序是使用专门的数控语言(如APT、FAPT、EXAPT、EAPT等)所指定的方式写出所需加工零件的形状、尺寸，加工该工件的刀具的动作，指定的切削条件， 机床的辅助功能等内容的程序。零件程序语言一般都是公开的，编程人员按照一定自动编程系统的说明书就能编写出零件源程序。若在计算机集成制造系统中，零件图可由计算机辅助设计输入，零件工艺过程可由计算机辅助工艺过程设计输入，则可自动编制用数控语言表示的源程序。 (2) 目标程序编制。零件源程序并不能被数控系统所识别，因此不能直接控制机床。零件源程序编好后，要输入给计算机，由编译程序(数控软件)翻译成机器语言，通过前置处理和后置处理，输出机床数控系统所需的加工程序，称之为目标程序或结果程序。目标程序是用国际标准化组织颁布的数控代码来编写的，通常所说的数控程序就是指目标程序。 　手工编程时，可直接编制目标程序，但工作量大，易出错。自动编程时，可以手工编制源程序，再通过计算机从源程序自动产生目标程序，这样做简单方便，工作量大为减小。 编译程序是针对加工对象事先编好存放在计算机中的系统软件，包括前置处理程序和后置处理程序两大模块，大多是用高级语言(FORTRAN)开发的。 前置处理程序对源程序中表示零件的几何信息、刀具运动轨迹语句等进行编译，得到刀具位置数据文件。由于这部分处理不涉及具体NC机床的指令形式和辅助功能，因此具有通用性；后置处理程序将刀具位置数据再编译成特定的机床数控指令，因为不同的机床功能不同，所以后置处理程序是不通用的。 由此可见，经过数控程序系统处理后输出的程序才是控制NC机床的零件加工程序。整个NC自动编程的过程如图4-20所示。从图4-20中可见，为实现自动编程，数控自动编程语言和数控程序系统是两个重要的组成部分。 2) 数控语言及源程序的编写 (1) APT语言系统的特点：用APT语言编写的零件源程序接近英语自然语言，具有和英语相类似的词汇，书写方法也类同英语习惯，容易为编程人员掌握；APT软件丰富，处理能力强，适用范围广，包括点位直线加工、两坐标曲线加工直至五坐标空间曲面加工等，有上千种后置处理程序； APT编程可靠性高，系统有很强的诊断功能，源程序错误可由计算机自行检查出来。 (2) 书写零件源程序的步骤 下面以铣削图4-21所示零件为例，说明应用APT语言编写零件源程序的书写格式和步骤。通过这个例子的分析，可以对数控语言自动编程有一个大致的了解。书写零件源程序的一般步骤如下。 ① 通过分析零件图样，明确待加工零件的特征以及加工要求。本例中待加工零件的特征是由直线构成。 ② 选择编程坐标系。选择编程坐标系要考虑编程方便，所有几何元素都必须在所选的坐标系中定义。 ③ 给需要定义的几何元素用不同的标识符命名并标在图上，例如图4-21中Ll、L2、L3、L4等表示直线。 ④ 选择公差、刀具以及起刀点和退刀点的位置并确定走刀路线。在书写刀具运动语句前应把工艺参数写在程序里，而且要位于切削运动语句的前面，本例中为CUTTER/10，TOLER/0.0，SPINDL/2000，CW，FEDRAT/2500。 ⑤ 依照一定的先后顺序，写出各几何元素的定义语句，如L1=LINE/P1，P2。注意几何元素的名字一定要在使用前预先定义，如P1=POINT/15，5；P2= POINT/4，40。 ⑥ 按加工路线逐段写出刀具运动语句。在运动语句中用到的几何元素名字、宏指令名字和加工方法名字等都应预先定义。在书写刀具运动语句时首先要写起刀点语句FROM/SETPT，按图4-22所示的走刀路线图，逐条写出刀具运动语句。 　⑦ 进行相应的后置处理并填入其他语句，如刀具回至起始点GOTO/SETPT语句，机床停止STOP语句，零件源程序结束FINI语句。　源程序写完后还要进行全面检查，注意格式是否正确，语句及其中的字是否有遗漏，确认无误后才能输入到计算机中进行处理。本例的源程序如下： 源程序 注释 PARTNO PLATE 初始化语句，说明加工工件号是PLATE MACHIN/UNI 后处理语句，说明机床控制系统的型号 SETPT=POINT/－10，－1 刀具起始点的坐标 P1=POINT/15，5 由坐标值X、Y定义P1等点的几何定义语句 P2=POINT/4，40 P3=POINT/76，40 P4=POINT/65，5 L1=LINE/P1，P2 过P1和P2点定义直线L1 L2=LINE/P2，P3 L3=LINE/P3，P4 L4=LINE/P4，P1 CUTTER/10 铣刀直径10 mm TOLER/0.01 加工容差0.01 mm SPINDL/2000，CW 主轴正传，转速2000 r/min FEDRAT/2500 进给量为2500 mm/min FROM/SETPT 定义刀具起始点 GO/TO，L1，TO，L4 刀具从起始点开始以最短距离走到与L1、L4相切为止 GOLFT/L1，PAST，L2 刀具到达L1时，相对前一运动的前进方向，向左沿L1运动直到走过L2为止 GORGT/L2，PAST，L3 GORGT/L3，PAST，L4 GORGT/L4，PAST，L1 GOTO/SETPT 刀具回到起始点 STOP 机床停止 FINI 零件源程序结束 从上述编程实例可以看出，源程序中包括以下三种语句：几何语句，表示零件几何形状的语句。它规定了定义点、线、圆、平面、圆柱、圆锥、球等几何体素的表达式。运动语句，描述刀具运动轨迹和顺序的语句。辅助语句，说明工艺参数、加工容差的语句。注意要先进行几何定义，然后编写刀具运动语句。 在几何定义过程中，如果要引用某几何元素，则此元素必须已事先定义好。 　　 4．图形交互自动编程技术 1) 编程原理利用CAD软件的图形编辑功能，将零件图绘制到计算机上，其几何形状数据储存在数据库中。然后调用数控编程模块，通过人机对话的方式选刀具、走刀路径以及工艺参数之后，计算机便可自动进行必要的数学处理并编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。 这种方法的优点是零件的几何数据已经在CAD中建立，省去了像APT自动编程时人工编写零件源程序这样的工作，避免了数据重复输入引起的错误。此外，零件能在各种角度下进行屏幕显示、放大，还可以显示刀具的运动轨迹，用剖切面来检查加工情况以便检查程序中的错误。采用交互式数控编程比用高级语言自动编程大大提高了数控编程的效率，对降低成本、缩短生产周期有明显效果。 2) 系统组成　目前，计算机辅助图形自动编程软件的种类很多，如日本的FAPT、荷兰的MITURN等系统。这些软件一般由用户界面、运行控制、数据库管理、几何造型、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀位验证、计算机图形显示及后置处理等部分组成，如图4-23所示。 计算机辅助图形自动编程系统中，数据库是整个模块的基础；用户界面提供给用户一个良好的运行环境；运行控制模块支持用户界面所有的输入方式到各功能模块之间的接口；几何造型完成零件几何图形的构建，并在计算机内自动形成零件图形的数据文件；计算机图形显示包括各种曲面的显示、NC加工特征单元的显示、刀具轨迹显示、加工过程动态仿真显示等； 刀具轨迹生成模块根据所选用的刀具及加工方式进行刀位计算，生成数控加工刀位轨迹；刀具轨迹编辑根据加工单元的约束条件，对刀具轨迹进行裁剪、编辑和修改；刀位验证用于检验刀具轨迹的正确性，也用于检验刀具是否与加工单元的约束面发生干涉和碰撞，检验刀具是否啃切加工表面；后置处理用于生成零件加工程序的G代码、进给速度、主轴转速等。 3) 编程步骤　使用计算机辅助图形自动编程软件不需要编制零件加工的源程序，用户界面友好，使用方便、直观。其编程步骤如下： (1) 零件图样及加工工艺分析。这是数控编程的基础，目前该项工作仍主要靠人进行，包括分析零件的加工部位，确定有关工件的装夹位置、工件坐标系、刀具尺寸、加工路线及加工工艺参数等。 (2) 几何造型采用交互图形技术在屏幕上设计零件，将所得的零件几何形状显示在屏幕上，由编程人员用标记的方法指定要加工的几何要素或表面。 (3) 刀具轨迹的形成。先定义刀具的初始位置(对刀点)，然后选择某种走刀路线，系统就能自动确定刀具的加工轨迹，并在屏幕上动态显示；若有错误，可随时修改。最后得到刀位数据文件或APT程序。 (4) 生成NC代码。编程人员根据具体数控机床指令代码及程序的格式，先编辑好后置处理文件，则上述刀位文件或APT程序经后置处理器就可生成数控机床控制器所需的代码。代码可存在磁带或磁盘上，提供给有读带装置或有磁盘驱动器的机床控制系统使用。对于有标准通用接口的机床控制系统，可以和计算机直接联机，由计算机将代码程序直接送给机床控制系统。 　　 5．数控加工仿真　1) 数控加工仿真内容 　(1) 刀位仿真。这种仿真可在后置处理前进行，主要用于检查工艺过程中加工顺序的合理安排、刀具行程路径的优化、刀具与被加工工件轮廓的干涉，例如铣削时，刀具半径应小于被切轮廓的最大曲率等。这种仿真一般可采用二维动画显示，刀位仿真技术比较成熟而有效，应用普遍。 　　 (2)刀具、夹具、机床、工件间的干涉及碰撞仿真。干涉是指两个元件在相对运动时，一个元件的运动空间受到另一个的影响。碰撞是指两个元件在相对运动时，由于运动空间有干涉而产生碰撞，这种碰撞会造成刀具、工件、机床、夹具等的损坏，是绝对不允许的。 工艺系统由刀具、机床、工件和夹具组成，在加工中心上加工，有换刀和转位等运动，因此在加工时，应检查它们之间的干涉。由于加工是一个动态过程，刀具与工件、夹具、机床之间的相对位置是变化的，工件从毛坯开始经过若干工序的加工，在形状和尺寸上均有变化，因此要进行动态仿真。动态仿真多采用三维实体几何模型仿真，并且要在工 艺系统各组成部分均已确定的情况下进行，难度较大。 2) 数控加工仿真系统数控加工仿真系统应能检查NC程序中的各种编制错误，包括程序结构检查、语法检查和词法检查。另外，还应利用CAD的图形软件对零件、刀具、夹具及部分加工机床进行图形描述，按照NC程序的顺序进行动态模拟， 实际加工过程在计算机屏幕上显示出来，检查因NC程序的编制错误而导致加工过程中的过切、欠切现象以及刀具与夹具的碰撞、刀具与工件的干涉等错误。因此，数控加工仿真系统的功能模块应有如下7种。　(1) 几何建模：描述零件、机床(包括工作台或转台、托盘、换刀机械手等)、夹具、刀具等所组成的工艺系统实体。 　 (2) 运动建模：描述加工运动及辅助运动，包括直线、回转及其他运动。 (3) 数控程序翻译：仿真系统读入数控程序，进行语法分析，翻译成内部数据结构，驱动仿真机床进行加工过程仿真。 (4) 碰撞干涉检查：检查刀具与被切工件轮廓的干涉，刀具、夹具、机床、工件之间的运动碰撞等。 (5) 材料切除：考虑工件由毛坯成为零件的过程中形状、尺寸的变化。 (6) 加工动画：进行二维或三维实体动画仿真显示。 (7) 加工过程仿真结果输出：输出仿真结果，进行分析。 4.3.4 CAD/CAM集成技术　1. CAD/CAM集成的必要性 　集成化是CAD/CAM技术发展的一个最为显著的趋势。它是指把CAD、CAE、CAPP、CAM以至PPC(生产计划与控制)等各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行(见图4-24)。 2. CAD/CAM系统的组成　如图4-25所示，CAD/CAM系统基本上是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件系统包括计算机和外围设备和网络设备；软件系统包括系统软件、应用软件(基础软件)和专业软件。系统软件主要包括操作系统、程序设计语言处理系统、数据库管理系统和网络系统。 应用软件主要包括数据库分析处理软件、几何造型系统软件、图形处理软件和有限元分析计算软件等。专业软件则是指针对不同应用领域而开发的CAD/CAM软件产品。 3. CAD/CAM系统的基本功能 CAD/CAM系统的基本功能包括： (1)交互图形输入及输出功能； (2)几何建模功能，包括线框建模、表面建模和实体建模； (3)物性计算及工程分析功能； (4)处理数控加工信息的功能； (5)数据管理功能。 CAD/CAM系统基本采用人机交互的工作方式。 4．CAD/CAM的软硬件支撑环境　1) CAD/CAM系统中计算机的配置　根据系统中采用的计算机类型，CAD/CAM系统一般分为4种类型：大型计算机CAD/CAMM系统、小型计算机CAD/CAM系统、工程工作站CAD/CAM系统及微机CAD/CAM系统。值得注意的是，随着计算机网络技术的发展，现在的CAD/CAM系统基本上都采用不同功能的多种计 算机联网工作，这种系统将是CAD/CAM系统硬件配置的发展方向，它具有许多优点。 (1) 大型计算机。 大型机的计算速度非常快，一般都为每秒亿次以上；其内存容量大，一般都超过1 G。这类计算机主要用于大型企业的CAD/CAM系统，或作为工作站的服务器使用。 (2) 中型机。中型机的运算速度现在也基本达到每秒亿次以上，并具有向量运算功能，其售价一般为20万美元至近百万美元，其性能价格比较高，因此，近年来发展很快。在CAD/CAM系统中，它可用来代替大型机。 (3) 小型机。小型机的性能一般比中型机低(指运算速度和内存容量)。20世纪70年代末和80年代初的CAD/CAM系统基本上都采用这种机型。 (4) 工程工作站。所谓工作站，是以个人计算机环境和分布式网络环境为前提的高性能计算机。通过网络连接包括工作站在内的各种计算机，它们之间相互进行信息传送，共享资源和信息，平衡负载。现在提供的各种工作站都具有良好的网络环境，即提供了面向网络的接口等。所谓高性能计算机，即工作站提供的计算能力至少不低于过去小型机的计算能力。 在用于图形处理的工作站中，还提供了快速处理图形的能力，如几何图形发生器。为此，现在广泛地把工作站作为CAD/CAM系统中的计算机。　(5) 微机。微机对使用环境要求不高，价格低廉，目前其应用已越来越普遍，随着性能的不断提高和网络技术的发展，它在CAD/CAM系统中的应用将成为主流。 2) CAD/CAM系统对计算机的要求　一般来讲，由于CAD/CAM系统处理的对象不同，因而对计算机的要求也有一些差别，但应满足以下一些基本要求：　(1) 计算速度。一个CAD/CAM系统在作业过程中，既要进行各种数值计算，还要有较强的图形处理能力；在图形处理过程中不仅计算量大，而且还要求较高的计算精度。因此，CAD/CAM系统中的计算机应具有高速数值计算和图形处理能力。 (2) 存储功能。在CAD/CAM作业过程中，首先要把设计对象的几何信息和拓扑信息存入计算机内，并要对这些信息进行实时处理。另外，在进行复杂的三维形体的有限元分析时，由于形体的形状复杂，而计算精度又很高，这时需要对有限元网格细化，这对存储空间的要求很高。因此无论是图形信息存储，还是有限元分析信息的存储，都要有很大的存储空间。 为此，一个CAD/CAM系统必须具有较大的内存和硬盘空间。 (3) 输入输出功能。在CAD/CAM作业过程中，首先要把有关的设计信息(如几何、拓扑等)和各种命令输入到计算机中，经过各种处理，当获得满意的设计结果时，可根据设计要求采用合适的方法输出设计结果。为此，要求CAD/CAM系统应具有合适的输入输出功能。 3) CAD/CAM系统专用软件简介常用的国外CAD/CAM系统专用软件有以下几种： (1)Unigraphics(UG)。UG是Unigraphics Solutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供了一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。 (2) Pro/Engineer。Pro/Engineer系统是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation，PTC)的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。 