第3章-计算机辅助与综合自动化技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第3章 计算机辅助与综合自动化技术,第3章 计算机辅助与综合自动化技术,3.1,CAD/CAPP/CAM,一体化技术,3.2,制造模拟仿真技术,3.3,工业机器人,(,Industrial Robot),3.4,柔性制造系统,3.5,虚拟轴机床技术,3.6,生产物流技术,3.1,CAD/CAPP/CAM,一体化技术,3.1.1,CAD,技术,1概述,究竟什么是,CAD,？,CAD,技术可以从两个角度给予定义。,(1),CAD,是一个过程。“工程技术人员以计算机为工具，运用各自的专业知识，完成产品设计的创造、分析和修改，以达到预期的设计目标。”,(2),CAD,是一项产品建模技术。“,CAD,技术把产品的物理模型转化为产品的数据模型，并将之存储在计算机内供后续的计算机辅助技术所共享，驱动产品生命周期的全过程。”,图,3-1,CAD,技术过程流程,CAD,的功能一般可归纳为四类：几何建模、工程分析、动态模拟、自动绘图。一个完整的,CAD,系统，由科学计算、图形系统和工程数据库等组成。科学计算包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计等。图形系统包括几何造型、自动绘图,(,二维工程图、三维实体图,),和动态仿真等。工程数据库对设计过程中需要使用和产生的数据、图形、文档等进行存储和管理。,2,CAD,系统的组成,典型的,CAD,系统的构成如图,3-2,所示。当然，对于不同类型产品的不同要求，所需的,CAD,系统硬件也会有所不同。,图,3-2,CAD,系统的组成,目前的,CAD,根据所用计算机的规格性能，大致分为以下四个层次。,(1),基于大中型计算机的,CAD,系统。所需投资费用较昂贵，只有大的公司、企业才承担得起。例如，在大型汽车制造公司，可采用这种系统进行车身外形、车体及底盘结构、模具等的设计。它可以模拟车辆在各种条件下的状态，分析车辆的安全性及其它性能。通过在屏幕显示，设计人员可对车身或模具任意部位的设计进行修改，直至满意，然后输出设计图纸及全套技术文件。,(2),成套系统。它是基于中小型计算机的,CAD,系统，由,CAD,供应商根据企业要求提供全部硬件及软件，企业人员只要经过培训即可投入使用。,(3),基于工作站的,CAD,系统。它具有较强的图形及网络功能。,(4),基于微机的,CAD,系统。微机价格低廉，配以图形显示终端、绘图机、打印机及图形输入板,(,数字化仪,),等，就能构成一个基本的,CAD,工作站。它可以满足初步的计算机辅助设计要求。目前微机的价格低，而性能接近早期的工作站。所以，目前发展以微机为基础的,CAD,，,使众多的中小型企业能开展针对本企业产品的,CAD,，,有很大的意义。,3.1.2,CAPP,技术,1,CAPP,的产生,CAPP,是计算机辅助工艺设计,(,Computer Aided Press Planning),的简称。工艺设计是生产准备工作的第一步，也是连接产品设计和产品制造之间的桥梁。工艺规程是进行工装设计制造和决定零件加工方法及加工路线的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高劳动生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件都有直接的影响，因此是生产中的关键工作。,工艺设计必须分析和处理大量的信息，既要考虑产品设计图上有关结构形状、尺寸公差、材料及热处理以及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本及工时定额，甚至传统习惯等方面的信息。工艺设计包括查阅资料和手册，确定零件的加工方法，安排加工路线，选择设备、工装、切削参数，计算工序尺寸，绘制工序图，填写工艺卡片和表格文件等工作。,2,CAPP,的类型,1)派生式,CAPP,系统,根据成组技术相似性原理，如果零件的结构形状相似，则它们的工艺规程也有相似性。对于每一个相似零件组，可采用一个公共的制造方法来加工。这种公共的制造方法以标准工艺的形式出现，它可以集中专家、工艺人员的集体智慧和经验及生产实践的总结制订出来，然后存储在计算机中。当为一个新零件设计工艺规程时，从计算机中检索标准工艺文件，然后经过一定的编辑和修改就可以得到该零件的工艺规程。,2)创成式,CAPP,系统,创成式,CAPP,系统是指由计算机软件系统根据加工能力知识库和工艺数据库中加工工艺信息和各种工艺决策逻辑，自动设计出零件的工艺规程。