校直机设计(论文+DWG图纸)


    第一章 绪论 1.1校直技术的定义及应用 校直技术属于金属加工学科的一个分支,已经广泛应用于日用金属加工业,仪器仪表制造业,汽车、船舶和飞机制造业,石油化工业,冶金工业,建筑材料业,机械装备制造业,以及精密加工制造业。校直技术在广度和深度方面的巨大发展迫切要求校直理论能进一步解决一些疑难问题,推动开发新技术和研制新设备。尤其在党的十六大之后,要求用信息化带动工业化,校直技术也要跟上时代。首先要在校直机设计、制造、校直过程分析、校直参数设定及校直质量预测等方面搞好软件开发;其次要进行数字化校直设备的研制,使校直技术走上现代化的道路,不断丰富金属校直学的内容。 校直技术多用于金属条材加工的后部工序,在很大程度上决定着生产成品的质量水平。校直技术同其他金属加工技术一样在20世纪取得了长足的发展,相应的校直理论也取得了很大的进步。不过理论滞后于实践的现象比较明显。例如校直辊负转矩的破坏作用在20世纪下半叶才得以解决(改集体驱动为单辊驱动,改刚性连接为超越离合连接等),但其破坏作用的机理直到20世纪80年代末才被阐明。另外,就校直理论的总体来看,仍然处于粗糙阶段,首先就是其基本参数的确定还要依靠许多经验算法和经验数据,如辊数、辊距、辊径、压弯量及校直速度等;其次是许多技术现象如螺旋弯废品、校直缩尺、校直噪声、斜辊校直特性、斜辊辊形特性、拉弯变形匹配特性等都缺乏理论阐述;再次是理论的概括性不够,一套公式不仅不能包括各种断面型材,甚至不能包括同类断面而尺寸和材质不同的工件,如弯矩和校直曲率等都缺少通用表达式。20世纪70年代以来,校直技术与校直理论的发展明显加快,如拉弯校直技术很快走向成熟;开发成功平动(万能)校直技术、行星校直技术、全长校直技术、程序控制校直技术、变凸度及变辊距校直技术,以及双向旋转校直技术等;完善了等距双曲线辊形设计法;创立了等曲率递减反弯辊形设计法、校直耗能计算法、主要工艺参数法、两种拉弯制度的定性与定量分析法以及负转矩和超前接触分析法;尤其在利用相对值概念对各种校直过程进行定量分析工作中取得了系统化的成果,为校直技术数字化处理打下了基础。 1.2国内现状 合肥工业大学与合肥压力机械厂,在广泛地市场调研及与国外产品的性能水平对比基础上联合攻关,经过一年多的努力,研究成功最大校直力为100KN的单柱精密校直液压机,1991年1月在合肥通过部级鉴定。 该机采用移动式手动液压伺服控制校直滑块上下运动,在行程最后25mm范围内。可实现滑块位置的精确调整,下死点定位精度在0.05mm以内。 该机为行程控制型精度校直液压机,一个新工人在很短的时间内就可以学会操作,使滑块得到很高的定位精度。该机具有压力、行程和油液温度数字显示和预置功能,并具有压力超限报警、油温超限报警和行程超限系统卸压控制功能,操作方便。 该机的研制成功,提高了我国型材精密校直工艺装备的水平。用于汽车、拖拉机、机床、纺织机械等行业,对轴类、管类、棒料零件进行精密校直,可减少加工余量,提高制件精度和生产效率。该机市场前景广阔,元器件和材料全部国产化,其价格不足目前进口价的1/5。它的开发成功,将会带来很高的经济效益和社会效益。 我国现在主要用Y41系列单柱校正压装液压机进行型材校直,校直力从100~1600KN约七个规格,在“七五”期间平均年产量近千台,产值约2400万元,约占全国液压机总产量的40%,总产值的20%;产品水平低,重复生产多;采用压力型凭经验校直方式,校直精度差,工件质量不稳定,且缺少附件,满足不了精校工艺的需要。因为压装工艺与校直工艺对设备和液压系统要求不一样,放在一起也不一定合理;在国外发达国家很少见到,主要是苏联还在批量生产,目前国内销售形势也不甚好。 第二章 校直设备的发展与分类 机械、汽车、电机等行业大量使用轴类、杆类零件,这些零件的原材料在粗加工或热处理等过程中不可避免的会出现弯曲变形,如果不进行校直处理会直接影响工件的后序加工和使用,甚至可能出现相当数量的废品。所以为了能获得下道工序所允许的最小切削量或通过精密校直保证工件达到严格的最终设计公差要求,校直机成了工件热处理后不可缺少的关键设备。 2.1 校直设备的发展概况 校直技术产生的确切时间尚未找到准确的文字记载。但从文物发掘中看到我国春秋战国时期宝剑的平直度可以使人想象到当时手工校直和平整技术已经达到很高水平。在我国古代人的生活与生产中使用的物品与工具,小自针锥、大到铁杵都要求用校直技术来完成成品的制造。手工校直与平整工艺所用的设备与工具是极简单的,如平锤、砧台等。对大型工件手工校直常借助高温加热进行。古代人在校直及整形的实践中认识到物质的反弹特性,确立了“校直必须过正”的哲理,用之于改造社会也有指导意义。由于中国社会的特殊条件,好多技术停留在手工状态,18世纪末叶到19世纪初叶,欧洲进行了产业革命,逐步实现了用蒸汽动力代替人力,机械化生产代替了手工作坊。19世纪30年代冶铁技术发展起来,当时英国的生铁产量已由7万吨增长到19万吨。增加了2.7倍。19世纪50年代开辟了炼钢技术发展的新纪元。随着平炉炼钢技术的发明,钢产量增长迅速。到19世纪末时,钢产量增加50多倍。钢材产量占钢产量的比重也显著增加。这时已经出现了锻造机械、轧钢机械和校直机械。进入20世纪,以电力驱动代替蒸汽动力为标志,推动了机械工业的发展。英国在1905年制造的辊式板材矫直机大概是我国见到的最早的一台校直机。20世纪初已经有校直圆材的二辊式矫直机。到1914年英国发明212型五辊式,解决了钢管校直问题,同时提高了棒材校直速度。20世纪20年代日本已经制造多斜辊矫直机,20世纪30年代中期发明了 222型六辊式校直机,显著提高了管材校直质量。20世纪60年代中期,为了解决大直径管材的校直问题,美国萨顿公司研制成功313型七辊式矫直机(KTC型校直机)。20世纪30~40年代国外技术发达国家的型材校直机及板材校直机也得到迅速发展,而且相继进入到中国的钢铁工业及金属制品业。新中国成立前在太原、鞍山、大冶、天津及上海等地的一些工厂里可以见到德、英、日等国家制造的校直机。与此同时还出现了拉伸校直机,20世纪50年代苏联的校直机大量进入到中国。同时,世界上随着电子技术及计算机技术的发展,工业进步速度加快,校直机的品种、规格、结构及控制系统都得到不断的发展与完善。20世纪70年代我国改革开放以后接触到大量的国外设计研制成果。有小到φ1.6mm金属丝校直机和大到φ600mm管材校直机。有速度达到300m/min的高速校直机和精度达到0.038mm/m的高精度校直机。同时也引进许多先进的校直设备。如英国的布朗克斯矫直机;德国的凯瑟琳校直机、德马克校直机连续拉弯校直机及高精度压力校直机;日本的薄板校直机等。值得自豪的是我国科技界一直在努力提高自己的科研设计和创新能力。从20世纪50年代起就有刘天明提出的双曲线辊形设计的精确计算法及《钢材的校直与校直力》中提出的校直曲率方程式。60-80年代在辊形理论方面有许多学者进行了深入的研究并取得了十分可喜的成果,还召开了全国性的辊形理论讨论会;产生了等曲率反弯辊形计算法。与此同时,以西安重型机械研究所为代表的科研单位何以太原重型机器厂为代表的设计制造部门完成了大量的矫直机设计研制工作。不仅为我国生产提供了设备保证,还培养了一大批设计研究人员。进入90年代我国在赶超世界先进水平方面又迈出了一大步,一些新研制的校直机获得了国家的发明专利;一些新成果获得了市、省及部级科技成果进步奖;有的获得了国家发明奖。近年来我国在反弯辊形七斜辊校直机,多斜辊薄壁转毂式校直机,平行辊异辊距校直机及校直液压自动切料机等研制方面相继取得成功。在校直高强度合金钢方面也已获得很好的校直质量。其校后的残留挠度为0.2-0.5mm/m。此外,从20世纪60年代以后拉伸与拉弯校直设备得到很大发展,对管材生产起到重要作用。 在传统工艺中,多数厂家选用手动压力机,较之量难以控制,效率低下,难以满足校直要求;而自动校直是一种先进的生产制造工艺,近年来随着我国工业整体技术水平和技术要求的提高,该工艺被越来越广泛地应用于机械、汽车、电机等行业中。合肥工业大学与合肥压力机械厂合作,在广泛地市场调研及与国外产品的性能水平对比基础上联合攻关,经过一年多的努力,研究成功最大校直力为100KN的单柱精密校直液压机,1991年1月在合肥通过部级鉴定。该机的研制成功提高了我国型材精密校直工艺装备的水平。用于汽车、拖拉机、机床、纺织机械等行业,对轴类、管类、棒料零件进行精密校直,可减少加工余量,提高制件精度和生产效率。 近十年来,德国、意大利、日本等国家发展了手动伺服控制精密校直液压机,其应用比较普遍,全自动精密校直液压机也已发展完善,总的发展趋势如下: 1、系列完整、品种规格齐全 2、行程精度高、检测、显示手段完善、校直工件质量好 3、附件齐全,校直工艺范围扩大 4、向数控化、柔性化、自动化方向发展。 2.2校直设备的分类 现代校直设备品种较多,规格更多。首先按工作原理不同划分为五大类。第一类称为反复弯曲式校直机,如压力校直机及辊式校直机,它们是靠压头或辊子在同一平面内对工件进行反复压弯并逐渐减小压弯量,直到压弯量与弹复量相等而变直。第二类称为旋转弯曲式校直机,是工件在塑性弯曲状态下以旋转变形方式从大的等弯矩区向小的等弯矩区过渡,在走出塑性区时弹复变直。旋转者可以是工件,可以是校直工具,也可以是变形方位。如常见的斜辊校直机、转毂式校直机及平动式校直机。第三类称为拉伸校直机,它依靠拉伸变形把原来长短不一的纵向纤维拉城等长度并进入塑性变形后经卸载及弹复而变直,如钳式拉伸校直机及连续拉伸校直机。第四类称为拉弯校直机。它是把拉伸与弯曲变形合成起来使工件两个表层的较大拉伸集权截面的拉伸变形三者不在同一事件发生,全断面各层纤维的弹复变形也不是同时发生的,既防止了板带的断裂,又提高了校直质量。第五类称为拉坯校直设备,它是在拉动连铸坯下行的同时使铸坯的弧形弯曲渐伸变直,其拉力主要用于克服外部阻力,而铸坯本身在高温状态下所需的校直拉力是较小的。 其次是按用途不同进行分类:一为校直型材的校直机,如型材压力校直机,姓蔡辊式校直机及型材拉伸校直机;二为板材校直机,如板材校直机及拉弯校直机;三为带材校直机,如连续拉伸校直机及拉弯校直机;四为管棒材校直机,如斜辊校直机、转毂校直机及管材拉伸校直机;五为线材校直机,如转毂校直机及平立辊复合校直机;六为薄壁异型管的平动式校直机;七为拉铸拉坯校直机;八为特殊用途校直机,如瓦楞板校直机,圆锯片校直机,钢丝绳校直机等。 再次是按结构特征进行分类:一为压力校直机,如机械压力校直机、液压压力校直机及微机程控压力校直机等;二为平行辊式校直机,简称辊式校直机,如简支辊式校直机及悬臂辊式校直机;三为斜辊式校直机,如二斜辊式校直机,三斜辊式校直机及各种各样的多斜辊式校直机等;四为转毂校直机,如滑动模式转毂校直机,滚动模式转毂校直机,斜辊式转毂校直机及复合式转毂校直机等;五为拉伸校直机,如机械拉伸校直机、液压拉伸校直机及连续拉伸校直机等;六为拉弯校直机,如机械拉弯校直机、液压拉弯校直机及液膜拉弯校直机等;七为拉坯校直机,如普通拉坯校直机及多辊拉坯校直机;八为特殊结构校直机,如行星式校直机及平动式校直机等。 按上述原则分类的校直机还可以进一步按具体用途、具体结构、传动方式及控制方式等不同再做细化分类,每个细化分类中都可用不同规格形成产品系列。 第三章 压力校直机 3.1压力校直机的工作原理 压力校直机与辊式校直机同属于利用反复弯曲并逐渐减小压弯挠度方法达到校直目的的设备。因为它是最简单的校直设备,压力校直机的工作原理是将带有原始弯曲的工件支承在工作台的两个活动支点之间用压头对准最弯部位进行反向压弯的。当压弯量与工件弹复量相等时,压头撤回后工件的弯曲部位变直。如此进行,工件各弯曲部位必将全部变直从而达到校直的目的。当然凭经验设定的压弯量很难准确的与工件的弹复量相等,所以在头一次反向压弯后要检测弹复量与压弯量的差值即残留挠度值,用此值修正第二次压弯量,用新压弯量进行再次反向压弯,再检测,直到校直为止。通常靠人的感观和经验确定压弯量时,常需3次以上的修正工作。现代使用微机来设定压弯量则只需1-2次修正工作,而且速度快,质量稳定。 3.2压力校直机的分类 早期的压力校直机都是通用型的压力机。随着校直技术的发展,考虑到校直工艺的特殊性:如行程小,不需退料,能翻钢或能换向,支点位置可调等特点而设计出专用校直压力机。最常见的仍为曲轴式压力校直机,参看表3-1。在其连杆与滑块之间用螺纹连接,改变螺纹长度可以得到不同的开距,但行程固定不变。其进一步的发展就是曲柄偏心式压力校直机。通过调节曲柄轴外的偏心套的相位角便可改变偏心距而得到不同的行程,以满足了不同断面尺寸工件的校直需要,提高了校直工作效率。上述两种校直压力机要具备很大校直力时常需要庞大的结构尺寸。为了满足大型钢材的校直需要,又不致使结构尺寸过大,而产生了大压力小行程的肘杆式校直压力机。在大型锻件及钢坯的校直中翻钢是一道麻烦的工序,为解决不翻钢问题而创造了卧式换向压弯式校直机。操作者根据工件原始弯曲方向决定校直所需的反弯方向与位置。先开动辊道移送工件定好位置,然后开动齿轮齿条升降机构使小滑块升到工件的凸弯处,使大滑块变成两个支点,第三步开动蜗轮螺母把大滑块推倒工件处并将其压靠,第四步开动曲轴连杆机构使小滑块对工件进行压弯以达到校直目的。工件的弯曲方向改变时小滑块与小滑块的支点与压头作用点互换,即原来在下面的小滑块上升,原来在上面的大滑块下降。如果工件原始弯曲方向为二维弯曲时,则需另设翻钢机构。机械传动的压力校直机经历了较长的发展过程,在规格、结构及品种方面都有过许多新的改进,但其基本结构仍可归纳为上述四种典型。对压弯量的调节仍采用及种厚度不同的垫块凭操作者的经验随机的选用垫块垫在压头与工件之间以获得所需要的压弯挠度。当然压弯的精确度不易保证,工作效率也很低。为了提高工效和校直精度,把液压技术应用到压力校直机上已取得成功。液压传动的压力校直机不仅可以任意调节压下量,还可以调节压力的大小。另外还具有压力大、体积小、重量轻和便于控制等一系列有点。从表2-1中可以看到这类校直机也有立式和卧式之分,每种都可按压力大小分出许多规格。液压校直机已经从普通型发展到精密型,进而发展到程控型。普通型除了上述优点外,仍然要凭操作者经验来决定校直精度。而精密型由于配备了检测仪表可以在校后跟踪检测,再按检测后显示的弯度改进下一次的校直压弯量,直到合格为止。其支点可移动,两次压下中间不卸活不重卡,效率提高,质量有保证。但压弯量仍为人为设定,不够准确,全过程都靠手工操作,效率提高有限。程控型压力校直机经人工上料后按程序完成装卡、检测、电脑设定压弯量、反弯校直、旋转检测、再设定压弯量、再反弯校直、再检测,直到合格为止,并自动卸料。程控压力校直机的研制成功结束了压力校直机工作精度低、工作效率低和自动化程度低的历史,一跃而成为高精度及高技术水平的校直机 。 同上述液压校直机并存的气动压力校直机具有类似的优点,而且动作快效率高。 表3-1 压力校直机分类表 机动压力校直机 立 式 曲轴式 曲柄偏心式 肘杆式 卧 式 换向压弯式 (不翻钢) 液(气)动压力校直机 普 通 型 立 式 卧 式 精密型 具有活动支点及仪表检测 程控型 微型计算机设定压弯量,按程序检测,修正定位及压弯 3.3压力校直机的实例介绍 3.3.1机动压力校直机 表3-1种4种机械传动压力校直机都是已经广泛应用的校直设备,在结构、性能、规格及型号方面存在着多样性。但在工作原理上是基本相同的,都利用曲轴(或曲柄)、连杆和滑块机构把旋转运动变成直线运动。机架一般是采用C型开式结构和门形闭式结构。在C型开式结构中还有主轴为简支梁型与悬臂梁型之分。这些结构形式及规格的选择主要根据加工对象的特点(如工件的断面形状及其尺寸大小、工件长度和重量等)、加工精度要求及产量大小等因素来确定。 具体地说,C型开式结构的机架具有较大的操作空间,调节支点距、开距、观测压弯位置、更换压弯垫块、移送工件、翻转工件、及更换压头等工作都较方便。但机架刚性较低,不适于大断面工件的校直工作。C型机架的主轴基本上有简支梁结构与悬臂梁结构两种。前者主轴的刚度好,轴承磨损均匀,可以承受较大校直力;后者加工制造及装配检修都较容易,广泛应用于中、小型压力校直机。在大断面工件校直时需要较大工作台面,虽然可用C形机架但其立柱受到很大弯矩作用及不安全,而门式机架具有很好的刚度,其机架的立柱或立板受到的是拉力作用,强度得到很大改善。表3-1种的肘杆式校直机的机架需要承受较大校直力,故多为门式结构。大型液压校直机更要采用门式机架而且常常用4个立柱及上下横梁构成门形结构。机座有立式与卧式结构之分,主要是考虑在不改变工件移送状态下进行反弯,如大断面而且宽高比值较大的工件。随弯曲而卧态移送的工件都须采用卧校方式。 下面先以图3-1的曲柄偏心式压力式压力校直机为例来说明其结构特点。这台矫直机的各部结构名称可参看图下面的代号说明。驱动系统的高速端为皮带传动,低速端为齿轮传动。偏心轴通过偏心套及连接杆来带动滑块作升降运动。偏心套与偏心轴的相对相位可调。当两者偏心量同向相加时滑块行程最大,而反向相减时行程最小。压头下面的两个支点间距可以手动调节。在两个支点的两侧装有移送工件的支撑棍。在工件上某一弯曲点被校直之后支撑辊快速抬起,操作者可以轻快的推移工件使另一个弯曲点对准压头,进行新弯曲点的校直。 图3-1 偏心式压力校直机 1-皮带传动;2-齿轮传动;3-行程指示盘;4-偏心调节电动机; 5-导轨压板;6-滑块;7-压头;8-可移动支点;9-工作台面; 10-电动机(主驱动);11-机架;12-移送工件的支承辊;13-操纵台 3.3.2普通液压压力校直机 普通液压压力校直机已经逐步代替了一些机动压力校直机,并从20世纪下半叶以来发展很快。在大型材及大锻件的校直生产中几乎全部采用液压校直机。液压校直机具有压力大、结构紧凑、重量轻、效率高、易控制、好调整等一系列优点,很适合于压力校直的工作要求。如前所述,它也分为立式与卧式两种结构形式,现在分别介绍如下。 1、立式液压校直机 这种液压校直机在生产上应用较多,中小型立式液压校直机很普遍,其机架多为C形开式结构。大型立式液压校直机比较少见,其机架多为门形闭式结构,现以某钢厂研制的1000t四柱式液压校直机为例来了解这种校直机的结构特点,工作原理及主要参数。 如图3-2所示,该机主要用于校直经过调质处理后的φ500mm特厚壁钢管,管长可达9m;机器的设计压力为1000t。机器的各部件可由图下代号说明。液压站装在机器顶部,其下直接与工作缸相连接。工作缸内的柱塞可推动活动横梁7下行可对砧台8上的工件施加压力进行反弯校直。主缸两侧的耳缸为提升缸3,缸内活塞可快速将活动横梁抬起返回原位。上横梁与底座之间用4根立柱连接,形成框架封闭受力体系,具有刚性高、强度好、结构紧凑、振动小等一系列优点。整个校直机支承在4个行走车轮上,并可沿轨道行走,而工件放在门形立柱之间的工作台上。校直机行走到工件弯曲处同压头对准凸弯进行压下校直。当凸弯相位偏离压头时,由翻钢 图3-2 1000t液压校直机简图 1-液压站;2-工作缸;3-提升缸;4-上横梁;5-工作柱塞; 6-立柱(四根);7-活动横梁;8-砧台;9-下横梁;10-工作台; 11-翻钢小车;12-翻钢辊;13-小车行走齿条;14-校直行走轨道 小车开动翻钢辊转动工件,使凸弯对准压头。翻钢辊的翻转角度可任意设定,又可在校后翻转工件检查其直度,并可停在任何位置;翻钢辊的高度可借助液压缸升降,以适应弯曲管的轴线变化;翻钢小车还可沿工作台做纵向移位以适应管子长度改变是改变翻钢位置。 该校直机的液压系统由远程溢流阀来保证工作压力及超载工作时的安全;其单向节流阀用来调节校直速度以适应不同的校直工艺要求。在每一工作循环中对动作程序都有细致的安排。如当压力机快速下降时在压头接触工件后马上减速加压,达到所需压力或压下量后马上停止并进入保压状态,接着进行卸荷并快速提升重新停于原位。校直机主要技术性能指标如下: 最大校直力 1000KN 工作缸直径 825mm 柱塞行程 650mm 柱塞下行速度 20mm/s 柱塞回程速度 160mm/s 被校工件最大尺寸 500mm 被校工件最大长度 9000mm 四立柱的轴线间距 1700*1300mm 油泵压力 20MPa 应该说明:立柱与上横梁及底座的联结要有预紧力,且要大于校直力。立式液压校直机多为固定式,而很少采用移动式,不过在油田的钻井管及石油管供应站里过去常用移动式液压校直机。所以这类校直机专业性较强,在一般金属加工厂及轧钢厂都很少见到。 2、卧式液压校直机                  这类校直机在稳定性、操作性及通用性方面有许多优势。但它占地面积大,故只在大中型条材校直中应用。现以日本大同机械制作所研制的HPH-150型卧式液压校直机为例来说明这种校直机的基本结构、主要性能和参数。参看图3-3,机架为C形结构,最大压力为1500KN。可校直圆钢、方钢、管材、型材及钢轨等条材;也可用于钢材的冷弯变形。机器操作台很小并采用移动式脚踏开关,操作位置可以自由改变;可以进行直观的精细加工和微量进给,容易得到所需要的加工精度。机架采用焊接结构并经过整体退火具有足够的强度和刚度 。支点距离可用手轮或电动机来调节,支点镶块可根据作业需要随时更换,改变加工品种很方便。往复动作的活塞杆经加工镀鉻并抛光处理,能防止漏油面摩擦阻力很小,耐用寿命很长。 