自动化制造系统1

自动化制造系统主讲:马有良联系邮箱：mayouliang@联系电话南科技大学机电专业系列课程一、基本情况教材：辛宗生主编《自动化制造系统》北京大学出版社参考教材：张根宝.自动化制造系统.机械工业出版社

全燕鸣.机械制造自动化.华南理工大学出版社课程总学时数为48学时。其中实践16学时。

课程内容介绍第9章微型计算机控制系统设计二：授课大纲第1章：自动化制造系统概述简要的介绍自动化制造系统的基本概念、定义、组成、分类、特点及适用范围。共2次课，用4学时。

第2章：加工设备自动化介绍加工设备自动化的意义及分类，单机自动化的方案、主要自动化加工设备。共4次课，用8学时。

第9章微型计算机控制系统设计第3章：制造系统物料储运自动化主要学习物料储运自动化的概念，自动化物料储运系统的组成和分类，了解自动化输送系统、刚性和柔性物料储运系统。

共4次课用8学时。第4章：加工刀具自动化学习自动化机床的刀具和辅助工具，自动化换刀装置和排屑自动化。共2次课，用4学时。二：授课大纲第9章微型计算机控制系统设计二：授课大纲第5章：制造系统检测过程自动化在本章中，了解自动化检测的目的和意义，工件尺寸、刀具状态、自动化加工过程的检测方法与装置。

共1次课，用2学时。

第6章：产品装配过程自动化分析自动装配工艺过程，熟悉自动装配机、自动装配线及其相关知识。

共0.5次课，用1学时。第9章微型计算机控制系统设计二：授课大纲第7章：自动化制造的控制系统介绍机械制造自动化控制系统的种类及工作原理。

共0.5次课，用1学时。

第8章：自动化制造系统的总体设计从总体角度介绍自动化制造系统的总体设计步骤及内容。

共1次课，用2学时。第9章微型计算机控制系统设计第9章：计算机仿真及优化

主要介绍自动化制造系统仿真的概念和方法，仿真的理论、内容及主要仿真软件。

共0.5次课，用1学时。第10章：制造系统设计自动化第11章：制造系统工艺自动化共0.5次课，用1学时。

理论课程用时32学时。二：授课大纲第9章微型计算机控制系统设计实践教学布置

主要介绍实践教学的内容及要求。

用1学时。CAXA软件系统介绍及练习用时11学时实践上机考试用时4学时

实践环节共16学时。全部用时48学时。二：授课大纲第9章微型计算机控制系统设计三：本课程的课程的性质和目的《自动化制造系统》是“机械工程及自动化”本科专业的一门重要的专业课,是一门综合性课程，计划学时为48学时。课程性质课程的主要目的从工程应用角度帮助学生了解和掌握自动化制造系统的基本概念、系统构成、设计方法、发展动态等，以及自动化制造设备的结构原理、控制方法和应用特点等。本课程内容:课程系统地介绍了自动化制造系统的基本知识，自动化制造系统的规划、设计、分析及其运行的基本理论和方法。自动化制造系统的各分系统分析和设计（包括加工系统、工件储运系统、刀具准备及储运系统、控制系统及检测与监控系统），自动化制造系统的计算机仿真及优化等。通过本课程的学习，扩展和拓宽学生在自动化加工系统方面的知识，使学生系统地掌握有关机械制造自动化技术方面的基本原理，了解机械制造中各主要单元和系统的自动化方法以及各种自动化装置的结构原理和特点，并提高其应用管理能力，为进一步的课程学习和今后从事专业技术工作奠定良好的基础。课程宗旨通过本课程的学习，学生应该掌握的基本理论有：

了解机械制造自动化的基本概念、类型、控制方式及发展与应用。掌握加工设备自动化的特点及分类，以及两种典型的加工过程自动化方法：单机工作自动化和加工自动线。掌握物流供输系统的功能及组成；介绍不同类型的物流供输系统的组成及特点。掌握刀具自动化的特点以及各种排屑、换刀自动化装置。教学目的及要求通过本课程的学习，学生应该掌握的基本理论有：