该系统的原理是让计算机模拟工艺人员的逻辑思维能力，自动进行各种决策，选择零件的加工方法，安排工艺路线，选择机床、刀具、夹具，计算切削参数和加工时间、加工成本，以及对工艺过程进行优化。人的任务仅在于监督计算机的工作，并在计算机决策过程中做一些简单问题的处理，对中间结果进行判断和评估等。,3)混合式,CAPP,系统,混合式,CAPP,系统是将派生式和创成式互相结合，综合采用两种方法的优点。它沿用派生式为主的检索编辑原理；当零件不能归入系统已存在的零件族时，则转向创成式工艺设计，或在工艺编辑时引入创成式的决策逻辑原理。目前世界各国研制出的号称创成式的,CAPP,系统，实际都属于这一类型，它们仅具有有限的创成功能。,评价一个,CAPP,系统水平的高低，不在于创成的决策数目多少，而在于能否不依赖于工艺人员的知识与经验，自动可靠地编制出高质量的工艺规程。企业开发,CAPP,系统时，应针对自己的产品和生产条件，从实际需求与效果出发，处理好“创成”、“检索”、“选择”、“规定”的关系。,3,CAPP,的发展趋势和存在的问题,1)存在的问题,(1),零件信息的描述与输入问题。实际上就是一个,CAD,与,CAPP,的集成问题，它直接关系到,CAPP,系统能否真正实用化和商品化。事实证明，在,CAD,系统出图纸后，由,CAPP,系统使用者对照已有的图纸手工再次输入零件信息的方法，在生产中是不受欢迎的。,(2),CAPP,系统的通用性问题。,工艺设计是一项个性很强的工作，由于工艺决策问题本身的复杂性，其制约的因素很多且不易把握，导致设计,CAPP,系统十分费力费时。想解决,CAPP,系统的通用性问题，就必须解决,CAPP,系统结构、方法上的许多基础问题，解决工艺设计过程中的大量规范化、标准化的问题。,(3),CAPP,系统的柔性问题。,CAPP,系统的应用环境千差万别，,CAPP,开发者应向用户提供多种设计手段，以满足用户的不同需求。,(4),工艺决策数据与知识的获取、表达和相应数据库与知识库的建造问题。如何组织和管理这些信息，并便于扩充和维护，使之适用于各种不同企业和产品，是,CAPP,系统需迫切解决的问题。,(5),探索和研究有效的工艺决策方法和系统结构等问题。,(6),工序尺寸的自动确定和工序图自动生成问题。,2),CAPP,系统的发展趋势,纵观先进制造技术与先进制造系统的发展可以看出，未来的制造业是集成化和智能化的敏捷制造和“全球化”、“网络化”制造，未来的产品是基于信息和知识的产品，而,CAPP,系统的智能化、集成化和广泛应用是实现产品工艺过程信息化的前提，是实现产品设计与产品制造全过程集成的关键性环节之一。,(1),集成化趋势。计算机集成制造是现代制造业的发展趋势。因此，未来的,CAPP,系统除了与,CAD,和,CAM,集成以外，还应能与制造自动化系统,MAS,、,管理信息系统,MIS,以及质量检测与控制系统,CAQ,等集成，这种集成已不是普通意义上的集成，而是统一在工程数据库上的集成。近几年，人们还提出了面向并行工程的,CAPP,系统等，在,CIMS,环境下，,CAPP,系统接收来自,CAD,的产品总体信息、几何结构信息以及精度、粗糙度等工艺信息，进行工艺规划，并向,CAD,反馈产品结构的工艺评价结果；向,CAM,提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数和数控加工指令，并接受,CAM,反馈的工艺修改意见；,向,MIS,提供工艺路线、设备、工装、工时、材料定额等信息，并接受,MIS,发出的技术准备计划、原材料库存、刀量具状况、设备变更等信息；向,MAS,提供各种工艺规程文件以及夹具、刀具等信息，并接受,MAS,的刀具使用报告和工艺修改意见；向,CAQ,提供工序、设备、工装等工艺数据，以及生成质量控制计划和质量检测规程，接受,CAQ,反馈的控制数据，用以修改工艺规程。,(2),工具化趋势。通用性问题是,CAPP,系统面临的最主要的难点之一，也是制约,CAPP,系统实用化和商品化的一个重要因素。为解决生产实际中变化多端的问题，力求使,CAPP,系统也像,CAD,系统那样具有通用性，有人提出了,CAPP,专家系统建造工具的思路。工具化思想主要体现在以下几个方面：,工艺设计的共性与个性分开处理，使,CAPP,系统各工艺设计模块与系统所需的工艺数据与知识或规则完全独立。工艺设计的共性问题由系统开发者完成，即将推理控制策略和一些公用的算法固定于源程序中，并建立公用工艺数据与知识库。