研究生课程CADCAM讲稿Ch计算机辅助制造与制造执行系统s.ppt

CAD/CAM基础理论与应用,机械工程及其自动化一级学科硕士生学位课,第6章 计算机辅助制造,CAD/CAM研究室,本章学习要点,掌握计算机辅助制造的基本概念和内涵,了解开放式CNC体系结构的特点和类型,了解数控编程及其相应的计算机辅助技术,了解制造执行系统的定义、特点以及网络化制造执行系统的配置和运行机制,3,1 计算机辅助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,1.4 CAM系统的网络化,4,1.1 基本概念,计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing,CAM）是指采用计算机及其交互设备辅助人类实现数控编程，并控制、监测、处理、变换、管理加工过程的一种技术,广义CAM是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动：工艺过程设计，工装设计，NC自动编程，生产作业计划，生产控制，质量控制等,狭义CAM是指NC程序编制，包括刀具路径规划，刀位文件生成，刀具轨迹仿真及NC代码生成等,5,1 计算机辅助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,1.4 CAM系统的网络化,6,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,制造装备数字化控制的实现经历了专用数控系统、计算机数控系统、开放式数控系统等多个发展阶段,数控指令的输入从“卡片与纸带读码机”、“磁带与磁盘计算机”发展到“数据文件直接的局域网和广域网传输”,制造装备对CAM技术的影响,新型的CNC机床包含了网络化接口、Web服务接口等功能，实现网络化的CAM技术有了制造装备方面的硬件保证,7,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,制造装备对CAM技术的影响（续）,日本Yamazaki Mazak公司的开放式CNC数控系统MAZATROL FUSION 640的人机界面和各种接口,8,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,检测、控制装置对CAM技术的影响,实现制造属性数据、制造过程数据、故障数据等能实现双向流动，特别是设备向高层管理计算机的流动,9,1 计算机辅助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,1.4 CAM系统的网络化,10,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,不同的产品模型对CAM技术的影响,产品模型是CAM系统的输入，不同的产品模型表达方式影响着CAM软件系统的开发方法,以快速成型机为例：用于加工零件输入的模型采用三角面片表示，形成了一种称之为STL文件格式的工业事实标准，基于快速成型加工的CAM系统将围绕该种零件模型进行加工辅助处理,CAM技术的实质是对制造信息的应用和处理,美国3D Systems的快速成型机,11,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,不同的产品模型对CAM技术的影响,12,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,制造信息处理模式对CAM技术的影响,CAM系统在支持制造的数控编程、加工调度、监测与质量控制过程中，采用不同的制造信息处理模式会产生不同的CAM系统开发逻辑与应用流程,在采用CAM系统辅助加工调度、监测与质量控制活动时，以制造设备为基点，制造信息处理模式有三种：,单机模式,以制造设备作为客户端节点,以制造设备作为服务器端节点,13,1 计算机辅助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,1.4 CAM系统的网络化,14,1.4 CAM系统的网络化,CAM系统网络化包含两层含义：CAM制造硬件的网络化与CAM软件的网络化,CAM制造硬件的网络化,制造设备的网络化接口问题（1）,制造装备的网络化接口是使制造设备网络化的基本要素。