自動(dòng)化制造系統(tǒng)概論課件

1、第 1 章 自動(dòng)化制造系統(tǒng)概論1.1 基本概念1.2 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的基本內(nèi)容1.3 實(shí)例視頻1.1 基 本 概 念1.1.1 系統(tǒng)1.1.2 制造1.1.3 制造系統(tǒng)1.1.4 自動(dòng)化的含義1.1.5 制造自動(dòng)化1.1.1 系統(tǒng)1. 系統(tǒng)的定義：系統(tǒng)是指由相互聯(lián)系、相互 作用的若干要素構(gòu)成的具有特定功能的有機(jī)整體。（有機(jī)是指事物的各部分互相關(guān)連協(xié)調(diào)而不可分,就像一個(gè)生物體那樣）2. 系統(tǒng)的特征：系統(tǒng)一般具備五大特征。 1）目的性：通常系統(tǒng)都具有某種目的。 2）整體性：系統(tǒng)是由相互聯(lián)系的若干要 素組成的，它作為一個(gè)有機(jī)整體存在于 特定的環(huán)境之中。系統(tǒng)是一個(gè)集合, 具 有統(tǒng)一性和非加和性。 1.

2、1.1 系統(tǒng)2. 系統(tǒng)的特征：系統(tǒng)一般具備五大特征。 3）相關(guān)性：系統(tǒng)的各個(gè)組成要素是相互聯(lián)系和制約的，這是系統(tǒng)內(nèi)部的相關(guān)性。 4）層次性：由于客觀事物的復(fù)雜性，使系統(tǒng)具有多層次結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)、分系統(tǒng)和系統(tǒng)要素構(gòu)成了層次結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)有底層、中間層和頂層。 5）環(huán)境適應(yīng)性：系統(tǒng)適應(yīng)外部環(huán)境的變化，以獲取生存和發(fā)展能力的性質(zhì)。1.1.2 制造 1. 制造 2. 制造業(yè) 3. 制造規(guī)模1. 制造 制造是一個(gè)涉及制造工業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)過程、質(zhì)量保證、經(jīng)營管理、市場銷售和服務(wù)的一系列相關(guān)活動(dòng)和工作的總稱。制造的概念有廣義和狹義之分。 狹義制造是指生產(chǎn)車間與物流有關(guān)的加工和裝配過程。

3、廣義制造是包括市場分析、經(jīng)營決策、工程設(shè)計(jì)、加工裝配、質(zhì)量控制、生產(chǎn)管理、銷售運(yùn)輸、售后服務(wù)直至產(chǎn)品報(bào)廢處理等整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)一系列相互聯(lián)系的生產(chǎn)活動(dòng)。 2. 制造業(yè) 制造業(yè)是將可用資源與能源，通過制造過程轉(zhuǎn)化為可供人們使用或利用的工業(yè)品或生產(chǎn)消費(fèi)品的行業(yè)。 它涉及到機(jī)械、電子、輕工、化工、食品、軍工、航天等很多行業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)和綜合國力的支柱產(chǎn)業(yè)。 制造業(yè)一方面創(chuàng)造價(jià)值，產(chǎn)生物質(zhì)財(cái)富和新的知識(shí)；另一方面為國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門的進(jìn)步和發(fā)展提供先進(jìn)的手段和裝備，對(duì)一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)地位和政治地位具有至關(guān)重要的影響。3. 制造規(guī)模 制造 規(guī)模分為三種。 大規(guī)模制造：年產(chǎn)量超過5000件的制造，例如標(biāo)準(zhǔn)件

4、（螺釘、螺母、墊圈、銷等）。 大批量制造：年產(chǎn)量在5005000件之間制造，如大型汽車制造等。 多品種小批量制造：年產(chǎn)量在500件以下的制造，如飛機(jī)制造、大型輪船制造等。 機(jī)械制造企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越小，正在向著多品種、單件化的方向發(fā)展，目前已成為機(jī)械制造業(yè)的主導(dǎo)方式。 1.1.3 制造系統(tǒng) 1. 制造系統(tǒng)的定義 2. 制造系統(tǒng)的基本模型 3. 制造系統(tǒng)的特征 4. 制造系統(tǒng)的“流”理論 5. 制造系統(tǒng)的分類 1. 制造系統(tǒng)的定義 制造系統(tǒng)也有廣義和狹義之分。 廣義的制造系統(tǒng)是包含從原材料供給到銷售服務(wù)的所有制造過程及其所涉及的硬件和有關(guān)軟件組成的一個(gè)具有特定功能的有機(jī)整體。 其中，硬件包括人

