1、第第 1 章章 自动化制造系统概论自动化制造系统概论1.系统的定义：系统的定义：系统是指由相互联系、相互 作用的若干要素构成的具有特定功能的有机整体。（有机是指事物的各部分互相关连协调而不可分,就像一个生物体那样）2.系统的特征：系统的特征：系统一般具备五大特征。1）目的性：）目的性：通常系统都具有某种目的。2）整体性：）整体性：系统是由相互联系的若干要 素组成的，它作为一个有机整体存在于 特定的环境之中。系统是一个集合,具 有统一性和非加和性。2.系统的特征：系统的特征：系统一般具备五大特征。3）相关性：）相关性：系统的各个组成要素是相互联系和制约的，这是系统内部的相关性。4）层次性：）层次
2、性：由于客观事物的复杂性，使系统具有多层次结构。系统、分系统和系统要素构成了层次结构。层次结构有底层、中间层和顶层。5）环境适应性：）环境适应性：系统适应外部环境的变化，以获取生存和发展能力的性质。1.制造制造 2.制造业制造业 3.制造规模制造规模是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。制造的概念有和之分。是指生产车间与物流有关的加工和装配过程。3.制造规模制造规模：年产量超过5000件的制造，例如标准件（螺钉、螺母、垫圈、销等）。年产量在5005000件之间制造，如大型汽车制造等。年产量在500件以下的制造
3、，如飞机制造、大型轮船制造等。机械制造企业的生产规模越来越小，正在向着多品种、单件化的方向发展，目前已成为机械制造业的主导方式。1.制造系统的定义制造系统的定义 2.制造系统的基本模型制造系统的基本模型 3.制造系统的特征制造系统的特征 4.制造系统的制造系统的“流流”理论理论 5.制造系统的分类制造系统的分类 制造系统也有广义广义和狭义狭义之分。广义的制造系统广义的制造系统是包含从原材料供给到销售服务的所有制造过程及其所涉及的硬件和有关软件组成的一个具有特定功能的有机整体。其中，硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置；软件包括制造理论、制造技术（制造工艺和制造方法等）和制造信息。狭
4、义的制造系统狭义的制造系统通常指产品加工和装配相关的机械制造系统。制造系统的基本模型如图1.1所示。从系统基本模型可以看出，制造系统的发展主要由资源输入、资源输出、资源转换、机资源输入、资源输出、资源转换、机制和控制制和控制五大要素决定。1）资源输入：）资源输入：是实现转换功能的必备和前提条件。传统的输入资源主要是指物质和能量资源。而今，信息、技术、知识等无形资源将逐渐占主导地位，资源输入有两大类，即有形资源和无形资源。2）资源输出：是企业系统存在的前提条）资源输出：是企业系统存在的前提条件。包含四种类型，即件。包含四种类型，即产品、服务、创造客户和社会责任。3）资源转换：）资源转换：这是企业
5、系统最本质的功能。衡量转换优劣主要有五大指标(TQCSE)，即时间短、质量优、成本低、服务好、环境清洁。4）机制：）机制：主要是支撑企业实现资源转换的各种平台，如硬件平台、软件平台、战略平台、知识平台、文化平台等。5）控制或约束：）控制或约束：主要是指企业系统的外部约束，如国家的方针政策、法律法规、规范标准以及其它的有关要求和约束，如环境保护、社区要求等。一个制造系统首先具备“系统”的全部特征以外，即目的性、整体性、相关性、层次性和环境适应性，还具有以下三个显著特点：1）制造系统是一个动态系统。2）制造系统在运行过程中无时无刻不伴随着物料流、资金流、价值流、信息流和工作流的运动。3）制造系统具
6、有反馈特性，从而实现制造过程的不断调节、改善和优化。1）制造系统的）制造系统的“五流五流”理论：有五种要素理论：有五种要素流流即即物料流、资金流、价值流、信息流和工作流物料流、资金流、价值流、信息流和工作流流动在制造系统的动态过程中，极大地影响着流动在制造系统的动态过程中，极大地影响着制造系统运行的质量和发展的活力。如图制造系统运行的质量和发展的活力。如图1.2所示。所示。（1）信息流）信息流：根据类型将信息分为需求信息和供给信息。（2）物料流）物料流：根据客户和市场的需求，开发产品，购进原料，加工制造成品，以商品的形式销售给客户并提供售后服务这一过程。（3）资金流）资金流：物料是有价值的，物
7、料的流动引发资金的流动。（4）价值流）价值流：实质上客户是在购买商品和服务的价值，是一个不断增加其技术含量或附加值的增值过程。（5）工作流）工作流：企业系统的业务活动，即人的劳务，工作流决定了各种流的流速和流量，企业系统的体制组织必须保证工作流畅通，对瞬息万变的环境做出响应，在此基础上增加流量（产量），为企业系统谋求更大的效益。2）机械制造系统“三流”理论 机械制造系统即狭义的制造系统在运行过程中，无时无刻不伴随着“三流”的运动，即总是伴随着物料流、信息流和能量流物料流、信息流和能量流的运动。如图如图1.3所示。（1）物料流）物料流：物料在机械加工系统中的运动。（2）信息流）信息流：信息在机械
