教案(首頁)山東勞動職業技術學院授課日期班次課時課題2.3數字化工藝2.4數字化加工裝配教學時數2【教學目標】1、了解CAPP的概念和分類；2、掌握MPM主要解決的問題；3.掌握裝配機器人的關鍵技術。【重點難點】CAPP的分類及作用；裝配機器人的關鍵技術。【教具、參考書】《智能制造基礎與應用》機械工業出版社王芳、趙中寧主編【教學過程】教案紙山東勞動職業技術學院第3頁第三節數字化工藝一、計算機輔助工藝過程設計1.CAPP的概念提出問題：什么叫做CAPP？問題回答：計算機輔助工藝過程設計（computeraidedprocessplanning,CAPP），是指借助于計算機軟硬件技術和支撐環境，利用計算機進行數值計算、邏輯判斷和推理等的功能來制定零件機械加工工藝過程。借助于CAPP系統，可以解決手工工藝設計效率低、一致性差、質量不穩定、不易達到優化等問題。也是利用計算機技術輔助工藝師完成零件從毛胚到成品的設計和制造過程。2.CAPP的發展歷史CAPP的起源：CAPP的開發、研制是從60年代末開始的，在制造自動化領域，CAPP的發展是最遲的部分。世界上最早研究CAPP的國家是挪威，始于1969年，并于1969年正式推出世界上第一個CAPP系統AUTOPROS；1973年正式推出商品化的AUTOPROS系統。在CAPP發展史上具有里程碑意義的是CAM-Ⅰ于1976年推出的CAM-Ⅰ'SAutomatedProcessPlanning系統。取其字首的第一個字母，稱為CAPP系統。目前對CAPP這個縮寫法雖然還有不同的解釋，但把CAPP稱為計算機輔助工藝設計已經成為公認的釋義。我國CAPP發展情況：我國對CAPP的研究始于80年代初，迄今為止，在國內學術會議、刊物上發表的CAPP系統已有50多個，但被工廠、企業正式應用的系統只是少數，真正形成商品化的CAPP系統還不多。手工進行工藝設計：*根據產品圖紙，分析產品零件的結構特點以及技術要求；*了解產品生產的綱領及批量；*進行工藝決策，確定加工方法和工藝路線；*按企業的實際情況，具體確定機床設備、切削用量、工藝裝備以及工時定額；*按規定格式生成正式工藝規程。計算機輔助工藝設計的基本原理正是基于人工設計的過程及需要解決的問題而提出的：首先，產品零件的數據信息應能利用，并建立零件信息的數據庫；其次，工藝人員的工藝經驗、工藝知識能夠得到充分的利用和共享；第三，制造資源、工藝參數等以適當的形式建立制造資源和工藝參數庫；第四，充分利用標準（典型）工藝生成新的工藝文件。3.目前CAPP系統的分類（1）派生式CAPP系統建立在成組技術（GT）的基礎上，它的基本原理是利用零件的相似性即相似零件有相似工藝規程。一個新零件的工藝規程是通過檢索系統中已有的相似零件的工藝規程并加以篩選或編輯而成的。計算機內存儲的是一些標準工藝過程和標準工序；從設計角度看，與常規工藝設計的類比設計相同，也就是用計算機模擬人工設計的方式，其繼承和應用的是標準工藝。如圖2-30所示。派生式系統必須有一定量的樣板（標準）工藝文件，在已有工藝文件的基礎上修改編制生成新的工藝文件。（2）創成式CAPP系統創成式系統的工藝規程是根據程序中所反映的決策邏輯和制造工程數據信息生成的，這些信息主要是有關各種加工方法的加工能力和對象，各種設備及刀具的適用范圍等一系列的基本知識。工藝決策中的各種決策邏輯存入相對獨立的工藝知識庫，供主程序調用。向創成式系統輸入待加工零件的信息后，系統能自動生成各種工藝規程文件，用戶不需或略加修改即可。如圖2-31所示。創成式系統不需要派生法中的樣板工藝文件，在創成系統中只有決策邏輯與規則，系統必須讀取零件的全面信息，在此基礎上按照程序所規定的邏輯規則自動生成工藝文件。