利用该概念开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。Pro/Engineer包含70多个专用功能模块，如特征造型、产品数据管理(PDM)、有限元分析、装配等，被称为新一代的CAD/CAM系统。 (3) AutoCAD及MDT。AutoCAD是Autodesk公司的主导产品。Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。目前在CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，也是全球规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及Web网的数据开发等重大领域。 (4) I-DEAS。I-DEAS是美国机械软件行业先驱SDRC公司的产品，它集产品设计、工程分析、数控加工、塑料模具仿真分析、样机测试及产品数据管理于一体，是高度集成的CAD/CAE/CAM一体化工具，在国内也有不少用户。近年推出的Master系列在变量几何参数化功能及技术上有新的突破。 (5) SolidWorks。SolidWorks是生信国际有限公司推出的基于Windows的机械设计软件。生信公司是一家专业化的信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际CAD/CAE/CAM/PDM市场同步。该公司提倡的“基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统”是以Windows为平台， 以SolidWorks为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。　SolidWorks是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站版相应软件价格的1/4～1/5向广大机械设计人员提供用户界面更友好、运行环境更大众化的实体造型 实用功能。 (6)SolidEdge。SolidEdge是真正的Windows软件。它不是将工作站软件生硬地搬到Windows平台上，而是充分利用Windows基于组件对象模型(COM)的先进技术重写了代码。SolidEdge与Microsoft Office兼容，与Windows的OLE技术兼容，这使得设计师们在使用CAD系统时能够进行Windows文字处理、电子报表、数据库操作等。 　SolidEdge具有友好的用户界面，它采用一种称为SmartRibbon的界面技术，用户只要按下一个命令按钮， 就可以在SmartRibbon上看到该命令的具体内容和详细的步骤，同时在状态条上提示用户下一步该做什么。 (7) Cimatron。Cimatron CAD/CAM系统是以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。 该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型和工程绘图功能，全面的数控加工技术，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理系统。 常见的国内CAD/CAM系统专用软件主要有：　(1) CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师软件。 CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软件有限公司(原北京航空航天大学华正软件研究所)。该公司是从事CAD/CAE/CAM软件与工程服务的专业化公司。CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场 合，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。 (2) 开目CAD。开目CAD是华中理工大学机械学院开发的具有自主知识版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。 开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化功能，能够处理设计中的过约束和欠约束情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。 4.4 柔性制造系统 4.4.1 柔性制造系统概述　1．FMS的产生和发展　柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)是为解决多品种、中小批量生产中生产效率低、周期长、成本高及质量差等问题而出现的。它是集数控技术、计算机技术、机器人技术及现代生产管理技术为一体的现代制造技术。 随着社会经济的发展和科技水平的提高，柔性自动化制造技术得到了迅速的发展。图4-27为典型的柔性制造系统。 2．FMS的组成　如图4-28所示，从CIMS递阶结构来看，FMS包括了其中的底三层(制造自动化)，即单元层、工作站层和设备层，通常将其称为CIMS的制造单元。由于FMS强调制造过程的柔性和高效率，因而适应于多品种、中小批量的生产。FMS的主要硬件设备有：计算机、数控机床、机器人、托盘、传输线、自动搬运小车和自动立体仓库等。 它实现了工厂中工程设计、制造和经营管理三大功能中的“制造功能"。因此，以FMS为代表的制造单元在CIMS中起着十分重要的作用。 1) 加工系统　加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动更换工件和刀具，通常由若干台对工件进行加工的CNC机床和所使用的刀具构成。 以加工箱体类工件为主的FMS配备数控加工中心(有时也有CNC铣床)；以加工回转体工件为主的FMS多数配备CNC车削中心和CNC车床(有时也有CNC磨床)；能混合加工箱体类工件和回转体工件的FMS既配备有CNC加工中心，也配备CNC车削中心和CNC车床；专门工件加工如齿轮加工的FMS除配备CNC车床外还配备CNC齿轮加工机床。 2) 物流系统　在FMS中，工件、工具流统称为物流，物流系统即物料储运系统，是柔性制造系统的一个重要组成部分。一个工件从毛坯到成品的整个生产过程中，只有相当小的一部分时间在机床上进行切削加工，大部分时间都消耗于物料的储运过程中。合理地选择FMS的物料储运系统，可以大大减少物料的运送时间，提高整个制造系统的柔性和效率。 3) 信息系统 信息系统包括过程控制及过程监控两个系统，其功能分别为：过程控制系统进行加工系统及物流系统的自动控制；过程监控系统进行在线状态数据自动采集和处理。信息系统的核心是一个分布式数据库管理和控制系统，整个系统采用分级控制结构，即FMS中的信息由多级计算机进行处理和控制， 其主要任务是组织和指挥制造流程，并对制造流程进行控制和监视；向FMS的加工系统、物流系统(存储系统、输送系统及操作系统)提供全部控制信息并进行过程监视，反馈各种在线检测数据，以便修正信息，保证安全运行。制造单元的运行受到单元及其环境间信息流的控制，称之为生产信息单元(PIC)，如图4-29所示。 生产信息单元的核心为数据评价及组织过程，其具体实施过程如下：　(1) 指导车间进行诸如加工、装配、刀具更换、工件的装卸等工作。 　(2) 接受有关车间活动诸如设备运行、工件(产品)测量(检验和试验)等信息。 (3) 定期对监控器提供车间的各种活动或在特殊基础上作为部分单元级的信息(决策算法)、适当的数据结构(本地存储器)和对话设施以支持车间级的决策制定。 (4) 实现信息变换操作(汇编和反汇编，翻译)以与其它同一层次的(水平流动)或更高层次的(垂直流动)单元互相通信。 4.4.2 加工系统 1．加工系统的配置与要求　目前金属切削FMS的加工对象主要有两类：棱柱体类(包括箱体、平板形)工件和回转体类(长轴形、盘套形)工件。