第五章非传统加工及先进制造技术

第5章特种加工

与先进制造技术利用化学、物理(电、声、光、热、磁)或电化学方法对工件材料进行加工5-1特种加工特种加工国外：非传统加工(NTM,Non-TraditionalMachining)或非常规机械加工(NCM,Non-ConventionalMachining)主要优点：以柔克刚，不受材料性能限制实现复杂形面与结构的加工质量稳定无切削力，可实现高精度及微细加工复合工艺更能发挥潜能特种加工的种类：一、电子束加工1.电子束加工原理（1）热加工高功率密度电子束热能熔炼、焊接、打孔等（2）化学加工功率密度相当低的电子束改变高分子材料的分子量和化学性质电子束光刻1电子束离子束加工电子枪、真空系统、控制系统、电源等2.电子束加工装置二、离子束加工在真空条件下，利用惰性气体离子在电场中加速额形成的高速离子流来实现微细加工的工艺方法。离子束溅射去除加工离子束溅射镀膜加工离子束溅射注入加工离子束光刻：力学作用加工原理3.离子束与电子束加工的比较一、电火花加工原理电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温熔蚀工件的表面材料来实现加工的.2电火花加工

电火花加工的原理图

1-工件2-脉冲电源3-自动进给装置4-工具电极5-工作液6-过滤器7-泵进给系统电极工件工作液工作台伺服控制系统脉冲电源二、电火花加工机床的组成电火花成型机电火花打孔机丝架、丝筒电极丝、工件工作台电火花线切割机床三、电火花加工的特点及应用一、电解加工原理利用金属在电解液中发生阳极溶解的电化学反应原理，将金属材料加工成型。

电解液采用氯化钠水溶液则由于离解反应：

NaCL→Na++CL－

H2O→H+

+

OH－

阳极上发生下列反应：

Fe-2e→Fe++

Fe++

+

2(OH)－→Fe(OH)2↓

Fe++

+

2CL－→FeCL2

4Fe(OH)2

+

2H2O

+

O2→4Fe(OH)3↓阴极上的反应为：

2H+

+

2e

→

H2↑

Na+

+

e

→

Na↓3电解加工二、电解加工设备的组成三、电解加工的特点及应用主要由机床本体、电源和电解液系统等部分组成。

效率比电火花成型加工高5～10倍；阴极的工具理论上没有损耗无机械切削力和切削热的影响，因此适宜于易变形或薄壁零件的加工。缺点：设备投资较大，耗电量大；电解液有腐蚀性，需对设备采取防护措施，对电解产物也需要善处理，以免污染环境。一、激光加工原理4激光加工通过光学系统使激光聚焦成一个极小的光斑，从而获得极高的能量密度和极高的温度。在此高温下，任何坚硬的材料都将瞬时急剧被熔化和气化，在工件表面形成凹坑，同时熔化物被气化所产生的金属蒸气压力推动。以很高的速度喷射出来。为了帮助蚀除物的排除，还需对加工区吹氧（加工金属用），或吹保护性气体，如二氧化碳、氮等（加工可燃物质时使用）。

激光雕刻切割机二、激光加工机的组成通常由激光器、电源、光学系统和机械系统等部分组成三、激光加工的特点及应用加工原理利用工具端面作超声频（16-25kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨实现加工，称为超声加工。图9-3超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡。通过磁致伸缩换能器或压电效应换能将超声频电振荡转变为超声机械振动，起振幅很小，一般只有0.005-0.01mm，再通过一个上粗下细的振幅扩大棒，其振幅增大到0.01-0.15mm，固定在振幅扩大棒的工具即产生超声振动。

5超声波加工超声波塑料焊接机一、概述6快速成形技术首先在CAD系统上设计出三维的零件模型（面化模型），然后通过计算机将面化模型切成一系列横截面，数控的激光束按照每一层薄片的轮廓线和内部网格线进行扫描，使盛于容器内的液态光敏树脂逐层固化（光致聚合）。