5、員、生產(chǎn)設(shè)備、材料、能源和各種輔助裝置；軟件包括制造理論、制造技術(shù)（制造工藝和制造方法等）和制造信息。 狹義的制造系統(tǒng)通常指產(chǎn)品加工和裝配相關(guān)的機(jī)械制造系統(tǒng)。 2. 制造系統(tǒng)的基本模型 制造系統(tǒng)的基本模型如圖1.1所示。 2. 制造系統(tǒng)的基本模型 從系統(tǒng)基本模型可以看出，制造系統(tǒng)的發(fā)展主要由資源輸入、資源輸出、資源轉(zhuǎn)換、機(jī)制和控制五大要素決定。 1）資源輸入：是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能的必備和前提條件。傳統(tǒng)的輸入資源主要是指物質(zhì)和能量資源。而今，信息、技術(shù)、知識(shí)等無形資源將逐漸占主導(dǎo)地位，資源輸入有兩大類，即有形資源和無形資源。 2. 制造系統(tǒng)的基本模型 2）資源輸出：是企業(yè)系統(tǒng)存在的前提條件。包含四種類

6、型，即產(chǎn)品 、服務(wù)、創(chuàng)造客戶和社會(huì)責(zé)任。 3）資源轉(zhuǎn)換：這是企業(yè)系統(tǒng)最本質(zhì)的功能。衡量轉(zhuǎn)換優(yōu)劣主要有五大指標(biāo)(TQCSE)，即時(shí)間短、質(zhì)量優(yōu)、成本低、服務(wù)好、環(huán)境清潔。 2. 制造系統(tǒng)的基本模型 4）機(jī)制：主要是支撐企業(yè)實(shí)現(xiàn)資源轉(zhuǎn)換的各種平臺(tái)，如硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)、戰(zhàn)略平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)、文化平臺(tái)等。 5）控制或約束：主要是指企業(yè)系統(tǒng)的外部約束，如國家的方針政策、法律法規(guī)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及其它的有關(guān)要求和約束，如環(huán)境保護(hù)、社區(qū)要求等。 3. 制造系統(tǒng)的特征 一個(gè)制造系統(tǒng)首先具備“系統(tǒng)”的全部特征以外，即目的性、整體性、相關(guān)性、層次性和環(huán)境適應(yīng)性，還具有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)： 1）制造系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

7、2）制造系統(tǒng)在運(yùn)行過程中無時(shí)無刻不伴隨著物料流、資金流、價(jià)值流、信息流和工作流的運(yùn)動(dòng)。 3）制造系統(tǒng)具有反饋特性，從而實(shí)現(xiàn)制造過程的不斷調(diào)節(jié)、改善和優(yōu)化。 4. 制造系統(tǒng)的“流”理論 1）制造系統(tǒng)的“五流”理論：有五種要素流即物料流、資金流、價(jià)值流、信息流和工作流流動(dòng)在制造系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程中，極大地影響著制造系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量和發(fā)展的活力。如圖1.2所示。 （1）信息流：根據(jù)類型將信息分為需求信息和供給信息。 （2）物料流：根據(jù)客戶和市場的需求，開發(fā)產(chǎn)品，購進(jìn)原料，加工制造成品，以商品的形式銷售給客戶并提供售后服務(wù)這一過程。4. 制造系統(tǒng)的“流”理論 4. 制造系統(tǒng)的“流”理論 （3）資金流：物料是

8、有價(jià)值的，物料的流動(dòng)引發(fā)資金的流動(dòng)。 （4）價(jià)值流：實(shí)質(zhì)上客戶是在購買商品和服務(wù)的價(jià)值，是一個(gè)不斷增加其技術(shù)含量或附加值的增值過程。 （5）工作流 ：企業(yè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)活動(dòng)，即人的勞務(wù)，工作流決定了各種流的流速和流量，企業(yè)系統(tǒng)的體制組織必須保證工作流暢通，對(duì)瞬息萬變的環(huán)境做出響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上增加流量（產(chǎn)量），為企業(yè)系統(tǒng)謀求更大的效益。 4. 制造系統(tǒng)的“流”理論 2）機(jī)械制造系統(tǒng)“三流”理論 機(jī)械制造系統(tǒng)即狹義的制造系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，無時(shí)無刻不伴隨著“三流”的運(yùn)動(dòng)，即總是伴隨著物料流、信息流和能量流的運(yùn)動(dòng)。如圖1.3所示。 （1）物料流：物料在機(jī)械加工系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng) 。 （2）信息流：信息在機(jī)械加工

