第8章机械制造技术的发展

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方式现代集成制造技术快速原型制造技术1机械制造技术根底18.1柔性自动化加工技术2制造自动化技术的主要方式

三种自动化方式比较比较工程刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目的减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低消费本钱减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低消费本钱，缩短产品制造周期除左外，提高设计任务与管理任务效率和质量，提高对市场的呼应才干控制对象物流物流物流，信息流特点经过机、电、液气等硬件控制方式实现，因此是刚性的，变动困难以硬件为根底，以软件为支持，改动程序即可实现所需的转变，因此是柔性的不仅针对详细操作和工人的膂力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、运营管理等各方面典型系统与配备自动机床、组合机床，机械手，自动消费线NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMSCAD/CAM系统，MRPⅡ，CIMS运用范围大批大量消费多种类、中小批量消费各种消费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方式

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方式

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消费中广泛运用的柔性制造系统〔FlexibleManufacturingSystem——FMS〕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〕机床任务台架〔暂存工件〕机器人或托盘交换安装检测、监控安装◆设备运转形状监控与检测传感器群信号采集预处置特征提取形状识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常形状方式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配形状异常报警预知缺点报警输出设备运转形状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，与检测信号进展比较。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安装表示图。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展处置。钻头破损检测器声发射钻头破损检测安装系统图交换机床控制器工件折断任务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〔AutomatedStorageandRetrieva1System一AS／RS〕，由高层料架、堆垛机、控制计算机和物料识别安装等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放分量大、料位总数可根据实践需求扩展、占地面积小等优点。◆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◆传输安装滚式链式〔传送带由于柔性差，目前较少运用〕带式有轨无轨〔AGV〕固定道路随机道路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◆切屑处置系统断屑加工部位封锁排屑机床、工夹具设计要便于排屑冷却液冲，或紧缩空气吹切屑保送〔通常采用地下保送管道〕切屑再处置〔打包〕柔性制造系统11◆工厂计算机：制定、修正、更新消费〔作业〕方案；对中央计算机和物流计算机进展控制。◆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方案对自动仓库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进展监视与控制。◆中央计算机：根据工厂计算机制定的作业方案对各加工单元进展监视与控制。◆信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进展信息传送。计算机控制系统柔性制造系统12◆JCS-FMS-1控制级构造中央管理计算机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控制级构造柔性制造系统13FMS特点 除毛坯预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小时运转◆以GT为根底——消费零件的种类由4至100种不等〔20～30种居多〕消费零件的批量由40至2000件不等〔50～200件居多〕大部分加工对象为类似零件〔个别例外〕◆具有较大柔性——可加工多种零件没有固定的消费节拍缺点可容〔一台机床出现缺点，其它机床可进展拟补〕◆高度自动化——◆控制与管理相结合——可自动实现系统内的方案、调度柔性制造系统14FMS运用种类零件种类、批量与自动化加工方式0101001000批量10,000100010010FMLFMCFMS数控机床通用机床刚性线消费柔性产量柔性制造系统15机械制造技术根底第18章先进制造技术AdvancedManufacturingTechnology18.2现代集成制造系统16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，其两个根本观念：CIM概念提出后，未被立刻接受，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…〕得到充分开展，并构成一个个自动化“孤岛〞。在这种情势下，为获得更大的经济效果，需求将这些“孤岛〞集成起来，CIM概念遭到注重并被实施。2〕整个消费过程可以视为一个数据采集、传送和加工处置的过程，最终产品可视为数据的物化表现。1〕企业消费活动的各个环节，从市场分析、产品设计、加工制造、运营管理到售后效力是一个一致的不可分割的整体。17计算机集成制造〔CIM〕20世纪80年代中、后期，CIM逐渐开场实施，并显示出明显的效益——提高企业的消费率和市场竞争才干。以往，竞争力主要取决于消费率，现今更重要的是对市场的呼应才干。信息时代的到来,使世界正在“变小〞。世界大市场的开展，使竞争更加猛烈，这一方面极大地促进了社会的开展，另一方面也给企业呵斥了严酷的“生存环境〞。企业为求得生存和开展，必需在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〕——本钱S〔Service〕——效力E〔Environment〕——环保为实现这一目的，CIM是一种强有力的方式。18计算机集成制造〔CIM〕CIM定义CIM是将人及其运营知识和才干与信息技术和制造技术综合运用，以提高制外型企业的消费率和呼应才干。企业一切人员、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〔开放体系构造〕课题委员会：◆CIM是一种哲理、思想、方法；◆CIMS是CIM哲理的详细表达；◆CIMS是一个计算机控制的闭环反响系统，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的目的〔相对于自动化孤岛〕。◆CIM的中心是集成，而集成的本质是信息集成。◆3M〔人、机器、管理〕集成，其中人是中心。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〕——指消费活动中可用数学方式或计算机程序描画的部分，消费活动中的这一部分内容可用计算机来进展处置。★Innovation〔创新〕——消费活动中无法用数学方式或计算机程序描画的部分，这一部分内容仍需人来完成。他以为工业革命使人变成了机器的奴隶，新技术革命那么要“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〕资源人资料设备信息技术供应商责任规章品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效力资料管理装配检验作业方案资源方案用户知识产品/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良文档发布零部件制造资源21NetworkDB市场信息消费过程信息技术信息原资料，能源产品MIS，BM，PMMM，LM，FM…EISCADCAECAPPNCPCATD∶QISCAICATCAQCCMM∶MASCNC,MC,FMC,FMS,ROBOT,AA…CIMS功能模型CIMS的体系构造指以信息的观念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〕注重研讨→注重运用大型企业→中小型企业“技术推进〞→“需求牵动〞强调技术支撑→强调人、技术、运营集成CIM运用方式越来越多CIM实施过程中不断吸收新技术、新思想、新概念CIMS开展趋势23机械制造技术根底第18章先进制造技术18.3快速原型制造技术RapidPrototypingManufacturing,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技术的详细工艺有30余种，根据采用资料及对资料处置方式的区别，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选择性粉末熔结／粘接29熔融挤压成形方法挤压成形30RPM的运用RPM在国民经济各领域得到了极为宽广的运用，并且还在向新的领域开展，除在制造业得到运用外，在医学、康复、考古工程、建筑工程等领域均有运用。31机械制造技术根底18.4先进制造技术AdvancedManufacturingTechnology32AMT产生背景AMT首先由美国于20世纪80年代末提出长期以来，美国政府只对根底研讨、卫生安康、国防技术等给予经费支持，而对产业技术不予支持，主张产业技术经过市场竞争，由企业自主开展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〞，以为制造业是“夕阳工业〞，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年代下降到缺乏1/3〕33AMT产生背景

