研究生課程CADCAM講稿Ch計算機輔助制造與制造執(zhí)行系統(tǒng).ppt

CAD/CAM基礎理論與應用,機械工程及其自動化一級學科 碩士生學位課,第6章 計算機輔助制造,CAD/CAM研究室,本章學習要點,掌握計算機輔助制造的基本概念和內(nèi)涵,了解開放式CNC體系結(jié)構(gòu)的特點和類型,了解數(shù)控編程及其相應的計算機輔助技術,了解制造執(zhí)行系統(tǒng)的定義、特點以及網(wǎng)絡化 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置和運行機制,3,1 計算機輔助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件對CAM技術的影響,1.3 信息應用方式對CAM技術的影響,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,4,1.1 基本概念,計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing, CAM）是指采用計算機及其交互設備輔助人類實現(xiàn)數(shù)控編程，并控制、監(jiān)測、處理、變換、管理加工過程的一種技術,廣義CAM是指利用計算機輔助完成從生產(chǎn)準備到產(chǎn)品制造整個過程的活動：工藝過程設計，工裝設計，NC自動編程，生產(chǎn)作業(yè)計劃，生產(chǎn)控制，質(zhì)量控制等,狹義CAM是指NC程序編制，包括刀具路徑規(guī)劃，刀位文件生成，刀具軌跡仿真及NC代碼生成等,5,1 計算機輔助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件對CAM技術的影響,1.3 信息應用方式對CAM技術的影響,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,6,1.2 制造硬件對CAM技術的影響,制造裝備數(shù)字化控制的實現(xiàn)經(jīng)歷了專用數(shù)控系統(tǒng)、計算機數(shù)控系統(tǒng)、開放式數(shù)控系統(tǒng)等多個發(fā)展階段,數(shù)控指令的輸入從“卡片與紙帶讀碼機”、“磁帶與磁盤計算機”發(fā)展到“數(shù)據(jù)文件直接的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)傳輸”,制造裝備對CAM技術的影響,新型的CNC機床包含了網(wǎng)絡化接口、Web服務接口等功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡化的CAM技術有了制造裝備方面的硬件保證,7,1.2 制造硬件對CAM技術的影響,制造裝備對CAM技術的影響（續(xù)）,日本Yamazaki Mazak公司的開放式CNC數(shù)控系統(tǒng)MAZATROL FUSION 640的人機界面和各種接口,8,1.2 制造硬件對CAM技術的影響,檢測、控制裝置對CAM技術的影響,實現(xiàn)制造屬性數(shù)據(jù)、制造過程數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等能實現(xiàn)雙向流動，特別是設備向高層管理計算機的流動,9,1 計算機輔助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件對CAM技術的影響,1.3 信息應用方式對CAM技術的影響,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,10,1.3 信息應用方式對CAM技術的影響,不同的產(chǎn)品模型對CAM技術的影響,產(chǎn)品模型是CAM系統(tǒng)的輸入，不同的產(chǎn)品模型表達方式影響著CAM軟件系統(tǒng)的開發(fā)方法,以快速成型機為例：用于加工零件輸入的模型采用三角面片表示，形成了一種稱之為STL文件格式的工業(yè)事實標準，基于快速成型加工的CAM系統(tǒng)將圍繞該種零件模型進行加工輔助處理,CAM技術的實質(zhì)是對制造信息的應用和處理,美國3D Systems的快速成型機,11,1.3 信息應用方式對CAM技術的影響,不同的產(chǎn)品模型對CAM技術的影響,12,1.3 信息應用方式對CAM技術的影響,制造信息處理模式對CAM技術的影響,CAM系統(tǒng)在支持制造的數(shù)控編程、加工調(diào)度、監(jiān)測與質(zhì)量控制過程中，采用不同的制造信息處理模式會產(chǎn)生不同的CAM系統(tǒng)開發(fā)邏輯與應用流程,在采用CAM系統(tǒng)輔助加工調(diào)度、監(jiān)測與質(zhì)量控制活動時，以制造設備為基點，制造信息處理模式有三種：, 單機模式, 以制造設備作為客戶端節(jié)點, 