9、系統(tǒng)中的作用過程 。 （3）能量流：能量在機(jī)械加工過程中的運(yùn)動(dòng) 。 4. 制造系統(tǒng)的“流”理論 5. 制造系統(tǒng)的分類 從人在系統(tǒng)中的作用、零件品種和批量、零件及其工藝類型、系統(tǒng)的柔性、系統(tǒng)的自動(dòng)化程度及系統(tǒng)的智能程度等方面對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行了分類，并簡單介紹了它們各自的特點(diǎn)。如圖1.4所示。 另外，把不同類型的制造系統(tǒng)進(jìn)行組合，可以得到新的制造系統(tǒng)。例如，剛性自動(dòng)化離散型制造系統(tǒng)就是自動(dòng)化程度、系統(tǒng)柔性和工藝類型三種分類方式的組合。1.1.4 自動(dòng)化的含義 任何制造過程都是由若干個(gè)工序組成，而在一個(gè)工序中，又包含若干個(gè)基本動(dòng)作，如傳動(dòng)、上下料、換刀、切削以及檢測等動(dòng)作。此外，還有操縱和管理這些基本

10、動(dòng)作的操作動(dòng)作，如開動(dòng)和關(guān)閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等動(dòng)作。這些動(dòng)作可以用手動(dòng)來完成，也可以用機(jī)器來完成。 當(dāng)執(zhí)行的基本動(dòng)作由機(jī)器（機(jī)械）代替人力勞動(dòng)來完成時(shí)，這個(gè)過程就是機(jī)械化；若操縱這些機(jī)構(gòu)的動(dòng)作也是由機(jī)器來完成，則可以認(rèn)為這個(gè)制造過程是“自動(dòng)化”了。1.1.5 制造自動(dòng)化 1. 制造自動(dòng)化的概念 2 . 制造自動(dòng)化的發(fā)展歷程 3. 制造自動(dòng)化的發(fā)展趨勢 1. 制造自動(dòng)化的概念 制造自動(dòng)化是在廣義制造過程的所有環(huán)節(jié)采用自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造全過程的自動(dòng)化。 其廣義內(nèi)涵至少包括以下幾點(diǎn)： 1）在形式上，制造自動(dòng)化有三個(gè)方面的含義：代替人的體力勞動(dòng)；代替或輔助人的腦力勞動(dòng)；制造系統(tǒng)中人、機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理

11、、控制和優(yōu)化。1. 制造自動(dòng)化的概念 2）在功能上，制造自動(dòng)化的目標(biāo)是多方面的，已形成一個(gè)有機(jī)體系。此體系可以用功能目標(biāo)模型（TQCSE模型）。其中T表示時(shí)間（Time），Q表示質(zhì)量（Quality），C表示成本（Cost），S表示服務(wù)（Service），E表示環(huán)境友善性（Environment）。 3）在范圍上 ，制造自動(dòng)化涉及到產(chǎn)品生命周期的各類活動(dòng)市場需求分析、產(chǎn)品定義、研究開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、支持（包括質(zhì)量、銷售、采購、發(fā)送、服務(wù)）以及產(chǎn)品最后報(bào)廢、環(huán)境處理等。 2. 制造自動(dòng)化的發(fā)展歷程 從其發(fā)展歷程看，自動(dòng)化制造技術(shù)大約經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段，如圖1.6所示。 3. 制造自動(dòng)化的發(fā)展

12、趨勢 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，先進(jìn)的生產(chǎn)模式對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)及技術(shù)提出了多種不同的要求，這些要求也同時(shí)代表了機(jī)械制造自動(dòng)化今后的發(fā)展趨勢。 這種趨勢可以用“六化”來簡要描述。即：制造全球化、制造敏捷化、制造網(wǎng)絡(luò)化、制造虛擬化、制造智能化、制造綠色化。（具體解釋看書） 1.2 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的基本內(nèi)容1.2.1 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的定義1.2.2 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的組成1.2.3 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的生命周期 （自學(xué)）1.2.4 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的分類及其特點(diǎn)1.2.5 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的適用范圍1.2.1 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的定義 廣義地講，自動(dòng)化制造系統(tǒng)（Automatic Manufacturi