连接5-7RP优点：

（1）能由产品的三维计算机模型直接制成实体零件，而不必设计、制造模具，因而制造周期大大缩短（由几个月或几周缩短为十几小时甚至几小时）。

（2）能制造任意复杂形状的三维实体零件而无需机械加工。

（3）能借助电铸、电弧喷涂技术进一步由塑胶件制成金属模具，或者能将快速获得的塑胶件当作易熔铸模（如同失蜡铸造）或木模，进一步浇铸金属铸件或制造砂型。

（4）能根据CAE（如有限元分析）的结果制成三维实体，作为试验模型，评判仿真分析的正确性。二、快速光造形系统1．激光快速成形制造法

激光快速成形制造法，是用激光束扫描各层材料，生成零件的各层切片形状，并联结各层切片形成所要求的零件。

2．成形焊接快速制造法

其基本思路是完全使用焊接材料来堆积形成复杂的三维零件。首先通过CAD软件包生成待加工零件的三维实体模型，并进行切片分层离散化，然后生成焊枪在每层切片上所走的空间轨迹和对应的焊枪开关状态，进行零件的成形焊接快速制造，加工出要求的零件。

3．喷涂式快速成形制造法

喷涂式快速成形制造法是用计算机控制喷嘴在XY片面内的运动轨迹，通过喷嘴中喷出的液体或微粒，来形成零件的各层切片形状，制造出三维零件。

三、其他类型的快速成形系统例：LaserRapidPrototypingandManufacturing激光快速原型制造快速成形制造系统基本设备及流程三维高速扫描系统RPM真空注型机机械制造技术基础5-6先进制造哲理与先进生产模式AdvancedManufacturingPhilosophyandProductionModel

大批量生产方式的产生

“技艺”型生产时代——工业革命开始至20世纪初，机器代替人力成为生产主要方式，但仍以作坊式的单件生产为主，由于机器精度不高，产品质量主要靠从业人员的技艺来保证大批量生产方式（MassProduction）——20世纪初，福特汽车公司在底特律建立了世界上第一条自动生产线，标志大批量生产时代的开始技艺不再重要——由于机器精度的提高，加上互换性原理的推行，加工和装配工作变得简单大批量生产方式特点——生产周期短，生产效率高，生产成本低，产品质量好1.3.1批量法则（BatchRule）

1.3.1批量法则（BatchRule）

批量法则当市场竞争以产品质量和生产成本为决定因素时，大批量生产方式显示了巨大的优越性。与中小批量生产相比，大批量生产可取得明显的经济效果，这就是所谓的“批量法则”（BatchRule）。

批量法则以成本分析为基础。产品在其全生命周期内的总生产成本可近似表达为：式中CA——产品全生命周期总生产成本；

CF——固定成本；

CV——生产单位产品可变成本；

Q——生产产品总数量；

k——大于1的指数。

（1-1）单件产品平均生产成本CS为：

（1-2）对式（1-2）求导，并令其导数为0，可得到最低单件成本对应的产量Q0：（1-3）

Q0称为最优生产规模。这一现象首先在汽车工业生产中被发现。图1-12表示了总生产成本和单件生产成本与生产规模之间的关系。1.3.1批量法则（BatchRule）

1.3.1批量法则（BatchRule）

生产量x生产成本x0图1-12生产成本与生产量的关系CACSCF专业化协作与扩散生产

根据批量法则，为了取得良好的经济效益，除合理地扩大产品的产量外，组织专业化协作生产是一种行之有效的方法。专业化协作生产形式基础零部件专业化生产毛坯专业化生产中小零件专业化生产工艺专业化协作生活服务社会化1.3.1批量法则（BatchRule）

1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

批量法则在大批量生产中，由于采用专用、高效和自动化的生产设备，可以获得高的生产率，低的生产成本，短的生产周期；而多品种、小批量生产则相反。机床利用率例：CA6140车床，最大加工直径φ400，实际加工90％以上工件直径不足100mm，机床利用率极低。制造周期在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约5％，其余95％均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间不足30%。多品种、中小批量生产中存在的问题1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