以制造設備作為服務器端節(jié)點,13,1 計算機輔助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件對CAM技術的影響,1.3 信息應用方式對CAM技術的影響,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,14,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,CAM系統(tǒng)網(wǎng)絡化包含兩層含義： CAM制造硬件的網(wǎng)絡化與CAM軟件的網(wǎng)絡化,CAM制造硬件的網(wǎng)絡化,制造設備的網(wǎng)絡化接口問題（1）,制造裝備的網(wǎng)絡化接口是使制造設備網(wǎng)絡化的基本要素。,傳統(tǒng)的數(shù)控設備一般均具有RS232標準串口，這種標準串口用來實現(xiàn)傳統(tǒng)設備的互聯(lián)，以便完成數(shù)控指令網(wǎng)上傳輸、加工工況數(shù)據(jù)反饋等功能,當前新型數(shù)控制造裝備均帶有以太網(wǎng)接口，有些還帶有不同類型的現(xiàn)場工業(yè)總線接口，為數(shù)控裝備的互聯(lián)提供支撐,15,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,制造設備的網(wǎng)絡化接口問題（2）,16,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,數(shù)控制造裝備在互聯(lián)的過程中，需要網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議的支持,對應于遠程實時操作及抗干擾能力的網(wǎng)絡包括早期用于制造系統(tǒng)互聯(lián)的MAP網(wǎng)，以及現(xiàn)今廣泛應用的工業(yè)現(xiàn)場總線、實時工業(yè)以太網(wǎng)等,目前已得到應用且列為IEC61158國際標準的現(xiàn)場總線有：（FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldIFP、ControlNet、SwiftNet）；工業(yè)實時以太網(wǎng)有EthernetIP、FF-HSE、ProfiNet、IDA等,制造設備的網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議,CAM制造硬件的網(wǎng)絡化,17,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,CAM軟件的網(wǎng)絡化（三種實現(xiàn)形式）,基于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的CAM集成,有效利用已有單機版CAM軟件、且通過共享數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)制造數(shù)據(jù)分享的一種形式,由于涉及到制造數(shù)據(jù)的共享問題，因此必須給CAM軟件附加若干輔助模塊，如數(shù)據(jù)及庫文件遠程讀寫模塊、數(shù)據(jù)庫操作權(quán)限管理模塊、數(shù)據(jù)一致性維護模塊等,18,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,CAM軟件的網(wǎng)絡化（三種實現(xiàn)形式）,基于C/S結(jié)構(gòu)的CAM軟件,其出發(fā)點是將CAM軟件劃分為服務器端軟件和客戶機端軟件兩部分。服務器端軟件實現(xiàn)CAM的功能，而客戶機端CAM軟件則實現(xiàn)基于用戶圖形界面的輸入輸出功能，常安裝在制造裝備的前端計算機中,基于C/S結(jié)構(gòu)的CAM軟件需要在客戶端安裝相關的軟件，故使用該類軟件受客戶端地理位置的限定,19,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,CAM軟件的網(wǎng)絡化（三種實現(xiàn)形式）,基于B/S結(jié)構(gòu)的CAM軟件,其邏輯是將CAM軟件安裝在服務器端，在客戶機端則不作任何安裝。其運行可在任意地點的客戶端通過Web瀏覽器完成，且相應的交互界面以Web頁面、Java Applet或ActiveX控件等形式表現(xiàn),CAM軟件可安裝在管理層的計算機中，亦可安裝在底層的制造裝備的前端計算機中。