20世纪80年代,美国政府开场认识到问题的严重性白宫一份报告称“美国经济衰退已要挟到国家平安〞MIT的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技术和制造才干的竞争〞，“一个国家要生活好，必需消费好〞，阐明美国知识界与政府之间获得了共识1988年,美国政府投资进展大规模“21世纪制造企业战略〞研讨,并于其后不久提出了“先进制造技术〞开展目的，制定并实施了“先进制造技术方案〔ATP〕〞和“制造技术中心方案〔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位置34

汽车2mm工程，使轿车车身精度到达丰田程度1994年，美国汽车产量重新超越日本，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〔在此之前芯片消费也不敌日本，包括海湾战争中大出风头的“爱国者〞导弹上运用的芯片也是日本制造的〕20世纪90年代，经济继续增长，失业率降低到历史最低程度提出了一系列先进制造技术的新实际、新思想，如：CE，LP，AM，…AMT产生背景ATP&MTC效果显著35AMT内涵与体系构造

至今尚无明确的和一致公认的定义，可以以为：◆AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合运用于产品设计、加工、检测、管理、销售、运用、效力乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵敏消费，提高对动态多变市场的顺应才干和竞争力的制造技术的总称。◆要点：AMT定义目的提高制造企业对市场的顺应才干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运用36AMT内涵与体系构造