◆目前，单件小批量生产的产品占机械产品总数的70％以上，并有继续增大的趋势。解决多品种、中小批量生产的有效途径是采用GT。5％

95％调整、装夹、对刀、检测等切削30％

70％加工时间

运输与等待时间制造周期加工时间图1-13多品种、中小批量生产的时间分配GT的客观基础二次相似性结构（形状、尺寸、精度…）材料（材质、毛坯、热处理…）工艺（加工方法、加工设备…）一次相似性机械零件之间存在相似性这种相似性主要表现在三个方面：1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

机械产品中各类零件出现有明显的规律性（图1-14）正是由于70%左右的零件属于相似件，构成实施成组技术的客观基础。1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

标准件复杂件相似件20～25%70%5～10%零件复杂程度零件出现频数图1-14机械产品中不同复杂程度零件分布规律1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

图1-15结构相似零件组图1-16工艺相似零件组GT定义一般性定义：GT是一门生产技术科学，研究和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得最佳效果。机械制造领域中定义：将多种零件（部件或产品）按其相似性分类成组，并以这些零件组（部件组或产品组）为基础组织生产，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。

GT

被认为是一种“制造哲理”—（ManufacturingPhilosophy），是现代制造技术的一个重要理论基础。1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

图1-17成组技术基本原理产品部件零件零件组ABCA1A2A3B1B2C1C2C3C4将多种零件按其相似性分类成组，人为扩大生产批量重复使用原则：◆资源重复使用，降低生产成本；

◆作业熟练程度增加，提高生产率。GT工作原理1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

GT发展简况★

20世纪50年代，前苏联院士Митрофанов

在其著作“成组工艺科学原理”中首次提出“成组技术”。★

20世纪60年代西欧研究GT形成高潮，代表人物首推阿亨工业大学

Opitz教授，他所领导的小组进行了大量的调查研究工作，为成组技术提供了重要的理论依据。★

20世纪70年代，美国、日本接受成组技术，并迅速与计算机技术联系在一起，使其得到更好的应用。★

20世纪80、90年代，GT与各种新的制造方式相结合，成为现代制造技术的基础。★

GT发展过程：成组加工→成组工艺→成组技术→成组生产系统1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

我国GT发展简况★20世纪50末、60初学习苏联，首先在纺织机械行业试点实行，有清华大学、西安交大等高校参与。★20世纪60年代中期以后，由于文化大革命，国民经济陷入混乱状态，GT无从谈起。★20世纪70末、80初，文革以后，自上而下推行，机械部推出4个试点单位，并组织制定了两个编码系统（JCBM-1，JLBM-1），对GT发展起到了推动作用。★20世纪80年代中期后，计划经济向市场经济转轨，采用GT成为企业自发的行为。1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

零件分类编码系统基本概念——零件分类编码系统是用字符（数字、字母或符号）对零件有关特征进行描述和识别的一套特定的规则和依据。★

Opitz分类编码系统（图1-18，1-19，1-20）★

JLBM-1分类编码系统（图1-21）分类编码系统简介特点：1）结构简单，使用方便2）对零件形状（特别是回转类零件）描述较完善3）适用范围较广（设计、工艺、管理…）4）工艺信息反映不够充分5）对非回转类零件描述较粗糙图1-18Opitz分类编码系统0123456789RotationalNonrotationalDigit1PartclassL/D≤0.5MainshapeExternalshapeelementMainshapeRotationalmachiningAccuracy0.5<L/D<3L/D≥3WithdeviationL/D≤2WithdeviationL/D>2SpecialL/W≤3L/H≥4L/W>3L/W≤3L/H<4SpecialMainshapeMainshapeMainshapeOriginalofrawmaterialsmaterialDimensions6789InternalshapeelementMachiningofplanesurfacesOtherholesandteethMachiningofplanesurfacesOtherholesandteethMachiningofplanesurfacesOtherholesteeth&formingRotationalmachiningMainboreRotationalmachiningPlanesurfacemachiningAdditionalholesteeth&formingDigit2Digit3Digit4Digit5FormcodeSupplementarycodeDigit1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