图3-3HPH-150卧式液压校直机外形图 1-液压缸;2-压头;3-支撑横梁;4-活动支点; 5-液压控制板;6-电动机;7-油箱;8-油泵;9-脚踏开关 该机的技术性能指标及主要参数如下。 最大压力 1500KN 行程 300mm 空行程速度 35.1mm/s 加压速度 3.6mm/s 返程速度 57.5mm/s 油泵 轴向柱塞式 油压 200kg/cm2 流量 16.56L/min 电动机 7.5KW 3.3.3精密液压校直机 前面介绍的普通液压校直机在每次压弯工件后只能凭感观检查其校直效果,凭经验确定其是否合格,这就容易产生高低不一和疏漏等质量问题。要想保证质量信得过,就需要在取下工件之后在专门平台或工具上进行检查,不合格者重新上机再校,费时费事效率很低。为了克服普通校直机的这种缺点而研制出精密液压校直机,它是将检测仪表直接装在两个移动支点之间,每次压弯后跟踪检测其校直效果,不达到直度要求不卸下工件。现在以德国顿柯斯机械厂制造的HR型液压校直机为例作些介绍。参看图3-4,该机由两大部分组成:一为液压压弯系统;二为支承检测系统。图中1、2部分及机身内的油泵油箱等为液压压弯系统,它与普通液压校直机的液 压系统基本相同。图中的4~12各部分为支承检测系统,这个系统比较复杂且对保证校直质量起重要作用。工件夹持在锥形顶头之间垂直于校直机的压头,且其轴线与压头轴线同处于一个垂直面内。工件可以转动使其凸弯向上,如图3-5所示,图中3就是转动工件的手轮,4是可以带着工件左右移动的滑座,可使需要校直的弯曲部位对准压头。由操纵手柄(参看图3-4中11)精确控制压头的压下量。 图3-4 HR型液压校直机外形图 1-液压缸部分;2-压头;3-工件;4-移动支点; 5-检测仪表;6-工作台;7-导轨;8-滑座;9-锥形顶头; 10-连接杆;11-操纵手柄;12-弹性支座 图3-5 液压校直机的锥形顶头 1-锥形顶头;2-紧定手柄; 3-手轮;4-滑座;5-连接导杆;6-弹性座 压头抬起后由仪表来检测残留弯曲度(参看图3-6中3),不合格时再次压下或旋转一定角度再压下,合格时将其余弯曲点移到压头下进行同样的校直程序。直到全长校直后卸下工件,换上新工件。校直前要根据原始弯曲状态确定支点位置,将移动支点移到该位置,一般要使凸弯处在两支点中间朝向压头。校直时压头将工件压弯,工件两端必有起伏,此时两个锥形顶头因装在弹性支座上故能同步起伏而不受阻碍。参看图3-5及图3-6。为了适应不同工件的校直要 求,移动支点、锥形顶头或夹头以及弹性支座等可以做成多种结构形式,按需要选用。HR型液压校直机已经形成系列产品,其结构尺寸与外形示于图3-7,其尺寸系列及技术性能指标列于表3-2中。这种液压校直机采用仪表检测可以保证得到很高的校直质量,同时由于采用灵敏的旋钮式手柄而能随机地、快速地调节压下量。这种手柄(图3-4中11或图3-7中1)头部可以旋转,能使柄杆中螺杆从柄杆下部伸出任意长度用以调节手柄的摆动角度。因为挡块(图 中2)位置固定之后螺杆伸出得越长,手柄摆动的角度越小。手柄下的螺杆顶到挡块上之后摆动角即被限定。于是压头下降的行程已限 图3-6 液压校直机的移动支点与检测仪表 1-移动支点;2-传感杠杆;3-千分表;4-移送手柄;5-连接导杆 定,工件受到的压弯量也已限定。压弯量随摆动角改变的灵敏度很高,只要手柄端的旋钮一动,压弯量随之改变,故操作方便,得心应手。这是一种实用性很好的校直机。 图3-7 HR型液压校直机主要尺寸图 1-手柄;2-挡块 3.3.4程序控制液压校直机 这种校直机比前述的精密液压校直机增加了自动送取料装置和计算机控制系统,可称之为全自动校直机。把当代的高新技术应用到校直机并取得成功。这种校直机的特点:首先是精确检测,工件的原始弯度可以自动地精确地测定;其次由计算机按已输入的尺寸及材质,针对已测定的原始弯曲算出应设定的压弯曲率和压弯量;第三,按设定的压弯量控制压下,往往一次压下就能达到校直目的;第四,当校直质量未达到标准时,按残留弯度计算重复压下的压弯量并重复上述程序直到达到质量标准为止。这种校直机的优点是:第一,摆脱了人工操作的误差;第二,基本代替了体力劳动;第三,效率高;第四,保证了质量的稳定。下面介绍两个实例供参考。 1、6122型全自动液压校直机 前苏联6122型全自动液压校直机用于精密校直长尺寸的圆形断面工件,如光轴、拉杆及分配轴等。这种校直机的示意图绘于图3-8。由图下的代号说明可以看清机器的结构内容及各组件的作用。 该校直机的主要尺寸及技术性能参数如下: 公称校直力 160KN 压头行程(可调) 125~150mm 压头最小进给量 0.01mm/s 压头运动速度 空程下行 50mm/s 工作下行 30~50mm/s 回程 168mm/s 工件尺寸 直径25~54mm 长度300~865mm 可校直断面数(校直点数) 4个 最高校直精度(径向跳动量) 0.025mm 测量跳动量时仪表进给刻度值 0.001~0.01mm 外形尺寸(含工作台) 长(左右) 5110mm 宽(前后) 2790mm 高 2540mm 图3-8 6122型程控液压校直机的样机示意图 1-机架上身;2-机架底座;3-工作平台;4-液压工作缸; 5-驱动机构;6-减速机构;7-油箱组件;8-压头;9-限位端盖; 10-油泵;11-取送料装置;12-三角支架;13-取送料小车; 14-取送料横梁;15-抓取机械手;16-小车行走气缸;17-横梁升降气缸;18-机械手气缸;19-油泵电动机;20-活塞杆 该机由五大部分组成:压力装置、工作平台、夹送装置、数控装置及配电柜。由图3-8可基本看到机架本体、压力装置及夹送装置等三部分。机架是用钢板焊接而成的单柱式C型结构件。在工作平台3上装有车式移动工作台(可见图3-9)。在机架上部装有液压工作缸4,步进式驱动装置5通过减速机构6来带动限位端盖螺母9作升降运动。当螺母9停到某一确定位置时,活塞杆的粗端20下降到9处便得到限位二停止使压下量处于调定数值。这套压力装置的液压系统包括有容量为230L的水冷油箱7,装在箱盖上的电动机19和由它驱动的油泵10。为了减小振动在油箱内装有振动补偿器(缓冲器)。需要校直的工件由综合夹送装置11将其送上工作台,校完后再由工作台取出。此夹送装置在悬臂式三角支架12上,它包括水平移送气缸16和由16驱动的前后移送小车13,车上又装有升降气缸17, 图3-9 6122型程控液压校直机工作台示意图 1-工作台;2-导轨;3-左滑座;4-右滑座;5、6-导杆; 7-液压放大式步进机;8-减速器;9-滚珠丝杠;10-左顶头; 11-液压放大式步进机;12-减速器;13-右顶头;14、15-气缸; 16-砧板;17-活动支点;18-传感器;19-气缸;20-杠杆系统 17下面连着一个小横梁14,14的两端各装一个钳形机械手15,15由气缸18(共两个)驱动使其夹紧和松开工件并由17驱动使其升降工作。这样就可以由夹送装置抓取并抬起工件送到工作台上再下降到两个顶头之间自动卡好,待校直之后再由夹送装置将工件抓取并从两顶头之间抬出放在成品架处。完成一个循环之后再重新抓送工件重复上述程序,形成连续作业。 现在单独把工作平台的构造示意图绘在图3-9中,可以看到台上有一套定心夹紧装置,它可以左右移动以便接收送来的工件落在两个顶头之间自动夹紧再移回到压头下面将需要校直的部位对准压头,校好一个部位之后再移换新的部位。滑座3及滑座4之间用刀杆5及导杆6连接成为一体支撑在工作台的导轨2上并由液压放大式步进机7通过减速箱8及滚珠丝杠9来带动滑座沿导轨2左右移送。左顶头20由液压放大式步进机11通过减速器12来实现旋转动作,右顶头13可以随转。气缸14及气缸15分别推动左右顶头夹紧和松开工作。砧板16固定在两根导杆5及6上,砧板上装置着活动支点17和传感器18,前者用以支撑校直力,后者通过杠杆系统20来接收弯度信号并显示弯曲程度。支点17的移送由气缸19来完成,而气缸19的动作是按数字程序控制器所发指令进行的。工件被检测断面的数量(或点数)取决于砧板16的数量,因为砧板上都装有活动支点和传感器。全部校直工艺过程皆由数字控制程序自动完成。 2、全自动油压校直机 日式东和精机公司制造的全自动油压校直机示于图3-10,该机由检测、控制、压下及送取工件等4部分组成。校直机可以自动检测弯度并将其转换成可以计数的脉冲信号,以此向压下机构发送指令。压下机构按指令完成压下校直工作。该机不仅能检测工件的弯 图3-10 全自动油压校直机 1- 装夹及检测装置;2-取送料机械手;3-压头;4-程序控制柜 度,而且能监测自己的工作状态防止发生误动作,还可以修改程序。 出现故障和损坏时可更换控制柜的插件,迅速完成维修工作。本机的校直精度及工件效率都是很高的。 该校直机的工作原理是将检测到的弯曲量分布图形、材料特性(屈服强度、弹性模数、原始弯曲及加工历史等)。工件几何特性(各种尺寸及柱面台肩等形状)、校直安排(反弯曲率的分配、反弯次数、压下量及支点位置等安排)、机械功能数据(油压伺服系统、结构刚度及机械精度等)都存入数据库。确定采用相应校直方法使原始曲率及残留曲率均一化,再根据其加工历史确定应力应变关系即强化特性,弯矩与曲率关系即强化性弯矩曲线,来计算校直所需的压弯曲率及其递减情况,用最少的反弯次数达到最好校直效果完成最佳控制。现将上述控制流程图介绍如下。 开 始 装 夹 工 件 检 测 弯 曲 量 数 据 处 理 弯度达到标准否? 取 下 工 件 识别弯曲图形 计算控制量 压力机按量工作 否 停 机 是 这台机器的检测性能参数如下。 可检测的最小弯度(挠度) 0.005mm 可检测断面(点)数 1~5点 检测速度 约2s/次 第四章 JZ-I型校直机 4.1 用途 JZ-I型校直机可用于校直单体支柱的油缸与活柱坯料热处理造成的变形,亦可用来校直类似的杆类管类零件。另备胎具也可用于钢板调平、压弯、压装等工作。并且本机可专用于单体液压支柱活柱和油缸的一般变形校直。 4.2 技术特征 JZ-I型校直机是液压校直机,具有足够的压力与强度,备有灵活实用的工件悬挂装置,配有方便完善的操纵控制系统。 加载油缸直径 200mm 额定工作压强 20.18MPa 额定压力 1MN 回程力 0.36MN 行程 300mm 加压速度 3.6mm/s 返程速度 57.5mm/s 工作台长 1400mm 工作介质 乳化液或机油 外形尺寸 2423(高)×2500×1200mm 质量 3.5mg 4.3 结构特点 如图4-1 所示,单悬臂式JZ校直机由加载油缸[1]、机身[2]、工件悬挂装置[3]、工作台[4]、操纵控制系统[5]、垫铁[6]及照明电气[7]等主要部分组成。 图4-1 4.3.1加载油缸 油缸是液压传动系统中实现往复运动和小于360°回摆运动的液压执行元件。具有结构简单、工作可靠、制造容易以及使用维护方便、低速稳定性好等优点。因此,广泛应用于工业生产各部门。其主要应用有:工程机械中挖掘机和装载机的铲装机构和提升机构,起重机械中汽车起重机的伸缩臂和支腿机构,矿山机械中的液压支架及采煤机的滚筒调高装置,建筑机械中的打桩机,冶金机械中的压力机,汽车工业中自卸式汽车和高空作业车,智能机械中的模拟驾驶舱、机器人、火箭的发射装置等。它们所用的都是直线往复运动油缸,即推力油缸。所以进一步研究和改进液压缸的设计制造,提高液压缸的工作寿命及其性能,对于更好的利用液压传动具有十分重要的意义。 JZ-I校直机的加载油缸采用的是煤矿用得最多的200mm直径的油缸及其密封导向元件,活塞杆直径130mm。为了能在较低泵压20.18MPa下获得高达1MN的压力,采用两个油缸串联,即串缸的特殊设计,其压力 1、液压缸壁厚的确定 缸体是液压缸中最重要的零件,它承受液体的压力,通常缸体采用无缝钢管制成,且大多为薄壁筒,其壁厚按薄壁圆筒公式计算: 式中——液压缸壁厚(m) D——液压缸内径(m) Py——试验压力,一般取最大工作压力的(1.25~1.5)倍(Mpa)[]——缸筒材料的许用应力。其值为:锻钢: []=110~120;铸钢:[]=100~110;无缝钢管:[]=100~110;高强度铸铁:[]=60;灰铸铁:[]=25。 根据上述公式可以计算出该液压缸壁厚为20mm,所以取=22.5。 2、最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时,从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小,将使液压缸的初始挠度增大,影响液压缸的稳定性,因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。 对一般的液压缸,最小导向长度H应满足以下要求 式中L——液压缸的最大行程 D——液压缸的内径 由上式可以得出H115,所以取H=120mm 3、计算工作时液压缸所需流量 =2.87L/min =62.6L/min 4、泵流量的确定 液压泵的最大流量应为: 式中 ——液压泵的最大流量; ——同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。 ——系统泄露系数,一般取=1.1~1.3,现取1.2 根据上述结果现选用CB-Q外啮合单级齿轮泵,该泵的基本参数为:每转排量20~63mL/r,额定压力20Mpa ,电动机转速2500r/min, 与液压泵匹配的电动机选为Y160M1-2型电动机,其额定功率为11KW,其额定转速为2930r/min。 4.3.2机身 机身采用钢板钢管组焊接件,如图4-2所示,强度大,工作可靠,寿命经久。加载油缸安装在上部镗孔里,工作台用螺栓固定在机身下部的台座上,机身是校直机承受作用力的部件,强度及刚度均较高。校直机工作时机身内部受力,且工作平稳无振动,因而不需要打基础,可以把校直机安放在车间里任何需要的位置,但要垫平,使悬挂装置随时平衡。 图4-2 JZ-I校直机机身结构 4.3.3工件挂悬装置 工件悬挂装置用于将工件悬挂起来,不加载时,工件被悬挂成脱离工作台上的垫铁,借助悬挂装置的轴承滚轮帮助,可豪不费力地用手轴向移动或转动工件,以便测量寻找被压下的部位;同样因工件被悬挂不压垫铁,也可以很方便地移动垫铁寻求最合适的下支点位置。当压头压下工件时,由于悬挂装置的让压性,工件接触下面的垫铁,校直反力由下面的垫铁承受,不会压坏悬挂装置。当压头回升后,工件又被悬挂装置自动地悬起。因此本校直机检查测量工件,寻找加压部位,调整垫铁位置都非常方便,又加上操作者自己脚踏操纵压头升降,整个校直操作只需一个人。当校直油缸或活柱时,应选用与其对应的悬挂装置。 4.3.4工作台 工作台是组焊件,有较大的抗弯强度与刚度。其上可放垫铁检测量具,其侧面安装支加工件悬挂装置。 4.3.5操纵控制系统 如图4-3所示本机操纵控制系统,序号21的QJ16球形截止阀,通过用户自制三通与高压油管接通;而序号为20的Φ16回液单向阀 真 值 表 状态 A B 动作 1 0 0 停 2 1 1 快降 3 1 1 慢降 4 1→0 1→1 慢升 5 0→0 0→1 快升 图4-3 JZ-I校直机操纵控制系统图 通过用户自制三通与回液管连通。脚踏阀3与加载油缸之间配有阀 组7和交替单向阀11,以便实现五种工况。 真值表状态1,为A、B都不踏下,压力液被脚踏阀隔断,压头无动作; 真值表状态2,为不踏B只踏A。压力液经A管5分6路与阀组7内部元件发生关系。从右到左:其一,经7-1节流阀流过少量压力液,此状态下不是主流;其二,经单向阀7-2隔断;其三,液控切换二位二通截止阀7-3,使其四畅通,液体经8进交替单向阀11,由液压的作用。交替单向阀处于封闭回液路状态、高压液流入加载油缸活塞腔,实现快降;用于压头趋近工件,及初始加压;其五,使已经处于常闭状态的二位二通阀7-4关闭;其六,打开液控单向阀7-5,以便活塞杆腔的液体顺利流回油箱。 真值表状态3是A、B都处于踏下状态,即压力液不仅经A进入 阀组7,还经B,管路4进入阀组7。其分三路与阀组7内部元件发生作用。从左至右,其一,去液控二位二通阀7-4,由于其液控面积小,对面又有弹簧力,所以二位二通阀7-4仍处于关闭状态,不会使压力液经其二路通过7-4进入加载油缸活塞杆腔;其三,液控7-3,该液控面积又大,又有弹簧的帮助,能确保二位二通阀7-3处于关闭状态。这样压力液只能通过节流阀7-1进入加载油缸活塞腔,实现慢速下降。用于校直工件,控制变形量;由于节流阀可调,可根据实际需要调好后,锁紧。防止变化;此时加载油缸回液路未发生变化。 真值表状态4为A、B处于踏下为止转向A复位;此刻由于A复位,经管路5和6路都处于卸压状态,7-3仍然处于关闭状态,而7-4由于弹簧失去控制压力,而导通,液控单向阀也因失去控制压力而关闭,则经B、管路4的高压工作液经二位二通阀7-4进入加载油缸的活塞杆腔,而活塞腔的液体由主动高压变成排液背压,使事先处于封闭回液口的交替单向阀仍处于回液口被封闭的状态,回液只能经节流阀7-1,单向阀7-2经A回油箱,由于单向阀7-2,节流阀7-1总过液断面仍然不大,所以加载油缸压头处于高背压下升起,实现慢升,用于减少振动。 真值表状态5为A、B从未踏下位置即经过状态1少许时间,转为B处于踏下位置,这时交替单向阀11已经在弹簧作用下处于打开回液通道状态了,这时踏下阀B,高压液体使二位二通阀7-4处于通的位置,高压液流入加载油缸活塞杆腔,活塞腔的液体不经过8,7-1、7-2回油箱,而是通过大通道的回液管路17,通畅回油箱,实现快升的动作,用于快速离开工件,以便更换工件。 4.3.6垫铁 为了适应校直弯曲较大的工件,本机配备的垫铁可按装安全键。为防止弯曲较大的工件在校直中转动崩出垫铁伤人,安全键置于工作台沟槽与垫铁沟槽中,当校直弯曲度较小的工件,并确信工件不会转动时,也可以不安装安全键,这要由操作者根据具体情况而定。校直不同的工件,选用不同的垫铁。 4.4校直机的维修调整 本校直机虽然可以不打地基安放在任何需要的位置,但必须垫平,确保悬挂装置随遇平衡。 工作台的安装,要保证加载油缸轴线通过被悬挂的标准件中心线,其不平面误差不大于0.2mm,调好后拧紧工作台安装螺栓。 当需拆下加载油缸时,需先卸下工作台,调住加载油缸后,卸下加载油缸下托板,使加载油缸下降,取下加载油缸上的一付大半环,然后将加载油缸提高抽出。拔掉加载油缸中部的六个用于连接的销,加载油缸即可解体。 结论 通过两个多月的收集、整理资料,不断的学习,不断的复习,不断地向老师、同学请教问题,我设计的JZ-I型校直机顺利完成了。 本文通过校直机校直的原理和校直理论,结合四年来所学的相关知识,完成了一台校直机的设计。整个设计过程可以分为三个部分:1.去工厂参观实习。目的是深入生产第一线,充分了解检测的整个过程。2.广泛的收集资料。主要有以下几个途径:在图书馆查资料。充分利用现有资源,节省收集时间。在网上搜索。最大的好处就是方便,效率高,节省费用,而且通过了解信息,能够较快掌握本行业发展动态。去工厂,了解的一些资料包括工人师傅的口述资料。最后就是安心作设计。 在本说明书中按照校直机的机械结构和控制系统进行设计。在机械结构的设计中着重的是机身结构的设计。其中在控制系统设计中,主要应用到了液压缸的工作原理,各种阀的工作原理等知识。 通过毕业设计,锻炼了我寻找资料的问题,锻炼了我遇到问题,思考问题,解决问题的能力。同时,弥补了自己在所学知识上的欠缺。并且对确立以后的发展方向有一定的帮助。 致谢 大学时光弥足珍贵的,大学的四年学习生活时丰富多彩的,是充实而有意义,这大学四年了我一直学着自己从小有着极大兴趣的机械专业,所以专业课方面有了很大的提高,在设计中掌握了大量有关机械设计制造方面的理论知识,毕业实习中又将大量的理论知识运用于实践,为毕业设计打下了实践基础,使我又强化了专业了知识的实际运用能力,收获颇丰。 本论文是在导师牛曙光副教授的精心指导和帮助下完成的。没有所有辛勤培育我的老师就没有我今天所取得的一切成绩。其间于老师对我学习上的严格要求和生活上的关怀,让我终身难忘。在此表示我最诚挚的感谢和崇高的敬意!另外在此向各位领导、老师及在此次毕业设计中给予我帮助的所有同学表示衷心的感谢。愿我最敬爱的老师们工作顺利,身体健康。 参考文献 1、崔甫.矫直原理与矫直机械.北京冶金工业出版社,2005:137-143 2、芮延年.液压与气压传动.苏州大学出版社,2005:70-76 3、杨培元 朱福元.液压系统设计简明手册.机械工业出版社,1999:4-12 4、蓝恭谦.精密型材校直液压机国内外现状及其发展趋势锻压机械,1991,(4):48~52. 5、成大先.机械设计手册第四版.化学工业出版社,2002 6、谭伟校直工艺的现状调查[J]渝州大学学报(自然科学版).1997,14(1):l8~21 7、钦明浩,柯尊忠,张向军,等.精密矫直机中轴类零件矫直工艺理论研究[J].机械工程学报,1997,33(2):48~53 8、陆玉 何在洲 佟延伟.机械设计课程设计.机械工业出版社,2000:191-192 9、单淑梅.液压自动校直机的应用与研究[J].汽车技术,1998,(11):27~29 10、李骏 邹慧君 熊国良.压力校直工艺理论研究的现状与发展.机械设计与研究第20卷第4期.69-71 11、翟华,韩春明,蒋守仁,等.轴类零件精密校直行程算法研究 [J].