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1、Chapter1ComputersinManufacturingBy,ZhangHangweiMechatronicsEngineeringDepartmentAdvancedManufacturingTechnologyContentsChapter1ComputersinManufacturing1Computer-aidedProductionandControlSystemIntroduction1.1AutomationConcept1.2ComputerProcessControl1.3ManagementInformationSystems(MIS)1.4Engineering1
2、.5Business1.6ComputerControlofManufacturingSystemComputer-aidedProductionandControlSystemPara1Thereasonofmodernmfg.Systemsdevelopment.-TomeetpeoplesdesiresPara2Computerisimportantinmfg.SuchasNC,AC,Robotics,AGVS,AS/RS,FMSComputer-aidedProductionandControlSystemNC=NumericalControl数控数控即数字控制(NumericalCo
3、ntrol,缩写为NC),在制造业指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。根据国家标准GB/T81291997机床数字控制的定义:用数字数据的装置(简称数控装置),在运行过程中,不断地引入数字数据,从而对某一生产过程实现自动控制,叫数字控制,简称数控。用计算机控制加工功能,实现数字控制,称计算机数控(ComputerizedNumericalControl,缩写CNC)。Computer-aidedProductionandControlSystemComputer-aidedProductionandControlSystemAC=AdaptiveControl自适应控制自适
4、应控制所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。因此,直观地讲，自适应控制系统，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。它是一种现代控制理论。-以变制变以变制变自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。Computer-aidedProductionandControlSystemRobotics工业机器人学工业机器人学工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自
5、动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。足球机器人四足机器人Computer-aidedProductionandControlSystemAGV是自动引导小车（AutomatedGuidedVehicle）AGV是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，AGV是轮式移动机器人（WMRWheelMobileRobot）的特殊应用。AGV是一种以电池为动力，装有非接触导航（导引）装置
6、的无人驾驶车辆。它的主要功能表现为能在计算机监控下，按路径规划和作业要求，精确地行走并停靠到指定地点，完成一系列作业功能。Computer-aidedProductionandControlSystemAS/RS=AutomatedStorage/RetrievalSystem自动存储自动存储和提取系统和提取系统一种用于存储和提取物品的自动、电脑化控制一种用于存储和提取物品的自动、电脑化控制系统。系统。Computer-aidedProductionandControlSystemFMS=FlexibleManufacturingSystem柔性制造柔性制造系统系统FMS通常包括通常包括3台以
7、上的台以上的CNC机床机床(或加工中心或加工中心),由集中的控制系统及物料系统连接起来由集中的控制系统及物料系统连接起来,可在不可在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。PhrasePara1bearound出现，存在rangefromto在.的范围内Para2versatile(a.)通用的，万能的，多才多艺的e.g.aversatileengineerbecomingofage:成年，日趋成熟onthefoundationof=onthebasisofPara3grouptogether组合groupinto把.分类aspecialappli
8、cationsystem专用系统bereferredtoas指的是asetofsubsystem一组子系统collectively(ad.)集体地，共同地，总的来说haveaneffecton起作用，对有影响takefor考虑passthrough穿（通、经、流）过，刺穿、经历Computer-aidedProductionandControlSystemPara3WhatisPACS?Manyrelatedmanufacturingactivitiesaregroupedtogethertoformaspecialapplicationsystem.Para5WhatisCAPACS?Man
9、yrelatedmanufacturingactivitiesaregroupedtogethertoformacomputer-drivenspecialapplicationsystem.TechnologiesinIntroductionCAD(计算机辅助设计，COMPUTERAIDEDGESIGN)是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。一般认为CAD功能可归纳为四大类：建立几何模型、工程分析、动态建模、自动绘图。TechnologiesinIntroductionCAM(计算机辅助制造，Computer-aide