8、加工系统中的作用过程。（3）能量流）能量流：能量在机械加工过程中的运动。从人在系统中的作用、零件品种和批量、零件及其工艺类型、系统的柔性、系统的自动化程度及系统的智能程度等方面对制造系统进行了分类，并简单介绍了它们各自的特点。如图如图1.4所示。另外，把不同类型的制造系统进行组合，可以得到新的制造系统。例如，刚性自动化离散型制造系统就是自动化程度、系统柔性和工艺类型三种分类方式的组合。1.1.4 自动化的含义自动化的含义 任何制造过程都是由若干个工序组成，而在一个工序中，又包含若干个基本动作，如传动、上下料、换刀、切削以及检测等动作。此外，还有操纵和管理这些基本动作的操作动作，如开动和关闭传动
9、机构等动作。这些动作可以用手动来完成，也可以用机器来完成。当执行的基本动作由机器（机械）代替人力劳动来完成时，这个过程就是机械化；若操纵这些机构的动作也是由机器来完成，则可以认为这个制造过程是“自动化”了。1.制造自动化的概念制造自动化的概念 制造自动化制造自动化是在广义制造过程的所有环节采用自动化技术，实现制造全过程的自动化。其广义内涵至少包括以下几点：1）在形式上，制造自动化有三个方面的含义：代替人的体力劳动；代替或辅助人的脑力劳动；制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。1.制造自动化的概念制造自动化的概念 2）在功能上，制造自动化的目标是多方面的，已形成一个有机体系。此体系
10、可以用功能目标模型（TQCSE模型）。其中T表示时间（Time），Q表示质量（Quality），C表示成本（Cost），S表示服务（Service），E表示环境友善性（Environment）。3）在范围上，制造自动化涉及到产品生命周期的各类活动市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、生产制造、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）以及产品最后报废、环境处理等。2.制造自动化的发展历程制造自动化的发展历程 从其发展历程看，自动化制造技术大约经历了四个发展阶段，如图如图1.6所示。3.制造自动化的发展趋势制造自动化的发展趋势 随着科学技术的飞速发展和社会的不断进步，先进的生产模式对自动化系统及
11、技术提出了多种不同的要求，这些要求也同时代表了机械制造自动化今后的发展趋势。这种趋势可以用“六化”来简要描述。即：制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造智能化、制造绿色化。（具体解释看书）1.2.4 自动化制造系统的分类及其特点自动化制造系统的分类及其特点 1.刚性半自动化单机刚性半自动化单机 机床可以自动地完成除上下料外单个工艺过程的加工循环，这样的机床称为刚性半自动化单机。其特点：1）机械控制或电液复合控制。2）采用多刀多面加工，如单台组合机床、通用多刀半自动车床、转塔车床等。3）此单机自动化程度最低。4）调整工作量大、加工质量较差，工人的劳动强度也大。5）投资少、见效快，适
12、用于产品品种变化范围和生产批量都较大的场合。2.刚性自动化单机刚性自动化单机 刚性自动化单机是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上下料装置而形成的。因此这种机床实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。这种机床往往需要定做或在刚性半自动化单机的基础上改装，常用于品种变化很小，但生产批量特别大的场合。主要特点是投资少、见效快，但通用性差，是大量生产最常见的加工装备。3.刚性自动线刚性自动线 此生产线是用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件单个零件加工的复杂大系统。被加工零件以一定的生产节拍，顺序通过各个工作位置，自动完成零件预定的全部加工过程
13、和部分检测过程。具有统一的控制系统和严格的生产节奏。3.刚性自动线刚性自动线 结构复杂，加工工序多，是少品种、大批量生产必不可少的加工装备。优点：缩短生产周期、取消半成品的中间库存、缩短物料流程和便于管理等。缺点：投资大、系统调整周期长、更换产品不方便。发展型为组合机床自动线，用于箱体类箱体类零件和其它类型非回转件非回转件的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工。4.刚性综合自动化系统刚性综合自动化系统 此系统为全部包括如热处理、锻压、切削加工、焊接、装配、检验、涂装以及包装等工艺的刚性自动线。一般刚性自动线只能完成单个零件的所有相同工艺（如切削加工工艺）。特点：产品比较单一、工序内容多、加