13、ng System，AMS）是由一定范圍的被加工對(duì)象、一定的制造柔性和一定自動(dòng)化水平的各種設(shè)備和高素質(zhì)的人組成的一個(gè)有機(jī)整體，它接受外部信息、能源、資金、配套件和原材料等作為輸入，在人和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)一定程度的柔性自動(dòng)化制造，最后輸出產(chǎn)品、文檔資料、廢料和對(duì)環(huán)境的影響。1.2.2 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的組成 一個(gè)典型的自動(dòng)化制造系統(tǒng)主要由以下子系統(tǒng)組成：毛坯制備自動(dòng)化子系統(tǒng)、機(jī)械加工自動(dòng)化子系統(tǒng)、儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化子系統(tǒng)、裝配過程自動(dòng)化子系統(tǒng)、輔助過程自動(dòng)化子系統(tǒng)、熱處理過程自動(dòng)化子系統(tǒng)、質(zhì)量控制子系統(tǒng)和系統(tǒng)控制子系統(tǒng)。如圖1.7 所示。 另外，良好的組織管理機(jī)構(gòu)和機(jī)制對(duì)于自動(dòng)化制造系統(tǒng)的

14、設(shè)計(jì)和運(yùn)行也是必不可少的。 1.2.4 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的分類及其特點(diǎn) 根據(jù)系統(tǒng)的柔性和規(guī)模，可將自動(dòng)化制造系統(tǒng)分成以下類型。如圖1.8所示1. 剛性半自動(dòng)化單機(jī) 機(jī)床可以自動(dòng)地完成除上下料外單個(gè)工藝過程的加工循環(huán)，這樣的機(jī)床稱為剛性半自動(dòng)化單機(jī)。其特點(diǎn)： 1）機(jī)械控制或電液復(fù)合控制。 2）采用多刀多面加工，如單臺(tái)組合機(jī)床、通用多刀半自動(dòng)車床、轉(zhuǎn)塔車床等。 3）此單機(jī)自動(dòng)化程度最低。 4）調(diào)整工作量大、加工質(zhì)量較差，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也大。 5）投資少、見效快，適用于產(chǎn)品品種變化范圍和生產(chǎn)批量都較大的場合。2. 剛性自動(dòng)化單機(jī) 剛性自動(dòng)化單機(jī)是在剛性半自動(dòng)化單機(jī)的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)上下料裝置而形成的。因

15、此這種機(jī)床實(shí)現(xiàn)的也是單個(gè)工藝過程的全部加工循環(huán)。 這種機(jī)床往往需要定做或在剛性半自動(dòng)化單機(jī)的基礎(chǔ)上改裝，常用于品種變化很小，但生產(chǎn)批量特別大的場合。 主要特點(diǎn)是投資少、見效快，但通用性差，是大量生產(chǎn)最常見的加工裝備。3. 剛性自動(dòng)線 此生產(chǎn)線是用工件輸送系統(tǒng)將各種自動(dòng)化加工設(shè)備和輔助設(shè)備按一定的順序連接起來，在控制系統(tǒng)的作用下完成單個(gè)零件加工的復(fù)雜大系統(tǒng)。 被加工零件以一定的生產(chǎn)節(jié)拍，順序通過各個(gè)工作位置，自動(dòng)完成零件預(yù)定的全部加工過程和部分檢測過程。具有統(tǒng)一的控制系統(tǒng)和嚴(yán)格的生產(chǎn)節(jié)奏。 3. 剛性自動(dòng)線 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工序多，是少品種、大批量生產(chǎn)必不可少的加工裝備。 優(yōu)點(diǎn)：縮短生產(chǎn)周期 、取

16、消半成品的中間庫存、縮短物料流程和便于管理等。 缺點(diǎn)：投資大、系統(tǒng)調(diào)整周期長、更換產(chǎn)品不方便。 發(fā)展型為組合機(jī)床自動(dòng)線，用于箱體類零件和其它類型非回轉(zhuǎn)件的鉆、擴(kuò)、鉸、鏜、攻螺紋和銑削等工序的加工。 4 . 剛性綜合自動(dòng)化系統(tǒng) 此系統(tǒng)為全部包括如熱處理、鍛壓、切削加工、焊接、裝配、檢驗(yàn)、涂裝以及包裝等工藝的剛性自動(dòng)線 。一般剛性自動(dòng)線只能完成單個(gè)零件的所有相同工藝（如切削加工工藝）。 特點(diǎn)：產(chǎn)品比較單一、工序內(nèi)容多、加工批量特別大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資大，建線周期長，更換產(chǎn)品困難，但生產(chǎn)效率極高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度低。 5. 數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床（Numerical Control Machine