Digit1Digit2Digit3Digit4Digit5NonrotationalPartclass0123456789RotationalL/D≤0.50.5<L/D<3L/D≥3Smooth,noshapeelements0123456789ThreadExternalshape,ExternalshapeelementsnoshapeelementsOrsmoothFunctionalgrooveSteppedtobothendnoshapeelementsThreadFunctionalgrooveFunctionalconeOperatingthreadAllothersSteppedoneendSteppedoneendSmooth,noshapeelements0123456789ThreadInternalshape,InternalshapeelementsnoshapeelementsOrsmoothFunctionalgrooveSteppedbothendnoshapeelementsThreadFunctionalgrooveFunctionalconeOperatingthreadAllothersPlanesurfacemachining0123456789Surfaceplaneand/orcurvedinonedirection,externalNosurfacemachiningExternalplanesurfacerelatedbygraduationaroundcircleExternalgrooveand/orslotExternalspline(polygon)Externalplanesurfaceand/orslot,externalsplineInternalplanesurfaceand/orslotInternalspline(polygon)Internal/externalpolygon,grooveand/orslotAllothersAuxiliaryholesandgearteethNoauxiliaryholeAxial,notonpitchcirclediameter0123567894Axial,onpitchcirclediameterNogearteethWithgearteethRadial,notonpitchcirclediameterAxial/radial,and/orotherdirectionAxial/radial,onPCDand/orotherdirectionAllothersSpurgearteethBevelgearteethOthergearteeth图1-19Opitz分类编码系统回转体零件形状码1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

图1-20Opitz分类编码系统辅助码（6～9位）Steel,Heattreatment0123456789012345678901234567890123456789Diameter(Length)MaterialAccuracyOriginalshapeofrawmaterial≤2020～5050～100100～160160～250250～400400～600600～10001000～2000＞2000NodularironAlloysteel(Heattreatment)NonferrousmetalLightalloyAllothersCastironPipeMachinedworkpieceCastingandforgingsL,U,Tetc.sectionsteelBar(heatrolling)Bar(coldrollingordrawing)△,□,etc.barSheetStickplateWeldmentUndefined23452+32+42+53+42+3+4+5Digit6Digit8Digit9Digit7AlloysteelSteelSteel1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

名称类别粗分类0123456789回转类零件非回转类零件轮盘类环套类销杆轴齿轮类异形件专用件杆条类板块类座架类箱体类名称类别细分类0123456789盘盖防护盖法兰盘带轮手轮离合器分度盘滚轮活塞其它回转类零件的形状及加工码外部形状加工基本形状功能要素内部形状加工基本形状功能要素平面曲面加工外平面内平面辅助孔成形刻线辅助码材料毛坯原始形状热处理主要尺寸精度直径或宽度长度非回转类零件形状及加工码图1-219JLBM-1分类编码系统1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

图1-22压盖零件编码（001021103050736)φ240700.80.8其余3.21.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

1）综合零件法——

★

综合零件包含了零件组内所有零件的结构要素，它可以是一个实际零件，但更多情况是一个假想零件。

★

按综合零件编制工艺规程，则该工艺规程包含了零件组内所有零件的工艺内容。★

综合零件法多用于回转体零件的成组工艺过程设计。成组工艺过程设计

2）综合路线法——

★将零件组内所有零件的工艺内容综合在一起，形成成组工艺。

★多用于非回转体零件的成组工艺过程设计。1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

综合零件图1-23综合零件实际零件【例】1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

特征矩阵综合零件成组工艺过程卡车间零件组代号页工序号工序名称及内容机床适用零件车右端面,打中心孔,车外圆(留磨量)车螺纹,倒角,切槽,切断1C6132

ABCDE2车左端面,打中心孔,倒角铣键槽（铣横槽,铣扁）3C6132X51W4调质5研中心孔C61326磨外圆M121∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨12345678901234567891）加工单元组织形式①成组单机②成组单元③成组流水线④成组柔性制造系统图1-24成组单元布置形式加工单元设计a）机群式布局

G

G

GDDMM进出料口

L

L

L

L

L

LAAMMb）成组单元布局LLLMMDDGGA出料口进料口1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