对加工系统而言，通常用于加工棱柱体类工件的FMS由立、卧式加工中心，数控组合机床(数控专用机床、可换主轴箱机床、模块化多动力头数控机床等)和托盘交换器等构成； 用于加工回转体类工件的FMS由数控车床、车削中心、数控组合机床和上下料机械手或机器人及棒料输送装置等构成。 棱柱体类工件的加工时间较长，且工艺复杂，为实现夜间无人值守自动加工，加工棱柱体类工件的FMS首先得到了发展。小型FMS加工系统多由4～6台机床构成，这些数控加工设备在FMS中的配置有互替形式(并联)、互补形式(串联)和混合形式(并串联)三种。 应该说明，这些配置方式主要取决于机床功能、FMS的物料流和信息流，而并非取决于加工设备的物理布局。 在选用时应考虑以下因素： (1) 工序集中。 (2) 控制功能强、扩展性好。 (3) 高刚度、高精度、高速度。 (4) 使用经济性好。 (5) 操作性、可靠性、维修性好。 (6) 自保护性、自维护性好。 (7) 对环境的适应性与保护性好。 (8) 其他。 2．加工系统中常用加工设备介绍　加工系统中常用的加工设备有加工中心和数控组合机床。加工中心前面已作介绍，这里不再赘述。数控组合机床(见图4-30)是指数控专用机床、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。这类机床是介于加工中心和组合机床之间的中间机型，兼有加工中心的柔性和组合机床的高生产率等特点，适用于中大批量制造的柔性生 产线(FML或FTL)。 这类机床可根据加工工件的需求，自动或手动更换装在主轴驱动单元上的单轴、多轴或多轴头，或更换具有驱动单元的主轴头本身。 4.4.3 物流系统 1． 物流系统的组成物流系统一般由三个部分组成： (1) 输送系统，建立各加工设备之间的自动化联系。 (2) 储存系统，具有自动存取机能，用以调节加工节拍的差异。 (3) 操作系统，建立加工系统同物流系统和储存系统之间的自动化联系。 2. 物流系统的输送装置　FMS物流系统对输送装置的要求是： 　(1) 通用性，能适合一定范围内不同输送对象的要求，与物料存储装置、缓冲站和加工设备等的关联性好，物料交接的可控制性和匹配性(如形状、尺寸、重量和姿势等)好。　(2) 变更性，能快速、经济地变更运行轨迹，尽量增大系统的柔性。 (3) 扩展性，能方便地根据系统规模扩大输送范围和输送量。 (4) 灵活性，接受系统的指令，根据实际加工情况完成不同路径、不同节拍、不同数量的输送工作。 (5) 可靠性，平均无故障时间长。 (6) 安全性，定位精度高，定位速度快。 FMS中常见的输送装置及其分类介绍如下。　1) 输送带　输送带(见图4-31)结构简单，输送量大，多为单向运行，受刚性生产线的影响，在早期的FMS中用得较多。输送带分为动力型和无动力型；从结构方式上有辊式、链式、带式之分；从空间位置和输送物料的方式上又有台式和悬挂式之分。 用于FMS中的输送带通常采用有动力型的电力驱动方式，电动机经减速后带动输送带运行。利用输送带输送物料的物流系统柔性差，一旦某一环节出现故障，会影响整个系统的工作，因而除输送量较大的FML或FTL外，目前已很少使用。 2) 自动小车　自动小车分为有轨和无轨两种。所谓有轨，是指有地面或空间的机械式导向轨道。地面有轨小车结构牢固，承载力大，造价低廉，技术成熟，可靠性好，定位精度高。地面有轨小车多采用直线或环线双向运行，广泛应用于中小规模的箱体类工件FMS中。高架有轨小车(空间导轨)相对于地面有轨小车， 车间利用率高，结构紧凑，速度高，有利于把人和输送装置的活动范围分开，安全性好，但承载力小。高架有轨小车较多地用于回转体工件或刀具的输送，以及有人工介入的工件安装和产品装配的输送系统中。有轨小车由于需要机械式导轨，因而其系统的变更性、扩展性和灵活性不够理想。有轨小车如图4-32所示。 无轨小车是一种利用微机控制的，能按照一定的程序自动沿规定的引导路径行驶，并具有停车选择装置、安全保护装置以及各种移载装置的输送小车。因为没有固定式机械轨道，故相对于有轨小车被称为无轨小车，也叫做自动导引小车(Automatic Guided Vehicle，AGV)，见图4-33。 无轨小车由于其控制性能好，使FMS很容易按其需要改变作业计划，灵活地调度小车运行；没有机械轨道，可方便地重新布置或扩大预定运行路径和运行范围以及增减运行的车辆数量，有极好的柔性，因而在各种FMS中得到广泛应用。无轨小车按引导方式和控制方法分类见表4-3。 有径引导方式是指在地面上铺设导线、磁带或反光带制定小车的路径，小车通过电磁信号或光信号检测出自己所在的位置，通过自动修正从而保证沿指定路径行驶。　无径引导自主导向方式中，地图导向方式是指在无轨小车的计算机中预存距离表(地图)，通过与测距法所得的方位信息比较，小车自动算出从某一参考点出发到目的点的行驶方向。 这种引导方式非常灵活，但精度低。惯性导向方式是指在无轨小车中装设陀螺仪，用陀螺仪所测得的小车加速度值来修正行驶方向。无径引导地面援助方式利用超声波、激光、无线电遥控等方式，依靠地面预设的参考点或通过地面指挥来修正小车的路径。 电磁引导电缆导向方式最早在无轨小车上实用化，其原理如图4-34所示，即在小车预定路径的地面上埋设引导电缆，让电缆中流过5～10 kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈，检测磁场的强弱并转换成电压信号。当小车偏向路径右方时，右方的感应信号减弱，左方的感应信号增强，小车的控制器根据这些信号的强弱， 判断与指定路径的偏离方向并随时修正，保证小车沿着预定的路径行驶。引导电缆被划分为若干段，小车调度系统采用分段控制的方法，随时根据每个小车反馈回的位置信号修正控制指令，保证每段路径上只有一台小车运行，以防止小车运行中相互距离过近而出现事故。这种方式要在地面开数厘米深的沟，路径的变动仍不方便，而且，由于建筑 物强度等方面的限制，故不能在多层工厂的楼层上面使用。 光学引导方式的原理如图4-35所示。沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带(铝带或尼龙带)，小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。反光带有连续粘贴和断续粘贴两种方法，FMS中常采用连续粘贴法。 光学引导方式中改变小车的预定路径很方便，只要重新粘贴反光带即可；但反光带易污染和破损，不适合油雾重、粉尘多、环境不好的车间。光学引导方式因本身不具有能量，故被称为无源引导方式。 无径引导方式中的激光灯台方式示意图如图4-36所示。在无轨小车的顶部装有一个可沿360°方向按一定频率发射激光的装置，同时在小车运行范围的四周一些固定位置上放置反射镜片。当无轨小车运行时，不断接收到从三个已知位置反射来的激光束，经过运算后，确定小车的位置，从而实现导航引导。生产中实际使用的无轨小车目前基本上都采用有径引导方式，无径引导方式在FMS中 的应用尚处于实验研究阶段。图4-37是无轨小车的实用例子。 3．物流系统的物料装卸与交换装置　物流系统中的物料装卸与交换装置负责FMS中物料在不同设备之间或不同工位之间的交换或装卸。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。有些交换装置已包含在相应的设备或装置之中。这里仅以自动小车为例介绍FMS中常见的物料交换方法。 常见的自动小车装卸方式可分为被动装卸和主动装卸两种。被动装卸方式的小车自己不具有完整的装卸功能，而采用助卸方式，即配合装卸站或接收物料方的装卸装置自动装卸。常见的助卸装置有滚柱式台面和升降式台面。这类小车成本较低，常用于装卸位置少的系统。 主动装卸方式是指自动小车自己具有装卸功能。常见的主动装卸方式有单面推拉式、双面推拉式、叉车式、机器人式。主动装卸方式常用于车少、装卸工位多的系统。其中采用机器人式主动装卸方式的自动小车相当于一个有脚的机器人，也叫行走式机器人。机器人式主动装卸方式常用于无轨小车或高架有轨小车中，由此构成的行走式机器人灵活性好， 适用范围广，被认为是一种很有发展前途的输送、交换复合装置。