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計(jì)算機(jī)輔助制造 1.緒論 當(dāng)今的工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)是真正意義上的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。 高效的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)建立了一個(gè)我們每天都要參與的 “世界市場(chǎng)”。 對(duì)于任何工業(yè)化國(guó)家要參與這個(gè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，就必須采用一種適時(shí)的方式為其客戶提供經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過程設(shè)計(jì)進(jìn)行集成的重要性，在產(chǎn)品系統(tǒng)被怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。但是， 即使一種設(shè)計(jì)最終被落實(shí)， 制造業(yè)者一定愿意通過允許最后的工程設(shè)計(jì)變化，而沒有通過影響裝運(yùn)進(jìn)度表，或者改變產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)適應(yīng)他們的用戶。 大多數(shù)美國(guó)的生產(chǎn)公司基于趨向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助制（CAM）和CIM為他們的制造系統(tǒng)提供靈活性。今天，計(jì)算機(jī)用于制造已經(jīng)很平?！，F(xiàn)在不僅為零件生產(chǎn)設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，而且為零件從一臺(tái)機(jī)器運(yùn)送到另一臺(tái)機(jī)器的命令順序設(shè)計(jì)了制造系統(tǒng)，如圖（1），它還包含一個(gè)經(jīng)濟(jì)區(qū)域的制造經(jīng)濟(jì)計(jì)劃在美國(guó)和其他國(guó)家，手工產(chǎn)品總是還有一些市場(chǎng)的，此外真正的工業(yè)產(chǎn)品對(duì)于特殊的“one-of-a-kind”技術(shù)項(xiàng)目還是需要的。“one-of-a-kind”通過大量的貨物來(lái)表明、各種各樣的工業(yè)需要各種各樣的加工方法。 有些系統(tǒng)將看起來(lái)像我們的祖父母曾經(jīng)工作過的工廠，而其它則呈現(xiàn)出一種未來(lái)派的情景。在后文中，我們將展開討論柔性制造系統(tǒng)。 圖（1） 2.柔性制造系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)（FMS）像人們通常知道的那樣的，能使用一個(gè)可編程的制造系統(tǒng)自動(dòng)地生產(chǎn)各種各樣的產(chǎn)品。 自從亨利·福特率先提出并且使流水生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，我們就已經(jīng)能自動(dòng)執(zhí)行多種生產(chǎn)的生產(chǎn)。 不過，改變這些系統(tǒng)甚至只作較小的變動(dòng)，這些產(chǎn)品的生產(chǎn)都會(huì)變得相當(dāng)繁重。 當(dāng)其他機(jī)器或者零部件要經(jīng)過修理或者廢棄，以適應(yīng)這種蕭蕭的變化，整個(gè)機(jī)器才可能被引進(jìn)到系統(tǒng)。 在今天的競(jìng)爭(zhēng)性市場(chǎng)里，能適應(yīng)客戶的各種變化是很必要的。傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)以特征可劃分為以下兩種： 1.加工車間類型系統(tǒng)能生產(chǎn)多種產(chǎn)品，但是費(fèi)用高。 2.流水線能以合理費(fèi)用生產(chǎn)能大量產(chǎn)品， 但是僅局限于幾種不同零件的生產(chǎn)。 數(shù)控(NC)和機(jī)器人技術(shù)的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，這為我們提供了在最小準(zhǔn)備時(shí)間里，使機(jī)器的程序重新調(diào)定。