人、人類文明是從制造第一把石刀開始的,與此同時,也就開始了“制造工藝過程”,開始了對制造工藝過程的“控制”。

    對勞動著的猿人而言,手是執行裝置,用以操干擾作生產工具—石刀,感覺器官是檢測裝置,感受著制造過程中的各種信息,人腦是中框控制裝置,對所獲得的信息進行分析、比較做出判斷、決策,如圖1.5.1所示。由此可見,即使在極為原始的制造工藝過程中,也已經有了執行、檢測、控制諸環節,它們構成類似閉環系統個閉環的“制造工藝過程”控制系統。

    制造工藝不斷發展過程的一個顯著特點是,人逐步從對制造過程諸環節的直接參與中解脫出來,也就是,首先從加工(執行中,其次從檢測中,最后從直接的控制中解脫出來。促進這一解脫過程的,首先是材料、能源動力和信息科學的發展、進步與革命。伴隨這一解脫過程的,是制造賴以進行的基礎由本能與經驗逐步轉移到理性與科學上來。就是說,制造過程發展的歷史也是人們對制造過程規律性的認識逐步深化的歷史。 “實踐沒有止境,創新也沒有止境。 ”制造也正在從制造技術向制造科學發展。這一歷史發展的主要線索是:對制造過程從片面的局部的認識發展到系統的認識;對制造過程的每一環節從只作為一個弧立的環節來認識發展到作為一個大系統中的子系統來認識,從靜態的定性的認識發展到動態的定量的認識。而在這一發展過程中,材料、能源動力和信息科學的每一次革新,都或多或少地并且不可忽視地促進制造過程、制造工藝、制造技術,尤其是制造思維朝著系統化、自動化、集成化、信息化乃至智能化方向邁進(智能制造),促進制造的發展與變革,并逐步解放人的體力/腦力勞動和挖掘人的聰明才智,使人更有機會與精力來駕馭制造。

       下面以切削加工的制造過程為例來回顧這一發展過程

    材料的發展、冶銅煉鐵的發明、金屬工具的出現,使得工具與加工對象之間的相互作用強度劇增,人手直接作為執行裝置已難以使金屬工具充分發揮作用,難以承受如此強度的作用,因而產生了機構、機器。這樣,人腦所做的判斷與決策才得以很好地實現。人操作機器加工的類似閉環系統如圖1.5.2所示。機構、機器與加工對象之間的相互作用強度劇增,因而加工過程的動態特性更多地表現了出來。

    能源與動力機械的發展,直接解放了人的體力,加快了機器的工作速度,加大了機器工作的強度,使其達到了以人的體力作為動力源時無可比擬的程度。尤其是蒸汽機的發明、電力的應用、能源的革命,帶來了加工設備/機床的飛速發展,制造能力、制造質量和制造效率得到極大提高。與此同時,出現了各種檢測工具,以取代人的直接的感覺器官。檢測加入后的類似閉環系統如圖1.5.3所示。

    工具的發展、機床的發展、加工方法的發展,進一步暴露出加工過程中一系列有待于研究的問題,而生產的發展水平也為研究這些問題提供了可能的技術手段。例如,切削過程中的切削力、切削熱、刀具磨損,以及機床零件部件的變形、振動、磨損等現象和問題,都要求得到解釋和解決。1769年與1775年英國先后制造出在直徑加工誤差為10mm與1mm的汽缸鏜床,1789年英國 Rumford對加工炮身的切削過程中的切削力與切削熱進行探討,此后人們對切削過程及其裝備進行了大量的試驗研究與理論分析,積累了豐富的資料在此基礎上建立了金屬切削加工這門學科??墒?20世紀50年代以前,這些試驗與分析基本上是屬于靜態的、孤立因素的、定性的和非隨機性的,因此,不能完善地解釋、解決切削過程中的許多現象與問題。

    刀具材料與機床結構的進一步發展,產品質量的進一步提高,使切削過程的動態特性問題更為突出了。電氣技術、電子技動力源術、自動檢測裝置,以及液壓、電氣隨動技術與其他先進技術相繼應用于切削加工領域,部分地取代了人的控制作用,形成了自動化生產方式。自動化裝置加入后的閉環系統如圖1.5.4所示。這時,一系列的系統動力學問題突出地擺在面前:切削過程是否穩定?檢測結果是否可靠?機床特性與切削過程特性之間有什么關系?機床熱變形的規律如何?刀具在高溫高速下的真實工作狀況如何?砂輪究竟怎樣進行磨削?…以切削過程的自激振動為例,從20世紀40年代至今,對其已進行了大量的試驗研究與理論分析,提出了自激振動的多種機理,建立了不少數學模型,研究了各種消振措施。但是,目前還遠未建立起合乎實際的切削過程的動態模型,自激振動問題也沒得到根本解決。