14、工批量特别大、结构复杂、投资大，建线周期长，更换产品困难，但生产效率极高，加工质量稳定，劳动强度低。5.数控机床数控机床 数控机床（Numerical Control Machine Tools）用来完成零件一个工序的自动化循环加工。早期为“硬件数控”，采用硬联接电路，即控制逻辑是通过硬件电路实现的。缺点：编程量大、容易出错、不能实现自适应控制、系统缺乏灵活性等。近期为计算机数控，采用通用数字计算机代替硬联接电路，实现了软件数控，克服了硬件数控的缺点，为高级别的自动化制造系统的实现开辟了广阔的前景。6.加工中心加工中心 加工中心是在一般数控机床的基础上增加刀库和自动换刀装置刀库和自动换刀装置而
15、形成的一类更复杂，但用途更广，效率更高的数控机床。可以在一台机床上完成车、铣、镗、钻、铰、攻螺纹、轮廓加工等多个工序的加工。优点：工序集中、有效缩短调整时间和搬运时间，减少在制品库存，加工质量高等。加工中心常用于零件比较复杂，需要多工序加工，且生产批量中等的生产场合。加工中心可分为铣削加工中心和车削加工中心。7.混合成组制造单元混合成组制造单元 成组制造单元是采用成组技术原理布置加工设备，包括成组单机、成组单元和成组流水线。在成组制造单元中，数控设备和普通加工设备并存，各自发挥其最大作用。成组制造单元与小组化工作方式以及计算机应用软件和网络系统紧密结合起来，将会在未来制造业中发挥愈来愈大的作用
16、。8.分布式数控系统分布式数控系统 分布式数控系统DNC是采用一台计算机控制若干台CNC机床。这种系统强调的是系统的计划调度和控制功能，对物流和刀具流的自动化程度要求并不很高。DNC系统的主要优点是系统结构简单，灵活性大、可靠性高、投资小，以软取胜，注重对设备的优化利用，是一种简单的、人机结合的自动化制造系统。9.柔性制造单元柔性制造单元 柔性制造单元FMC是一种小型化柔性制造系统，是由13台计算机数控机床或加工中心所组成，单元中配备有某种形式的托盘交换装置或工业机器人，由单元计算机进行程序编制和分配、负荷平衡及作业计划控制。主要优点：占地面积较小，系统结构不很复杂，成本较低，投资较小，可靠性
17、较高，使用及维护均较简单。柔性制造单元是柔性制造系统的主要发展方向之一，深受各类企业的欢迎。柔性制造单元常用于品种变化不是很大，生产批量中等的生产规模。10.柔性制造系统柔性制造系统 一个柔性制造系统FMS一般由四个部分组成：两台以上的数控加工设备、一个自动化的物料及刀具储运系统、若干台辅助设备（如清洗机、测量机、排屑装置、冷却润滑装置等）和一个由多级计算机组成的控制和管理系统。优点:自动化程度和加工质量高、工序集中、易于和管理信息系统或ERP、技术信息系统及质量信息系统结合形成更高级的CIMS自动化制造系统。10.柔性制造系统柔性制造系统 缺点：系统投资大、投资回收期长、系统结构复杂、对操作
18、人员的要求很高、系统的可靠性较差。柔性制造系统没有固定的生产节拍，工件的输送方向也是随机的，适用于品种变化不大，批量在2002500件的中等批量生产。目前，柔性制造系统是最复杂，自动化程度最高的自动化制造系统，现在有向小型化和简单化发展的趋势。11.柔性制造线柔性制造线 柔性制造线FML与柔性制造系统之间的界限也很模糊，是像刚性自动线（特别是组合机床自动线）一样，具有一定的生产节拍，工件沿一定的方向顺序传送。线中的机床主要是多轴主轴箱的换箱式和转塔式加工中心。在工件变换以后，各机床的主轴箱可自动进行更换，同时调入相应的数控程序，生产节拍也会作相应的调整。主要适用于品种变化不大的中批和大批量生产
19、。11.柔性制造线柔性制造线 特点：具有刚性自动线的绝大部分优点，当批量不很大时，生产成本比刚性自动线低得多；当品种改变时，系统所需的调整时间又比刚性自动线少得多，但总费用却比刚性自动线要高得多。柔性制造线常采用刚柔结合的形式，即生产线的一部分设备采用刚性专用设备（主要是组合机床），另一部分采用换箱或换刀式柔性加工机床。13.计算机集成制造系统计算机集成制造系统 CIMS是目前最高级别的自动化制造系统，但这并不意味着ClMS是完全自动化的制造系统。事实上，目前意义上ClMS的自动化程度甚至比柔性制造系统还要低。CIMS强调的主要是信息集成，而不是制造过程物流的自动化。CIMS的主要特点是系统十分庞大，包括的内容很多，要在一个企业完全实现难度很大，但可以采取部分集成的方式，逐步实现整个企业的信息及功能集成。1.2.5 自动化制造系统的适用范围自动化制造系统的适用范围 不同类型的自动化制造系统具有不同的适用范围，如图1.9所示
