CAD/CAM在冶金生产中的应用.pdf_大学文库

第 i6 卷增刊年 10 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l . 16 19 9 4 o e t . 1 9 9 4 C A D / C A M 在冶金生产中的应用王洪水 ( 宝钢自动化部) 摘要由四级计算机组成的计算机集成制造系统 (CI M S) 实现了 c A D 、 c A M 和 c A P 。系统也有与之相适应的 C A P M 。借助于计算机系统和工艺、设备的综合能力 , 也是在 C A D C/ A M 的基础上 , 实现了 F M S , 这使得在大生产过程中能充分满足每个用户的订货要求。系统的 M R P I 对前工序的原料供应以 Jus t in it m e 的原则进行了规划。本系统还在向更高层次的 CI M S 发展。关键词 c IM s , e A D e A M , e A P P , F M s A p p li e a t i o n o f C A D / C A M i n M e t a l l u r g y W a n g H on g s h u Z A B S T R A C T A C I M S w h i e h 1 5 e o nr p o s e d o f f o u r 一 l e v e l e o m p u t e r s y s t e nr r e a li z a e d C A D , C A M , C A P P a n d C A P M e o r r e s p o n d i n g t o t h e s y s t e m 1 5 e o n e l u d e d . Wi t h t h e h e l p o f e o m p u t - e r s y s t e m a n d i n t e g r a t e d a b ili t y o f t e e h n o l o g y a n d f a e i li t y , a n d a l s o b a s e d o n C A D / C A M , F M S 1 5 a e h i e v e d t o e n s u r e t h a t t h e o r d e r r e q u i r e m e n t o f e a e h e u s t o m e r e a n b e s a t i s fi e d d u r i n g t h e p r o e e s s o f m a s s p r o d u e t i o n . M R P 一 1 i n t h i s s y s t e m h a s p r o g r a m m e d t h e m a t e r i a l s u p p l y o f f o r m e r s e e t i o n b a s e d o n t h e p r i n e ip l e ` J u s t i n t im e ’ . T h i s s y s t e m 1 5 s t ill m a r e h i n g f o r h ig h e r l e v e l o f C I M S . K E Y W O R D S C A D , C A M , C A P P , F M S 随着计算机科学技术在冶金行业越来越广泛的应用 , C A D / C A M 也成了先进的冶金生产工艺过程中有效的技术手段。显然 , 由于生产工艺过程的差异 , 在冶金行业中 C A D / C A M 的实现方法和机械制造业的实现方法相比也是具有不同特点的。 1 冶金工业 C A D / C A M 的特点 1 9 94 一 0 7 一 10 收稿 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. s3. 037