10、dmfg.)目前尚无统一的定义，一般而言，是指计算机在产品制造方面有关应用的总称。CAM有广义和狭义之分，广义CAM一般是指利用计算机辅助从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的活动。包括工艺准备(计算机辅助工艺设计、计算机辅助工装设计与制造、NC自动编程、工时定额和材料定额编制等)、生产控制、及时控制等。狭义CAM通常仅指数控程序的编制，可包括刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等。TechnologiesinIntroductionCAPP(计算机辅助工艺设计，Computer-aidedProcessPlanning)是根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和制
11、造过程的设计。一般认为，CAPP系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。其中，工序设计又可包含装夹设备选择或设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、刀具和夹具的选择、必要的工序图生成等。TechnologiesinIntroductionCAD/CAM/CAPP的集成CAD过程与CAPP、CAM过程的集成系统，其基本工作步骤如下：(1)CAD过程设计产品结构，绘制产品图形，并为CAPP、CAM过程准备设计数据；(2)生成标准化的数据结构(如征成STEP文件)，并经过接口进行数据转换；(3)CAPP系统直接读入CAD系统生成并经过转换的数据，生成零件加工工
12、艺规程；(4)CAM系统读入CAPP系统生成并经过转换的数据，生成加工零件的数控程序。PhrasePara4:byfar(adv.)到目前为止Para5:bringinto引进;使开始bringabout引起;致使;造成;达成intimate及时地discharge(vt.)卸下,放出,解雇,拔染,履行,放电Para7:function（n.）功能，作用，函数，模块hub轴心，活动中心Para8:spoke辐条e.g.putaspokeinsomeoneswheel从中作梗Computer-aidedProductionandControlSystemPara8Q1:Whatisthehubo
13、fFig.1.2?Q2:WhatarethespokesofFig.1.2?Q3:WhatareadvantagesofCAPACS?-increaseproductivity,reducewaste,andproducethingsitwouldnototherwisebeabletomake.1.1AutomationConceptDefinition-Taketheplaceofobservation,effortanddecisionbyhuman.-Bedefinedasasystemthatisrelativelyself-operating.FunctionPhraseLine3
14、:taketheplaceof取代Line5:respondto对响应Line5:encodedinstruction编码指令1.1AutomationConcept1.2ComputerProcessControlDefinition-Thecontrolofvariablesinamanufacturingprocess,whereoneoranycombinationofmaterialsandequipmentproducesormodifiesaproducttomakeitmoreusefulandmorevaluable.ClassificationClosed-loopCont
15、rolSystemOpen-loopControlSystem1.2ComputerProcessControlOpen-loopControlSystem1.2ComputerProcessControlOpen-loopControlSystem1.2ComputerProcessControlClosed-loopControlSystem1.2ComputerProcessControlClosed-loopControlSystemPhrasePara1：involve涉及，包含，就是，serveas作为mechanism装置instrument仪器，仪表calibrateddial
16、s分度盘，校准盘Para2:inchargeof负责sensingdevice=transmit传感器feedbackmechanism反馈装置difference误差beginat从.开始，开始于endat结束于Para3：datalogging数据存储1.2ComputerProcessControl1.3ManagementInformationSystemCharacteristicsBedesignedtoaidintheperformanceofmanagementfunctions.Tobedevelopedtoprovideexecutiveswithup-to-the-min
17、uteinformationabouttheoperationsoftheenterprise.PhraseLine1Para1：bedesignedtodo被设计用来Line3Para1：executive执行程序、行政部门Line3Para1：up-to-the-minute最新的Line5Para1：viewas将看作Line2frombottom：softwarepackage软件包1.3ManagementInformationSystemQ1:WhatisthedefinitionofEngineering?Engineeringisaprofessioninwhichaknowl
18、edgeofthenaturalsciencesisappliedwithjudgmenttodevelopwaysofusingthematerialsandforcesofnature.Q2:WhataretheadvantagesCAPACSofInEngineering?-increasetheproductivityofengineers,improvethequalityofdesign1.4EngineeringParagraph2Makeexamplestoexplaintheadvantagesbecauseofusingcomputer.Paragraph3Q:Whatar
