現(xiàn)代制造系統(tǒng)教學課件羅振璧朱耀祥等編著第一章制造系統(tǒng)工程基礎

1、在線教務輔導網(wǎng)：在線教務輔導網(wǎng)：http:/教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務輔導網(wǎng)教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務輔導網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：或者直接輸入下面地址：http:/現(xiàn) 代 制 造 系 統(tǒng) 主編羅振璧第一章制造系統(tǒng)工程基礎第一節(jié)制造第二節(jié)制造系統(tǒng)及其發(fā)展第三節(jié)制造系統(tǒng)的柔性自動化及自動化制造系統(tǒng)的技術分析第四節(jié)計算機集成制造CIM系統(tǒng)第五節(jié)集成制造系統(tǒng)分析和功能模型IDEFO第一節(jié)制造一、制造及其發(fā)展二、我國制造業(yè)面對的挑戰(zhàn)三、應對未來挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略與關鍵技術一、制造及其發(fā)展1.制造的內涵2.制造是我國工業(yè)化與經(jīng)濟發(fā)展的核心支柱3.制造是國家經(jīng)濟發(fā)動機的

2、強大支柱1.制造的內涵 1999年，美國麻省理工學院(MIT)定義現(xiàn)代制造包括：產品的設計與開發(fā)、產品規(guī)劃、銷售和服務，以及實現(xiàn)這些功能所應用的技術、流程過程以及人與技術結合的途徑等。 2002年，美國生產與庫存控制學會(APICS)定義制造：包括設計、物料選擇、規(guī)劃、生產、質量保證、管理和對離散顧客與耐用貨物營銷的一系列相互關聯(lián)的活動和運作作業(yè)。1.制造的內涵美國機械科學研究院（AMST）提出了一個由多層次技術群構成的體系如圖11所示。圖11 現(xiàn)代制造技術的內涵、層次及其技術構成2.制造是我國工業(yè)化與經(jīng)濟發(fā)展的核心支柱(1)國家工業(yè)化的程度決定了社會發(fā)展的特征、國力、防務能力與人民物質文化生

3、活的水平。(2)制造是國家經(jīng)濟發(fā)動機運轉的強大支柱。(3)制造是增強國家綜合實力、防務能力和提高人民物質文化生活水平的保證。(4)在實現(xiàn)國家工業(yè)化和現(xiàn)代化的過程中，制造業(yè)具有獨特而不可替代的作用，必須重視與振興它。(5)制造業(yè)市場是世界最大的產品與服務市場，也是世界各國許多實業(yè)公司和跨國公司的最大競爭角斗場。(6)制造業(yè)的改造、革新與創(chuàng)造都不應該也不可能“靠買進來”或“照搬照抄”。3.制造是國家經(jīng)濟發(fā)動機的強大支柱 建立一個強大、先進、有競爭力的現(xiàn)代制造業(yè)是我國不容輕視的長期戰(zhàn)略任務。歷史經(jīng)驗和現(xiàn)實告誡我們，中國的防務能力、經(jīng)濟發(fā)展、國家防務與經(jīng)濟的安全、人民的幸福只能依賴不斷發(fā)展的經(jīng)濟和國家

4、防務能力，中國必須為此而發(fā)展中國制造，把中國建成世界制造大國與強國。二、我國制造業(yè)面對的挑戰(zhàn)(一)企業(yè)成功的要素(二)制造企業(yè)面對的形勢(三)未來制造面對的挑戰(zhàn)(一)企業(yè)成功的要素(1)企業(yè)的市場定位、目標和實現(xiàn)目標的戰(zhàn)略與商務實踐。(2)能否形成相對于其他競爭對手的競爭優(yōu)勢。(3)建成企業(yè)競爭的核心能力。(4)建立成功的制造戰(zhàn)略。(5)建立誠信、合作、實干與創(chuàng)新的企業(yè)文化。(6)對企業(yè)或核心公司建立加盟企業(yè)群集(Enterprises Cluster)聯(lián)盟，形成有核心能力與競爭優(yōu)勢的制造企業(yè)群集中心或地域制造中心，以適應經(jīng)濟全球化與區(qū)域化和激烈的市場競爭。(一)企業(yè)成功的要素(7)熟悉WTO

5、與市場相關的法規(guī)、議定書與慣例，在遵守法律與法規(guī)的條件下，發(fā)揚中華文明悠久的謀略傳統(tǒng)，在戰(zhàn)略、戰(zhàn)術或策略及方法上進行創(chuàng)新，“克敵制勝”。(8)認清我們的競爭優(yōu)勢，研究改進規(guī)避風險的戰(zhàn)略、策略與措施，從國情和企業(yè)的實際出發(fā)，不斷創(chuàng)新和改進組織與管理，培育和發(fā)展自己的品牌、獨有的核心能力、建立競爭優(yōu)勢。(二)制造企業(yè)面對的形勢1.傳統(tǒng)制造面對的困境2.新興工業(yè)化國家必須走可持續(xù)發(fā)展的道路3.傳統(tǒng)制造業(yè)的投資效益下滑4.產品的壽命周期迅速縮短1.傳統(tǒng)制造面對的困境(1)現(xiàn)有產品飽和，現(xiàn)存的制造生產能力大量閑置。(2)產業(yè)與研究開發(fā)RD的轉移迫使發(fā)達國家的低中技術產品、基礎產業(yè)與部分研究開發(fā)向發(fā)展中國

