先进制造技术思考题

一、简述先进制造技术的基本问题

1．加工工序的最佳化

加工工序的最佳化是一个优化过程，包括选定优化准则，确定目标函数，找出约束条件，求最优解。优化准则包括 1）最高生产率准则, 2）最低成本准则,3）最大利润率准则。约束条件包括1）刀具使用寿命约束,2）主电机功率结束,3）进给电机转矩约束,4）机床进给范约束,5）表面精糙度约束。

在设计方面，计算机辅助设计(cAD)技术普及化。计算机辅助设计(CAD)技术，是电子信息技术的—个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上竞争能力，加速国民经济发展和国防现代化的—项关键性高新技术，也是进一步向计算机集成制造(cIMs)发展的重要技术基础。CAD技术的广泛应用，提高了我国企业整体的设计水平和产品开发能力。以三维CAD和产品数据管理为重点，在软件市场和企业直用方面得到充分的发挥。

CAD设计以网络为基础，便于协作设计；计算机辅助工程分析(CAE)与有限元相结合，使得计算更精确；计算机辅助工艺技术(CAPP)，以成组技术为基础，为每一个零件制定适合本企业的成组工艺规程；此外，在生产过程中人们还创造了新设计方法，如模块化设计、面向”X”的设计、优化设计、创新设计、反求设计(Inverse Design)、快速原型制造技术(RPM)

2．工艺过程最佳化

同一零件的工艺过程可能有多种，根据最高生产率或最低成本原则可从中优化一个最优的方案。其实质是一个决策过程，其方法有动态规划法（属线性规划）和智能化方法（如CAPP专家系统等）。

在应用方面，各种高新技术发展迅速，并取得了显著的成效。主要表现在以下几个方面：快速原型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模；精密成形与加工技术水平显著提高，在汽车零部件、重大装配制造中获得广泛应用；热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使材料热加工由“技艺”走向“科学”；激光加工在基础研究和技术开发方面有实质性进展，产业应用获得经济效益；数控技术取得莺要进展，国内市场占有率有所提高；现场总线智能仪表研究开发获重要进展，应用已有一定的基础；现代集成制造系统研究和应用取得突破，在国际上已占有一席之地。

除了传统制造方法的不断改进，还出现了许多新技术，如微细技术与纳米技术、高速技工技术、特种加工技术、制造自动化技术、绿色加工技术（GM）等。

3．企业运行最优化（生产系统运行最佳化）

随着市场的发展变化，制造业全球化的趋势更加明显，要求企业具有极强的市场适应性，要快速反应。在竞争中求得最大经济效益和社会效益。方法和模式很多，如敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）、虚拟制造（VM）和智能制造系统（IMS）等。

在管理方面，新生产模式的研究和实践具有特色，推动了我国制造业的技术进步和管理现代化。通过学习和引进工业发达国家的先进管理经验，采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产(JIT)、敏捷制造(AM)、精益生产(LP)、并行工程(cE)等新的管理思想和技术，通过精简机构、减少管理层次和消除各种浪费现象，显著提高了企业的经营效益。需要的支撑技术有计算机网络技术、数据库技术、多媒体技术、人工智能技术、模拟仿真与虚拟技术。

二、CAPP的分类

自第一个CAPP系统诞生以来，CAPP大体上经历了派生式、创成式和半创成式几个阶段。系统按其工作原理可分为检索式、派生式、创成式等。

1.检索式CAPP

检索式工艺过程设计系统是针对标准工艺的，将设计好的零件标准工艺进行编号，存储在计算机中，当制定零件的工艺过程时，可根据输入的零件信息进行搜索，查找合适的标准工艺。

2．派生式CAPP

派生式工艺过程设计就是利用零件有相似性，相似的零件有相似的工艺过程这一原理，通过检索相似典型零件的工艺过程，加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。