重型机械,2001,(5):35~38 12、弓海霞,闫通海,王进礼.钻具校直的理论研究[J].哈尔滨工 程大学学报.2002,23(3):116~11 13、单淑梅.液压自动校直机的应用与研究[J].汽车技术,1998, (11):27~29 14、谭伟,校直工艺的现状调查[J]渝州大学学报(自然科学版). 1997,14(1):l8~2 15、冯奇斌,吕国强.精密校直机微机检测系统的研究 J].机械工 艺师,2000,(9):36~3 专题 精密校直机的控制系统 一、概述 机械、汽车、电机等行业大量使用轴类、杆类零件,这些零件的原材料在粗加工火热处理等过程中不可避免地会出现弯曲变形,如果不进行校直处理会直接影响工件的后序加工和使用,甚至可能出现相当数量的废品。所以为了能获得下道工序所允许的最小切削量或通过精密校直保证工件达到严格的最终设计公差要求,校直机成了工件热处理后不可缺少的关键设备。在传统工艺中,多数厂家选用手动压力机,校直量难以控制,效率低下,难以满足校直要求;而自动校直是一种先进的生产制造工艺,近年来随着我国工业整体技术水平和技术要求的提高,该工艺被越来越广泛地应用于机械、汽车、电机等行业中。 自动校直技术通过数控精密校直液压机(简称精校机)完成对轴、管、棒等类零件的校直,是一种先进制造技术,是机械加工过程中保证产品质量的重要工序,广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、机床、纺织机械等机械制造行业。发达国家对该项技术的研究起步较早,已开发出具有本国特色的自动精校机产品。而我国在这一领域才刚刚起步,目前国内应用的大部分精校机都从国外引进。随着我国机械工业的发展,对机械产品质量的要求不断提高,此项技术的重要性日益显现出来,迫切需要自动校直技术及其成套设备,实现对轴类零件的精密校直,以提高轴类零件的加工精度。 二、BUM系列轴类自动校直机 一)设备说明 该产品适用范围包括:转向齿条、凸轮轴、曲轴、半轴、齿轮轴、电机轴、减震器杆、活塞杆、车桥壳等轴杆类零件。该系列产品在消化吸收国外技术的同时,针对国内客户情况,在校直原理、测量方式、人机交互、特殊工件处理方面都作了大量创新设计。普通零部件国内设计加工,关键器件选用的是日本、韩国、德国等国家著名公司的进口产品,从而保证了利用国内产品价格拥有世界级自动校直机的整体品质。 该系列产品主要特性: 1、高可靠性、高精度的测量系统,测量精度±5μm、显示分辨率1μm ; 2、 修正量的自适应调整系统,精密液压控制,自动分析计算修正量 对工件缺陷(中心偏心、椭圆、毛刺等)的特殊处理,解决了假性弯曲的问题; 3、先进的WINDOWS测量系统,友好的人机对话界面,较好地实现了操作者与设备的人机交互; 4、简洁方便的工件夹持定位装置,用户可快速方便地调整工装,满足不同工件生产要求 ; 5、声发射装置可供选择,可检测出工件裂纹缺陷; 6、高效生产效率,满足大批量生产要求 7、可存储多种不同工件参数,满足不同种类产品校直需要 二)主要部分介绍 1、液压控制系统 泵站、液压阀组、执行油缸,液压控制回路等组成了校直机的液压系统。由于液压系统的关键部件采用的是世界著名公司的产品,保证了液压系统工作的精确性、稳定性、可靠性。在校直机待机工作时,独到的节能卸荷方式设计较好的节约能源。 2、气动控制单元 气动三联件、压力继电器、集装阀组以及执行气缸组成的气动控制回路,构成了校直机的气动单元。气动单元主要是控制并执行工件的夹紧、定位、分选和运送等动作,在每个执行气缸上都有位置检测开关用于向系统反馈动作执行情况,便于动作流程的控制以及故障诊断与排查。气动元件主要选用日本、韩国公司的产品,动作灵敏可靠,寿命长。 3、工件跳动检测单元 机械杠杆式的测量放大机构、高精度的位移和角度传感器、精密的速度控制电机以及测量探头构成了工件跳动检测单元。测量探头可以采用超硬圆棒式测量挺杆、全开或半开包容式测量片以及高精度标准齿轮等多种方式,分别对轴杆类工件的纯圆截面、D型截面以及齿轮或花键的分度圆等部位的径向跳动实现准确测量。复杂周密的设计保证了测量的精确性、实用性。 4、可编程控制中心(PLC) 可编程控制中心是校直机的关键组成部分。校直机繁杂有序的动作都是在它的程序控制下执行完成的。PLC与计算机处理系统相互通讯并协调控制各执行部件有序的进行夹紧、测量、校直部位选择、加压实施修正等动作。系统采用日本MITSUBISHI系列可编程控制器(也可根据用户要求选用日本OMRON、德国SIEMENS等公司的产品),电气操作和执行元件主要采用MITSUBISHI、FUJI、OMRON等公司的产品,工作稳定可靠。 5、计算机处理系统 超高精度的数据采集系统、安全可靠的输入输出系统、带大屏幕彩色液晶显示器的工业一体化工作站、高专业水准的软件包,全中文的人机交互界面,丰富多彩的图文显示、可打印的数据统计输出等构成了校直机的计算机处理系统。软件设计方面,我们在借鉴了国外各专业厂家的先进经验的基础上,增加了我们独特的校直理念,其中点振式修正大大加快了校直速度。向量分解式修正是专门针对带有D形截面或表面局部淬火的工件(如转向器齿条)而开发设计的。这一类工件通常由于外形的不规则或各个方向上热处理不均匀,导致其不同的方向上机械特性存在差异,如果使用传统的校正方式很难达到产品的技术要求。向量分解式修正可以在不同的方向上建立不同的修正模型进行校正,出色的解决了这类工件难于校直的问题。可任意扩展的工件参数存储,满足了一机多用的要求。完善的故障自诊断系统可使操作人员迅速排查设备故障。测量动态波形显示可以非常直观的发现工件的圆度误差、毛刺、凹坑等工件表面缺陷。 6、工件特殊缺陷的处理 一般工件存在三种缺陷:中心偏心、表面椭圆、毛刺凹坑,针对以上三种缺陷我公司在软件和硬件上采用了特殊处理方式,如不对以上缺陷进行处理,可能隐藏了许多假性弯曲问题,针对中心偏心问题,我们在支撑端加装了两套测量装置,可直接测量出偏心,通过计算机演算,去除测量点的假性弯曲;针对表面椭圆问题,我们对测量波形进行了波形分解处理,可通过计算得到真正的圆;针对毛刺凹坑问题,我们对测量波形进行了平滑处理,把凸点和凹点去除掉,消除了由于毛刺凹坑产生的影响。 三、ASC系列自动轴类校直机 一)、设备说明 ASC系列校直机是长春试验机研究所与日本国际计测器株式会社(KOK公司)合作生产的产品。有自动、半自动两种机型,该机采用了日本技术及关键零部件,由长春试验机研究所生产主机及装配,实行中国市场价格,有极高的性能价格比。 机械、汽车、电机等行业大量使用各种轴类、杆类零件,这些零件在锻造、冷加工、回火、淬火、调质过程中不可避免地会出现弯曲变形,在这种情况如果不进行校直处理,就会影响工件的后序加工或使用,甚至可能会出现废品。校直机正是为克服这种不良影响而设计制造的。 1994年我所与日本国际计测器株式会社(KOK)公司技术合作,开始生产轴类校直机,目前形成了ASC定型系列产品。ASC系列校直机是一种集机械、液压、气动控制技术、检测技术、计算机分析为一体的高科技产品。具有优良技术性能,测量精度高,生产节拍快,工件适应能力强,对形状特异的零部件有一套成熟的程序。 二)、主要部分介绍 该系列样直机由智能化的分析测量系统、可程控的电机、电气、机械、液压、空压控制系统等组成。具有灵活的人机对话界面、操作使用方便,快捷。 1、承载机架 校直机按主机结构的形式分为C型和门型,C型机具有结构简单,制造加工容易,在下部安装一可移动工作台,带动工件及支承在工作台上左右移动,把工件移到修正部位。加压油缸体固定于机器的上部,活塞可按计算机的计算修正量对工件进行校直。门型机具有封闭的主机框架,主机刚性好,易于加入自动生产线组成真正的全自动校直机亦称FASC系列。门型机架有一个固定的工作台,加压油缸为可移动式。两种机架的工作台上件都是可更换式的台上部件,以适应各种可动支承,测量单元、摩擦驱动装置,顶尖式回转中心的安装。 2、液压控制系统 泵站、阀组、执行油缸组成了校直机的液压控制系统。泵站由普通交流电机拖动柱塞式液压泵为校直机提供主要动力源,电磁阀组在可编程控制中心的指令下,进行有序的快进、快退、工进、修正进给等动作。校直机是一种工作压力大,动作频繁、执行精度高的复杂设备;动作的稳定、准确、可靠对校直机的控制系统提出了很高的要求,国际计测器公司的专用测量放大系统具有较高的可靠性,而且放大器还设置了各个分步动作功能,以利操作者或维护人员检查机器的动作。在液压系统中针对中国地域辽阔和生产场地温差大的特点,采取节能卸荷方式,保证了工作油在较合适的工作温度下的连续运转。 3、气动控制单元 校直机的控制系统在普通工程压力下,控制机器各辅助零部件执行动作。集装阀组与各执行气缸的组合构成了校直机的气动单元。在每个执行气缸上都有敏感元件,用以向PLC系统反馈动作的执行情况。气动单元主要控制回转中心的前进、后退、摩擦驱动压杆的升降、各个可动支承的组合升降及中心孔部件顶尖的清洁等功能。 4、工件径跳检测单元 校直机的工作有一半取决于对工件径跳的检测,亦称TIR测量。对于纯圆工件的测量径跳主要做工件的回转驱动、弯曲位移的检测以及最大弯曲变形发生角度的测量,还要将工件停止在弯曲最大点朝上的位置,精密的速度控制电机单元驱动工件的旋转及定位停止。角位移传感器准确地给出工件最大弯曲变形发生的角度和工件需停止的角度。精确的弯曲位移测量传感器是由差动变压器式位移传感器来充当的。由于在工业现场各种干扰大,传感器动作频繁,因此校直机采用了带小信号放大器传感器,很好地解决了信号传递所引起的噪声。针对形状各异的工件可以安装不同的探头,诸如柱形挺杆 ,R型测量子,板式测量片,对开式圆形测量子等。 5、可编程控制中心 这是校直机的核心部件,它在程序控制下,指挥包括CPU在内的各执行部件有序的进行夹持、检测、修正,系统中采用日本OMROM系列可编程控制器,动作准确可靠,工业状况好。各种卡接式安装,易于局部更换部件。有编程经验的用户可自行编制用户程序。ASC系列校直机在以PLC为中心设计时,几乎全部执行器件都使用了信息反馈,确保了各执行动作准确可靠,有效地避免了误动作,保证了工件及设备的安全。 6、计算机分析处理系统 ASC系列校直机所用的计算机是日本国际计测器公司的专用型产品,操作者通过键盘输入的工作参数。根据对各种传感器的数据采集进行分析计算、确定工件的修正部位及修正量,给PLC单元提供依据。在数据采集和处理过程中,很好地解决了工件表面缺陷或毛刺所引起的测量误差,并且对椭圆形工件也能正确找出其真实弯曲变形,很好的解决了花键及齿轮节圆径跳测量问题。对于形状特异的工件,如转向机齿条系统,还能用矢量分割方法对可校工作面进行有效的校正。以上这些正是ASC系列校直机软件包的独到之处。该单元通过显示器提供高清晰度的图文显示,并可通过打印机进行多功能的统计输出。 四、ASC-Ⅱ系列自动校直机 一)、简介 长春试验机研究所有着多年的与国外厂商合作生产自动校直机的经验,经过多年的精心钻研,我们博采众家之长,推出了ASC-Ⅱ系列轴类自动校直机。该系列产品在消化吸收国外技术的同时,针对国内市场,在校直原理、测量方式、人机交互提示、中文操作界面、随机电子图文帮助等方面作了大量的完善和改进,使之更加适于中国的使用习惯和现场条件。所采用的元器件经过严格筛选,关键器件选用的是日本,德国等国家著名公司的进口产品,从而保证了自动校直机的整体品质和可靠性,优异的性价比会给新老用户带来丰厚的回报。 主要特性: 1、高可靠性、高精度的测量系统,测量精度±5μm、显示分辨率1μm 2、修正量的自适应调整系统,自动分析计算修正量。 3、简法的工件夹持定位装置,用户可快速方便地调整工装。 4、友好的人机对话界面,较好地实现了操作者与设备的人机交互。 5、必要的人与设备安全防护措施。 6、多种可供选择的功能部件:声发射裂纹检测装置;实现全自动生产的自动送料带。 7、可达每小时30-180件的高校直生产效率,实际工作效率由工件的不同精度要求决定。 二)、ASC-Ⅱ系列校直机各主要部分简介 智能化的分析测量系统、可程控的电机、电气、机械、液压、气动控制系统使得ASC-Ⅱ系列校直机成为一个多技术门类的复杂技术产品。校直机丰富直观的人机界面、向用户开放的技术条件为提高整机的工作效率创造了极大的方便,各主要部分的有机配合使得设备的整体性能出类拔萃。 1、承载机架 自动校直机按主机结构形式可分为C型校直机和门型校直机两种。C型校直机是开式框架结构,具有结构简单、制造加工容易、但主机刚性差,只是对超长的轴杆类工件适应性好等特点,一般多用于超长工件的人工上下料操作的半自动校直机。门型校直机是封闭式框架结构,具有外观匀称、结构紧凑、主机刚性好、占地面积小、易于上线安装于自动流水线等特点,选用自动上下料机构即可实现全自动校直。在工作方式上C型校直机采用压头机构位置固定,通过电机驱动齿轮齿条机构控制移动工作台的方式来切换工件轴向校直点;而门型校直机是采用工作台固定,通过电机驱动滚珠丝杠副控制移动压头机构的方式来切换工件轴向校直点。由于C型校直机移动工作台机构质量较大,系统惯量大,因而控制不灵敏,动作灵活性差,切换工件轴向校直点时定位不稳定;而门型校直机移动压头机构质量较小,系统惯量小,因而控制更灵敏,动作更灵活,切换工件轴向校直点时定位稳定性和自锁性均好。因此,门型校直机的结构较C型校直机更合理,工作性能更稳定,精度更好、效率更高。校直机的工作台上定位和夹紧部件采用积木式设计,以适应各种可动支承、测量单元、摩擦驱动装置、顶尖式回转中心的安装与调整,同时也方便了易损零部件的维修与更换,更有利于用户对新产品零部件校直工序的切换与扩展。机械系统关键部件采用日本THK、ORIENTAL、NISSEI、德国ROHM等世界著名公司的产品,校直机运行精度保持性能长久。 2、液压控制系统 泵站、液压阀组、执行油缸,液压控制回路等组成了校直机的液压系统。由于液压系统的关键部件采用的是日本YUKEN、意大利ATOS、台湾NORTHMAN等世界著名公司的产品,保证了液压系统工作的精确性、稳定性、可靠性。在校直机待机工作时,独到的节能卸荷方式设计更适合于我国广阔的地区气候差异,保证了自动校直机能在任何地区以较合适的工作温度连续运行。 3、气动控制单元 气动三联件、压力继电器、集装阀组以及执行气缸组成的气动控制回路,构成了校直机的气动单元。气动单元主要是控制并执行工件的夹紧、定位、分选和运送等动作,在每个执行气缸上都有位置检测开关用于向系统反馈动作执行情况,便于动作流程的控制以及故障诊断与排查。气动元件主要选用日本SMC、德国FESTO和台湾SHAKO等世界著名公司的产品,动作灵敏可靠,寿命长。 4、工件径跳检测单元 机械杠杆式的测量放大机构、高精度的位移和角度传感器、精密的速度控制电机以及测量探头构成了工件径跳检测单元。测量探头可以采用超硬圆棒式测量挺杆、全开或半开包容式测量片以及高精度标准齿轮等多种方式,分别对轴杆类工件的纯圆截面、D型截面以及齿轮或花键的分度圆等部位的径向跳动实现准确测量。复杂周密的设计保证了测量的精确性、实用性。 5、可编程控制中心(PLC) 可编程控制中心是校直机的关键组成部分。校直机繁杂有序的动作都是在它的程序控制下执行完成的。PLC与计算机处理系统相互通讯并协调控制各执行部件有序的进行夹紧、测量、校直部位选择、加压实施修正等动作。系统采用日本OMRON系列可编程控制器(也可根据用户要求选用日本MITSUBISHI、德国SIEMENS等公司的产品),电气操作和执行元件主要采用日本MITSUBISHI、FUJI、OMRON、MATSUSHITA、法国SCHNEIDER等公司的产品,工作稳定可靠。 6、计算机处理系统 超高精度的数据采集系统、安全可靠的输入输出系统、带大屏幕彩色液晶显示器的工业一体化工作站、高专业水准的软件包,全中文的人机交互界面,丰富多彩的图文显示、可打印的数据统计输出等构成了校直机的计算机处理系统。软件设计方面,我们在借鉴了国外各专业厂家的先进经验的基础上,增加了我们独特的校直理念,其中点振式修正大大加快了校直速度。向量分解式修正是专门针对带有D形截面或表面局部淬火的工件(如转向器齿条)而开发设计的。这一类工件通常由于外形的不规则或各个方向上热处理不均匀,导致其不同的方向上机械特性存在差异,如果使用传统的校正方式很难达到产品的技术要求。向量分解式修正可以在不同的方向上建立不同的修正模型进行校正,出色的解决了这类工件难于校直的问题。在软件实现上,我们采用的是C++ BUILDER 6.0 编程,C语言应用在工业控制领域的卓越表现使得我们的软件包在代码的执行速度和稳定性方面表现出色。全中文的人机交互界面更加符合中国人的使用习惯,同时使操作人员更加容易理解掌握。详尽的在线电子图文帮助系统可使初学者迅速掌握操作要领。可任意扩展的工件参数存储,满足了一机多用的要求。完善的故障自诊断系统可使操作人员迅速排查设备故障。测量动态波形显示可以非常直观的发现工件的圆度误差、毛刺、凹坑等工件表面缺陷。最为难能可贵的是我们拥有对整套系统的再开发能力和技术队伍,甚至可以针对特殊工件和用户提出的合理要求进行专门的设计,达到与用户在技术上的互动,以便于出色地发挥设备的功能和效率。 五、结束语 手动伺服控制型精密校直液压机适应各种轴类零件的附件,调整操作方便,较之精度高,对减少后序加工量、节约材料、提高生产效率和制件精度均有积极效果,国外发达国家已普及应用。我国液压机行业在调整产品结构中,应减少Y41系列单柱校直液压机的生产,积极开发技术附加价值高的精密校直液压机系列及成套附件,完善检测装置,这样对产品替代进口和出口,提高经济效益都具有广阔的前景。 全自动精密校直液压机,生产效率高,国内早已提出需要,应当组织国内有关科研单位、高校与工厂联合攻关。争取早出产品。 随着社会的进步、科技的发展,全自动精密校直机将逐渐取代传统的普通型校直机。 附录一 基于网络的快速原型制造 摘要:这篇论文提出了新的基于快速原型快速产品开发集成系统,发展了通过充分利用迅速发展的计算机网络和信息技术的网络制造服务系统,这个系统提供更好的在中小型企业中对于快速产品开发的支持。提出了制造业的网络化服务体系的架构。此外,一些关键问题,包括模型、规划制造链,选择可行的合作厂家,排列制造任务,利用同步协作的工作环境,建立一个适合管理平台等问题得到了论述。可运行java的解决办法与网络技术,用于建立这样一个网络服务系统。最后提供了一个这种服务的应用系统的实例。 关键词:快速原型制造、服务系统 1.简介 这是信息技术时代. 信息技术影响社会各领域,并且大大影响了传统工业。现代企业正面临新的挑战:快速反应的商机——一直被视为以保证公司的竞争力最重要的因素之一;制造业发展走向数字化、网络和全球化.。为了有效的响应变化,生产策略,根据市场情况和客户需求在时时变化。任何改变策略,应该使厂商更能自己有能力应付这样的需求,减少生产时间,提高质量和速度,能够为全球客户提供优质的产品,改善交通运输系统[1]。这是既定的事实,在设计和制造中利用计算机为获得很大的工业生产力的提供了最重要的机会。未来制造业组织将是信息化,知识驱动和依据联系到每个人的全球信息网络自动化的自动控制,目前已被广泛认同。为了满足产品快速发展的需求,各种新技术,如逆向工程(RE)、快速Prototyping(RP),快速工具制造(RT)等出现了,并且被视为能够缩短产品研制时间和制造是键的有利工具。例如,有人说RP可以节省新产品开发费用到70%和市场时间的90%。但是,这些设备对中小型企业(SMEs) 都太贵,并且许多技术比如3D固体模型、RP规划过程,自由形式表面重建等,都需要高技能人才来完成。因此,对中小企业在产品开发过程充分利用这些技术是特别困难的。为了大量中小企业的产品快速制造得到发展提供支持, 许多RP事务局(SBS),不仅可以制造物理原型、快速原型工具,还提供其它的工程服务,已建立起来。到2001年, 世界各地有500多个SBS。但并不是需要每个SB能处理所有的设计和制造能力,但必须有效运用外部资源,以更好地满足客户的需求。即通常定义为一个临时联合企业的以计算机网络支持的虚拟企业将被建立。他们是为了满足商机一起分享他们的技能、核心能力和资源,。每个SB处理自己的核心任务,并且需要大量的合作伙伴来完成其它这个SB不能按时完成的工作。强调服务质量的新思路,变成一个制造业在21世纪赢得全球竞争的基本方略。远距离服务是一个针对厂商和顾客“服务”问题的新兴领域。因为数字制造业技术进步很快,数字服务将没有阻碍的进入综合数字系统设计和制造。结合计算机和多媒体的因特网,为商业和制造业的远程融合和协作提供了巨大的潜力。对于SBs和SMEs,完成网络制造平台,来加速生产效率是非常紧迫的。这篇论文的其他部分组织如下:1.在第二部分回忆了相关的研究工作2.在第3部分,我们介绍一个基于RP的完整的得到快速发展的系统。第四部分叙述网络制造服务体系的了流程及功能设计。第5部分介绍系统运行平台配置。第6部分我们讨论了互联网应用设计。第7部分研究了案例。最后,第8部分是论文的总结。 2 、相关的研究 伴随着计算机网络和信息技术的发展,网络制造技术在制造业中发挥着越来越重要的作用。近年在世界各地来自学术界和工业团体为支持网络制造的研究与实践(或全球制造或者远程制造)作了大量投资。一些战略和框架已经提出。 