6、家與地區(qū)轉移。(3)制造企業(yè)的職業(yè)吸引力迅速下滑，一流的工程技術、管理人才和技術工人后繼乏人。(4)由于過去工業(yè)化過程中資源的濫用，已經(jīng)引發(fā)了人類的生存危機。2.新興工業(yè)化國家必須走可持續(xù)發(fā)展的道路 所謂信息化，指的是加快信息高技術的發(fā)展與產業(yè)化，并利用它們提高信息技術在國民經(jīng)濟與社會各領域的應用水平和推動經(jīng)濟與社會發(fā)展的進程。企業(yè)信息化指的是，利用現(xiàn)代信息技術有效地開發(fā)與利用信息資源的過程。3.傳統(tǒng)制造業(yè)的投資效益下滑造成傳統(tǒng)制造業(yè)投資效益下滑的主要原因有三個：一是現(xiàn)代制造業(yè)在戰(zhàn)略性轉變時期遇到了種種困難，傳統(tǒng)制造業(yè)的管理不但不能即時發(fā)現(xiàn)和解決這些問題反而強調“更多地做更少地想”，使制造企業(yè)

7、成為“苦、累、報酬低”的行業(yè)；二是制造產品與服務所創(chuàng)造的利潤中相當多的部分被商業(yè)貿易和流通、證券、股市或期貨等金融領域吸納，留給制造企業(yè)的利潤已經(jīng)相當?shù)?；三是傳統(tǒng)的制造技術不能適應新的市場競爭要求，譬如由于長期很少研究與改進傳統(tǒng)制造技術，使產品與制造系統(tǒng)不能利用快速實現(xiàn)重構(重組)技術而無法適應產品個性化與市場壽命周期迅速縮短的需求。4.產品的壽命周期迅速縮短表1-1主要制造產品的市場壽命周期新產品開發(fā)周期(年)年代電 子 產 品發(fā)動機汽車機床機 械 制 造其 他 制 造19911325782014519132517320200187132513551388162013壓縮比率()334878

8、35633132368335(三)未來制造面對的挑戰(zhàn)(1)充分利用信息技術提升制造企業(yè)對市場需求及其變化的快速反應能力。(2)快速準確地捕捉與搜集競爭信息，并迅速地把它們轉換成競爭情報與知識。(3)快速配置與系統(tǒng)地集成人、技術和資源，建立基于互聯(lián)網(wǎng)的溝通與通信，為發(fā)展網(wǎng)絡制造或群集制造建立良好的基礎結構。(4)消除或控制污染，提高企業(yè)對環(huán)境的適應性。(5)發(fā)展可重構(可重組)企業(yè)(Reconfigurable Enterprise)。(6)創(chuàng)新與改進了的流程過程。三、應對未來挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略與關鍵技術1.應對挑戰(zhàn)的制造戰(zhàn)略2.應對未來制造挑戰(zhàn)的十個關鍵制造技術1.應對挑戰(zhàn)的制造戰(zhàn)略 制造戰(zhàn)略所作出的

9、選擇將長期影響企業(yè)的業(yè)績與市場競爭力。為了獲取最多的效益，制造戰(zhàn)略應該在支持總體商務戰(zhàn)略決策與提升競爭優(yōu)勢方面發(fā)揮作用。成功的制造戰(zhàn)略使企業(yè)可以根據(jù)市場需求、市場環(huán)境與企業(yè)競爭優(yōu)勢提升的要求剪裁和重構企業(yè)的組織與管理，運作流程，產品、制造系統(tǒng)和商務活動，以及顧客服務，以達到提升企業(yè)競爭優(yōu)勢的目標。所以，可以把制造戰(zhàn)略理解為制造組織實現(xiàn)其目標的行為與實施程序，它的重點放在企業(yè)系統(tǒng)的外部，側重解決企業(yè)全局、全過程與全壽命的重大和長遠問題。2.應對未來制造挑戰(zhàn)的十個關鍵制造技術(1)可重構制造系統(tǒng)(RMS，Reconfigurable Manufacturing Systems)。(2)無損耗的處理

10、(Waste-free Processing)。(3)新的物料過程(New Material Process)。(4)制造用的生物技術(Biotechnology for Manufacturing)。(5)企業(yè)建模與仿真(Enterprise Modeling and Simulation)。(6)信息技術(Information Technology)。(7)產品與過程的設計方法(Product and Process Design Methods)。(8)增強了的機器人的接口(Enhanced Machine-Human Interfaces)。(9)教育與培訓(Workforce Ed