王洪水：CAD/CAM在冶金生产中的应用 ·7。 1.1冶金工业对CAD/CAM的需求对于冶金产品来说，如板材，它没有产品设计的机械制图问题。但是对于钢板产品来说，仍有产品设计的问题。以汽车用钢板为例，早期的产品分类只有按冲压等级的CQ、DQ、 DDQ三类，而现代汽车工业使用的钢板，按其最终用途不同可分成数以百计种类。如车顶板要求极高的表面光洁度；仪表板要求特深冲性能；车轮用钢板要求精确的厚度精度，以改善其动平衡特性；而用板材弯成的排汽管又要求高温强度和可焊接性等等。对汽车用钢板的钢种，要求具有良好冲击韧性的无间隙原子的F钢；具有良好强度一延性平衡和时效硬化的双相钢；具有耐高疲劳性和高尺寸精度的车轮用钢；高耐饮性的Z- N合金电镀钢板等等。每种钢板有着一系列的化学成分、冶炼方法和各种加工工艺参数等。显然，市场的需求和冶金科学技术的发展引起冶金生产的以下变化： 1)冶金产品市场的需求越来越精细；2)高级钢种生产的技术性越来越复杂；3)越来越多的冶金科研成果要用于生产；4)对生产过程中的物料精打细算，增加大型企业的效益。如何把冶金学、金属学和压力加工这些学科的科学技术知识在冶金生产过程中变得有可操作性，这就是提出冶金生产过程CAD/CAM的依据和原因。 Harrington早在1973年就指出CAD的工作方式应有不同的区分：I)作图方式和非作图方式，这实际上是指人-机会话的方式的不同；2)交互式和非交互式，这实际上是指计算机的工作方式和响应的速度不同。钢板生产中，采用的CAD式作方式就是非作图式的。 1.2冶金生产过程中的CAD/CAM 下面以宝钢热轧钢厂为例说明CAD/CAM的应用，先简介该厂的情况。宝钢热轧厂是一个年产400万t热带钢的工厂。1989年开始调试、运行，从调试运行伊始，该厂就是在一套四级计算机构成的计算机集成制造系统(CMS)的管理和控制下进行生产的。整个计算机集成制造系统随着宝钢热轧一个个生产线的开动，各级计算机系统的功能也依次顺利投人。由于系统采用了CMS技术，使生产管理和技术、质量工作，以及各个生产环节形成一个完整的、紧密衔接的系统；使全部管理业务和生产活动都是在信息的采集、传递和处理过程中完成的。 1.2.1计算机辅助设计(CAD) 冶金生产过程的CAD,是在计算机的支持下按用户的订货要求进行质量设计、材料设计、验收和检验设计。在设计过程中，就形成了一个对应用户订货要求的、对生产过程进行管理和控制的合同环境。在所设计的合同环境的约束下，保证了此后的管理业务和生产活动都是按用户的要求执行的。 (1)质量设计 ①按用户订货的供货钢种牌号，在计算机的信息支持下，来设计工厂生产时选用的内控钢种，还要按计算中已存贮的宝钢规程体系制定出各个工序的工艺要求。 ②按用户订货产品的最终用途来规范一系列的宝钢内控生产要求。 ③用户对生产过程的特殊要求可以通过质量设计的人-机对话输人到计算机中。 ④用户订货的规格尺寸经人-机结合的处理，设计成加工过程的实际控制规格。质量设计诉依据是冶金学、金属学、压力加工的理论和专家的实践经验。通过质量设

王洪水 : CA D / CA M 在冶金生产中的应用 1 . 1 冶金工业对 CA D / CA M 的需求对于冶金产品来说 , 如板材 , 它没有产品设计的机械制图问题。但是对于钢板产品来说 , 仍有产品设计的问题。以汽车用钢板为例 , 早期的产品分类只有按冲压等级的 C Q 、 D Q 、 D l) Q 三类 , 而现代汽车工业使用的钢板 , 按其最终用途不同可分成数以百计种类。如车顶板要求极高的表面光洁度 ; 仪表板要求特深冲性能 ; 车轮用钢板要求精确的厚度精度 , 以改善其动平衡特性 ; 而用板材弯成的排汽管又要求高温强度和可焊接性等等。对汽车用钢板的钢种 , 要求具有良好冲击韧性的无间隙原子的 IF 钢 ; 具有良好强度一延性平衡和时效硬化的双相钢 ; 具有耐高疲劳性和高尺寸精度的车轮用钢 ; 高耐饮性的 Z n - iN 合金电镀钢板等等。每种钢板有着一系列的化学成分、冶炼方法和各种加工工艺参数等。显然 , 市场的需求和冶金科学技术的发展引起冶金生产的以下变化 : l) 冶金产品市场的需求越来越精细 ; 2) 高级钢种生产的技术性越来越复杂 ; 3) 越来越多的冶金科研成果要用于生产 ; 4) 对生产过程中的物料精打细算 , 增加大型企业的效益。如何把冶金学、金属学和压力加工这些学科的科学技术知识在冶金生产过程中变得有可操作性 , 这就是提出冶金生产过程 C A D / C A M 的依据和原因。 