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1、现代制造技术,第1章 制造技术概述Introduction of Manufacturing Technology,狭义理解：生产过程从原材料成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）。,广义理解：制造=生产,美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业列为制造业。,国际生产工程学会（International Institution for Proudction Engineering Research CIRP）定义：制造包括制造企业的产品设计、材料选择、制造生产、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的运作和活动。,1.1.1 生产与
2、制造,表1-1 第一、二、三产业的划分,1.1.1 生产与制造,制造技术,在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术。,与大、小制造概念相对应，对于制造技术的理解也有广义和狭义之分。广义理解制造技术涉及生产活动的各个方面和生产的全过程，制造技术被认为是一个从产品概念到最终产品的集成活动，是一个功能体系和信息处理系统。,1.1.2 制造技术,在商品经济高度发展的今天，科学与技术的界限开始变得模糊，纯粹的科学研究不断萎缩,原因是得不到足够的经费支持，许多科学研究从一开始就有明确的应用前景（例如:超导技术、克隆技术等）。,科学 认识世界，基本方法是“分析”，基本形式为“
3、发现、揭示”。技术 改造世界，基本方法是“综合”，基本形式为“发明、创造、改进”。,1.1.2 制造技术,制造系统结构,1.1.3 制造系统,制造系统特性,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(生产信息、制造技术)支持。,1.1.3 制造系统,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。,1.1.3 制造系统,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产品的工作程序（图1-6）,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。,1.1.3 制造系统,制造系统的物质流与信息流,1.1.3 制造系统,1.2.
4、1 制造业的发展,17世纪60年代，瓦特改进蒸汽机，标志第一次工业革命兴起，工业化大生产从此开始 18世纪中，麦克斯韦尔建立电磁场理论，电气化时代开始 20世纪初，福特汽车生产线，泰勒科学管理方法，标志自动化时代到来（以大量生产为特征Mass Production）二战后，计算机、微电子技术，信息技术及软科学的发展，以及市场竞争的加剧和市场需求多样性的趋势，使中小批量生产自动化成为可能，并产生了综合自动化和许多新的制造哲理与生产模式。进入21世纪，制造技术向自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化和清洁化的方向发展。,1.2.2 制造业在国民经济中的地位,国民经济的支柱产业，国民经济总收入的60
5、%以上来自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。美国：约1/4人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关。,日本由于重视制造业，二次大战后30年时间，发展成为世界经济大国。,1.2.2 制造业在国民经济中的地位,图1-8显示了当今制造业的社会功能。,1.2.2 制造业在国民经济中的地位,1963年,1983年,美日两国汽车产量在世界市场所占份额,图1-9 美日两国汽车产量变化,1.2.2 制造业在国民经济中的地位,东芝事件,图1-10 多轴数控机床改进核潜艇性能,中国每年进口额为亿美元，其中即亿人民币是买外国的生产线和各种工农业、服务业的机械化、自动化装备。精密的自动化
6、生产装备大部分或几乎全部依赖进口。数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术。而我国大多数企业目前还采用较落后的制造工艺与技术装备进行生产，优质高效低耗工艺的普及率不足，数控机床、精密设备不足，高档数控机床的以上依赖进口。我国在大型成套装备技术方面严重落后，的光纤制造设备、的集成电路制造设备、的石化装备、的轿车工业装备都要依赖进口。,1.3.1我国制造业与世界发达国家的差距,1.3.2我国制造业存在的主要问题,产品创新能力较差，开发周期较长。我国大中型企业产的2000多种主导产品平均生命周期为.年，而发达国家为年。新产品开发周期我国为1-2年，而发达国家只需-个月。我国有以上的企业生产能力利
7、用不足或严重不足，但同时每年还要进口数以千亿美元国内短缺的产品。生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低。我国平均劳动生产率为0.263万$，而美国9.37万$、日本10.47万$、印度0.34万$；我国的能源综合利用率仅为左右，比国外的先进水平低个多百分点；我国每万元国民生产总值的能耗比发达国家高倍多，主要产品单位能耗比发达国家高，工业排放的污染物超过发达国家的倍以上。企业管理粗放，协作能力较差，国际市场开拓能力弱。企业机构臃肿，富裕人员一般多达。我国机械工业的专业化水平仅为，而美国、西欧诸国、日本企业的专业化水平已经达到。经过20多年的努力，我国出口商品占世界市场的份额已经从0.5提高到
8、目前的3.5，但根据近年的统计数据分析，高附加值和高技术含量的出口商品仅占我国出口商品总量的左右，均为原材料和初级产品。,1.3.3 机遇和挑战,困难：技术上落后，资金不足，资源短缺，管理体制、周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机）机遇：中国已加入WTO；制造业的世界格局已经和正在发生重大变化，欧、亚、美三分天下局面正在形成，世界经济重心开始向亚洲转移已出现征兆，制造业的产品结构、生产模式也在迅速变革之中,1.3.3 我国机械制造业面临的机遇和挑战,神州5号,图1-11 神州5号宇宙飞船,第2章 大批量与多品种中小批量的制造技术Large Scale Production and Mul