前一種安裝方式指底層所產(chǎn)生的制造數(shù)據(jù)由高層采集、處理與發(fā)布；后一種安裝形態(tài)指制造裝備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過Web服務直接向外發(fā)布,20,2 開放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.3 數(shù)控的軸的概念,2.4 基于運動控制卡的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.5 基于PC軟數(shù)控機理的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),21,2.1 基本概念,開放式CNC體系結(jié)構(gòu)伴隨著個人計算機PC的出現(xiàn)而出現(xiàn),原有專用數(shù)控系統(tǒng)在軟硬件資源方面的局限性，無法適應數(shù)字化制造環(huán)節(jié)對模塊化、可重構(gòu)、可擴充等方面的要求，無法在數(shù)控系統(tǒng)的通用性、柔性、適應性和進一步的智能化、網(wǎng)絡化方面提供支撐,開放式CNC系統(tǒng)的概念起源于上世紀80年代的美國，目前提出了不同的開放式CNC體系結(jié)構(gòu)，典型的有：美國的下一代控制器NGC計劃、歐盟的自動化系統(tǒng)開放式控制結(jié)構(gòu)OSACA計劃、日本的開放式控制器系統(tǒng)環(huán)境OSEC計劃等,開放式CNC系統(tǒng)的特點：,能夠在各種操作環(huán)境下運行,可與其他系統(tǒng)相互交流信息,能夠給用戶提供一種統(tǒng)一風格的交互方式,2.1 基本概念,23,2.1 基本概念,開放式CNC體系結(jié)構(gòu)可歸納為三種類型：,在專用數(shù)控系統(tǒng)中嵌入PC的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),基于運動控制卡的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),基于PC軟數(shù)控機理的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),24,2 開放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運動控制卡的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機理的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入技術,25,2.2 開放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),開放式數(shù)控系統(tǒng)（第六代數(shù)控系統(tǒng)）可通過兩種方式實現(xiàn)：開放軟件體系結(jié)構(gòu)與開放硬件體系結(jié)構(gòu),開放軟件體系結(jié)構(gòu),26,2.2 開放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),開放硬件體系結(jié)構(gòu),PLC、DSP運動控制卡,運動控制器產(chǎn)品供應商：美國的Delta Tau、Galil公司，德國的Dspace、Movtec公司等,27,2 開放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運動控制卡的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機理的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入技術,28,2.3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入技術,計算機與數(shù)控機床之間的互聯(lián)技術,計算機與數(shù)控加工設備的通信方式取決于數(shù)控系統(tǒng)的通信接口與協(xié)議。數(shù)控系統(tǒng)提供的通信接口有：異步串行通信接口，接口，現(xiàn)場總線接口，接口等,異步串行通信接口,RS232、RS422、RS485等，優(yōu)點：方便，實現(xiàn)較容易；缺點：通信距離較近,DNC接口,可實現(xiàn)較遠距離通信，具有出錯反饋與在線實時修改功能，便于遠程管理，但結(jié)構(gòu)復雜，通用性差，軟件開發(fā)難度大,MAP網(wǎng)或現(xiàn)場總線接口,通信速率快，可靠性高，可實現(xiàn)一些實時性很強的控制要求,29,2.3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入技術,開放式數(shù)控系統(tǒng)間、開放式數(shù)控系統(tǒng)與管理層間的互聯(lián)技術,30,2.3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入技術,開放式數(shù)控系統(tǒng)間、開放式數(shù)控系統(tǒng)與管理層間的互聯(lián)技術,31,2 