8机械制造技术的发展

1、第18章 先进制造技术本章要点柔性自动化加工技术先进制造模式现代集成制造技术快速原型制造技术1机械制造技术基础 18.1 柔性自动化加工技术2制造自动化技术的主要形式 三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期 除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点 通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难 以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的 不仅针

2、对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备 自动机床、组合机床，机械手，自动生产线 NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMS CAD/CAM系统，MRP，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术 继电器程序控制技术，经典控制论 数控技术，计算机控制，GT，现代控制论 系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术3制造自动化技术的主要形式 汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代4制造自动化技术的主要形式 柔性自动化50年代焊接机器人综合自动化180年代图18-3 综合自动化5柔性制造系统 本节仅讨论中小批量生产中

3、广泛使用的柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS） 柔性制造系统的组成 FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信 息 传 输 网 络工夹具站6 加工单元CNC（MC）机床工作台架（暂存工件）机器人或托盘交换装置检测、监控装置设备运行状态监控与检测传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出设备运行状态监控与检测框图柔性制造系统 7钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号

4、进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。 加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。图为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。钻头破损检测器声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号柔性制造系统 8 物料传输系统又称立体仓库或自动化仓库系统（Automated Storage and Retrieva1 System一ASRS），由高层料架 、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小

5、等优点。 自动仓库 自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架柔性制造系统 9 传输装置 滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人柔性制造系统 10 切屑处理系统断屑 加工部位封闭排屑 机床、工夹具设计要便于排屑 冷却液冲，或压缩空气吹切屑输送（通常采用地下输送管道）切屑再处理（打包）柔性制造系统 11 工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划； 对中央计算机和物流计算机进行控制。 单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行

6、监 视与控制。 中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加工 单元进行监视与控制。 信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。 计算机控制系统柔性制造系统 12 JCS-FMS-1控制级结构中央管理计算机FM-11AD2+物流控制计算机局域网络LAN文件库自动编程机单元控制机CNC车床CNC磨床单元控制机立式MC卧式MC单元控制机CNC车床管理级单元级设备级JCS-FMS-1控制级结构柔性制造系统 13 FMS特点除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换24小时运行以GT为基础 生产零件的品种由4至100种不等（2030种居多）生产零件的批量

7、由40至2000件不等（50200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别例外）具有较大柔性 可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）高度自动化 控制与管理相结合可自动实现系统内的计划、调度柔性制造系统 14 FMS应用品种零件品种、批量与自动化加工方式010 100 1000 批量10,000 1000 100 10FMLFMCFMS数控机床通用机床刚性线生产柔性产量柔性制造系统 15机械制造技术基础 第18章 先进制造技术Advanced Manufacturing Technology18.2 现代集成制造系统16计算机集成制造（CIM） CIM提出

8、 CIM一词首先由Dr.J.Harrington于1973年提出，其两个基本观点： CIM概念提出后，未被立即接受，因条件不成熟。直至20世纪80年代初，各项单元技术（CAD、CNC、CAPP、MIS、FMC、FMS ）得到充分发展，并形成一个个自动化 “孤岛”。在这种形势下，为取得更大的经济效果，需要将这些“孤岛”集成起来，CIM概念受到重视并被实施。2）整个生产过程可以视为一个数据采集、传递和加工处理的过程，最终产品可视为数据的物化表现。1）企业生产活动的各个环节，从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务是一个统一的不可分割的整体。17计算机集成制造（CIM） 20世纪80年代中

9、、后期，CIM逐渐开始实施，并显示出明显的效益提高企业的生产率和市场竞争能力。以往，竞争力主要取决于生产率，现今更重要的是对市场的响应能力。 信息时代的到来,使世界正在“变小”。世界大市场的发展，使竞争更加激烈，这一方面极大地促进了社会的发展，另一方面也给企业造成了严酷的“生存环境”。企业为求得生存和发展，必须在 TQCSE 五要素上下工夫。T（Time）时间，加速新产品研制周期，缩短交货期Q（Quality）质量C（Cost） 成本S（Service）服务E（Environment）环保为实现这一目标，CIM是一种强有力的形式。18计算机集成制造（CIM） CIM 定义CIM是将人及其经营知

10、识和能力与信息技术和制造技术综合应用，以提高制造型企业的生产率和响应能力。企业所有人员、功能、信息、组织管理等方面都是集成起来的整体的各个部分。 欧共体CIM-OSA（开放体系结构）课题委员会： CIM是一种哲理、思想、方法； CIMS是CIM哲理的具体体现； CIMS是一个计算机控制的闭环反馈系统，其输入是产品的需求和概念，输出的是合格的产品。 CIM 与CIMS19计算机集成制造（CIM） 讨论 整体优化是CIM的目标（相对于自动化孤岛）。 CIM 的核心是集成，而集成的本质是信息集成。 3M（人、机器、管理）集成，其中人是核心。普渡大学T.J.Willian教授提出CIMS参考模型的两个

