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先進生產制造技術

作者:admin 更新時間:2019年03月19日 17:02:25

  摘要:分別介紹CAPP、CAM、FMS、CIMS、AM和IMS等先進生產制造技術,探討相關的關鍵技術及發展趨勢關鍵詞:制造技術;計算機柔性;敏捷;智能


  專家認為,世界上各個國家的經濟競爭,主要是制造技術的競爭。其競爭能力最終體現在所生產的產品的市場占有率上,隨著經濟技術的高速發展以及顧客需求和市場環境的不斷變化,這種競爭日趨激烈,因而各國政府都非常重視對先進生產制造技術的研究。


  1計算機輔助工藝設計(CAPP)


  1.1CAPP概述


  CAPP是將產品零件的設計信息和加工條件輸入計算機,建立工藝數據庫,計算機依據這些些信息自動進行編碼、繪圖、建立工藝文件。CAPP不僅解決了工藝過程設計中的多樣性問題,減少了工藝人員的重復勞動,而且有利于實現標準化和工藝過程的優化,保證工藝設計的質量。


  1.2CAPP的發展趨勢


  1)知識化、智能化:基于知識的CAPP系統作為工藝設計的輔助工具,具有將工藝專家的知識和經驗積累起來并加以利用的任務。該系統必將在表達、獲取和處理各種知識的靈活性和有效性上進一步發展。


  2)工具化、工程化:CAPP既要適應各企業的具體情況,又要控制針對具體企業的實施工作量、提高通用性,因此,需要加強CAPP系統的工具化和工程化。


  3)網絡化、集成化:CAPP是CAD與CAM之間的橋梁,是CAQ、PDM及ERP的重要產品信息來源,必須在并行工程思想的指導下實現CAPP與CAD、CAM等系統的全面集成。網絡化是現代系統集成應用的必然要求。


  4)交互式、漸近式:CAPP系統用來幫助而不是取代工藝設計人員,操作者要有足夠的判斷能力和工藝知識,做出關鍵決策。知識庫及使用法則需要逐步建立、完善、驗證,基于知識的、商品化的CAPP工具系統需要有目標、有計劃的漸近式發展。


  2計算機輔助制造技術(CAM)


  2.1CAM概述


  CAM有狹義和廣義的兩個概念。CAM的狹義概念是從產品設計到加工制造之間的一切生產準備活動,包括CAPP、數控編程、工時定額的計算、生產計劃的制訂、資源需求計劃的制訂等。CAM的廣義概念包括其狹義定義包含的所有內容,還包括制造活動中與物流有關的所有過程(加工、裝配、檢驗、存貯、輸送)的監視、控制和管理。


  CAM的工作步驟:準備被加工零件的幾何模型→生成加工軌跡(刀位軌跡)→校驗加工軌跡→后置處理,生成NC代碼→反讀數控代碼,檢查加工代碼的重要性→數控代碼傳至數控機床。


  2.3CAM的關鍵技術


  1)數控編程技術:數控編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程。合理的數控編程可以保證產品達到很高的加工精度和穩定的加工質量。在實現設計加工自動化和縮短產品研制周期等方面發揮著重要作用。


  2)NC刀具軌跡生成技術:數控編程的核心工作是生成刀具軌跡,然后將其離散成刀位點,經后置處理產生數控加工程序。


  3)數控仿真技術:是利用計算機來模擬實際加工過程,是驗證數控加工程序的可靠性和預測切削過程的有力工具。切削過程仿真分為幾何仿真和力學仿真兩個方面。


  3柔性制造系統(FMS)


  3.1FMS概述


  FMS是由數控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統等組成的自動化制造系統,能根據制造任務或生產環境的變化迅速進行調整,適用于多品種、中小批量生產。


  FMS工程中的柔性有多種涵義,除了加工柔性外,還包含設備柔性、工藝柔性、產品柔性、流程柔性、批量柔性、擴展柔性和生產柔性。


  應用FMS可以獲得明顯的制造優勢,FMS是實現未來工廠的新穎概念模式和新的發展趨勢。


  3.2FMS的發展趨勢


  1)FMS的小型化:FMS需要大量的設備投資,FMC可認為是FMS中最小的一種,或可認為是擴大了功能的加工中心或切削中心。它也能提高機床利用率,增大生產柔性,提高產品質量及生產率。


  2)開發經濟型FMS:由于FMS需要先進的技術、投資大,影響了它的推廣。開發經濟型FMS,其規模為2-7臺加工中心,或以NC機床等通用機床為基礎構成。組成的單機可作FMC使用,系統建立可分步擴展。


