机械制造自动化技术（第4版）概论

机械制造自动化技术（第4版）概论

机械制造自动化是制造自动化的主要组成部分，它主要控制机械运动（如刀具、工件、毛坯等的运动）及可能变化的制造工艺，使整个生产处于优化状态。以机械加工和装配为主要代表的机械制造业要实现自动化，比之其他制造业来要困难得多，主要就表现在自动化机构上。机械制造自动化就是在机械制造过程的所有环节采用自动化技术，实现机械制造全过程的自动进行。

制造自动化是人类在长期的社会生产实践中不断追求的主要目标。一、机械制造系统的组成

▲机械制造系统应具备的特性(研究问题的角度)：

毛坯制备、物料储运、机械加工、产品装配、辅助过程、质量控制、热处理和系统控制。第一节基本概念在结构方面：在功能方面：在过程方面：制造过程所涉及的硬件（包括人员、设备、物料流、各种辅助装置等）及相关软件（包括制造理论、制造技术和制造信息等）组成一个统一整体。将制造资源（原材料、能源、劳动力等）转变为成品或半成品的输入输出系统。涵盖制造生产的运行过程，包括市场分析、产品设计、工艺编制、制造实施、检验出厂、产品销售等多个环节的制造全过程。机床夹具、刀具、工件、人员、工艺等。毛坯或半成品、能源、劳动力->产品或零件对机械制造系统的理解机床生产线车间工厂加工中心柔性制造系统计算机集成制造系统新产品、技术改造项目制造相关的项目、课题第一节基本概念机械制造系统概念的分析生产系统制造系统加工系统制造系统加工系统…………第一节基本概念机械制造系统组成（物料流、能量流、信息流）原材料坯料存储输送装夹加工检验产品能量系统信息系统（加工任务、方法、顺序、工件质量、物流要求）能源刀具、量具等静态信息动态信息消耗品加工品废弃品畜力，人力，水力，风力第一节基本概念二、自动化的基本概念自动化一词的含义十分广泛，它是指设计一种控制设备来取代人力操作机械的动作，以达到各种机械自动、半自动运行的目的。制造过程的组成：若干工艺过程；每个工艺过程由若干工序组成；每个工序由若干工步组成，及各种基本动作。动作的完成方式：可以采用人工，也可以采用机器。第一节基本概念机械化→自动化：当执行制造过程的基本动作是由机器（机械）代替人力劳动来完成时称之为机械化。若操纵这些机构的动作也是由机器来完成时，则就可以认为这个制造过程是“自动化”了。工序自动化：在一个工序中，如果所有的基本动作都机械化了，并且使若干个辅助动作也自动化起来，而工人所要做的工作只是对这一工序作总的操纵和监督。第一节基本概念工艺过程自动化：一个工艺过程所包含的每一个工序都自动化了，并且把它们有机地联系起来，使得整个工艺过程（包括加工、工序间的检验和输送）都自动进行，而工人仅只是对这一整个工艺过程作总的操纵和监督。这时就形成了某一种加工工艺的自动生产线。制造过程的自动化：一个零部件（或产品）的制造包括着若干个工艺过程，如果不仅每个工艺过程都自动化了，而且它们之间是自动的有机联系在一起，也就是说从原材料到最终成品的全过程都不需要人工干预，这时就形成了制造过程的自动化。机械制造自动化的高级阶段就是自动化车间甚至自动化工厂。第一节基本概念三、机械制造自动化的主要内容1)机械加工自动化技术:包含上下料自动化技术、装夹自动化技术、换刀自动化技术、加工自动化技术和零件检验自动化技术等。2)物料储运过程自动化技术:包含工件储运自动化技术、刀具储运自动化技术和其它物料储运自动化技术等。3)装配自动化技术:包含零部件供应自动化技术和装配过程自动化技术等。4)质量控制自动化技术:包含零件检测自动化技术、产品检测自动化技术和刀具检测自动化技术等。第一节基本概念A380装配四、机械制造自动化的作用

机械制造中采用自动化技术可以显著提高劳动生产率，有效缩短生产周期，大幅度提高产品的质量，有效改善劳动条件，并能显著降低制造成本。因此，机械制造自动化技术得到了快速发展，并在生产实践中得到越来越广泛的应用。概括而言，实现机械制造自动化具有如下的作用： 1．提高生产率

