1、第5章 CAD/CAM集成技术及发展 5.1 21世纪制造业的特点世纪制造业的特点 5.2 CIMS 5.3 工业机器人工业机器人 5.4 三坐标测量仪三坐标测量仪 5.5 CAPP技术技术 5.6 并行工程并行工程 5.7 成组技术成组技术 5.8 逆向工程逆向工程 5.9 快速成形技术快速成形技术 5.10 虚拟制造虚拟制造 5.11 产品数据管理产品数据管理(PDM)5.1 21世纪制造业的特点世纪制造业的特点5.1.1 产品、市场与环境特点产品、市场与环境特点产品、市场与环境特点的主要特点如下：(1)用户需求多样化，产品生命周期缩短。(2)产品开发周期缩短，上市时间更快。(3)市场占有
2、率竞争激烈。(4)产品质量。(5)分布、并行、集成并存。(6)大市场和大竞争。(7)适应市场，提高柔性。(8)人的知识、素质和要求的变化。(9)环境保护意识的增强与可持续发展。5.1.2 技术特点技术特点1.信息技术信息技术计算机技术的深入和广泛应用，使企业的控制进一步信息化，使企业的工作内容、对象和方法发生了根本的改变。信息化是当今社会发展的趋势，信息技术正在以人们想象不到的速度向前发展。信息技术也正在向制造技术注入和融合，促进着制造技术的不断发展。其中先进制造技术的形成与发展，无不与信息技术的应用与注入有关。它使制造技术的技术含量提高，使传统制造技术发生质的变化。信息技术对制造技术发展的作
3、用目前已占第一位，在21世纪对制造业的发展将起着重要的作用。2.现代设计技术现代设计技术1)设计手段的计算机化设计手段的计算机化在实现了计算机计算、绘图的基础上，当前突出反映在数值仿真或虚拟现实技术在设计中的应用，以及现代产品建模理论的发展上，并且向智能化设计方向发展。2)新的设计思想和方法不断出现并行设计、面向“X”的设计(Design For X，DFX)、健壮设计(Robust Design)、优化设计(Optimal Design)、逆向工程(Reverse Engineering)等正在不断出现。3)向全寿命周期设计发展传统的设计只限于产品设计，全寿命周期设计则由简单的、具体的、细节
4、的设计转向复杂的、总体的设计和决策，要通盘考虑包括设计、制造、检测、销售、使用、维修、报废等阶段的产品的整个生命周期。4)设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素设计不只是单纯追求某项性能指标的先进和高低，还要考虑市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。3.成形制造技术与改性技术成形制造技术与改性技术成形制造技术是铸造、塑性加工、连接、粉末冶金等单元技术的总称。21世纪的成形制造技术正在从制造工件的毛坯、从接近零件形状向直接制成工件精密成形发展。据权威部门预测，到下世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。改性技术主要包括热处理及表面工程等各项
5、技术。主要发展趋势是通过各种新型精密热处理和复合处理达到零件性能精确、形状尺寸精密以及获得各种特殊性能要求的表面(涂)层，同时大大减少能耗及完全消除对环境的污染。4.加工制造技术加工制造技术1)超精密加工技术目前加工精度已达到0.025 mm，表面粗糙度达0.0045 mm，已进入纳米级加工时代。超精切削厚度由目前的红外波段向可见光波段甚至更短波段逼近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工材料由金属扩大到非金属。2)超高速切削目前铝合金超高速切削的切削速度已超过1600 m/min，铸铁为1500 m/min，超耐热镍合金为300 m/min，钛合金为200 m/min。超高速切削的发
6、展已转移到一些难加工材料的切削加工。3)新一代制造装备的发展市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发，其中典型的例子是“并联桁架式结构数控机床”(俗称“六腿”机床)的发展。它突破了传统机床的结构方案，采用六个轴长短的变化，以实现刀具相对于工件的加工位置的变化。5.工艺设计与工艺模拟技术工艺设计与工艺模拟技术工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技艺发展为工程科学。工艺模拟也发展并应用于金属切削加工过程、产品设计过程。最新的进展是在并行工程环境下，开展虚拟成形制造，使得在产品的设计完成时，成形制造的准备工作(如铸造)也同时完成。6.专业、学科间的界限逐渐淡化、消失