Abdel-Malek等[8]描述了一个架构,让公司可以把一些生产和设计活动,通过互联网发展模式,以协助公司选择可替代的技术和功能,最大限度地发挥灵活性。Montreuil等[9]提出了一个战略框架,提出了设计和制造灵活的经营网络,以动态掌握使合作计划、控制和管理日常的环境。Tso等介绍了代理式的协作支持服务系统, 通过专门设计一些虚拟代理信息网络,能够满足制造服务的要求。Chen等[11]提出了基于网络设计与制造的综合框架,是基于java和CORBA技术的。Offodile和Abdel-Malek 利用虚拟制造模式将制造业和信心产业融合的战略框架。Huang等提出了对于虚拟企业架构和控制机制的框架。O’Sullivan[14]描述了信息结构及相关资料,来了解和处理商业发展。Akkermansa和HORSTC[15]讨论了信息技术基本标准化公司的管理方并指出了战略框架以指导管理者基于一些原有的经济与管理理论作出明智的决定,如交易费用理论、组织设计和成熟发展阶段。Jin等[16]提出研究和关键技术的应用解决方案,其中包括确保网络数据在成员之间传输的安全策略;基于Web/Dotd的数据管理(分布对象技术)、XML标准,能够保证不同结构环境的数据交换;提供各类服务转换文件的网络平台。 Woerner和Woern网络服务提出了新的发展平台,提供了虚拟工程合作生产的方法。 为了充分认识当今全球化的制造业的远程工程及当前市场形势和客户需求,一些全球生产网络已经建立,其中包括在社会生产工程师、LockheedMartin(AIMSNET)[19]、3M(3M创新全球网络)。 今天的产业正面临严重的其快速发展所带来的全球海外活动集成制造环境的结构性问题,。服务和维修对于公司保持制造业生产力及国外地区客户满意变得极为重要。由于传统服务台的固有问题,一些公司已开始发展网上在线客户服务支撑体系。Foo等综合描述客户服务台对于互联网服务的支持。Lee讨论了远程服务系统设计制造设备和产品支持的概念框架和生命周期。已建立的示范远程客户支持系统FCSA证明了Glober的项目。以上这些体系的目的是为有效满足客户在使用远程支持、维修设备。 加州大学研究和发展项目,称为远程制造厂(TMF)是建立在因特网上的自动快速生产。 用户可以使用TMF提供就业机会,并维持系统自动排队。同时可以自动检查StL的许多缺陷。在设计和制造过程中使用RP技术可能带来巨大的好处。但是,需要有效地利用这些好处,这些好处才能得到完全的开发。对全球RP技术有一个了解是非常困难的。因为很快出现了一些新的改进方面的工作。为了帮助选择合适的快速制造过程, 已经开发了许多快速原型系统选择工作。Quickparts.com,这是一个私人拥有制造服务公司致力于提供客户网上电子商务系统用于采购量低、高生产量关税地区,并形成了一种系统QuickQuote。QuickQuote让顾客得到为生产部件的快速的报价。3D系统公司是最早、最大的RP制造商,提供了通过互联网的服务。 从这些调查的文字,显然大部份的研究主要集中在战略和总体结构网络制造以及个别功能模块,还没有一次全面comprebanausic网络制造和服务体系,支持快速的产品开发。 基于我们以前的工作,及新的研究,以网络为基础的生产服务体系的产品迅速开发将被建立。 3 、快速制造的综合系统结构 从最初的概念设计到产品的商业性的发展过程包括:产品设计; 性能分析,安全性和可靠性; 对产品原型试验评价; 设计和修改。因此,新产品开发的每一步进程对产品市场化时间产生直接影响。一个好的产品开发体系,使设计师或设计小组必须考虑各方面的产品设计、制造、销售、回收初期的设计周期。因此,设计制作可轻易改变并有效。反馈越流畅,该系统成功的可能性越高。设计制造(DFM)和并行工程(CE)要求产品设计和开发过程,同时得到发展,而不是按顺序。 产品快速发展的综合系统由三个单元组成:数字原型、物理原型和快速制造装备与系统功能系统。产品开发利用3维CAD软件制造3D立体模型开始。在这一阶段,产品几何形状得到定义,它在美学上,尺寸上是多种多样的。数字原型的主要功能是完成3D模型。在设计创作过程,产品及其部件在3D CAD系统上直接设计(如Pro/E、Unigraphics、CATIA、IDEA等)。 如果实体零件可用, 模型可用逆向工程技术建造的 (RE)。RE一种利用现有零件建立物理模型的方法,建立数字模型,然后用它来制造部件。如果为提高产品的性能而再设计,RE能减少开发周期。当设计师采用模拟创造了一个新的设计,还要进一步利用数据分析和设计制造制造模拟模型。逆向工程的三个主要步骤是数字化特征提取、特征扩展、3维 CAD模型。完成零件数字化的仪器可以是接触和非接触式。有各种商业化的数字化仪。从测量系统,协调机(CMM)、激光扫描机,到超声波仪。它们可分为两大类:接触和非接触式。激光扫描三角(LTS)、磁共振影像(MRI)、计算机断层(CT)是常用的非接触式的装置。接触式的主要有CMM和截面图象测量(CIM)。特征提取通常是通过数据捕捉和捕捉表面特征。零件模型是通过填充适当的数据面完成的。为了减少重复设计原型试验周期、提高生产过程,并增加机器的可靠性,必须通过CAE指导生产,优化设计和制造过程。 CAD模型可以利用RP直接转化为实际的原型。RP是一个新的成型零件制造过程,是通计算机控制一层层的堆积,是直接从3D模型在很短的时间内完成的。与传统加工方法相反,多数的快速原型制造系统基于堆积过程,而非材料切除。 因此,这种方法不受规机械加工限制因素的限制常。在设计和制造过程中使用RP可能带来巨大的好处。可以缩短产品市场化时间、降低成本和提高质量。过去10年来,已广泛应用于工业领域。主要的商业化RP技术包括业stereolithgraphy(ST)selectivelasersintering(SLS),融合沉积制造(FDM)、胶合物体制造(LOM)、弹道微粒制造(BMP)、三维印刷(3D印刷)等。 RT是一种技术,把RP零件转化为功能部件,特别是金属零件。此外, RP、RT的融合推动了公司并行工程的发展。许多由RP系统制造模具的生产过程得到发展。RT的方法大致可分为直接和间接的,软、硬切削的。间接RT需要掌握某种模式,这种模式可以由常规方法(HSM等)获得,或者由RP,SL,SLS获得。直接RT,顾名思义,是直接由RP系统制造的,从而消除了中间产生步骤格局。根据上述技术、新产品开发的综合系统将迅速建立起来。详细结构如图1。 4、 工作流程和功能设计 工作流程的生产服务体系网络如图2。 第一步是登陆SB网站。用户用自己的名称和密码进入。那些没有登记或核准可以进入系统的,只限于观看资料,例如这一系统公开的'典型案例'。进入用户的密码将有系统验证。进入网站成功之后,系统会自动核对使用者的安全程度,确定哪些模块可以进入或使用。根据认证的制度,所有用户可分为四类:一般用户(未注册)、潜在客户,真正的客户,系统管理员。接受客户要求后,SB将首先进行规划过程的任务分解落实,并选择最合适的加工方法。在上未做后续工作之前,用户必须得到产品的排队和初步生产时间。 如果可以接受这样的结果,在最初阶段,SB进一步与用户进行了电视会议。当对方确认合同,用户成为真正的客户。用户提出的生产任务将由SB做到最好的实施。但是,如果SB没有这样的制造能力,或不能按时完成, 充分利用外部资源来源进行未完成的任务,是一个有效的方法。下一步就是选择合适的合作厂商,形成虚拟企业依靠分配制度完成任务的工作。此外,为了监测安排,以确保生产的顺利生产,用户与合作生产企业,必须尽快实现基本信息、生产进度时间表的生产监管。所以落后或不符合质量标准任何公司,将受到严格审查,及时采取预防和补救措施,提前预测损害。 提到上述流程网络化服务体系和数字远程服务体系功能要求,服务体系包括九个功能模块:技术研究、典型案例、信息咨询、协议(应用服务提供者)一套工具,客户管理、电子商务、制造服务、导航系统。 详细结构见图3。 这九个部分无阻碍的共同努力实现共同目标,即以提供及时有效的服务和产品平台,以支持中小企业发展迅速。其中一个目的是研究技术,使用户能更加了解相关的知识产品的快速发展。为了帮助读者更好地了解和运用这些新技术,系统说明一些真实案例。技术研究和典型案例的主要提供自助服务的用户。根据专家支配,SB能回答客户的问题并且有与用户沟通解决问题的信息咨询模块。 ASP了五项有用成分组成如下: RE/RP/RT的进程规划,STL检查和维护,零件优化控制, 生产结构支撑、零件优化计算。逆向工程方法有多种,除了以前描述的RP和RT,每种都有其特点和适用范围。按个别情况和任务的要求,选择最合适的加工方法时非常困难的。根据ASP模式有3种选择器,即“RE selector”、“RP selector”、“RT selector”。 StL固体模型之建立,减少约10%的时间。这表明自动检查错误所有其它重要的业务对于RP控制室非常重要的。根据我们提供网络资源的经验,我们知道, 在没有设计者的网站进行错误自动检查时是特别重要的。在某些情况下我们已经制定了各种算法发现自动拓扑与几何修补缺陷。有两个'防火墙'发现这些缺陷:一是结合用户操作。另外就是服务器后台的管理。由于功能定位比较狭窄, StL如果有有致命缺陷或者移交期间失去部分档案资料,就必须再从客户选择材料。组成部分在制造过程中的质量策划可以用的方法有很大的不同。 5 结论和未来研究 为了满足目前对快速产品开发集成系统的需求, 提出了一种新的基于快速原型快速制造融合系统, ,提出了更好的适合中小型企业的产品快速发展的网络服务系统。一种方法是用JAVA制造网络化服务体系建设的基础上建造三层浏览器/服务器模式。自java引入这项技术,可以很容易扩展到基础设施标准。服务体系包括技术信息平台、电子商务平台、制造服务平台,提供了生产协作环境和用户服务局,使得部分制造资源有效地帮助中小型企业产品快速发展。 附录二 A web-based manufacturing service system for rapid product development Hongbo Lana, Yucheng Dinga,*, Jun Honga, Hailiang Huangb, Bingheng Lua Abstract This paper proposes a novel integrated system of rapid product development based on rapid prototyping, and develops anetworked manufacturing service system which offers better support for the rapid product development in small and mediumsized enterprises by taking full advantage of the quickly evolving computer network and information technologies. The architecture of the networked manufacturing service system is presented. Furthermore, some of the key issues, includingmodelling and planning a manufacturing chain, selecting feasible collaborative manufacturers, queuing a manufacturing task, using the synchronously collaborative work environment, and constructing a suitable running platform, are described in detail. Java-enabled solution, together with web techniques, is employed for building such a networked service system. Finally, an actual example is provided illustrating the application of this service system. Keywords: Rapid product development; Rapid prototyping; Service system; Web-based application 1. Introduction This is the era of information technology. Informationtechnology has influenced every realm of society, and dramatically impacted on the traditional industry.Current industries are facing the new challenges:quick response to business opportunity has been consideredas one of the most important factors to ensurecompany competitiveness; manufacturing industry isevolving toward digitalization, network and globalization.In order to respond to the change effectively,manufacturing strategy has to be modified from timeto time in accordance with the market situation andcustomer demand. Any change of strategy should enable manufacturers to be better equipped themselves,with capabilities to cope with demands suchas a faster response to market changes, a shortenedlead time of production, improved quality and speed,the ability to deliver quality products to global customers,and improved communications and transportationsystem [1]. It is an established fact that the useof computers in design and manufacturing constitutesthe most significant opportunity for substantial productivitygain in industry. It has now been widelyaccepted that the future of manufacturing organizationswill be information-oriented, knowledge drivenand much of their daily operations will be automatedaround the global information network that connectseveryone together [2]. In order to meet the demand ofrapid product development, various new technologiessuch as reverse engineering (RE), rapid prototyping (RP), and rapid tooling (RT) have emerged and areregarded as enabling tools with abilities to shorten theproduct development and manufacturing time. Forexample, it has been claimed that RP can cut newproduct development costs by up to 70% and the timeto market by 90% [3]. However, these equipments aretoo expensive for the small and medium sized enterprises(SMEs), and many techniques such as 3D CADsolid modelling, RP process planning, free-form surfacesreconstruction, etc., require the high skilled personnelto complete. Therefore, it is especially difficultfor the SMEs to take full advantage of these technologiesin the product development process. In order tooffer the support of rapid product development fornumerousSMEs,manyRPservice bureaus (SBs)whichcan not only manufacture physical prototype and rapidtooling but also provide other engineering services,have been established. By 2001, there are more than500 SBs all over the world. But not every SB canpossess all design and manufacturing capabilitiesrequired, it must employ effectively the externalresource to better satisfy client requirements. Namely,a virtual enterprise which usually defined as a temporaryalliance of enterprises that come together to sharetheir skills, core competencies, and resource in order tobetter respond to business opportunities, whose cooperationis supported by computer networks [4–6], is tobe founded. Every SBconducts only the tasks of its corecompetencies, and depends on numerous partners tocarry out the remaining tasks that this SB has no such manufacturing capabilities to accomplish in time.While a new thought emphasizing service quality is becoming a basic strategy by which manufacturing industries can win global competition in the 21st century. Teleservice engineering is an emerging fieldwhichaddresses ‘‘service’’ issue for manufacturers and customers. As digital manufacturing technique progresses quickly, digital service will be integrated seamlessly into the digital design and manufacturing system [7]. The internet, incorporating computers and multimedia, has provided tremendous potential for remote integration and collaboration in business and manufacturing applications. In order to provide a production collaborative environment for many SMEs and SBs to implement the networked manufacturing, it is especially urgent for many SBs and SMEs to construct a service platform of networked manufacturing to speed up the product development process of the SMEs. The rest of this paper is organized as follows.Related research work is reviewed in Section 2. In Section 3, we introduce an integrated system of rapid product development based on RP. Section 4 describes the workflow and functional design of the networked manufacturing service system. The configuration of system running platform is presented in Section 5. In Section 6, we discuss the design of internet application. A case study is demonstrated in Section 7. Finally, Section 8 concludes the paper. 