,传统的数控设备一般均具有RS232标准串口，这种标准串口用来实现传统设备的互联，以便完成数控指令网上传输、加工工况数据反馈等功能,当前新型数控制造装备均带有以太网接口，有些还带有不同类型的现场工业总线接口，为数控装备的互联提供支撑,15,1.4 CAM系统的网络化,制造设备的网络化接口问题（2）,16,1.4 CAM系统的网络化,数控制造装备在互联的过程中，需要网络互联协议的支持,对应于远程实时操作及抗干扰能力的网络包括早期用于制造系统互联的MAP网，以及现今广泛应用的工业现场总线、实时工业以太网等,目前已得到应用且列为IEC61158国际标准的现场总线有：（FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldIFP、ControlNet、SwiftNet）；工业实时以太网有EthernetIP、FF-HSE、ProfiNet、IDA等,制造设备的网络互联协议,CAM制造硬件的网络化,17,1.4 CAM系统的网络化,CAM软件的网络化（三种实现形式）,基于网络数据库的CAM集成,有效利用已有单机版CAM软件、且通过共享数据库实现制造数据分享的一种形式,由于涉及到制造数据的共享问题，因此必须给CAM软件附加若干辅助模块，如数据及库文件远程读写模块、数据库操作权限管理模块、数据一致性维护模块等,18,1.4 CAM系统的网络化,CAM软件的网络化（三种实现形式）,基于C/S结构的CAM软件,其出发点是将CAM软件划分为服务器端软件和客户机端软件两部分。服务器端软件实现CAM的功能，而客户机端CAM软件则实现基于用户图形界面的输入输出功能，常安装在制造装备的前端计算机中,基于C/S结构的CAM软件需要在客户端安装相关的软件，故使用该类软件受客户端地理位置的限定,19,1.4 CAM系统的网络化,CAM软件的网络化（三种实现形式）,基于B/S结构的CAM软件,其逻辑是将CAM软件安装在服务器端，在客户机端则不作任何安装。其运行可在任意地点的客户端通过Web浏览器完成，且相应的交互界面以Web页面、Java Applet或ActiveX控件等形式表现,CAM软件可安装在管理层的计算机中，亦可安装在底层的制造装备的前端计算机中。前一种安装方式指底层所产生的制造数据由高层采集、处理与发布；后一种安装形态指制造装备所产生的数据通过Web服务直接向外发布,20,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.3 数控的轴的概念,2.4 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.5 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,21,2.1 基本概念,开放式CNC体系结构伴随着个人计算机PC的出现而出现,原有专用数控系统在软硬件资源方面的局限性，无法适应数字化制造环节对模块化、可重构、可扩充等方面的要求，无法在数控系统的通用性、柔性、适应性和进一步的智能化、网络化方面提供支撑,开放式CNC系统的概念起源于上世纪80年代的美国，目前提出了不同的开放式CNC体系结构，典型的有：美国的下一代控制器NGC计划、欧盟的自动化系统开放式控制结构OSACA计划、日本的开放式控制器系统环境OSEC计划等,开放式CNC系统的特点：,能够在各种操作环境下运行,可与其他系统相互交流信息,能够给用户提供一种统一风格的交互方式,2.1 基本概念,23,2.1 基本概念,开放式CNC体系结构可归纳为三种类型：,在专用数控系统中嵌入PC的开放式CNC体系结构,基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,24,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,25,2.2 开放式CNC系统的体系结构,开放式数控系统（第六代数控系统）可通过两种方式实现：开放软件体系结构与开放硬件体系结构,开放软件体系结构,26,2.2 开放式CNC系统的体系结构,开放硬件体系结构,PLC、DSP运动控制卡,运动控制器产品供应商：美国的Delta Tau、Galil公司，德国的Dspace、Movtec公司等,27,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,28,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,计算机与数控机床之间的互联技术,计算机与数控加工设备的通信方式取决于数控系统的通信接口与协议。