NC機(jī)床和機(jī)器人是重新可編程序的制造系統(tǒng)的基本物理組成部分。 2.1.柔性制造系統(tǒng)的設(shè)備 2.1.1機(jī)床 為了滿足柔性制造系統(tǒng)定義的要求，該系統(tǒng)的基本工藝應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因?yàn)樽詣?dòng)化必須是可編程的，以適應(yīng)不同的產(chǎn)品要求，而易于改變，以及通用機(jī)床必須執(zhí)行這些工藝。計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）車削中心、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）加工中心、及機(jī)器人工作站構(gòu)成了這些設(shè)備。這些機(jī)器不僅僅是易于重新編程，同時(shí)也適應(yīng)置于刀具存儲(chǔ)系統(tǒng)及刀具更換器中的不同刀具。通常CNC加工中心備有60多把或更多刀具（銑刀、鉆頭、鏜刀等）。對(duì)于CNC車削中心，備有12把或更多的刀具（右車刀、左車刀、鏜桿、鉆頭等）。書動(dòng)機(jī)床的自動(dòng)換刀器及刀庫(kù)使它們對(duì)材料的工藝裝備作出自然的選擇。 零件必須在加工站點(diǎn)之間自動(dòng)化的移動(dòng)，采用了數(shù)種不同的物料輸送系統(tǒng)，把這些零件從一個(gè)站點(diǎn)輸送到另一個(gè)站點(diǎn)。物料輸送系統(tǒng)的選擇是數(shù)種系統(tǒng)特征函數(shù)。首先，物料輸送系統(tǒng)的選擇必須適應(yīng)零件（或許是零件的夾具）的負(fù)荷及批量。大型的、重型的零件需要大型的、強(qiáng)力的輸送系統(tǒng)，如滾子輸送、導(dǎo)向小車、軌道驅(qū)動(dòng)車輛系統(tǒng)。構(gòu)成的機(jī)床數(shù)量及機(jī)床布置也提供了另一種設(shè)計(jì)上的考慮。如果用單一的物料輸送機(jī)來(lái)運(yùn)送零件到系統(tǒng)內(nèi)的所有機(jī)床，則運(yùn)輸機(jī)的工作覆蓋面至少必須是和整個(gè)系統(tǒng)一樣大。通常一臺(tái)機(jī)器人定位于一兩臺(tái)機(jī)床或一個(gè)裝卸站。一臺(tái)輸送機(jī)或自動(dòng)導(dǎo)向車可以擴(kuò)大到數(shù)英里的工廠區(qū)域。物料輸送也可以以即時(shí)的方式將零件從一臺(tái)機(jī)床輸送到另一臺(tái)機(jī)床。如果系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)床耗費(fèi)大量的時(shí)間在等待輸送零件的到來(lái)，則其生產(chǎn)率是不會(huì)高地。如果有許多種零件包括在系統(tǒng)內(nèi)，而且這些零件要經(jīng)常輸送到機(jī)床上，物料系統(tǒng)要能夠支持這些活動(dòng)。通常由采用極快的輸送裝置或靠平行地使用幾種裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如：用一臺(tái)機(jī)器人支持一臺(tái)機(jī)床，而不是用一臺(tái)機(jī)器人運(yùn)送零件到系統(tǒng)內(nèi)的所有機(jī)床。 2.1.2刀具及夾具 用途多樣性是柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵，由此，在系統(tǒng)中使用的刀具必須能夠支持多種零件及產(chǎn)品的生產(chǎn)。在柔性制造系統(tǒng)中，使用專用的或成型刀具并不典型。使用成型刀具得到輪廓，通?？梢酝ㄟ^輪廓書空系統(tǒng)或標(biāo)準(zhǔn)的銑刀得到。標(biāo)準(zhǔn)的銑刀可以用于各種不同的零件而不是只能加工單一的輪廓。使用任何專用刀具其利潤(rùn)和成本的經(jīng)濟(jì)分析都是必須的，以確定最佳的刀具組合。然而，因書空機(jī)床僅有有限數(shù)量的刀具可供存取，極少數(shù)的刀具應(yīng)當(dāng)包括在內(nèi)。 柔性制造系統(tǒng)通常容易忽視的一個(gè)方面是所使用的夾具。因?yàn)閵A具是系統(tǒng)中工具的一部分。人們會(huì)爭(zhēng)議這樣一個(gè)事實(shí)，對(duì)系統(tǒng)中的夾具也應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。