  3)向模塊化和標準化發展:模塊化已成為當前FMS設計、制造和系統擴展的一個主要原則,即FMS的各系統(機床、運貯系統、控制系統及軟件)均采用模塊化和標準化。


  4)向功能復雜化方向發展:目前,大多數FMS仍然是以機加工為主,今后的發展將是擴大工藝范圍,如裝配、熱處理等。


  5)采用模擬仿真技術:采用計算機仿真技術建立FMS系統的模型,可預先了解系統的運行情況,對系統的相關參數進行評估。目前,FMS系統的建模與仿真技術已經成為國內外的研究熱點。


  4計算機集成制造系統(CIMS)


  4.1CIMS概述


  計算機集成制造(CIM):是企業生產從市場分析、產品設計、加工制造、經營管理到售后服務的全部生產活動,是一個不可分割的整體。整個生產過程實質上是一個數據采集、傳遞和加工處理的過程。最終形成的產品,可以看作數據的物質表現。實際上就是強調整體觀點(即系統觀點)和信息觀點。其實質內容是信息(數據)的集成。


  CIM技術是實現CIM理念的各種技術的總稱,而CIMS則是以CIM為理念的一種新型生產系統。CIMS在提高企業競爭方面起著重要的作用。它保障和提高了新產品開發的質量;縮短了新產品上市的周期;降低了產品的成本。


  CIMS通過實現信息集成、功能集成和過程集成,提供了改善生產組織方式、提高管理水平的有效手段,加速了企業管理技術的革新。4.2CIMS的發展趨勢


  1)集成化:從當前企業內部的的功能集成和信息集成,發展到過程集成(以并行工程為代表)并正在步入實現企業間集成的階段(以敏捷制造為代表)。


  2)數字化/虛擬化:從產品的數字化設計開始發展到產品全生命周期中各類活動、設備及實體的數字化。在數字化基礎上,虛擬化技術正在迅速發展,包括虛擬產品開發、虛擬現實應用和虛擬制造。


  3)網絡化:從基于局域網發展到基于Intranet/Internet/


  Extranet的分布網絡制造,以支持全球制造策略的實現。


  4)柔性化:正積極研究發展企業間動態聯盟技術、敏捷設計生產技術、柔性可重組機器技術等,以實現敏捷制造。


  5)智能化:是制造系統在柔性化和集成化基礎上進一步延伸與發展,引入智能控制技術和人工智能,實現具有智能、自律、敏捷、仿生、分布、分形等特點的新一代制造系統。


  6)綠色化:包括綠色制造、生態工廠、清潔化生產、環境意識的設計與制造等。它是全球可持續發展戰略在制造業中的體現。


  5敏捷制造(AM)技術


  5.1AM技術概述


  AM是指制造企業采用現代通信手段,通過快速配置各種資源(包括技術、管理和人),以有效和協調的方式響應用戶需求,實現制造的敏捷性,提高企業在不斷變化、不可預測的經營環境中快速應變的能力。


  AM的實質是在先進的柔性制造技術的基礎上,通過企業內部和外部多功能項目組,組建虛擬公司,它是一種多變的動態組織結構,可把全球范圍內的各種資源(包括人的資源)集成在一起,實現技術、管理和人的集成,從而在整個產品生命周期內最大限度的滿足用戶需求,提高企業的競爭能力。目的是快速響應市場的變化,在盡可能短的時間內向市場提供適銷對路的環保型產品。


  5.2AM的關鍵技術


  1)并行工程技術:強調工作流程的并行進行,即產品的設計過程、生產準備過程甚至加工過程可以同步進行,可及早發現并修改設計方案存在的問題,還可縮短新產品的開發周期,降低成本,提高產品質量。


  2)虛擬制造技術:是將制造企業的一切活動,如設計過程、加工過程、裝配過程、生產管理、企業管理等建立與現實系統完全相同的計算機模型即虛擬系統,利用它模擬運行整個企業的一切活動并進行參數的調整,在求得最佳運行參數后再進行實際制造活動,確保整個運行都在最佳狀態。


  3)計算機網絡技術:由于敏捷制造和動態聯盟是跨結構、跨地區的全球企業組織方式,計算機網絡通信技術成為其最基本的技術基礎。


  4)系統集成技術:開放式體系結構、信息及交換的標準化是實現系統整體集成的關鍵。敏捷制造的系統集成所要面對的是連續變化的動態系統,在系統集成運行的條件下,保證系統各部分功能的獨立性。