H ar ir gn ot ln 3早在 1 9 73 年就指出 C A D 的工作方式应有不同的区分 : 1) 作图方式和非作图方式 , 这实际上是指人一机会话的方式的不同 ; 2) 交互式和非交互式 , 这实际上是指计算机的工作方式和响应的速度不同。钢板生产中 , 采用的 C A D 式作方式就是非作图式的。 1 . 2 冶金生产过程中的 C A D / C AM 下面以宝钢热轧钢厂为例说明 C A D / C A M 的应用 , 先简介该厂的情况。宝钢热轧厂是一个年产 40 0 万 t 热带钢的工厂。 1 9 8 9 年开始调试、运行 , 从调试运行伊始 , 该厂就是在一套四级计算机构成的计算机集成制造系统 ( CI M )S 的管理和控制下进行生产的。整个计算机集成制造系统随着宝钢热轧一个个生产线的开动 , 各级计算机系统的功能也依次顺利投人。由于系统采用了 CI M S 技术 , 使生产管理和技术、质量工作 , 以及各个生产环节形成一个完整的、紧密衔接的系统 ; 使全部管理业务和生产活动都是在信息的采集、传递和处理过程中完成的。 1 . 2 . 1 计算机辅助设计 (C A D ) 冶金生产过程的 C A D , 是在计算机的支持下按用户的订货要求进行质量设计、材料设计、验收和检验设计。在设计过程中 , 就形成了一个对应用户订货要求的、对生产过程进行管理和控制的合同环境。在所设计的合同环境的约束下 , 保证了此后的管理业务和生产活动都是按用户的要求执行的。 (1 ) 质量设计 ①按用户订货的供货钢种牌号 , 在计算机的信息支持下 , 来设计工厂生产时选用的内控钢种 , 还要按计算中已存贮的宝钢规程体系制定出各个工序的工艺要求。 ②按用户订货产品的最终用途来规范一系列的宝钢内控生产要求。 ③用户对生产过程的特殊要求可以通过质量设计的人一机对话输人到计算机中。 ④用户订货的规格尺寸经人一机结合的处理 , 设计成加工过程的实际控制规格。质量设计诉依据是冶金学、金属学、压力加工的理论和专家的实践经验。通过质量设

8· 北京科技大学学报计，将用户对产品质量的要求转换成了冶金生产过程中各工序的一系列加工工艺参数，在计算机的辅助下使得冶金的高技术和许多科研成果迅速、准确地体现到了产品设计中去，同时也变得具有可操作性。 (2)材料设计材料设计是利用计算机中存贮的宝钢生产过程工艺参数和规范，在计算机交互式工作环境中完成以下工作： ①按订货需求和宝钢各工艺环节的生产状况来确定各生产阶段的物料需求量。 ②按订货成品的规格尺寸和各工序的需求量，来设计各工序半成品的规格尺寸，单重等。 ③在计算机中形成各工序的材料欠量平衡表。 (3)验收和检验设计利用计算机中存贮的呼种验收方式、检验规程和试样规范辅助质量管理人员进行下述设计： ①按用户的订货要求，设定该订华南合同对应产品具体的检验项目、检验条件和检验方式等等。 ②按订货的要求和相应的技术标准，设定取样方式和取样地点，并规定制样的要求。 ③按订货验收方式的要求，选用相应的文书资料和质保书的类型，在进行了这些设计之后，就在计算机系统的支持下设计成了对于该合同的冶金生产过程质量控制、材料生产和检验的具有可操作性的定量的要求。它也成为了此后对该合同进行生产和控制的规范的约束。 1.2.2计算机辅助制造(CAM) CAD,即质量设计、材料设计和验收、检验设计中提出的要求要由热轧计算机系统中的过程控制和基础自动化级来完成。对宝钢热轧厂来说，从原材料一板坯进厂到成品出厂全过程的各项操作都是在计算机的支持下进行的。过程控制和基础自动化级的操作都是基于管理计算机和生产控制机下达的指令进行的。这些指令又在下位机显示给现场的操作人员，或者由下位机直接完成这些指令对应的操作。在生产全过程中，按照质量设计、材料设计和验收、检验设计的要求，计算机均有与之相对应的功能，辅助现场人员或直接自动完成生产过程的操作。这就在生产中充分发挥了CAM的作用。 2计算机辅助作业计划编制CAPP与CAD/CAM实施的关系编制作业计划就是将质量设计，材料设计中所确定的每块材料的加工要求，在大批量物料的连续生产过程中使之实现。也就是说，它是使CAD和CAM联接起来的一个重要环节。在编制轧制生产作业计划时，质量设计确定的轧制目标厚度、宽度和轧制过程的系列温度等等均是计划编制要达到的目标。而计算机控制的机组能力，如允许相邻两块带钢厚