工件裝在創(chuàng)制出的“柔性?shī)A具”中，這種僅在幾年前才開始使用的夾具可以支持多種零件。許多柔性制造系統(tǒng)的獨(dú)特方面是零件裝在夾具（或隨行夾具）中而在系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)，夾具做成相同的尺寸，這樣物料輸送系統(tǒng)可以專門化去輸送單一的幾何形體，零件精確的定位在夾具上，同時(shí)隨同夾具從一個(gè)站點(diǎn)運(yùn)動(dòng)大另一個(gè)站點(diǎn)。這種類型的夾具，通常稱為隨行夾具?，F(xiàn)在所應(yīng)用的許多隨行夾具都加工出標(biāo)準(zhǔn)的T型槽，同時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)的夾具組件創(chuàng)建出適應(yīng)于切削加工的零件的定位及夾緊的條件。 3.柔性制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制 3.1 FMS構(gòu)架 FMS是一個(gè)必須被通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的設(shè)備和過程的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。 為了使控制FMS的任務(wù)更易處理，系統(tǒng)通常被分成一個(gè)個(gè)基于任務(wù)的階層。 已經(jīng)逐步成的標(biāo)準(zhǔn)之一的是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局(NIST)工廠控制階層。 (NIST以前叫國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局， NBS.) 這個(gè)階層由5 步組成， 在圖（2）表示了系統(tǒng)由物質(zhì)機(jī)器加工設(shè)備，圖（3）系統(tǒng)的最低的組成部分。 工作站設(shè)備恰好處于過程水平面存在并且起著預(yù)防綜合和設(shè)備接口的作用。 例如棘瓜固定設(shè)備和編程要素也是工作站的一部分。 工作站通常提供人力機(jī)器接口和機(jī)器零件接口。 而脫機(jī)程序適合NC那種易于AML給機(jī)器人工作的工作站水平。 小屋是在在機(jī)器之間的相互作用階層的單位，并成為系統(tǒng)的一部分。 小屋控制器提供了那些機(jī)器和物質(zhì)處理系統(tǒng)之間的接口。 照此，小屋控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的排序和調(diào)度部分。車間水平的集成和多房間重現(xiàn)生成了存貨清單的計(jì)劃和管理。 圖（2） 圖（3） 3.2 FMS安排和控制 柔性制造系統(tǒng)，像其他制造系統(tǒng)一樣，能區(qū)別出零件之間較大的復(fù)雜性。 這復(fù)雜性不僅包括系統(tǒng)中機(jī)器的數(shù)量和確定的數(shù)量， 而且包括那些復(fù)雜性的部分和控制要求的那些具體設(shè)備。一些FMS只要求有一個(gè)簡(jiǎn)單的可編程控制器就行了，而其它的還要求有復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在以后的章節(jié)里，還要提出一些FMS及其控制的例子。 最簡(jiǎn)單的FMS由一臺(tái)處理器、裝載/卸載區(qū)域和原料處理機(jī)(一個(gè)最簡(jiǎn)單的FMS可以只由一臺(tái)機(jī)器構(gòu)成)。 這系統(tǒng)的操作包括了往下的一個(gè)傳輸裝置。一旦零件被裝到機(jī)器上，機(jī)器人縮回到一個(gè)“安全的位置”，然后機(jī)器開始加工。 雖然這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，但是它例舉了幾種有趣的設(shè)計(jì)和必須考慮的控制部件。如果在系統(tǒng)中，只有一個(gè)部分在運(yùn)作，那么系統(tǒng)就只需要最小數(shù)量的開關(guān)和傳感器。系統(tǒng)所需要的是，所有傳輸帶上的零件使用同樣的方法定位。這還需要使機(jī)器人每一次都用同樣的定位方法能讓把零件裝在到數(shù)控機(jī)床上。在輸送裝置的末端發(fā)現(xiàn)有零件已到達(dá)的時(shí)候，需要一個(gè)行程或者微開關(guān)。