  5)動態聯盟技術:動態聯盟是由多個本質上獨立的企業,為了完成一個共同的目標而結成的暫時性同盟。動態同盟中的盟主最先發現市場機遇或客戶要求,擁有主要的核心資源,通過合理選擇合作伙伴,組成分布式的制造網絡。各合作伙伴成員充分發揮各自的特長和優勢,聯合完成產品的開發、設計、制造和銷售全過程。


  6)產品數據管理(PDM)技術:PDM是一種從數據庫基礎上發展起來的信息集成技術,能管理所有與產品相關的信息和過程。從廣義上講,它可以覆蓋整個企業從產品的市場需求、研究與開發、產品設計、工程制造、銷售、服務與維護等各個領域、全生命周期中的產品信息。


  5.3AM的發展趨勢


  1)面向知識和信息網絡,建立一套支持敏捷制造數字化、集成化、智能化、并行化的多模態人機交互信息處理與應用理論及方法,根據用戶的個性化需求和市場的競爭趨勢,以有效地組織敏捷制造的動態聯盟,充分利用各種資源進行多模態人機協同的敏捷制造,盡快響應市場需求。


  2)基于知識和信息網絡,對定制產品的外觀形態、方案布局和多模態環境下人機交互等環節的支持加強,以提高敏捷制造系統的可塑性及定制產品的美觀性、宜人性等方面運作過程的可視化。


  3)利用多模態人機交互技術改變企業以試制、試驗和改進為主的傳統制造開發過程,使之轉變為市場需求下以分析、設計和評估為主,并基于知識和信息網絡迅速組成動態聯盟的可視化敏捷制造,從而縮短產品開發時間,提高市場競爭力。


  6智能制造系統(IMS)


  6.1IMS概述


  IMS是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化系統。智能制造的概念源于人工智能的研究,它突出了在各個制造環節中,以一種高度集成與柔性的方式,借助計算機模擬人類專家的智能活動,進行構思、分析、判斷、推理和決策,延伸或取代制造環境中人的部分腦力勞動,同時繼承、收集、存儲、共享、完善和發展人類專家的制造智能。


  6.2IMS的特征


  1)自律能力:即理解與搜集自身和環境信息,并進行判斷、分析和規劃自身行為的能力。


  2)人機一體化:IMS不單純是“人工智能”系統,而是人機一體化智能系統,是一種混合智能。人機一體化突出了人在制造系統中的核心地位,同時在智能機器的配合下,更好地發揮人的潛能,使人機之間表現出一種平等共事,相互協作、相互“理解”的關系。


  3)虛擬現實技術:是實現虛擬制造的支持技術,也是實現高水平人機一體化的關鍵技術。其特點是要按照人們的意愿任意變化,這種人機結合的新一代智能界面,是智能制造的一個顯著特征。


  4)自組織與超柔性:IMS能夠依據工作任務的需要,自行組成一種最佳結構,其柔性不僅表現在結構形式上,而且表現在運行方式上,所以稱這種柔性為超柔性,就像人類專家組成的群體,具有生物特征。


  5)學習能力與自我維護能力:IMS能夠在實踐中不斷充實知識庫,具有自學習功能。同時,在運行過程中自行進行故障診斷、并具有自行維護、自行排除故障的能力。使智能制造系統能夠自我優化并適應各種復雜的環境。


  6.3IMS的關鍵技術


  1)智能設計:把專家系統引入設計領域,將人們從繁重的勞動中解脫出來。目前在CAD/CAPP/CAM領域中應用專家系統已取得了一定的進展。


  2)智能機器人:應具有視覺、聽覺、觸覺、語音、分析判斷等功能,與機械手不同。


  3)智能診斷:除了計算機的自診斷功能外,還可以進行故障分析、原因查找和故障的自動排除,保證系統在無人狀態下正常工作。


  4)自適應功能:目前人們是靠經驗來控制制造系統,加工時不可能達到最佳狀態,產品質量很難提高。要實現自適應功能,在線的自動檢測和自動調整是關鍵技術。


  5)智能管理系統:應具備對生產過程的自動調度,信息的收集、整理與反饋以及企業的各種情況的資料庫等。


  7結束語


  隨著市場需求個性化與多樣化,未來先進生產制造技術的發展的總趨勢是向柔性化、虛擬化、網絡化、集成化、智能化、清潔化、全球化的方向發展。作者: 呂彥梅

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