先进制造技术与自动化

1、2022-2-161253233 张旭超1指导老师：邢志刚指导老师：邢志刚 2022-2-161253233 张旭超2 先进制造技术与自动化先进制造技术与自动化2022-2-161253233 张旭超3主要内容主要内容l 先进制造技术概述先进制造技术概述l 数控机床和数控加工中心数控机床和数控加工中心l 工业机器人工业机器人l 先进制造系统的综合自动化技术先进制造系统的综合自动化技术 2022-2-161253233 张旭超4一、先进制造技术概述一、先进制造技术概述 制造业的主要任务是制造人类社会所需的制造业的主要任务是制造人类社会所需的一切产品，工业化国家约一切产品，工业化国家约7080的物

2、质的物质财富来自制造业。财富来自制造业。 “先进制造技术先进制造技术” 是取得理想技术经济效是取得理想技术经济效果的制造技术的总称。从本质上看，可以说：果的制造技术的总称。从本质上看，可以说：传统制造技术传统制造技术+ 信息技术信息技术+自动化技术自动化技术+现代管现代管理技术理技术 = 先进制造技术。先进制造技术。2022-2-161253233 张旭超5先进制造的特点和内容先进制造的特点和内容 现代制造业的特点是：现代制造业的特点是： 个性化、小批量生产；个性化、小批量生产； 知识知识技术技术产品的周期越来越短；产品的周期越来越短； 产品价格与其知识含量密切相关；产品价格与其知识含量密切相

3、关； 对产品功能、性能、质量、服务要求越来越高；对产品功能、性能、质量、服务要求越来越高； 全球竞争更加激烈。全球竞争更加激烈。 先进制造技术包括数控技术、激光技术、新型材料、先进制造技术包括数控技术、激光技术、新型材料、机器人、微型机械、纳米技术、机器人、微型机械、纳米技术、CADCAM、精益、精益生产、柔性制造系统、虚拟装配和网络化制造、计算生产、柔性制造系统、虚拟装配和网络化制造、计算机集成制造系统、智能制造系统、并行工程、敏捷制机集成制造系统、智能制造系统、并行工程、敏捷制造等内容。造等内容。 2022-2-161253233 张旭超6数控加工生产线数控加工生产线 2022-2-161

4、253233 张旭超7一种柔性制造系统一种柔性制造系统2022-2-161253233 张旭超8制造自动化的历史和发展制造自动化的历史和发展 第一阶段：第一阶段：刚性自动化，包括单机自动化和刚性刚性自动化，包括单机自动化和刚性自动化生产线。自动化生产线。第二阶段：第二阶段：数控加工，包括数控和计算机数控。数控加工，包括数控和计算机数控。第三阶段：第三阶段：柔性制造，特征是强调对市场需求的柔性制造，特征是强调对市场需求的适应性、柔性和高效率。适应性、柔性和高效率。第四阶段：第四阶段：计算机集成制造，特征是强调制造全计算机集成制造，特征是强调制造全过程的系统性和集成性。过程的系统性和集成性。第五阶

5、段：第五阶段：新的制造自动化模式，如智能制造、新的制造自动化模式，如智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造、绿敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造、绿色制造等。色制造等。2022-2-161253233 张旭超9 二、数控机床和数控加工中心二、数控机床和数控加工中心 是微电子、计算机、自动控制、精密测量等技是微电子、计算机、自动控制、精密测量等技术与传统机械技术相结合的产物。它根据机械加术与传统机械技术相结合的产物。它根据机械加工的工艺要求，使用计算机对整个加工过程进行工的工艺要求，使用计算机对整个加工过程进行信息处理与控制、较好地解决了复杂、精密、多信息处理与控制、较好地解决了复