7、专业、学科间的界限逐渐淡化、消失先进制造技术的不断发展，在冷热加工之间，加工、检测、物流、装配过程之间，设计、材料应用、加工制造之间，其界限均逐渐淡化并逐步走向一体化。CAD、CAPP、CAM等单元技术的出现，使设计、制造成为一体；精密成形技术的发展，使热加工可能直接提供接近最终形状、尺寸的零件，它与磨削加工相结合，有可能覆盖大部分零件的加工，淡化了冷热加工的界限；快速原型/零件制造(Rapid Prototyping/Parts Manufacturing，RPM)技术的产生，是近20年制造领域的一个重大突破，它可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造成零件，淡化了
8、设计、制造的界限；机器人加工工作站及FMS的出现，使加工过程、检测过程、物流过程融为一体；现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分。很多新材料的配制与成型是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。这种趋势表现在生产上是专业车间的概念逐渐淡化，将多种不同专业的技术集成在一台设备、一条生产线、一个工段或车间里的生产方式逐渐增多。7.绿色制造将成为绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征世纪制造业的重要特征(1)绿色产品设计技术。产品在生命周期内符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求。(2)绿色制造技术。在整个制造过程对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高。
9、绿色制造技术主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品等三方面的内容。(3)产品的回收和循环再制造。例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术。它主要包括生产系统工厂致力于产品设计和材料处理、加工及装配等阶段，恢复系统工厂主要用于对产品(材料使用)生命周期结束时的材料处理循环。8.虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用虚拟现实技术(Virtual Reality Technology)主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两部分。虚拟制造技术将从根本上改变设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过
10、信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织结构的虚拟化、地域的虚拟化。9.信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合制造业在经历了少品种小批量少品种大批量多品种小批量生产模式的过渡后，20世纪7080年代开始采用CIMS进行制造的柔性生产的模式，并逐步向智能制造技术(Intelligent Manufacturing Technology，IMT)和智能制造系统(Intelligent Manuf
11、acturing System，IMS)的方向发展。精益生产(Lean Production，LP)、敏捷制造(Agile Manufacturing，AM)等先进制造模式相继出现。预计21世纪初，以先进制造模式及技术创新为主要手段的制造业必将获得不断发展。5.1.3 CAD/CAM技术和先进制造技术体系技术和先进制造技术体系1.先进制造技术的定义先进制造技术的定义先进制造技术是为了适应时代要求提高竞争能力，对制造技术不断进行优化及推陈出新而形成的。它是一个相对的、动态的概念。先进制造技术作为一个专有名词提出后，至今没有一个明确的、一致公认的定义。近年来通过对发展先进制造技术方面开展的工作，以
12、及对其内涵、特征的分析研究，可以定义为：“先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。”2.先进制造技术的内涵及技术构成先进制造技术的内涵及技术构成先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有不同的技术内涵和构成。对我国而言，机械科学研究院(AMST)提出先进制造技术是一个多层次的技术群。先进制造技术的内涵和层次及其技术构成如图5.