2. Related research With the development of computer network and information technologies, the networked manufacturing techniques are playing a more and more important role in manufacturing industry. Substantial investments have been made to support the research and practice of networked manufacturing (telemanufacturing or global manufacturing) from both the academic community and industrial bodies all over the world in recent years. A number of strategies and frameworks have been proposed. Abdel-Malek et al. [8] described a structure within which a company can outsource several of its production and design activities via internet and developed a model to aid a company in selecting among the available technological and functional alternatives to maximize its flexibility. Montreuil et al. [9] presented a strategic framework for designing and operating agile manufacturing networks, enabling to collaboratively plan, control and manage day-to-day contingencies in a dynamic environment. Tso et al. [10] introduced the architecture of an agent-based collaborative service support system, which is able to carry out service requests in a manufacturing information network through some specially designed virtual agents. Cheng et al. [11] put forward an integrated framework for web-based design and manufacturing which is developed based on Java solution and CORBA-ORG broking technologies. Offodile and Abdel-Malek [12] introduced a framework for integrating IT and manufacturing strategies using the virtual manufacturing paradigm. Huang et al. [13] presented a holonic framework for virtual enterprises and control mechanisms of virtual enterprises under this framework. O’Sullivan [14] described an information architecture and associated toolset for understanding and managing the process of business development. Akkermansa and Horstc [15] discussed managerial aspects of information technology infrastructure standardisation in networked manufacturing firms and presented a strategic framework to guide managers in making sensible decisions regarding IT infrastructure standardisation, based on a number of pre-existing economic and management theories, such as transaction cost theory, organisational design and IT maturity growth stages. Jin et al. [16] presented a research on key application technologies and solutions, which includes a network safety strategy which ensures data transfer among the leaguer members; production data management based on Web/DOT (distributed object technology) and XML criteria which ensure data exchange in structure-variance characteristic environments; the network platform which provides the conversion service of different types of CAD files. Woerner and Woern [17] introduced a new web service based platform providing developed methods for co-operative plant production within virtual engineering. To full realize the teleservice engineering in today’s globalized manufacturing industry and meet the current market situation and customer demand, a number of global manufacturing networks have been established by, among others, the Society of Manufacturing Engineer [18], Lockheed Martin (AIMSNET) [19] and 3M (the 3M Innovation Global Network) [20]. Today’s industries are facing serious structural problems brought about by their rapid development of overseas activities under a global integrated manufacturing environment. Service and maintenance are becoming extremely important practices for companies to maintain their manufacturing productivity and customer satisfaction in foreign regions. Due to the inherent problems of traditional help desk support, some companies have started developing web-based online customer service support system. Foo et al. [21] described an integrated help desk support for customer service via internet. Lee [7] discussed the concept and framework of a teleservice engineering system for the life cycle support of manufacturing equipment and products. A system for remote customer support has been created in the FCSA demonstrator of the Globerman 21 project [22]. The purpose of these systems above is to provide effective and responsive remote support to customers in the use, maintenance and troubleshooting of their equipment. University of California is studying and developing a project called the Tele-Manufacturing Facility (TMF) which is to create an automated RP capability on the Internet. TMF allows users to easily submit jobs and have the system automatically maintain a queue. While it can automatically check many flaws in .STL files, and in many cases, fix them [23]. RP potentially offers great benefits when used during the design and manufacturing process. However, RP must be used in an effective manner if these benefits are to be fully exploited. The RP-novices have a lot of difficulties in getting a global view of the RP technique and in tackling well founded decision for investment or outsourcing of RP tasks because of the very quick appearance of new and improved processes in this field. In order to help novices select a suitable RP process, the rapid prototyping system selector has been developed by many researchers [24–27]. Quickparts. com, which is a privately held manufacturing services company dedicated to providing customers with an on-line E-commerce system to procure lowvolume and high-volume custom manufactured parts, has developed a QuickQuote system. The QuickQuote system enables customers to get instant, customerized quotations for the production of their parts [28]. 3D Systems Company, which is the earliest and biggest RP equipment manufacturer, has provided RP&M service for customer via Internet [29]. From these literatures survey, it is clear that most of studies mainly focused on the strategy and overall architecture of networked manufacturing as well as individual function module, there is still no comprehensive and banausic networked manufacturing service system to support rapid product development. Built on the emerging researches and our earlier work (e.g. Refs. [30,31]), a web-based manufacturing service system for rapid product development is to be established. 3. Architecture of the integrated system ofrapid product development The development process from initial conceptual design to commercial product is an iterative process which includes: product design; analysis of performance, safety and reliability; product prototyping for experimental evaluation; and design modification. Therefore, any step of new product development process has a direct and strong influence on time-to-market. A good product development system must enable designers or design teams to consider all aspects of product design, manufacturing, selling and recycling at the early stage of a design cycle. So that design iteration and changes can be made easily and effectively. The more fluent the feedback is, the higher possibility success of the system has. Design for manufacturing (DFM) and concurrent engineering (CE) require that product and process design be developed simultaneously rather than sequentially [32]. The integrated system of rapid product development is composed of three modules: digital prototype, physical prototype and rapid tooling and functional part manufacturing system. The product development starts from the creation of a 3D model using a 3D CAD software package. At that stage the product geometry is defined and its aesthetic and dimensional characteristics are verified. The main function of digital prototype is to perform 3D CAD modelling. The product and its components are directly designed on a 3D CAD system (e.g. Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, IDEAS, etc.) during the creative design process. If a physical part is available, the model can be constructed by the reverse engineering (RE) technique. RE is a methodology for constructing CAD models of physical parts by digitizing an existing part, creating a digital model and then using it to manufacturing components [33]. RE can reduce the development cycle when redesigns become necessary for improved product performance. Pre-existing parts with features for improved performance can be readily incorporated into the desired part design. When a designer creates a new design using mock-up, it is also necessary to construct the CAD model of the mock-up for further use of the design data in analysis and manufacturing. The three primary steps in RE process are part digitization, features extraction, and 3D CAD modelling. Part digitization is accomplished by a variety of contact or non-contact digitizers. There are various commercial systems available for part digitization. There systems range from coordinate measuring machine (CMM), laser scanners to ultrasonic digitizers. They can be classified into two broad categories: contact and non-contact. Laser triangulation scanner (LTS), magnetic resonance images (MRI), and computer tomography (CT) are commonly used non-contact devices. Contact digitizers mainly have CMM and cross-sectional imaging measurement (CIM). Feature extraction is normally achieved by segmenting the digitized data and capturing surface features such as edges. Part modelling is fulfilled through fitting a variety of surface to the segmented data points [34]. In order to reduce the iterations of design-prototypetest cycles, increase the product process and manufacturing reliability, it is necessary to guide in optimization of the product design and manufacturing process through CAE. The CAD model can be directly converted to the physical prototype using a RP technique. RP is a new forming process which fabricates physical parts layer by layer under computer control directly from 3D CAD models in a very short time. In contrast to traditional machining methods, the majority of rapid prototyping systems tend to fabricate parts based on additive manufacturing process, rather than subtraction or removal of material. Therefore, this type of fabrication is unconstrained by the limitations inherent in conventional machining approaches [35]. RP potentially offers great benefits when used during the design and manufacturing process. It can help shorten time-to-market, improve quality and reduce cost. Over the last 10 years, RP machines have been widely used in industry. The RP methods commercially available include Stereolithgraphy (SL), Selective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Manufacturing (FDM), Laminated Object Manufacturing (LOM), Ballistic Particle Manufacturing (BMP), and Three Dimensional Printing (3D printing) [36], etc. RTis a technique that transforms the RP patterns into functional parts, especially metal parts. Furthermore, the integration of both RP and RT in development strategy promotes the implementation of concurrent engineering in companies. Numerous processes have been developed for producing dies fromRP system. The RT methods can generally be divided into direct and indirect tooling categories, and also soft (firm) and hard tooling subgroups. Indirect RT requires some kinds of master patterns, which can be made by conventional methods (e.g. HSM), or more commonly by an RP process such as SL or SLS. Direct RT, as the name suggests, involves manufacturing a tool cavity directly on the RP system, hence eliminating the intermediate step of generating a pattern [37]. On the basis of abovetechniques, a novel integrated system of rapid product development is to be established. Its detailed structure is shown in Fig. 1. 4. The workflow and function design The workflow of the service system of networkedmanufacturing is shown in Fig. 2. The first step is to log in to the website of SB. Users have to enter their names and passwords. Those without registration or authorization can also enter into the system, but they are limited to viewing the information that is open to the public such as ‘‘typical cases’’ in this system. The password entered by the user will be verified by the system. After entering the SB website successfully, the system will check the security level of users, and determine which modules they can access or employ. According to authentication for the system, all usersa re to be divided into four categories: general users (without registration), potential clients, real clients, and system administrator. Received job requests from clients, the SB will perform firstly process planning which fulfills the task decomposition and selects the most suitable process methods. It is necessary for users to get the preliminary product quote and manufacturing time from the SB before the follow-up process continues. If such results may be accepted initially, The SB will negotiate further with users by Video-conferencing system. Once come to term each other, a contract is to be confirmed, and the user becomes a real client. The manufacturing tasks submitted by real clients had better be implemented in the SB. However, if the SB has no such manufacturing capabilities or can not accomplish then in time, it is an effective way that the SB takes full advantage of external sources to carry out the remaining tasks. The next step is to select the appropriate collaborative manufacturing enterprises to form a virtual enterprise to complete the tasks by the task assignment decision system. In addition, in order to monitor the manufacturing schedule to ensure smooth production, both collaborative manufacturing enterprises and SB itself must provide as quickly as possible the essential information related to production progress and schedule for the module of production monitor. So any companies falling behind schedule or failing to meet quality standards will be closely examined by SB and users to ensure that precautionary or remedial measures are made ahead of time or any damaging effects are predicted. Referring to the workflow of networked service system above and the functional requirement of the digital teleservice system, the service system consists of nine functional modules: the technique research, typical cases, information consultation, ASP (application service provider) tool set, client management, Electronic commerce, manufacturing service, system navigation. Its detailed structure is shown in Fig. 3. These nine components work together seamlessly to achieve the common objectives, i.e. to provide an effective and prompt service platform to support the rapid product development of SMEs. One of the purposes of the technique research is to enable users to increase awareness of the relevant knowledge of rapid product development. In order to help users better understand and apply these new techniques, the system illustrates a number of real-life cases. Both the technique research and typical cases mainly provide self-help service for users. Depending on the predominance of specialty and expert, the SB can answer the queries of clients and communicate with novices to solve their problems by the information consultation module. The ASP tool set provides five useful components below: the process planning of RE/RP/RT, STL checking and fixing, the optimization of part orientation, the support structure generation, and the optimization of part slicing. There are various process methods for RE, RP and RT as previously described, each of them has its characteristics and the scope of application. It is especially difficult for many novices to select the most suitable process methods according to the individual task requirement and condition. Three selectors based on ASP mode, namely, ‘‘RE selector’’, ‘‘RP selector’’, and ‘‘RT selector’’ have been developed to perform process planning automatically in the Web Serverside. In [38], Miller states that .STL files created from solid models have anomalies about 10% of the time and those created from surface models have problems about 90%of the time. Error rates in this range make it clear that automated error checking is important for all RP operations. Based on our experience with supplying network-based resources, we know that it is especially crucial to perform automatic error checking when the RP operation is not at the designer’s site. We have developed various algorithms to detect, and in some cases, automatically fix geometric and topological flaws. There are two ‘‘firewalls’’ to detect those flaws: one is integrated with the online pricing engine that will be operated by the user before the .STL file is submitted to the SB, while the other is to run on the SB’s Server-side after the .STL file is submitted. Because the function of fixing is quite restricted, if a .STL file has fatal flaws or loses some data during transferring, it would have to be uploaded again from the Client-side. Parts formed using RP technique can vary significantly in quality depending on the manufacturing process planning. The process planning of RP is performed to generate the tool paths and process parameters for a part that is to be built by a particular RP process. The steps required are the part orientation, support structure generation, slicing, path planning, and process parameter selection. Therefore, it is also very important for remote users that SB can provide these process planning techniques. Three