（3）綜合式CAPP系統綜合式系統是將派生式、創成式與人工智能結合在一起，綜合而成。國內商品化的CAPP系統分類：（1）使用Word、Excel、AutoCAD或再開發的CAPP系統：此類CAPP系統所生成的工藝文件是以文本文件的形式存在，無法生成工藝數據，更談不上工藝數據的管理。（2）常規的數據庫管理系統：工藝卡片使用Form、Report或在AutoCAD上繪制卡片的CAPP系統。此類CAPP系統所生成的工藝卡片是由程序設計生成的，工藝卡片的填寫無法實現所見所得，如果企業的卡片形式需要更新的話就需要更改源程序。（3）注重卡片的生成，但工藝數據的管理功能較弱的CAPP系統：此類CAPP系統的工藝數據是分散在各個工藝卡片當中的，很難做到對工藝數據的集中管理。（4）采用“所見所得”的交互式填表方式+工藝數據管理、集成的綜合式CAPP系統：此類CAPP系統的填表方式更符合工藝設計人員的工作習慣，方便地與企業的PDM系統集成，管理產品的工藝數據，并為MRPⅡ、MIS等系統提供有效的生產和管理用的工藝數據。4.發展CAPP技術的意義工藝設計工程師具備要素：*具有豐富的生產經驗；*熟知企業的各種設備的使用情況；*熟知企業內各種生產工藝方法；*熟知企業內各種與生產加工有關的規范；*熟知與生產管理有關的各種規章制度；*能與有關各方保持友好協作。工藝設計工程師現狀：具有豐富經驗的工藝工程師，在發達國家常常感到人數不足。在美國，工藝設計人員一般年齡在40歲以上，并有豐富的生產車間工作經驗；在英國，工藝工程師平均年齡為55歲。通過對年齡數據的統計，反映了工藝設計要求工藝工程師有多年的生產實踐經驗。傳統的工藝設計缺點：（1）對工藝設計人員要求高（2）工作量大，效率低下（3）無法利用CAD的圖形、數據（4）難以保證數據的準確性（5）信息不能共享5.國內企業應用CAPP技術的現狀（1）大部分企業的工藝設計仍然采用手工設計的方式，CAPP的應用仍是空白。（2）部分企業在計算機技術和CAD的應用較為普及以后，工藝設計成為企業的薄弱環節。（3）部分企業已充分認識到工藝設計的重要性，并購買了部分商品化的CAPP系統，但由于企業對CAPP的認識還存在一些誤區，因此，CAPP的應用還不盡如人意。二、制造過程管理概念：造過程管理（ManufacturingProcessManagement，簡寫為MPM），是一種貫穿計劃、設計、制造和管理全過程的協同工作環境，旨在對生產過程中的工藝信息進行協調的統一管理。MPM解決主要作用：主要解決了生產管理部門在制造過程中復雜工藝過程的管理問題，應用在制造工藝管理中的各個階段，包括規劃階段和工程階段。在這些階段中，系統采用其本身的計劃工具、運營過程仿真優化工具、工程工具、裝配仿真、質量控制工具等來仿真和優化制造過程，同時又可以使用支持協同作業的瀏覽器工具等對整個工藝過程進行統一的監控和管理。通過與CAD、PDM、ERP系統的集成和交互，是企業實現了產品數據、工藝數據和資源數據的共享。三、案例分析1.案例基本情況ARJ21是AdvancedRegionalJetforthe21stCentury的簡稱，是70~90座級的中、短航程支線飛機，擁有國內自主知識產權，按照世界上最新技術設計，研制過程中全面采用數字化技術是該新支線的又一特點。同時，并行工程技術的充分應用，從飛機總體方案起，設計部門、工藝部門、項目管理部門等各部門就介入進去。中央翼組件結構是飛機中最重要的結構件之一，是整個飛機的最重要的承力結構，同時也是西飛承擔ARJ21飛機的最重要裝配件。其裝配結構復雜，裝配工藝技術要求較高。ARJ21中央翼組件裝配具有如下特點：（1）生產過程工藝性復雜，專業水平要求高，原理性知識需要掌握、熟悉，才能完成所承擔的工序。