13、1.1所示。它强调了先进制造技术从基础制造技术、新型制造单元技术到先进制造集成技术的发展过程，也表明了在新型产业及市场需求的带动之下，在各种高新技术(如能源技术、材料技术、微电子技术和计算机技术以及系统工程和管理科学)的推动下先进制造技术的发展过程。图5.1.1 先进制造技术的层次及其技术构成3.先进制造技术的体系结构及分类先进制造技术的体系结构及分类1)先进制造技术的体系结构1994年，美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出了先进制造技术是由主体技术群、支撑技术群、管理技术群组成的三位一体的体系结构，如图5.1.2所示。这种体系不是从技
14、术学科内涵的角度描绘先进制造技术，而是着重从比较宏观组成的角度描绘先进制造技术的组成以及各个部分在制造技术发展过程中的作用。图5.1.2先进制造技术的体系结构先进制造技术主要包括以下三个技术群：主体技术群，包括面向制造的设计技术群以及制造工艺技术群；支撑技术群；管理技术群。这三部分相互联系，相互促进，组成一个完整的体系，每一部分均不可缺少，否则就很难发挥预期的整体功能效益。2)先进制造技术的分类根据先进制造技术的功能和研究对象，结合国家先进制造技术专项计划指南，可以将先进制造技术归纳为以下几个大类：(1)先进设计技术。(2)先进制造工艺。(3)先进制造自动化技术。(4)先进制造模式及系统。(5
15、)先进管理技术。5.1.4 先进制造技术的特色和发展趋势先进制造技术的特色和发展趋势1.数是发展的核心2.精是发展的关键3.极是发展的焦点4.自是发展的条件5.集是发展的方法6.网是发展的道路7.智是发展的前景8.绿是发展的必然5.2 CIMSCIMS是计算机应用技术在工业生产领域的主要分支技术之一。它的概念是由美国的J.Harrington于1973年首次提出的，但是直到20世纪80年代才得到人们的认可。对于CIMS的认识，一般包括以下两个基本要点：(1)企业生产经营的各个环节，如市场分析预测、产品设计、加工制造、经营管理、产品销售等一切的生产经营活动，是一个不可分割的整体。(2)企业整个生
16、产经营过程从本质上看，是一个数据的采集、传递、加工处理的过程，而形成的最终产品也可看成是数据的物质表现形式。构成CIMS的三大基本要素是人、技术和经营管理，三者相互关联、相互支持、相互制约。人掌握技术，技术支持人员工作；人制定管理模式、确定组织机构，同时也受组织和管理模式的制约；技术支持管理，同时管理也管技术。三者相重叠的部分实现了人、技术和经营管理的集成。5.2.1 CIMS的构成的构成CIMS一般可以划分为四个功能子系统和两个支撑子系统：工程设计自动化子系统、管理信息子系统、制造自动化子系统、质量保证子系统以及计算机网络和数据库子系统。系统的组成框图如图5.2.1所示。图5.2.1 CIM
17、S构成框图5.2.2 CIMS的控制体系结构的控制体系结构在对传统的制造管理系统功能需求进行深入分析的基础上，美国国家标准技术研究院提出了五层的CIMS控制体系结构(如图5.2.2所示)，即工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层。每一层又可进一步分解为模块或子层，并都由数据驱动。图5.2.2AMRF/CIMS分级体系结构5.2.3 CIMS中的信息集成中的信息集成CIMS系统的集成一般应具备以下三个基本特征：(1)数据共享。系统内部某个子系统运行的结果可被其他子系统直接使用。(2)功能交互。通过统一的执行控制程序来组织和协调系统内部各子系统的运行，实现功能的交互集成。(3)开放式结构。不但在
18、系统内部各子系统之间易于信息交换，系统与外部的其他相关子系统也能通过外部接口实现有效的信息互通。5.2.4 CIMS的关键技术的关键技术涉及CIMS的关键技术很多，归纳起来，大致有以下五个方面。1.CIMS系统的结构分析与设计2.支持集成制造系统的分布式数据库技术及系统应用支撑软件3.CIMS网络4.自动化制造技术与设备5.软件开发环境5.2.5 CIMS的实施要点的实施要点CIMS系统是企业经营过程、人的作用发挥和新技术的应用这三方面集成的产物。因此，CIMS的实施要点也要从这几方面来考虑。(1)要改造原有的经营模式、体制和组织，以适应市场竞争的需要。因为CIMS是多技术支持条件下的一种新的