開放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運動控制卡的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機理的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入技術,32,2.4 數(shù)控的軸的概念,從三維幾何空間看，一個物體在一個空間內(nèi)沿X、Y、Z軸的平動和繞這三個軸的轉(zhuǎn)動構(gòu)成了該空間的六個基本軸運動 對于數(shù)控機床，其數(shù)控的目標是在由主軸部件和進給部件組成的切削幾何空間內(nèi)控制軸運動及其軸運動間的聯(lián)動,標準坐標系：右手笛卡爾坐標系 各軸的回轉(zhuǎn)運動及其方向用右手螺旋法則判定,33,2.4 數(shù)控的軸的概念,目前，最好的無冗余軸控制的數(shù)控設備之一為五軸五聯(lián)動加工中心,數(shù)控機床的切削加工動作是通過軸運動或多軸聯(lián)動產(chǎn)生的運動來完成。其中，多軸聯(lián)動用于產(chǎn)生預定的運動軌跡,以CNC車削為例，需要控制的軸運動包括車床主軸的旋轉(zhuǎn)運動、進刀方向和走刀方向兩個直線運動,在車削螺紋時，需要在主軸旋轉(zhuǎn)運動和沿進刀方向的直線運動間實現(xiàn)聯(lián)動；車削錐面則需要在兩個直線運動間實現(xiàn)聯(lián)動,控制軸運動是數(shù)控加工的核心。在某種程度上，數(shù)控體系結(jié)構(gòu)的開放性可由控制軸運動的實現(xiàn)方法的開放性決定,34,2 開放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運動控制卡的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機理的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入技術,35,2.5 基于運動控制卡的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),在基于運動控制卡的開放式數(shù)控機床中，軸運動是通過伺服電機驅(qū)動相關的執(zhí)行機構(gòu)完成的。運動控制卡則用于產(chǎn)生控制信號以便控制伺服電機實現(xiàn)相關的運動軌跡,運動控制卡含CPU，實時控制計算由其完成，而涉及到數(shù)控的非實時計算部分則可由PC機實現(xiàn) 通過驅(qū)動器、I/O接口與各種伺服電機相聯(lián)，伺服電機再驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)如運動平臺按預定軌跡運動。運動的位置等誤差則通過光柵元件進行檢測并反饋以修正誤差。,36,2.5 基于運動控制卡的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),37,2 開放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運動控制卡的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機理的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入技術,38,2.6 基于PC的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),用于插接運動控制卡的PC機所使用的為通用非實時操作系統(tǒng)（如Windows/Linux等）,將PC機的操作系統(tǒng)改為實時操作系統(tǒng)（如Windows的RTX、RT-Linux等），且將運動控制卡的功能由基于實時操作系統(tǒng)的運動控制軟件來實現(xiàn)，則構(gòu)成了基于PC軟數(shù)控機理的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),實時任務進程、實時任務管理、硬件中斷控制等技術是替代運動控制卡功能、完成系統(tǒng)實現(xiàn)的核心內(nèi)容,39,2.6 基于PC的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),該種開放式CNC體系結(jié)構(gòu)依賴于計算機操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)選擇的不同操作系統(tǒng)，其可分為以下幾種類型：, 單PC機配置實時操作系統(tǒng),數(shù)控軟件的實現(xiàn)構(gòu)架可規(guī)劃為五個層次：應用API層、應用程序?qū)?