计算机辅助制造

8.4　计算机辅助制造

8.4.1　加工中心

加工中心（Machining　Center，简称MC）是具有自动刀具交换系统和自动工作台交换系统的多功能数控机床，在工件一次装夹后可自动转位、自动换刀、自动调整转速和进给量、自动完成多工序的加工。

加工中心的种类很多，最主要的有用于加工箱体类零件的立式和卧式镗铣加工中心和加工回转体零件的车削加工中心。

图8.13为卧式镗铣加工中心，它可对工件自动进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多种加工。待加工的工件根据需要可安装在托盘上的随行夹具中，也可直接安装在左侧托盘交换台上。待上一个工件完毕时，工作台将托盘连同已加工完毕的工件移近右侧托盘交换台准备卸下运走。同时，左侧托盘连同待加工工件送上机床工作台进行加工。图中加工中心的自动刀具交换系统由回转刀具库和机械手组成。刀库中可容40～80把刀具，每把刀具都有编号，当一种刀具工作完成后，机床主轴停止转动并上升至换刀位置，主轴孔内的刀具夹紧机构自动松开，机械手即可将已用的刀具取下，换上下一种加工所需的刀具，继续进行切削加工直至工件所有表面加工完毕。

加工中心由于实现多功能的自动化和多种加工，从而可大大简化工艺设计，减少零件运输量，提高设备的利用率和生产率，并可简化和改善生产管理。此外，还可以利用其他计算机与加工中心的接口直接进行联接，将计算机中的加工信息直接输入加工中心。这种方法为实现CAD（计算机辅助设计）、CAPP（计算机辅助工艺过程设计）和CAM（计算机辅助制造）一体化提供了重要的条件。

图8.13　卧式镗铣加工中心

8.4.2　柔性制造系统

柔性制造系统（Flexible　Manufacturing　System，简称FMS）是由统一的计算机控制系统（信息流）、物料（工件、刀具）和输送系统（物料流）连接起来的一组加工设备，能在不停机的情况下实现多品种、小批量零件的加工，并具有一定管理功能的自动化制造系统。

柔性加工按构成的机床台数、类型、运输方式及控制系统形式的不同，可分为柔性制造单元（FMC）、柔性自动线（FTL）和柔性制造系统（FMS）。

1）柔性制造单元（FMC）

柔性制造单元实际上是一台扩大了工件自动装卸功能的数控加工中心或数控机床。是由一台或二、三台具有自动换刀和自动换工件功能的机床与工件储存库组成的柔性加工设备。可以独立工作也可以组成柔性的生产系统。按工件储存库容量的大小，可以实现较长时间的无人运行。图8.14所示为柔性制造单元的一种形式。

2）柔性自动线（FTL）

柔性自动线是将许多台可调的加工设备，用固定（非柔性）运输路线方式的自动运输装置联接构成的生产线。这种柔性自动线可以加工多种不同的工件，适宜于工件的大批量生产。其加工设备是用专用机床（如转塔主轴箱式、可换主轴箱式、数控专用机床等）组成。图8.15所示为这种柔性自动线的一种形式。

图8.14　柔性制造单元

图8.15　柔性自动线

3）柔性制造系统（FMS）

柔性制造系统是以数控机床和加工中心为基础设备（有的还包含清洗和测量设备），通过自动化的物流系统将其联接，并统一由主控计算机进行控制和管理，没有固定节拍和采用非顺序传送的自动化加工系统。图8.16所示为这种柔性制造系统的一种形式。

图8.16　柔性制造系统

8.4.3　计算机集成制造系统

1）计算机集成制造系统的概念

计算机集成制造系统（Computer　Integrated　Manufacturing　System，简称CIMS）是由一个多级计算机控制结构，配合一套将设计、制造和管理综合为一个整体的软件系统所构成的全盘自动化生产系统。计算机集成制造系统是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式，它以计算机网络和数据库为基础，利用信息技术（包括计算机技术、自动化技术、通信技术等）和现代管理技术将制造企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动集成起来，将各种局部自动化系统集成起来，达到实现企业全局优化、提高企业综合效益和提高市场竞争能力的目的。

计算机集成制造系统包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、质量管理到售后服务的全部活动，如图8.17所示。它比传统的工厂自动化范围要大得多，是一个复杂的大系统。