6、杂、精密、多品种、小批量机械零件加工问题，属于灵活、通品种、小批量机械零件加工问题，属于灵活、通用、高效的自动化装置也是实现生产过程自动化、用、高效的自动化装置也是实现生产过程自动化、柔性化的核心设备。柔性化的核心设备。2022-2-161253233 张旭超10数控机床系统的基本构成及特点数控机床系统的基本构成及特点加工程序加工程序输入装置输入装置数控系统数控系统机床机床伺服系统伺服系统辅助控制装置辅助控制装置检测装置检测装置 与普通机床相比，数控机床不仅适应性强、加与普通机床相比，数控机床不仅适应性强、加工效率高、精度高、质量稳定，而且可实现多坐工效率高、精度高、质量稳定，而且可实现多坐标

7、联动和复杂形状零件的加工，是实现多品种、标联动和复杂形状零件的加工，是实现多品种、中小批量生产自动化的有效方式。中小批量生产自动化的有效方式。 2022-2-161253233 张旭超11计算机数控系统示意图计算机数控系统示意图2022-2-161253233 张旭超12数控车床数控车床 2022-2-161253233 张旭超13数控磨床数控磨床2022-2-161253233 张旭超14数控加工中心数控加工中心 是在普通数控机床的基础上发展起来的，主要是增加了是在普通数控机床的基础上发展起来的，主要是增加了刀具库、自动换刀装置和移动工作台等，因而可以在一台机刀具库、自动换刀装置和移动工作台

8、等，因而可以在一台机器上完成多台机床才能完成的工作，包括铣、削、钻、刨、器上完成多台机床才能完成的工作，包括铣、削、钻、刨、镗、攻罗纹等多种加工工序。镗、攻罗纹等多种加工工序。 2022-2-161253233 张旭超15数控加工中心数控加工中心 2022-2-161253233 张旭超16三、工业机器人三、工业机器人 由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和由操作机（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、自动控制、可检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业。重复编程、能在三维空间完成各种作业。 作业方式包括钻孔、切削、

9、装配、焊接、喷漆、打作业方式包括钻孔、切削、装配、焊接、喷漆、打磨、抛光、清洗、材料搬运、机具装卸等，几乎无所磨、抛光、清洗、材料搬运、机具装卸等，几乎无所不能，特别适合于多品种变批量的柔性生产。不能，特别适合于多品种变批量的柔性生产。 工业机器人发展很快，未来的工厂将是由计算机工业机器人发展很快，未来的工厂将是由计算机网络控制的包含多个机器人智能加工单元的分布式自网络控制的包含多个机器人智能加工单元的分布式自主制造系统，制造自动化的整体水平将显著提高。主制造系统，制造自动化的整体水平将显著提高。 2022-2-161253233 张旭超17生产汽车的机器人自动焊接生产线生产汽车的机器人自动焊

10、接生产线2022-2-161253233 张旭超18四、先进制造系统的综合自动化技术四、先进制造系统的综合自动化技术 制造系统包含物料流、信息流和能量流，制造系制造系统包含物料流、信息流和能量流，制造系统综合自动化的任务就是对它们实行有效的综合管统综合自动化的任务就是对它们实行有效的综合管理和控制，确保生产系统在最佳状态下运行，并获理和控制，确保生产系统在最佳状态下运行，并获得尽可能高的效益。得尽可能高的效益。 综合自动化技术的常见形式有柔性制造系统、集综合自动化技术的常见形式有柔性制造系统、集散控制系统、现场总线控制系统、计算机集成制造散控制系统、现场总线控制系统、计算机集成制造系统等，代表

11、了先进制造系统的发展方向。系统等，代表了先进制造系统的发展方向。2022-2-161253233 张旭超191. 集散控制系统（分布式控制系统）集散控制系统（分布式控制系统） 集散控制系统是以实现分散控制为主要目标的，集散控制系统是以实现分散控制为主要目标的，英文名称为英文名称为“Distributed Control System，简称，简称 DCS”，直译就是，直译就是 “分布式控制系统分布式控制系统”。翻译为。翻译为“集散控制系统集散控制系统”更能体现其特点，指更能体现其特点，指“管理功能管理功能集中集中”，“控制功能分散控制功能分散”。 第一套第一套DCS产品是美国产品是美国Honey