行走式机器人目前在轻型工件、回转体工件以及刀具的输送、交换方面应用较多。 4．物流系统的物料存储装置　由于FMS的物料存储装置有下列要求：其自动化机构与整个系统中的物料流动过程可衔接；存放物料的尺寸、重量、数量和姿势与系统匹配；物料的自动识别、检索方法和计算机控制方法与系统兼容；放置方位、占地面积、高度与车间布局协调等，因而真正适用于FMS的物料存储装置并不多。目前用于FMS的物料存储装置基本上有以下四种(见图4-38)： (1) 立体仓库，即在计算机控制和管理下，采用堆垛机等自动存取物料的高层料架。 (2) 水平回转式自动料架。 (3) 垂直回转式自动料架。 (4) 缓冲料架。 立体仓库也称为自动化仓库系统(Automated Storage and Retrieva1 System，AS/RS)，由库房、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。立体仓库自动化程度高；料位额定存放重量大，常为1～3吨，大的可到几十吨；料位空间尺寸大；料位总数量没有严格的限制，可根据实际需求扩展； 占地面积小，因此在FMS中得到了广泛应用。自动仓库管理系统具有两大功能：其一是处理物料从入库到存放于高层料架或由高层料架出库和再入库需要的关于搬运的必要信息，对输送机、堆垛机等机械进行控制，并对其动作过程进行监控；其二是处理随出库/入库作业的管理信息，处理以料架文件为中心的库存管理信息。 5．物流系统的监控　物流系统的监控主要完成以下功能：　(1) 采集物流系统的状态数据，包括物流系统各设备控制器和各监测传感器传回的目前任务完成情况、当前运行状况等状态数据。　(2) 监视物流系统状态，对收到的数据进行分类、整理，在计算机屏幕上用图形显示物料流动状态和各设备工作状态。 (3) 处理异常情况，检查判别物流系统状态数据中的不正常信息，根据不同情况提出处理方案。 (4) 人机交互，供操作人员查询当前系统状态数据(毛坯数、产品数、在制品数、设备状态、生产状况等)，人工干预系统的运行，以处理异常情况。 　(5) 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。物流系统的监控与管理一般有集中式和分布式两种方案。集中式方案由一台主控计算机完成物流系统的监控与管理功能，存储所有物料信息及物流设备信息，并分别向物流系统的所有设备发送指令。集中式方案有结构简单、便于集成等优点，但不易扩展，且一旦局部发生故障将严重影响整体运行。 分布式方案将物流系统划分为若干功能单元或子系统，每一功能单元独立监控几台设备，单元之间相互平等和独立，每一单元都可以向另一单元申请服务，同时也可以接受其他单元的申请并为之服务。分布式方案的优点是扩展性好，可方便地增加新的单元，当某一单元发生故障时，不会影响其他单元的正常运行；缺点是网络传输的数据量大，单元软件设计及相互协调比较复杂。 4.4.4 FMS的刀具管理系统　1．刀具运储系统的组成及其作业过程　一个典型的FMS刀具运储系统通常由刀具顶调站、刀具装卸站、刀库系统、刀具运载交换装置以及计算机控制管理系统组成。刀具顶调站一般设置在FMS之外，对FMS所使用的刀具按给定要求预先进行装配调整。刀具装卸站是刀具进出FMS的门户，其结构多为框架式，是一种专用的刀具排架。 FMS的刀库系统包括机床刀库和中央刀具。机床刀库中存放加工单元当前所需要的刀具；而中央刀库中存放供各个加工单元共享的刀具，其容量较大，可容纳数百把甚至数千把各种刀具。刀具运载交换装置是一种在刀具装卸站、中央刀库、各机床刀具库之间进行刀具传递和交换的工具。 FMS刀具运储系统的主要职能是负责刀具的运输、存储和管理，适时地向加工单元提供所需的刀具，监控管理刀具的使用，及时取走已报废或刀具寿命已耗尽的刀具，在保证正常生产的同时，最大程度地降低刀具成本。刀具系统的功能和柔性度直接影响到整个FMS的柔性和生产率。 2．刀具运载交换装置　FMS中的刀具运载通常由换刀机器人或刀具运输小车来实现。它们负责完成在刀具装卸站、中央刀库以及各加工单元(机床)之间进行刀具的搬运和交换。图4-39所示为刀具运载小车。 FMS刀具运载工具如同工件运载工具一样也有多种形式，常见的有换刀机器人、刀具运载小车(ACV)等。换刀机器人可采用地轨形式或高架导轨形式。图4-40所示为高架导轨式换刀机器人，它由纵向行走的栈梁、横向移动的滑台、垂直升降体、手臂旋转关节和手爪等部分组成。 高架导轨式机器人一般平行于加工机体和中央刀库布置，以便机器人在刀具装卸站、各加工机床与中央刀库之间自由运送刀具和交换刀具。高架导轨式换刀机器人具有空间利用率高、结构紧凑等特点。 3．刀具的监控与刀具信息管理　在FMS中，有众多的刀具参与工作，各个刀具始终处于动态的变化过程中，因此刀具信息管理就变得十分必要和复杂。FMS刀具信息管理包括刀具的输送、交换和监控，以及刀具信息的录入、存储、跟踪、查询和刀具准备计划等内容。 刀具监控的目的主要是为了及时了解每时每刻的在线刀具因磨损、破损而发生的性质变化。刀具磨损、破损监测方法有直接法和间接法两大类。 目前，FMS主要还是通过跟踪刀具寿命来实现刀具监控管理的。所谓刀具寿命，是指刀具在正常情况下其磨损量达到刀具磨钝标准为止的总切削时间。 刀具寿命值可以通过理论计算或实际试验获得，将其记录在各个在线刀具文件中，通过计算机监控管理系统记录、统计各在线刀具实际的工作时间。当某刀具工作累计时间达到刀具寿命值时，系统将及时通知管理员更换刀具。 4.4.5 FMS的控制与管理系统从对FMS组成的分析可得，FMS包括工件流、 刀具流和信息流，而前两种又可合并成为物料流。物料流在FMS设计中占据很重要的位置，要保证机床的最大利用率，必须有适当、灵活的物流系统，它包括工件、夹具、刀具、托盘等在系统中的传送。要保证FMS的各种设备装置与物流系统能自动协调工作，并具有充分的柔性，能迅速响应系统内外部的变化，及时调整系统的运行 状态，关键就是要准确地规划信息流，使各个子系统之间的信息有效、合理地流动，从而保证系统的计划、管理、控制和监视功能有条不紊地运行。 (1) 计划层。该层属于工厂一级，实现产品设计、工艺设计、生产计划、库存管理等功能，它规划的时间范围(指任何控制级完成任务的时间长度)可从几个月到几年。 (2) 管理层。该层属于车间或系统管理级，实现作业计划、工具管理、在制品及毛坯管理、工艺系统分析等功能，其规划时间从几周到几个月。 (3) 单元层。该层属于系统控制级，担负分布式数控、输送系统与加工系统的协调，工况和机床数据采集等任务。其规划时间可从几小时到几周。 (4) 控制层。该层属于设备控制级，实现机床数控、机器人控制、运输和仓库控制等功能，规划时间范围可从几分钟到几小时。 (5) 执行层。执行层通过伺服系统执行控制指令而产生机械运动，或通过传感器采集数据和监控工况等，其规划时间范围可以从几毫秒到几分钟。该信息模型就数据量而言，从上到下的需求是逐级减少的；但就数据传送要求而言，则从以分钟计逐级缩短到以毫秒计。 4.4.6 FMS的应用情况和发展前景　　FMS是为适应中小批量生产的自动化而发展起来的，在国外已发展为一种成熟的加工设备。据联合国有关组织统计，1985年全世界拥有FMS共350余条，1990年已达到1500余条，其主要分布在日本、美国、俄罗斯、德国、英国等工业发达国家。 美、日一条FMS加工的零件品种一般在7种以上，最多达150种，多用于大企业；德国的FMS加工零件品种多数可达50～250种，是世界上柔性最强的系统，大部分用于中型企业；俄国的FMS多是在西方技术的基础上改进的。成功的FMS可获得可观的经济效益，大大缩短新产品开发的周期。 例如，使用FMS可使汽车换代周期由原来的15年缩短到5年甚至更短；可减少编制工艺的工作量，节省50%以上的劳动力；设备利用率也可提高50%～100%，生产场地可减小50%以上，且可降低成本60%。 在国内市场激烈竞争和经济快速发展的形势下，我国加快了先进制造技术的发展。 