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1、F36-涂南-现代制造技术第一讲 制造系统入门（上）第二讲 制造系统入门（下）第三讲 制造系统的设计（上）第四讲 制造系统的设计（中）第五讲 制造系统的设计（下）第六讲 制造系统的控制第一讲 制造系统入门（上）我国制造业的总产值仅次于美国、日本、德国，居世界第4位，制造业总产值在国内生产总值中所占的比重一直维持在40%以上，中国财政收入的一半来自于制造业，制造业吸收了将近一半的城市就业人口，农村剩余劳动力转移也有将近一半流入了制造业，中国制造业总体规模仅相当于美国的1/5，劳动生产率只有美国的1/23，日本的1/25，德国的1/18。制造系统设计和控制课程主要介绍制造系统的设计与控制原理，将工
2、程学与管理学综合起来确定制造业的效率、费用、质量和柔性，内容包括工厂物理、质量、为制造而进行的系统设计和操作，除了基础知识以外，还着重讲解现代制造系统的发展方向，包括并行工程、敏捷制造、精益制造等几个方向。制造的定义人们通常所说的制造业就是普遍意义上理解的工厂，但是工厂不仅仅是一个单一的单元，而是一个系统，要把整个的工厂理解为一个系统，就要包括人造和天然因素。科技发展到今天，很多的系统都是来源于人造的系统，包括高速公路的系统等等，系统的优化和设计也是很多数学家所研究的主要方面，那么，制造系统到底是一个什么概念呢？什么是制造系统制造的定义就是：制造是把原料和信息转化为各种物品以满足人类需求的过程
3、。在这个定义上可以看到，制造业不仅仅要转化原料，还要把很多信息转化为大家需要的物品，特别是从20世纪90年代初网络高速发展以来，信息在制造业中的作用越来越重要。如今世界各地，无论是在生产、销售还是市场中，都把信息当作基本建设的模块，从广义上来讲，很多系统都可以作为一个制造系统的原型。【案例】大学广义上的制造系统非常多，比如可以把一所大学看作是一个制造系统，在一位学生整个4年的学习过程中，对于学校来说，其实是一个生产和制造人才的过程，学生进入学校后，就相当于一个没有加工的原始材料，在4年的学习中，通过老师的讲解、课堂的学习和课外的作业等一些方法的学习，最后成为一个合格的人才。其流程如下图所示：大
4、学的人才培养流程图传统的制造系统其整个的流程是：首先作市场的调查与研发，知道了市场需要什么样的产品以后，把这些最原始的市场需求转化成为概念设计，成为模块和纸上的原型，通过这些步骤就可以知道需要哪些真正的硬件。而且，除了外形设计以外，还要分析需要哪些部件，需要知道制造的过程以及装配和连接，包括最后的测试等等，最终，通过制造，整个产品成型后推向市场。下面是一个制造系统的分析和解释图，在图中，原材料进到制造系统后，通过工厂的操作、物料管理、检验加工等一系列的过程，引入设计和市场制造的计划，最后将成型的产品推向市场。图1-1 传统制造系统的流程图1-2 制造系统在中国，制造业的现状特点是： 规模小(很
5、多小工厂)：2004年世界500强前12个企业销售收入为24 028亿美元，超过中国国有及有规模的非国有企业（219 463个）的销售收入187 815亿元。 资本少(研发投入更少)：2005年中国制造业500强的平均研发投入只占这些企业主营业务收入的1.88%。而同期西方先进国家企业的研发投入则占主营业务收入的8%10%。 基础弱(先进的管理技术没有使用)：多数企业的业务流程不尽规范合理，部门岗位职责不尽明确，基础数据不全且不准确，规章制度不完善和现场管理不到位等问题也十分突出。中国在未来的30年发展过程中，制造业还是有巨大的发展前途的，不光是因为廉价的劳动力和受过良好教育的工程师，从另外一