、實時操作系統(tǒng)層、I/O接口層、數(shù)控設備層, 雙PC分別配置實時操作系統(tǒng)和通用操作系統(tǒng), 單PC分別配置實時操作系統(tǒng)和通用操作系統(tǒng),40,2.6 基于PC的開放式CNC體系結(jié)構(gòu),41,3 數(shù)控編程與計算機輔助技術,3.1 數(shù)控機床編程基礎知識,3.2 數(shù)控機床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機床編程實例,3.4 計算機輔助數(shù)控編程,42,3.1 數(shù)控機床編程的基礎知識,機床的坐標系,Z: 以主軸軸線方向為坐標軸 Z方向，刀具遠離工件方向為Z軸正向,X: 水平面內(nèi)垂直于工件方向為坐標軸X方向刀具遠離工件方向為正方向,原點：車床的原點一般定義在主軸旋轉(zhuǎn)中心與車頭端面的交點或參考點上,以數(shù)控車床為例：,參考點：參考點為機床上的一個固定點。其位置由X和Z向的機械擋塊決定,一般機床的原點與參考點重合，以上述原點與X軸Z軸建立直角坐標系，即為機床坐標系,43,3.1 數(shù)控機床編程的基礎知識,工件坐標系,工件原點：工件原點是人為設定的點 （設定依據(jù)：既符合圖樣的尺寸標注習慣，又便于編 程）,以坐標原點為原點，建立一個Z軸與X軸的坐標系，即為工件坐標系,車床工件原點：一般選擇在工件的右端面、左端面、卡盤的前面,44,3.1 數(shù)控機床編程的基礎知識,數(shù)控程序結(jié)構(gòu),45,F指令：F功能表示進給速度，進給速度使用F和其后面的若干數(shù)字來表示的。在G98條件下，F(xiàn)后數(shù)字表示mm/min（外圓加工）,在G99條件下，F(xiàn)后數(shù)字表示mm/r,（螺紋加工），在未指定情況下，默認為G98條件,T指令：T指令表示換刀功能，它是由字母T和其后的四位數(shù)字表示的，其中前兩位數(shù)據(jù)表示刀具號，后兩位數(shù)據(jù)表示刀具補償號。每一刀具加工完成，必需取消刀補,S指令：S指令表示主軸轉(zhuǎn)速，它是由S和其后的數(shù)字組成的，例如：S300表示主軸轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)（此指令只能在具有主軸伺服機構(gòu)的機床中使用）,3.1 數(shù)控機床編程的基礎知識,數(shù)控編程F、T、S指令,46,3 數(shù)控編程與計算機輔助技術,3.1 數(shù)控機床編程基礎知識,3.2 數(shù)控機床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機床編程實例,3.4 計算機輔助數(shù)控編程,47,尺寸是否完整 產(chǎn)品精度、粗糙度等要求 產(chǎn)品材質(zhì)、硬度等,3.2 數(shù)控機床手工編程步驟,產(chǎn)品圖樣分析,產(chǎn)品圖樣分析,工藝處理,數(shù)學處理,按指令系統(tǒng)編程,手工編程,計算機輔助,48,3.2 數(shù)控機床手工編程步驟,工藝處理,加工方式及設備確定 毛坯尺寸及材料確定 裝夾定位確定 加工路徑及起刀點、換刀點的確定 刀具數(shù)量、材料、幾何參數(shù)的確定、切削參數(shù)的確定,切深,影響吃刀量的因素有粗、精車工藝。刀具強度、機床性能、工件材料及表面粗糙度,進給量,粗、精車工藝：粗車進給量應較大，以縮短切削時間：精車進給量應較小以降低表面粗超度。一般情況下，精車進給量小于02mm/r為宜，但要考慮刀尖圓弧半徑的影響；粗車進給量大于0.25mm/r,49,3.2 數(shù)控機床手工編程步驟,工藝處理,進給量,機床性能：如功率及剛性,工件的裝夾方式,刀具材料及幾何形狀,工件的材料,切削速度,影響切削速度的因素有：刀具材料、工件材料、刀具耐用度、切深與進給量。刀具形狀、切削液及機床性能,50,3.2 數(shù)控機床手工編程步驟,數(shù)學處理,1) 按規(guī)定格式編寫程序 2) 按“程序編輯步驟”輸入程序，并檢查程序 3) 修改程序 用G92指令建立的坐標系，與起刀點位置有關，故程序中起點與終點位置最好一致，既坐標X、Z值相同 用G54指令建立的坐標系只與機床零點有關，與起刀點位置無關，故每次開機后至少應回一次參考點 當在G91指令狀態(tài)下編程時，起點與終點位置最好一致，既X、Z軸正負增量為零,1) 編程零點及工件坐標系的確定 2) 各節(jié)點數(shù)值計算,按指令系統(tǒng)編程,51,3 數(shù)控編程與計算機輔助技術,3.1 數(shù)控機床編程基礎知識,3.2 數(shù)控機床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機床編程實例,3.4 計算機輔助數(shù)控編程,52,3.3 數(shù)控機床編程實例,編程實例1： 如右圖，技術條件：該工件毛坯為26尼龍棒,要求六次循環(huán)加工完成，其中后五次的吃刀量為08mm(半徑值)，該例為半徑值編程 