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好的技术群〞。其构造体系见图。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构造体系制造技术根底设备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〕 —任务环境设计 —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内涵与体系构造38

AMT内涵与体系构造◆主体技术群之二：制造工艺技术群★资料消费工艺★加工工艺，包括：—切削加工 —资料热处置—外表涂层与改性—复合资料工艺—铸、锻、压力加工、模塑成形—电子工艺〔光刻/堆积、离子注入等微细加工〕★衔接与装配★测试与检验★环保技术★维修技术★其它39

AMT内涵与体系构造★信息技术—接口和通讯—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★规范和框架—数据规范—产品定义规范—接口框架—工艺规范、检验规范★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获得提高的根底性中心技术，包括：40

◆制造技根底设备〔Infrastruction〕使先进制造技术适用于详细企业运用环境，充分发扬其功能，获得最正确效益的一系列措施，是先进制造技术生长的机制和土壤。其内容主要包括：★质量管理★用户/供应商交换作用★任务人员培训和教育★技术获取和利用★全局监视与基准评测★其它AMT内涵与体系构造41AMST提出的AMT轮图

AMT内涵与体系构造TQCSE根底制造技术CADCAMNC技术ROBOTFMC清洁消费技术质量与可靠性CE系统管理技术MRPⅡCIMSIMSAM集成技术新型产业及市场需求带动〔艰苦配备、高新技术产业、社会协调开展〕系统工程及管文科学信息技术AMST提出的先进制造技术体系图新资料技术新能源技术◆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、CAD／CAM、清洁消费技术、新资料成形加工技术、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、清洁根底制造技术。包括精细下料、精细塑性成形、精细铸造、精细加工、精细丈量、毛坯强韧化、精细热处置、优质高效衔接技术、功能性防护涂层及各种与设计有关的根底技术、各种现代管理技术。◆第三个层次是先进制造集成技术。这是运用信息技术和系统管理技术，经过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而构成的，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造技术等。42AMT特征与开展趋势

◆AMT是一项综合性技术AMT不是一项详细的技术，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技术在整个制造过程中的综合运用，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没有一个固定的方式，它要与企业的详细情况相结合。同时AMT也不是一成不变的，而是动态开展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，并将其浸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特征与开展趋势

◆AMT是面向全球竞争的技术经过提高企业综合效益和对市场的快速反响才干，到达提高竞争力的目的。◆AMT是面向21世纪的技术AMT是制造技术开展的新阶段，它保管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强调环保技术，符合可继续开展的战略。◆AMT是面向工业运用的技术AMT有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在实践效果。44AMT特征与开展趋势

AMT开展趋势◆信息技术对AMT开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交融，必将促进AMT的不断开展。◆现代设计技术将迅速开展和不断完善包括CAD，CAE，DFX，强壮设计，优化设计，智能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。◆资料成形向精细、低耗、清洁方向开展资料成形技术将使毛坯从接近零件外形向直接制成工件精细成形或称净成形的方向开展。据国际机械加工技术协会预测，本世纪初，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外表〔涂〕层，同时减少能耗并消除污染。45AMT特征与开展趋势