了解制造过程中运用的各种检测技术。掌握自动装配系统的组成以及自动装配工艺过程的分析。了解工业机器人的构成及相关控制技术。了解集成制造系统的概念，柔性制造系统、计算机集成制造系统以及其他一些先进制造技术的结构及特点。教学目的及要求学生应掌握的基本技能有：具备根据具体加工条件及应用范围合理选择自动化加工设备的能力。具备根据具体加工条件确定物流供输系统结构的能力。具备正确制订自动装配工艺过程的能力。通过本课程的学习，学生还应了解机械制造自动化技术的最新成就和发展趋势。期末考试70％作业、上机练习30％学习方式课堂讲授——50%自学——

课程内容20％自学实践环节——

作业、上机练习30％考核方法自动化制造系统的基本概念自动化制造系统的基本内容自动化制造系统的定义自动化制造系统的组成自动化制造系统的分类及特点第1章自动化制造系统概述§1.1自动化制造系统的基本概念1、什么是系统？系统是指由相互联系、相互作用的若干元素构成的具有特定功能的有机整体。系统的特征：是系统的共性，作为一个系统，一般具有五个特征。目的性、整体性、相关性、层次性、环境适应性2、什么是制造？制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。有狭义和广义。

狭义：加工及物料储运、质量控制、装配过程等。广义：产品设计、工艺设计、生产准备、市场调研、市场营销、服务、回收处理等。其它环节制造－－目前对制造有两种理解：一个是指产品的“制作过程”或称为“小制造概念”，如机械加工过程；另一个是广义制造概念，包括产品整个生命周期过程，又称为“大制造概念”。实际应用中，两者皆在使用，其概念范围视具体情况而定。木材旋切生产流水线制造业○是指对制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等），按照市场要求，通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业品与生活消费品的行业。制造规模○大规模制造、大批量制造、多品种小批量制造。美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业列为制造业。富士康ipad生产流水线3、什么是制造系统？制造系统是人、机器和装备以及物料流和信息流的一个组合体。广义上制造系统可从三个方面来定义。1、制造系统的结构方面：制造系统是一个包括人员、生产设施、物料加工设备和其他附属装置等各种硬件的统一整体；2、制造系统的转变方面：制造系统可定义为生产要素的转变过程，特别是将原材料以最大生产率变成为产品；3、制造系统的过程方面：制造系统可定义为生产的运行过程，包括计划、实施和控制。狭义上制造系统是指产品加工和装配相关的机械制造系统。制造系统的概念模型由资源输入、输出、转换、控制和约束五大因素。核心功能既是资源转换，为社会创造财富。

制造系统的基本模型制造系统结构制造系统功能结构经营管理信息流生产管理信息流技术信息流物质流用户、市场与外部环境经营管理市场与销售研究与开发资源管理财务生产管理工程设计采购车间制造（加工、装配、检验、输送、存储…

）质量控制制造系统特性软件硬件

制造系统结构特性

结构特性

制造系统可视为若干硬件的集合体。为使硬件充分发挥效能，必须有软件支持。

转变特性主要从技术角度出发，如何使转变过程更有效进行。获取阶段转变阶段分配阶段制造系统的物质流原材料供应者原材料库存零件加工零件库存装配成品库存最终用户汽车生产物流示意图需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段图1-6制造系统的程序特性程序特性

程序

——

一系列按时间和逻辑安排的步骤

制造系统可视为生产离散型产品的工作程序研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使生产活动达到最佳化。制造系统的物质流与信息流（五流理论）误差流物流资金流规划控制需求信息流实施（车间或现场）原材料产品与服务能源能量流

制造系统的五种流制造系统的分类对制造系统的研究可以从不同的角度进行。从人在系统中的作用、零件品种和批量、零件及其工艺类型、系统的柔性、系统的自动化程度及系统的智能程度等方面对制造系统进行分类。见书上P10，图1-4制造系统的分类4、自动化的含义机械化——执行制造过程的基本体力劳动是由机器（机械）代替人力劳动来完成时称之为机械化。自动走刀代替手动走刀—走刀机械化输送机代替人工搬运工件—是工件输送机械化；气动夹紧工件代替手动夹紧工件—工件夹紧机械化。

