64 自动化生产机械类 外文资料.docx

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64自动化生产机械类外文资料

英文原文名《EnglishforDieMouldDesignandManufacturing》

英文原文版出处：

北京大学出版社3月第1版

译文：

6.4自动化生产

6.4.1介绍

自动化是一种没有人类的协助下能完成控制的技术，它是通过使用指令结合执行该指令的控制系统的程序来实现。

一个自动化的程序需要只是的驱动和控制系统操作。

自动化能被应用于各种领域，尤其与工业制造系联系更为紧密。

最早用于工业制造中的是在1946年福特汽车公司的一名工程经理，用于描述福特生产厂的自动传送系统装置与进给机制的多样性。

而具有讽刺意味的是，近来所有的现代自动化应用技术都是受控于在1964年还没使用的电脑技术。

自动化制造系统在物理产品上的工厂的操作。

他们进行加工，装配，检验操作，或材料处理，在某些情况下完成更多的在同一系统中这些操作之一。

之所以被称为自动化是因为其执行的是代替较低水平的人的参与与之相应的手动过程。

而且在一些高度自动化的系统，几乎没有人的参与。

自动化制造系统的例子包括：

（1）加工零件的自动化机床

（2）自动连续生产线和类似的顺序生产系统

（3）生产制造系统中使用工业机器人进行加工或装配操作

（4）自动化材料处理和存储系统集成的制造作业

（5）用于质量控制的自动检测系统

自动化生产系统可分为三种基本类型：

（1）硬性自动化，

（2）可编程自动化，和（3）柔性自动化

硬性的自动化是通过一个系统中的处理的序列（或装配）操作的设备配置固定。

每个环节的操作通常是简单的，可能包括普通线性或旋转的两个运动或一个远动得到简单组合。

这是很多这种工序的协调与整合为一个设备，使得系统变的复杂。

硬性自动化的典型特点包括：

（1）定做设计设备的初期投资高

（2）高生产效率

（3）适应产品变化相对单一

对于经济上来说硬性自动化用于大批量和高生产率的产品。

与其他生产方式相比高的初期成本有着它的特点。

例如硬性自动化包括生产线和自动化装配机。

在可编程自动化中，生产设备的设计有能力改变操作序列来适应不同的产品配置。

操作顺序和程序控制，这是一组指令编码以便他们可以读取使系统中断。

新的程序可以制备和输入设备中来生产新的产品。

可编程自动化生产系统的应用低和中等批量的生产。

零件和产品通常是大批量生产。

生产每一批不同的新产品，系统必须对新产品系列重新编入相应的新指令。

机器的相对设置也必须作出相应的改变：

工具必须加载，设备必须连接到机床工作台，及所需的机器设置指令必须输入。

可编程自动化的例子包括数控机床，工业机器人，可编程逻辑控制器。

柔性自动化的可编程自动化的一个扩展。

柔性自动化系统是能够生产各种零件（或产品）几乎没有花费多余时间从一个制件的到另一个不同制件的转换。

无需损失生产时间且没必要重新编程的系统和改变的机械辅助配件（模具，夹具，机床设置）。

因此，该系统可以生产各种不同的组合和部分组合的产品而不是要求他们进行分批生产。

是什么使柔性自动化可能是通过该系统处理部分之间的差异不明显。

这是一个各种软件的情况下，使所需的要求之间转换的量是最小的。

柔性自动化的例子是柔性制造系统进行机械加工，可以追溯到20世纪60年代后期。

6.4.2柔性制造系统

在现代制造业框架中，柔性是一个重要的特性。

这意味一个制造系统是具有通用性和广泛适应性，同时也有较高的生产能力。

一个柔性的制造系统是通用的，它能生产多种零件。

它具有广泛适应性是因为它可以被很快的作出调整，生产完全不同的零件。

柔性制造系统（FMS）是一个高度自动化的TG（成组技术）机电池。

一批处理工作站（通常是数控机床），由一个自动的材料的互连处理和存储系统，并通过一个分布式计算机来控制系统。

之所以称为柔性系统是能够处理各种不同的部分风格同时在各种工作站，和图案的组合。

FMS是在各种品种中，适合中批量生产。

FMS依托集团的技术原理。

成组技术是相似的部件组合到一起，利用他们的设计和生产制造的理念相似，相似的零件安装到部分位置，其中每个部分位置具有相似的设计和制造特点。

