机械基础第9章.

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1、机械制造技术机械制造技术 第九章 先进制造技术 先进制造技术 9.1 先进制造技术的发展 9.2 成组技术（GT） 9.3 柔性制造系统（FMS） 9.4 计算机辅助工艺规程设计（CAPP ） 9.5 计算机集成制造系统（CIMS） 目前，随着电子、信息等高新技术的不断发展及市场需求个性化 与多样化，世界各国都把机械制造技术的研究和开发作为国家的关键 技术进行优先发展，将其他学科的高技术成果引入机械制造业中。 因此机械制造业的内涵与水平已今非昔比，它是基于先进制造技 术的现代制造产业。纵观现代机械制造技术的新发展，其重要特征主 要体现在它的绿色制造、计算机集成制造、柔性制造、虚拟制造、智 能制

2、造、并行工程、敏捷制造和网络制造等方面。 先进制造技术 9.1.1 先进制造技术的特征 （1）机械制造科学是由机械、计算机、信息、材料、自动化等学 科有机结合而发展起来的一门跨学科的综合科学，它随不同对象和时 间而改变功能结构及信息系统。 （2）柔性、集成、并行工作。现代机械制造系统具有多功能性和 信息密集性，能够制造生产成本与批量无关的产品，能按订单制造， 满足产品的个性要求。 （3）制造智能化。能够代替熟练工人的技艺，具有学习工程技术 人员多年实践经验和知识的能力，并用以解决生产实际问题。智能制 造系统能发挥人的创造能力和具有人的智能和技能，强调以人为系统 的主导者这一总的概念。在智能制造

3、系统中，智能和集成并列，集成 是智能的重要支撑，反过来智能又促进集成水平的提高。 9.1 先进制造技术的发展 9.1.1 先进制造技术的特征 （4）设计与工艺一体化。传统的制造工程设计和工艺分步实施， 造成了工艺从属于设计、工艺与设计脱离等现象，影响了制造技术的 发展。产品设计往往受到工艺条件的制约，受到制造可靠性、加工精 度、表面粗糙度、尺寸等限制。因此，设计与工艺必须密切结合，要 以工艺为突破口，形成设计与工艺的一体化。 （5）精密加工技术是关键。精密和超精密加工技术是衡量先进制 造技术水平的重要指标之一。当前，纳米加工技术代表了制造技术的 最高精度水平。 9.1 先进制造技术的发展 9.

4、1.1 先进制造技术的特征 （6）产品生命周期的全过程。现代制造技术是一个从产品概念开 始，到产品形成、使用，一直到处理报废的集成活动和系统。在产品 的设计中，不仅要进行结构设计、零件设计、装配设计，而且特别强 调拆卸设计。使产品报废处理时，能够进行材料的再循环。节约能源 ，保护环境。 （7）人、组织、技术三结合。现代制造技术强调人的创造性和作 用的永恒性，提出了由技术支撑转变为人、组织、技术的集成；强调 了经营管理、战略决策的作用。在制造工业战略决策中，提出了市场 驱动、需求牵引的概念，强调用户是核心，用户的需求是企业成功的 关键，并且强调快速响应市场需求的重要性。 9.1 先进制造技术的发

5、展 9.1.2 先进机械制造技术的内容和发展方向 9.1.2.1 绿色制造 GM 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。 绿色制造是可持续发展战略在制造业中的重要体现。其目标是使产品 在设计、制造、装配、运输、销售及使用的整个过程中努力做到资源 的优化利用、清洁生产和废弃物的最少化及综合利用。要力求实现切 削加工工艺的绿色化。 目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因 为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。 9.1 先进制造技术的发展 9.1.2.2 计算机集成制造 CIM CIM就是通过计算机实现信息集成，实现现代化的生产制造，求 得企业