太阳能电池板1太阳能电池板2最初“自动化(Automation)”是美国人D.S.Harder于1936年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是"自动化"。这是早期制造自动化的概念。自动化——机器代替人完成基本劳动的同时，若人对机器的操纵看管、对工件的装卸与检验等辅助体力劳动也是由机器来完成时，并且有自动控制系统或计算机代替部分脑力劳动，这个制造过程是“自动化”。基本劳动机械化＋辅助劳动机械化＋自动控制系统→自动化制造系统5、制造自动化制造自动化＝制造＋自动化就是广义制造过程的所有环节采用自动化技术，实现全过程的自动化。在形式上有三方面的含义；在功能上，其目标模型是：TQCSE。TQCSE是相互关联的，构成一个制造自动化功能目标的有机体系。在范围上，制造自动化应该涉及产品生命周期的各类活动。1）制造自动化的概念制造自动化的概念是一个动态发展过程。过去，人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。现在，随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。2）制造自动化的发展历程第一阶段：1870~1950年1870年美国发明了自动制造螺钉的机器1924年第一条流水作业机械加工生产线1935年

苏联第一条发动机缸体生产线

1945年福特汽车采用自动化生产线

1946年苏联提出成组生产工艺的思想第一阶段：1870~1950年纯机械控制+电液控制刚性自动化加工单机和系统其中1946年前苏联提出成组技术概念成组技术（GroupTechnology，GT）概念：充分利用事物之间的相似性，将许多具有相似信息的研究对象归并成组，并用大致相同的方法来解决这一组研究对象的生产技术问题，这样就可以发挥规模生产的优势，达到提高生产效率、降低生产成本的目的，这种技术统称为成组技术。相似零件有相似的加工工艺过程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）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两方面：产品设计工艺设计（加工方法、加工设备）生产管理装配图2工艺相似零件组图1结构相似零件组第二阶段：1952~1965年数控技术（NC）---主要是单机数控1952年----数控机床1958年----加工中心1959年----工业机器人（极坐标方式）1960年----自适应控制机床1961年----CAM（计算机辅助制造）1962、1963年----CAD（计算机辅助设计）工业机器人（圆柱坐标方式）1965年----CNC（计算机数控机床）第三阶段：1967~80年代中期FMS（数控机床+工业机器人）1967年----FMS（英国的Molins公司）70年代初----FMC（柔性制造单元）1980年----无人化工厂（富士工厂）第四阶段：80年代至今CIMS（计算机集成制造系统）1974年由美国人哈林顿提出该概念借助于计算机技术、现代系统管理技术、现代制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术，将制造过程中有关的人、技术和经营管理三要素有机集成，通过信息共享以及信息流与物质流的有机集成实现系统的优化运行。国内的发展1956年第一条机械加工自动线 1958年数控立铣 1984年FMC 1986年FMS 70年代初工业机器人 1986年CIMSCIMS－国家高技术研究发展计划(863计划)主题之一1994年，设在清华大学的国家CIMS实验工程中心获得国际著名权威学术机构——美国制造工程师学会（SME）的“大学领先奖”1999年，华中理工大学又获该年度的同一奖项1995年，北京第一机床厂荣获SME的“工业领先奖”国内的发展国内的发展国家高技术研究发展计划（863计划）－1986年CIMS作为自动化领域研究主题四个层次应用工程产品开发技术攻关应用基础研究国内的发展十个专题CIMS总体设计与实施CIMS发展战略及体系结构CIMS总体集成技术集成产品设计自动化系统集成工艺设计自动化系统集成制造自动化系统CIMS管理与决策支持系统集成质量控制系统计算机网络与数据库系统CIMS系统技术与方法2、制造敏捷化：制造环境和制造过程面向21世纪制造活动的必然趋势，包括：柔性：机器、工艺、运行、扩展、劳动力等柔性一级知识供应链；重构能力：能实现快速重祖重构，增强对新产品开发的快速响应能力一级产品过程的快速实现、创新管理和应变管理；快速化的集成制造工艺：如快速原型制造RPM（一种快速化的CAD／CAM的集成工艺）3）制造自动化的发展趋势1、制造业全球化发展趋势3、制造网络化：制造环境内部（实现制造过程的集成）、制造环境－整个制造企业（实现制造环境与企业中工程设计、MIS等子系统的集成）；企业之间（实现企业间的资源共享、组合与后化利用）；通过网络实现异地制造4、制造虚拟化：