图1-25FMS自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机信息传输网络加工单元1加工单元2加工单元n运输小车工夹具站2）确定机床数量式中[Qj]——计算的机床台数

Ni

——第i种零件年需求量

tij

——第i种零件在第j种机床上的单件工时

F

——机床年台时基数（4-4）（4-4a）F

=

250×M×8×K式中M——班次

K

——开机系数，常取0.9～0.95◆计算机床台数：1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

◆一般要求：η≥0.85关键、稀少设备允许η=1.1～1.2简单设备η值可适当减小◆负荷调整与平衡：①负荷过低，可几个单元共用一台机床②也可扩大单元内零件组数或组内零件数◆机床负荷率：（4-6）◆实际机床台数：Qj≥[Qj]（4-5）1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

成组技术在设计中的应用利用零件编码，检索相似零件，减小重复设计工作量（据统计，一项新产品中有70%以上的零件设计可以借鉴或直接引用原有的设计）。同样利用产品和部件的继承性，对产品及部件进行编码，通过检索、调出和利用已有相类似设计，可显著减少新设计的工作量（参数化设计技术的发展使这一效果更加显著）。◎

零件标准化内容零件名称标准化零件结构标准化零件标准化提高设计标准化程度设计标准化是工艺标准化的前提。1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

◎

零件结构标准化等级与标准化要素之间的关系：标准化等级简单标准化基本标准化主要标准化完全标准化标准化要素功能要素基本形状功能要素配置主要尺寸◎设计标准化与工艺标准化的关系：基本形状标准化主要工艺过程（工艺路线）标准化功能要素标准化工序、工步标准化功能要素配置标准化次要工序及工艺顺序标准化主要尺寸标准化工艺装备标准化设计标准化工艺标准化1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

◆成组生产单元是一种先进的生产组织形式，在成组生产单元内，零件加工过程被封闭起来，责、权、利集中在一起，生产人员不仅负责加工，而且共同参与生产管理与生产决策活动，使其积极性能够得到充分发挥。

◆按成组工艺进行加工，可使零件加工流向相同，这不仅有利于减少工件运动距离，在安排作业计划时，也有规则可循。成组技术在管理中的应用◆要求按工艺相似零件组（而非按产品）安排生产计划，需要打破旧的生产计划方式，而代之以按零件组安排生产进度计划。除了要转变传统观念以外，采用计算机辅助生产管理方法也是必要的。

1.3.3计算机集成制造（CIM）

CIM提出

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。1.3.3计算机集成制造（CIM）

20世纪80年代中、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。1.3.3计算机集成制造（CIM）

CIM定义CIM是将人及其经营知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CIMS1.3.3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）。Real1.3.3计算机集成制造（CIM）

◆

SME的“制造企业轮图”（图1-20）也强调以人为本。

图1-26CASA/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1.3.3计算机集成制造（CIM）

◆

CIM往往和人们经常提到的“三无工厂”（无图纸、无库存、无人化),“3J”（Justintime，Justincase，Justinsupply）等概念相联系。◆

搞CIM是非常复杂的事情，是一项高投入、高风险项目，必须审慎行事（20世纪80年代只有少数公司获得成功）。图1-27无图纸生产实例—波音777客机◆CIMS的实现程度受企业经营环境的制约，与企业的技术水平、投资能力、经营战略等相联系，决定了CIMS是一个多层次、多模式、动态发展、逐渐向理想状态趋近的系统。◆

限定“制造型企业”。

NetworkDB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，FM…EISCADCAECAPPNCPCATD∶QISCAICATCAQCCMM∶MASCNC,MC,FMC,FMS,ROBOT,AA…图1-28CIMS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（图1-28）。1.3.3计算机集成制造（CIM）