（2）采取的國外先進工藝方法和手段，很多工序的完成需要工裝設備的保障。（3）手工作業性強，即裝配過程靠人在飛機上手工將成品、零組件、材料、標準件、電纜導管組成系統而完成整機的裝配過程。（4）生產過程需要協調的問題、協調的單位多，部分問題的出現無法準確地確定，依靠原理、經驗判斷問題的所在，需要協調和協助解決的工作多。（5）生產過程復雜，生產周期相對比較長，批生產周期為45天左右，新機生產為4個月左右。（6）生產過程中對生產條件依賴性較強，零組件、標準件的配套，成品材料供應等直接制約著生產周期，缺一不可。2.案例分析目前國內整個飛機制造過程中處于重要地位的飛機裝配過程基本沿襲了數字量傳遞與模擬量傳遞相結合的工作模式，裝配工藝的設計主要采用計算機輔助工藝過程設計系統CAPP系統進行，但仍然停留在二維產品設計的基礎上，與CAD系統沒有建立緊密的聯系，更談不上與設計的協同工作，無法將裝配工藝過程、裝配零件及與裝配過程有關的制造資源緊密結合在一起實現裝配過程的仿真，無法在工藝設計環境中進行3維的虛擬工藝驗證，零部件能否準確安裝，在實際安裝過程中是否發生干涉、工藝流程、裝配順序是否合理，裝配工藝裝備是否滿足裝配需要，裝配人員及裝配工具是否可達、裝配操作空間是否具有開放性等一系列問題無法在裝配設計階段得到有效驗證。上述任一環節在實際生產中出現問題都將影響飛機的研制周期，造成費用的損失。3.解決方案應用DELMIA軟件系統解決上面問題，系統又包括兩個相互關聯的獨立軟件，DPE(DigitalProcesEngineer--數字工藝工程)和DPM(DigitalProcesManufacture--數字制造工藝)。DPE為數字化工藝規劃平臺，是產品工藝和資源規劃應用的平臺。利用在產品設計初步階段產生的數字樣機或EBOM（工程材料表，其包括了零件、裝配件、外購件及其對應信息——圖紙、文件、材料等等）數據，進行產品分析，工藝流程定義，制定總工藝設計計劃，工藝細節規劃、工藝路線制定；同時還可實現工藝方案評估，工時分析，車間設施布局和車間的物流仿真等功能。DPM為工藝細節規劃和驗證應用的環境。它是按照DPE中設計好的各種工藝并結合各種制造資源，以實際產品的3維(或數字樣機)模型，構造三維工藝過程，進行數字化裝配過程仿真與驗證。利用驗證的結果可分析出產品的可制造性、可達性、可拆卸性和可維護性。它真正實現了產品數據和三維工藝數據的同步。具體項目實施內容如下：（1）在CATIAV5中，讀入已經設計好的ARJ中央翼產品數據，并通過腳本文件生成該產品的EBOM表。（2）在DPE軟件中，將EBOM導入到針對西飛而特別定義的工藝設計模板中形成DPE中的產品信息表。將已定義好的相關資源（如廠房、工裝，人等）加入到DPE環境中形成資源信息表。并且根據實際裝配工藝，在DPE中構建詳細裝配工藝信息表，同時將與該工藝有關的產品和資源加入到該工藝中。最后將規劃好裝配工藝存入PPRHub數據庫中。該軟件可以各裝配工藝模型和裝配型架、夾具、工廠等制造資源三維模型，按照確定的裝配流程進行全面的工藝布局設計和三維數字化裝配工廠仿真，進行生產能力的平衡分析，并不斷對工藝布局和裝配流程進行調整、優化。（3）通過PPRHUB數據庫，將DPE中設計好的工藝過程導入DPM中進行詳細的3維的工藝驗證和仿真。在DPM軟件中主要完成的主要內容包括：1）裝配順序的仿真利用已有的裝配工藝流程信息（Process）、產品信息（Product），資源信息（Resource）在定義好每個零件的裝配路徑的基礎上，實現產品裝配過程和拆卸過程的三維動態仿真，從而發現工藝設計過程中裝配順序設計的錯誤。如圖2-35所示。