11、ucation and Training)。(10)智能合作系統(tǒng)軟件(Software for Intelligent Collaboration Systems)。表1-2未來的重大制造挑戰(zhàn)與十項優(yōu)先發(fā)展的重大關鍵技術間的相關關系優(yōu)先技術挑戰(zhàn)快速響應信息轉變成知識人 技術資源的集成環(huán)境的適應性可重構企業(yè)創(chuàng)新的過程可重構制造系統(tǒng)YYYNYY無損耗的處理NNNYNY新的物料過程NNNNNY制造用生物技術NNNYNY企業(yè)建模與仿真YYYYYY信息技術YYYYYY產品與過程的設計方法YNNYYY增強了的機器與人接口NYYYYY教育與培訓NYYNNN智能合作系統(tǒng)軟件YNNNYN圖1-2獲取持久競爭優(yōu)勢

12、的概念模型第二節(jié)制造系統(tǒng)及其發(fā)展一、制造系統(tǒng)基礎二、制造模式與社會的變革深刻地影響著制造系統(tǒng)的規(guī)劃、設計與運作結 果三、現(xiàn)代制造系統(tǒng)存在的問題四、設計制造系統(tǒng)的基本要求五、制造系統(tǒng)的組成要素一、制造系統(tǒng)基礎1.制造系統(tǒng)的概念2.從系統(tǒng)工程觀點定義制造系統(tǒng)3.制造系統(tǒng)的發(fā)展4.研究和開發(fā)先進的制造系統(tǒng)設計理論與方法1.制造系統(tǒng)的概念 “制造系統(tǒng)(ManufacturingSystem)”一詞最早出現(xiàn)于1815年，其原意是“工廠系統(tǒng)”。1911年F.W.Taylor用“科學管理”表達制造與管理中系統(tǒng)的概念。2.從系統(tǒng)工程觀點定義制造系統(tǒng)(1)制造系統(tǒng)的結構定義。(2)制造系統(tǒng)的轉換定義。(3)制造

13、系統(tǒng)的程序定義。(1)制造系統(tǒng)的結構定義。 根據(jù)系統(tǒng)結構靜態(tài)的定義，制造系統(tǒng)是由硬件(生產設施、機床、夾具等)、物料傳送裝置、工人和其他附屬裝置組成的統(tǒng)一集合體，由生產信息知識、技術、方法和軟件支持它。(2)制造系統(tǒng)的轉換定義。 按照系統(tǒng)轉換的定義，可以把它定義為，把生產資源，特別是原材料轉換成最終產品的變換轉換過程。(3)制造系統(tǒng)的程序定義。 從系統(tǒng)的程序(流程)角度可以把制造系統(tǒng)定義為，制造生產的運作程序，即制造的管理系統(tǒng)。它由規(guī)劃、實施和控制組成的“管理循環(huán)”構成。3.制造系統(tǒng)的發(fā)展傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的不足(1)由通用機床組成的單件生產線主要特征是機群式組態(tài)，工序分散，要求公認的技藝高。(2)

14、專用機床或組合機床組成的自動化流水線其主要不足是設備的平均利用率低。(3)現(xiàn)有柔性制造系統(tǒng)的主要不足是冗余功能與生產線投資高昂。為了克服上述傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的不足，期望新一代的制造系統(tǒng)能夠實現(xiàn)以下五個目標： (1)能根據(jù)商務運作和顧客需求的變化快速響應顧客需求期望的產品品種與產量。(2)能降低因產品生產壽命期縮短和產品訂貨批量變化造成的制造系統(tǒng)建造與運行的高投資風險，保證企業(yè)獲得合理的投資回報率ROI。 (3)可以重復利用和便于技術改進、技術革新和升級的。(4)可診斷的，能保證系統(tǒng)組態(tài)快速變更的系統(tǒng)試運行時間最短、質量缺陷最少。(5)系統(tǒng)及其組元有高的可靠性、魯棒性(容錯能力)與確定性。3.制造系

15、統(tǒng)的發(fā)展3.制造系統(tǒng)的發(fā)展達到這些目標后可以滿足以下制造業(yè)市場的要求：(1)可按顧客的訂單與生產組織要求快速組成新產品或變換產品的批量生產能力。(2)能夠實現(xiàn)無縫地“縮放”的制造系統(tǒng)生產規(guī)模和布局(組態(tài))。(3)允許方便快捷地組織多品種產品的混流生產或并流生產。(4)能夠達到低的系統(tǒng)重構與技術升級費用、高的生產效率，從根本上改變在現(xiàn)代市場環(huán)境下傳統(tǒng)制造系統(tǒng)高投資、高風險與低的投資回報率的現(xiàn)況。(5)短的制造系統(tǒng)試生產周期和穩(wěn)定可靠的加工質量與產量。3.制造系統(tǒng)的發(fā)展圖1-3制造系統(tǒng)的市場環(huán)境與技術特點圖1-41. 超高速加工方面 仍處于低級階段，還沒有形成完整、系統(tǒng)的研究體系和方法。國內磨削砂

16、輪的線速度一般在4560m/s，尚未超過80 m/s。 超高速切削/磨削技術和其機床裝備，與國際先進水平相比，還有較大差距。 2. 超精密加工方面 國內研發(fā)的超精密切削機床，無論性能穩(wěn)定性和可靠性，還是精度指標，與國外產品相比，還有較大差距；而且國外的商品化機床都配有精度補償軟件。 我國現(xiàn)代制造技術的發(fā)展現(xiàn)狀 3. 特種加工方面 國內在電加工、激光加工、超聲加工、聚焦離子束和電子束加工等方面，與國際先進水平相比，還有較大差距。 4. 微納加工方面 與國外相比，基礎研究還很落后，高水平的裝備和儀器大都依賴進口。5. 自動化技術方面 我國目前尚處在單機自動化、剛性自動化階段，柔性制造單元和系統(tǒng)僅在