11、概念： Automability（可自动化性） 指生产活动中可用数学形式或计算机程序描述的部分，生产活动中的这一部分内容可用计算机来进行处理。 Innovation（创新） 生产活动中无法用数学形式或计算机程序描述的部分，这一部分内容仍需人来完成。 他认为工业革命使人变成了机器的奴隶，新技术革命则要 “恢复人格”（Humanlization）。Real20计算机集成制造（CIM） SME的“制造企业轮图” 也强调以人为本。 CASA/SME的“制造企业轮图”（第三版1993）资源人材料设备信息技术供应商责任规章道德环境社团雇员投资者顾客人小组组织共享知识系统制造用户服务材料管理装配检验作业计划

12、资源计划用户知识产品/工艺生命周期变化全球组织分销促销产品定义系统设计零部件设计不断改进文档发布零部件制造资源21Network DB市场信息生产过程信息技术信息原材料，能源产品MIS，BM，PMMM，LM，FMEISCADCAECAPPNCPCATDQISCAICATCAQCCMMMASCNC, MC, FMC, FMS, ROBOT, AA CIMS功能模型CIMS的体系结构指以信息的观点建立的企业模型框架（或功能模型）。CIMS 功能模型通常由 5 个分系统组成。计算机集成制造（CIM） 22计算机集成制造（CIM） 注重研究 注重应用 大型企业 中小型企业“技术推动” “需求牵动” 强

13、调技术支撑 强调人、技术、经营集成 CIM应用模式越来越多 CIM实施过程中不断吸收新技术、新思想、新概念CIMS发展趋势 23机械制造技术基础 第18章 先进制造技术18.3 快速原型制造技术Rapid Prototyping Manufacturing, RPM24RPM技术原理 快速原型制造技术的原理25RPM技术的典型工艺方法RPM技术的具体工艺有30余种，根据采用材料及对材料处理方式的区别，可归纳为以下4类方法。1选择性液体固化2选择性层片粘接 3选择性粉末熔结粘接 4挤压成形 26选择性液体固化立体光刻工艺原理图 27分层实体制造工艺原理图 选择性层片粘接28选择性激光烧结原理图

14、选择性粉末熔结粘接29熔融挤压成形方法 挤压成形30RPM的应用 RPM在国民经济各领域得到了极为广阔的应用，并且还在向新的领域发展，除在制造业得到应用外，在医学、康复、考古工程、建筑工程等领域均有应用。31机械制造技术基础 18.4 先进制造技术Advanced Manufacturing Technology32AMT 产生背景 AMT首先由美国于20世纪80年代末提出 长期以来，美国政府只对基础研究、卫生健康、国防技术等给予经费支持，而对产业技术不予支持，主张产业技术通过市场竞争，由企业自主发展 20世纪180年代，一批美国学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”，认为制造业是“夕阳工业”

15、，主张经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业 结果：导致美国在经济上竞争力下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。（20世纪60年代美国汽车产量占世界汽车总产量的2/3，而到了80年代下降到不足1/3）33AMT 产生背景 20世纪80年代,美国政府开始认识到问题的严重性 白宫一份报告称“美国经济衰退已威胁到国家安全” MIT 的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争”，“一个国家要生活好，必须生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识 1988年,美国政府投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究,并于其后不久提出了“先进制造技术”发展目标，制定并实

16、施了“先进制造技术计划（ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）” 1991年，白宫科学技术政策办公室发表“美国国家关键技术”报告，重新确立了制造业的地位34 汽车 2mm 工程，使轿车车身精度达到丰田水平1994 年，美国汽车产量重新超过日本，重新占领欧、美市场美国Inter公司成为世界最大的芯片制造商（在此之前芯片生产也不敌日本，包括海湾战争中大出风头的“爱国者”导弹上使用的芯片也是日本制造的）20世纪90年代，经济持续增长，失业率降低到历史最低水平提出了一系列先进制造技术的新理论、新思想，如：CE，LP，AM，AMT 产生背景 ATP & MTC 效果显著35AMT 内涵与体系结构 至今

17、尚无明确的和一致公认的定义，可以认为： AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。 要点：AMT 定义 目标提高制造企业对市场的适应能力和竞争力 强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合 信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用36AMT 内涵与体系结构 美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）于1994年提出AMT的分类目录，指出 “AMT 是制造技术和现代高技术结合而产生的一个完整的