2）裝配干涉的仿真在對裝配順序仿真過程中對每個零件進行干涉檢查。當系統發現它們之間存在干涉情況時予以報警，并示出干涉區域和干涉量，幫助工藝設計人員查找和分析干涉原因。如圖2-36所示。3）產品和制造資源的仿真在裝配順序仿真的基礎上，引入工裝等制造資源的三維實體模型，對產品和制造資源進行三維動態仿真，以發現產品與制造資源發生干涉的問題。4）人機工程仿真在產品與制造資源的仿真的基礎上，再將定義好的三維人體模型放入該環境中進行人體和其所制造、安裝、操作與維護的產品之間互動關系的動態仿真，以分析操作人員在該環境下工作的姿態、負荷等，進而修改和優化工藝流程和制造資源，以高效裝配和以人為本的原則。5）裝配過程的記錄利用以上裝配過程的三維數字化仿真功能，將整個裝配過程記錄下來，形成可以播放的影片格式，指導現場操作人員進行飛機裝配，實現可視化裝配，同時也可以對飛機維護人員進行上崗的培訓幫助，幫助操作人員直觀了解操作全過程。6）生成相關文檔整個裝配仿真過程經驗證無誤后，可以按照需要，定制生成相關的文檔。通過中央翼數字化工藝設計與過程仿真驗證，我們發現中央翼總裝型架和中央翼總裝工作梯的設計存在如下需要設計改進的方面。（1）中央翼總裝工作梯立柱位置不合理。一般情況下，操作人員是雙手端著工具盒上到型架上，而原始設計的工作立柱恰好擋住了操作人員上到型架上的路徑。（2）操作人員從地面上到型架上，型架地板面距地面距離約500mm，以操作人員平均身高1720mm分析，其右腿抬得過高，此時人會失其重心。（3）操作人員拿著工具上到中央翼上翼面工作，型架工作梯距上翼面邊緣有730mm距離,操作人員來回行走存在不安全隱患。（4）操作人員拿著工具鉆進中央翼里工作的仿真圖片，我們可以看到這個姿勢很不舒服，右腿與上部軀體夾角106.532deg,，接近極限113deg，工作環境極為惡劣。第四節數字化加工與裝配一、數控加工設備1.數控加工的基本概念數控加工概念：指由控制系統發出指令使刀具作符合要求的各種運動，以數字和字母形式表示工件的形狀和尺寸等技術要求和加工工藝要求進行的加工。它泛指在數控機床上進行零件加工的工藝過程。2.數控加工的特點（1）自動化程度高（2）加工精度高，加工質量穩定（3）對加工對象的適應性強（4）生產效率高（5）易于建立計算機通信網絡3.數控加工設備的分類（1）按工藝用途分類：1）金屬切削類數控機床：分別有數控車床、數控銑床、數控磨床、數控鏜床以及加工中心。2）金屬成形類及特種加工類數控機床：它是指金屬切削類以外的數控機床。數控彎管機、數控線切割機床、數控電火花成形機床等等都是這一類數控機床。(2)按運動方式分類：1）定位控制數控機床：它是指能控制刀具相對于工件的精確定位控制系統,而在相對運動的過程中不能進行任何加工。2）直線運動控制數控機床:它是指控制機床工作臺或刀具以要求的進給速度，沿平行于某一坐標軸或兩軸的方向進行直線或斜線移動和切削加工的機床。3）輪廓控制的數控機床:它是指能實現兩軸或兩軸以上的聯動加工，而且對各坐標的位移和速度進行嚴格的不間斷控制，具有這種控制功能的數控機床。(3)按控制方式分類：1）開環控制系統：它是指沒有位置檢測反饋裝置的控制方式。特點是結構簡單、價格低廉，但難以實現運動部件的快速控制。廣泛應用于步進電機低扭矩、高精度、速度中等的小型設備德驅動控制中，特別在微電子生產設備中。2）半閉環控制系統：它是指在電動機軸或絲桿的端部裝有角位移、角速度檢測裝置，通過位置檢測反饋裝置反饋給數控裝置的比較器與輸入指令比較，用差值控制運動部件。特點是調試方便、良好的系統穩定性、結構緊湊，但在機械傳動鏈的誤差無法得校正或消除。