19、etherolesofcomputer?-automatedoperations,relievetheengineeroftediousmanualcalculations1.4EngineeringPhraseLine1Para1：engineering(n.)工程；设计、制定；工艺技术；操纵、管理；Humanengineering环境工程学powerengineering动力学Line5Para1：simulation模拟；仿真；模型化；伪装、冒充；Line5Para1：modeling模型化成型；模型制造；模拟；仿形、靠模；Line7Para2：physicalproperties物理性
20、质Line2Para3：document(n.)文件、资料(v.)用文件证明Line4Para3：relieveof免除、解除1.4IntroductionofEngineering1.4Computer-aidedEngineeringandProductionDefinitionPhase方案论证阶段方案论证阶段, ,初步设计阶段初步设计阶段,conceptualphaseTranslationPhase详细设计阶段详细设计阶段;detaileddesignphaseConstructionPhase生产准备及制造阶段生产准备及制造阶段SupportPhaseListFourPhaseso
21、fProductionFig一个机电一体化产品的设计和开发归纳为以下14个基本步骤。(1)拟定产品(设计)目标，确定初步技术规范。(2)收集资料，市场分析，可行性分析，技术经济性分析。(3)初步设计(总体方案设计)。(4)初步设计方案的评审、评价(不满意，修改)。(5)确定数学模型(理论分析)。(6)详细设计(样机设计)。(7)详细设计方案评审、评价(不满意，修改)。(8)试制样机。(9)样机试验，测试。(10)技术评价与审定(不满意，修改)。(11)小批量生产。(12)试销。(13)正常正产，收集用户意见。(14)销售，收集用户意见。1.5BusinessPara1WhatisCAB？The
22、applicationsofcomputerstoassistoraidinperformingvariousoperationsinthesefunctionsarereferredtoasCAB.WhatarethefunctionsofCAB?productionplanningandcontrol,financeandaccounting,distributionmanagement,maintenanceschedulingandcontrol,managementinformationsystems,dataprocessing,andproductplanning.1.5Busi
23、nessPara24：Computerinfluencesthewaysofmfg.inthreerespects.(1)changingthewayofoperations(Para2).(2)changingthewayofdesign(Para3).(3)changingtheinternalstructureofmanufacturingorganization,theirmethodsofoperations,andtheirexternalrelationshiptosociety(Para4).PhaseLine4Para1:financeandaccounting财（政和）会（
24、计）财（政和）会（计）Line2Para2:carryout实行、执行实行、执行Line5Para2:longterm长期的长期的Line6Para2:MRP2=ManufacturingResourcePlanning制造资源计划制造资源计划Line1Para3:gobeyond过分、超越、超出过分、超越、超出范围范围Line1Para3:payroll工资单工资单Line3Para3:laborintensive劳动力密集的劳动力密集的Line4Para3:intricate(a.)复杂的、错综的、难以理解的复杂的、错综的、难以理解的1.5BusinessPhaseLine3Para4:s
25、cenario(n.)电影剧本、情况、方案电影剧本、情况、方案Line5Para4:conceptualdesign=preliminarydesign初步设计初步设计Line7Para4:iterationafteriteration反反复复反反复复Line8Para4:drawon利用、抽烟利用、抽烟Line9Para4:serviceable有用的、耐用的有用的、耐用的Line2frombottomPara4:inconformancewith与与一一致致1.5Business1.6ComputerControlofManufacturingSystemQ1:Whataretherole
26、sofcomputer-controlledmfg.systems?controlstand-alonesystems(spraypainting)controltheuseofresourcestoproduceasalableproductcontrolcomplexsystems(FMS)1.6ComputerControlofManufacturingSystem1.6ComputerControlofManufacturingSystemQ2:Whatisthechallengingincomputer-controlledsystems?datacommunicationdatab
27、asemanagementtheintegrationofthemanyislandsofautomationPhaseLine1Para1:useas=viewas使使作为作为Line5Para1:stand-alone独立的独立的Line7Para1:asalableproduct畅销产品畅销产品Line2Para2:manufacturingcycle生产周期生产周期Line2Para2:productionline生产线生产线Line2Para2:takeovercontrolof接管接管Line5Para2:islandsofautomation自动化岛自动化岛Line1Para3:
28、integratedcontrolsystem集成控制系统集成控制系统Line2Para3:thrust（n.）插）插,戳戳,刺刺,推力推力,猛推猛推,口头口头攻击（攻击（vt.）力推）力推,冲冲,插入插入,挤进挤进,刺刺,戳戳,强加强加,延伸延伸（vi.）插入）插入,刺刺,戳戳,延伸延伸,强行推进强行推进1.6ComputerControlofManufacturingSystem1.6.1Computer-IntegratedControlSystemQ1:WhatisthedefinitionofICS?ThephilosophyofanICSistotietogetherthesubs