O2001； (主程序程序名) N1 G92 X16 Z1； (建立坐標系) N2 G90 G00 Z0 M03； (快速移位) N3 M98 P0003 L6； (六次調(diào)用子程序) N4 G90 G00 Xl6 Z1； (回到起刀點) N5 M05； (主軸停) N6 M02； (主程序結(jié)束并復位) O0003； (子程序程序名) N1 G01 G91 X-12 F100； N2 G03 X7.385 Z-4.923 R8； N3 X3.215 Z-39.877 R60； N4 G02 X1.4 Z-28.636 R40； N5 G00 X4； N6 Z73.436； N7 G01 X-4.8 F100； N8 M99；,53,3.3 數(shù)控機床編程實例,編程實例2： 該工件毛坯為26尼龍棒 O2002； N10 G92 X70 Z30； N20 M06 T0101； N30 M03； N40 G90 G00 X40 Z2； N50 G01 X28 F400； N60 G80 X24.6 Z-70 F200； N70 G00 X24.6； N90 G01 X8 Z2 F300； N100 X16 Z-2 F100； N110 X16 Z-28； N120 X24 Z-38； N130 G01 Z-48； N140 G02 X24 Z-60 R10； N150 G01 Z-70； N160 G00 X70 Z30；,54,3 數(shù)控編程與計算機輔助技術,3.1 數(shù)控機床編程基礎知識,3.2 數(shù)控機床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機床編程實例,3.4 計算機輔助數(shù)控編程,55,3.4 計算機輔助數(shù)控編程,基于APT/EXAPT語言的數(shù)控輔助編程技術,工藝分析 加工參數(shù)設置,幾何分析,刀位軌跡 生成,機床專用的 后置處理,NC代碼仿真,APT/EXAPT,幾何元素定義語句； 機床、刀具語句； 允差語句； 運動語句； 后置處理語句； 其它語句,56,3.4 計算機輔助數(shù)控編程,基于CAD的數(shù)控輔助編程技術,工藝分析 加工參數(shù)設置,幾何分析,刀位軌跡 生成,機床專用的 后置處理,NC代碼仿真,CAD模型,標準NC代碼,CAM軟件,CAM模塊： 產(chǎn)品信息模型輸入 特征識別 刀位與刀具偏置計算 后處理,57,3.4 計算機輔助數(shù)控編程,STEP-NC與計算機輔助數(shù)控編程,為解決這方面的問題，一種新型的、含有高層語義信息的數(shù)控后置處理文件格式STEP-NC正由STEP標準的應用協(xié)議AP238所定義。 它是CAM與CNC間的接口，其文件中的代碼在量級上大致相當于傳統(tǒng)數(shù)控文件中的G、M代碼。 AP238文件可由CAD/CAM系統(tǒng)自動產(chǎn)生，當AP238文件輸入到CNC機床后，由STEP-NC控制器根據(jù)該文件直接驅(qū)動機床進行加工操作。,NC代碼無特征信息、無工藝信息,STEP-NC控制器： 1）STEP-NC解析器 2）底層NC內(nèi)核,58,3 數(shù)控編程與計算機輔助技術,3.1 數(shù)控機床編程基礎知識,3.2 數(shù)控機床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機床編程實例,3.4 計算機輔助數(shù)控編程,3.5 計算機輔助數(shù)控編程的關鍵技術,59,3.5 計算機輔助數(shù)控編程的關鍵技術,刀具軌跡的幾何規(guī)劃問題,60,考慮多場因素的刀具軌跡規(guī)劃問題,3.5 計算機輔助數(shù)控編程的關鍵技術,* 力場 * 溫度場,多能域有限元分析技術,薄壁件加工 特殊材料加工,61,自由曲面加工中刀具偏置問題,3.5 計算機輔助數(shù)控編程的關鍵技術,五軸聯(lián)動復雜型面加工中的刀具偏置問題； 四軸聯(lián)動型面加工中的刀具偏置問題； 三軸聯(lián)動型面加工中的刀具偏置問題；,運動計算幾何學,62,4 制造執(zhí)行系統(tǒng),4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,4.3 基于制造執(zhí)行系統(tǒng)的CAM擴展,4.4 加工過程質(zhì)量控制的輔助技術,4.5 加工過程制造任務的調(diào)度技術,63,4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,制造執(zhí)行系統(tǒng)的概念源于20世紀90年代 出發(fā)點：在企業(yè)級生產(chǎn)計劃層和車間級生產(chǎn)的設備控制層之間搭建一座能無縫實現(xiàn)企業(yè)集成和制造管理的橋梁,通過信息傳遞、處理，對從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行實時的優(yōu)化管理。