目前采用滾珠絲扛螺母機構有很好的精度和精度保持性和采取看可靠的、消除反向運動間隙的機構，可以滿足大多數的數控機床用戶。因此被廣泛的采用且成為首選的控制方式。3）閉環控制系統：是在機床最終的運動部件的相應位置安裝直線或回轉式檢測裝置，將直接測量到的位移或角位移反饋到數控裝置的比較器中，與輸入指令位移量比較，用差值控制運動部件。優點是將機械傳動鏈的全部環節都包含在閉環內，精度取決于檢測裝置的精度，超過半閉環系統。缺點是價格昂貴、對機構和傳動鏈要求嚴格，不然會引起振蕩，降低系統的穩定性。(4)按功能水平分類：一般把數控機床分為精密型、普通型、經濟型。4.先進數控加工設備介紹數控加工設備向著高精度、高效率、復合型、智能型和網絡與開放方面發展。（1）高精度精度是機床區別于其他機械的特質所在，是機床業界和用戶永恒追求的目標。多種現代綜合技術的應用與精益求精的制造方式與管理模式，將機床的幾何精度、控制精度、加工精度推向微米、亞微米級新高度，有力促進了全球制造業日趨精密化制造的發展趨勢。（2）高效率效率是效益的基礎，是衡量任何裝備品質的基本要素之一。現代機床通過多種自動化技術已經將機床的效率提到很高的程度，但新的增效措施仍在創新中不斷涌現，目前發展趨勢主要集中在機器人與機床的結合、多軸多刀多工位加工、減少輔助時間等方面發展。（3）復合加工得益于高檔數控系統強大的控制能力、日益精湛的設計與制造技術，復合機床以其強大的工藝、工序集約復合能力，順應了一機多能、多品種、小批量、一次裝卡完成全部加工的個性化市場需求，越來越受到市場和用戶的歡迎，發展勢頭強勁，呈現一派方興未艾之勢。“一臺機床一個車間”已經不是夢想，而是實實在在的現實。（4）智能化智能化是自控技術的高級發展形態，是現代科技與人工智能相互融合的產物。智能技術所要面對和解決的，是復雜環境以及多變條件下加工過程中眾多動態隨機的、不確定的、以前只能通過停機并人工干預才能解決的問題，如工作環境變化、材料變化、工件質量、尺寸、形狀、位置的變化、刀具磨耗變化、切削條件變化、工藝系統剛度變化等因素或多因素綜合效應引發的問題，自動進行動態調整，通過自我感知、自我決策、自我執行，實現加工過程的自適應控制，達到提高加工品質、效率、效益以及降低操作難度等目的。現代機床所具有的智能技術，已經大大改變了人們對傳統“機械”的認知和感受，人機關系日漸密切友好，人機相互作用效果更加明顯。（5）網絡與開放以網絡化、信息化為主要特征的第四次工業革命，首當其沖要求作為制造業基礎的數控機床，改變單純作為生產制造末端的封閉角色，具有PC那樣的開放性，成為某一信息化制造系統或某一云系統的基礎單元和信息節點。這就要求現代機床成為信息的互通者和信息的使用者，信息的互通需要具備強大的網絡功能，信息的使用需要各類應用軟件和開放兼容的應用環境。現代機床在這些方面正在發生巨大的變化，成為新的競爭焦點。二、工業機器人與數字化裝配機器人技術概念：綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術。機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置，通過可編程序動作來執行各種任務的，并具有編程能力的多功能機械手。工業機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備，特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對提高產品質量、提高生產效率、改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。