机械制造自动化系统的建立-李松柏.ppt

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1、2.1 机械制造自动化系统建立的步骤,第2章 机械制造自动化系统的建立,自动化系统建立的步骤一般是按生命周期来划分。,生命周期：是指一个产品或系统从提出建立或改造开始到系统脱离运行或被新的系统所代替的终止时间。,四个阶段：建立期、实现期、运行期、终止期,寿命：是指系统或产品从投入使用到报废不再使用的时间区间。,2.2 机械制造自动化系统建立的系统分析,2.2.1 系统分析的基本原则,（1）内部条件与外部条件相符合 （2）当前与长远利益相结合 （3）整体效益和局部效益相结合 （4）定量分析与定性分析相结合,2.2 机械制造自动化系统建立的系统分析,2.2.2 系统分析的步骤及内容,2.3 机械自

2、动化系统建立的系统设计,系统分析 （认识世界）,是否正确 是否深入 是否充分,系统设计 （改造世界）,好坏 成败,2.3 机械自动化系统建立的系统设计,2.3.1 系统设计的基本原则,（1）系统整体最优原则 （2）大概率事件原则 （3）反复斟酌，慎重对待需求原则 （4）目标函数准确性原则 （5）充分掌握信息的原则 （6）继承和理解吸收的原则,2.3 机械自动化系统建立的系统设计,产品生命周期中差错的产生和清除,2.3 机械自动化系统建立的系统设计,产品开发过程中的蝴蝶效应,2.3 机械自动化系统建立的系统设计,2.3.1 系统设计的基本原则,（7）最大效益的原则 （8）尽量简化的原则 （9）尽

3、可能定量的原则 （10）动态设计的原则 （11）综合应用多学科的知识和技术的原则 （12）具有法制观念原则,2.3 机械自动化系统建立的系统设计,2.3.2 系统设计的步骤及内容,2.4 机械制造自动化系统的实施,设计,联调,加工,装配,检验,试运行,包装,喷漆,安装,运输,运行,调试,2.5 机械制造自动化系统设计中 的模型及其仿真,2.5.1 机械制造自动化系统模型,模型是对客观实体系统的特征要素、有关信息和变化规律的一种抽象表达。它反映了系统某些本质属性，描述了实体系统各要素之间的相互关系和系统与环境之间的相互作用。 模型能更深刻、更集中、更普遍地反映所研究主题的特征。,（1）模型的概念

4、,（2）模型的分类,思维型 字句型 描述型,方程式型 函数型 概率统计型 逻辑型,工程图 方框图 流程图,信息流程图 资金流程图 物料流程图,数式模型,图式模型,计算机程序模型,概念模型,抽象模型,形象模型,模拟模型 实体模型,模型,差分方程 状态方程 代数方程,2.5.1 机械制造自动化系统模型,（3）模型的重要性,2.5.1 机械制造自动化系统模型,勾三股四弦五,数学模型：x2+y2=z2,力的合成与分解 工业机器人动力学与运动学分析 ,例1 勾股定理与模型,（3）模型的重要性,2.5.1 机械制造自动化系统模型,法拉第：实验、归纳 电磁感应定律,麦克斯韦：归纳、推演 麦克斯韦方程组,电磁

5、波的存在 电磁波的速度=光速,光也是电磁波,例2 电磁波的发现与模型,（3）模型的重要性,2.5.1 机械制造自动化系统模型,例3 战略核武器的发展方向,两种不同观点： 主张提高杀伤威力，制造亿吨级的氢弹 主张提高导弹的命中精度 杀伤力数学模型：k = y2/3c-2 k：杀伤力；y：威力；c：命中率,（3）模型的重要性,2.5.1 机械制造自动化系统模型,机械制造自动化系统： 复杂、投资大、建设周期长、具有风险 选择正确的设计方案 避免经济损失和对生命的危害 缩短研制周期 提高经济效益,（4）模型的建立方法,2.5.1 机械制造自动化系统模型, 机理建模法：一般 特殊 推理演绎法 实验建模法