没有一个制造系统能够是完全柔性的，对于能在FMS上生产的部分工序（或产品）是有限制的。

FMS是在一个被定义的样式、尺寸和过程内来生产产品的。

换句话说，FMS能够生产一种单独的产品或者一组受限制的产品。

FMS必须具备三种功能：

（1）在系统加工的不同的工序或产品中辨认区别的功能；

（2）快速地改变操作指令；（3）快速变换物理装置。

6.4.3计算机集成制造系统

计算机集成制造（CIM）是用来描述现代的方法来制造术语。

虽然CIN包括许多其他先进的制造方法诸如计算机数字控制（CNC）、计算机辅助技术/计算机辅助制造（CAD/CAM）、机器人学以及及时（JIT）交货，但它仍不过是一项新技术或者是一个新概念。

计算机集成制造是一种全新的制造方法，一条全新的经营之道。

为了理解CIM，有必要从现代与传统制造的比较开始。

现代制造包括所有把原材料变成成品、将它们送到市场以及在工地对它们进行保障所需的活动与工艺。

这些活动包括以下内容：

（1）确定对于某一产品的需求。

（2）设计一种产品来满足这一需求。

（3）获得生产这种产品所需的原材料。

（4）采用适当的工艺把原材料变成产品。

（5）把产品运送到市场。

（6）对这种产品进行维修以确保其在工地的固有性能。

可以把这种广义的现代制造观点与那种几乎全部集中于转换过程的更为狭义的传统观点来进行比较。

老方法将重要的转换前的要点如市场分析研究、开发与设计以及转换后的要点包括产品交货与产品维修在内。

换句话说，在老的制造方法中，只有那些发生在工厂的工艺才被认为是制造工艺。

这种传统的把全面的概念分为若干独立元素的方法基本上不会随自动化的到来而改变。

就CIM而言，不仅各种元素自动化了，而且自动化也被联系在一起或集成。

集成化意味着一个系统可以具有完全、瞬时的信息分享。

在现代制造中，而集成化由计算机完成。

而CIM则实现所有部件的集成化，包括把原材料包装成产品以及把产品送到市场。

第7章CAD/CAM/CAE

7.1在模具设计中的计算机

CAD既可以指计算机辅助设计，又可以指计算机辅助绘图。

实际上，这意味着任何一个或两个这些概念和工具，设计者都有机会使用它的两种形式。

CAD计算机辅助设计是指用计算机和外设使设计过程简化和强化。

CAD计算机辅助绘图是指计算机和外部设备来产生设计过程的文件和图样。

文件通常包括初步设计图，工作图纸，零件列表，和设计计算。

无论是计算机辅助设计系统还是计算机辅助绘图系统，CAD系统由三个基本部分组成：

（1）硬件、

（2）软件、（3）用户。

CAD系统的硬件组成包括处理器、系统显示、键盘、数字转换器和绘图机。

CAD系统的软件由具有设计和绘画功能的程序组成。

用户就是使用硬件和软件是设计过程简化和强化的工具设计者。

图形显示是第一步，从而可将设计与计算机真正结合起来，接下来是用绘图仪画出图形。

随着20世纪60年代早期的数字化平板仪的发明，我们今天所知的CAD硬件开始成形，很快计算机绘图随之得以发展。

早期的CAD系统庞大、笨重且昂贵。

因为太贵了，只有大公司才用得起。

在20世纪60年代末。

CAD被认为有在模具设计应用的潜力和意义但不实用的革新。

但是，随之20世纪70年代硅芯片的引入，计算机开始在图形设计领域发挥作用。

硅晶片上的集成电路使得组装起来的计算机与电视机一样大小。

这种“迷你”小型机具有大型计算机的全部功能，但却小得多也相当便宜，很快又出现了更小的被称为微机的计算机。

20世纪70年代CAD软硬件技术有了长足的发展，以至于80年代初，研发与销售CAD系统已成为一个飞速增长的产业。

同时CAD已由最初的新颖但不实用变成今天的一项重要发明，到了1980年，已有从微机、小型机到大型计算机用的多种CAD系统。

7.2CAD/CAM

7.2.1CAD

计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）指的是将计算机应用于设计和生产过程中以提高生产率。

CAD/CAM系统的核心是设计终端和相应的硬件，诸如计算机、打印机、绘图仪、磁带机和数字化仪等，设计在被完成之前始终在终端显示器上被监测，如果需要还可进行硬拷贝。