数控系统提供的通信接口有：异步串行通信接口，接口，现场总线接口，接口等,异步串行通信接口,RS232、RS422、RS485等，优点：方便，实现较容易；缺点：通信距离较近,DNC接口,可实现较远距离通信，具有出错反馈与在线实时修改功能，便于远程管理，但结构复杂，通用性差，软件开发难度大,MAP网或现场总线接口,通信速率快，可靠性高，可实现一些实时性很强的控制要求,29,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,开放式数控系统间、开放式数控系统与管理层间的互联技术,30,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,开放式数控系统间、开放式数控系统与管理层间的互联技术,31,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,32,2.4 数控的轴的概念,从三维几何空间看，一个物体在一个空间内沿X、Y、Z轴的平动和绕这三个轴的转动构成了该空间的六个基本轴运动对于数控机床，其数控的目标是在由主轴部件和进给部件组成的切削几何空间内控制轴运动及其轴运动间的联动,标准坐标系：右手笛卡尔坐标系各轴的回转运动及其方向用右手螺旋法则判定,33,2.4 数控的轴的概念,目前，最好的无冗余轴控制的数控设备之一为五轴五联动加工中心,数控机床的切削加工动作是通过轴运动或多轴联动产生的运动来完成。其中，多轴联动用于产生预定的运动轨迹,以CNC车削为例，需要控制的轴运动包括车床主轴的旋转运动、进刀方向和走刀方向两个直线运动,在车削螺纹时，需要在主轴旋转运动和沿进刀方向的直线运动间实现联动；车削锥面则需要在两个直线运动间实现联动,控制轴运动是数控加工的核心。在某种程度上，数控体系结构的开放性可由控制轴运动的实现方法的开放性决定,34,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,35,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,在基于运动控制卡的开放式数控机床中，轴运动是通过伺服电机驱动相关的执行机构完成的。运动控制卡则用于产生控制信号以便控制伺服电机实现相关的运动轨迹,运动控制卡含CPU，实时控制计算由其完成，而涉及到数控的非实时计算部分则可由PC机实现通过驱动器、I/O接口与各种伺服电机相联，伺服电机再驱动执行机构如运动平台按预定轨迹运动。运动的位置等误差则通过光栅元件进行检测并反馈以修正误差。,36,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,37,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,38,2.6 基于PC的开放式CNC体系结构,用于插接运动控制卡的PC机所使用的为通用非实时操作系统（如Windows/Linux等）,将PC机的操作系统改为实时操作系统（如Windows的RTX、RT-Linux等），且将运动控制卡的功能由基于实时操作系统的运动控制软件来实现，则构成了基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,实时任务进程、实时任务管理、硬件中断控制等技术是替代运动控制卡功能、完成系统实现的核心内容,39,2.6 基于PC的开放式CNC体系结构,该种开放式CNC体系结构依赖于计算机操作系统的结构。