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CIMS环境下的工艺过程设计特点的探讨 |
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作者：淮南昌发电力制造有限公司 王永梅 |
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摘 要：在CIMS 环境下开发的CAPP / CAM 系统的基础上，探讨了CIMS 对机械工艺过程设计原则、特点、基本概念及各种组成部分地位的变化。
关键词：CIMS 系统；工艺过程设计；特点；探讨
计算机集成制造概念的基本思想是：企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑。整个生产过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程。最终形成的产品可看作是数据的物质表现。但在1974 年这个根据计算机在工业生产中的应用所作的预见未引起足够的重视。直到1981 年CIMS 的概念才被广泛接受，并把CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）作为制造工业的新一代生产方式，这是科学技术发展和市场需求共同推动的结果。
CIMS 是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及软件，将制造厂全部生产活动所需的各种分散自动化系统有机地结合起来，适合于多品种、中小批量生产的总体高效益、高柔性的智能制造系统。它不是现有生产模式的计算机化和自动化，而是在新生产组织原理和概念指导下形成一种新的生产实体，是21 世纪占主导地位的生产方式。
1 CIMS 系统实现的模型
机械制造工艺学是研究制造零件的加工和装配的一门科学，建立这门科学的基础是机械制造技术。作为新产业革命热点之一的CIMS，使制造技术有了极大飞跃，它也势必引起机械制造工艺内容、概念和设计原则的重大变革。如图1 为计算机集成制造系统（CIMS）的实现模型。
图1 CIMS - ERC（CAPP 和CAM 子系统）实现模型
2 ClMS 环境下的工艺设计特点
工艺过程设计是产品设计完毕后投入车间制造前的中间环节，是产品设计、制造和生产管理各部门间信息交叉汇集点。它属于生产准备的部分。工艺过程设计所花费时间约占整个生产准备时间的40%，它关系到产品质量、生产经济效益和生产周期，因而是整个生产制造的重要环节。在CIMS中，与之对应的计算机辅助工艺过程设计CAPP 也得到充分的应用。在CIMS 的应用过程中，对市场要求、生产结构变化引起的制造工艺的基本设计原则和概念提出全新的方法。
（1）全流程作业无纸化 传统的工艺过程是指生产过程中直接改变工件形状、尺寸、性质、位置等过程。CAPP 是物流、信息流和能量流的集合。正如CAD 不能等同于计算机辅助绘图一样，CAPP 不是仅用计算机输出工艺过程卡片。随着CAD、CAPP、CAM 集成的迅速发展，计算机将所设计的零件信息直接转化为加工信息传递给机床，使一项产品从设计到制造在一个系统中完成，不再使用图纸等书面文件。基本能做到全流程作业无纸化，这就是区别传统机械制造工艺学中生产过程的概念。
（2）单件小批量生产为生产主要类型 常规的工艺过程设计受产量或生产纲要的直接影响，在不同生产纲要下，为相同零件设计的工艺过程可以大相径庭，即所谓批量法则。它认为高自动化设备和高精度毛坯只适用于大批量生产。但随着市场竞争日益激烈，缩短交货周期、压缩在制品、提高产品质量、减少直接劳动消耗，抢占新市场成为主要目标，单件小批量生产成为生产主要类型。根据国际生产工程协会（CIRP）的调查，即使在发达国家，单件小批量生产的产量占整个机械工业的75% ～ 80%，产值占60%。数控机床和加工中心的发展、柔性制造系统的出现，改变传统机床结构布局，冲破了传统机床类别划分，实现了单件小批零件的生产从工序分散向工序集中发展，有效解决了单件小批生产的自动化和柔性化。因此，在新的制造环境下，加工质量和效率与产量关系大为减弱，可以说在CIMS 生产环境下批量法则失效，在设计工艺过程时不用再将产品批量作为主要决定因素和设计原则。