19、经营模式。(2)在企业经营模式、体制和组织的改造过程中，对于人的因素要给予充分的重视，并妥善处理，因为其中涉及到了人的知识水平、技能和观念。(3)CIMS的实施是一个复杂的系统工程，整个实施过程必须有正确的方法论指导和规范化的实施步骤，以减少盲目性和不必要的疏漏。5.2.6 CIMS的经济效益的经济效益具体而言，体现在以下几方面：(1)在工程设计自动化方面，可提高产品的研制和生产能力，便于开发技术含量高和结构复杂的产品，保证产品设计质量，缩短产品设计与工艺设计的周期，加速产品的更新换代速度，满足顾客需求，从而占领市场。(2)在制造自动化或柔性制造方面，加强了产品制造的质量和柔性，提高了设备利用
20、率，缩短了产品制造周期，增强了生产能力，加强了产品供货能力。(3)在经营管理方面，使企业的经营决策和生产管理趋于科学化。使企业能够在市场竞争中快速、准确地报价，赢得时间；在实际生产中，解决“瓶颈”问题，减少在制品；同时，降低库存资金的占用。5.2.7 CIMS的研究发展趋势的研究发展趋势20世纪80年代以来，CIMS逐渐成为制造工业的热点。CIMS以其生产率高、生产周期短以及在制品少等一系列极有吸引力的优点，给一些大公司带来了显著的经济效益。世界上很多国家和企业都把发展CIMS定为全国制造工业或企业的发展战略，制定了很多由政府或企业支持的计划，用以推动CIMS的开发应用。在我国，尽管制造工业的
21、技术和管理总体水平与工业发达国家还有较大差距，但也已将CIMS技术列入我国的高技术研究发展计划(即“863”计划)，其目的就是要在自动化领域跟踪世界的发展，力求缩小与国外先进制造技术的差距，为增强我国的综合国力服务。CIMS是现代信息技术、计算机技术、自动控制技术、生产制造技术、系统和管理技术的综合集成系统，也是一项投资大、涉及面广、实现时间长和技术上不断演变的系统工程，其中各项单元技术的发展、部分系统的运行都成功地表明了CIMS工程的巨大潜力。近些年，并行工程、人工智能及专家系统技术在CIMS中的应用大大推动了CIMS技术的发展，增强了CIMS的柔性和智能性。随着信息技术的发展，人们在CIM
22、S基础上又提出了各种现代制造系统，诸如精良生产、敏捷技术、全球制造等。与此同时，人们不但将信息引入到了制造业，而且将基因工程和生物模拟引入了制造技术，力图建立一种具有更高柔性的开放的制造系统。5.3 工工业业机机器器人人5.3.1工业机器人的基本概念工业机器人的基本概念1.工业机器人的定义工业机器人的定义工业机器人是一种可重复编程、多自由度的自动控制操作机，至今尚无公认的定义。我们综合有关定义，可将其理解为“工业机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能”。尽管这一概念还不能准确定义机器人，但它
23、反映了研制机器人的最终目标是创造一种能够综合人的所有动作智能特征，延伸人的活动范围，使其具有通用性、柔性和灵活性的自动机械。2.工业机器人的组成工业机器人的组成工业机器人一般由操作机构、控制系统、驱动系统、位置检测系统和人工智能系统组成。3.工业机器人的分类工业机器人的分类1)按系统功能分(1)专用机器人。(2)通用机器人。(3)示教再现机器人。(4)智能机器人。2)按驱动方式分(1)气压传动机器人。(2)液压传动机器人。(3)电力传动机器人。3)按结构形式分(1)直角坐标机器人。(2)圆柱坐标机器人。(3)球坐标机器人。(4)关节机器人。4.工业机器人的性能特征工业机器人的性能特征工业机器人
24、的性能特征影响机器人的工作效率和可靠性，以下几方面的性能指标在机器人的设计和选用时必须逐一予以考虑和重视，以便能满足需要。(1)自由度。(2)工作空间。(3)提取重力。(4)运动速度。(5)位置精度。5.3.2 工业机器人的机械结构工业机器人的机械结构1.工业机器人手部的机械结构工业机器人手部的机械结构工业机器人的手部是用于抓取和握紧(或吸附)工件或专用夹紧工具进行操作的部件。它安装在机器人手臂的前端，是操作机构直接执行工作的装置。根据其用途和结构的不同可以分为夹持式、吸附式和专用工具三类。2.工业机器人手臂的机械结构工业机器人手臂的机械结构手臂是操作机构中的主要运动部件，它用来支撑手部和腕部
25、，并调整手部在空间的位置。手臂一般应有三个自由度，这些自由度可以是移动副和回转副。手臂的直线运动多数通过液压缸来实现，也可通过齿轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机来实现。回转运动可采用蜗轮蜗杆式、液压缸活塞杆上的齿条驱动齿轮的方式、液压缸通过链条驱动链轮转动、利用液压缸活塞杆直接驱动手臂回转、由回转液压缸直接驱动手臂回转、由步进电动机通过齿轮转动使手臂回转、由直流电动机通过谐波传动装置驱动手臂回转。3.工业机器人腕部的机械结构工业机器人腕部的机械结构手腕是连接手臂和手部的部件，其功能是在手臂和腕部实现了手部在空间的三个位置(自由度)坐标的基础上，再由手腕来实现手部在作业空间的三个姿态(方位)坐标，即