根据选择的不同操作系统，其可分为以下几种类型：,单PC机配置实时操作系统,数控软件的实现构架可规划为五个层次：应用API层、应用程序层、实时操作系统层、I/O接口层、数控设备层,双PC分别配置实时操作系统和通用操作系统,单PC分别配置实时操作系统和通用操作系统,40,2.6 基于PC的开放式CNC体系结构,41,3 数控编程与计算机辅助技术,3.1 数控机床编程基础知识,3.2 数控机床手工编程步骤,3.3 数控机床编程实例,3.4 计算机辅助数控编程,42,3.1 数控机床编程的基础知识,机床的坐标系,Z:以主轴轴线方向为坐标轴 Z方向，刀具远离工件方向为Z轴正向,X:水平面内垂直于工件方向为坐标轴X方向刀具远离工件方向为正方向,原点：车床的原点一般定义在主轴旋转中心与车头端面的交点或参考点上,以数控车床为例：,参考点：参考点为机床上的一个固定点。其位置由X和Z向的机械挡块决定,一般机床的原点与参考点重合，以上述原点与X轴Z轴建立直角坐标系，即为机床坐标系,43,3.1 数控机床编程的基础知识,工件坐标系,工件原点：工件原点是人为设定的点（设定依据：既符合图样的尺寸标注习惯，又便于编 程）,以坐标原点为原点，建立一个Z轴与X轴的坐标系，即为工件坐标系,车床工件原点：一般选择在工件的右端面、左端面、卡盘的前面,44,3.1 数控机床编程的基础知识,数控程序结构,45,F指令：F功能表示进给速度，进给速度使用F和其后面的若干数字来表示的。在G98条件下，F后数字表示mm/min（外圆加工）,在G99条件下，F后数字表示mm/r,（螺纹加工），在未指定情况下，默认为G98条件,T指令：T指令表示换刀功能，它是由字母T和其后的四位数字表示的，其中前两位数据表示刀具号，后两位数据表示刀具补偿号。每一刀具加工完成，必需取消刀补,S指令：S指令表示主轴转速，它是由S和其后的数字组成的，例如：S300表示主轴转速300转（此指令只能在具有主轴伺服机构的机床中使用）,3.1 数控机床编程的基础知识,数控编程F、T、S指令,46,3 数控编程与计算机辅助技术,3.1 数控机床编程基础知识,3.2 数控机床手工编程步骤,3.3 数控机床编程实例,3.4 计算机辅助数控编程,47,尺寸是否完整 产品精度、粗糙度等要求 产品材质、硬度等,3.2 数控机床手工编程步骤,产品图样分析,产品图样分析,工艺处理,数学处理,按指令系统编程,手工编程,计算机辅助,48,3.2 数控机床手工编程步骤,工艺处理,加工方式及设备确定 毛坯尺寸及材料确定 装夹定位确定 加工路径及起刀点、换刀点的确定 刀具数量、材料、几何参数的确定、切削参数的确定,切深,影响吃刀量的因素有粗、精车工艺。刀具强度、机床性能、工件材料及表面粗糙度,进给量,粗、精车工艺：粗车进给量应较大，以缩短切削时间：精车进给量应较小以降低表面粗超度。一般情况下，精车进给量小于02mm/r为宜，但要考虑刀尖圆弧半径的影响；粗车进给量大于0.25mm/r,49,3.2 数控机床手工编程步骤,工艺处理,进给量,机床性能：如功率及刚性,工件的装夹方式,刀具材料及几何形状,工件的材料,切削速度,影响切削速度的因素有：刀具材料、工件材料、刀具耐用度、切深与进给量。刀具形状、切削液及机床性能,50,3.2 数控机床手工编程步骤,数学处理,1)按规定格式编写程序 2)按“程序编辑步骤”输入程序，并检查程序 3)修改程序 用G92指令建立的坐标系，与起刀点位置有关，故程序中起点与终点位置最好一致，既坐标X、Z值相同 用G54指令建立的坐标系只与机床零点有关，与起刀点位置无关，故每次开机后至少应回一次参考点 当在G91指令状态下编程时，起点与终点位置最好一致，既X、Z轴正负增量为零,1)编程零点及工件坐标系的确定2)各节点数值计算,按指令系统编程,51,3 数控编程与计算机辅助技术,3.1 数控机床编程基础知识,3.2 数控机床手工编程步骤,3.3 数控机床编程实例,3.4 计算机辅助数控编程,52,3.3 数控机床编程实例,编程实例1：如右图，技术条件：该工件毛坯为26尼龙棒,要求六次循环加工完成，其中后五次的吃刀量为08mm(半径值)，该例为半径值编程O2001；(主程序程序名)N1 G92 X16 Z1；(建立坐标系)N2 G90 G00 Z0 M03；(快速移位)N3 M98 P0003 