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1、機械制造工藝與機床夾具,第八章 計算機輔助工藝設計與現(xiàn)代制造技術 第一節(jié) 成組技術及其在工藝中的應用 第二節(jié) 計算機輔助工藝過程設計 第三節(jié) 現(xiàn)代制造技術,第一節(jié) 成組技術及其在工藝中的應用,能夠改變多品種、中小批量生產企業(yè)的落后狀況、提高生產率、又能充分利用設備，降低產品成本的有效辦法，就是利用成組技術。,一、成組技術的基本概念 復雜而多樣的事物或信息中，有許多問題具有相似性，利用把相似問題分組的辦法，就能夠使復雜問題得到簡化，從而找出可以解決這一組問題的同一方法或答案，并節(jié)約時間和精力。,相似的零件可以歸并成設計族。一個新零件可以通過修改一個現(xiàn)有的同族零件而形成。綜合零件是包含一個設計
2、族的所有設計特性的零件。,二、成組生產的組織形式 成組加工系統(tǒng)有如下形式： 成組單機是在機群布置的基礎上發(fā)展起來的，它是把一些工序相同 或相似的零件族集中在一臺機床上加工。 成組生產單元是指一組或幾組工藝上相似零件的全部工藝過程，由 相應的一組機床完成，該組機床即構成車間的一個封 閉的生產單元。 成組生產流水線是成組技術的較高級組織形式。它與一般流水線的 主要區(qū)別在于生產線上流動的不是一種零件，而是 多種相似零件。 這三種形式是介于機群式和流水線式之間的設備布置形式。,,三、成組技術中的零件編碼 零件分類編碼的基本原理 分類是一種根據特征屬性的有無
3、，把事物劃分成不同組的過程。 編碼能用于分類，它是對不同組的事物給予不同的代碼。 成組技術的編碼，是對機械零件的各種特征給予不同的代碼。 代碼必須是：不含糊的；完整的。 代碼應該是簡明的，目前使用的成組技術編碼系統(tǒng)中有三種不同類型的代碼結構： 層次式（單元碼）每一代碼含義都由前一級代碼限定； 鏈式（矩陣式）碼位上每一數字都代表不同的信息； 混合式層次式與鏈式的混合。,奧匹茲分類編碼系統(tǒng),奧匹茲代碼采用混合式代碼結構。但除第一位數字外，更像一種鏈式結構。 幾何碼可表示以下幾類零件：回轉體件、平板件、長零件、立方體件 使用尺寸比來劃分這些形狀：長度/直徑比用來劃分回轉零件、長度/寬度比以及 長
4、度/高度比則用來劃分非回轉零件 奧匹茲幾何碼采用5位十進制數，分別代表零件種類、基本形狀、回轉表面加 工、平面加工、輔助孔、輪齒以及型面加工 第六位代碼代表主要尺寸（直徑或邊長） 第七、八、九位分別代表材料類型、原材料形狀、精度,JLBM-1分類編碼系統(tǒng),零件的編碼方法 編碼方法有手工編碼和計算機輔助編碼兩種。 手工編碼是編碼人員根據分類編碼系統(tǒng)的編碼法則，對照零件圖用手工 方式逐一編出各碼位的代碼。 計算機輔助編碼是以人機對話方式進行的，一種是問答式對話，一種是 選擇式對話。根據計算機屏幕顯示的“菜單”，用鍵盤選擇對應項的 號，就能實現(xiàn)零件的逐步編碼。,四、成組技術中零件組（族）的劃分
5、目前零件的分類成組有以下幾種方法： 視檢法由有經驗的工藝師根據零件圖樣或實際零件及其制造過程， 直觀地憑經驗判斷零件的相似性，對零件進行分類成組。 生產流程分析法首先可根據每種零件的工藝路線卡，列出工藝路線 表。 編碼分類法可分為特征碼位法（選擇幾位與加工特征直接有關的碼 位作為形成零件組的依據）和碼域法（對特征碼位上的 數據規(guī)定某一范圍，而不是要求特征碼位上的數據完全 相同）。,五、制訂成組工藝過程 零件分類成組后，便形成了加工組，下一步就是針對不同的加工組制訂適合于組內各零件的成組工藝過程。有兩種方法： 復合零件（主樣件）法它包含一組零件的全部形狀