个性问题由用户根据实际需要进行扩充和修改。,工艺决策方式多样化。系统的工艺设计是通过推理机实现的，单一的推理控制策略不能满足用户的需要，系统应能给用户提供多种工艺设计方法。,具有功能强大、使用方便和统一标准的数据与知识库管理平台。,智能化输出。系统除了可按标准格式输出各种工艺文件外，还可输出由用户自定义的工艺文件。,(3),智能化趋势。,CAPP,所涉及的是典型的跨学科的复杂问题，不仅业务内容广泛、性质各异，而且许多决策大大依赖于专家个人的经验、技术和技巧。另一方面，制造业生产环境的差别也非常显著，要求,CAPP,系统具有很强的适应性和灵活性。依靠传统的过程性软件设计技术，如利用判定表或判定树进行工艺决策软件的设计等，已远远不能满足工程实际对,CAPP,的需求。而专家系统技术以及其他人工智能技术在获取、表达和处理各种知识的灵活性和有效性方面给,CAPP,的发展带来了生机。,3.1.3,CAM,技术,CAM,是计算机辅助制造,(,Computer Aided Manufacturing),的简称，是指任何在计算机控制下的自动化控制过程。它源于,20,世纪,40,年代末到,50,年代数控机器的发展。,1952,年研制成功数控机床，,1955,年在通用计算机上研制成功自动编程系统，实现了数控编程的自动化，这标志着柔性制造时代的开始，成为,CAM,硬软件的开端。,CAM,的定义有广义和狭义之分。广义的,CAM,是指利用计算机辅助完成从原材料到产品的全部制造过程，其中包括直接制造和间接制造两个过程，涉及计算机辅助制造的环境，辅助设计和辅助制造的衔接，计算机辅助零件信息分类和编码的成组技术,(,GT),，,计算机辅助工艺设计和工艺规划,(,CAPP),，,计算机数控技术,(,CNC),，,计算机辅助工装设计，计算机辅助质量管理和质量控制，计算机辅助数控编程，计算机加工过程仿真，数控加工工艺，计算机加工过程监控等。从狭义讲，,CAM,就是计算机辅助机械加工,(,Computer Aided Machining),，,更明确地讲也就是数控加工，它的输入信息是零件的工艺路线和工序的内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹和数控加工程序，其核心是数控编程和数控加工工艺的设计。计算机辅助制造是先进制造技术的重要组成部分和基础内容，而数控编程和数控加工则是计算机辅助制造的核心内容。,1),CAM,直接应用,(1),计算机过程监视系统。在这类系统中，计算机通过与制造系统的直接接口来监视系统的制造过程及其辅助装备的工作情况，并随时采集制造过程中的数据，以监视制造系统的运行状况。但在这种系统中，计算机并不直接对制造系统的制造过程中的各个工序进行控制，这些控制工作将由系统的操作者根据计算机给出的信息去手工完成，例如数显系统、坐标测量系统、切削力实时测量系统等。,(2),计算机过程控制系统。这类系统不仅对制造系统进行监视，而且还对制造系统的制造过程和辅助装备实行控制，如数控机床上的计算机数字控制就属于此类。,2),CAM,间接应用,CAM,的间接应用中，计算机不直接与制造过程连接，只是用计算机作为制造过程的支持。此时，计算机是“离线”或“脱机”的，它只是用来提供生产计划、作业调度计划、发出指令及有关信息，以便使生产资源的管理更为有效。这些支持包括：,计算机辅助,NC,编程为,NC,机床准备加工零件用的控制程序。,计算机辅助编制物料需求计划计算机用于确定原材料和外购件的采购和订货时间以及确定完成生产计划所需订购的数量。,计算机辅助车间控制计算机用于收集和整理工厂数据，并确定各不同车间进度计划。,3.1.4,CAD/CAPP/CAM,集成技术,1.,CAD/CAPP/CAM,集成技术概述,CAD/CAPP/CAM,集成技术是一项利用计算机帮助人完成设计与制造任务的新技术。它是随着计算机技术、制造工程技术的发展和需求，从早期的,CAD,、,CAPP,、,CAM,技术发展演进而来的。这种技术将传统的设计与制造彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发，实现信息处理的高度一体化。同时，它也是制造自动化技术的方向,CIMS,的主要组成部分。,计算机集成制造系统,CIMS,是现代制造技术的重要发展方向，而实现,CAD/CAPP/CAM,集成是实现,CIMS,的重要条件。,CAD/CAPP/CAM,集成是指将计算机辅助产品设计,(,CAD),、,计算机辅助工艺过程设计,(,CAPP),、,计算机辅助制造,(,CAM),以及零件加工等有关信息实现自动传递和转换的技术。