9、ti-type Middle or Small Batch Production,“技艺”型生产时代工业革命开始至20世纪初，机器代替人力成为生产主要方式，但仍以作坊式的单件生产为主，由于机器精度不高，产品质量主要靠从业人员的技艺来保证 大批量生产方式（Mass Production）1913年，1913年，福特汽车公司在底特律建立了世界上第一条自动生产线，标志大批量生产时代的开始 技艺不再重要由于机器精度的提高，加上互换性原理的推行，加工和装配工作变得简单大批量生产方式特点生产周期短，生产效率高，生产成本低，产品质量好,当市场竞争以产品质量和生产成本为决定因素时，大批量生产方式显示了巨大的优
10、越性。与中小批量生产相比，大批量生产可取得明显的经济效果，这就是所谓的“批量法则”（Batch Rule）。批量法则以成本分析为基础。产品在其全生命周期内的总生产成本可近似表达为：,式中 CA 产品全生命周期总生产成本；CF 固定成本；CV 生产单位产品可变成本；Q 生产产品总数量；k 大于1的指数。,（1-1）,单件产品平均生产成本CS为：,（1-2）,对式（1-2）求导，并令其导数为0，可得到最低单件成本对应的产量Q0：,（1-3）,Q0称为最优生产规模。这一现象首先在汽车工业生产中被发现。,根据批量法则，为了取得良好的经济效益，除合理地扩大产品的产量外，组织专业化协作生产是一种行之有效的
11、方法。专业化协作生产形式,基础零部件专业化生产 毛坯专业化生产 中小零件专业化生产 工艺专业化协作 生活服务社会化,批量法则 在大批量生产中，由于采用专用、高效和自动化的生产设备，可以获得高的生产率，低的生产成本，短的生产周期；而多品种、小批量生产则相反。机床利用率 例：CA6140 车床，最大加工直径400，实际加工 90 以上工件直径不足 100mm，机床利用率极低。制造周期 在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约5，其余 95均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间不足30%。,目前，单件小批量生产的产品占机械产品总数的 70 以上，并有继续增大的趋势。解决多品种、中小
12、批量生产的有效途径是采用 GT。,结构（形状、尺寸、精度）材料（材质、毛坯、热处理）工艺（加工方法、加工设备）,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三个方面：,2.2.2 成组技术（Group TechnologyGT）,标准件,复杂件,相似件,2025%,70%,510%,图2-3机械产品中不同复杂程度零件分布规律,图2-4结构相似零件组,图2-5工艺相似零件组,一般性定义：GT是一门生产技术科学，研究和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得最佳效果。,机械制造领域中定义：将多种零件（部件或产品
13、）按其相似性分类成组，并以这些零件组（部件组或产品组）为基础组织生产，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。,GT 被认为是一种“制造哲理”（Manufacturing Philosophy），是现代制造技术的一个重要理论基础。,将多种零件按其相似性分类成组，人为扩大生产批量,重复使用原则：资源重复使用，降低生产成本；作业熟练程度增加，提高生产率。,20世纪 50年代，前苏联院士 在其著作“成组工艺科学原理”中首次提出“成组技术”。20世纪 60年代西欧研究 GT 形成高潮，代表人物首推德国阿亨工业大学 Opitz 教授，他所领导的小组进行了大量的调查研究工作，领导制
14、定了“工件分类编码系统”为成组技术提供了重要的理论依据。20世纪 70年代，美国、日本接受成组技术，并迅速与计算机技术联系在一起，使其得到更好的应用。20世纪 80、90年代，GT 与各种新的制造方式相结合，成为现代制造技术的基础。GT发展过程：成组加工成组工艺成组技术成组生产系统,20世纪50末、60初学习苏联，首先在纺织机械行业试点实行，有清华大学、西安交大等高校参与。20世纪60年代中期以后，由于文化大革命，国民经济陷入混乱状态，GT 无从谈起。20世纪70末、80初，文革以后，自上而下推行，机械部推出 4 个试点单位，并组织制定了两个编码系统（JCBM-1，JLBM-1），对 GT 发
15、展起到了推动作用。20世纪80年代中期后，计划经济向市场经济转轨，采用 GT 成为企业自发的行为。,基本概念零件分类编码系统是用字符（数字、字母或符号）对零件有关特征进行描述和识别的一套特定的规则和依据。,Opitz 分类编码系统（图2-7，2-8，2-9）,JLBM-1 分类编码系统（图2-10）,分类编码系统简介,图2-7 Opitz 分类编码系统,图2-8 Opitz 分类编码系统回转体零件形状码,图2-10 JLBM-1 分类编码系统,图2-11 压盖零件编码（001021103050736),1）综合零件法 综合零件包含了零件组内所有零件的结构要素，它可以是一个实际零件，但更多情况是
16、一个假想零件。,按综合零件编制工艺规程，则该工艺规程包含了零件组内所有零件的工艺内容。,综合零件法多用于回转体零件的成组工艺过程设计。,2）综合路线法 将零件组内所有零件的工艺内容综合在一起，形成成组工艺。多用于非回转体零件的成组工艺过程设计。,综合零件,图2-12 综合零件,实际零件,【例】,1）加工单元组织形式 成组单机 成组单元 成组流水线 成组柔性制造系统,图1-24 成组单元布置形式,2）确定机床数量,式中 Qj计算的机床台数 Ni 第 i 种零件年需求量 tij 第 i 种零件在第 j 种机床上的单件工时 F 机床年台时基数,（4-4）,式中 M 班次 K 开机系数，常取0.90.