含有设计数据的计算机磁带或其它控制媒介在制造、测试和质量控制过程中驱动着数控加工设备。

用于CAD/CAM的软件是储存在计算机系统中的程序集合，用来驱动各种构成硬件完成特定的任务。

如生成NC（数控）加工路径、装配材料清单、在有限元模型中生成节点和单元的程序。

有些软件包指的是软件（程序）模块，可分为以下四类：

（1）操作系统、

（2）通用程序、（3）应用程序和（4）用户程序。

虽然还有其它功能模块软件，但这足以说明研发CAD/CAM系统的复杂性了。

操作系统是指为某一个或一类计算机而写的程序，为操作便利高效，将数据和程序放在系统的内存中，操作系统与输入/输出设备，如显示器、打印机及磁带打孔机的关系尤其密切。

大多时候操作系统由计算机供应商提供。

虽然有争议说不存在所谓的通用程序，但一些程序的确比其它程序更常用些。

例如用高级语言像FORTRAN编写的图形程序，可以生成线、圆、抛物线等几何实体以及这些几何实体的组合，用这些基本图元实体可进行设计，设计范围包括印刷电路板、钻头夹具、固定装置等。

应用程序是专为某一特殊用途而开发的。

第一个专用程序语言是1956年的自动编程工具（APT）语言，APT是为简化向数控机床输入的加工程序的编制而开发的，如图7-1所示。

其它与CAD/CAM有关的专用程序有：

生成有限元网格和金属板件的平面模型，这类程序通常可与系统一起买进或从软件供应商处得到。

图7-1例如CAD在车加工显示的机加工序列

CAD/CAM系统中的用户程序是为产生专用输出结果（而研制）的专业针对性极强的软件包，如用户只要输入一些像齿数、节圆直径之类的参数，就可由用户程序自动生成齿轮。

还可用另一类程序在给出刀具尺寸、材料、切削深度等信息后，计算切削时的最佳进给和转速。

这类程序通常都是用户在通用软件供应商提供的软件模块基础上自己开发的。

尽管用户程序可大大节约时间和精力，但不是所有的CAD/CAM软件包都有用户程序。

1.计算机图形

计算机图形系统计算并储存物理相关的数据，以确定精确位置、尺寸标注及每个设计单元的其它特性。

借助于这些相关设计数据，用户设计人员可在工件制品加工前进行复杂的工程分析、生成材料清单、生产报告、检查设计的不相容性。

利用计算机图形学，可将二维图形转换成三维线框和实体模型。

2.线框模型

简单的线框模型是表示几何模型最经济的一种方法，在检验图形的基本属性和模型的连续性时很有用，但在开发复杂模型时，线框模型就有局限性，实体模型可解决线框模型中出现的大部分问题。

3.实体模型

主要有三种构造实体的技术：

构造实体几何法（CSG）、边界表示法（B-Rep）和分解实体模型。

构造实体几何法（CSG）是用各种几何体素如圆柱、球面、圆锥等经过布尔（Boolean）运算后生成实体。

边界法中，先定出物件轮廓，再通过线性或径向扫描，用其中所包含的区域表示实体。

4.分解实体模型

分解实体模型与边界法相似，但加强了构造时的有限元模型。

商业化软件包中，并不单纯使用某一种方法，例如，在构造实体表达法中可能会用到边界法技术生成初始模型，而在边界法或分解法中可能会用布尔代数法，利用圆柱或圆锥去修剪模型，生成孔洞。