· 8 · 北京科技大学学报计 , 将用户对产品质量的要求转换成了冶金生产过程中各工序的一系列加工工艺参数 , 在计算机的辅助下使得冶金的高技术和许多科研成果迅速、准确地体现到了产品设计中去 , 同时也变得具有可操作性。 (2 ) 材料设计材料设计是利用计算机中存贮的宝钢生产过程工艺参数和规范 , 在计算机交互式工作环境中完成以下工作 : ①按订货需求和宝钢各工艺环节的生产状况来确定各生产阶段的物料需求量。 ②按订货成品的规格尺寸和各工序的需求量 , 来设计各工序半成品的规格尺寸 , 单重等。 ③在计算机中形成各工序的材料欠量平衡表。 ( 3) 验收和检验设计利用计算机中存贮的呼种验收方式、检验规程和试样规范辅助质量管理人员进行下述设计 : ①按用户的订货要求 , 设定该订华南合同对应产品具体的检验项目、检验条件和检验方式等等。 ②按订货的要求和相应的技术标准 , 设定取样方式和取样地点 , 并规定制样的要求。 ③按订货验收方式的要求 , 选用相应的文书资料和质保书的类型。在进行了这些设计之后 , 就在计算机系统的支持下设计成了对于该合同的冶金生产过程质量控制、材料生产和检验的具有可操作性的定量的要求。它也成为了此后对该合同进行生产和控制的规范的约束。 1 . 2 . 2 计算机辅助制造 (C A M ) C A D , 即质量设计、材料设计和验收、检验设计中提出的要求要由热轧计算机系统中的过程控制和基础自动化级来完成。对宝钢热轧厂来说 , 从原材料一板坯进厂到成品出厂全过程的各项操作都是在计算机的支持下进行的。过程控制和基础自动化级的操作都是基于管理计算机和生产控制机下达的指令进行的。这些指令又在下位机显示给现场的操作人员 , 或者由下位机直接完成这些指令对应的操作。在生产全过程中 , 按照质量设计、材料设计和验收、检验设计的要求 , 计算机均有与之相对应的功能 , 辅助现场人员或直接自动完成生产过程的操作。这就在生产中充分发挥了 C A M 的作用。 2 计算机辅助作业计划编制 C A P P 与 C A D / C A M 实施的关系编制作业计划就是将质量设计、材料设计中所确定的每块材料的加工要求 , 在大批量物料的连续生产过程中使之实现。也就是说 , 它是使 C A D 和 C A M 联接起来的一个重要环节。在编制轧制生产作业计划时 , 质量设计确定的轧制目标厚度、宽度和轧制过程的系列温度等等均是计划编制要达到的目标。而计算机控制的机组能力 , 如允许相邻两块带钢厚

王洪水：CAD/CAM在冶金生产中的应用 ·9· 度的变化量、允许宽度的变化量、允许的温度变化量等等则是作业计划编制时的约束条件。计算机辅助管理人员不但要编制作业计划，而且在确定一个计划编成之前计算机要按全部的约束条件对该计划的正确性进行最后的检查。轧制计划的约束条件有15项之多。计划首先在管理计算机一级制定，然后在物料管理级一生产控制计算机上作进一步的优化。优化的作用主要也是协调订货需求和生产过程的可行性。此后计划再以数据通讯的方式逐级下达给下位机严格遵照执行。 3建立柔性制造系统FMS(Flexible Manufacture System) 柔性制造系统的根本要求就是要在大生产的过程中完全按照每个订货合同的具体的、多种多样的要求，来组织每个物料的加工生产，并使每件产品都能满足相应用户的最终使用的需求。FMS是在CAD/CAM支持下建立的。 3.1产品设计的柔性产品设计的柔性是由CAD提供的。在CAD过程中基本的工作就是将用户对商品的需求转换成对材料加工过程中的工艺参数的要求。在宝钢热轧计算机系统中，并不仅是标准与规程的对应，而是多层次关系对应转换。亦即将宝钢的规程体系分解成多层次的关系索引体系。如在质量设计中利用了14种关系，大大扩充了转换的可选择性。在进行这种转换时，不一定非要使用商品标准作为转换的依据，用户可以用订货产品的最终用途作为对宝钢订货的要求。转换过程是以人-机对话的交互方式进行的。 3.2计划定和调整的柔性计划在执行前要再进行优化处理，以使之更加适应当时的实际生产情况；在计划的执行中还要对计划作相应的调整，以妥善处理执行中遇到的异常情况。所有这些优化、调整都是为了使生产活动更具柔性，也就更好地满足了用户的订货要求。 3.1莱性制造有能力 CAM提供了柔性制造的能力。(1)在生产控制机和过程控制机中，对物料加工的参数不是取自统一的表格，而是给每个特料设置了独立的一套控制工艺参数。它反映了柔性设计的要求。