◆加工技术向超精细、超高速方向开展◆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、人类安康、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，汽车等产品的装配和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术等〕。◆虚拟制造将获得广泛运用首先在虚拟制造环境中生成软产品原型〔SoftPrototype〕替代传统的硬样品〔HardPrototype〕进展实验，对其性能和可制造性进展预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低本钱，提高系统快速呼应市场变化的才干。46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讨所〔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〕进展并行、一体化设计的一种系统化的任务方式。这种任务方式力图使开发者从一开场就思索到产品全生命周期〔从概念构成到产品报废〕中一切的要素，包括质量、本钱、进度与用户需求。注：支持过程——包括对制造过程的支持〔原资料的获取,中间产品的库存，工艺过程设计，消费方案制定…〕和运用过程的支持〔产品销售，运用维护，售后效力，产品报废后的处置…〕47并行工程〔CE〕CE与CIM的目的都是为了博得市场竞争，着眼点均为“TQCSE〞。随着市场竞争的日趋猛烈，“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，经过网络与数据库将自动化孤岛集成起来。但消费过程的组织构造与管理仍是传统的，独立、顺序进展。消费管理者在信息集成的根底上，对整个消费进程有清楚的了解，从而可以进展有效的控制，并最终在TQCSE上获得胜利。CE与CIM具有一样的背景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◆当新产品开发成为博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求多次反复，不仅延误了时间，而且在资金上也呵斥宏大浪费。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协作，互置信任和共享信息，经过彼此间有效地通讯和交流，尽早思索产品全生命周期中的各种要素，尽早发现和处理问题，以到达各项任务协调一致。◆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的中心是产品及其相关过程〔加工工艺、装配、检测、质量控制、销售、售后效力…〕设计的集成。CE根本方法与效益◆CE效益——缩短新产品开发周期40～60%；提高设计质量〔早期消费中工程变卦次数减小一半以上，产品报废及反复任务减小75%〕；制造本钱下降30～40%51并行工程〔CE〕◆据统计，新产品提案中只需约6.5％可以制造出产品，其中可以商品化的比例不到15％，商品化产品进入市场后又有将近半数未能获得胜利。◆缘由：在产品设计时对影响产品的多种要素思索不周全，或不充分和不深化，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位置，它决议了产品制造本钱的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〕的方式出现，进一步开展，便构成了DFX〔面向“X〞的设计〕。◆X可以指运营、销售、加工、装配、检验、运用、维护、质量、本钱等。52精良消费与矫捷制造〔LP&AM〕精良消费〔LeanProduction——LP〕MIT国际汽车工程组的JamesWomack等三名经理在“TheMachineThatChangedtheWorld〞一书中，对日本丰田汽车公司消费方式的描画。MP〔MassProduction〕是旧时代工业化的意味——代表了高效率、低本钱、高质量。LP是新时代工业化的标志——只需一半人的努力，一半消费空间，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的精华在于“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；岗位设置必需是增值的，不增值岗位一概撤除；工人要求是多面手，可以相互顶替。53精良消费与矫捷制造〔LP&AM〕丰田公司精良消费要点组织管理权益下放，以TeamWork方式分段担任，把大量任务责任转移到消费线工人身上，建立一个可以迅速清查出全部缺陷并找出其最终缘由的检测系统。产品设计强调担任人的权益与责任，由工程担任人组织多个TeamWork并行任务。市场用户“需求驱动〞与“自动销售〞；贯彻全面质量管理〔TQC〕，使顾客完全称心〔TCS〕。与协作厂关系“利益共享，风险共担〞。54精良消费与矫捷制造〔LP&AM〕准时制消费〔JustInTime——JIT〕准时制的中心及时和准确。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，以期到达接近零库存、无缺陷和低本钱的目的。根本做法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消费各种汽车的数量，经审查后下达消费义务。2〕工厂的装配车间将月消费汽车义务除以本月有效任务日，得出日平均产量，据此按日安排消费。3〕装配车间开场消费后，按后序向前序提取零部件的规定，把消费过程的各个部分有机地组织起来。4〕宁肯中断消费，也不积压贮藏。55精良消费与矫捷制造〔LP&AM〕矫捷制造〔AgileManufacturing——AM〕20世纪70～80年代，美国由于政策导向失误，使制造业众多产品在世界市场所占份额不断下降，美国在制造领域的霸主位置逐渐丧失。为了恢复美国制造业在世界上的指点位置，20世纪80年代末美国国会指示国防部拟定一个制造技术开展规划，要求同时表达美国国防工业与民品工业的共同利益，并要求加强政府、工业界和学术界的协作。在此背景下，美国国防部委托Lehigh大学与GM等大公司一同研讨制定一个振兴美国制造业的长期开展战略，最终于1991年完成了“21世纪制造业开展战略〞报告。在此报告中提出了“矫捷制