12、well公司公司l975年推年推出的，现在出的，现在DCS已成为工业过程自动化领域的主要已成为工业过程自动化领域的主要设备，广泛应用于石油、化工、电力、冶金和造纸设备，广泛应用于石油、化工、电力、冶金和造纸等工业领域。等工业领域。 2022-2-161253233 张旭超20DCS的三级体系结构的三级体系结构 PLC2022-2-161253233 张旭超212. 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）Fieldbus Control System 大量采用微处理器以及智能传感器的发展导致用大量采用微处理器以及智能传感器的发展导致用数字信号取代传统仪表的数字信号取代传统仪表的420 mA

13、（DC）模拟信）模拟信号，并通过现场总线连接控制系统与现场仪表，组号，并通过现场总线连接控制系统与现场仪表，组成现场总线控制系统。成现场总线控制系统。 现场总线不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，它现场总线不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，它是新一代全数字化、全分散、全开放的底层控制网是新一代全数字化、全分散、全开放的底层控制网络，是计算机技术、通信技术和测控技术的综合集络，是计算机技术、通信技术和测控技术的综合集成，它将自动控制系统和设备带进了信息网络之中，成，它将自动控制系统和设备带进了信息网络之中，为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了坚实为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了坚实的基础。

14、的基础。2022-2-161253233 张旭超22现场总线控制系统的构成例现场总线控制系统的构成例2022-2-161253233 张旭超23现现场场总总线线控控制制系系统统的的构构成成例例 2022-2-161253233 张旭超24现场总线控制系统的主要优点现场总线控制系统的主要优点l 把数字化通信延伸到生产现场，可方便地获取变把数字化通信延伸到生产现场，可方便地获取变送器、执行器、监控装置等现场设备的运行状态送器、执行器、监控装置等现场设备的运行状态和故障信息；和故障信息；l 结构更简单，一条通信线缆上可挂接多个现场设结构更简单，一条通信线缆上可挂接多个现场设备，大量节省连接电缆和备，

15、大量节省连接电缆和A/D、D/A等等I/O组件；组件；l 具有良好的互操作性、互用性和开放性；具有良好的互操作性、互用性和开放性；l 功能模块较功能模块较DCS更为分散化，可靠性更高；更为分散化，可靠性更高；l 便于实现现场设备的智能化，数字化的现场仪表便于实现现场设备的智能化，数字化的现场仪表可以对各种数据和参数进行滤波、变换、补偿、可以对各种数据和参数进行滤波、变换、补偿、运算等智能化处理，并可实现自学习、自诊断、运算等智能化处理，并可实现自学习、自诊断、自调整等多种功能。自调整等多种功能。2022-2-161253233 张旭超253. 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）

16、 Computer Integrated Manufacturing System CIMS是计算机化、信息化、智能化、集成优化是计算机化、信息化、智能化、集成优化的现代制造系统，集成内容包括功能集成、组织集的现代制造系统，集成内容包括功能集成、组织集成、信息集成、过程集成等。成、信息集成、过程集成等。 CIMS具有生产率高、生产周期短、可实现多品具有生产率高、生产周期短、可实现多品种小批量生产等一系列优点。种小批量生产等一系列优点。 CIMS一般包含四个功能子系统（管理信息系统、一般包含四个功能子系统（管理信息系统、产品设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证产品设计自动化系统、制造自动化系

17、统、质量保证系统）和两个支撑子系统（计算机网络系统和数据系统）和两个支撑子系统（计算机网络系统和数据库系统）。库系统）。2022-2-161253233 张旭超26 CIMS的构成的构成计算机通信网络计算机通信网络和数据库子系统和数据库子系统信息管理子系统信息管理子系统质量保证子系统质量保证子系统制造自动化制造自动化子系统子系统设计自动化设计自动化子系统子系统市场信息市场信息原材料原材料销售服务信息销售服务信息技术信息技术信息产产 品品2022-2-161253233 张旭超27CIMS四个功能子系统的作用和组成四个功能子系统的作用和组成l 信息管理子系统的功能包括市场分析和预测、经营决策、信