包括虚拟现实（VR）、虚拟产品开发（VPD）、虚拟制造（VM）和虚拟企业（VE）。虚拟制造是指以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，将现实制造环境及其制造过程通过建立系统模型映射到计算机及相关技术所支撑的虚拟环境中，在虚拟环境下模拟现实制造环境机器制造过程的一切活动和产品制造全过程。虚拟制造是敏捷制造的重要关键技术。发展趋势5、制造智能化：在柔性和敏捷性基础上进习、自修复、自组织和自我优化等。6、制造绿色化：资源的优化利用、清洁生产和废弃物的最少化及综合利用7、知识化和创新化1、自动化制造系统的定义自动化制造系统是由一定范围的被加工对象、一定柔性和自动化水平的各种设备和高素质的人组成的一个有机整体，它接受外部信息、能源、资金、配套件和原材料等，在人和计算机控制系统的共同作用下，实现一定程度的柔性自动化制造，最后输出产品、文档资料、废料和对环境的污染。§1.2自动化制造系统基本内容自动化制造系统是指在较少的人工直接或间接干预下，将原材料加工成零件或将零件组装成产品，在加工过程中实现管理过程和工艺过程自动化。2、自动化制造系统的组成1、毛坯制备自动化子系统2、机械加工自动化子系统3、物料储运自动化子系统4、装配过程自动化子系统5、辅助过程自动化子系统6、热处理过程自动化子系统7、质量控制自动化子系统8、系统控制子系统自动化制造系统机械加工自动化子系统储运自动化子系统辅助过程自动化子系统热处理过程自动化子系统质量控制自动化子系统系统控制自动化子系统毛坯制备自动化子系统装配过程自动化子系统高素质的人良好的组织管理3、自动化制造系统的生命周期与任何系统一样，自动化制造系统也有自己的寿命周期，达到一定的服役年限后就得报废。通常将系统的设计、安装、调试、验收、应用、维护、报废这些过程的集合称为自动化制造系统的寿命周期。在各个不同阶段，人们的关注重点是不同的。1）按制造过程分：毛坯制备、热处理、储运、机加工、装配、辅助质量和系统控制自动化。2）按设备分：局部动作、单机、刚性、刚性综合、FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）。3）按控制方式分：机械、机电液、数字、计算机、智能控制自动化。4、自动化制造系统的分类及特点自动化制造系统的分类刚性半自动化单机刚性自动化单机刚性自动线刚性综合自动化系统一般数控机床加工中心混合成组制造单元分布式数控系统DNC

柔性制造单元FMC

柔性制造系统FMS

柔性制造线FML

计算机集成制造系统CIMS柔性自动化设备及系统刚性自动化设备及系统自动化制造系统图1.8自动化制造系统的分类不同的自动化类型有着不同的性能特点和不同的应用范围，因此应根据需要选择不同的自动化系统。自动化制造系统包括刚性制造和柔性制造.

“刚性”的含义是指该生产线只能生产某种或生产工艺相近的某类产品，表现为生产产品的单一性。刚性制造包括组合机床、专用机床、刚性自动化生产线等。

“柔性”是指生产组织形式和生产产品及工艺的多样性和可变性，可具体表现为机床的柔性、产品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。1）刚性半自动化单机可以自动地完成单个工艺过程的加工循环的机床(除上下料外)，称为刚性半自动化机床。例如：仿形机床、通用多刀半自动车床，单台组合机床，转塔车床等。特点：

①一般是机械或电液复合控制式组合机床和专用机床，可以进行多面、多轴、多刀同时加工，加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列；②从复杂程度讲，刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次。优点：投资少、见效快，缺点:调整工作量大，加工质量较差，工人的劳动强度也大。适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。自动化机床单台组合机床多刀半自动车床转塔车床它是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。

实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。辅助装置包括自动工件输送、上料，下料、自动夹具、升降装置和转位装置等；