26、实现三个旋转自由度。手腕一般由弯曲式关节和转动式关节组成，它处于手臂末端，为减轻手臂载荷，使机器人具有良好的动力学特性，一般将驱动装置安装在立柱或靠近立柱的其他部件上，而不直接安装在腕部，通过齿条、齿形带或连杆将运动传递到腕部。手腕部的自由度越高，其动作越灵活，机器人对作业的适应能力越强，但同时会使手腕结构复杂，运动控制难度大。为提高手腕动作的精确性，应提高传动的刚度，在手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防关节超位。5.3.3 工业机器人的控制原理工业机器人的控制原理1.工业机器人控制系统的技术特点工业机器人控制系统的技术特点(1)工业机器人有若干个关节，多个关节的运动要求各个伺服
27、系统协调工作。(2)工业机器人的任务控制手部进行空间点位运动或连续轨迹运动，对工业机器人的运动控制需要进行复杂的坐标变换运算及矩阵函数的逆运算。(3)工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和参变数的复杂模型，各变量之间还存在耦合，因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。(4)较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立数据库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照要求，自动选择最佳控制规律。2.工业机器人的控制系统工业机器人的控制系统控制系统是机器人的重要组成部分，它使机器人按照作业要求去完成各种任务。由于机器人的类型较多，
28、因此其控制系统的形式也是多种多样的。按照控制回路的不同可将机器人控制系统分为开环式和闭环式；按对机器人手部运动轨迹的不同可分为点位控制和连续控制；按设备的不同可分为机械、液压、射流及顺控器等控制方法。目前较多的机器人采用了计算机程序控制的形式。一个典型机器人的闭环控制系统的工作原理如图5.3.1所示。图5.3.1 机器人闭环控制系统工作原理工业机器人的动作是通过示教存储再现的过程来实现的。要使机器人具有完成预定作业的功能，须将作业示教给机器人，这个操作过程称为“示教”；将示教内容记忆下来称为“存储”；按照存储的示教内容进行动作称为“再现”。早期是利用行程开关、挡块、凸轮及各类顺序控制器来实现这
29、一过程的。由于计算机性能的提高和价格的下降，目前大多采用计算机控制以不同的方法完成示教编程。实现自动完成预定的作业任务，关键在于控制系统具有记忆功能，能存储完成作业所需的全部信息。在示教阶段，由操作者拨动示教盒上的开关按钮或用手握着机器人的手臂来操作机器人，使它按需要的姿势、顺序和路线进行工作。此时，机器人一边工作，一边将示教的各种信息通过反馈回路逐一反馈到记忆装置中存储起来。实际工作时，拨动控制面板上的启动开关使机器人转入再现阶段，于是机器人便从记忆装置中依次调出在示教阶段所存储的信息，利用这些信息去控制机器人再现示教阶段的动作。示教再现式控制系统的工作原理如图5.3.2所示。图5.3.2
30、示教再现式控制系统工作原理图5.3.4 工业机器人的应用及发展趋势工业机器人的应用及发展趋势工业机器人之所以得到如此广泛的应用，是因为它具有以下几个特点：(1)造价越来越低，1990年平均每台的价格为3万元左右。(2)工业机器人适合长时间工作，尤其是重复性工作。(3)工业机器人可在危险、有毒、有害的环境中工作，避免了人在这种环境下伤亡的可能性。(4)工作性能稳定，不受情绪等因素的影响，易于保证产品的质量。(5)工业机器人适应的产品和作业范围很广。当产品的型号和产品变更时，它能迅速适应生产线的重组和变更，发挥投资的长期效益。工业机器人技术是一门涉及机械学、电子学、计算机科学、控制技术、传感器技术
31、、仿生学、人工智能甚至生命科学等学科领域的交叉性科学，机器人技术的发展依赖于相关学科技术的发展和进步。目前，工业机器人有如下几个发展趋势。1.精良机器人2.微型机器人3.智能机器人4.机器人的多机协调化5.机器人的标准化6.机器人的模块化 5.4 三坐标测量仪三坐标测量仪5.4.1 三坐标测量仪的原理三坐标测量仪的原理三坐标测量仪是20世纪60年代后期发展起来的一种高效率的精密测量仪器。它广泛应用于机械、电子、汽车、飞机等工业部门中，用于零件和部件的几何尺寸和相互位置的测量。由于三坐标测量仪具有高准确度、高效率、测量范围大的优点，因此已成为几何量测量仪器的一个主要发展方向。三坐标测量仪主体的组