6、：特殊 一般 逻辑归纳法 综合建模法：有机结合,2.5.1 机械制造自动化系统模型,（5） 模型相似性,(a) 工作台进给系统,2.5.1 机械制造自动化系统模型,机械物理模型数学模型,电模型数学模型,由两传递函数可见，两系统相似，各参数有一一对应关系。,2.5.1 机械制造自动化系统模型,（6） 建模的原则与注意要点,2.5.2 机械制造自动化系统的计算机仿真,（1）计算机仿真的基本内容,2.5.2 机械制造自动化系统的计算机仿真,（2）计算机仿真的三个阶段,例1：CA6350微型客车正面碰撞计算机仿真,建立汽车几何模型,第一阶段 建模阶段,2.5.2 机械制造自动化系统的计算机仿真,建立整

7、车及零部件的有限元模型,第二阶段 模型变换阶段,2.5.2 机械制造自动化系统的计算机仿真,改进前实验,改进前仿真,第三阶段 模型试验阶段,计算机辅助工程分析,2.5.2 机械制造自动化系统的计算机仿真,改进后仿真,改进后实验,2.5.2 机械制造自动化系统的计算机仿真,改进前,改进后,2.5.2 机械制造自动化系统的计算机仿真,碰撞过程的视频图像,2.6 自动化系统的可靠性分析,2.6.1 研究可靠性的意义,自动化系统可靠性是保证系统安全正常运行的关键。,自动化系统性能的提高 结构和系统复杂性的加强 零部件数量的增多 系统运行工况更加复杂,可靠性要贯穿系统设计、制造、安装、调试整个过程。,可

8、靠性问题 特别突出,2.6 自动化系统的可靠性分析,2.6.2 可靠性的基本概念,可靠性：是指一台设备（或系统）在规定的时间内，在预定的工作条件下正常工作，不发生故障的概率。,可靠度：可靠性的概率值称为可靠度。概率的概念就是对可靠性做了定量的描述。,故障：指系统在运行过程中出现的异常现象，即产品质量下降、效率降低、磨损加剧、不能正常工作等。,2.6 自动化系统的可靠性分析,系统可靠度的计算：,总系统的可靠性取决于子系统及其组成元器件的可靠性，主要取决于可靠性最低的子系统或元器件。,第i个子系统加权后实际可靠度为：,式中 发生故障的加权系数； 发生故障的子系统数； 子系统未加权的可靠度， 子系统

9、工作时间； 子系统平均无故障时间。,2.6 自动化系统的可靠性分析,加权实际可靠度：,总系统可靠度：,系统可靠度pi(t)与平均无故障时间ti关系曲线：,100,80,60,0,40,20,2,4,6,8,pi ( %),ti,2.6 自动化系统的可靠性分析,2.6.3 自动化系统可靠性模型与仿真,可靠性模型指的是系统可靠性逻辑框图(也称可靠性方框图)及其数学模型。原理图表示系统中各部分之间的物理关系。可靠性逻辑图表示系统中各部分之间的功能关系，即用简明扼要的直观方法表现能使系统完成任务的各种串并旁联方框的组合。,2.6 自动化系统的可靠性分析,逻辑图和原理图在联系形式和方框联系数目上都不一定

10、相同，有时在原理图中是串联的，而在逻辑图中却是并联的。,2.6 自动化系统的可靠性分析,原理图中只需一个方框即可表示，而在可靠性逻辑图中却需要两个或几个方框才能表示出来。,故障模式： 1、给电后，合不上； 2、断电后，分不开。,2.6 自动化系统的可靠性分析,画可靠性逻辑图应明确系统功能是什么，也就是要明确系统正常工作的标准是什么，同时还应弄清部件A、B正常工作时应处的状态。,2.6 自动化系统的可靠性分析,可靠性逻辑框图按级展开,2.6 自动化系统的可靠性分析,数学模型： 式中 ps (t)系统的可靠度； pi (t)第i个单元的可靠度。,2.6 自动化系统的可靠性分析,例：由4个单元串联组