當制造現(xiàn)場發(fā)生實時事件時，MES能及時作出反應、報告，并用當前準確數(shù)據(jù)對其進行指導和處理,制造執(zhí)行系統(tǒng)的定義,定義：（MES：Manufacturing Execution System）,64,4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,其涉及到單個車間級或制造單元級制造現(xiàn)場的制造資源配置與它們之間的集成（硬件方面） 以及在此基礎上對相關“實時”信息的處理、交換和管理（軟件方面）,作用：MES上聯(lián)ERP/MRPII系統(tǒng)等，以獲取生產(chǎn)與資源計劃信息并上報執(zhí)行狀況；下聯(lián)制造設備（群）過程控制，以傳遞制造指令并獲取實時的制造工況數(shù)據(jù)、實現(xiàn)質(zhì)量控制功能,從廣義角度看，制造執(zhí)行系統(tǒng)的軟件部分可納入到廣義CAM技術的范疇,制造執(zhí)行系統(tǒng)的軟硬件劃分,65,4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,制造執(zhí)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),66,4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,MES早期的起源來自于工廠內(nèi)部的需求，作為承接ERP/MRPII的紐帶，傳統(tǒng)的MES即從車間級應用發(fā)展而來，即制造現(xiàn)場僅限定在一個制造車間層面上,隨著網(wǎng)絡化制造技術的發(fā)展，制造現(xiàn)場的概念被進一步拓展，跨工廠的制造執(zhí)行系統(tǒng)亦已出現(xiàn),制造現(xiàn)場可理解為在產(chǎn)品驅(qū)動的制造任務分配前提下，由若干個分布的工廠、一個工廠（若干車間）、一個車間（若干制造單元）的制造裝備所配置出來的基于所制造產(chǎn)品的一個動態(tài)制造系統(tǒng) 其形態(tài)伴隨著所制造的產(chǎn)品的不同而不同，這給制造執(zhí)行系統(tǒng)的軟件開發(fā)帶來了新的問題,制造執(zhí)行系統(tǒng)的由來與趨勢,67,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置取決于制造單元配置技術的發(fā)展,在傳統(tǒng)的定單驅(qū)動的制造企業(yè)組織模式下，企業(yè)內(nèi)部以車間級為單位，并以機群式（單件小批量）、流水線式（大批量）等形成車間的制造布局形式。當車間接收產(chǎn)品訂單，通過選擇其中的部分工段、相關的制造裝備構(gòu)成面向訂單的MES,這種MES配置方式缺乏柔性，不能適應現(xiàn)代生產(chǎn)技術的要求 為此，基于DNC的數(shù)控設備互聯(lián)、成組制造單元、自治制造單元、柔性制造單元等制造單元技術已被采用以支持MES的配置,制造執(zhí)行系統(tǒng)硬件配置的發(fā)展歷程,68,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,MES需從設備控制層獲取實時的制造工況信息，而采用DNC則可達到目標,DNC是指采用一或多臺計算機對多臺數(shù)控機床進行集中控制與管理的一種方式。其目的包括： 進行自上而下的NC代碼的傳輸與管理 完成自低而上的設備工況匯集與處理,基于DNC的數(shù)控設備互聯(lián)（1）,從硬件方面看，DNC聯(lián)網(wǎng)可通過數(shù)控設備的RS232串口、標準以太網(wǎng)接口，并用現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)及相關的交換機等進行互聯(lián),69,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,從軟件方面看，DNC軟件涉及到以下功能：,基于DNC的數(shù)控設備互聯(lián)（2）,遠程數(shù)控指令傳輸：包括支持“邊傳輸，邊加工”模式； CNC設備存儲器的“分段Buffer”模式、數(shù)控指令“全下載（DNC服務器到CNC設備存儲器）”、“全上載 （CNC設備存儲器到DNC服務器）”模式, 數(shù)控指令編輯、仿真與管理,數(shù)控設備加工工況數(shù)據(jù)收集與處理。包括質(zhì)量數(shù)據(jù)分析、設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析等,數(shù)控設備的工況跟蹤日志及管理。