32、成如图5.4.1所示。图5.4.1 三坐标测量仪组成示意图5.4.2 机械结构及测量系统机械结构及测量系统1.结构形式结构形式三坐标测量仪的结构形式(总体布局形式)主要取决于三组坐标的相对运动方式，它对测量仪的精度和适用性影响很大。图5.4.2列出了目前常见的几种结构形式。图5.4.2 三坐标测量仪的结构形式2.测量系统测量系统三坐标测量仪的测量系统的主要部件是测量头和测长系统。1)测量头三坐标测量仪的准确度和测量效率与测量头密切相关。各国的三坐标测量仪厂家均花大力气来研制高效能的测头。到目前为止，已开发了多种形式的测头，大致可以归纳为以下几种。(1)机械接触式测头(硬测头)。这类测头没有传感
33、系统，只是一个纯机械式接触头。图5.4.3列出了一些典型的机械测头：V形、圆锥形、圆柱形、针形、半圆形、方形和球形测头。图5.4.3 机械接触式测头(2)光学非接触式测头。光学非接触式测头可用于对空间曲面、软体表面、光学刻线等的测量，尤其是不能用机械测头和电测头测量的工件，只能用光学非接触式测头。这种方法的瞄准准确度一般为1 m3 m。(3)电气式测量头。电气式测量头按其原理和功能可分为动态测头和静态测头。2)测长系统三坐标测量仪采用的测长方法很多，以测长的标准器划分，机械类有刻线标尺、精密丝杠、精密齿条等；光学类有光栅式、激光干涉式；电类有感应同步器、磁栅式、编码器等。现代的三坐标测量仪多采
34、用光栅测长。5.4.3 测量数据的采集和处理测量数据的采集和处理1.测量数据的采集测量数据的采集测量仪数据处理系统沿扫描线自动采集测量点数据，通常依照两种方法。1)弦向偏差控制弦向偏差控制方法保证两个测量点之间的连线与轮廓曲线之间的距离不超过由操作员给定的允许偏差。另外，如果被测曲面区域很平坦(曲率很小)，则采集点的间距将不超出由操作员给定的允许最大值。2)间距固定测量仪自动采集的测量点间距由操作员给定，其相邻两点的最小空间距离可达100 m。2.测量数据的处理测量数据的处理坐标测量系统测得的坐标数据，最初是用数显装置显示出来的，由人来记录并计算测量结果。目前，三坐标测量仪大都配备有专用计算机
35、或通用计算机，由计算机来采集数据，通过计算，与预先存储的理论数据相比较，然后输出测量结果。近年来，由于微型计算机性能的大幅度提高，三坐标测量仪趋向于装备通用微机。图5.4.4为测量仪与计算机及外部设备关系示意图。图5.4.4 测量仪与计算机及外部设备关系示意图5.4.4 工件在测量仪上的安装工件在测量仪上的安装为了便于工件在测量仪台面上的定位安装，测量仪的数据处理系统具有三维坐标系自动变换功能。所以工件在测量仪上的安装可以是任意的，不需要精确地找正与定位。只需要在测量工作正式开始之前先测出工件坐标系XwYwZw，然后测量系统便自动完成机床坐标系XMYMZM与工件坐标系之间的转换。图5.4.5为
36、工件坐标系的测定。图5.4.5 工件坐标系的测定5.4.5 测量仪的用途和常用测量方法测量仪的用途和常用测量方法测量仪的用途有：产品的检测，仿制样件(数据未知)的测量，划线和易加工材料的铣切等4种。测量仪的工作方式可以是人工控制、全自动控制和半自动控制。测量对象可以是简单几何面构成的普通机械零件，也可以是复杂曲面件，通常前一类工件为点到点(点位)测量，后一类工件属于连续扫描测量。1.点位测量点位测量点位测量时对测量头的控制方式有以下3种：1)人工控制2)全自动控制3)半自动控制2.连续扫描测量连续扫描测量连续扫描测量法通常用来测量曲面。曲面测量时，测量仪能对以下5种扫描轮廓线类型进行控制和数据
37、处理。(1)扫描轮廓线位于一个通过测量头轴线的平面内。当扫描轮廓线位于一个通过测量头轴线的平面内时，轮廓线是工件曲面与扫描平面的交线，扫描平面是测量头轴线沿扫描方向移动时扫出的平面。(2)扫描轮廓线构成的平面与测量头垂直。当扫描轮廓线构成的平面与测量头垂直时，扫描平面与测量头轴线垂直，而扫描轮廓是探头中心在扫描平面内的运动轨迹。(3)扫描轮廓线沿一个柱面。当扫描轮廓线沿一个柱面时，扫描轮廓线不在一个平面内，但测量头的轴线方向是固定的。(4)扫描轮廓线所在平面不通过测量头轴线。扫描轮廓线所在平面不通过测量头轴线时的状态往往用来避免测量头与工件凸出部位之间可能的碰撞。(5)扫描轮廓线既不位于平面又
38、不沿柱面。扫描轮廓线既不位于平面又不沿柱面时的状态往往用于测量复杂曲面。5.5 CAPP 技技 术术5.5.1 CAPP的概念及意义的概念及意义CAPP的开发、研制是从20世纪60年代末开始的，在制造自动化领域，CAPP的发展是最迟的部分。世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1969年，并于该年正式推出了世界上第一个CAPP系统AUTOPROS；1973年正式推出了商品化的AUTOPROS系统。在CAPP发展史上具有里程碑意义的是CAM-I于1976年推出的CAM-IS Automated Process Planning系统。取其字首的第一个字母，称为CAPP系统。目前对CAPP这个缩写