L6；(六次调用子程序)N4 G90 G00 Xl6 Z1；(回到起刀点)N5 M05；(主轴停)N6 M02；(主程序结束并复位)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 数控机床编程实例,编程实例2：该工件毛坯为26尼龙棒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 数控编程与计算机辅助技术,3.1 数控机床编程基础知识,3.2 数控机床手工编程步骤,3.3 数控机床编程实例,3.4 计算机辅助数控编程,55,3.4 计算机辅助数控编程,基于APT/EXAPT语言的数控辅助编程技术,工艺分析加工参数设置,几何分析,刀位轨迹生成,机床专用的后置处理,NC代码仿真,APT/EXAPT,几何元素定义语句；机床、刀具语句；允差语句；运动语句；后置处理语句；其它语句,56,3.4 计算机辅助数控编程,基于CAD的数控辅助编程技术,工艺分析加工参数设置,几何分析,刀位轨迹生成,机床专用的后置处理,NC代码仿真,CAD模型,标准NC代码,CAM软件,CAM模块：产品信息模型输入特征识别刀位与刀具偏置计算后处理,57,3.4 计算机辅助数控编程,STEP-NC与计算机辅助数控编程,为解决这方面的问题，一种新型的、含有高层语义信息的数控后置处理文件格式STEP-NC正由STEP标准的应用协议AP238所定义。它是CAM与CNC间的接口，其文件中的代码在量级上大致相当于传统数控文件中的G、M代码。AP238文件可由CAD/CAM系统自动产生，当AP238文件输入到CNC机床后，由STEP-NC控制器根据该文件直接驱动机床进行加工操作。,NC代码无特征信息、无工艺信息,STEP-NC控制器：1）STEP-NC解析器2）底层NC内核,58,3 数控编程与计算机辅助技术,3.1 数控机床编程基础知识,3.2 数控机床手工编程步骤,3.3 数控机床编程实例,3.4 计算机辅助数控编程,3.5 计算机辅助数控编程的关键技术,59,3.5 计算机辅助数控编程的关键技术,刀具轨迹的几何规划问题,60,考虑多场因素的刀具轨迹规划问题,3.5 计算机辅助数控编程的关键技术,*力场*温度场,多能域有限元分析技术,薄壁件加工特殊材料加工,61,自由曲面加工中刀具偏置问题,3.5 计算机辅助数控编程的关键技术,五轴联动复杂型面加工中的刀具偏置问题；四轴联动型面加工中的刀具偏置问题；三轴联动型面加工中的刀具偏置问题；,运动计算几何学,62,4 制造执行系统,4.1 制造执行系统的基本概念,4.2 制造执行系统的配置,4.3 基于制造执行系统的CAM扩展,4.4 加工过程质量控制的辅助技术,4.5 加工过程制造任务的调度技术,63,4.1 制造执行系统的基本概念,制造执行系统的概念源于20世纪90年代出发点：在企业级生产计划层和车间级生产的设备控制层之间搭建一座能无缝实现企业集成和制造管理的桥梁,通过信息传递、处理，对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行实时的优化管理。当制造现场发生实时事件时，MES能及时作出反应、报告，并用当前准确数据对其进行指导和处理,制造执行系统的定义,定义：（MES：Manufacturing Execution System）,64,4.1 制造执行系统的基本概念,其涉及到单个车间级或制造单元级制造现场的制造资源配置与它们之间的集成（硬件方面）以及在此基础上对相关“实时”信息的处理、交换和管理（软件方面）,作用：MES上联ERP/MRPII系统等，以获取生产与资源计划信息并上报执行状况；下联制造设备（群）过程控制，以传递制造指令并获取实时的制造工况数据、实现质量控制功能,从广义角度看，制造执行系统的软件部分可纳入到广义CAM技术的范畴,制造执行系统的软硬件划分,65,4.1 制造执行系统的基本概念,制造执行系统的体系结构,66,4.1 制造执行系统的基本概念,MES早期的起源来自于工厂内部的需求，作为承接ERP/MRPII的纽带，传统的MES即从车间级应用发展而来，即制造现场仅限定在一个制造车间层面上,随着网络化制造技术的发展，制造现场的概念被进一步拓展，跨工厂的制造执行系统亦已出现,制造现场可理解为在产品驱动的制造任务分配前提下，由若干个分布的工厂、一个工厂（若干车间）、一个车间（若干制造单元）的制造装备所配置出来的基于所制造产品的一个动态制造系统其形态伴随着所制造的产品的不同而不同，这给制造执行系统的软件开发带来了新的问题,制造执行系统的由来与趋势,67,4.2 制造执行系统的配置,制造执行系统的配置取决于制造单元配置技术的发展,在传统的定单驱动的制造企业组织模式下，企业内部以车间级为单位，并以机群式（单件小批量）、流水线式（大批量）等形成车间的制造布局形式。