,CAD,、,CAPP,和,CAM,分别在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自动化方面起到了重要作用。但是，这些各自独立的系统不能实现系统之间信息的自动传递和交换。用,CAD,系统进行产品设计的结果，只能输出图纸和有关的技术文档，这些信息不能直接为,CAPP,系统所接受。进行工艺过程设计时，还需由人工将这些图样、文档等纸面上的文件转换成,CAPP,系统所需的输入数据，并通过人机交互的方式输入给,CAPP,系统进行处理，输出零件加工的工艺规程。利用独立的,CAM,系统进行计算机辅助数控编程时，同样需要用人工将,CAD,或,CAM,输出的纸面文件转换成,CAM,系统所需的输入文件和数据，然后再输入,CAM,系统。,2,CAD/CAPP/CAM,系统,集成方式,CAD/CAPP/CAM,系统,的集成是通过不同数据结构的映射和数据交换，利用各种接口将,CAD/CAPP/CAM,的各应用程序和数据库连接成一个集成化的整体。,CAD/CAPP/CAM,的集成涉及网络集成、功能集成和信息集成等诸多方面，其中信息集成是,CAD/CAPP/CAM,集成的核心。目前,CAD,CAM,信息集成一般可由如下三种方式实现。,(1),通过专用格式文件的集成方式。在这种方式下，对于相同的开发和应用环境，可在各系统之间协调确定数据格式的文件层次上实现系统间的互联；而在不同的开发和应用环境下，则需要在各系统与专用数据文件之间开发专用的转换接口进行前置或后置处理，其集成方法如图,3-3,所示。该数据交换方式原理简单，转换接口程序易于实现，运行效率高，但无法实现广泛的数据共享，数据的安全性和可维护性较差。,F,前处理器；,R,后处理器,图,3-3,通过专用格式文件的集成方式,(2),通过标准格式数据文件的集成方式。在这种方式下，采用统一格式的中性数据文件作为系统集成的工具，各个应用子系统通过前置或后置数据转换接口进行系统间数据的传输，其实现方式如图,3-4,所示。在这种集成方法中，每个子系统只与标准格式的中性数据文件打交道，无需知道另外的系统细节，由此减少了集成系统中的转换接口数，并降低了接口维护难度，便于应用者的开发和使用，是目前,CAD/CAM,集成系统应用较多的方法之一，许多图形系统的数据转换就是采用中性的标准格式数据文件，如,IGES,、,DXF,等。,(3),利用公共工程数据库进行系统集成。这是一种较高层次的数据共享和集成方法，各子系统通过用户接口按工程数据库要求直接存取或操作数据库。采用工程数据库及其管理系统实现系统的集成，既可实现各子系统之间直接的交换，加快了系统的运行速度，又可集成系统而达到真正的数据一致、准确性、及时性和共享性。该集成方法原理如图,3-5,所示。,F,前处理器；,R,后处理器,图,3-5,利用工程数据库的集成方式,3,CAD/CAPP/CAM,系统集成的关键技术,CAD/CAPP/CAM,系统的集成就是按照产品设计与制造的实际进程，在计算机内实现各应用程序所需的信息处理和交换，形成连续的、协调的和科学的信息流。因而，产生公共信息的产品造型技术、存储和处理公共信息的工程数据库技术、进行数据交换的接口技术、对系统的资源进行统一管理、对系统的运行进行统一组织的执行控制程序以及实现系统内部的通信和数据等，构成了,CAD/CAPP/CAM,系统集成的关键技术。这些技术的实施水平将成为衡量,CAD/CAPP/CAM,系统集成度高低的主要依据。,1)产品建模技术,为了实现信息的高度集成，产品建模是非常重要的。一个完善的产品设计模型是,CAD/CAPP/CAM,系统进行信息集成的基础，也是,CAD/CAPP/CAM,系统中共享数据的核心。传统的基于实体造型的,CAD,系统仅仅是产品几何形状的描述，缺乏产品制造工艺信息，从而造成设计与制造信息彼此分离，导致,CAD/CAPP/CAM,系统集成的困难。将特征概念引入,CAD/CAPP/CAM,系统，建立,CAD/CAPP/CAM,范围内相对统一的、基于特征的产品定义模型，该模型不仅支持从设计到制造各阶段所需的产品定义信息,(,信息包括几何信息、工艺信息和加工制造信息等,),，,而且还提供符合人们思维方式的高层次工程描述语言特征，能使设计和制造工程师用相同的方式考虑问题。它允许用一个数据结构同时满足设计和制造的需要，这就为,CAD/CAPP/CAM,系统提供了设计和制造之间相互通信和相互理解的基础，使之真正实现,CAD/CAPP/CAM,系统的一体化。