17、少數(shù)企業(yè)中使用。 我國現(xiàn)代制造技術的發(fā)展現(xiàn)狀6. 現(xiàn)代生產管理方面 國內只有少數(shù)大型企業(yè)局部采用了計算機輔助管理，多數(shù)中、小型企業(yè)仍處于經(jīng)驗管理階段。與國際先進水平相比，還有較大差距。 7. 創(chuàng)新能力方面 我國在經(jīng)費投入強度、技術水平、技術引進、生產能力等體現(xiàn)企業(yè)核心竟爭力和持續(xù)發(fā)展能力方面，遠低于工業(yè)發(fā)達國家。 8. 完整的體系方面 目前我國絕大多數(shù)企業(yè)技術開發(fā)能力薄弱，尚末成為技術創(chuàng)新的主體；還缺乏一支精干、相對穩(wěn)定的力量從事產業(yè)共性技術的研究與開發(fā)。 我國現(xiàn)代制造技術的發(fā)展現(xiàn)狀4.研究和開發(fā)先進的制造系統(tǒng)設計理論與方法 近幾年，由于制造企業(yè)信息管理的改進和計算機技術的應用，取得了一系列提

18、高制造效率與效益的可喜成果。如：為制造系統(tǒng)集成決策及其運作活動建模而開發(fā)的IDEFO方法，成為描述制造系統(tǒng)的工具。準時生產JIT/精益制造等新的生產方式對制造系統(tǒng)的設計和實際運行產生了重要的影響。約束理論的應用使制造系統(tǒng)的設計直接為企業(yè)的商務業(yè)績目標服務。二、制造模式與社會的變革深刻地影響著制造系統(tǒng)的規(guī)劃、設計與運作結果 大量生產方式的主要社會技術特征是：零件是全部、連貫的互換性；可實現(xiàn)裝配線的生產，但它的主要生產特征不是以移動或連續(xù)流水方式裝配，而是具有規(guī)模效應，產量增多后產品的成本下降；產品的質量得到提升，可保證產品的互換性與質量的一致性；同一種產品的產量可以達到200萬輛或更多；設計為用

19、戶提供了顯著的使用與維護方便性；三、現(xiàn)代制造系統(tǒng)存在的問題1.現(xiàn)代制造系統(tǒng)發(fā)展方面的問題2.制造系統(tǒng)設計方面的問題1.現(xiàn)代制造系統(tǒng)發(fā)展方面的問題 有關制造系統(tǒng)發(fā)展方面應該汲取的教訓有：制造系統(tǒng)創(chuàng)新改進的基礎首先是顧客的需求、制造企業(yè)的承受力與可利用的資源，并得到強有力的現(xiàn)代設計科學與方法工具(例如，可重構系統(tǒng)與技術)、現(xiàn)代科學技術、社會可利用的資源(特別是人力資源)與工業(yè)工程及供應保障的支持；制造系統(tǒng)的設計、建造與運行必須同過程技術與合理的管理匹配集成實施；制造系統(tǒng)只是為現(xiàn)在與將來企業(yè)的商務目標服務的，換言之它只能為企業(yè)實現(xiàn)“使顧客完全滿意”與“使受益者完全滿意”的目的與目標服務。2.制造系統(tǒng)

20、設計方面的問題 綜上所述，近期在制造系統(tǒng)領域中的革新正在圍繞著提高系統(tǒng)的設計能力進行，以此為提升企業(yè)的核心能力、競爭優(yōu)勢和業(yè)績服務。四、設計制造系統(tǒng)的基本要求(1)必須把制造系統(tǒng)的設計建立在創(chuàng)新設計理論與公理設計理論等先進設計理論與方法的基礎上，才可能開發(fā)出有效、快速而可靠的設計技術與工具。(2)推式與拉式制造系統(tǒng)的設計應該滿足下列設計定理：在通過制造系統(tǒng)加工處理相同的零件時，可以利用可控的排隊功能退(解)偶器，把推式系統(tǒng)設計成生產率最高的系統(tǒng)；在不同零件及其要求的不同加工處理運作時拉式系統(tǒng)是最有效的系統(tǒng)。(3)推式制造系統(tǒng)的設計。(4)拉式制造系統(tǒng)。(5)可重構制造系統(tǒng)。五、制造系統(tǒng)的組成要