7.2.2CAM

计算机辅助制造侧重于以下四方面：

数控，工艺规程编制，自动化操作和生产管理。

1.数控

计算机辅助制造（CAM）中数控的重要性体现在：

可用计算机从几何模型或制品直接生成数控程序。

目前，这种自动化能力还仅仅限于非常对称和其它特殊形状的制品。

未来，有些公司可能根本不用图纸，就可通过数据库将产品信息直接从设计传送到制造工序。

由于计算机设计与制造使用同一个集成数据库，生成的计算机模型数是一样的，所以随着图纸的消失，好些问题也会随之而去。

这样即便部门之间在地域上离得很远也不影响工作，因为实际上他们是通过办公桌上的终端连在一起的。

2.工艺规程

制定工艺规程包括从生产开始到结束的每一个工序，与计算机辅助制造相连的工艺制定系统几乎不用人工参与就可直接从几何模型数据库生成工艺过程。

3.自动化

制造系统的自动机器人（装置）完成了许多改进，如在线装配、在线焊接和在线喷涂等。

4.生产管理

生产管理用交互的工业数据收集以便及时获得和生产相关的信息，并用该数据计算出制造的先后次序，动态地确定下步要做的工作，从而保证标准制造程序的正常执行。

另外，为适应特殊需求，可直接对系统进行修改，无需召集计算机编程专家。

7.3CAE

计算机辅助工程能让几个应用程序共享数据库的信息，从而简化了数据库的生成过程。

这些应用程序包括如（a）结构和载荷成分的应力、应变、偏移及温度分布的有限元分析；（b）数控数据的生成、储存和取回；（c）集成电路和其它电子设备的设计。

随着计算机硬件和软件技术的日益成熟，制造过程和系统的计算机仿真方面增长迅速。

过程模拟需要两种基本形式：

（a）一个形式行动目的是确定其活力或优化或改善其性能；（b）这模型的多个过程和它们之间的相互作用，帮助工艺人员和工厂的设计人员在描述机械和设施布局。

每个过程使用了不同的数学方法建模。

有限元分析已经越来越多地应用于市售廉价的软件包（模拟）。

典型的问题的解决需要工艺的可行性（如金属板材在一特定的模成形），和工艺优化（例如，物料流在一个给定的模锻件，以确定潜在的缺损，或在铸造模具的设计，以消除热点，促进均匀冷却，并尽量减少缺陷）。

一个完整的制造系统涉及多个工艺及设备过程的模拟有助于工厂的工程师整理机器和识别关键机械元件。

此外，这种模型可以协助制造工程师与调度和路由选择（通过离散事件系统仿真）。

商用软件包经常用于这种模拟仿真。

聚合物加工，在其大多一般的情况下，涉及将固体（或液体）形态的任意形式的聚合性树脂（粉状、丸状、颗粒）转变为具体形状，尺寸和性能和属性的固体塑料产品。

最终产品的性能与微结构紧密相关。

因此，加工和产品质量的控制必须基于树脂性能、设备设计、操作条件、热机械过程、微结构和最终产品性能之间相互作用的理解。

数学模型和计算机被同时用于获得这些相互作用的理解。

鉴于进一步利用计算机辅助工程（CAE）在系统协同塑料加工。

7.3.1MPI的介绍

MPI，作为一个模拟软件Moldflow公司，是一家集塑料成型过程的集成CAE模拟，包括MPI /流量分析，MPI /共注射，MPI /气体分析，MPI /优化分析，MPI /微孔分析，MPI /收缩分析，MPI /冷却分析，MPI /偏差分析，MPI /应力分析。

MPI提供了在设计和制造全过程的解决方案，以提高生产率和提高零件质量。

MPI的主要功能包括：

（1）独特的融合技术。

MPI/融合可以直接分析薄壁零件的CAD实体模型，使模型的制备时间显著减少。

节省时间，让你更多的分析设计迭代以及进行更加深入的分析。

（2）强大的工作流程和生产力工具。

在MPI人性化的环境中，采用可视化和项目管理工具可以进行广泛的分析与优化设计。

分析完成之后，可以随时迅速和容易地生成详细的网络

设计报告。

（3）适用于各种类型的解决方案。

Moldflow的分析产品可以模拟塑料流动和包装，模具冷却，热塑性塑料注塑件收缩与翘曲，气体辅助注射成型，共注射成型和注射压缩成型工艺。

另外模拟注塑成型过程，包括热固性橡胶注射成型，反应注射成型（RIM），结构反应注射成型（SRIM），树脂传递模塑成型，微芯片封装和底部填充封装（倒装）。

（4）世界上最好的3D解决方案。

使用经过被验证的有着基本解决方案技术的有限元网格体，MPI /三维可以在执行真正的三维流动模拟的部分时，自然的流向那些非常厚实和已经从薄到厚的极端变化的实体四面体。