因而就目前而言，基于特征的产品定义模型是解决产品建模关键技术的比较有效的途径。,2)集成的数据管理技术,随着,CAD/CAPP/CAM,技术的自动化、集成化、智能化和柔性化程度的不断提高，集成系统中的数据管理问题日益复杂，传统的商用数据库已满足不了上述要求。,CAD/CAPP/CAM,系统的集成应努力建立能处理复杂数据的工程数据处理环境，使,CAD/CAPP/CAM,各子系统能够有效地进行数据交换，尽量避免数据文件和格式转换，清除数据冗余，保证数据的一致性、安全性和保密性。采用工程数据库方法将成为开发新一代,CAD/CAPP/CAM,集成系统的主流，也是系统进行集成的核心。,3)产品数据交换接口技术,数据交换的任务是在不同的计算机之间、不同操作系统之间、不同数据库之间和不同应用软件之间进行数据通信。为了克服以往各种,CAD/CAPP/CAM,系统之间，甚至各功能模块之间在开发过程中的孤岛现象，统一它们的机内数据表示格式，使不同系统间、不同模块间的数据交换顺利进行，充分发挥用户应用软件的效益，提高,CAD/CAPP/CAM,系统的生产率，必须制定国际性的数据交换规范和网络协议，开发各类系统接口。有了这种标准和规范，产品数据才能在各系统之间方便、流畅地传输。,4)集成的执行控制程序,由于,CAD/CAPP/CAM,集成化系统的程序规模大、信息源多、传输路径不一，以及各模块的支撑环境多样化，因而没有一个对系统的资源统一管理、对系统的运行统一组织的执行控制程序是无法实现的。这种执行控制程序是系统集成的最基本要素之一。它的任务是把各个相关模块组织起来，按规定的运行方式完成规定的作业，并协调各模块之间的信息传输，提供统一的用户界面，进行故障处理等工作。,3.2,制造模拟仿真技术,3.2.1,模拟仿真技术的内涵,仿真,(,Simulation),顾名思义就是模拟真实系统，即是通过对模拟系统的实验去研究一个存在或设计中的系统。计算机仿真技术是以计算机为工具，对工程过程进行仿真建模、数值模拟、结果显示与处理的技术，也就是通常所说的,CAE,技术。它是,CAD/CAM,系统的重要组成部分。,对于机械产品的设计来说，仿真建模主要是用现代力学的理论和方法对产品的使用过程、生产过程及事故过程等进行数学描述，并根据数值模拟方法的要求将所涉及的工程过程的几何、物理等参数进行量化。,数值模拟是根据仿真模型的特点选择合适的数值求解技术，对仿真过程进行求解；其目前应用最广泛的方法包括有限元法,(,FEM),和有限差分法,(,FDM),等。,结果显示与处理就是将数值模拟的结果经可视化处理得出工程上有意义的量和结论。,仿真技术的本质是对真实的物理、化学系统或其他系统在某一层次上的抽象，在这个抽象出来的模型上，可以更高级、更灵活、更安全地对系统进行设计和了解。,人们在使用仿真系统时，希望在仿真系统中与在真实系统中所得到的感受尽可能的相同，同时希望能够沉浸在仿真系统之中，并能通过自然感官功能与仿真系统进行交互作用。也就是说，用户需要仿真系统具有身临其境的逼真感。另一方面，某些实际应用领域希望从仿真系统中得到真实世界中无法亲身体验到的感受，从而能突破物理空间和时间的限制，避开危及生命和环境的危险而又真切地体会和感受到某一过程。也就是说，需要仿真系统具有超越现实的虚拟性。这些客观需求推动了一种新兴的技术虚拟现实,(,Virtual Reality,，,VR),技术的发展。,3.2.2,模拟仿真技术的地位与作用,1,模拟仿真技术的作用,(1),可以替代许多难以或无法实施的实验。,(2),解决一般方法难以求解的大型系统问题。,(3),降低投资风险、节省研究开发费用。,(4),避免实际实验对生命、财产的危害。,(5),缩短实验时间，不受时空限制。,2,模拟仿真技术的应用,模拟仿真技术是,CAD/CAPP/CAM,系统中的重要技术之一。它主要应用于：,(1),产品形态仿真。例如，产品的结构形状、外观、色彩等形象化的属性。,(2),装配关系仿真。例如，零件之间装配关系与干涉检查，车间布局与设备、管道安装，电力、供暖、供气、冷却系统与机械设备布局规划等。,(3),运动学仿真。模拟机构的运动过程。,(4),零件工艺过程仿真。根据工艺路线的安排，模拟零件从毛坯到成品的金属去除过程，检验工艺路线的合理性、可行性和正确性。,(5),加工过程仿真。例如，数控加工自动编程后的刀具运动轨迹模拟，刀具与夹具、机床的碰撞干涉检查，切削过程中刀具磨损、切屑形成，工件表面的加工生成等。,(6),生产过程仿真。例如，产品制造过程仿真，模拟工件在系统中的流动过程，展示从上料、加工、换位一直到成品入库全部过程。