1.3.3计算机集成制造（CIM）

CIMS发展简况（国外）欧共体——1984年开始实施ESPRIT（欧洲信息技术研究战略计划），在130个合作项目中，关于CIM项目占28项日本——CNC、DNC、FMS已处于世界领先地位，1985年通产省主持开发“筑波综合实验工厂”，相当于CIMS实验基地。美国——不仅企业重视，国家也极为重视，认为CIM是夺回失去市场、取得竞争成功的关键技术，并将不可逆转地成为21世纪占主导地位的新的生产方式。20世纪80年代初，美国国家标准局（NBA）所属AMRF（自动化研究实验基地）建立了世界上第一个CIMS实验系统（见图1-29）

新加坡、以色列、韩国、巴西、南非等——也在积极跟踪和发展CIM技术。1.3.3计算机集成制造（CIM）

主控制室辅助控制室运输小车入口出口货架车削MC立式MC卧式MC清洗机CMM图1-29

AMRF的CIMS实验系统（FMS部分）1.3.3计算机集成制造（CIM）

CIMS发展简况（国内）◆

863计划

◎目标：跟踪世界高技术最新发展

◎自动化领域两个主题：1）CIM；2）工业机器人

◎组织与领导机构（图1-27）自动化领域总体战略、分阶段战略部署，对外合作，总经费、年度经费分配，学术领导具体领导各项工作开展专题学术领导，组长由主题专家组成员担任图1-30863自动化领域组织结构自动化领域专家委员会CIM主题专家组CIM专题专家小组1.3.3计算机集成制造（CIM）

◆

CIMS实验工程（CIMS-ERC）

技术原则：

1）包括实际工厂主要功能递推结构；

2）最小配置实际制造环境；

3）采用开放系统概念，多厂家设备（软、硬件）集成；

4）以信息集成为主，不追求机械设备完善；

5）自顶向下设计与自下而上实现相结合。1987.6——可行性论证1988.3——通过国家评审1988.5～1989.5——总体设计1989.6～1992.12——开发实施1993.3——国家验收1994年获美国CASA/SME（美国机械工程师协会计算机与自动化系统分会）“UniversityLEADAward”（大学领先奖）1.3.3计算机集成制造（CIM）

图1-311994年CASA/SME颁发的“UniversityLEADAward”1.3.3计算机集成制造（CIM）

CAD/CAPP/CAM工程DB日作业计划计划DB计划管理系统仿真监控DBNCDB调度生产监控管理实时DB车削MC立式MC卧式MC物流刀具装夹测量运输车物流DB刀具DB夹具DB单元控制图1-32CIMS-ERC4级递阶控制结构1.3.3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

1.3.4并行工程（CE）

并行工程（

ConcurrentEngineering——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（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…）1.3.4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具有相同的背景1.3.4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。1.3.4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）1.3.4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40～60%；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30～40%1.3.4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，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70～80％。

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。1.3.4并行工程（CE）

表1-4便于加工和装配的设计规则1.3.4并行工程（CE）

表1-4便于加工和装配的设计规则（续）1.3.4并行工程（CE）

图1-35零件结构工艺性分析示例a）b）c）d）1.3.4并行工程（CE）

图1-35零件结构工艺性分析示例（续）e）f）g）h）i）j）1.3.4并行工程（CE）

图1-35零件结构工艺性分析示例（续）k）l）m）n）o）p）1.3.4并行工程（CE）

图1-35零件结构工艺性分析示例（续）q）r）s）t）u）v）1.3.4并行工程（CE）

图1-35零件结构工艺性分析示例（续）w）x）y）z）1.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

精良生产（LeanProduction——LP）

MIT国际汽车项目组的JamesWomack

等三名经理在“TheMachineThatChangedtheWorld”一书中，对日本丰田汽车公司生产方式的描述。

MP（MassProduction）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。1.3.5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TeamWork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TeamWork

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”。1.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

准时制生产（JustInTime——JIT）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。

1.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

“看板”（Canban）管理出发点——后序驱动示意图图1-36“看板”管理n乙n工序n-1乙n-1工序n甲n-1甲n-1工序n工序1取货3a3b52467a7b传件看板生产看板◎JIT

要求：严格管理；各环节、各工序均处于良好运行状态；人员素质高，多面手，且处于高度紧张状态。1.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

表1-5LP与MP比较比较项目大量生产精良生产追