sub-modules including the optimization of part orientation, support structure generation, and the optimization of part slicing, have been developed to aid effectively users in setting RP process variables in order to best achieve specific build goals and desired part characteristic. Both potential clients and real clients can employ freely the ASP tool set. Electronic commerce module is composed of foursections: the online quote, build-time estimation, online business negotiation, and electronic contract management. Conventionally, the SB may quote according to the client’s offerings (e.g. CAD models, 2D drawings or physical prototypes) utilizing their experiences or just get payment after the RP model has been built. But for teleservice, it is necessary for the remote users to inquire about the service expense of making RP prototype before the follow-up process continues. Hence, an online pricing engine (OPE) has been developed. The details of the OPE Stereolithography oriented have been discussed in [39]. The accurate prediction of the build-time required is also critical for various activities such as: the job quoting, the job scheduling, the selection of build parameters (e.g. layer thickness and orientation), benchmarking, etc. Two build-time estimators based on sliced process and STL have been exploited, respectively. Ref. [40] presents the principle of a build-time estimation algorithm for Stereolithograpy based on model geometrical features. After clients accept initially the quote, they may negotiate with SB on the business and technological details. The Microsoft NetMeeting which can set up a collaborative environment to fulfill information sharing, file transferring, Video and Audio communication etc., provides an ideal tool for the online negotiation. It is also seamlessly integrated IE Browser, thus clients can call SB at any moment. As a result of negotiation, an electronic contract is to be signed. To effectively manage andoperate these electronic contracts, the system alsoprovides a contract management component. It is especially convenient and prompt for clients to submit, inquire, and search contract through this module. The manufacturing service module which covers the job management, collaborative manufacturing, process monitor, and collaborative enterprises management, is regarded as one of the most important function modules in the service system. When a contract is confirmed, clients will formally submit their job requirements (e.g. RE, 3D CAD modelling, CAE, RP prototype, or rapid tooling) and sources (e.g. object parts, digitized data cloud, 2D models, 3D models, or .STL files). In order to help many novices submit quickly and easy the manufacturing tasks, various job and source templates have been created, while the client can search, modify, and even delete the manufacturing tasks itself if the occasion arises. The Collaborative Manufacturing System (CMS) is responsible for the selection of collaborative enterprises (CE). In addition, it is extraordinarily important and necessary to monitor the manufacturing schedule and control product quality to ensure smooth production. In the past, a SB had to spend much time on dealing with a lot of inquires from the clients by via phone calls or Faxes. Now, the Process Monitor System (PMS) provides various facilities which canguarantee the tasks to be completed timely. Any partners falling behind schedule or failing to meet quality standards will be closely examined by SB and users to ensure that precautionary or remedial measures are made ahead of time or any damaging effects are predicted. All information (no matter if it is a real client being ready for a contract with the SB or just a potential one showing his intent or inquiry) involved in the whole service process are managed and maintained by a special Database. These data provide strong supports for both online business and manufacturing service. To create a collaborative environment among SB, users and CE, we have to rely fully on the multimedia and Internet. Therefore, the service system offers three enabling tools: Video conferencing system, Electronic white-boarding, and FTP. In order to make use of the system as quickly as possible, users can get help from the system navigation module. These nine components form a fully-integrated system that is able to carry out tasks in an efficient and effective way. On the basis of the workflow and function module of service system, the system framework can be constructed as shown in Fig. 4. Fig. 5 illustrates the networked structure of service system. 5. Configuration of running platform In order to run this system effectively, constructing asuitable running platform is necessary and especially crucial. An operating system (OS) is one of the most basic software components for running this system. The operating systems commonly founded onWeb Servers are UNIX, OS, Linux, and Windows, etc. Windows 2000 Advanced Server is a better platform for running business application. Better SMP scalability, improved networking performance, and support for more physical memory have a profound impact on the performance of Windows 2000 Advanced Server in an application server environment. Hence, we select Windows 2000 Advanced Server as the operating systemof the running platform. Web Servers including Apache, IIS, iPlanet, CERN, and IBM WebSphere, are frequently installed websites at the present time. Internet Information Services (IIS) 5.0 which is integratedWindows Advanced 2000 Server is a new release Web Server of Microsoft Company. Not only being a Server, it also provides a number of other Internet services such as FTP, News, WWW, and SMTP, etc. With tighter integration between the operating system and IIS, it offers performance gains and higher availability for Web Servers and sites. Normally IIS can not execute Servlet and Java Server Pages (JSP), configuring IIS to use Tomcat redirector plugin will let IIS send Servlet, and JSP requests to Tomcat (and thisway, serve them to clients). Tomcat3.2 of the Apache Software Foundation is selected to act as the engine of JSP and Servlets. Database Server adopts SQL Server 2000 Relational Database. Exchange Server 5.5 is to be used to implement the mail service function. In order to prevent hacking system, two firewalls based on package filtration and proxy Server, namely, Cisico2511 router and Proxy Server 2.0, have been established. The overall configuration of Web platform is shown in Table 1. 6. Design of internet application 6.1. Browse/server model The model of information service based on WWW falls into two broad categories: Client/Server (abbreviation C/S) and Browser/Server (B/S). C/S is a twotier model where a connection is built directly between the Client and Database Server. In comparison, B/S is a three-tier model where a connection is built between the Servlet or Application Server and Database Server, and the Clients obtain the data from the Servlet or Application Server. In the three-tier model, it is the middle tier of Servlet or Application Server objects that deal with all Database access operations. B/S has the same benefits (e.g. highly interactive, graphical user interface aids productivity) as C/S, but avoids the enormous distribution and maintenance problem. Besides an operating system and personal productivity software, the only software that the user-end needs, is a Web Browser that can run Java Applets. The B/S architecture allows developing professionals to focus on development and maintenance tasks on the Server side in spite of the increasing number of distributed customers. Therefore, there are a number of advantages for a B/S model: thin Client (platform independent), central software storage and control, high interactivity, economy in system development, maintenance and upgrade. Due to the distributed and heterogeneous nature of clients and collaborative enterprises, this service system is based on B/S structure which can fit the distributed and heterogeneous environment of networked manufacturing. The structure of B/S model is shown in Fig. 6. 