29、ystemsofbusiness,engineering,andproductionoverthecompletemanufacturingcycletocreateasmoothmanufacturingbusinessmachine.1.6.1Computer-IntegratedControlSystemQ2:WhatarethetargetsofICS?(ComputerIntegratedControlSystem)bedirectedatchangingthesubtledifferencesinthemeaningofcontrolastheconceptisusedbyrhev
30、ariousfunctionsinthemanufacturingenterprise.bedirectedattyingtogetherthemanagementobjectivesforthefirmandthevariousprocessfunctionsrequiredtoproducetheproduct.1.6.1Computer-IntegratedControlSystemQ2:WhatistheconceptandtargetsofICS?(ComputerIntegratedControlSystem)bedirectedatcreatingandcontrollingas
31、ingle,integratedplanforoperatingthefacilityandproducingacooperative,harmoniousworkingrelationshipamongallpartsofthebusiness. S7-200主机外形主机外形PLC可编程序控制器：PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是定义是:一种数字运算一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，
32、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式通过数字或模拟式输入输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。输出控制各种类型的机械或生产过程。DCS集散系统集散系统:DCS英文全称英文全称DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM,中文全称为集散型控制系统。中文全称为集散型控制系统。DCS可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛可以解释为在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散使用的，尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。和显示功能集中的一种自动化高技术产品。烟雾传感器烟雾传感器红外线传感器红外线传感器传感器传
33、感器sensor直接作用于被测量，并能按一定方式将直接作用于被测量，并能按一定方式将其转换成同种或别种量值输出的器件。通常由敏感元其转换成同种或别种量值输出的器件。通常由敏感元件和转换元件组成。件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器transducer。温度传感器压力传感器超声波点钞/验钞磁阻式发送传感器(或称超声波发送器)-transmitter接收传感器(或称超声波接收器)-receiverPhaseLine1Para1:tietogether结合成有机整体结合成有机整体Line4Page1:accountfor考虑到、解释说明考虑到、解释说明Line1Para2
34、:bedirectedat目的在于目的在于Line2frombottomPara2:cooperative合作的合作的Line1Para3:3C技术技术=Computer,Communication,CollectionLine1Para3:PLC=ProgrammableLogicControllerLine3Para3:user-oriented面向用户的面向用户的Object-orientedlanguage面向对象的语言面向对象的语言Line1Para3:sensor传感器、传感器、transducer变换器变换器1.6.1Computer-IntegratedControlSyste
35、m1.6.2LevelsofControlLevelsofControlNameFunctionCharaceristics1 ProcessControl2 SupervisoryControl3 ManagementControlNameFunctionCharaceristics1 ProcessControllControlindividualmachinelReceivedirectivesfromLevel2Primary,fast-acting2 SupervisoryControlTietogetherprocessesdynamicallyHuman-oriented,Mor
36、eslowly3 ManagementControlControlentiresystemInorderofdaysThedefinitionofdistributedcontrolsystem1.6.3DistributedControlSupervisoryandadministrationfunctions,wherereal-timecommunicationisnotsocritical,mustnotinterferewiththetime-criticalcontrolloop.1.6.3DistributedControlQ1:WhatisthedefinitionofComm
37、unication?-thetransmissionofintelligencebetweenpointsoforiginandreceptionwithoutalterationofsequenceorstructureoftheinformation.Q2:Whatisdatacommunication?-themovementofcomputer-encodedinformationbymeansofelectricaltransmission1.6.4PlantCommunicationQ3:Whatistheheartofcommunicationsystem?-computersQ