18、技术群”。其结构体系见图。主体技术群面向制造的设计技术群（产品和工艺设计技术群）制造工艺技术群（加工和装配技术群）支撑技术群AMT结构体系制造技术基础设施37 产品、工艺过程和工厂设计，包括： 计算机辅助设计（CAD） 适于加工和装配的设计（DFM，DFA） 工艺过程建模和仿真 计算机辅助工艺过程设计（CAPP） 工作环境设计 符合环保的设计 快速原型制造技术（快速原形法） 并行工程 其它 主体技术群之一：面向制造的设计技术群AMT 内涵与体系结构 38 AMT 内涵与体系结构 主体技术群之二：制造工艺技术群 材料生产工艺 加工工艺，包括： 切削加工 材料热处理 表面涂层与改性 复合材料工艺

19、铸、锻、压力加工、模塑成形 电子工艺（光刻/沉积、离子注入等微细加工） 连接与装配 测试与检验 环保技术 维修技术 其它39 AMT 内涵与体系结构 信息技术 接口和通信 数据库技术 软件工程 决策支持系统 集成框架 人工智能、专家系统、神经网络 标准和框架 数据标准 产品定义标准 接口框架 工艺标准、检验标准 机床和工具技术 传感与控制技术 其它 支撑技术群 指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性核心技术，包括：40 制造技基础设施（ Infrastruction ） 使先进制造技术适用于具体企业应用环境，充分发挥其功能，取得最佳效益的一系列措施，是先进制造技术生长的机制和土壤。其内容主

20、要包括： 质量管理 用户/供应商交换作用 工作人员培训和教育 技术获取和利用 全局监督与基准评测 其它AMT 内涵与体系结构 41AMST提出的AMT轮图 AMT 内涵与体系结构 TQCSE基础制造技术CADCAMNC技术ROBOTFMC清洁生产技术质量与可靠性CE系统管理技术MRPCIMSIMSAM集成技术新型产业及市场需求带动（重大装备、高新技术产业、社会协调发展）系统工程及管理科学信息技术AMST提出的先进制造技术体系图 新材料技术新能源技术第二个层次是新型的制造单元技术。如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、CADCAM、清洁生产技术、新材料成形加工技术

21、、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。包括精密下料、精密塑性成形、精密铸造、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、精密热处理、优质高效连接技术、功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术、各种现代管理技术。第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造技术等。42AMT 特征与发展趋势 AMT 是一项综合性技术 AMT不是一项具体的技术，而是利用系统工程思想和方法将各种相关技术集合成一个整体，它特别强调计算机技术、信息技术和现代管理

22、技术在整个制造过程中的综合应用，特别强调人的主体作用，强调人、技术、管理的有机结合。 AMT 是一项动态技术 AMT 没有一个固定的模式，它要与企业的具体情况相结合。同时AMT 也不是一成不变的，而是动态发展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，并将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程，使其不断趋于完善。 AMT 特征43AMT 特征与发展趋势 AMT 是面向全球竞争的技术 通过提高企业综合效益和对市场的快速反应能力，达到提高竞争力的目标。 AMT 是面向21世纪的技术 AMT是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造技术中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技术，使其产生了质的飞跃。 AMT

23、强调环保技术，符合可持续发展的战略。 AMT 是面向工业应用的技术 AMT 有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在实际效果。44AMT 特征与发展趋势 AMT 发展趋势 信息技术对AMT发展起着越来越重要的作用 信息技术是各种先进制造技术的重要支撑，信息技术向制造技术的注入与融合，必将促进AMT的不断发展。 现代设计技术将迅速发展和不断完善 包括CAD，CAE，DFX，健壮设计，优化设计，智能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。 材料成形向精密、低耗、清洁方向发展 材料成形技术将使毛坯从接近零件形状向直接制成工件精密成形或称净成形的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，本世纪

24、初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。运用改性技术，将获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时减少能耗并消除污染。 45AMT 特征与发展趋势 加工技术向超精密、超高速方向发展 绿色制造将成为21世纪制造业重要特征 包括：绿色产品设计技术（产品在全生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求）；绿色制造技术（在整个制造过程，对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高）；产品的回收和循环再制造（例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术等）。 虚拟制造将获得广泛应用 首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prot

25、otype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低成本，提高系统快速响应市场变化的能力。 46并行工程（CE） 并行工程（ Concurrent Engineering CE）定义1988年，美国国防部防卫分析研究所（IDA）发表R338 报告： 并行工程（CE）是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中所有的因素，包括质量、成本、进度与用户需求。注：支持过程 包括对制造过程的支持