6.2. Choosing a server-side language Creating dynamic Web pages that interact with the user showing customized information is the pith of Web application for B/S model. With the rapid development and prevalence of Internet, a variety of solutions have appeared which enables the development of Web application to become more and more simple, convenient and effective. Four Server-side scripting languages including Common Gateway Interface (CGI), Active Server Pages (ASP), Person Home Pages (PHP), and Java Server Pages (JSP), are frequently used now. CGI scripts are inefficient and difficult to be used for writing Server extensions. Each time someone hits a CGI script, a new process is created on the Server; if a script is written in an interpreted language like Perl, the Server has to start up another Perl interpreter, consuming more processing time and memory. The situation gets even worsewhen it resides on a site that is getting a few thousand hits a day. Another disadvantage with CGI is that a CGI program can not interact with the Web Server during its execution because it is running in a separate process. Microsoft attempted to change all this when they introduced Active Server Pages, which allows developers to use simple scripting to access the Server and its extensions. ASP is almost as efficient as writing code directly to the Server’s application program interface, and it is more efficient than CGI because it runs as a service and can take advantage of multithreaded architectures. But while ASP provides an efficient way to return dynamic content, it essentiallylimits one to Microsoft platforms, and even the simplest of scripting mistakes can crash or hang the Web Server [41]. PHP is an open-source Server-side scripting language for creating dynamicWeb pages for Web applications. A particular strength is that it can be used to develop Websites on a desktop system and deploy then on secure Servers such as those found commonly only running UNIX or Linux. The PHP drawbacks that we have found are predominantly in its weak abstraction for Databases (each Database backend is accessed through a different interface. In other words, PHP is limited to using a small handful of free Database APIs, none of which are compatible with each other), underdeveloped library mechanism (lacking Peril’s true ‘‘module’’ concept) and occasional linguistic quirks [42]. In response to ASP, Sun Microsystems gave the world Java Server Pages (JSP) technology, which is based entirely upon Sun’s popular Java programming language and gives developers the advantages of developing in Java in a more relaxed, script-like environment. JSP is a better solution generating dynamicWeb pages in contrast to ASP, PHP, and CGI. Together, JSP and Servlets provide an attractive alternative to other types of dynamic Web scripting/programming that offers platform independence, enhanced performance, separation of logic fromdisplay, ease of administration, extensibility into the enterprise and most importantly, ease of use [43]. JSP/Servlets has been widely applied by many electronic commerce providers such as the famous E-Business. EJBtJSPtServlets are almost to be a standard of developing electronic commerce. Hence, it is a better decision to develop dynamic Web pages by JSP and Servlets. 6.3. Constructing development platform The running and development environment of JSP and Servlets is especially complicated. The running and development framework of JSP and Servlets is described in Fig. 7. The application development platform is shown in Table 2. The development kits of application are reported in Table 3. Figs. 8–11 illustrate the Home page,Web page for manufacturing service, Web page for remote STL checking, and Web page for client management. The web page for user interface of online pricing engine (OPE) in Internet Explorer 5.0 and a case of online quote are illustrated in Figs. 12 and 13 respectively. 7. Case study To illustrate exactly how the service system works and the benefits it can bring to the users and servicebureaus, an actual example is now presented. Let us assume that a company was working on a new design of the curing coryza apparatus for which a number of physical models would be required. The model was purely for the purpose of design visualization and would be used as a means of communication with other functional departments in the organization. The task requirement and relevant resources were submitted to SB by the job management module of the service system. After receiving the job requirement, the system would firstly perform the process planning by which the job was to be decomposed into the 3D CAD modelling and making prototype, and SL wasselected as the most suitable process for building the mock-ups through the ‘‘RP selector’’, while the service system offered the preliminary product quote and manufacturing time for the user. Accepted initially such results, the user continued to negotiate further with SB by Video-conferencing system. Once a commercial, a contract was to be confirmed in the end. Subsequently, the 3D CAD modelling and prototype making were assigned to the Shaanxi Productivity Promote Center and Chongqi Productivity Promote Center respectively to complete. Finally, the green parts would be checked online and delivered to the end user. The detailed workflow is represented in Fig. 14. The result of process planning is reported in Table 4. The 3D CAD models submitted by the Shaanxi Productivity Promote Center are illustrated in Fig. 15. The mock-ups fabricated by the Chongqi Productivity Promote Center are shown in Fig. 16. In contrast to the traditional development mode, it can cut the new product costs by up to 50% and the timeto- market by 75%. Consequently, the costs and lead times are substantially reduced using this service system to develop new products. 8. Conclusions and future research In order to meet the current demand of rapid product development, a novel integrated system of rapid product development based on rapid prototyping is proposed, and a networked service system which offers better support for the rapid product development of small and medium sized enterprises is established. A Java solution is used for constructing the networked manufacturing service system based on the three-tier Browser/Server mode. Since Java technology is introduced to this research, the infrastructure can be easily extended into a standard JINI computing model in the future. The service system which includes the technology information platform, E-commerce platform, and manufacturing service platform, provides a production collaborative environment for users and service bureaus, enables the share of manufacturing resource and can effectively aid the rapid product development of small and medium sized enterprises. This system has been employing in the Northwest Productivity Promotion Center. It has been shown from a number of case studies that the system has a high potential to speed up the new product development. As a result, the implementation of such a system will represent afundamental shift of enterprise strategy and manufacturing paradigms in organization. Networked manufacturing and manufacturing service system based on Web are new manufacturing mode in term of mission, structure, infrastructure, capabilities, and design process, which need more detailed research and theory building. Many renowned companies and universities have been involving in the further development and new application of networked manufacturing service system. The significantcontribution of this paper is to construct an actual networked manufacturing service system to support rapid product development and demonstrate how to develop a networked service system based on Javaenabled solution. Further research will be focused on the product collaborative commerce (CPC), the collaborative service support, and the detailed structure and formulation of the central-monitoring mechanism of such a partnership system. Acknowledgements This project was supported by The National High Technology Research and Development Program (863 Program) under the title ‘‘RP&M networked service system’’(No. 2002AA414110), and the ‘‘Tenth Five years’’ National Key Technologies R&D Program of China under the title ‘‘ Research and demonstrator of rapid manufacturing integrated system based on rapid prototyping’’ (No. 2001BA205B10-CMTT1001). References [1] W.B. Lee, H.C.W. Lau, Multi-agent modeling of dispersed manufacturing networks, Expert Systems with Application 16 (1999) 297–306. [2] S.M. Rahman, R. Sarker, B. Bignall, Application of multimedia technology in manufacturing: a review, Computers in Industry 38 (1999) 43–52 [3] N.A. Waterman, P. Dickens, Rapid product development in the USA, World Class Design To Manufacture 1 (3) (1994) 27–36. [4] L.M. Camarinha-Matos, H. Afsarmanesh (Eds.), Infrastructures for virtual enterprises networking industrial enterprises, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1999. [5] L.M. Camarinha-Matos, H. Afsarmanesh, C. Garita et al., Towards an architecture for virtual enterprises, Journal of Intelligent Manufacturing 9 (2) (1998) 189–199. [6] L.M. Camarinha-Matos, Execution system for distributed business processes in a virtual enterprise, Future Generation Computer Systems 17 (2001) 1009–1021. [7] J. Lee, Teleservice engineering in manufacturing: challenges and opportunities, International Journal of Machine Tools & Manufacture 38 (1998) 901–910. [8] L.L. Abdel-Malek, C. Wolf, P.D. Guyot, Telemanufacturing: a flexible manufacturing solution, International Journal of Production Economics 56 (1998) 1–12. 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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    文档贡献者

    平***苏

    贡献于2020-11-10

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