6、的总体效益，使企业能够持续稳定的发展。随着计算机的普及 应用，计算机集成制造已成为规模生产的主要科技，企业从市场预测 、产品设计、加工制造、经营管理直至售后服务是一个不可分割的整 体，需要统筹考虑，集成制造主要指： （1）人员集成 管理者、设计者、制造者、保障者(负责质量、 销售、采购、服务等的人员)以及用户应集成为一个协调整体。 （2）信息集成 产品生命周期中各类信息的获取、表示、处理和 操作工具集成为一体，组成统一的管理控制系统。 （3）功能集成 产品生命周期中企业各部门功能集成以及产品开 发与外部协作企业间功能的集成。 （4）技术集成 产品开发全过程中涉及的多学科知识以及各种技 术、方法

7、的集成，形成集成的知识库和方法库，以利CIMS的实施。 9.1 先进制造技术的发展 9.2.1 成组技术的概念 市场竞争日益激烈，产品更新换代越来越快。多品种、中小批生 产方式约占75%80%，产品的生产效率低、成本高、市场竞争能力差 。如何用规模生产方式组织中小批产品的生产成组技术就是针对 这种需求而发展起来的一种先进技术。 成组技术遵循事物的相似性，把许多具有相似信息的问题汇归成 组（族），以求用同一的方法来解决，达到节省时间、提高效率、降 低成本的目的。而成组工艺就是把相似的零件组成一个零件组（族） ，按零件组制定统一的加工方案，从而扩大了批量，就可以采用高效 率的生产方法。 成组技术的

8、实质：利用相似性，扩大生产批量。 9.2 成组技术 9.2.1 成组技术的概念 零件的相似性是指零件所具有的特征的相似性，可分为结构、 材料和工艺等方面的相似性。 9.2 成组技术 9.2.2 零件组的划分 （1）目测法 取决于个人经验，带有主观性和片面性。 （2）生产流程分析法 分析零件的生产流程，进行分类。 （3）编码分类法 采用零件编码系统进行分类，有助于实现计算 机辅助编码。分类前需做工作： 选用或制定零件分类编码系统，对零件进行编码。 确定各零件族的相似性标准，按编码系统建立各零件族的相似 特征矩阵。 相似性的标准与分类的目的和要求密切相关。 9.2 成组技术 9.2.3 成组工艺规

9、程 （1）目测法 取决于个人经验，带有主观性和片面性。 （2）生产流程分析法 分析零件的生产流程，进行分类。 （3）编码分类法 采用零件编码系统进行分类，有助于实现计算 机辅助编码。分类前需做工作： 选用或制定零件分类编码系统，对零件进行编码。 确定各零件族的相似性标准，按编码系统建立各零件族的相似 特征矩阵。 相似性的标准与分类的目的和要求密切相关。 9.2 成组技术 9.2.4 成组工艺的组织形式 9.2.4.1 成组加工单机 成组加工单机是把一组工序相同或相似的零件族集中在一台机床 上加工。 特点：针对从毛坯到成品多数工序可以在同一类型的设备上完成 的工件，也可以只完成其中某几道工序。

10、功用：成组技术的最初形式，是成组技术发展的基础；减少机床 调整时间，有一定经济效果。 9.2 成组技术 9.2.4.2 成组生产单元 成组生产单元指一组或几组工艺上相似零件的全部工艺过程，由 相应的一组机床完成，该组机床即构成车间的一个封闭生产单元。 特点：把几种类型机床组成一个封闭的生产系统，完成一组或几 组相似零件的全部工艺过程。有一定的独立性，并有明确的职责。 功用：设备利用率高、缩短了生产周期、简化了生产管理。 9.2 成组技术 9.2.4.3 成组加工生产线或成组加工柔性制造系统 成组加工生产线或成组加工柔性制造系统是严格地按零件组的工 艺过程组织起来，零件组的工序全部由成组加工机床