    微電子技術(特別是數字計算機技術,尤其是微型計算機、高性能計算機技術)的發展,給人們提供了強大的技術手段。數字計算機及其網絡的出現,是技術領域最富有革命意義的事件,它導致人類社會產生了極為深刻的變革,對制造更是如此。計算機開始圖1.5.5計算機控制的閉環系統取代人而參與對加工過程的控制,圖1.5.5所示為計算機控制的閉環系統。這時不僅要求整個系統穩定,而且要求整個加工過程實現所預期的最優指標。這樣一來,控制就涉及每個環節與整個系統的動態性能問題。于是,將控制理論與計算機技術結合起來研究每個環節與整個系統就必不可少了。對一臺設備如此,對一條生產線如此,對整個生產過程更是如此??刂评碚?、計算機技術,特別是內涵更為廣泛的信息技術,同機械制造技術相結合,還賦予有關設備以不同程度的“人工智能”;數控機床不僅可以按程序加工,而且還可根據加工情況自行調整結構與參數,進行適應控制;生產線不僅可以完全自動,而且還可以根據供銷情況自行調整產品,進行“柔性生產”。對制造過程或制造系統的“全信息”(包括設備狀態信息、制造過程信息、制造環境信息乃至訂單信息和客戶要求與市場反饋信息等)監測系統也因此得以發展應指出,上面所講的只是加工過程。其實,正如1.1節中所分析的那樣,對產品生產而言,廣義系統動力學還應該包括整個生產的組織與管理,因為整個生產組織與管理同生產過程一起,組成了一個不可分割的制造系統。這樣的系統還可能是通過計算機網絡組織起來的所謂的虛擬企業或企業動態聯盟,是一個道道地地的動態系統,現代制造工藝的概念正是建立在研究這樣一個系統的動態觀點之基礎上的。這正是用控制理論來研究機械制造領域中的問題的極為重要的一個方面,乃至是具有決定性意義的一個方面。目前,高技術中的計算機集成制造、網絡化制造、虛擬制造和智能制造的研究,正是現代制造工藝概念的集中反映,也是控制理論的重大進展但這已遠遠超出本書的研究范圍。目前,在機械制造領域中應用控制理論最為活躍的有以下幾個主要方面:

    (1)在機械制造過程自動化方面?,F代生產向機械制造過程的自動化提出了越來越多、越來越高的要求:一是所采用的生產設備與控制系統越來越復雜;二是所要求的技術經濟指標越來越高。這就必然導致“自動化”與“最優化”“可靠性”的結合,從而使得機械制造過程的自動化技術從一般的自動機床、自動生產線發展到數控機床、多微計算機控制設備、柔性自動生產線、無人化車間,乃至設計、制造、管理一體化的計算機集成制造系統(CIMS)??梢灶A期,伴隨著制造理論、計算機網絡技術和智能技術以及管理科學的發展,它還將發展到網絡環境下的智能制造系統,包括網絡化的制造系統的組織與控制,當然也包括智能機器人、智能機床,以及其中的智能控制,乃至于全球化制造。

    (2)在對加工過程的研究方面?,F代生產一方面是生產效率越來越高,例如,高速切削(磨削)、強力切削(磨削)、高速空程等日益獲得廣泛應用;另一方面是加工質量特別是加工精度越來越高,0.1m精度級、0.01gm精度級乃至納米(m)精度級的相繼出現,使加工過程中的“動態效應”不容忽視。這就要求把加工過程如實地作為一個動態系統加以研究。

    (3)在產品與設備的設計方面。同上述兩點密切相關,正已突破而且還在不斷突破以往的經驗設計、試湊設計、類比設計的束縛,在充分考慮產品與設備的動態特性的條件下,密切結合其工作過程,探索建立它們的數學模型,采用計算機及其網絡進行優化設計,甚至采用人機交互對話的亦即人機信息相互反饋的人工智能專家系統進行設計。

    (4)在動態過程或參數的測試方面。以往的測量一般是建立在靜態基礎上的(特別是幾何量的測量),而現在以控制理論作為基礎與以信息技術作為手段的動態測試技術發展十分迅速。動態誤差、動態位移、振動、噪聲、動態力與動態溫度等動態物理量的測量,從基本概念、測試方法、測試手段到測試數據的處理方法無不同控制理論息息相關。

    總之,控制理論、計算機技術,尤其是信息技術,同機械制造技術的結合,始終將人作為制造的主體,充分發揮人在制造各方面的主動性與創造性,創新科技,駕馭科技,將促使機械制造領域中的構思、研究、試驗、設計、制造、診斷、監控、維修、組織、銷售、服務、回收、管理等各個方面發生巨大的乃至根本性的變化,目前的這種變化還只

    是開始不久而已。

     


    2021年04月11日

    五斗沖床送料機又來說說機械工程控制學-?機械制造的發展與控制理論的應用

    作者:YANXIAOWEI   來源:http://www.huoyuzhe.cn

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