26、（原材料的获取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定）和使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品报废后的处理）47并行工程（CE） CE 与 CIM 的目标都是为了赢得市场竞争，着眼点均为“TQCSE”。随着市场竞争的日趋激烈，“TQCSE”五要素中“T”变的越来越重要，减小新产品开发周期成为“TQCSE”的“瓶颈”。 CIM 着眼于信息集成与信息共享，通过网络与数据库将自动化孤岛集成起来。但生产过程的组织结构与管理仍是传统的，独立、顺序进行。生产管理者在信息集成的基础上，对整个生产进程有清楚的了解，从而可以进行有效的控制，并最终在 TQCSE 上取得成功。CE与CIM具有相同

27、的背景48并行工程（CE） 图1-33 顺序方法开发产品的弊端产品设计工艺规划加工装配市场需求无法加工装配困难 当新产品开发成为赢得竞争的主要手段后，单纯集成已不够。按顺序方法开发产品常需要多次反复，不仅延误了时间，而且在资金上也造成巨大浪费。49并行工程（CE） 图1-34 串行与并行方法需求分析产品设计过程设计原型产品a） 串行方法需求分析产品设计过程设计原型产品b） 并行方法顺序方法与并行方法（图1-34）50并行工程（CE） CE依赖于产品开发中各学科、各职能部门人员相互合作，相互信任和共享信息，通过彼此间有效地通讯和交流，尽早考虑产品全生命周期中的各种因素，尽早发现和解决问题，以达到

28、各项工作协调一致。 CE方法有别于传统的强调“分工”的管理方式，是一种在更深层次上的集成（人、技术、管理的集成；产品设计及其相关过程设计的集成）。 CE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配、检测、质量控制、销售、售后服务）设计的集成。CE 基本方法与效益 CE 效益缩短新产品开发周期4060%；提高设计质量（早期生产中工程变更次数减小一半以上，产品报废及反复工作减小75%）；制造成本下降3040%51并行工程（CE） 据统计，新产品提案中只有约6.5能够制造出产品，其中能够商品化的比例不到15，商品化产品进入市场后又有将近半数未能获得成功。 原因：在产品设计时对影响产品的多种因素考虑不周全

29、，或不充分和不深入，面向“X”设计应运而生。 产品设计在产品寿命循环中占有重要的地位，它决定了产品制造成本的7080。 面向X的设计 面向“X”的设计最初是以DFM（面向加工的设计）和DFA（面向装配的设计）的形式出现，进一步发展，便形成了DFX（面向“X”的设计）。 X可以指经营、销售、加工、装配、检验、使用、维护、质量、成本等。 52精良生产与敏捷制造（LP & AM） 精良生产（Lean Production LP ） MIT国际汽车项目组的 James Womack 等三名经理在“The Machine That Changed the World”一书中，对日本丰田汽车公司生产方式的

30、描述。 MP（Mass Production）是旧时代工业化的象征代表了高效率、低成本、高质量。 LP是新时代工业化的标志只需一半人的努力，一半生产空间，一半投资，一半设计、工艺编制时间，一半开发新产品时间和少的多的库存。LP的精髓在于“Lean”“没有冗余”“精打细算”，没有一个多余的人，没有一样多余的东西，没有一点多余的时间；岗位设置必须是增值的，不增值岗位一律撤除；工人要求是多面手，可以互相顶替。53精良生产与敏捷制造（LP & AM） 丰田公司精良生产要点 组织管理 权力下放，以Team Work形式分段负责，把大量工作责任转移到生产线工人身上，建立一个能够迅速追查出全部缺陷并找出其最

31、终原因的检测系统。 产品设计 强调负责人的权力与责任，由项目负责人组织多个Team Work 并行工作。 市场用户 “需求驱动”与“主动销售”；贯彻全面质量管理（TQC），使顾客完全满意（TCS）。 与协作厂关系 “利益共享，风险共担”。54精良生产与敏捷制造（LP & AM） 准时制生产（Just In TimeJIT） 准时制的核心 及时和准确。在制造过程中，要求按正确的时间、正确的地点，提供正确数量的合格物品，以期达到接近零库存、无缺陷和低成本的目标。 基本做法 1）每月公司根据市场情况和用户订货，按型号和规格拟定本月生产各种汽车的数量，经审查后下达生产任务。 2）工厂的装配车间将月生产汽车任务除以本月有效工作日，得出日平均产量，据此按日安排生产。 3）装配车间开始生产后，按后序向前序提取零部件的规定，把生产过程的各个部分有机地组织起来。 4）宁肯中断生产，也不积压储备。 55精良生产与敏捷制造（LP & AM） 敏捷制造（Agile Manufacturing AM ） 20世纪7080年代，美国由