2．缩短生产周期

3．提高产品质量

4．提高经济效益5．降低劳动强度6．有利于产品更新7．提高劳动者素质8．带动相关技术的发展第一节基本概念一、机械制造自动化系统的构成从系统的观点来看，一般的机械制造自动化系统主要由以下四个部分构成：1.加工系统能完成工件的切削加工、排屑、清洗和测量的自动化设备与装置；3.刀具支撑系统包括刀具的装配、输送、交换和存储装置以及刀具的预调和管理系统；4.控制与管理系统对制造过程的监控、检测、协调与管理。第二节机械制造自动化的类型2.工件支撑系统能完成工件输送、搬运以及存储功能的工件供给装置；二、机械制造自动化的分类1.按制造过程分：毛坯制备过程自动化、热处理过程自动化、储运过程自动化、机械加工过程自动化、装配过程自动化、辅助过程自动化、质量检测过程自动化和系统控制过程自动化。2.按设备分：局部动作自动化、单机自动化、刚性自动化、刚性综合自动化系统、柔性制造单元、柔性制造系统。3.按控制方式分：机械控制自动化、机电液控制自动化、数字控制自动化、计算机控制自动化、智能控制自动化。第二节机械制造自动化的类型三、机械制造自动化的特点和适用范围

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。下面按设备的分类作一个简单的介绍。刚性半自动化单机

特点：刚性半自动化单机是一种除上下料外可以自动地完成单个工艺过程加工循环的机床。

适用范围：适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点是调整工作量大，加工质量较差，工人的劳动强度也大。第二节机械制造自动化的类型刚性自动化单机特点：它是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上下料装置而形成的自动化机床。因此这种机床实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。适用范围：这种机床往往需要定制或改装，常用于品种变化很小，但生产批量特别大的场合。如组合机床、专用机床等。主要特点是投资少、见效快，但通用性差，是大量生产中最常见的加工设备。第二节机械制造自动化的类型刚性自动线

特点：刚性自动化生产线（简称刚性自动线）是用工件输送系统将各种刚性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。

适用范围：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。因此，刚性自动线具有很高的自动化程度，具有统一的控制系统和严格的生产节奏。第二节机械制造自动化的类型刚性综合自动化系统

特点：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），对于其他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。包括上述内容的复杂大系统称为刚性综合自动化系统。

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。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。第二节机械制造自动化的类型数控机床

特点：数控机床（NumericalControlMachineTools）用来完成零件一个工序的自动化循环加工。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，且重复性好的场合。第二节机械制造自动化的类型加工中心

特点：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。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。第二节机械制造自动化的类型柔性制造单元

特点：柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell-FMC）是一种由1～3台计算机数控机床或加工中心所组成，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。

主要优点：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。就其应用范围而言，柔性制造单元常用于品种变化不是很大、生产批量中等的生产场合。第二节机械制造自动化的类型柔性制造系统

特点：一个柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem-FMS）一般由四部分组成：两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）和一个由多级计算机组成的控制和管理系统。到目前为止，柔性制造系统是最复杂、自动化程度最高的单一性质的制造系统。柔性制造系统内部一般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。第二节机械制造自动化的类型柔性制造系统的主要优点：

1)可以减少机床操作人员。

2)由于配有质量检测和反馈控制装置，零件的加工质量很高。

3)工序集中，可以有效减少生产面积。

4)与立体仓库相配合，可以实现24h连续工作。

5)由于集中作业，可以减少加工时间。

6)易于和管理信息系统（MIS）、工艺信息系统 （TIS）及质量信息系统（QIS）结合形成更高级的制 造自动化系统。第二节机械制造自动化的类型柔性制造系统的主要缺点：

1)系统投资大，投资回收期长。

2)系统结构复杂，对操作人员的要求很高。

3)结构复杂使得系统的可靠性较差。一般情况下，柔性制造系统适用于品种变化不大，批量在200～2500件的中等批量生产。宝马汽车制造过程第二节机械制造自动化的类型第三节机械制造自动化发展及趋势一、机械制造自动化的发展历程

自动化的历史可以追溯到2500年前工具机（一种原始的转动器具）的出现，应用它，工匠们能以木材或其它硬性材料生产出较复杂的圆形产品。自18世纪中叶瓦特发明蒸汽机而引发工业革命以来，自动化技术就伴随着机械化得到了迅速发展。从其发展历程看，自动化技术大约经历了四个发展阶段： 第一阶段：从1870年到1950年左右；（电液控制） 第二阶段：从1952年到1965年；（数控技术） 第三阶段：从1967年到20世纪80年代中期；（柔性制造） 第四阶段：从20世纪80年代至今。（计算机集成制造等）机械制造自动化发展历史