39、法虽然还有不同的解释，但把CAPP称为计算机辅助工艺设计已经成为公认的释义。CAPP的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息(形状、尺寸等)和工艺信息(材料、热处理、批量等)，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。计算机辅助工艺设计也常被译为计算机辅助工艺规划。国际生产工程研究会(CIRP)提出了计算机辅助规划(CAP，computer aided planning)、计算机自动工艺设计(CAPP，computer automated process planning)等名称，CAPP一词强
40、调了工艺自动设计。实际上国外常用的一些，如制造规划(manufacturing planning)、材料处理(material processing)、工艺工程(process engineering)以及加工路线安排(machine routing)等在很大程度上都是指工艺设计。计算机辅助工艺规划属于工程分析与设计范畴，是重要的生产准备工作之一。由于CIMS的出现，计算机辅助工艺设计上与CAD相接，下与CAM相连，是设计与制造之间的桥梁。设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息，设计只能通过工艺设计才能与制造实现功能和信息的集成。由此可见CAPP在实现生产自动化中的重要地位。计算机辅助工艺过
41、程设计的基本原理正是基于人工设计的过程及需要解决的问题而提出的：随着机械制造生产技术的发展及多品种小批量生产的要求，特别是CAD/CAM系统向集成化、智能化方向发展，传统的工艺设计方法已远远不能满足要求。CAPP也是应运而生的，用CAPP代替传统的工艺设计克服了上述的缺点。它对于机械制造业具有重要意义，其主要表现如下：(1)可以将工艺设计人员从大量繁重的、重复性的手工劳动中解放出来，使他们能从事新产品的开发、工艺装备的改进及新工艺的研究等创造性的工作。(2)可以大大地缩短工艺设计周期，保证工艺设计的质量，提高产品在市场上的竞争能力。(3)能继承有经验的工艺设计人员的经验，提高企业工艺的继承性，
42、特别是在当前国内外机械制造企业有经验的工艺设计人员日益短缺的情况下，它具有特殊意义。(4)可以提高企业工艺设计的标准化，并有利于工艺设计的最优化工作。(5)为适应当前日趋自动化的现代制造环节的需要和实现计算机集成制造系统创造必要的技术基础。(6)工艺人员的工艺经验、工艺知识能够得到充分的利用和共享。(7)制造资源、工艺参数等以适当的形式建立制造资源和工艺参数库。(8)能充分利用标准(典型)工艺生成新的工艺文件。5.5.2 CAPP系统的分类系统的分类计算机辅助编制工艺规程的方法大致有派生式、创成式、综合式三种，那么相应的CAPP系统也就可以分为以下三种：1.派生式(Variant)CAPP系统
43、2.创成式(Generative)CAPP系统3.综合式(Hybrid)CAPP系统5.5.3 CAPP系统的基础技术系统的基础技术1.成组技术成组技术成组技术是一门生产技术科学，CAPP系统的研究和开发与成组技术密切相关。成组技术的实质是利用事物的相似性，把相似问题归类成组并进行编码，寻求解决这一类问题相对统一的最优方案，从而节约时间和精力以取得所期望的经济效益。零件分类和编码是成组技术的两个最基本概念。根据零件特征对零件进行分组的过程是分类；给零件赋予代码则是编码。对零件设计来说，由于许多零件具有类似的形状，可将它们归并为设计族，设计一个新的零件可以通过修改一个现有同族典型零件而形成。对加
44、工来说，由于同族零件要求类似的工艺过程，只要组建一个加工单元来制造同族零件，对每一个加工单元只考虑类似零件，就能使生产计划工作及其控制变得容易。因此成组技术的核心问题就是充分利用零件上的几何形状及加工工艺相似性进行设计和组织生产，以获得最大的经济效益。2.零件信息的描述与输入零件信息的描述与输入零件信息的描述与输入是CAPP系统运行的基础和依据。零件信息包括零件名称、图号、材料、几何形状及尺寸、加工精度、表面质量、热处理以及其他技术要求等。准确的零件信息描述是CAPP系统进行工艺分析决策的可靠保证，因此对零件信息描述的简明性、方便性以及输入的快速性等方面都有较高的要求。常用的零件描述方法有分类
