制造自动化技术

第四章制造自动化技术第一节制造自动化技术概述本节讲述的主要内容制造自动化的定义及内涵制造自动化的组成及所涉及的学科制造自动化技术的发展历程制造自动化技术的国内外研究现状制造自动化的关键技术制造自动化技术的发展趋势制造自动化的定义及内涵制造自动化＝制造＋自动化制造－－目前对制造有两种理解：一是通常的制造概念，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。制造自动化的定义及内涵自动化－－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”。这实质是早期制造自动化的概念。制造自动化的定义及内涵制造自动化(以下简称自动化)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。后来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。制造自动化的广义内涵(1)在形式方面，制造自动化有三个方面的含义：①代替人的体力劳动。②代替或辅助人的脑力劳动。③制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。制造自动化的广义内涵(2)在功能方面，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系的一部分。制造自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。此体系可用如右图所示的功能目标模型描述。TQCSE模型T表示时间(Time)，Q表示质量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服务(Service)，E表示环境友善性(Environment)。制造自动化的广义内涵在TQCSE模型中：T有两方面的含义，一是指采用自动化技术，能缩短产品制造周期，产品上市快；二是提高生产率。Q的含义是采用自动化系统，能提高和保证产品质量。C的含义是采用自动化技术能有效地降低成本，提高经济效益。S也有两方面的含义，一是利用自动化技术，更好地做好市场服务工作；二是利用自动化技术，替代或减轻制造人员的体力和脑力劳动，直接为制造人员服务。E的含义是制造自动化应该有利于充分利用资源，减少废弃物和环境污染，有利于实现绿色制造。制造自动化的广义内涵(3)在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而是涉及产品生命周期所有过程。本节讲述的主要内容制造自动化的定义及内涵制造自动化的组成及所涉及的学科制造自动化技术的发展历程制造自动化技术的国内外研究现状制造自动化的关键技术制造自动化技术的发展趋势制造自动化的组成广义地讲，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装备和高素质的人员组成的一个有机整体。自动化制造系统具有五个典型组成部分：•一定范围的被加工对象；•具有一定技术水平和决策能力的人；•信息流及其控制系统；•能量流及其控制系统：•物料流及物料处理系统。制造自动化技术涉及的学科范围制造自动化技术涉及的学科范围很宽，其核心仍是制造科学和技术，其学科领域主要有：系统工程学、设计与制造科学、质量控制工程、信息科学、计算机科学、人机工程学、生产管理、自动控制理论、运筹学、工业工程、规划论、电气工程、技术经济学等。本节讲述的主要内容制造自动化的定义及内涵制造自动化的组成及所涉及的学科制造自动化技术的发展历程制造自动化技术的国内外研究现状制造自动化的关键技术制造自动化技术的发展趋势制造生产和制造自动化的发展简史制造自动化技术的发展历程回顾历史，制造自动化技术服务的生产模式经历了三个主要发展阶段:1．用机器代替手工，从作坊形成工厂。2．从单件生产方式发展到大量生产方式。3．从大量生产方式发展到多品种、小批量的柔性化、集成化生产方式。1760年由于蒸汽机的出现而导致的工业革命揭开了工业化的序幕，从此使制造技术进人了第一阶段。制造自动化技术的发展历程20世纪初，泰勒提出了以劳动分工为基础的科学管理理论，继而福特运用泰勒的理论，找到了克服单件生产方式弱点的方法，在福特汽车公司实现了流水装配线生产，从此开始了代表本世纪工业文明的、以高效自动化专用设备和流水线生产为特征的大量生产方式。到20世纪中期，这种生产方式发展到了顶峰。随着科学技术的发展，新产品不断出现，产品的复杂程度也随之增高，而产品的市场寿命却日益缩短，使大量生产方式受到巨大的挑战。制造自动化技术的发展历程1952年美国麻省理工学院研制出的第一台数控铣床揭开了柔性自动化的序幕，70年代初柔性自动化进人了生产实用阶段；近20多年来，柔性自动化有了飞速的发展，从单台数控机床到加工中心、DNC、柔性制造单元、柔性制造系统和计算机集成制造系统，到90年代更是向敏捷化、网络化、虚拟化、智能化等方向发展。制造自动化技术的发展历程分析上述生产模式的发展历史和发展趋势，可以看出，制造自动化的历史和发展可分为五个台阶。制造自动化技术的发展历程第一台阶：刚性自动化，包括刚性自动线和自动单机。本台阶在20世纪40一50年代已相当成熟。应用传统的机械设计与制造工艺方法，采用专用机床和组合机床、自动单机或自动化生产线进行大批量生产。其特征是高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。引人的新技术包括继电器程序控制、组合机床等。制造自动化技术的发展历程第二台阶：数控加工，包括数控（NC）和计算机数控（CNC）。本台阶中的数控(NC）在50一70年代发展迅速并已成熟，但到了70一80年代，由于计算机技术的迅速发展，它迅速被计算机数控(CNC）取代。数控加工设备包括数控机床、加工中心等。数控加工的特点是柔性好、加工质量高，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的生产。引人的新技术包括数控技术、计算机编程技术等。制造自动化技术的发展历程第三台阶：柔性制造。