（3）在CIMS 生产中工序以生产设备为单元 在计算机集成制造系统（CIMS - ERC）中由卧式加工中心、立式加工中心、车削中心、清洗机和测量机五个工作站组成。这种工序集中现象将造成常规的工艺过程组成部分，如工序、安装、工位、走刀概念的某些变化，及它们在工艺过程设计中的地位变化。
常规工序定义是：对一个（或同时对几个）工件连续完成的那一部分加工过程。在CIMS 生产过程中，无人参与，所以工序只能以生产设备为单元。常规的安装是指在一道工序中，工件在一次定位夹紧下所完成的加工。如车圆柱面一端后调头，车另一端面，属于一道工序，两次安装，然而在加工中心上，一次装夹可以加工几个面，且可以不改变工件在托盘上的定位装夹，直接从卧式加工中心，用自动导引小车AGV 将托盘和其上的工件送到立式加工中心上加工。因此，不存在一道工序中多次安装。
3 ClMS 环境下的工艺简例
在普通机床上，工位的作用不很重要。而加工中心是多工位的机床，且因工序集中引起的工序内容剧增，工位的作用将大大增强。尤其要指出的是：原来的工序图己远不能满足指导生产，而应由相应的各个工位图所代替。
图2 铣床上集成块零件示意图
图2 为铣床上集成块零件的示意图，设批量为10 件，传统工艺过程是（节选）：
工序10 钳工划线
工序20 钻面3 上的孔 钻床 工步1 钻小孔
工步2 钻大孔
工序30 钻面对4 上的孔 钻床 ⋯⋯
工序40 钻四对2 上的孔 钻床 ⋯⋯
工序50 钻面对1 上的孔 钻床 ⋯⋯
而在CIMS 生产环境下的工艺为（节选）：
工序10 钻面3、面2、面4 上的孔 HMC
工位1 钻面3 上的孔
工步1 打中心孔 工步2 钻小孔 工步3
钻大孔 转位90 度
工位2 钻面2 上的孔 ⋯⋯
转位90 度 工位3 钻面4 上的孔 工序20 钻面l 孔
VMC
工步是指在一个工位中，加工表面，切削刀具及切削用量都不变时所进行的那部分加工。在加工中心中，由于本身的刚性和加工质量及精度远高于普通机床，所以走刀的作用将大大减少。故在CIMS 的工艺过程设计中应主要考虑工序及定位夹紧、工位和工位及工步。
4 CIMS 环境下的工时定额
按照传统的工艺过程设计，在普通机床生产条件下，由于生产节拍不明显，加工时间受操作工人的熟练程度影响较大，所以时间定额的计算中有许多主观因素，并非科学和准确。由于CIMS 环境下的生产是准时制，时间定额是静态调度、动态调度、工装准备、仿真和成本核算的主要依据，它直接影响作业计划、作业调度和单元的正常工作。所以，科学和准确的时间定额计算己必不可少。再者，时间定额将主要传送给动态调度系统，进行生产计划的合理安排，且由于CIMS 的产品是多品种、小批量，所以优选的调度方案可最大限度地发挥加工中心的作用，减少设备闲置时间和工件等待时间。
在CIMS 中，时间定额不是由CAPP 直接给出，而是由CAM 生成的刀具轨迹，精确地计算出加工时间。这可通过两个途径进行：①分析CAM 产行的刀位文件CLFILE（Cutter LocaotionFILF）。②分析NC 代码。由于前者是符合ISO 标准的文件，它在总体上不因加工和控制系统的不同而改变，所以可以方便地编制通用程序。而后者较大地依赖于加工和加工系统。图3 为采用分析刀位文件，计算工时定额流程图。
图3 计算工时定额流程图
5 结 论
CIMS 作为一种技术与管理高度结合的新的生产方式，它的成功要求人们改变传统的经营策略、管理方式，以至生产结构。机械工艺过程是面向特定生产结构的，CIMS 对传统观念的冲击势必对机械工艺过程设计的指导思想、设计原则、基本概念及各组成部分地位产生重大变化。
参考文献：
［1］国家高技计划自动化领域CIMS 情报研究课题组. 计算集成制造系统［M］. 北京：兵器工业出版社，1990.
［2］王先逵. 机械制造工艺学［M］. 北京：清华大学出版社，1990.(end)
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(6/3/2006) |
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