,3.2.3,模拟仿真与虚拟设计技术的发展趋势,模拟仿真与虚拟设计技术的发展趋势体现在如下方面：,建模,/,仿真方法学、仿真计算机和仿真软件将仍然是计算机仿真技术中的重要课题。,科学计算的可视化,(,VISC,，,Visualization in Scientific Computation),作为仿真的重要基础将进一步向深入方向发展。,为了适应,VD,环境的要求，高质量地跟踪和控制仿真模型运行的方式将有很大发展；鉴于网络环境是由多台处理机(异构或同构)连接而成的分布仿真系统，将可支持多个子仿真系统的任务协调统一执行。分布仿真系统将成为我国电力、邮电、铁路、金融等行业的通用技术。,面向对象的建模仿真技术将逐步发展到面向特征、面向产品的加工和装配等；并发仿真环境将作为并行设计技术的一种支撑技术而形成通用的支撑系统；专家系统、模糊决策和人工神经网络技术将全面引入仿真系统。在仿真建模、仿真实验设计、仿真结果分析和模型的修正及维护等多个方面将大大提高仿真系统的适应性和仿真的准确性，形成高效的智能仿真系统。,VR,技术将很快进入一个快速发展时期，其主要趋势是头盔式显示器,(,HMD),等可视化设备、人体,(,或四肢,),方位跟踪系统、触觉系统等,VR,专用硬件将全面上市，其性能价格比会迅速提高。,VR,技术所需求的高性能计算机将以用户可以接受的价格出现。,VR,设备驱动软件和用新型传感装置测得大量数据的高效处理软件也将面市。,ISO,标准化组织将推出有关的信息交换标准。,VR,技术在,2010,年左右将普遍应用，但由于对人脑思维和人体行为的基础研究难以在短时期内突破，故,VR,技术还会有一个较长的发展时期。,仿真技术和,CAD/CAPP/CAM,发展的更高阶段是虚拟制造技术。利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的“自然”环境，人们的视觉、触觉和听觉都与实际环境接近。人们在这样的环境中进行产品的开发时，可以充分发挥技术人员的想象力和创造力，相互协作发挥集体智慧，大大提高产品开发的质量和缩短开发周期。,虚拟制造技术的发展首先是在其支撑技术的发展上取得进展，例如，虚拟设计技术、仿真技术等。特别是一些单元技术与制造业的紧密结合，更推动了这些技术的进一步发展。同时，支撑技术和单元技术的不断成熟和在制造业中发挥越来越大的作用，也推动了虚拟制造技术的组合和集成。但由于各技术的相对独立性，其统一的特征模型的建立、数据共享和交换等遇到了巨大的挑战。基于,STEP,、,EDI,、,TCP/IP,等标准的集成技术是惟一的发展方向。,在,CAD/CAE/CAM,和仿真技术等发展的基础上，虚拟制造技术方面的研究也得到了迅猛的进步。例如：美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。像美国华盛顿大学的虚拟制造技术实验室发展的用于设计和制造的虚拟环境,VEDAM,、,用于设计和装配的虚拟环境等，已经初具规模。但虚拟制造作为一个完整的体系，尚没有进行全面的集成。我国机械科学研究院与同济大学、香港理工大学合作进行的分散网络化制造、异地设计与制造等技术的理论研究和实践活动已经取得了不少进展；清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究；浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、,VR,工作台、虚拟产品装配等研究；西安交大和北航进行了远程智能协同设计研究；天大、北京机床所、大连机床所进行了机床的虚拟设计和轴机床的研究；,3.2.4,热加工工艺的模拟及优化设计,1,热加工工艺模拟及优化设计技术的主要内容,热加工工艺模拟及优化设计技术的主要实现途径有以下三种：,(1),数值模拟,(,Numerical Simulation),。,数值模拟是本技术领域中最重要的核心技术，一般的流程是通过建立能准确描述某一热加工工艺过程的数学物理模型，然后应用数值方法。目前主要是有限元法，对数学物理方程求解，并以一定的方式动态、直观地显示工艺过程和预测的过程结果，进而根据这些模拟结果对工艺过程进行优化。,(2),物理模拟,(,Physical Simulation),。,物理模拟是一种辅助研究方法，它是按照相似原理，用相同或相似的材料制成一定比例的试样，同时将各种条件以一定的相似比例加载到试样上进行试验，得出工艺过程的有关规律和数据的模拟方法。,(3),专家系统,(,Expert System),。