17、95,计算机床台数：,一般要求：0.85,负荷调整与平衡：负荷过低，可几个单元共用一台机床 也可扩大单元内零件组数或组内零件数,机床负荷率：,（4-6）,实际机床台数：,利用零件编码，检索相似零件，减小重复设计工作量（据统计，一项新产品中有70%以上的零件设计可以借鉴或直接引用原有的设计）。同样利用产品和部件的继承性，对产品及部件进行编码，通过检索、调出和利用已有相类似设计，可显著减少新设计的工作量（参数化设计技术的发展使这一效果更加显著）。,零件标准化内容,提高设计标准化程度 设计标准化是工艺标准化的前提。,零件结构标准化等级与标准化要素之间的关系：,设计标准化与工艺标准化的关系：,成组生产
18、单元是一种先进的生产组织形式，在成组生产单元内，零件加工过程被封闭起来，责、权、利集中在一起，生产人员不仅负责加工，而且共同参与生产管理与生产决策活动，使其积极性能够得到充分发挥。按成组工艺进行加工，可使零件加工流向相同，这不仅有利于减少工件运动距离，在安排作业计划时，也有规则可循。,要求按工艺相似零件组（而非按产品）安排生产计划，需要打破旧的生产计划方式，而代之以按零件组安排生产进度计划。除了要转变传统观念以外，采用计算机辅助生产管理方法也是必要的。,2.2.3柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS）,概念：FMS是由计算机控制的、以数控机床（NC）和
19、加工中心（MC）为基础、适应多品种中小批量生产的自动化制造系统特点可同时加工多种不同工件一台机床加工完一种零件后可在不停机调整的条件下，按计算机指令转换加工另一种零件各机床之间的联系是灵活的，工件在机床间的传输无固定的流向和节拍,FMS的组成,硬件系统制造设备数控加工设备（如加工中心）测量机清洗机等。自动化储运设备传送带无人搬运车(Automated Guided Vehicle AGV)有轨小车搬运机械人立体库中央托盘库物料或刀具装卸站中央刀库等。计算机控制系统及网络通讯系统。软件系统系统支持软件操作系统网络操作系统数据库管理系统等。FMS运行控制系统动态调度系统实时故障诊断系统生产准备系统
20、物料（工件和刀具）管理控制系统等。,FMS的分类,按系统的规模分类柔性制造单元（FMC）是由计算机控制的数控机床或加工中心环形（圆形或椭圆形）托盘输送装置或工业机器人所组成可不停机转换工件进行连续生产。柔性制造系统是指由两台或两台以上的数控加工设备（CNC机床加工中心等）或柔性制造单元所组成配有物料自动输送装置自动上下料装置（运输及装载设备托盘库自动化仓库中央刀库等）。并由计算机综合控制功能数据管理功能生产计划和调度管理功能和监控功能等。柔性生产线（Flexible Manufacturing Line 简称为FML）是针对某种类型（系列）零件的具有专业化生产或成组化生产的特点。它由多台加工中心或数控机床组成其中有些机床带有一定的专用性全线机床按工件的工艺过程布局可以有生产节拍但它本质上是具柔性的是可变加工生产线的具有柔性系统的功能。,FMS的分类,按应用对象分类切削加工FMS。切削加工FMS占FMS的绝大部份。据统计分析在切削加工FMS中箱体类零件FMS占70其它类零件FMS占30。钣金加工FMS 焊接FMS 柔性装配系统等,FMS的分类,按照布局分类由于加工对象的不同厂房环境的不同系统设备的不同和用户要求的不同FMS的布局也是不同的。按照FMS的布局可分为以下几种类型如图所示。直线型 机器人型 环型,