当车间接收产品订单，通过选择其中的部分工段、相关的制造装备构成面向订单的MES,这种MES配置方式缺乏柔性，不能适应现代生产技术的要求为此，基于DNC的数控设备互联、成组制造单元、自治制造单元、柔性制造单元等制造单元技术已被采用以支持MES的配置,制造执行系统硬件配置的发展历程,68,4.2 制造执行系统的配置,MES需从设备控制层获取实时的制造工况信息，而采用DNC则可达到目标,DNC是指采用一或多台计算机对多台数控机床进行集中控制与管理的一种方式。其目的包括：进行自上而下的NC代码的传输与管理 完成自低而上的设备工况汇集与处理,基于DNC的数控设备互联（1）,从硬件方面看，DNC联网可通过数控设备的RS232串口、标准以太网接口，并用现场总线或工业以太网及相关的交换机等进行互联,69,4.2 制造执行系统的配置,从软件方面看，DNC软件涉及到以下功能：,基于DNC的数控设备互联（2）,远程数控指令传输：包括支持“边传输，边加工”模式；CNC设备存储器的“分段Buffer”模式、数控指令“全下载（DNC服务器到CNC设备存储器）”、“全上载（CNC设备存储器到DNC服务器）”模式,数控指令编辑、仿真与管理,数控设备加工工况数据收集与处理。包括质量数据分析、设备运行状态数据分析等,数控设备的工况跟踪日志及管理。包括通讯、配置、加工工况历史记录等,典型的DNC软件包括Advanced DNC for Windows、Visual DNC、EXtremeDNC、DNC Professional等,70,4.2 制造执行系统的配置,一种根据零件相似性、设备负荷平衡等统计信息，按待加工零件族组织制造资源进行生产的一种单元技术，成组技术是其理论基础,成组单元的形成步骤描述如下：,成组制造单元（1）,建立零件编码系统，并对历史零件进行编码,采用成组技术中的相关零件聚类算法如“分枝-聚类”法、模糊匹配法等产生零件族,统计零件族中的零件加工特征的几何、精度要求范围，分析工序要求，并据此确定加工机床类型,根据加工历史统计，确认零件族的制造负荷量，从而确定单元机床数目,根据零件族中加工特征，安排机床的布局形式,71,4.2 制造执行系统的配置,成组制造单元（2）,采用成组制造单元进行加工活动时，其制造任务接收取决于待加工零件的零件族归属,例如，某企业选取某一典型生产时间段作为统计区间，进行产品、零件、工序、工时定额、机床负荷量等的统计，经采用成组技术形成零件族，设计出两个成组制造单元：,轴类加工单元：包括普通车床4台、NC车床1台、外圆磨床1台、立铣1台、钻床1台；,轮盘类加工单元：包括普通车8台、NC车床1台、外圆磨床1台、内圆磨床2台、平面磨床1台、万能铣床1台、钻床1台,72,4.2 制造执行系统的配置,自治制造单元,一种对外界制造任务具有自适应、智能化加工的一种单元。智能化制造技术是其基础理论,自治制造单元的自适应性和智能性表现在两个方面：一是在与外界交互方面，二是自身内部方面,在与外界交互方面，自治制造单元能“感知”外部制造任务，并主动出击力争获取制造任务。当所接受的制造任务正处于处理阶段时，能主动与相关外部环节“协调”，达到制造任务的优化完成,在自身内部方面，自治制造单元内部具备实时的制造质量控制调节能力和设备的自诊断能力等。根据制造任务当前加工工况的不同，可自动调节加工参数、进行刀具磨损预报，从而达到对零件加工精度的闭环补偿,自治制造单元的设备构成常为附带各种自适应及智能化附件的加工中心,73,4.2 制造执行系统的配置,柔性制造单元（1）,是面向单件、多品种零件的加工而提出的一种单元。