派生式CAPP系统以成组技术为基础，按零件工艺过程相似性将零件分类成组，综合每组零件的形面特征，形成复合零件。

按照复合零件编制反映本企业最优工艺方案的标准工艺规程，以文件的形式存入计算机中。

在编制新零件工艺规程时，输入零件的成组编码，识别所在的加工族，调出该族的标准工艺规程，经过编辑、修改后产生一个新的工艺规程。

从流程中可以发现，派生式CAPP系统实质上是在已存在的标准工艺上进行修改，故编程速度快，有利于实现工艺设计的标准化和规格化，而且有一定的较为成熟的理论基础（如成组技术等），开发及维护较方便，因此这种类型的CAPP系统发展较快，且已投入实际运行，取得了一定的经济效益，但是，这种系统专用性较强，不大适应加工环境的变化。

由于实用的CAPP系统往往信息量很大，所以派生式工艺过程设计系统中通常要采用数据库技术。

派生式CAPP系统的实质是为相似零件检索工艺规程。对一个标准工艺规程检索是以检索该零件所属的零件族为基础的。当这个零件族找到后，就能很容易地检索出相应的标准工艺规程。

给定零件，编出其代码，将此代码与数据库中各零件族矩阵进行匹配。最终的工艺规程也需要经过一定的修改和编辑。

由工作原理可以看出，派生式CAPP系统通常包括两个工作阶段，即设计准备阶段和生产使用阶段。

设计准备阶段大体包括：

（1）零件编码

（2）零件族的划分

（3）复合零件的设计

（4）标准工艺规程设计

（5）建立工步代码文件

（6）建立切削数据文件

（7）设计各种功能子程序

（8）CAPP主程序设计

上述各项准备工作完成以后，用一个主程序通过界面的形式把所有子程序连接起来，每一个单元功能可以采用模块化结构形式，可以单独调试和修改。把上述各个功能模块组合起来，即构成了一个完整的派生式CAPP系统。

设计准备工作结束后，就进入生产使用阶段，为实现新零件的加工工艺过程，派生式CAPP系统的生产使用过程包括：

（1）按照所采用的零件分类编码系统，给待编加工工艺过程的新零件编码；

（2）将零件代码输入到计算机中，判断新零件是否包括在准备阶段考虑的零件族内；

（3）若新零件包括在已有零件族内，则检索出该族零件的标准工艺规程；

（4）CAPP软件根据输入的零件代码，有时还要补充某些零件信息，按已确定的逻辑和程序中给定的算法，对标准工艺规程进行删节修订，用户对修订出的工艺规程进行检查修改等交互操作；

（5）将已编好的工艺过程文件存储起来，按指定格式输出工艺规程。

3．创成式CAPP

创成式工艺过程设计系统和派生式系统不同，它是根据输入的零件信息，依靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件的工艺过程。

创成式CAPP系统的基本原理与派生式系统不同，它不是利用对相似零件族的标准工艺规程的修订，而是依靠程序系统中反映的各种决策逻辑（过程）以及各种有关的制造工程数据信息生成。创成式系统所需的数据信息主要有各种加工方法的加工能力、各种机床的适用范围等等一系列的基本工艺知识，这些知识一般采用数据形式提供。工艺设计过程中各功能模块使用的各种决策逻辑（过程或算法）编入程序体中，以供主控程序（推理机制）调用。图2-5为生成式CAPP系统的流程图。

创成式系统不需预先存入典型工艺规程，而是根据输入的零件信息，通过计算机的逻辑推理、公式和算法等，作出工艺决策以自动地“生成”一个新的优化的工艺规程。可见其自动化程度更高。

虽然创成式CAPP系统是较为理想的系统模型，但由于制造过程是不同于那些连续式生产过程，其产品品种的多样性、制造过程的离散型、生产环境的复杂性、时间发生的随机性、系统状态的模糊性等因素，使其工艺过程的设计成为相当复杂的决策过程，因此要开发有一定适应面的生成式CAPP系统还是有相当难度的。

4.半创成式CAPP

从原理上看，半创成式CAPP系统是派生式和创成式CAPP原理的综合。也就是说，这种系统是在派生式CAPP的基础上，增加若干创成功能而形成的系统。这种系统既有派生式可靠成熟、结构简单、便于使用和维护等优点，又具有创成式能够储存、积累，应用专家知识的优点。这种系统非常灵活，便于结合企业的具体情况进行开发，是一种实用性很强，很有发展前途的CAPP模式。