11、完成，其自动化 程度和生产率大大提高。 特点：在线上各工序节拍是相互一致的，所以其工作过程是连续 而有节奏地进行的。 功用：缩短零件的生产时间和减少在制品数量。 9.2 成组技术 传统的生产工艺只有在品种单一、批量大、设备专用、工艺稳定 及效率高,才能构成规模经济效益。反之,多品种、小批量生产,设备 的专用性低,在加工形式相似的情况下,频繁的调整工具夹,工艺稳定 难度增大,生产效率势必受到影响。 为了同时提高制造工业的柔性和生产效率,使之在保证产品质量 的前提下,缩短产品生产周期,降低产品成本,最终使中小批量生产能 与大批量生产抗衡,柔性自动化系统便应运而生。 9.3 柔性制造系统 9.3.1

12、 柔性制造系统的概念 柔性制造系统由计算机集成管理和控制、高效率地制造某一类中 小批量多品种零部件的自动化制造系统。 它是由数字控制加工设备、物料储运系统和信息控制系统等三个 子系统组成的。 能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，以适宜于多品种、 中小批量生产，能适应加工对象变换，在加工自动化的基础上实现物 料流和信息流的自动化。 9.3 柔性制造系统 9.3.2 柔性制造系统的特点 （1）适应加工零件生产数量和工艺要求的变化。 （2）具有高度的自动化程度、稳定性和可靠性，能实现24小时无 人自动连续运转。 （3）大大改善操作人员的工作条件。 （4）提高设备的利用率，减小调整、准备等辅助时间

13、。 （5）降低直接劳动成本，提高经济效益。 （6）提高生产率。 9.3 柔性制造系统 9.3.3 柔性制造系统的功能 （1）自动完成多品种多工序零件的加工 （2）自动输送和储料 （3）自动诊断 （4）信息处理 编制生产计划和生产管理程序，进行可变加工，实现均衡生产 。 编制数控机床输送装置、储料装置及其他设备的工作程序，从 而实现自动加工、自动输送和自动储料。 生产、工程信息的论证及其数据库的建立。 9.3 柔性制造系统 柔性制造系统实例 9.3 柔性制造系统 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

14、 络 工夹具站 9.4.1 CAPP系统的功能 计算机辅助工艺规程设计（CAPP）是指工程技术人员以计算机为 工具，根据产品设计所给出的信息，对产品的加工方法和制造过程进 行的工艺设计。 一般认为，CAPP的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工艺路线 制定、工序设计和工时定额计算等。其中，工序设计又包括装夹设备 的选择或设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、刀具、夹具 的选择和生成必要的工序图等。 CAPP是计算机辅助制造的重要环节，是连接计算机辅助制造和计 算机辅助设计的纽带，在现代机械制造业中有重要的作用。 9.4 计算机辅助工艺规程设计 9.4.2 CAPP系统的基本功能 （1）零件信

15、息的输入 零件信息是CAPP系统进行工艺过程设计的 依据和对象，零件信息的描述和输入是CAPP系统的重要组成部分。 （2）工艺决策 工艺决策是以零件信息为依据，按预先规定的决 策逻辑，调用相关的知识和数据，进行必要的比较、推理和决策，生 成所需要的零件加工工艺规程。 （3）工艺数据/知识库 工艺数据库和知识库是CAPP系统的支撑 工具，包含了工艺设计所要求的工艺数据和规则。 9.4 计算机辅助工艺规程设计 9.4.2 CAPP系统的基本功能 （4）人机界面 人机交换界面是用户的操作平台，包括系统菜单 ，工艺设计界面，工艺数据/知识输入界面，工艺文件的显示。编辑 和管理界面等。 （5）工艺文件管理和输出 一个CAPP系统可能拥有成百上千个工 艺文件，如何管理和维护这些文件，按什么格式输出这些文件，是 CAPP 系统所需要完成的重要内容。工艺文件的输出包括文件的格式 化显示和打印输出等内容。 9.4 计算机辅助工艺规程设计 9.4.3 CAPP的现状和发展趋势 我国对CAPP的研究始于20世纪80年代初，近年来取得了很大的成 绩，但还存在一些问题有待解决和完善。主要表现在以下四个方面： （1）CAPP系统零件信息的描述与输