裝配概念：是產品生產的后續工序，在制造業中占有重要地位，在人力、物力、財力消耗中占有很大比例，作為一項新興的工業技術，機器人裝配應運而生。1.國內裝配機器人的發展現狀我國已研制出精密型裝配和實用型裝配機器人主要案例：1.廣東吊扇電機機器人自動裝配線，小型電器機器人自動裝配線，以及自動導引汽車發動機裝配線，精密機芯機器人自動裝配線等機器人示范應用工程。2.大連賢科機器人技術有限公司”與國內5家高校、科研所合作，開發出具有自主知識產權的系列化模塊化直角坐標型裝配機器人CAD設計平臺；開發出兩個系列共4種規格的平面關節型裝配機器人；開發出兩種類型3個系列的直線運動單元以及由此組成的直角坐標型裝配機器人；研制出基于開放式體系結構的機器人控制器。“賢科”自主開發的裝配機器人已在家電、電子儀表、輕工等行業得到初步應用。3.上海交通大學研制的“精密一號裝配機器人”，是一臺帶有多傳感器和多任務操作系統、可離線編程的高速、高精度、四軸SCARA平面關節式智能精密裝配機器人。裝配機器人屬于高、精、尖的機電一體化產品，其自主開發一直受到國家863智能機器人主題專家們的關注，必將取得更大的突破。2.國外裝配機器人的發展現狀美、日、西歐的制造業中約40％的勞動力用于裝配，西德電子工業產品總成本的50—70％是裝配。裝配機器人是高質量、高柔性、高效率完成自動裝配的理想手段。所以裝配機器人得到迅速發展，如美國工業界Delphi法調查表明到2000年應用于裝配和檢驗的機器人銷售臺數將從1985年占工業機器人總數16％猛增到35％。日本裝配機器人的增長比任何其他工業應用領域的機器人都快，增長速度比歐洲和美國更快。日本裝配機器人的增長臂人和其他工業應用領域的機器人都快，增長速度比歐洲和美國更快。日本機器人的廣泛的應用領域在裝配工段，1985年裝配機器人已達15800臺，是焊接機器人的兩倍，成為工業應用領域中應用最多的機器人。1995年為33500臺，產值為2590—3000億日元。到2004年，達到55000臺，產值4200—5100億日元。這個數值遠遠高于其他領域機器人的發展速度。為世界所矚目。日本作為機器人王國，各產業中應用的機器人總數占世界的40％。其中裝配機器人近年來異軍突起，發展迅速。據日本產業機器人協會統計，在1982—1991年的10年中，日本用于裝配作業的機器人臺數為177500臺，居工程應用數量之首。據日本產業機器人協會的統計，日本裝配機器人1980年左右首次達到最高點。生產臺數為2849臺。產值2497億日元，以后又呈上升趨勢。目前，日本應用的裝配機器人的主要型號有：直角坐標型、水平多關節型、垂直多關節型及圓柱坐標型等。據日本產業機器人協會的預測。在日本制造業。裝配機器人的需求逐年上升。3.裝配機器人的關鍵技術（1）裝配機器人的精確定位

（2）裝配機器人的實時控制（3）檢測傳感技術（4）裝配機器人系統軟件研制（5）裝配機器人控制器的研制（6）裝配機器人的圖形仿真技術（7）裝配機器人柔順手腕的研制三、案例分析1.機器人自動化切割切割機器人能滿足切割零件高精度的要求，完成高質量工作，它包括火焰切割、等離子切割和激光切割等。另外，也可以實現對飛機壁板的自動化修邊。飛機壁板件在加工成型時總要留有一定的余量，在裝配前根據具體配合關系進行切邊修整。采用工業智能機器人能夠更高效、更便捷、更精準地完成零組件切邊工作。2.機器人自動制孔與連接裝配過程中的零組件裝配、部件裝配和部件對接裝配過程都需要進行大量的制孔、鉚接等連接工作。機器人已經實現自動鉆鉚、焊接等工作，并逐漸應用于裝配中。例如在大型飛機機身壁板上進行連接，采用人工鉆鉚方式完成數以萬計的緊固件制孔、鉚接非常耗時耗力，而采用機器手帶動鉆鉚末端執行器，或采用爬行機器人可以輕松實現，并且效率是人工的6~