三、CAPP专家系统的原理

CAPP专家系统与一般的CAPP系统的工作原理是不同的，一般的CAPP系统在结构上主要有两部分组成，即零件信息输入模块和工艺规程生成模块。其中工艺规程生成模块是CAPP系统的核心，它包含有工艺设计知识和决策方法，而且这些知识都使用计算机能识别的程序语言编制在系统程序中。当输入零件的描述信息后，系统经过一系列的判断，然后调用相应的子程序或程序段，生成工艺规程。当使用环境有变化时，就必须修改系统程序。这对于用户来说是比较困难的，所以这种系统的适应性较差。

CAPP专家系统由零件信息输入模块、知识库及推理机三部分组成。其中知识库和推理机是互相独立的。CAPP 专家系统是根据输入的零件描述信息去频繁地访问知识库，并通过推理机中的控制策略，从知识库中搜索能够处理

零件当前状态的规则，然后执行这条规则，并把每一次执行规则得到的结论部分按照先后次序记录下来，直到零件加工达到终结状态，这个记录就是零件加工所要求的工艺规程。

专家系统是以知识结构为核心，按数据、知识、控制三级结构来组织系统，其知识库和推理机相互分离，这就增加了系统的灵活性。当生产环境有变化时，可通过修改知识库来加进新规则，使之适应新的要求。因而解决问题的能力大为加强。

CAPP是连接CAD与CAM的桥梁，是实现CIMS的中心环节。使用人工智能专家系统为实现CAD/CAM 一体化提供了良好的技术前景。CAPP专家系统可通过人工智能接口直接从CAD数据库中取得零件信息，以有利于它与CAD 系统的结合。有些CAPP专家系统还考虑了与生产管理系统的智能接口，从而为实现CIMS创造了有利条件。

四、柔性制造的概念

1.柔性制造技术的概念

所谓“柔性”，是指制造系统(企业)对系统内部及外部环境的一种适应能力，也是指制造系统能够适应产品变化的能力。柔性可分为瞬时、短期和长期柔性。瞬时柔性是指设备出现故障后，自动排除故障或将零件转移到另一台设备上继续进行加工的能力；短期柔性是指系统在短时期内，适应加工对象变化的能力，包括在任意时期混合进行加工2种以上零件的能力；长期柔性则是指系统在长期使用中，能够加工各种不同零件的能力。迄今为止，柔性还只能定性地加以分析，尚无科学实用的量化指标。因此，凡具备上述3种柔性特征之一的、具有物料或信息流的自动化制造系统都可以称为柔性制造系统。

柔性制造技术是计算机技术在生产过程及其装备上的应用，是将微电子技术、智能技术与传统制造技术融合在一起，具有自动化、柔性化、高效率的特点，是目前自动化制造系统的基本单元技术。

2．柔性制造单元（FMC）：

FMC可以看作FMS发展历程中的一个阶段。

柔性制造单元(FMc)是在加工中心的基础上，增加了存储工件的自动料库、输送系统所构成的自动加工系统。FMC 有较齐全的监控功能，包括刀具损坏检测、寿命检测和加工工时监测等。工件的全部加工一般是在一台机床上完成，常用于箱体类复杂零件的加工。

柔性制造单元通常由1至3台机床组成，单元中配备有某种形式的托盘交换装置，如一台机器人或通用托盘和夹具搬运装置。柔性制造单元通常有固定的加工过程，零件在各工序间顺序流动。单元计算机作实时程序，负荷平衡和作业计划控制。

由多台机床组成的柔性制造单元往往将机床和辅助设备围成一圈，其中心配置一台工业机器人，用以装卸工件和在机床间输送工件。图示为由一台计算机数控机床、一台加工中心和一台工业机器人组成的柔性制造单元用以加工回转体类零件。

FMC适于多品种、小批量工件的生产。FMC具有规模小、成本低、便于扩展等优点。但F1VIC的信息系统自动化程度较低，加工柔度不高，只能完成品种有限的零件加工拉J。柔性制造单元还常和物料输送系统和成品输送网联在一起工作。