目前我国已有15条左右的FMS，一般由数控机床或加工中心、AGV有轨搬运车或机器人、刀库或毛坯库等组成，分别加工机床箱体、压缩机壳体、减速器机座、控制箱体和轴类零件，使我国机械制造业迈入柔性制造系统年代。通过实践，人们认识到必须依靠计算机技术，提高加工系统的柔性和控制水平，在研究发展CAD/CAPP/CAM技术、 网络技术、集成技术等的基础上开发计算机集成制造系统，这是先进制造技术发展的必然趋势。 4.5 计算机集成制造系统 4.5.1 概述　　计算机集成制造的概念是1974年首先由约瑟夫·哈林顿(Joseph Harrington)博士在《计算机集成制造》一书中提出的，他的基本观点是： 企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一考虑—“系统的观点”；整个制造过程实质上是对信息的采集、传递、加工处理的过程—“信息化的观点”。 “CIMS是一种基于CIM哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成优化的制造系统。”CIM是一种组织、管理与运行企业的生产哲理，其宗旨是使企业的产品高质量、 低成本、上市快、服务好、环境清洁，使企业提高柔性、健壮性、敏捷性以适应市场变化，进而使企业赢得竞争。企业生产的各个环节，即市场分析、经营决策、管理、产品设计、工艺规则、加工制造、销售、售后服务、产品报废等全部活动过程是一个不可分割的有机整体，要从系统的观点进行协调，进而实现全局的集成优化。 其集成优化的模式按照信息集成优化、过程集成优化及企业间集成优化三个阶段发展。 企业生产过程的要素包括人/组织、技术及经营管理。其中，尤其要继续重视发挥人在现代企业生产中的主导作用，进而实现各要素间的集成优化。 现在CIMS还没有确切的定义，但有几点是公认的：CIMS将制造企业的全部经营活动， 即从市场分析、产品设计、生产规划、制造、质量保证、经营管理至售后服务等，通过数据驱动形成一个有机的整体，使企业内部各种活动互相协调地进行。CIMS不是各种自动化系统的简单叠加，而是通过计算机网络和数据管理技术实现各单元技术的集成。CIMS能有效地实现柔性生产。因此，数据驱动、集成、柔性是CIMS的三大特征。如图4-42所示， CIMS中人/机构、经营管理和技术三要素之间相互作用、相互制约，构成企业内如下4类集成： (1) 经营管理与技术的集成，利用计算机技术、自动化技术、制造技术以及信息技术等各种工程技术，支持企业达到预期的经营目标。 (2) 人/机构与技术的集成，利用各种工程技术支持企业中各类人员的工作，使之互相配合，协调一致，发挥最大的工作效率。 (3) 人/机构组织与经营管理的集成，通过人员素质的提高和组织机构的改进来支持企业的经营和管理。 (4) CIMS三要素的综合集成，使企业达到整体优化。 4.5.2 CIMS的组成及其功能从系统功能的角度考虑，一般认为CIMS可由管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证系统四个功能分系统 以及计算机通信网络和数据库两个支撑分系统组成，如图4-43所示。 然而这并不意味着任何一个企业在实施CIMS时必须同时实现这六个分系统。由于每个企业原有的基础不同，各自所处的环境不同，因此应根据企业具体的需求和条件，在CIMS思想指导下进行局部实施或分步实施。各个分系统的功能分述如下。 1．管理信息系统　管理信息系统通常以MRPⅡ为核心，从制造资源出发，考虑了企业进行经营决策的战略层、中短期生产计划编排的战术层以及车间作业计划与生产活动控制的操作层，它包括预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、工具、人力资源等各项管理信息功能。 它是以经营生产计划、主生产计划、物料需求计划、能力需求计划、车间作业计划以及车间调度与控制为主体形成闭环的一体化生产经营与管理信息系统，是CIMS的神经中枢，指挥与控制着其他各个部分有条不紊地工作。它把企业内的各个管理环节有机地结合起来，各个功能模块可在统一的数据环境下工作，以实现管理信息的集成， 从而达到缩短产品生产周期、减少库存、降低流动资金、提高企业应变能力的目的。 2．工程设计自动化系统　工程设计自动化系统实质上是指在产品开发过程中引入计算机技术，使产品开发活动更高效、更优质、更自动地进行。产品开发活动包含产品的概念设计、工程与结构分析、详细设计、工艺设计以及数控编程等设计和制造准备阶段的一系列工作，即通常所 说的CAD、CAPP、CAM三大部分。 CAD系统应该包括产品结构的设计、定型产品的变型设计以及模块化结构的产品设计，通常应具有计算机绘图、有限元分析、产品造型、图像分析处理、优化设计与仿真、物料清单的生成等功能。 CAPP系统是按照设计要求进行决策和规划，将原材料加工成产品所需要的一系列加工活动和资源的描述。CAPP系统可进行毛坯设计、加工方法选择、工艺路线制定以及工时定额计算等工作，同时还具有加工余量分配、切削用量选择、工序图生成以及机床、刀具和夹具的选择等功能。　CAM系统通常完成刀具路径的确定、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等工作。 3．制造自动化系统　制造自动化系统是CIMS的信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地，通常由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布式控制计算机等设备及相应支持软件组成。制造自动化系统在计算机控制和调度下，按照NC代码将一个毛坯加工成合格的零件， 再装配成部件以至产品，并将制造现场的各种信息实时地或经过相应处理后反馈到相应的部门，以便及时进行调度和控制。　制造自动化系统的目的可归纳为：①实现多品种、小批量产品制造的柔性自动化；②实现优质、低成本、短周期及高效率生产，提高企业的市场竞争力；③为作业人员创造舒适而安全的劳动环境。 4．质量保证系统　质量保证系统主要采集、存储、评价和处理存在于设计、制造过程中与质量有关的大量数据，从而在产品质量控制环的作用下有效促进产品质量的提高，实现产品的高质量、低成本，提高企业的竞争力。因此，开发一套完整的质量保证体系非常重要。CIMS中的质量保证系统覆盖产品生命周期的各个阶 段，它包括质量决策子系统、质量检测与数据采集子系统、质量评价子系统和质量控制与跟踪子系统等。 5．CIMS数据库系统　数据库管理系统是一个支撑系统，它是CIMS信息集成的关键之一。组成CIMS的各个功能分系统的信息都要在一个结构合理的数据库系统里进行存储和调用，以实现整个企业数据的集成与共享。 CIMS的数据库系统通常采用集中与分布相结合的体系结构，以保证数据的安全性、一致性和易维护性。此外，CIMS数据库系统往往还建立一个专用的工程数据库系统，用来处理大量的工程数据。工程数据库可以存储多种类型的数据，如图形数据、加工工艺规程、NC代码等。工程数据库系统中的数据与生产管理、经营管理等系统的数据均按统一数据标准进行交换。 6．CIMS计算机通信网络系统　计算机通信网络技术是CIMS的又一主要支撑技术，是CIMS各个分系统重要的信息集成工具。采用国际标准和工业标准规定的网络协议，可以实现异种机互连、异构局部网络及多种网络的互连。通过计算机网络能将物理上分布的CIMS各个功能分系统的信息联系起来，以达到共享的目的。 计算机通信网络系统以分布为手段，满足CIMS各应用分系统对网络支持服务的不同需求，支持资源共享、分布处理、分层递阶和实时控制。CIMS在数据库和计算机网络的支持下，可方便地实现各个功能分系统之间的通信，从而有效地完成全系统的集成。 4.5.3 CIMS的信息集成技术　如图4-44所示，CIMS的实现就是物流与信息流的有机结合。 物流的实现是CIMS的物质基础(或称为硬件环境)，而信息流则是使所有物流得以集成为有机整体的关键和保证。