6、个方面来讲，中国已经形成了制造产业链，包括很多零部件，也在中国生产和制造，加之中国的地理位置得天独厚，良好的政治环境和经济环境，从长远来讲制造业的发展前景非常广阔。现代制造系统的发展状况1并行工程（Concurrent engineering)并行工程的定义如下：并行工程是指从产品开发的初始阶段就由开发设计人员、工艺技术人员、质量控制人员、生产制造人员、营销人员，有时甚至还加上协作厂家、用户代表共同工作，使每个部门在产品开发初期就可以从各自的角度出发，评价设计是否合理、可行的一种工程。为了清楚的对并行工程的基本概念进行阐述，可通过下面的生产过程图来理解：图1-3 生产过程示意图由于制造系统的来
7、源是从用户的需求开始，从用户的需求到功能再到整个产品的物理领域，比如要生产一台电脑就需要对一些硬件和外形进行设计，因此产品的制造流程基本上分为四个领域：第一个是用户领域，就是从了解用户的需求开始；第二个是功能领域，就是从用户的需求到产品需要提供什么样的功能；第三个是物理领域，就是产品的功能怎么通过一些软件和硬件来实现；最后是流程，就是怎样通过生产制造把软件硬件装配到一起后提供一个比较完美的产品。制造系统的四个领域和四个层次如下：表1-1 制造系统的四个领域和四个层次表制造系统用户领域功能领域物理领域流程领域物料(Material)性能性质微结构步骤软件(Software)期望的特征计划的输出输
8、入变量子程序商业(Business)投资回报率商业目标商业结构资源组织(Organization)客户满意度功能计划办公室人力资源传统的生产是一个单方向的流程，从用户开始到生产制造，整个过程是一个推动的过程，现在的市场变化非常迅速，顾客的需求往往通过市场无法准确地了解和获得，在这种情况下，从用户领域和流程领域就需要经常的紧密配合。因此，现在更提倡并行工程，所谓并行工程是指用户领域调研，功能领域的设计，物理和流程的生产制造等等，组成一个团队同时进行，所谓并行就是同时进行。并行工程的好处在于每个环节都可以迅速地做一些调整来满足市场的需求，并行工程小组的成员包括计划的管理者、项目的管理者、设计工程师
9、、制造工程师、流程工程师、产品管理者等等。2产品设计与工艺设计的结合（Design for Manufacturing）工厂除了设计产品以外，还要对生产流程进行设计，以前的情况往往是设计产品的人跟设计流程的人并不在一起工作，这通常会导致生产制造出现严重问题，现在比较流行的趋势是把产品的设计和工艺流程的设计整合起来，在产品设计的时候，不仅仅要想到顾客，而且要想到制造的难易程度，如果一个非常优秀的产品在制造过程中非常困难，就会使得制造成本大大增加，产品推出后不一定能满足市场的需求。产品的设计和工艺的设计相结合，其结果就使得产品制造比较容易，也比较经济。因此，产品设计与工艺设计的结合 (DFM)，应
10、把产品设计作为制造工艺设计的第一步，产品设计必须从“易于制造”、“经济地制造”的角度出发。3计算机辅助设计（Computer Aided Design）从上世纪90年代初到今天，网络发展将近15年，在这15年中，由于通讯费用的急剧下降，给全球的制造业带来了根本性的革命，信息产品革命影响到全人类的各个环节和步骤，包括制造业。现在，一个产品的设计研发可以在一个国家，制造和生产可以在另外一个国家，市场又可以在第三个国家，这样带来的结果就会在每一个国家每一个地区都有明确的分工和定义。产品从设计制造到推向市场，这个过程可以被分解成很多单元，可以在世界上最便宜的地方分别做每个单元的事情，产品不仅仅能够满足