3．柔性制造系统的基本概念

FMS（Flexible Manufacturing System）是由数控制造设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它能根据制造任务或生产环境变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。

柔制造单元和FMS常常能24小时连续工作，操作者只需要在白天进行工作。日班的工作内容是准备数控程序、制定生产作业计划，热处理、以及将工件装夹在夜班工作时需调用的夹具和托盘上。

柔性制造系统(FMS)是在FMC的基础上扩展而形成的一种高效率、高精度、高柔性的加工系统。美国制造工程师协会将FMS定义为：柔性制造系统是使用计算机、柔性加工单元和集成物料储运装置完成零件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统。

我国对于FMS给出的定义是：柔性制造系统是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量的生产。FMS主要由下列三部分组成：数控机床加工系统、自动化的物流系统、计算机控制系统。

4．柔性制造的发展：智能化、网络化

五、FMS主要由哪几部分组成

FMS通常应包括如下要素：

（1）加工系统

标准的数控机床或制造单元即加工系统。我们又把具有自动上下料功能或具有多个工位，具有加工型及装配型的数控机床称之为制造单元，它是FMS的基本制造“细胞”。

加工系统在FMS中好像人的手脚，是实际完成改变物性任务的执行系统。加工系统主要由数控机床、加工中心等加工设备（有的还带有工件清洗、在线检测等辅助与检测设备）构成，系统中的加工设备在工件、刀具和控制三个方面都具有可与其他子系统相连接的标准接口。从柔性制造系统的各项柔性含义中可知，加工系统的性能直接影响着FMS的性能，且加工系统在FMS中又是耗资最多的部分，因此恰当地选用加工系统是FMS成功与否的关键。加工系统中的主要设备是实际执行切削等加工，把工件从原材料转变为产品的机床。

（2）物流系统

即在机床和装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统。

（3）控制和管理系统

一个发布指令、协调机床、工件和刀具传送装置的控制系统。

（4）中央刀具库及其管理系统。

（5）自动化仓库及其管理系统。

在当前FMS发展的进程中，组合方案是多种多样的。简单一点的小型的FMS，只具备前三个要素，复杂一点的功能强的FMS，除具备上述五个要素外，还可能有一些附属设备。FMS主要由三部分组成：加工系统、物流系统和信息系统。

六FMS的关键技术

四．柔性制造系统的关键技术

柔性制造系统（FMS）是新发展起来的技术密集型系统，因此在FMS的研制过程中，有许多高难度的关键技术有待于设计者去研究、实验和开发。其中，包括FMS的管理控制系统，FMS的检测监控系统，FMS的物流系统，FMS的刀具传送和管理系统，FMS的通信网络，FMS的通信系统等。

1．FMS的管理控制系统

管理控制系统是整个FMS的核心系统，主要负责FMS各装置的总体配合，以实现生产过程的自动化操作。

许多FMS的控制系统是在厂级控制下的多级控制系统。

任何一个FMS的管理控制系统都必须具有以下三个部分：

（1）中央处理装置—一台小型计算机及其配套的外部设备。在中央处理装置内，要开发各类软件功能模块，如调度模块、计划模块、控制管理模块、仿真模块与接口模块等。

（2）显示监控装置—要有一个屏幕，能直观地显示整个FMS的当前运转状况和预报几小时后的运转，显示报警和故障状况。

（3）程序装置—它相当于一小型的CAD/CAM，用来处理各类NC加工数据，构成数控程序、以便中央处理装置调用和修改。

FMS的管理控制系统至少需配置以下四种软件模块：

（1）调度模块—在这个软件模块中又有许多独立的程序，每一个程序执行一种功能，将这些程序编制在一起，排定顺序，构成级别，便形成一个完整的调度模块。一般应具备两种工作方式，一种为实时方式，它能自动地生成和顺序调用这些软件，形成自动的控制方式；另一种为手动方式，由操作者通过键盘干予，一步一步工作。