38、4:Howtochooseacontroller?-theControllershouldbeefficientintheperformanceoftheirassignedresponsibility1.6.4PlantCommunicationSummaryAkeycommunicationissueisaccesstotheup-to-the-minutedatatoeliminatecostlyerrors,toimproveproductqualityandtoimproveproductivity.1.1.6.4PlantCommunication1.6.5NetworkArchi
39、tectures1.Hardware2.Software3.Protocols4.DataLinkControls5.LocalAreaNetworks6.Topology1.6.5.1HardwareDefinition-thephysicalequipmentExamplescomputer,terminals,machines,controllers,modems,1.6.5.1Hardware大亚华为新桥调制解调器（即调制解调器（即Modem），是计算机与电话线之间进），是计算机与电话线之间进行信号转换的装置，由调制器和解调器两部分组成，调行信号转换的装置，由调制器和解调器两部分组成，
40、调制器是把计算机的数字信号（如文件等）调制成可在电制器是把计算机的数字信号（如文件等）调制成可在电话线上传输的声音信号的装置，在接收端，解调器再把话线上传输的声音信号的装置，在接收端，解调器再把声音信号转换成计算机能接收的数字信号。通过调制解声音信号转换成计算机能接收的数字信号。通过调制解调器和电话线就可以实现计算机之间的数据通信。调器和电话线就可以实现计算机之间的数据通信。作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。1.6.5.2.SoftwareDefinition-asetofprogramsExamplesCWS,AP,OS,DBMS软件主要是指支持
41、系统运行并对系统进行软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理和控制的程序系统。管理和控制的程序系统。 实时软件实时软件 系统软件系统软件 应用软件应用软件 开发软件开发软件1.6.5.3.ProtocolsDefinitionAprotocolisaformalsetofconventionsabouttheformatandcontentofmessagestobechanged.Functionestablishcommunicationsexchangedataterminatecommunications网络协议即网络中（包括互联网）传递、管网络协议即网络中（包括互联网）传递、管理信息
42、的一些规范。理信息的一些规范。常见的协议有：常见的协议有：TCP/IP协议、协议、IPX/SPX协议、协议、NetBEUI协议等。在局域网中用得的比较协议等。在局域网中用得的比较多的是多的是IPX/SPX。用户如果访问。用户如果访问Internet，则必须在网络协议中添加则必须在网络协议中添加TCP/IP协议。协议。TCP/IP是是“transmissionControlProtocol/InternetProtocol”的简写，中文的简写，中文译名为传输控制协议译名为传输控制协议/互联网络协议）协议，互联网络协议）协议，TCP/IP（传输控制协议（传输控制协议/网间协议）是一种网间协议）是一
43、种网络通信协议，它规范了网络上的所有通网络通信协议，它规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一个主机之信设备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式。间的数据往来格式以及传送方式。TCP/IP是是INTERNET的基础协议，也是一种电脑的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。数据打包和寻址的标准方法。1.6.5.4.DataLinkControlsasynchronous&synchronous定义：定义：同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。一致。发送端发送连续的比特流。异步通信时
44、不要求接收端时钟和发送端时钟同步。异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。隔再发送下一个字节。特点：特点：异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。具有一般精度的时钟来进行数据通信。1.6.5.5LocalAreaNetworkDefinitionAdatalinkisaninstallationofequipmentthatareoperatinginaparticularwaytopermitin
45、formationtobeexchangedbetweeninstallations.Classificationasynchronous&synchronous1.6.5.5.UserWorkstationPhrasescabletelevisiontap=CATV有线电视接头infrareddiodesforinfraredpaths红外线二极管用于红外线传输coaxialTVCables同轴电视电缆signal-to-noiseratio信噪比lowsignalradiation低信号辐射lowerrorrate低出错率1.6.5.6.TopologyDefinitionTopologydescribesthesurfacelayoutoftheelementscomprisingthecommunicationnetwork-thatis,itistheshapeofthesystem.1.6.5.7.Base-band&Broad-band2.Internet2.1ServicesSupportedbyInternet2.2WhoUsestheInternet2.3InternetOrigins