6、要素，有一定的尺寸范圍，它可能是加工組中的一個實際零件，也可以是假想零件。以它作為樣板零件，設計適用于全組的通用工藝規(guī)程。 復合路線法從分析加工組中各零件的工藝路線入手，從中選出一個工序最多、加工過程安排合理并有代表性的工藝路線。,第二節(jié) 計算機輔助工藝過程設計,一、計算機輔助工藝過程設計的基本概念 在常規(guī)的生產系統(tǒng)中，工藝規(guī)程是由工藝品員制定，審查一個新零件（零件圖），然后確定生產它的合適過程。 工藝員的經驗對于所制訂的工藝規(guī)程正確與否至關重要。但存在下面一些問題： 經驗需要相當長的時間去積累； 經驗往往是近似的而不是嚴密的知識； 經驗不能直接應用于新的工藝過程。 存儲加工能力信息
7、的一種傳統(tǒng)方法是把它印刷成手冊。自動化的工藝過程設計是解決上述問題的另一種更有效的方法。,CAPP不僅能實現(xiàn)工藝過程 設計自動化，還可把生產實踐 中行之有效的若干工藝設計原 則及方法轉換成工藝設計決策 模型，并建立科學的決策邏輯， 從而編制出最優(yōu)的制造方案。 具有如下優(yōu)點： 可以降低對工藝人員的技能 要求； 可以減少工藝過程設計時間； 可以減少工藝過程設計費用； 可以編出一致性更好更精確 的工藝規(guī)程； 可以提高生產率。 正在研究的計算機輔助工 藝過程設計方式有兩種： 修訂式和創(chuàng)成式,二、修訂式CAPP系統(tǒng) 修訂式CAPP系統(tǒng)的基本概念 修訂式工藝過程設計系統(tǒng)利用零件的相似性來檢視現(xiàn)
8、有的工藝規(guī)程。 通常修訂式工藝過程設計系統(tǒng)有兩個工件階段： 準備階段對現(xiàn)有零件，利用成組技術的分類編碼系統(tǒng) 進行編碼、分類，接著把它們劃分成零件族，建立一個零件 族矩陣，為每個零件族準備好那些標準工藝規(guī)程。,生產階段根據該零件的設計要求，工藝過程設計員可以修改這個標準工藝規(guī)程，以形成一個適合于此零件的工藝規(guī)程。,零件族的建立與特征矩陣 把需要相似工藝過程的那些零件歸并成同一個零件族。 生產流程法 為便于描述工藝過程和以工藝分析為基礎建立零件族，通常采用一種工序代碼，用以表示每一道工序或幾道工序的工藝操作。,分類編碼法 利用成組技術中所述的特征碼位法和碼域法已可以為零件劃分零件族，但
9、為了便于應用計算機進行存儲和檢索，通常還需使用“特征矩陣”來描述零件或零件族的特征。 為了適應計算機的運行，標準工藝規(guī)程的內容均需確定一定的代碼。,,數據庫結構 實際應用的修訂式工藝過程設計系統(tǒng)，所需要的信息量是相當大的，它要存儲和檢索成千上萬的零件及工藝規(guī)程。 有三種方法可用來建立數據庫： 層次式、網絡式、關系式 修訂式系統(tǒng)的數據庫需要三種類型的數據文件： 零件族矩陣文件； 標準工藝規(guī)程文件； 工序代碼文件。,搜索過程 修訂式系統(tǒng)的本質是為相似零件檢索標準工藝規(guī)程。 搜索的結果是檢索到用一組工序代碼表示的標準工藝規(guī)程。 工藝規(guī)程編輯及參數選擇 在工藝規(guī)程發(fā)到車間之
10、前，需要對標準工藝規(guī)程進行某些修改，同時必須將加工參數加入到這個工藝規(guī)程中。有兩種類型：一是在數據庫中對標準工藝規(guī)程自身的編輯；另一個是零件工藝規(guī)程的編輯。,三、創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng) 創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的基本概念 創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是由計算機軟件系統(tǒng)，在沒有人工干預的條件下，根據加工能力知識庫和工藝數據庫中可利用的工藝信息，及各種工藝決策邏輯，自動設計出零件的工藝規(guī)程。 創(chuàng)成式設計方法有下列優(yōu)點： 能很快地生成一致性很好的工藝規(guī)程； 設計新零件將和設計現(xiàn)有零件的工藝過程一樣容易； 具有和自動設計系統(tǒng)及自動制造系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)CAD/CAM一體化的潛在 可能性。,,成功地實現(xiàn)創(chuàng)成式系統(tǒng)，要