如果把CIMS比喻为身体健康而头脑聪明的人，则CIMS中的物流就可比喻成躯体，而信息流可比喻为使人充满智能和活力的神经系统、血液系统。在CIMS递阶结构的各个层次， 即从厂级、车间级直至工作站和设备，各层次都布满了计算机、计算机网络及数据库，从事对全厂生产的规划、设计、加工制造、质量控制、底层自动化等一系列的管理与控制活动，这些信息通过计算机网络及时地相互交换、传送，遍布于整个物流的全过程，对物流的集成起着控制和保证的作用。 1．CIMS环境下数据管理的特点 CIMS环境下数据管理具有以下特点： (1) 复杂多数据化。 (2) 数据管理软件功能差异大及非标准化。 (3) 分布数据管理。 2．CIMS环境下计算机网络的特点 CIMS环境下的计算机网络具有以下特点： (1) 广域网和局域网并存。 (2) 采用多层次、异机型、分布式的局域网络结构。 (3) 采用开放式的体系结构并进行了标准化。 　网络的体系结构是网络技术中最重要的概念，是指终端用户交换信息所需的功能、格式接口和协议。 网络采用了层次化结构之后，将用户“做什么”的要求与系统具体“如何做”分隔开，从而使用户易于使用网络，并将不同厂家的网络相互连接成庞大复杂的网络系统。CIMS通常采用的网络模型有层次化协议、N层协议模型和开放系统互连(OSI/ISO)模型。 4.5.4 CIMS的应用与发展　20世纪80年代中期以来，CIMS逐渐成为制造工业的热点。CIMS以生产率高、生产周期短以及在制品少等极有吸引力的优点，给一些大公司带来了显著的经济效益。世界上很多国家和企业都把发展CIMS定为全国制造工业或企业的发展战略，制定了很多有政府或企业支持的计划，用以推动CIMS的开发应用。 在我国，尽管制造工业的技术和管理总体水平与工业发达国家还有较大差距，但也已将CIMS技术列入我国的高技术研究发展计划(863计划)，其目的就是要在自动化领域跟踪世界的发展，力求缩小与国外先进制造技术的差距，为增强我国的综合国力服务。 CIMS是现代信息技术、计算机技术、自动控制技术、生产制造技术、系统和管理技术 的综合集成系统。CIMS是一项投资大、涉及面广、实现时间长和技术上不断演变的系统工程，其中各项单元技术的发展、部分系统的运行都成功地表明CIMS工程的巨大潜力。　近些年，并行工程、人工智能及专家系统技术在CIMS中的应用大大推动了CIMS技术的发展，增强了CIMS的柔性和智能性。随着信息技术的发展，在CIMS基础上又提出了各种现代先进制造系统，诸如精良生产、 敏捷技术、全球制造等。与此同时，人们不但将信息技术引入到制造业，而且将基因工程和生物模拟技术引入制造技术，试图建立一种具有更高柔性的开放的制造系统。 4.6 智能制造系统(IM) 4.6.1 基本概念　　所谓智能制造，是在制造生产的各个环节中，以一种高度柔性和高度集成的方式， 应用智能制造技术和智能制造系统进行制造的生产模式。智能制造系统(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智能系统，它在制造过程中，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行诸如分析、推理、判断、构思和决策活动，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家 的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承和发展。 智能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现制造过程的优化。 智能制造可实现决策自动化的优势使其能很好地与未来制造生产的知识密集型特征相吻合，实现“制造智能”和制造技术的“智能化”。智能制造将是未来制造自动化发展的重要方向。智能制造系统是一个开放的信息系统，它采用耗散结构，其构成如图4-45所示。 具体地说，智能制造系统就是要通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉与机器人控制等来对制造技术的技能与专家知识进行模拟，使智能机器在没有人工干预的情况下进行生产。简单地说，智能制造系统就是要把人的智力活动变为制造机器的智能活动。 智能制造系统的物理基础是智能机器，它包括具有各种程序的智能加工机床，工具和材料传送、准备装置，检测和试验装置以及安装装配装置等。　　智能制造技术是制造技术、自动化技术、系统工程与人机智能等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术。 4.6.2 智能制造技术兴起的背景　在知识经济即将来临的今天，传统的制造业面临着严峻的挑战，经历着十分深刻的变化。“以产品为中心”的生产模式正在转变为“以顾客为中心”的生产模式，即“顾客化大生产”。这就要求新一代的制造系统和制造设备必须能够实现快速重组、重用，具有较高的适应能力，以提高制造企业的竞争能力和市 场适应能力，从而为制造企业获得最大限度的利益。 分布式人工智能中的多Agent系统理论为智能制造系统的实现提供了可行性技术支持，并成为制造领域中的研究热点之一。 随着计算机的问世与发展，机械制造大体沿两条路线发展：一是传统制造技术的发展，二是借助计算机和自动化科学的制造技术与系统的发展。 20世纪80年代以来，传统制造技术得到了不同程度的发展，但存在着很多问题。先进的计算机技术和制造技术向产品、工艺和系统的设计人员和管理人员提出了新的挑战，传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中所出现的问题，这就促使我们借助现代的工具和方法，利用各学科最新研究成果，通过集成传统制造技术、计算机技术与科学以及人工智能等技术， 发展一种新型的制造技术与系统，这便是智能制造技术(Intelligent Manufacturing Technology，IMT)与智能制造系统。 世界各国竞相大力发展IMT和IMS的深层次原因有：　(1) 集成化离不开智能。 　(2) 机器智能化比较灵活，可以选择系统智能化，也可以选择单机智能化；单机可发展一种智能，也可发展几种智能； 无论在系统中或单机上，智能化均可工作，不像集成制造系统那样，只有全系统集成才可工作。 (3) 智能化的经济效益较高。 (4) 白领化使得有丰富经验的机械工作和技术人员日益缺少，而产品制造技术越来越复杂，这些都促使使用人工智能和知识工程技术来解决现代化的加工问题。 (5) 工厂生产率的提高更多地取决于生产管理和生产自动化。 4.6.3 智能制造技术的研究内容　近年来，人们对智能制造抱有极大的热情，西方工业国家纷纷投入对智能制造技术的研究。智能制造技术作为21世纪的先进技术，其研究内容如下： (1) 无污染工业制造技术(Clean Manufacturing in Process Industrics)。为满足日益提高的环境保护要求，要对加工制造业所采用的新技术、新工艺进行环境保护方面的评测。 (2) 全球制造业的并行工程(Concurrent Engineering for Global Manufacturing)，对分布的开发研制资源进行对比性的选择和组合的研究。 (3) 21世纪全球集成制造技术(Globle Man.21)，建立高效的“全球制造企业”支持系统，这方面研究课题有并行工程、企业内部管理和企业集成等。 (4) 自律性制造系统(Holonic Manufacturing System)。该专题的目的是建立分散自治的制造系统，它由自治的、智能的且相互协调的模块组成。 (5) 快速产品开发支持系统(Rapid Product Development)，探索并应用能极大缩短产品研制周期的技术和生产规程。 (6) 知识系统(Systematisation of Development)。该项目的长期目标是建立一个新的基于知识的样本工程。 4.6.4 智能制造的关键技术　智能制造中的关键技术有： (1) 人工智能技术。