21、素 制造(設備)系統(tǒng)總是企業(yè)制造生產系統(tǒng)中最重要的子系統(tǒng)，是制造活動集合的子集。但是，制造企業(yè)的其他子系統(tǒng)與活動也會不同程度地影響制造系統(tǒng)，所以制造系統(tǒng)經(jīng)常是一個復雜的社會-工程系統(tǒng)?，F(xiàn)代制造技術的體系結構面向制造的設計技術群 產品/工藝設計 計算機輔助設計 工藝過程建模和仿真 工藝規(guī)程設計 系統(tǒng)工程基礎 快速成型技術 并行工程制造工藝技術群 材料生產工藝 加工工藝 聯(lián)接與裝配 測試和檢測 環(huán)保技術 維修技術 其他 信息技術 接口技術 集成技術 人工智能 數(shù)據(jù)庫 軟件工程 決策支持 標準和框架 數(shù)據(jù)標準 工藝標準 接口框架 產品定義和標準 檢驗標準 機床和工具技術 傳感器和控制技術 質量管理

22、用戶/供應商交互作用 工作人員培訓和教育 全國監(jiān)督和基準評測 技術獲取和利用主主體體技技術術群群支撐支撐技術群技術群制造基礎制造基礎設施環(huán)境設施環(huán)境圖1-5第三節(jié)制造系統(tǒng)的柔性自動化及一、柔性自動化二、提高生產率的基本策略三、生產的數(shù)量指標四、制造自動化的策略與自動化方案的評價五、自動化制造系統(tǒng)的組成和布局類型六、工件傳輸方法七、自動線設計與制造的考慮因素八、自動線的技術分析一、柔性自動化1.概述2.自動化與工程師的作用3.機械化與自動化的實施程序1.概述表1-3制造系統(tǒng)的比較制造系統(tǒng)類型特征機械化機器(MM)機械自動化流水線(DML)柔性制造系統(tǒng)(FMS)可重組制造系統(tǒng)(RMS或RRMS)基

23、本制造特征產品生產特征多品種單件小批量生產單一或少品種大量生產一組零件的批量生產多組零件變批量生產制 造 柔 性高極低或無中等按訂貨要求變化過程可變性大無或極小中等大功能可變性小無無或小大可縮放性中等無中等大成本效益低最高中等較高高投資回報率低較高較高中最高低中等或最高1.概述表1-3制造系統(tǒng)的比較系統(tǒng)特征系統(tǒng)組態(tài)能力以機器為模塊可重組革新后可重組革新后可重組硬軟件系統(tǒng)均可重組機床(器)結構固定式通用固定式專用固定式通用可重組機床(器)部件結構固定式固定式固定式可重組部件加工作業(yè)單刀為主多刀作業(yè)單刀為主可變2.自動化與工程師的作用表1-4機械工程師與工業(yè)工程師的職責機械工程師工業(yè)工程師裝備的自

24、動化生產系統(tǒng)的自動化裝備的設計生產系統(tǒng)的設計、新裝備的應用模塊、模具、工具與夾具的設計工具、夾具的技術要求技術條件新裝備(含切削刀具等)的試驗研究新刀具、夾具與裝備的導入3.機械化與自動化的實施程序(1)搞清自動化的目標。(2)自動化與產品的壽命期。(3)實施柔性自動化的工廠再設計。(4)建立柔性自動化系統(tǒng)的信息結構。(5)自動化與產品的設計。(6)自動化的必要條件與建立的目標。(7)自動化的水平與過程流程的測試(8)結論與未來的趨勢。圖1-6柔性自動化生產系統(tǒng)的信息結構二、提高生產率的基本策略(1)采用柔性制造原理與技術，壓縮變換產品品種的導入(準備)時間，適應產品批量的變化。(2)采用高效

25、的加工方法與設備。(3)壓縮制造的輔助時間。(4)提高過程變量或切削用量。(5)實現(xiàn)少人的或無人化加工。(6)利用“零時間哲學”。三、生產的數(shù)量指標1.制造時間(Manufacturing)2.生產率Rp與工序時間To的組成3.制造能力PC4.利用率U5.可靠性指標工作效率6.制造過程件(WIP)四、制造自動化的策略與自動化方案的評價1.制造自動化的策略2.自動化方案的評價1.制造自動化的策略(1)工序專門化。(2)工序集中(組合)。(3)工序同步(并行)化。(4)工序集成。(5)提高柔性。(6)改進物流系統(tǒng)，縮短制造時間，降低在制件數(shù)。(7)增強質量瓶頸設備的過程質量控制，提高過程質量及其穩(wěn)

26、定性。(8)控制和優(yōu)化制造過程。(9)集成。(10)計算機集成制造(CIM)。2.自動化方案的評價(1)可行性研究。(2)方案評審。(1)可行性研究 可行性研究包括：對項目背景的了解，搞清項目的重要性和必要性，對相關的國家調控政策、法律、法規(guī)、市場環(huán)境、用戶需求及限制因素進行調查與分析研究；捕捉客戶需求，經(jīng)反復協(xié)商深入了解需求，預測市場前景；進行產品需求分析，以及產品成熟度與技術革新度、競爭對手分析，確定技術條件與相關標準；對加工方法與工藝流程成熟性和穩(wěn)定性，制造系統(tǒng)硬軟件及工具成套性、可靠性、穩(wěn)定性和兼容性進行分析研究；方案設計評審與優(yōu)選；進行現(xiàn)金流分析和投資回報率、最佳投資規(guī)模與投資時機、