2）计算机集成制造系统的构成和功能

计算机集成制造系统包含了一个制造工厂的设计、制造和经营管理三方面的功能，要使这三者集成起来，还要有一个支撑环境，即计算机网络和数据库。一般认为该系统由经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证系统四个应用分系统及计算机网络和数据库两个支撑分系统组成。

图8.17　制造业的CIMS概念

（1）经营管理信息系统　经营管理信息系统是CIMS的神经中枢，指挥与控制着其他各部分有条不紊地工作。它根据市场需求信息作出生产决策，确定生产计划和估算产品成本，同时作出物料、能源、设备、人员的计划安排，保证生产的正常运行。

经营管理信息系统是一个生产经营与管理的一体化系统。它把企业内的各个管理环节有机地结合起来，各个功能模块可在统一的数据环境下工作，以实现管理信息的集成，从而达到缩短产品生产周期、减少库存、降低流动资金、提高企业应变能力的作用。

（2）工程设计自动化系统　工程设计自动化系统实质上是指在产品开发过程中引用计算机技术，使产品开发活动更高效、更优质、更自动地进行。产品开发活动包括产品的概念设计、工程与结构分析、详细设计、工艺设计以及数控编程等设计和制造准备阶段的一系列工作，即通常所说的CAD、CAPP、CAM三大部分。

CAD系统应包括产品结构的设计、定型产品的变型设计以及模块化结构的产品设计。通常应具有计算机绘图、有限元分析、产品造型、图像分析处理、优化设计、动态分析与仿真、物料清单的生成等功能。

CAPP系统可进行毛坯设计、加工方法选择、工艺路线制订、加工余量分配、切削用量选择、工序图生成以及机床、刀具和夹具的选择等功能。

CAM系统指刀具路线的确定、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等工作。

（3）制造自动化系统　制造自动化系统主要是指车间生产设备和过程的控制与管理。制造自动化系统是CIMS的信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地，通常由CNC机床、加工中心、FMC或FMS等组成。

制造自动化系统在计算机的控制与调度下，按照NC代码将一个个毛坯加工成合格的零件并装配成部件以至产品，完成设计和管理部门下达的任务；并将制造现场的各种信息实时地或经过初步处理反馈到相应部门，以便及时地进行调度和控制。

制造自动化系统的目标可归纳为：

①实现多品种、小批量产品制造的柔性自动化；

②实现优质、低成本、短周期及高效率生产，提高企业的市场竞争力；

③为作业人员制造舒适而安全的劳动环境。

（4）质量保证系统　在激烈的市场竞争中，质量是企业求得生存的关键。CIMS中的质量保证系统覆盖产品生命周期的各个阶段，它由以下四个子系统组成。

①质量计划子系统　用来确定改进质量目标，建立质量标准和技术标准，计划可能达到的途径和预计可能达到的改进效果，并根据生产计划及质量要求制订检测计划及检测规程和规范。

②质量检测子系统　采用自动或手工对零件进行检验，对产品进行试验，采集各类质量数据并进行校验和预处理。

③质量评价子系统　包括对产品设计质量评价、外购外协件质量评价、供货商能力评价、工序控制点质量评价、质量成本分析及企业质量综合指标分析评价等。

④质量信息综合管理与反馈控制子系统　包括质量报表生成，质量综合查询，产品使用过程质量综合管理以及各类质量问题所采取的各种措施及信息反馈。

（5）CIMS数据库系统　数据库管理系统是一个支撑系统，它是CIMS信息集成的关键之一。它包括各分系统的地区数据库和公用的中央数据库。在数据库管理系统的控制和管理下供各部门调用和存取。

（6）CIMS计算机网络系统　计算机网络技术是CIMS又一主要支撑技术，是CIMS重要的信息集成工具。通过计算机通信网络将物理上分布的CIMS各个功能分系统的信息联系起来，以达到共享的目的。

3）实施CIMS的效益

CIMS技术追求的是综合效益或称整体效益，其中包括可以量化的经济效益和难以量化的社会效益，必须结合起来进行综合评价。由于系统高度集成，使分系统之间的配合和参数配置得以更好的优化，各种生产要素的潜力得到更大的发挥，存在于企业生产中的各种资源浪费减到最小，从而可获得更好的经济效益。

此外，实施CIMS以后，明显提高了企业新产品的开发能力和市场竞争能力。由于产品质量明显提高、生产率提高、生产成本下降，使产品交货期缩短、交货准时、价格合理，从而提高了企业的信誉。良好的信誉和强大的市场竞争力，可给企业带来不可量化的极大的经济效益。