（5）广泛支持几何类型。

Moldflow的MPI技术可以用于所有的CAD模型的几何类型，包括传统的平面模型，线框、曲面模型，薄壁固体和厚或难平面固体。

不管你的几何设计如何，你的模型可以在一个易于使用的，一致的，集成的环境完成仿真。

（6）独一的网络计算选择。

优化制品和模具设计（MPI）已经在网络计算环境下开发的思想。

例如，用户可以运行MPI /协同，前和后处理器，用户友好的Windows电脑而强大的UNIX工作站上运行分析求解。

用户还可以在任何特定时间，利用分布式计算环境在MPI和分配到任何网络计算机上进行分析。

英文原文

6.4AutomationofManufacturing

6.4.1Introduction

Automationisthetechnologybywhichaprocessorprocedureisaccomplishedwithouthumanassistance.Itisimplementedbyusingaprogramofinstructionscombinedwithacontrolsystemthatexecutestheinstructions.Toautomateaprocess,powerisrequired,bothtodrivetheprocessitselfandtooperatetheprogramandcontrolsystem.Althoughautomationcanbeappliedinawidevarietyofareas,itismostcloselyassociatedwiththemanufacturingindustries.ItwasinthecontextofmanufacturingthatthetermwasoriginallycoinedbyanengineeringmanageratFordMotorCompanyin1946todescribethevarietyofautomatictransferdevicesandfeedmechanismsthathadbeeninstalledinFord’sproductionplants.Itisironicthatnearlyallmodernapplicationsofautomationarecontrolledbycomputertechnologiesthatwerenotavailablein1946.

Automatedmanufacturingsystemsoperateinthefactoryonthephysicalproduct.Theyperformoperationssuchasprocessing,assembly,inspection,ormaterialhandling,insomecasesaccomplishingmorethanoneoftheseoperationsinthesamesystem.Theyarecalledautomatedbecausetheyperformtheiroperationswithareducedlevelofhumanparticipationcomparedwiththecorrespondingmanualprocess.Insomehighlyautomatedsystems,thereisvirtuallynohumanparticipation.Examplesofautomatedmanufacturingsystemsinclude:

（1）Automatedmachinetoolsthatprocessparts;

（2）Transferlinesthatperformaseriesofmachiningoperations;

（3）Manufacturingsystemsthatuseindustrialrobotstoperformprocessingorassemblyoperations;

（4）Automaticmaterialhandingandstoragesystemstointegratemanufacturingoperations;

（5）Automaticinspectionsystemsforqualitycontrol.

Automatedmanufacturingsystemscanbeclassifiedintothreebasictypes:

（1）fixedautomation,

（2）programmableautomation,and（3）flexibleautomation.

Fixedautomationisasysteminwhichthesequenceofprocessing（orassembly）operationsisfixedbytheequipmentconfiguration.Eachoftheoperationsinthesequenceisusuallysimple,involvingperhapsaplainlinearorrotatingmotionoranuncomplicatedcombinationofthetwo.Itistheintegrationandcoordinationofmanysuchoperationsintoonepieceofequipmentthatmakesthesystemcomplex.Typicalfeaturesoffixedautomationare:

（1）Highinitialinvestmentforcustom-engineeredequipment;

（2）Highproductivityrates;

（3）Relativelyinflexibleinaccommodatingproductvariety.

Theeconomicjustificationforfixedautomationisfoundinproductsthatareproducedinverylargequantitiesandat

highproductionrates.Thehighinitialcostisitscharactercomparedwithalternativemethodsofproduction.Examples

offixedautomationincludemachinetransferlinesandautomatedassemblymachines.

Inprogrammableautomation,theproductionequipmentisdesignedwiththecapabilitytochangethesequenceofoperationstoaccommodatedifferentproductconfigurations.Theo