11、求在下列關鍵問題上取得進展： 零件的信息必須用計算機能夠接受的形式完全準確地描述； 必須使計算機識別和獲取零件的工藝決策邏輯和工藝規(guī)程設 計邏輯； 工藝規(guī)程設計邏輯和零件信息描述數據必須合編入統(tǒng)一的加 工數據庫中。 將修訂式和創(chuàng)成式互相結合，綜合采用兩種方法的優(yōu)點，這種系統(tǒng)稱為半創(chuàng)成系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可能更為實用。,正向設計和反向設計 在創(chuàng)成式工藝過程設計中，系統(tǒng)必須定義一個初始狀態(tài)，以達到最終狀態(tài)（目標）。 反向設計原理在已開發(fā)的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)中得到了較多的應用。,初始狀態(tài)是毛坯，經過一定的加工方法和順序，最終加工出目標要求的零件形狀，這稱為正向設計。,從零件的最終幾
12、何形狀和技術要求開始分析，反向選擇合適的加工順序，每一次加工均可看作是一個填充過程，直至獲得毛坯，這稱為反向設計。,零件信息描述 成組編碼法 型面描述法把零件視為由若干種基本型面按一定規(guī)則組合而成，每種型面都可用一組特征參數給予描述。 基本型面：圓柱面、圓錐面及平面等。 復合型面：螺紋、花鍵、溝槽、滾花及齒形面等。 型面域：把零件上類似的型面合并為同一類別。 下圖所示描述系統(tǒng)的層次數為n，任一型面的代碼為C，則,所謂零件信息描述就是要把零件的幾何形狀和技術要求轉化為計算機能夠識別的代碼信息。,直接從CAD系統(tǒng)的圖形數據庫中獲取零件信息。 CAD信息描述與轉換方法： 線框造型用線元素相互連
13、接來表述零件形狀的方法。 表面造型特點在于描述零件表面幾何形狀特征。 1)平面 2)板狀柱面 3)直紋曲面 4)旋轉曲面 5)掃描曲面 6)網格曲面,實體造型在計算機內部，以實體來描述現(xiàn)實世界的物體?？梢圆捎貌煌奈矬w生成原理進行實體造型。如：體素法、平面輪廓掃描法、綜合定義法等。,創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的決策邏輯 決策邏輯確定了如何選擇各種加工 方法。 決策樹 優(yōu)點： 決策樹容易建立和維護，且比較直觀， 決策樹便于編程，其結構與軟件設計 的流程圖相似。,決策表 用符號來描述事件之間的邏輯依存關系的表格。,決策表一般是用兩條粗線或雙劃線分成四個區(qū)域，矩陣的每一列可以看成是一條決策規(guī)則。當某一
14、條件是真實的，則取值為T或Y，反之為F或N。,這各表格形式具有下列優(yōu)點： 邏輯關系表達明確清晰，格式緊湊，易于為非計算機專業(yè)人員 理解和使用。 易于檢查遺漏和邏輯上的一致性。 決策表和決策樹可以相互轉換，并容易適應條件的變化進行修改 與擴展。,第三節(jié) 現(xiàn)代制造技術,一、數控機床和加工中心 數控機床 數控機床是用代碼化的數字量來控制機床，按照事先編好的程序自動地控制機床各部分的運動。 數控機床的組成及其工作原理 由輸入介質、數控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)和機床等部分組成。,機床數控系統(tǒng)的類型 機床數控系統(tǒng)是一種能夠控制機床動作的裝置。 可分為： 開環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)