调度模块至少应包含下列软件：

作业检索；作业装入；作业取消；批量再划分；调度。

（2）接口模块—紧跟调度模块之后，用来解释调度程序，并把它扩展成适合于后继“系统管理程序”执行的一系列指令。它能控制零件调入系统的速率。

（3）系统管理程序模块—用来控制各个程序之间的总信息流，它将实现以下主要功能：接收零件进入FMS的信息，并为它分配最少数量的托盘，进而将指令传送到物流控制系统；审查由FMS现场反馈的信息，并保持这些信息和性能统计资料在适当阶段进行检查；为系统操作者提供一个人工干予接口，使其能及时掌握FMS的运转信息，并在必要时进行干予。

（4）传送模块—它与“系统管理程序”通信，接受作业调入和传送功能的指令，同时反馈状态变化信息。

2．FMS的物流系统

物流系统在FMS的设计中处于十分重要的位置，要保证机床最大的利用率，就要有适配、灵活的物流系统。而物流系统越灵活，造价就越高，控制越复杂。好的物流系统能使机床的运行等待时间为零。不好的物流系统将使FMS 不能得到好的效益。

FMS的物质流，包括工件、夹具、刀具、托盘等在系统中的传送。FMS的物流控制有多种方案，这里仅介绍一种方案。

（1）物流系统的组成

物流系统包括：工件装卸工作站、自动化仓库、无人输送台车、随行工作台存放站、中央刀库和刀具检测工作站及物流控制管理系统六个部分。

1）工件装卸工作站

工件装卸工作站有两类，当作为FMS物料输入的开始部位时，称之为毛坯入库工作站，它将待加工的毛坯整齐地装在托盘上送入系统。当加工完的成品或半成品从系统输出时，在该处的工作站此时称为出库工作站，将工件随托盘一起从系统输出。

2）自动化仓库

自动化仓库的设计涉及多方面的技术，可以将这一任务交给专门化的工厂来承包，也可以自行设计。自动化仓库包括仓库多层货架，推装起重机，传动齿条及导轨等。

3）无人输送台车

无人输送台车包括台车、台车控制装置、控制电缆和充电站几部分组成。台车又分为有轨式和无轨式两大类。无人输送台车已有商品出售，FMS设计者可以根据样车和FMS对物流的要求进行选购，无需自行设计。

无人输送台车的导向方式有电磁导向，光学导向，激光导向和标记追综导向等方式。

无人输送台车的工作台面移载方式有滚轴驱动式、滑台叉架式、平移工作台式、提升输送式、推拉杆式和机器人结合式等方式。

（2）物流系统的控制

这里所说的物流，是除刀具流以外的毛坯工件和夹具的流动。物流管理控制系统包括以下三部分：

1）自动化仓库及仓库控制装置。

2）随行工作台及其控制装置。

3）无人随送台车及台车控制装置。

3．FMS的刀具管理系统

FMS能在不停机的条件下，将任何一种工件进行加工，除了机床本身可以自动换刀和系统的其他配合因素外，FMS本身设有中央刀具，并有配套完善的刀具管理系统，可以实现刀具预调，可以将机床的刀库与中央刀库实现批交换，可以监视系统中每一把刀具的参数，磨损情况，寿命和空间位置，可以预报下一阶段的刀具信息等。实现FMS 系统内刀具循环的优化管理将提高FMS的柔性。

（1）刀具管理系统的组成

FMS的刀具管理系统包括以下几部分：

刀库系统—包括各类刀具，机床刀具库，中央刀具库。

刀库存取工作站—实现刀具的存入和调出，刀具的识别应采用编码方式，从刀具预调仪到中央刀库之间，刀具的交换是通过刀具存取工作站进行的。

刀具编码体系—目前比较成熟的刀具编码体系是条形码和磁性码。条形码就是在一块小纸片上，用粗细相间的条纹组合来表示的数码。磁性码是将磁性的数码载体装到刀柄上。以上二种体系，均由识别装置来读出信息。