27、投資風險(市場變化、金融與匯率風險)與產品設計開發(fā)風險及其風險管理保證的評價；實施計劃及其可操作性評審；資源需求分析；綜合的可行性結論和建議。(2)方案評審 方案評審包含：對可行性結論和建議的復審與評價。進行技術評審：評審工藝方法和流程的成熟性、可靠性與穩(wěn)定性；評審主要技術條件與指標；審查制造系統(tǒng)自動化方案與硬件成套性；審查并驗證故障率、容錯能力、兼容性和可維護性；系統(tǒng)的功能和柔性驗證；軟件有效性、可維護性及兼容性測試與審查；資源可獲得性、利用率評估；技術先進性、成熟度與革新度，以及技術管理的評估；仿真分析驗證；可重組與擴展性評估。技術經(jīng)濟評價，即對投標、效益、投資回報率和成本估計的審查，以及

28、對風險與靈敏度的審查。其他因素的評審，如形勢變化，匯率、股市與期貨的影響的評審等。確定進一步調查、試驗和論證的問題和改進建議。作出評價結論。五、自動化制造系統(tǒng)的組成和布局類型1.直線型布置2.回轉型布置1.直線型布置圖1-7直線型汽車后轎齒輪箱加工自動線2.回轉型布置圖1-8回轉型自動線示例a)5個站的回轉自動線b)6個站的回轉自動線六、工件傳輸方法圖1-9典型的自動線傳輸機構a)步行移動系統(tǒng)b)鏈傳動傳輸系統(tǒng)c)齒輪齒條機構d)棘輪機構e)星形輪機構f)立體凸輪機構七、自動線設計與制造的考慮因素(1)加工件的尺寸、重量、材質和幾何形狀。(2)裝配零部件的尺寸、重量和件數(shù)。(3)公差與加工類型

29、、加工順序。(4)要求的生產率，傳輸系統(tǒng)的類型。(5)工件定位安裝方法。(6)裝配零部件送進和導向方法。(7)各工作站設備和傳輸機構的可靠性，整個自動線的可靠性。(8)中間緩沖存儲容量。(9)維護的方便性。(10)要求的控制特征。(11)生產可用的空間。(12)產品設計改變后自動線的適應性(柔性)。(13)自動線的初期投資。七、自動線設計與制造的考慮因素(14)自動線加工的成本。(15)自動線是自制還是外承包。設計建造自動線的兩種方法是：(1)利用標準機床和加工裝配工作站上的加工、處理與裝配設備和標準的或專用的物料傳輸系統(tǒng)連接各工作站形成自動線。(2)自動線的設計與制造由機床制造廠完成，采用專

30、用的傳輸線、裝配機及其他設備，對自動線進行專門的設計和單獨制造。八、自動線的技術分析1.自動線運行性能的技術經(jīng)濟指標2.無存儲自動線的分析3.局部自動化4.有緩沖存儲自動線的分析1.自動線運行性能的技術經(jīng)濟指標(1)自動線的理論循環(huán)時間(周期)Tc。(2)自動線平均實際生產時間Tp。(3)自動線的平均生產率Rp與理論生產率Rc(4)自動線的效率E(5)自動線單件成本Cpc3.局部自動化 工業(yè)上實際應用的自動線大多由手工操作與自動化兩類工作站組成，稱它們?yōu)榫植孔詣踊?。產生局部自動化的原因，首先是因為技術發(fā)展總是逐步由自動化操作替代手工操作，而不是立即全線自動化；其二是因為某些手工操作難以自動化或

31、自動化在經(jīng)濟上不合理。因此，在自動線設計制造中，常有一些工作站由手工操作。4.有緩沖存儲自動線的分析(1)緩沖存儲有效性的極限(2)兩段自動線的分析。(1)緩沖存儲有效性的極限1)無緩沖存儲能力。2)無限量緩沖存儲。3)實際緩沖存儲有效性E。有緩沖存儲自動線的效率達到最大值的條件為： 1)設定的段數(shù)等于工作站數(shù)，即相鄰站間均有緩沖存儲。2)裝置緩沖存儲的各工作站有相等的故障概率。3)把緩沖存儲器設計成大容量的。4)提高自動線效率最多的是設置第一個緩沖存儲器時。(2)兩段自動線的分析 若用內存量為b的緩沖存儲器把自動線分為兩部分，F(xiàn)1與F2分別表示兩部分中第1與第2段的故障停機率，則定義為故障停

32、機率之比F2F1表1-5在幾種停機狀態(tài)下兩段自動線的h(b)計算公式假定兩段有相等的循環(huán)時間和修理時間，即，設bBL(1 41)式中B滿足以下關系的最大整數(shù) bB L剩余件數(shù)，在bB時出現(xiàn)。 bBL第四節(jié)計算機集成制造CIM系統(tǒng)一、產生計算機集成制造的技術經(jīng)濟背景二、計算機集成制造的基本概念三、我國實施CIMS的簡況四、CIMS的組成五、CIMS遞階控制系統(tǒng)六、CIMS實驗工程一、產生計算機集成制造的技術經(jīng)濟背景(1)制造業(yè)產品的市場已由各國或局部地區(qū)變成世界市場。(2)產品多樣化，型號、規(guī)格日益增加，批量減小。(3)產品生命周期，即產品更新?lián)Q代的時間越來越短。(4)在國內外市場上，產品的競爭