切屑处理一般由刮板器和螺旋传送装置完成。特点：投资少、见效快，但通用性差，是大量生产最常见的加工装备。用途：常用于品种变化很小，但生产批量特别大的场合。2）刚性自动化单机

刚性自动化生产线是多工位生产过程，用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。在刚性自动线上，被加工零件以一定的生产节拍，顺序通过各个工作位置，自动完成零件预定的全部加工过程和部分检测过程。3）刚性自动线特点：⑴结构复杂，任务完成的工序多，所以生产效率也很高，可以有效缩短生产周期，取消半成品的中间库存，缩短物料流程，减少生产面积，改善劳动条件，便于管理等。

⑵投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。用途：少品种、大量生产必不可少的加工装备。组合机床自动线，可以大幅度缩短建线周期，更换产品后只需更换机床的某些部件即可（例如可更换主轴箱），大大缩短了系统的调整时间，降低了生产成本，并能收到较好的使用效果和经济效果。组合机床自动线主要用于箱体类零件和其他类型非回转体的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工。转盘式组合机床

图汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代一般情况下，刚性自动线只能完成单个零件的所有相同工序（如切削加工工序），对于其它自动化制造内容如热处理、锻压、焊接、装配、检验、喷漆甚至包装却不可能全部包括在内。在刚性自动线的基础上将其它自动化制造系统的内容（包括热处理、锻压、焊接、装配、校验等）涵盖的复杂大系统称为刚性综合自动化系统。特点：刚性综合自动化系统结构复杂，投资强度大，建线周期长，更换产品困难，但生产效率极高，加工质量稳定，工人劳动强度低。适用范围：它常用于产品比较单一，但工序内容多，加工批量特别大的零部件的自动化制造。4）刚性综合自动化系统动画演示数控机床（NumericalControlMachineTools）用来完成零件一个工序的自动化循环加工。特点：它是用代码化的数字量来控制机床，按照事先编好的程序，自动控制机床各部分的运动，而且还能控制选刀、换刀、测量、润滑、冷却等工作。适用范围：适用于加工精度较高，零件复杂程度、且品种多变、批量中等的场合。5）数控机床加工中心（MachiningCenter-MC）是在一般数控机床的基础上增加刀库和自动换刀装置而形成的一类更复杂但用途更广、效率更高的数控机床。特点：由于具有刀库和自动换刀装置，就可以在一台机床上完成车、铣、镗、钻、铰、攻螺纹、轮廓加工等多个工序的加工。适用范围：加工中心机床具有工序集中、可以有效缩短调整时间和搬运时间、减少在制品库存、加工质量高等优点。6）加工中心(MC)加工中心外观图(a)卧式加工中心；(b)立式加工中心8）分布式数控系统7）混合成组制造单元成组制造单元是采用成组技术原理布置加工设备，包括成组单机、成组单元和成组流水线。在成组制造单元中，数控设备与普通加工设备并存，各自发挥其最大的作用。采用一台计算机控制若干台CNC机床，它强调系统的计划调度和控制功能，对物流与刀具流的自动化并不要求，主要由操作人员完成。优点：系统结构简单，灵活性大、可靠性高、投资小，以软件取胜。柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell-FMC）是一种由1～3台数控机床或加工中心所组成.特点：单元中配备有某种形式的托盘交换装置或工业机器人，由单元计算机进行程序编制及分配、负荷平衡和作业计划控制的小型化柔性制造系统。优点：占地面积较小，系统结构不很复杂，成本较低，投资较小，可靠性较高，使用及维护均较简单。

因此，柔性制造单元是柔性制造系统的主要发展方向之一，深受各类企业的欢迎。适用范围：常用于品种变化不是很大、生产批量中等的生产规模中。9）柔性制造单元(FMC)柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem-FMS）一般由四部分组成：三台以上的数控加工设备,一个自动化的物料及刀具储运系统,若干台辅助设备（如清洗机、测量机、排屑装置、冷却润滑装置等）,一个由多级计算机组成的控制和管理系统。柔性制造系统内部包括两类不同性质的运动：一类是系统的信息流，另一类是系统的物料流，物料流受信息流的控制。

10）柔性制造系统(