包括通訊、配置、加工工況歷史記錄等,典型的DNC軟件包括Advanced DNC for Windows、Visual DNC、EXtremeDNC、DNC Professional等,70,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,一種根據(jù)零件相似性、設備負荷平衡等統(tǒng)計信息，按待加工零件族組織制造資源進行生產(chǎn)的一種單元技術，成組技術是其理論基礎,成組單元的形成步驟描述如下：,成組制造單元（1）,建立零件編碼系統(tǒng)，并對歷史零件進行編碼,采用成組技術中的相關零件聚類算法如“分枝-聚類”法、模糊匹配法等產(chǎn)生零件族, 統(tǒng)計零件族中的零件加工特征的幾何、精度要求范圍，分析工序要求，并據(jù)此確定加工機床類型,根據(jù)加工歷史統(tǒng)計，確認零件族的制造負荷量，從而確定單元機床數(shù)目, 根據(jù)零件族中加工特征，安排機床的布局形式,71,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,成組制造單元（2）,采用成組制造單元進行加工活動時，其制造任務接收取決于待加工零件的零件族歸屬,例如，某企業(yè)選取某一典型生產(chǎn)時間段作為統(tǒng)計區(qū)間，進行產(chǎn)品、零件、工序、工時定額、機床負荷量等的統(tǒng)計，經(jīng)采用成組技術形成零件族，設計出兩個成組制造單元：,軸類加工單元：包括普通車床4臺、NC車床1臺、外圓磨床1臺、立銑1臺、鉆床1臺；,輪盤類加工單元：包括普通車8臺、NC車床1臺、外圓磨床1臺、內(nèi)圓磨床2臺、平面磨床1臺、萬能銑床1臺、 鉆床1臺,72,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,自治制造單元,一種對外界制造任務具有自適應、智能化加工的一種單元。智能化制造技術是其基礎理論,自治制造單元的自適應性和智能性表現(xiàn)在兩個方面：一是在與外界交互方面，二是自身內(nèi)部方面,在與外界交互方面，自治制造單元能“感知”外部制造任務，并主動出擊力爭獲取制造任務。當所接受的制造任務正處于處理階段時，能主動與相關外部環(huán)節(jié)“協(xié)調(diào)”，達到制造任務的優(yōu)化完成,在自身內(nèi)部方面，自治制造單元內(nèi)部具備實時的制造質(zhì)量控制調(diào)節(jié)能力和設備的自診斷能力等。根據(jù)制造任務當前加工工況的不同，可自動調(diào)節(jié)加工參數(shù)、進行刀具磨損預報，從而達到對零件加工精度的閉環(huán)補償,自治制造單元的設備構(gòu)成常為附帶各種自適應及智能化附件的加工中心,73,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,柔性制造單元（1）,是面向單件、多品種零件的加工而提出的一種單元。提高針對不同工序的加工柔性、適應不同零件的加工能力柔性是設計柔性制造單元的關鍵,從硬件方面看，柔性制造單元包含制造裝備、裝夾與搬運裝置、工件緩存站等,制造裝備：包括各種加工中心（如車削加工中心、鏜銑加工中心等）,裝夾與搬運裝置：包括機器人、托板傳送裝置等,工件緩存站：用于工件臨時存放，并通過自動導向小車AGV、工件傳送鏈等與外界進行工件交換,74,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,柔性制造單元（2）,75,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,柔性制造單元（3）,從軟件方面看，柔性制造單元需兩類軟件支撐，一是單元調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)；二是單元計劃與制造管理系統(tǒng)。這些軟件隸屬于廣義CAM,柔性制造單元的軟件所面向的求解對象是“工序”。所有操作均跟工序相關,單元監(jiān)控涉及到設備狀態(tài)檢測與診斷、加工精度補償?shù)?單元調(diào)度涉及到工序排隊、工序質(zhì)量控制、工序加工相關的工況數(shù)據(jù)采集與分析等,單元計劃涉及到相應的排產(chǎn)問題,制造管理則從全局的角度出發(fā)，以“工序”為關聯(lián)單位，將加工過程的制造信息用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫形式進行管理，并對加工過程進行跟蹤,76,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,制造執(zhí)行系統(tǒng)的網(wǎng)絡化,依賴于制造裝備的網(wǎng)絡接口、制造單元的網(wǎng)絡化，將制造單元進行互聯(lián)的網(wǎng)絡類型與協(xié)議,用于支持MES進行網(wǎng)絡互聯(lián)的技術包括現(xiàn)場總線技術和工業(yè)實時以太網(wǎng)技術,由于與Internet的兼容問題，工