33、主要表現(xiàn)在質量、價格、交貨期的競爭。二、計算機集成制造的基本概念概念：CIMS是企業(yè)生產活動全過程中各了系統(tǒng)的完美集成，即從市場預測、經(jīng)營決策、計算控制、工程設計、生產制造、質量控制到產品銷售等支持功能部門，合理地通過計算機網(wǎng)絡聯(lián)結成一個整體，以保證企業(yè)內部信息的一致性、共享性、可靠性、精確性和及時性，綜合運用現(xiàn)代管理、信息、制造、自動化和系統(tǒng)工程等領域的技術、實現(xiàn)生產的自動化和柔性化，達到高效率、高質量、低成本和靈活生產的目的。(1)從功能上，CIM包含一個制造企業(yè)的全部生產和經(jīng)營管理活動，從市場預測、產品設計、制造裝配、經(jīng)營管理到售后服務是一個整體，要全面。(2)從信息上，整個生產過程實質

34、上是一個數(shù)據(jù)采集、傳送和處理決策的過程，最終形成的產品可以看作是數(shù)據(jù)(信息)的物質表現(xiàn)。三、我國實施CIMS的簡況 我國在80年代中期已關注到國際上CIMS的發(fā)展，在國家高技術發(fā)展計劃(863計劃)中，CIMS作為自動化領域的一個主題被列入。國家科委組織了2000多人的研究隊伍進行了近10年的研究和在工廠中的實施，取得了許多研究成果和工作經(jīng)驗。設在清華大學的CIMS實驗工程研究中心(CIMSERC)和北京第一機床廠的CIMS應用工程，先后在1994年和1995年獲得了美國制造工程師學會(SME)的CIMS“大學領先獎”和“工業(yè)領先獎”，標志著我國對CIMS的研究和實施進入了國際先進水平。此外，

35、CIMS的推廣應用已發(fā)展到機械、電子、航空、航天、輕工、紡織、化工、冶金、石油、通信、煤炭等行業(yè)的60多家企業(yè)，獲得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，為推動我國制造企業(yè)的技術進步作出了貢獻。四、CIMS的組成1.工程設計自動化分系統(tǒng)2.制造自動化分系統(tǒng)3.質量保證分系統(tǒng)4.管理信息分系統(tǒng)5.計算機通信網(wǎng)絡6.數(shù)據(jù)庫圖1-10CIMS組成圖1.工程設計自動化分系統(tǒng)(1)CAD計算機輔助設計。(2)CAE計算機輔助工程分析。(3)CAPP計算機輔助工藝設計。(4)CAT計算機輔助工藝裝備設計(Computer Aided Tooling，CAT)。(5)CAM計算機輔助制造。2.制造自動化分系統(tǒng)(1)加

36、工工作站。(2)物料輸送及儲存工作站。(3)夾具與裝卸工作站。(4)刀具管理工作站。(5)檢測工作站。(6)裝配工作站。圖1-11制造自動化分系統(tǒng)典型代表3.質量保證分系統(tǒng) 此分系統(tǒng)主要是采集、存儲、評價與處理存在于設計、制造過程中與質量有關的大量數(shù)據(jù)，從而及時正確處理各種質量問題，促進提高產品質量。分系統(tǒng)具有質量決策、質量檢測與數(shù)據(jù)采集、質量評價、控制與追蹤等功能。4.管理信息分系統(tǒng) 通常，管理信息分系統(tǒng)以MRP為核心，根據(jù)企業(yè)管理高層的經(jīng)營決策，中期和短期生產計劃與生產工場(車間)的作業(yè)計劃，以及各種生產活動和操作，來編制制造資源規(guī)劃，其功能覆蓋了市場營銷、物料供應、各級生產計劃與控制、財

37、務管理、成本、庫存和技術管理等部分的活動。此系統(tǒng)包含了企業(yè)經(jīng)營規(guī)劃、主生產計劃、物料需求計劃、生產能力需求計劃、車間或工場生產作業(yè)計劃、車間調度與控制等軟件。這一分系統(tǒng)在CIMS中處于中樞地位，指揮與控制其余各分系統(tǒng)進行有條不紊的工作。5.計算機通信網(wǎng)絡 此系統(tǒng)采用國際上標準的網(wǎng)絡協(xié)議，實現(xiàn)異種機互聯(lián)、異構局部網(wǎng)絡及多種網(wǎng)絡的互聯(lián)。實際上這是一個局域網(wǎng)，要滿足各分系統(tǒng)對網(wǎng)絡支持服務的不同需求，支持資源共享、分布數(shù)據(jù)庫、各種遞階和實時控制。6.數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫是支持CIMS各分系統(tǒng)并包含企業(yè)全部信息的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。此數(shù)據(jù)庫在邏輯上是統(tǒng)一的，在物理上可以是分布的，用以支持企業(yè)數(shù)據(jù)共享和信息的集成。由于