17、Tools）用來完成零件一個(gè)工序的自動(dòng)化循環(huán)加工。 早期為“硬件數(shù)控” ，采用硬聯(lián)接電路，即控制邏輯是通過硬件電路實(shí)現(xiàn)的。缺點(diǎn)：編程量大 、容易出錯(cuò)、不能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制、系統(tǒng)缺乏靈活性等。 近期為計(jì)算機(jī)數(shù)控，采用通用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替硬聯(lián)接電路，實(shí)現(xiàn)了軟件數(shù)控，克服了硬件數(shù)控的缺點(diǎn)，為高級(jí)別的自動(dòng)化制造系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)開辟了廣闊的前景。6. 加工中心 加工中心是在一般數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上增加刀庫和自動(dòng)換刀裝置而形成的一類更復(fù)雜，但用途更廣，效率更高的數(shù)控機(jī)床。可以在一臺(tái)機(jī)床上完成車、銑、鏜、鉆、鉸、攻螺紋、輪廓加工等多個(gè)工序的加工。 優(yōu)點(diǎn)：工序集中、有效縮短調(diào)整時(shí)間和搬運(yùn)時(shí)間，減少在制品庫存，加工質(zhì)量高等。

18、 加工中心常用于零件比較復(fù)雜，需要多工序加工，且生產(chǎn)批量中等的生產(chǎn)場合。 加工中心可分為銑削加工中心和車削加工中心。7. 混合成組制造單元 成組制造單元是采用成組技術(shù)原理布置加工設(shè)備，包括成組單機(jī)、成組單元和成組流水線。在成組制造單元中，數(shù)控設(shè)備和普通加工設(shè)備并存，各自發(fā)揮其最大作用。 成組制造單元與小組化工作方式以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)緊密結(jié)合起來，將會(huì)在未來制造業(yè)中發(fā)揮愈來愈大的作用。8. 分布式數(shù)控系統(tǒng) 分布式數(shù)控系統(tǒng)DNC是采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制若干臺(tái)CNC機(jī)床。 這種系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)的計(jì)劃調(diào)度和控制功能，對(duì)物流和刀具流的自動(dòng)化程度要求并不很高。 DNC系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，靈

19、活性大、可靠性高、投資小，以軟取勝，注重對(duì)設(shè)備的優(yōu)化利用，是一種簡單的、人機(jī)結(jié)合的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。9. 柔性制造單元 柔性制造單元FMC是一種小型化柔性制造系統(tǒng)，是由13臺(tái)計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床或加工中心所組成，單元中配備有某種形式的托盤交換裝置或工業(yè)機(jī)器人，由單元計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序編制和分配、負(fù)荷平衡及作業(yè)計(jì)劃控制。 主要優(yōu)點(diǎn)：占地面積較小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不很復(fù)雜，成本較低，投資較小，可靠性較高，使用及維護(hù)均較簡單。 柔性制造單元是柔性制造系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一，深受各類企業(yè)的歡迎。 柔性制造單元常用于品種變化不是很大，生產(chǎn)批量中等的生產(chǎn)規(guī)模。10. 柔性制造系統(tǒng) 一個(gè)柔性制造系統(tǒng)FMS一般由四個(gè)部分組成：兩臺(tái)以上的數(shù)控加工設(shè)備、一個(gè)自動(dòng)化的物料及刀具儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、若干臺(tái)輔助設(shè)備（如清洗機(jī)、測量機(jī)、排屑裝置、冷卻潤滑裝置等）和一個(gè)由多級(jí)計(jì)算機(jī)組成的控制和管理系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn):自動(dòng)化程度和加工質(zhì)量高 、工序集中 、易于和管理信息系統(tǒng)或ERP、技術(shù)信息系統(tǒng)及質(zhì)量信息系統(tǒng)結(jié)合形成更高級(jí)的CIMS自動(dòng)化制造系統(tǒng)。10. 柔性制造系統(tǒng) 缺點(diǎn)：系統(tǒng)投資大、投資回收期長、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)操作人員的要求很高、 系統(tǒng)的可靠性較差。 柔性制造系統(tǒng)沒有固定的生產(chǎn)節(jié)拍，工件的輸送方向也是隨機(jī)的，適用于品種變化不大，批量在2002500件的中等批量生產(chǎn)。 目前，柔性制造系統(tǒng)是最復(fù)雜，自動(dòng)化程度最