提高针对不同工序的加工柔性、适应不同零件的加工能力柔性是设计柔性制造单元的关键,从硬件方面看，柔性制造单元包含制造装备、装夹与搬运装置、工件缓存站等,制造装备：包括各种加工中心（如车削加工中心、镗铣加工中心等）,装夹与搬运装置：包括机器人、托板传送装置等,工件缓存站：用于工件临时存放，并通过自动导向小车AGV、工件传送链等与外界进行工件交换,74,4.2 制造执行系统的配置,柔性制造单元（2）,75,4.2 制造执行系统的配置,柔性制造单元（3）,从软件方面看，柔性制造单元需两类软件支撑，一是单元调度与监控系统；二是单元计划与制造管理系统。这些软件隶属于广义CAM,柔性制造单元的软件所面向的求解对象是“工序”。所有操作均跟工序相关,单元监控涉及到设备状态检测与诊断、加工精度补偿等,单元调度涉及到工序排队、工序质量控制、工序加工相关的工况数据采集与分析等,单元计划涉及到相应的排产问题,制造管理则从全局的角度出发，以“工序”为关联单位，将加工过程的制造信息用统一的数据库形式进行管理，并对加工过程进行跟踪,76,4.2 制造执行系统的配置,制造执行系统的网络化,依赖于制造装备的网络接口、制造单元的网络化，将制造单元进行互联的网络类型与协议,用于支持MES进行网络互联的技术包括现场总线技术和工业实时以太网技术,由于与Internet的兼容问题，工业实时以太网的应用场合正在增加。其思路是：对在本地的制造单元或制造执行子系统采用工业以太网互联；分布在异地的不同单元或子系统间采用Internet互联,硬件方面：,77,4.3 基于制造执行系统CAM扩展,ERP软件将产品生产需求、BOM、工艺文件等传递到MES软件中,制造执行过程中的在线制造数据交互（1）,经MES软件处理，短期生产计划、生产指令单、零件清单、生产优化运行参数等被传递到底层制造监控软件,根据接收的信息，底层制造系统运行并产生实时的工序进展信息、设备运行参数、物料使用状态等制造数据，然后实时地上传到MES软件中,经MES软件处理，实时制造数据被上传到ERP软件中，从而完成在线制造数据交换工作,制造执行系统是ERP/MRPII与底层制造监控系统间的桥梁，而制造执行系统对应的软件功能涉及到制造执行过程中的在线制造管理，该内容可作为广义CAM的扩展,78,4.3 基于制造执行系统CAM扩展,制造执行过程中的在线制造数据交互（2）,数据流动示意：,79,4.3 基于制造执行系统CAM扩展,面向制造执行系统的扩展CAM,面向制造执行系统的扩展CAM软件可划分为五大模块：动态资源管理模块 实时生产管理模块 作业计划和调度模块 质量控制与管理 系统内部管理模块其中，前两个模块分别与ERP层和制造监控层相联,80,4.4 加工过程质量控制的辅助技术,可移动Faro测量臂,Renisahaw测头系统（CNC系统配套）,Keyence LK-G150H长距离位移测量装置,刀具,工件,自制可移动激光测量装置,物理量,几何量,加工设备,航空发动机叶片,振动点检装置,无线应变测量传感器,影响“设备-刀夹具-工件”系统内加工精度动态损失的原因本工序内中间与最终的工件误差结果,工控机,81,4.4 加工过程质量控制的辅助技术,工序驱动的数模与工序测量结果的比对,面向加工工序流的工件数字模型,毛坯数模,工序1数模,工序i数模,工序n数模,工序1内中间状态数模,工序1内中间状态数模,工序1内中间状态数模,工序调整,工序维护,面向加工工序流的工件动态精度损失量、工件误差在线/在位测量与数据处理,82,4.4 加工过程质量控制的辅助技术,83,4.4 加工过程质量控制的辅助技术,通用控制图数学模型,1、控制限变换,2、随机变量y的标准变换,84,4.4 加工过程质量控制的辅助技术,运行示例,85,4.5 加工过程制造任务的调度技术,制造单元的调度模型,86,4.5 加工过程制造任务的调度技术,基于GA的调度算法设计,87,4.5 加工过程制造任务的调度技术,88,4.5 加工过程制造任务的调度技术,89,4.5 加工过程制造任务的调度技术,90,4.5 加工过程制造任务的调度技术,基于GA的物理制造单元调度算法仿真,本章总结,CAM的基本概念和内涵,介绍了开放式CNC体系结构的特点、功能和类型,制造执行系统的概念与关键使能技术,介绍了数控编程及其相应的计算机辅助技术,92,本章结束,Thank You！,