(2)本系统过程控制的能力保证了相邻带钢控制参数发主变化时也能保持相当强的控制能力。当轧制厚度变更时有90%的带钢厚度仍保持在土0.05mm范围之内。 4材料需求规划MRPⅡ(Material Requiremnt Planning I)的建立由CAD、CAM和CAPP,再加上计算机辅助生产管理就构成了基本的CIMS主要环节。若能实现FMS则达到了更高一层次的CIMS,亦可称为实现了工厂自动化FA(Factory Automation)[2。但FA也仅是本工厂内部的集成，而前工序的原材料供应，也是热轧厂能有效地进行生产的先决条件之一。为些本系统的管理计算机系统中设置了对前工序供料进行材料需求综合规划的功能。亦即对连铸、初轧板坯申请计划的编制功能。按此规划执行，就保证了按时、按质、按量地供应热轧厂板坯原料，作到“Just in time”的要求。通过这一规则，使CAD的结果作用到了热轧厂的前工序。这就保证了热轧

王洪水 : C A D C/ A M 在冶金生产中的应用度的变化量、允许宽度的变化量、允许的温度变化量等等则是作业计划编制时的约束条件。计算机辅助管理人员不但要编制作业计划 , 而且在确定一个计划编成之前计算机要按全部的约束条件对该计划的正确性进行最后的检查。轧制计划的约束条件有 15 项之多。计划首先在管理计算机一级制定 , 然后在物料管理级一生产控制计算机上作进一步的优化。优化的作用主要也是协调订货需求和生产过程的可行性。此后计划再以数据通讯的方式逐级下达给下位机严格遵照执行。 3 建立柔性制造系统 F M S ( F l e x i b l e M a n u f a c t u r e s y s t e m ) 柔性制造系统的根本要求就是要在大生产的过程中完全按照每个订货合同的具体的、多种多样的要求 , 来组织每个物料的加工生产 , 并使每件产品都能满足相应用户的最终使用的需求。 F M S 是在 C A D / C A M 支持下建立的。 3 . 1 产品设计的柔性产品设计的柔性是由 C A D 提供的。在 C A D 过程中基本的工作就是将用户对商品的需求转换成对材料加工过程中的工艺参数的要求。在宝钢热轧计算机系统中 , 并不仅是标准与规程的对应 , 而是多层次关系对应转换。亦即将宝钢的规程体系分解成多层次的关系索引体系。如在质量设计中利用了 14 种关系 , 大大扩充了转换的可选择性。在进行这种转换时 , 不一定非要使用商品标准作为转换的依据 , 用户可以用订货产品的最终用途作为对宝钢订货的要求。转换过程是以人一机对话的交互方式进行的。 3 . 2 计划定和调整的柔性计划在执行前要再进行优化处理 , 以使之更加适应当时的实际生产情况 ; 在计划的执行中还要对计划作相应的调整 , 以妥善处理执行中遇到的异常情况。所有这些优化、调整都是为了使生产活动更具柔性 , 也就更好地满足了用户的订货要求。 3 . 1 柔性制造有能力 C A M 提供了柔性制造的能力。 ( 1) 在生产控制机和过程控制机中 , 对物料加工的参数不是取自统一的表格 , 而是给每个特料设置了独立的一套控制工艺参数。它反映了柔性设计的要求。 ( 2) 本系统过程控制的能力保证了相邻带钢控制参数发主变化时也能保持相当强的控制能力。当轧制厚度变更时有 90 % 的带钢厚度仍保持在士 0 . 05 m m 范围之内。 4 材料需求规划 M R P “ ( M a t e r i a l R e q u i r e m n t p l a n n i n g l ) 的建立由 C A D 、 C A M 和 C A P P , 再加上计算机辅助生产管理就构成了基本的 CI M S 主要环节。若能实现 F M S 则达到了更高一层次的 CI M S , 亦可称为实现了工厂自动化 F A ( F ac t or y A ut o m at io n) 2j[ 。但 F A 也仅是本工厂内部的集成 , 而前工序的原材料供应 , 也是热轧厂能有效地进行生产的先决条件之一。为些本系统的管理计算机系统中设置了对前工序供料进行材料需求综合规划的功能。亦即对连铸、初轧板坯申请计划的编制功能。按此规划执行 , 就保证了按时、按质、按量地供应热轧厂板坯原料 , 作到 “ Jus t in it m e ” 的要求。通过这一规则 , 使 C A D 的结果作用到了热轧厂的前工序。这就保证了热轧