,专家系统是近几十年来人工智能领域取得的一个重要进展，它是一个计算机软件系统，把有关领域的专家知识按一定的结构表示成计算机能够利用并在用户需要时以一定的形式表达出来的形式，用于模仿专家的智能进行判断、分析和推理。它包括数据库、知识表达系统、推理机和人机接口等几个核心部分。由于影响热加工过程的因素十分复杂，因此对于工艺优化设计来讲，专家系统也是数值模拟的一个必要补充。,在热加工过程中涉及到的因素众多，且各因素间的关系复杂，难以在一个模拟进程中完成对所有考虑的因素的分析。通常，为了研究的方便，将模拟分为以下三个层次：,工艺过程的动态模拟：用数值模拟的方法在一定的精度要求范围内近似地预测并形象地显示工艺实施过程及材料在被加工过程中的一些基本参数，如形状尺寸、位移、变形、应力、温度等的演变和分布。这一层次模拟是最基本的，也是后续模拟的基础。,组织性能模拟及缺陷预测：预测在不同工艺条件下材料经过加工制成零件后的组织、性能和质量，其中质量的预测是以缺陷预报为主的。这一层次上的模拟过程的许多输入量要用到上一层次模拟的结果。,优化工艺设计：通过在虚拟条件下对工艺参数的反复比较，得出最优工艺方案，变传统工艺设计时优化工艺的试验为计算机上修改构思。这一层次要用到大量前两个层次模拟的结果，甚至是前两个层次上多次模拟结果的对比,2,热加工工艺模拟及优化设计技术发展的意义,(1),使金属材料热加工由“技艺”走向“科学”，将能够彻底改变热加工工艺的设计和优化靠经验的面貌。,(2),是预测并保证材料热加工过程质量的先进手段，特别对确保大型工件的一次制造成功具有重大的应用前景和效益。,(3),是实现快速设计制造、拟实设计制造、分布设计制造的技术基础。,(4),由于该技术领域是多学科的交叉，对应用高新技术改造传统产业进而开拓新兴工程技术学科具有重要意义。,3,国内外的发展现状,材料热加工工艺模拟研究始于铸造过程，这是因为铸件凝固过程温度场模拟计算相对简单。,1962,年，丹麦的,Forsund,首次采用计算机及有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算之后，美国于,20,世纪,60,年代中期在,NSF,的资助下，开始进行大型铸钢件温度场的数值模拟研究。进入,20,世纪,70,年代后，更多的国家,(,我国从,70,年代末期开始,),加入到这个研究行列，并从铸造逐步扩展到锻压、焊接、热处理，在全世界形成了一个材料热加工工艺模拟研究的热潮。在最近几十年召开的材料热加工各专业的国际会议上，该领域的论文数量居各类论文的首位；,另外，从,1981,年开始，每两年还专门召开一届铸造和焊接过程的计算机数值模拟国际会议，锻压及热处理专业也定期分别召开计算机数值模拟的学术会议，如,NUMIFORM,和,NUMISHEET,会议。另外，针对高分子材料在注塑成形过程中的优化控制，也相继开展了非牛顿流体的充型、保压、冷却过程的数值模拟工作，形成了金属、非金属材料并进的局面。,在研究开发工作的同时，工艺模拟技术已经开始在热加工工艺生产中得到了比较广泛的应用。现在，已有,MSC,公司的,MARC,、,NASTRAN,、,AutoForge,、,SuperModel,和,ANSYS,公司的,ANSYS,以及其他公司的一些通用或专用的数值模拟软件得到了广泛应用。在军事、航空航天、汽车、机械制造、造船、核能等重要的制造业部门中，这一技术也得到了广泛应用。现在，世界最大的有限元分析和计算机仿真软件供应商美国,MSC,公司的产品就覆盖了,100,多个国家中,92%,的机械制造部门、,97%,的汽车公司、,95%,的航空航天部门、,98%,的军事研究及国防部门。,4,发展趋势,(1),模拟研究的变量从宏观向微观发展。材料热加工工艺模拟的研究工作已普遍由建立在温度场、速度场、变形场基础上的旨在模拟预测宏观形状、尺寸等宏观改尺度上的模拟,(,mm,m,级,),进入到以预测显微组织结构和性能为目的的微观尺度,(,mm,m,级,),上的模拟，研究对象中也包含了结晶、再结晶、相变等微观层次上的变化过程，甚至达到了单个晶粒的尺度。,(2),模拟对象的变化从单一物理场向多种物理耦合发展。为真实模拟复杂的热加工过程，模拟功能已由单一的温度场、流场、应力应变场的模拟普遍进入了多种物理场相互耦合集成的阶段。在耦合场的模拟中，热加工工艺模拟最常见的热力耦合就是温度场与应力,/,应变场的耦合分析。此外还有流场温度场、应力,/,应变场电磁场等的耦合。,(3),研究重点已从共性、通用的问题转向专用、特殊、极端问题的模拟。