因为IMS的目标是计算机模拟制造业人类专家的智能活动，从而取代或延伸人的部分脑力劳动，所以人工智能技术成为IMS的关键技术之一。IMS与人工智能技术(专家系统、人工神经网络、模糊逻辑)息息相关。 (2) 并行工程。针对制造业而言，并行工程是一种重要的技术方法学，应用于IMS中，将最大限度地减少产品设计的盲目性和设计的重复性。 (3) 信息网络技术。信息网络技术是制造过程中系统和各个环节“智能集成”化的支撑，信息网络同时也是制造信息及知识流动的通道。 (4) 虚拟制造技术。虚拟制造技术可以在产品设计阶段就模拟出该产品的整个生命周期，从而更有效，更经济、更灵活地组织生产，以保证产品开发周期最短，产品成本最低，产品质量最优，生产效率最高。 同时，虚拟制造技术也是并行工程实现的必要前提。 (5) 自律能力构筑，即收集和理解环境信息及自身的信息并进行分析判断、规划自身行为的能力。强大的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。 (6) 人机一体化。IMS不单单是人工智能系统，而且是人机一体化智能系统，是一种混合智能。 想以人工智能全面取代制造过程中人类专家的智能，独立承担分析、判断、决策等任务，目前来说是不现实的。人机一体化突出人在制造系统中的核心地位，同时在智能机器的配合下，更好地发挥人的潜能，使人和机器达到一种相互协作、平等共事的关系，使二者在不同层次上各显其能，相辅相成。 (7) 自组织和超柔性。 智能制造系统中的各组成单元能够依据工作任务的需要，自行组成一种最佳结构，使其柔性不仅表现在运行方式上，而且表现在结构形式上，因此称这种柔性为超柔性，类似于生物所具有的特征，如同一群人类专家组成的整体。 4.7 虚 拟 制 造 4.7.1 虚拟制造基本概念　虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）可以看作是CAD/CAM/CAE集成化发展的最高层次。虚拟制造强调在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性。 虚拟制造是主要基于产品模型、仿真分析技术、可视化技术以及虚拟现实技术，在计算机内完成包括加工、装配等制造活动的制造技术。虚拟制造同样以产品模型为核心，但是其产品模型不仅应考虑最终完成品，而且还要考虑产品的毛坯和半成品模型。另外，虚拟制造所考虑的制造资源、制造环境等，也必须以数字化模型的形式建立在计算机内。 在Lawrence Associate的Virtual Manufacturing Vse Workshop报告中，虚拟制造被定义为一个集成的、综合的可运行制造环境，用来提高各个层次的决策和控制。定义中各部分的含义如下：　(1) 综合：指真实的和仿真的对象、活动和过程的混合状态。 (2) 环境：通过协同地提供分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、模型 (产品过程和资源)、设备以及组织方法的集合，支持构造和使用分布式制造仿真。 (3) 运行：用环境来构造和操作特定的制造仿真。 (4) 提高：增加它的精度可靠性。 (5) 层次：指从产品的概念设计到回收利用，从车间到执行位置，从物质的转换到信息的传递等各方面。 (6) 决策：是指改变(可视化、组织、定义和选择)后的影响。 虚拟制造技术包含了很多内容，不同的应用环境和不同的应用对象，对虚拟制造需求的侧重点也不同。因此，给虚拟制造一个准确的定义也是很困难的。为了更好地解释虚拟制造，归纳起来，它应该具有以下内涵。 (1) 虚拟制造的基本目的是基于计算机模拟产品的开发环境，使设计者在真正加工之前就能够模拟制造产品的全过程。这里的产品开发包括了与产品相关的所有活动，不仅包括技术上的和商业上的，而且还包含了产品的设计与生产，但虚拟制造并不仿真所有这些过程。例如，虚拟制造不仿真设计过程，但它支持设计过程；虚拟制造不模拟可靠性或质量工程，但其仿真需要用到设计、 可靠性、质量和其他信息的接口。 (2) 虚拟制造通过基于建模的途径并利用仿真来提高加工过程的质量。 (3) 虚拟制造最重要的作用是为实施IPPD(Integrated Product Process Development)提供一个工具，特别是用于预测产品成本和控制的功能。 (4) 虚拟制造是基于模型的制造，使用的工具反过来会影响这些模型。 (5) 虚拟制造为在IPPD环境下通过计算机完成制造过程提供了对部分或全部设计过程进行评价的方法。 4.7.2 虚拟制造的类型　虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相关。应用的要求不同，侧重点也不同。为此出现了三种形式的虚拟制造，即以设计为中心的虚拟制造，以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。 (1) 以设计为中心的虚拟制造。以设计为中心的虚拟制造通过把制造信息加到IPPD的过程在计算机中进行制造，仿真多种制造方案，并产生多种“软”模型。因此它的短期目标是：为了达到特殊的制造目的，用以制造为基础的仿真来优化产品的设计和生产过程。它的长期目标是：在不同的层次上用仿真过程来评估生产情况，并且反馈给设计和生产控制。 (2) 以生产为中心的虚拟制造。以生产为中心的虚拟制造通过把仿真能力加到生产过程模型中，达到了方便和快捷地评价多种加工过程的目的。它的短期目标是：基于生产的IPPD的转换，用以优化制造过程和物理层。它的长期目的是：为了实现新工艺和流程的高可信度，把生产仿真增加到其他的集成和分析技术中。 (3) 以控制为中心的虚拟制造。以控制为中心的虚拟制造通过增加仿真到控制模型中和实际的生产过程中，来实现优化的真实仿真。 4.7.3 其他虚拟技术　1．虚拟企业(Virtual Enterprise，VE) 　虚拟企业是敏捷制造的基本的动态组织形态，是指为了赢得某一机遇性市场竞争，围绕某种新产品开发，通过选用不同的组织或公司的优势资源，综合成单一的靠网络通信 联系的阶段性经营实体，也称为动态联盟。动态联盟具有集成性和时效性两个特点。它实质上是不同组织或企业间的动态集成，随市场机遇的存亡而聚散。在具体表现上，结盟的可以是同一个大公司的不同组织部门，也可以是不同国家的不同公司。在虚拟企业中，伙伴能够共享生产、工艺和产品的信息，这些信息以数据的形式表示，能够分布到不同的计算环境中。 虚拟企业与虚拟制造的主要区别在于：对于信息的集成和共享领域，虚拟企业主要强调网络，而虚拟制造主要强调产品的设计，而且在设计阶段虚拟制造的重点是仿真产品生命周期中的各个活动。 2．虚拟原型(Virtual Prototype，VP) 　虚拟原型是相对物理原型，具有一定功能的基于计算机的仿真系统。它主要用于测试和评价多种设计的指定特性。 目前，虚拟原型主要用于缩短产品的开发时间和降低成本。在虚拟原型中，计算机辅助设计信息直接被传送给产品模型，而不用构造物理原型来检验设计的有效性和进行优化设计。如果虚拟原型是通过模拟工艺计划来构造的，那么就使用虚拟制造来生产。在大部分情况下，虚拟原型比物理原型具有更大的优点，在虚拟产品周期中，虚拟原型是一个必需的组成部分。 虚拟原型的发展将增强虚拟制造的能力，反过来，虚拟制造为虚拟原型提供了一个应用环境。 复 习 思 考 题 4-1 试论述制造自动化技术的内涵及关键技术。 4-2 加工中心根据其加工范围可以分为哪几类？它们与普通数控机床的最大区别是什么？ 4-3 试论述工业机器人的组成及性能特征。 4-4 叙述CAPP的定义及其分类。 4-5 什么是成组技术？成组技术零件编码分类有哪几种类型？ 4-6 数控自动编程中前、后置处理的作用是什么？ 4-7 试论述图形交互式编程的原理及其特点。 4-8 试论述CAD/CAPP/CAM各自的功能及集成的必要性。 4-9 试论述柔性制造系统的组成及其物料运储系统的组成。 4-10 CIMS系统的核心是什么？它由哪几部分内容构成？ 4-11 什么是智能制造系统？ 4-12 什么是虚拟制造系统？GxU红软基地