1947年,美国福特汽车公司正式使用“自动化”一词，其含义是指加工采取连续的方式，生产过程流水式地自动运行。

1870年自动制螺丝机（美国）

1895年多轴自动车床（美国）

1924年机械加工自动线（英国）

1935年汽车发动机气缸套加工自动线（苏联）

1946年底特律机械加工自动线（美国）成组生产工艺思想(苏联)1950年汽车活塞自动化工厂（苏联）第三节机械制造自动化发展及趋势1951年数控铣床（美国）1958年加工中心（美国）1959年适应性控制铣床（英国）1960年计算机辅助设计(CAD)（美国）1965年计算机数控(CNC)机床（美国）1967年可变制造系统（英国）1968年群控系统(DNC)（美,英，日）

成组生产工艺思想(苏联)1969年工业机器人操作的焊接自动线（美国）1974年计算机集成制造系统（美国）1980年无人化机械制造厂（日本）

柔性化白车身制造第三节机械制造自动化发展及趋势机械制造自动化发展历史——中国篇

4000年前自动定向指南针

3000年前自动计时的铜壶滴漏

2000年前指南车，自动送料的“水转翻车” 东汉“浑象”天象仪，候风地动仪 西汉水力驱动，凸轮机构的四工位自动机

唐代筒车北宋水运仪象台南宋捻麻纱机明代蓄力驱动立式车削，磨削清代……民国……1949……第三节机械制造自动化发展及趋势二、信息化带动机械制造自动化

信息化是现代制造技术的首要特征。面对新的知识/产业经济环境、竞争激烈的市场和迅速发展的信息技术，制造业日益信息化，形成了决策、研究开发、设计、制造、营销、管理技术与计算机、网络通信技术相融合的信息化制造技术。制造技术的信息化带动了自动化的发展，改变了传统制造自动化的概念，使得产品生命周期明显缩短、产品品种日益增多、产品成本结构发生变化、产品交货期不断缩短。因此，现代制造企业能否实现产品上市快、质量好、成本低、服务好、环保好（Time、Quality、Cost、Service、Environment，TQCSE）五大要素将成为赢得市场竞争的关键。第三节机械制造自动化发展及趋势

1.制造系统的信息化

制造系统的信息化——就是将信息技术运用于制造系统产品生命周期全过程和企业运行管理的各个环节中，将制造系统的信息以及信息传输方式规范化、数字化、集成化，提高信息的综合利用价值，从而全面提高企业的市场竞争能力的过程。机械制造过程可看成是一个信息产生、处理和加工的过程。。制造系统中的信息流动。第三节机械制造自动化发展及趋势制造系统信息的分类与关系(功能活动分类)

第三节机械制造自动化发展及趋势制造系统信息的分类与关系(生产方式分类)

人工输入自动生成半自动生成(使用范围分类)

全局信息局部信息第三节机械制造自动化发展及趋势制造系统信息化的相关支持技术支撑技术信息化设计技术信息化管理技术信息化制造技术网络，数据库CAD，CAE，CAPP，CAM，PDMERP(EnterpriseResourcePlanning)CRM(Customer

Relationship

Management)SCM(SupplyChainManagement)NC,FMT第三节机械制造自动化发展及趋势制造信息系统的逻辑结构

第三节机械制造自动化发展及趋势2.机械制造业方式的转变

进入20世纪80年代以来，随着制造业信息化进程的推进，计算机集成制造系统、并行工程、精良生产、敏捷制造、智能制造等许多新概念、新思想和新模式不断出现，这些先进的制造模式促使了机械制造业方式的转变，其中有些已得到广泛的应用并取得了良好的经济效益。第三节机械制造自动化发展及趋势（1）计算机集成制造（CIM）

美国学者JosephHarrington在1973年出版的《ComputerIntegratedManufacturing》一书中提出了计算机集成制造(CIM)的概念。它是以计算机网络和数据库为基础,通过计算机软、硬件将企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动与各种资源集成起来,实现整个企业的信息集成和功能集成。制造企业实现集成的益处就是避免了自动化孤岛的出现,具体来说体现在如下几点:1)减少数据冗余,实现信息共享。2)便于合理地规划和分布数据。3)便于进行规模优化。4)便于实施并行工程,提高工作效率和效益。第三节机械制造自动化发展及趋势（2）精良生产（LeanProduction，简称LP）精良生产(LeanProduction,LP)是20世纪50年代日本工程师根据当时日本的实际情况——国内市场很小,所需的汽车种类繁多,又没有足够的资金和外汇购买西方最新的生产技术,而在丰田汽车公司创造的一种新的生产方式，以最少投入来获得成本低、质量高、产品投放市场快、用户满足为目标。

其特点如下：1）强调人的作用和以“人”为中心。2）在需求驱动下，以简化为手段，追求实效的生产方式。3）不断改进，以“尽善尽美”为最终目标。第三节机械制造自动化发展及趋势（3）敏捷制造（AgileManufacturing，简称AM）

敏捷制造强调企业之间的合作，可快速地利用知识和技术提供的可能性及时抓住市