第18章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2机械制造技术基础18.1柔性自动化加工技术3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，FMSCAD/CAM系统，MRPⅡ，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4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5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6柔性制造系统本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统（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7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8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9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10◆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11◆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12◆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13◆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14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（20～30种居多）生产零件的批量由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15FMS应用品种零件品种、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柔性制造系统16机械制造技术基础第18章先进制造技术AdvancedManufacturingTechnology18.2现代集成制造系统17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。18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。19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CIMS20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）。Real21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）资源责任顾客组织共享知识系统制造资源22NetworkDB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…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）23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24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RapidPrototypingManufacturing,RPM25RPM技术原理快速原型制造技术的原理26RPM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27选择性液体固化立体光刻工艺原理图28分层实体制造工艺原理图选择性层片粘接29选择性激光烧结原理图选择性粉末熔结／粘接30熔融挤压成形方法挤压成形31RPM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。32机械制造技术基础18.4先进制造技术AdvancedManufacturingTechnology33AMT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”，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）34AMT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35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36AMT内涵与体系结构至今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37AMT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38