11、市场的需求，价格低廉，而且整个生产制造的供应链弹性非常大。由于网络的使用，很多的生产制造过程，甚至设计都是由计算机辅助完成的，CAD就是计算机辅助设计的英文缩写，有很多这类的软件，包括CAM计算机辅助管理和CAPP计算机辅助流程控制软件，所有的软件都能够在一起相互交换数据，使得全球范围内信息流程能够非常快地共享和使用。这样，很多大的公司就可以在世界各地布局，包括微软、IBM等公司，它们在中国不仅仅设立制造中心，还设立研发中心，使得信息流程迅速增加，研发可以24小时不停地进行，生产制造也一样，很多工厂现在都采用了白天黑夜的倒班制度，计算机辅助的设计使整个信息流通更加流畅。计算机辅助设计(CAD)
12、的特点： 不仅在产品设计(CAD)，而且在流程设计(CAPP)(CAM)上大量使用电脑辅助的软件 全球化的设计，制造，市场 低廉的通讯费用4成组技术（Group Technology）成组技术 (Group Technology)是利用零件的相似性（形状、尺寸、加工过程）来进行多品种小批量生产的科学方法。最初，它主要作为一种工艺组织方法，用来合理组织生产技术准备及生产过程管理，随着零件分类编码系统的不断完善以及成组技术与计算机应用的结合，成组技术的应用已经扩展到产品设计、工艺设计、生产计划、设施布置等环节。在成组技术（GT）的产生与发展中，很多国家为它做出了贡献，1959年米特洛凡诺夫创立成组
13、技术，德国阿亨工业大学的奥匹兹领导制定了“工件分类编码系统”，美国与日本将GT与数控技术、计算机技术结合,为在GT基础上发展CAD,CAPP和建设FMS创造了必要条件。 成组技术的优越性在于： 可采用专业化程度较高的机床设备和工艺装备 按一定的生产纲领和各工序加工工作量配备生产设备和工人 设备可按零件族典型工艺顺序布置，使物流顺畅 工件在工序间的传递可采用平行或平行顺序方式，以缩短生产周期减少在制品 对生产单元可实行经济类责任制，发挥每个人的积极性创造性柔性制造系统（FMS）柔性制造系统（FMS）是由计算机控制的、以数控机床（NC）和加工中心（MC）为基础、适应多品种中小批量生产的自动化制造系
14、统，其特点是： 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柔性制造系统是从西方发达社会发展起来的，最早是由日本和美国这两个制造业大国提出的这个概念。所谓柔性制造系统是指整个制造系统的弹性很大，要实现很大的弹性，西方发达国家采用的方法是使用大量的机器人和使用大量的生产制造中心。同一个生产制造中心可以生产不同的零件，带来的结果是整个的流水线可以迅速改换生产所需，这就会使产品的流水线弹性非常大。柔性制造系统发展到今天已经有20年的历史了，整个柔性制造系统在西方国家曾经是非常热门
15、的概念，但现在已成了末路黄花。现在中国的制造业正在迅猛地发展，而且发展的势头非常强劲，除了中国的人力资源极其便宜以外，最大的考虑就是中国拥有最大的柔性。【案例】某人做出口贸易，经常需要将产品装入40尺的集装箱，他的公司有6个工人团队，一天能装5个左右的集装箱，别人问他“你为什么需要这么多工人，为什么不采用一两个工人而使用叉车？”通过仔细观察就可以发现，使用6个工人团队的效率和工作柔性要比使用叉车的工艺弹性大很多，而且效率高很多，一个40尺的集装箱在国外完全采用机械化的叉车装卸，叉车将货物放入集装箱的时候，在往下降的过程中整个叉车的顶上留有很大的空间，大约为30到50厘米，而且由于货物的形状不同，两边会留有很多空当，当整个叉车插进去的时候，整个叉车上的物品未必都能放到集装箱里头，可见使用自动化的叉车存在着三个问题，而使用人工装卸，这三个问题就全部可以解决，装货物时会把集装箱所有的空间装满，工人的工资也比使用叉车要低。西方讲究自动化、机器人、柔性制造系统、加工中心等等的概念，但在中国制造业突飞猛进的过程中可以看出，柔性的过程也会有不同的诠释。【案例】在10年前，电池的生产基本上被西方国家垄断