15、閉環(huán)控制系統(tǒng),加工中心 在這類機床上，工件經一次裝夾后，數控系統(tǒng)能控制機床自動地更換刀具，連續(xù)地對工件的各個加工面自動地完成銑削、鉆削、鏜削、鉸孔、功絲、車削等加工。 加工中心自動換刀裝置主要包括三部分： 刀庫用來儲存加工工件所需的刀具。 先刀機構該機構通過不同的尋址方式，從刀庫中選出所指定的刀 具，并把它送到換刀位置。 交換機構卸下主軸上剛用完的刀具，再裝上下一道工序要用的刀 具。,二、計算機數控與直接數控系統(tǒng) 計算機數控系統(tǒng) 也稱為存儲程序的數控系統(tǒng)。計算機數控系統(tǒng)是一種用一臺專用的存儲程序的計算機，按照存儲在計算機讀寫存儲器中的控制程序，來完成某些或全部基本數控功能的數
16、字控制系統(tǒng)。 主要有以下特點： 可靠性高 柔性強 易于實現(xiàn)機電一體化。,直接數控系統(tǒng) 也稱為計算機群控系統(tǒng)。是一組數控機床與一個共同的存儲器相聯(lián)接的系統(tǒng)，這個存儲器用來存儲零件程序和機床程序，并按照需要向各機床分配數據。,一個DNC系統(tǒng)包括一臺中心計算機及下述四種設備： 具有大容量存儲能力的緩沖存儲器； 控制臺包括各種人機接口設備； 遠距離數字通信的傳輸線路； 數控機床。 根據機床群與計算機聯(lián)結方式的不同，可分為： 間接型DNC系統(tǒng) 在已有的單臺數控機床基礎上，配上計算機聯(lián)成的系統(tǒng)。 直接型DNC系統(tǒng) 只有由伺服驅動電路和操縱臺組成的機床控制器，原來一般數控裝置中的插補運算等功能，全
17、部由中心計算機完成。 分布式DNC系統(tǒng),三、柔性制造系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)是適應多品種、中小批量機械生產方式的、由計算機控制的、以數控機床設備為基礎和以物料儲運系統(tǒng)連成的自動加工系統(tǒng)。,獨立制造島 利用計算機的巨大潛力把工藝、生產組織管理、制造過程三者有機地聯(lián)成一體。,柔性制造單元（FMC） 由一臺或少數幾臺CNC機床或MC機床組成，具有工件內部自動輸送能力，通常采用機器人或托盤轉換裝置裝卸和輸送工件。若干個FMC再加上外部物料輸送系統(tǒng)即可組成 柔性制造系統(tǒng)（FMS） 一種具有高度柔性的計算機直接控制的自動可變加工系統(tǒng)。,四、計算機輔助制造和計算機集成制造系統(tǒng) 計算機輔助制造（CAM）
18、計算機用于監(jiān)督和控制制造過程 計算機監(jiān)督制造過程 1)過程數據通知操作人員加以修正 2)機床設備數據確定最佳換刀規(guī)范及診斷故障 3)產品數據加工件數、生產批量及產品質量特征 計算機控制制造過程 計算機支持制造過程,計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS） CIMS的概念 將產品生產全過程的各子系統(tǒng)，通過計算機網絡有機地集合成一個整體，以實現(xiàn)生產的高度柔性化、自動化和集成化，達到高效率、高質量、低成本的生產目的。 CIMS的組成 CAD/CAPP/CAM系統(tǒng) 管理信息系統(tǒng)（MIS） CIMS的實施 實施CIMS要花巨大的投資，而且需要雄厚的技術基礎，以及一支強大的技術隊伍。計算機集成制造系統(tǒng)的發(fā)展水平和完善程度代表著機械制造業(yè)的發(fā)展水平。,
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