11、成的系统，单元的可靠度分别为：pA=0.9 、pB =0.8 、 pC=0.7、pD=0.6，求系统的可靠度 pS。,若系统各单元的失效时间服从指数分布,则系统的可靠度为： ps(t)= Pi(t) = eit,解： pS=0.90.80.70.6=0.3024,2.6 自动化系统的可靠性分析,数学模型：,2.6 自动化系统的可靠性分析,例：由4个单元并联组成的系统，单元的可靠度分别为：pA=0.9 、pB =0.8 、 pC=0.7、pD=0.6，求系统的可靠度 pS。,解： pS = 1 (1pi) = 1 (10.9) (10.8) (10.7) (10.6) = 0.9976,2.6

12、自动化系统的可靠性分析,4、 混合模型,2.6 自动化系统的可靠性分析,5、 其它模型,混联模型：,多数表决模型：,R1,实际中系统是比较复杂的，如果系统可靠性框图不能分解成上述的几种模型，可用：网络计算法；布尔值表法；部件状态图示法；最小路集法；全概率分解法等。,2.6 自动化系统的可靠性分析,2.6.4 自动化系统可靠性预计与分配,系统可靠性预计和分配是可靠性设计的重要任务之一，它在系统设计的各阶段(如方案论证、初步设计及详细设计阶段)要反复进行多次。,可靠性预计：是根据系统的元件、部件和分系统的可靠性来推测系统的可靠性。 是一个局部到整体、由小到大、由下到上的过程，是一种综合的过程。,可

13、靠性分配：是把系统规定的可靠性指标分给分系统、部件及元件，使整体和部分协调一致。是一个由整体到局部、由大到小、由上到下的过程，是一种分解的过程。,2.6.4 自动化系统可靠性预计与分配,可靠性预计与分配流程框图,可靠性预计的主要价值在于:它可以作为设计手段，对设计决策提供依据。其计算方法有性能参数法、相似产品法、元件计数法、上下限法、故障率预计法等。,可靠性分配的目的是使各级设计人员明确其可靠性设计要求，并研究实现这个要求的可能性及办法。常用的分配方法有等同分配法、评分分配法、比例组合法等。,2.6.4 自动化系统可靠性预计与分配,2.6.4 自动化系统可靠性预计与分配,等同分配法 将 系统的

14、可靠度平均地分配给各单元的方法。 对于串联系统的可靠度为： ps= pi 按等同分配要求，其分配公式为：pi=(ps)1/n, i=1,2,n,2.6.4 自动化系统可靠性预计与分配,例2：由三个单元组成的并联系统，若每个单元分配的可靠度相等，即p1 =p2=p3=p，已知系统的可靠度指标ps=0.99，试求分配到各个单元的可靠度。,解: RS=1(1 R1 )(1 R2 )(1R3 )=1(1 R) R= 1(1 RS)1/3 = 1(1 0.99)1/3=0.7845 R1 =R2=R3=0.7845,2.6.4 自动化系统可靠性预计与分配,AGREE分配法：美国电子设备可靠性咨询组提出,

15、例：由四个单元组成的串联系统,要求在连续工作24h时的期间内具有0.96的可靠度,试用AGREE方法作可靠度分配。,此方法认为系统的故障时间符合指数分布:,第i个子系统的失效率分配为:,2.6.4 自动化系统可靠性预计与分配,1.计算系统总组成件数：N=ni=10+20+90+50=170,3. 计算各单元容许可靠度： p1= e0.000124=0.997600，p2= e0.00053410=0.994678 p3= e0.000924=0.978620，p4= e0.00117712=0.985974 系统可靠度： ps= p1 p2 p3 p4 =0.957455,2.6.4 自动化系

16、统可靠性预计与分配,可靠度分配应遵循的原则,可靠度分配应遵循的原则：,1）关键子系统，可靠度指标应高些； 2）易达到高可靠度的子系统，其可靠度指标可高些； 3）不易维修、更换的子系统，可靠度指标可高些； 4）易受工作环境影响的子系统，可靠度指标可高些； 5）结构复杂，难保证高可靠度的子系统，可靠度指标应低些； 6）对系统可靠性影响不大的子系统，可靠度指标应低一些。,总的原则：对总系统的可靠性影响显著，对保证系统性能起主要作用，对完成执行任务具有保障作用，容易实现高可靠度要求所组成的子系统，其可靠度要高，反之则低。,2.6.4 自动化系统可靠性预计与分配,2.7 自动化系统的技术经济分析,研究内