刀具预调议—对加工中将要使用的刀具根据加工的要求，调试好所需参数。

刀具存取机械手—在中央刀库、机床刀库和刀具存取工作站之间，实现刀具的传送和搬运。

刀具清洗站—对磨损的刀具进行清洗。

刀具管理系统工作站—将刀库、刀具存放、刀具编码，刀具参数预调，刀具清洗和刀具存取等信息组织在一起，实现优化管理的工作站。

（2）刀具管理系统的结构

刀具管理系统由一台刀具管理控制用的工业型计算机与其他配套设备组成，包括两部分结构：一部分为刀具实体物流的过程，一部分为刀具信息流传递过程。在刀具管理计算机内，有两部分软件：一为刀具信息处理专家系统，用来处理刀具破损、预调和寿命管理；一为刀具传递控制软件，用来调度FMS刀具系统的传送操作。此外，还有刀具数据库TDB，存放和调用全部刀具管理系统的数据。

4．FMS的检测监控系统

在FMS中，为了实现质量对工艺过程的反馈控制，所有在FMS范围内收集、识别、提取表征质量参数，以此或根据统计分析技术确定工艺过程或装置的全面质量趋向，修改工艺过程以改进产品质量或使生产在预先确定的极限范围内正常进行防止废品的系统，以及在设备自检的基础上，检测和响应任何异常或紧急情况，必要时给予视听信息或启动备用设备，保证人身与设备安全的系统统称为FMS的检测监控系统。FMS的检测监控系统是一个复杂的系统，它包括很多子系统及为数众多的硬件和软件。

按当前FMS系统中常采用的比较成熟的检测监控划分，总体的FMS检测监控系统可划分为五个子系统：FMS运行状态检测监控系统；机床工作状态检测监控系统；刀具状态检测监控系统；工件状态检测监控系统；系统安全检测监控系统。体系结构如图所示。

（1）FMS运行状态检测监控系统

此系统的功能是检测监视工件流、刀具流与信息流的运行状态。

工件流系统运行状态可包括运输小车的位置及装载状态；运输小车故障状态（如小车未到位、小车越位、托盘未到位等）；工件装卸站状态；小车缓冲站状态；仓库储藏工件状态等等。

刀具流系统运行状态可包括刀库状态；对刀仪运行状态；条码阅读机工件状态；刀具进出站工作状态；换刀装置（如机械手、机器人等）工作状态等。

信息流状态可包括工件流控制系统与通讯系统工作状态；刀具流控制系统与通讯系统工作状态；DNC控制系统与通讯系统工作状态；主控管理系统工作状态等。

（2）机床工作状态检测监控系统

此系统的功能是检测监控机床的工作状态包括机床故障检测监控、机床加工状态监控等（后者常采用工业电视进行）。

（3）刀具状态检测监控系统

此系统的功能是检测监控刀具的状态。首先应包括刀具破损，磨损的检测监控（刀具尺寸，如长度、直径的变化也属于刀具磨损）。一旦刀具磨损达到磨损极限后立即通知系统换刀。此系统还应包括对刀具使用寿命的检测。每隔一定时间将使用寿命与给定的额定寿命进行比较，当达到额定寿命后即通知系统换刀。

（4）工件状态检测监控系统

此系统的功能是检测监控进入FMS线的毛坯是否合格以及检测监控工件的安装定位精度与加工的尺寸精度。

工件尺寸精度的检测系统应包括加工尺寸精度的在线检测监控与成品尺寸的检测。

毛坯形状、尺寸的检测监空系统应包括磨损的识别系统等。

（5）系统安全检测监控系统

此系统的功能是检测监控FMS系统的安全状态。它包括电网电量参数（如电压、相位等）是否满足FMS系统的要求；工作人员进入了FMS生产线是否安全；有无意外事故（如火警等）发生等。

5．FMS的通信系统

FMS是一条自动化的生产线，不是单台NC机床，因此异种机联网是设计中要认真对待的问题。在这种方式中，有以下特点：

（1）中央控制系统由FMS监控管理系统承担，采用MAP宽带网与机床控制的CNC联网。

（2）在每一台CNC均装有与MAP适配的接口，称之为MAP适配器，通过电缆插头分配器与网络联接。

（3）采用行走Robot，运动工件和刀具。

（4）采用PLC控制加载和卸载工件站，控制整个FMS中毛坯的进入和加工成品的输出。

6．FMS的辅助系统

FMS的辅助系统包括下列几部分：（1）清洗工作站。

（2）切削液自动排除和集中回收处理。

（3）集中供液，供气等设施。