45、编码描述法、表面特征描述法以及直接从CAD系统图库中获取CAPP系统所需要的信息。其中，从长远的发展角度看，根本的解决方法是直接从CAD系统图库中获取CAPP系统所需要的信息，即实现CAD与CAPP的集成化。3.工艺设计决策机制工艺设计决策机制工艺设计方案决策主要有工艺流程决策、工序决策、工步决策以及工艺参数决策等内容。其中，工艺流程设计中的决策最为复杂，是CAPP系统中的核心部分。不同类型CAPP系统的形成，主要也是由于工艺流程生成的决策方法不同而决定的。为保证工艺设计达到全局最优，系统常把上述内容集成在一起，进行综合分析、动态优化和交叉设计。4.工艺知识的获取及表示工艺知识的获取及表示工艺
46、设计随着各个企业的设计人员、资料条件、技术水平以及工艺习惯不同而变化。要使工艺设计能够在企业中得到广泛有效的应用，必须根据企业的具体情况，总结出适应本企业的零件加工典型工艺决策的方法，按所开发CAPP系统的要求，用不同的形式表示这些经验及决策逻辑。5.工艺数据库的建立工艺数据库的建立CAPP系统在运行时需要相应的各种信息，如机床参数、刀具参数、夹具参数、量具参数、材料、加工余量、标准公差及工时定额等。工艺数据库的结构要考虑方便用户对数据库进行检索、修改和增删，还要考虑工件、刀具材料以及加工条件变化时数据库的扩充和完善。5.5.4 CAPP软件的基本功能软件的基本功能应用CAPP可克服传统手工工
47、艺设计的缺点，提高工艺编制的效率，推进工艺设计的优化、标准化、智能化，促进企业信息化建设。1.CAPP的体系结构的体系结构对照前面手工工艺设计过程及相应内容，计算机辅助工艺规划的内容主要应包括：产品零件信息输入；毛坯选择及毛坯图生成；定位夹紧方案选择；加工方法选择；加工顺序安排；加工设备和工艺装备确定；工艺参数计算；工艺信息(文件)输出。以下是根据CAD/CAPP/CAM集成要求而拟定的一个例子，其基本模块如下：(1)控制模块，其主要任务是协调各模块的运行，是人机交互窗口，实现人机之间的信息交流，控制零件信息的获取方式。(2)零件信息输入模块，当零件信息不能从CAD系统直接获取时，用此模块实现
48、零件信息的输入。(3)工艺过程设计模块，进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供加工及生产管理部门使用。(4)工序决策模块，其主要任务是生成工序卡，对工序间的尺寸进行计算，生成工序图。(5)工步决策模块，对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件。(6)NC加工指令生成模块，依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用NC代码库中适应于具体机床的NC指令系统代码，产生NC加工控制指令。(7)输出模块，可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其他文档，输出也可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件进行修改而得到所需的工艺文件。(8)加工过程动态
49、仿真，对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正确性。2.CAPP系统功能系统功能为了适应极其错综复杂的制造环境，企业工艺设计对CAPP系统提出以下要求：(1)基于产品结构。(2)工艺管理。(3)工艺设计。(4)资源的利用。(5)工艺汇总。(6)工艺设计管理。(7)流程。(8)工艺设计的后处理。(9)标准工艺。3.工艺数据工艺数据工艺数据指在工艺设计过程中所使用、产生的数据。从数据性质来看，它包括静态和动态两种类型。静态工艺数据主要涉及到支持工艺规划的相关信息，其可对应于工艺设计手册和已规范化的工艺规程等。静态工艺数据一般由加工材料数据、加工数据、机床数据、刀具数据、量夹具数据、标准工艺规程数据
50、、成组分类特征数据等组成，且常采用表格、线圈、公式、图形及格式化文本等形式表示。动态工艺数据则主要指在工艺规划过程中产生的相关信息，其由大量的中间过程数据、零件图形数据、工序图形数据、最终工艺规程、NC代码等组成。从工艺规划的方式来看，工艺数据又可划分成支持检索式、派生式、创成式CAPP的工艺数据。但不管是用于何种形式的CAPP系统，相应的工艺数据不外乎是上述静态与动态数据的不同组合。5.5.5 CAPP与企业信息集成与企业信息集成1.CAPP在在CAD/CAM集成系统中的作用集成系统中的作用自20世纪80年代中后期以来，CAD、CAM的单元技术日趋成熟，随着机械制造业向CIMS或IMS发展，