随着建立在温度场、流场、应力,/,应变场数值模拟基础上的常规热加工工艺模拟技术的日益成熟和商业化软件的不断出现和完善，一些共性、通用的问题的模拟已经进入成熟应用阶段，研究工作的前沿已经转向了特殊工艺或极端工艺条件的模拟研究，用以解决特种热加工工艺的模拟和工艺优化问题，深入认识并预防和消除热加工过程中出现的各种缺陷。,(4),重视数值算法和物理模型的基础研究，以从根本上提高数值模拟的精度和效率。为达到这一目的，现在研究较多的方向有热加工过程基本理论、缺陷形成的机理和数值判据、精度和效率更高的数值求解算法等。,(5),重视物理模拟技术和精确测试技术的研究。物理模拟是揭示工艺过程本质，获得准确的判据，检验、校核数值模拟结果的有力手段。其在模拟研究中得到了越来越多的重视，有以下一些新动向：,应用新技术成果，设计、开发新型物理模拟实验方法和装置。,注重物理模拟与数值模拟的合理搭配应用，根据模拟研究对象的不同，合理确定两者的应用比例。一般认为，工件越大，设备越庞大，则数值模拟的作用和工作量越大。以美国净成形工程研究中心,(,NSM/ERC),的研究工作为例，数值模拟上工作的大致比例为：模锻：,80%,；管件液压成形：,50%,；切削：,30%,。,通常，物理模拟由于代价较大，用作检验和校核数值模拟手段。要在准确了解数值模拟软件的功能、不足和产生误差的大小与因素等的基础上，通过实验或物理模拟进行修正。,重视基础数据的测试与积累。为要模拟材料的热加工过程，需要确定大量与工件、模具相关的参数。,(6),注重工艺模拟与生产系统其他技术环节的结合与集成，成为先进制造系统的重要组成部分。现在，工艺模拟的应用已经与产品和模具的,CAD/CAE/CAM,系统、零件的加工制造系统、零件的可靠性等方面有了较好的结合。,(7),在数值模拟研究中，选择适当的商业软件平台，结合具体问题进行二次开发或针对特殊问题进行改良，已经成为一种非常简便高效的研究模式。,3.3,工业机器人,(,Industrial Robot),3.3.1,古代机器人和工业机器人的由来,我国机器人技术起步较晚，但近年来也有了很大的发展。,1987,年，北京首届国际机器人展览会上，我国展出了,10,余台自行研制或仿制的工业机器人。经过“七五”、“八五”攻关，我国研制和生产的工业机器人已达到了工业应用水平。,3.3.2,工业机器人的定义,对工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位,(,置,),姿,(,态,),的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求，如夹持焊钳或焊枪，对汽车或摩托车车体进行点焊或弧焊；搬运压铸或冲压成型的零件或构件；进行激光切割；喷涂；装配机械零、部件等。,表,3-1,工业机器人和机械手的区别,3.3.3,工业机器人的组成,1,执行系统,(1),手部：又称手爪或抓取机构。其作用是直接抓取和放置物件,(,或工具,),。,(2),腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件。其作用是调整或改变手部的方位,(,姿态,),。,(3),臂部：又称手臂，是支承腕部的部件。其作用是承受物件或工具的荷重，并把它传送到预定的工作位置。有时也将手臂和手腕统称为臂部。,(4),立柱：是支承手臂的部件。其作用是带动臂部运动，扩大臂部的活动范围，如臂部的回转、升降和俯仰运动都与立柱有密切联系。,(5),行走机构：目前大多数工业机器人没有行走机构，一般由机座支承整机。行走机构是为了扩大机器人使用空间，实现整机运动而设置的。其有两种形态：模仿动物步行形态的足；模仿车子行走形态的滚轮。,2,驱动系统,该系统是驱动执行机构运动的传动装置，常用的是液压传动、气压传动和电传动等。,3,控制系统,该系统通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作。对示教再现型工业机器人来说，是指包括示教、存储、再现、操作等各环节的控制系统。按控制信号对执行机构发出指令，必要时对机器人的动作进行监视，当发生错误或故障时发出报警信号。控制系统还对生产系统,(,加工机械和其他辅助设备,),的状况作出反应，产生相应的动作。控制系统是反映一台工业机器人的功能和水平的核心部分。,4,检测机构,该系统通过各种检测器、传感器，检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，在与设定值进行比较后，对执行机