17、容：自动化系统规划方案的预期经济效果。,2.7.2 全生命周期成本的构成,2.7.3 经济效益,累计各年净现金流量的计算公式为,式中 第t年的净收入 年收入 年支出 时间（年），t=1,2,T,当I O时的年份，为项目的回收期。立项方案的 选择是I越大愈好，即项目的回收期越短越好。,差额计算法：,2.8 自动化系统的战略效益和社会效益,2.9 机械制造自动化系统的总体设计,例：某减速机厂建立减速机座生产自动化系统,工厂条件：该厂是一个技术力量强、经济实力较为雄厚、效益较好、设备较为先进、产品供不应求的企业 。,产品条件：生产多种结构相似、规格不同的减速机，其产品属于中小批生产类型，其品种可根据

18、市场情况和定货情况进行调整，具有多批次生产的性质。其产品结构和工艺相似性强，精度要求较高。该产品在市场已形成竞争态势，目前该厂稍占上风。,具备自筹资金建立减速机座自动化系统的条件！,2.9 机械制造自动化系统的总体设计,2.9.1 产品的工艺分析,减速机座结构简图,2.9.1 产品的工艺分析,产品各型号的结构尺寸：,310,430,型号,A,B,C,D1,D2,D3,D4,1,280,155,200,40,80,95,120,2,330,195,265,80,120,140,180,3,410,240,100,140,160,200,4,335,703,120,160,180,220,5,47

19、0,380,400,140,180,200,240,精镗左端的孔 精镗右端孔加工结束。,加工平面 加工左端面 12 及二个台阶孔；,工艺路线：,以 11 12 面定位铣面和钻扩铰面上的两定位销孔；,以面和两销孔定位（随行夹具）加工右端面和孔；,加工端面及面上螺纹孔的钻孔、攻丝；,对左端面的螺纹孔进行钻孔、攻丝；,加工平面11,2.9.1 产品的工艺分析,1.生产系统工位的安排,2.9.2 生产系统设备选择、布局及生产节拍的计算,工位1：采用立式加工中心，完成面和两定位销孔的加工，夹具采用V型块和档块定位，气动夹紧，上下料均采用人工操作机械吊装的方式。,工位2：采用卧式加工中心，完成除表面外的所

20、有加工面的粗加工。夹具采用一面两销定位的随行夹具，零件在随行夹具上采用螺旋自动夹紧装置，随行夹具与机床的相对位置采用两弹性锥销定位，气动夹紧。在此工位随行夹具要实现一次180的转位，以加工零件的另一端。工件同随行夹具一起由2号工位到3号工位。,工位3：采用卧式加工中心，完成主轴阶梯孔的精加工。在此工位工件也需有一次180的转位。3号工位加工完后自动返回到成品零件存放处。,2.生产节拍的确定,2.9.2 生产系统设备选择、布局及生产节拍的计算,工件机械加工工时表,工件规格,工时 (min/件),1（立式加工中心）,2（卧式加工中心）,3（卧式加工中心）,1号,14,19,30,50,工位号,30

21、,50,5号,3.生产系统布局,2.9.2 生产系统设备选择、布局及生产节拍的计算,立式加 工中心,工件成品,1,2,卧式加 工中心,卧式加 工中心,3,工件毛坯,2.9 机械制造自动化系统的总体设计,2.9 机械制造自动化系统的总体设计,2.9.5 控制系统设计,2.9.5 控制系统设计,控制系统的六个功能,（1）数据管理 （2）运行控制 （3）运行监视 （4）业绩管理 （5）操作方式选择 （6）无人化运行监视,加工监视功能 尺寸精度监视功能 刀具寿命管理功能 适应控制功能,1. 结合实例按阶段叙述系统建立过程。 2. 结合实例叙述系统分析和系统设计的步骤。 3. 模型的概念是什么？建模有哪几种方法？建模的原则和注意要点是什么？ 4. 可靠度的计算，可靠度分配的计算。,第2章 复习题,