本台阶特征是强调制造过程的柔性和高效率。适应于多品种、中小批量的生产。涉及的主要技术包括成组技术(GT)、计算机直接数控和分布式数控(DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线(FML)、离散系统理论和方法、仿真技术、车间计划与控制、制造过程监控技术、计算机控制与通信网络等等。制造自动化技术的发展历程第四台阶：计算机集成制造（CIM）和计算机集成制造系统（CIMS）。CIMS既可看作是制造自动化发展的一个新阶段，又可看作是包含制造自动化系统的一个更高层次的系统。CIMS在80年代以来得到迅速发展，而今正方兴未艾。其特征是强调制造全过程的系统性和集成性，以解决现代企业生存与竟争的TQCS问题，即产品上市快（Time）、质量好（Quality）、成本低（cost）和服务好(Service）。CIMS涉及的学科和技术非常广泛，包括现代制造技术、管理技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术等。制造自动化技术的发展历程第五台阶：新的制造自动化模式，如智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造、绿色制造等。上述新的制造自动化模式是在20世纪末提出并开展研究的，是制造自动化面向21世纪的发展方向。本节讲述的主要内容制造自动化的定义及内涵制造自动化的组成及所涉及的学科制造自动化技术的发展历程制造自动化技术的国内外研究现状制造自动化的关键技术制造自动化技术的发展趋势制造自动化技术的研究现状国内外对制造自动化技术的研究非常重视，主要表现在以下一些方面：•1．单元系统的研究占有很重要的位置•2．制造过程的计划和调度研究十分活跃，但实用化的成果还不多见•3．柔性制造技术的研究向着深度和广度发展•4．制造系统的系统技术和集成技术已成为制造自动化研究中热点问题•5．更加注重制造自动化系统中人因作用的研究•6．适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起•7．底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃制造自动化技术的研究现状1．单元系统的研究占有很重要的位置•以一台或多台数控加工设备和物料储运系统为主体的单元系统在计算机统一控制管理下，可进行多品种、中小批量零件自动化加工生产，它是现代集成制造系统的重要组成部分，是自动化工厂车间作业计划的分解决策层和具体执行机构。美国(ManufacturingEngineering)高级编辑Robert.B．Aronson专门发表综合评述文章《数控单元(系统)的最新进展》，对数控单元系统的发展状况进行了综述，指出：“单元(系统)目前已经开始影响和支配着美国制造业”。近年来，对基于多主体(Multi-Agent)的单元化制造系统的研究也正在兴起。制造自动化技术的研究现状2．制造过程的计划和调度研究十分活跃，但实用化的成果还不多见•Ingersoll公司曾分析了在传统的制造工厂中从原材料进厂到产品出厂的制造过程，结果表明，对一个机械零件：来说，只有5％的时间是在机床上，而另外的95％时间中，零件在不同的地方和不同的机床之间运输或等待。减少这95％的时间，是提高制造生产率的重要方向。优化制造过程的计划和调度是减少95％的时间的主要手段。有鉴于此，国内外对制造过程的计划和调度的研究非常活跃，已发表了大量研究论文和研究成果。制造自动化技术的研究现状3．柔性制造技术的研究向着深度和广度发展•FMS的研究已有较长历史，但由于其复杂性和不断地发展，至今仍有大量学者对此进行研究。目前的研究主要围绕FMS的系统结构、控制、管理和优化运行等方面进行。DNC技术近年来得到了很大发展。早期的DNC是指DirectedNumericalControl，即计算机直接数控。目前DNC包括两种情况：一是为计算机直接数控，另一是指DistributedNumericalControl，即分布式数控。分布式数控强调信息的集成与信息流的自动化，物料流的控制与执行可大量介入人机交互。相对FMS来说，DNC具有投资小、见效快、柔性好和可靠性高等特点，因而近年来的研究非常活跃。制造自动化技术的研究现状4．制造系统的系统技术和集成技术已成为制造自动化研究中热点问题•近年来，在单元技术和专门技术(如控制技术、计算机辅助技术)继续发展的同时，制造系统中的集成技术和系统技术的研究已成为制造自动化研究中的热点。其中集成技术包括制造系统中的信息集成和功能集成技术(如CIMS)、过程集成技术(如并行工程CE)、企业间集成技术(如敏捷制造AM)等：系统技术包括制造系统分析技术、制造系统建模技术、制造系统运筹技术、制造系统管理技术和制造系统优化技术等等。制造自动化技术的研究现状5．更加注重制造自动化系统中人因作用的研究•在过去一段时期，人们曾认为全盘自动化和无人化工厂或车间是制造自动化发展的目标。随着实践的深入和一些无人化工厂实施的失败，人们对无人化制造自动化问题进行了反思，并对于人在制造自动化系统中有着机器不可替代的重要作用进行了重新认识。近年来，提出了“人机一体化制造系统”、“以人为中心的制造系统”等新思想，其内涵就是发挥人的核心作用，采用人机一体的技术路线，将人作为系统结构中的有机组成部分，使人与机器处于优化合作的地位，实现制造系统中人与机器一体化的人机集成的决策机制，以取得制造系统的最佳效益。制造自动化技术的研究现状6．适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起•当前，并行工程(ConcurrentEngineering)、精益生产(LeanProduction)、敏捷制造(AgileManufacturing)、虚拟制造(VirtualManufacturing)、仿生制造(BoinicManufacturing)和绿色制造(GreenManufacturing)等现代制造模式的提出和研究推动了制造自动化技术研究和应用的发展，以适应现代制造模式应用的需要。围绕敏捷制造这一21世纪占主导地位的制造模