38、各企業(yè)產品不同，生產規(guī)模和性質都不一樣，因此在實施CIM時都有不同的結構，有的分系統(tǒng)復雜，有的就簡單，但兩個支撐分系統(tǒng)是決不可少的。五、CIMS遞階控制系統(tǒng)1.工廠層控制系統(tǒng)2.車間層控制系統(tǒng)3.單元層控制系統(tǒng)4.工作站層控制系統(tǒng)5.設備層控制系統(tǒng)1.工廠層控制系統(tǒng) (1)決策支撐。包括市場分析預測、經(jīng)營決策等。 (2)經(jīng)營管理。包括成本估算和財務、用戶訂單處理、庫存統(tǒng)計、采購、人事管理、工資管理等。有關決策支撐和經(jīng)營管理，既與生產有聯(lián)系，又有一定獨立性。在研制了各獨立模塊后很容易集成。(3)生產管理。制定主生產計劃，明確生產資源需求，確定生產能力，應用生產計劃數(shù)據(jù)確定交給下一級的生產指令。(

39、4)生產準備(制造工程)。即包括了有關CADCAM的各項目。生產管理和生產準備對下級控制的關系十分密切，也是研究的重點。(5)信息管理。2.車間層控制系統(tǒng)(1)任務管理。安排生產能力計劃，對訂單進行分批處理，將任務分配給各單元(Cell)，跟蹤設備利用情況，安排各項設備的維修。(2)資源分配。分配單元層各項目具體加工時所需的工作站、儲存區(qū)、托盤、刀具及材料等。3.單元層控制系統(tǒng)(1)排隊管理。(2)調度。(3)分配。3.單元層控制系統(tǒng)圖1-12AMRF/CIMS遞階控制結構4.工作站層控制系統(tǒng) 此級控制系統(tǒng)負責指揮和協(xié)調車間中一個設備小組的活動。一個工作站通常由一臺NC機床、一臺機器人、一個物

40、料儲運器和一臺控制計算機組成。工作站級負責處理物料儲運系統(tǒng)交來的零件托盤?？刂破鳛樵O備級各子系統(tǒng)對零件安裝、切削加工、卸下工件等各項操作進行排序。5.設備層控制系統(tǒng) 這是控制系統(tǒng)的底層，是指一臺具體的設備，如機床、機器人、坐標測量機、自動導引車等。此級控制器向上與工作站控制系統(tǒng)用接口連接，向下與各設備控制器接口相通。設備控制器的功能是將工作站控制器命令轉換成可操作的、有順序的簡單任務運行各種設備。六、CIMS實驗工程1.CIMS實驗工程概況2.CIMS實驗工程的總體集成3.CIMS總體簡化集成運行情況1.CIMS實驗工程概況技術原則技術原則(1)實驗工程能體現(xiàn)實際工廠的主要功能，即產品設計、制

41、造和管理的多層遞階結構。(2)用最少的機械設備配置原則，為實驗工程提供一個生產環(huán)境，用以實現(xiàn)信息集成。(3)用多廠生產的異種設備，包括各種硬件和軟件進行集成，更好體現(xiàn)實際生產現(xiàn)狀。(4)從現(xiàn)有成熟的單元技術的集成過渡到更先進技術的研究開發(fā)和集成。(5)重視軟件開發(fā)的軟件工程規(guī)范化方法和各種標準化問題。圖1-13CIMS實驗工程系統(tǒng)結構圖1-14CIMS-ERC制造系統(tǒng)實驗室平面布置2.CIMS實驗工程的總體集成(1)車間單元工作站設備4級信息集成。(2)CADCAPPCAM的集成。(3)制造設備的集成。(1)車間單元工作站設備4級信息集成。1)車間根據(jù)實驗工程的要求給出指令性計劃，產生周生產計

42、劃。2)單元層根據(jù)周生產計劃、車間生產能力及完成生產情況，生成雙日滾動計劃，然后通過仿真軟件為之仿真，如不合適，則可作調整，最后由調度軟件根據(jù)CAPP制定的工藝規(guī)劃，對當日要加工的零件進行排序，產生調度單，并完成對各工作站的實時調度與監(jiān)控。3)工作站根據(jù)單元控制器下達的作業(yè)命令，調用合適的加工程序和NC代碼對各設備進行控制，實現(xiàn)當日生產的零件的加工，同時還將設備狀態(tài)實時反饋給單元控制器。圖1-15CIMS-ERC 4級遞階控制結構1)部件方案設計專家系統(tǒng)可根據(jù)用戶的要求自動進行部件(減速箱)的設計，并給出主要零件的結構尺寸。2)典型零件設計軟件根據(jù)專家系統(tǒng)給出的結構尺寸進行零件的三維造型、有限元分析及其他分析計算，轉換成二維視圖，并通過IGES標準圖形文件傳送給另一個CAD軟件，進行二維詳細設計，產生符合我國標準的帶有漢字的工程圖樣。3)自行開發(fā)的CAPP軟件可在上述基礎上輸入必要的零件工藝信息，生成工藝路線卡片、工藝卡及裝夾定位示意圖。4)CAM軟件根據(jù)CAD及CAPP信息生成刀位文件，同時利用組合夾具組裝CAD軟件生成組合夾具組裝圖，并進行刀位軌跡仿真，以防止發(fā)生干涉，由后置處理軟件生成加工中心的NC代碼。圖1-16CIMS-