18、息管理子系统的功能包括市场分析和预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备和人力资源管理；设备和人力资源管理；l 产品设计自动化子系统通过计算机来辅助产品设计、制造产品设计自动化子系统通过计算机来辅助产品设计、制造准备以及产品测试；准备以及产品测试；l 制造自动化子系统由数控机床、加工中心、清洗机、测量制造自动化子系统由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库和多级分布式控制计算机等设备机、运输小车、立体仓库和多级分布式控制计算机等设备及相应的支持软件组成，完成对零件的加工作业、调度以及相应的支持软

19、件组成，完成对零件的加工作业、调度以及制造任务；及制造任务；l 质量保证子系统的功能包括质量决策、质量检测、产品数质量保证子系统的功能包括质量决策、质量检测、产品数据采集、质量评介、生产加工过程中的质量控制与跟踪，据采集、质量评介、生产加工过程中的质量控制与跟踪，保证从产品设计、产品制造、产品检测到售后服务全过程保证从产品设计、产品制造、产品检测到售后服务全过程的质量。的质量。2022-2-161253233 张旭超28CIMS两个辅助子系统的作用和组成两个辅助子系统的作用和组成l 计算机网络子系统也就是企业内部局域网，是支计算机网络子系统也就是企业内部局域网，是支持持CIMS各子系统的开放型

20、网络通信系统，采用各子系统的开放型网络通信系统，采用标准协议可以实现异机互联、异构局域网和多种标准协议可以实现异机互联、异构局域网和多种网络的互联，可以满足不同子系统对网络服务提网络的互联，可以满足不同子系统对网络服务提出的需求，支持资源共享、分布处理、分布数据出的需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库和实时控制；库和实时控制；l 数据库子系统则支持数据库子系统则支持CIMS各子系统的数据共享各子系统的数据共享和信息集成，它覆盖了企业的全部数据信息；数和信息集成，它覆盖了企业的全部数据信息；数据库系统在逻辑上，数据和信息是统一的；而在据库系统在逻辑上，数据和信息是统一的；而在物理上，是分布式

21、的数据管理系统。物理上，是分布式的数据管理系统。 2022-2-161253233 张旭超29我国用于飞机制造的我国用于飞机制造的CIMS2022-2-161253233 张旭超30自动化立体仓库自动化立体仓库2022-2-161253233 张旭超31五、先进制造技术的发展趋势五、先进制造技术的发展趋势 总的发展趋势是精密化、敏捷化、网络化、虚总的发展趋势是精密化、敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化、集成化、全球化。拟化、智能化、绿色化、集成化、全球化。 制造精密化制造精密化 上世纪初精密加工的误差是上世纪初精密加工的误差是10m，至今达至今达0.001m，而且不断向超精微细领域扩展。，

22、而且不断向超精微细领域扩展。 制造敏捷化制造敏捷化 主要内容有：主要内容有： 柔性包括机器柔性、工艺柔性、运行柔性、柔性包括机器柔性、工艺柔性、运行柔性、扩展柔性等；扩展柔性等； 重构能力能实现快速重组重构，增强对新产重构能力能实现快速重组重构，增强对新产品开发的快速响应能力；品开发的快速响应能力； 快速化的集成制造工艺。快速化的集成制造工艺。2022-2-161253233 张旭超32 制造网络化制造网络化 主要包括：主要包括： 制造环境内部的网络化，实现制造过程的综制造环境内部的网络化，实现制造过程的综合集成；合集成； 制造环境与整个制造企业的网络化，实现制制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统等造环境与企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成；各子系统的集成； 企业与企业间的网络化，实现企业间的资源企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用；共享、组合与优化利用； 通过网络，实现异地制造。通过网络，实现异地制造。 制造虚拟化制造虚拟化 主要指虚拟制造，是以系统建模主要指虚拟制造，是以系统建模和仿真技术为基础，由多学科知识形成的一种综和仿真技术为基础，由