教学课件 《自动化制造系统（第4版）》张根保..pptx

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第一章自动化制造系统概论第一节基本概念第二节自动化制造系统的定义、组成及学科特点第三节自动化制造的意义及其发展历程第四节自动化制造系统的特点、适用范围及实现原则第五节自动化制造系统的评价指标第六节系统工程技术与自动化制造系统方法论第一节基本概念一.制造及制造业二.系统三.制造系统四.制造自动化五.制造规模六.制造系统的分类一、制造及制造业制造是人类按照市场需求，运用主观掌握的知识和技能，借助于手工或可以利用的客观物质和工具，采用有效的方法，将原材料转化为最终物质产品并投放市场的全过程。

制造业是所有与制造有关的企业机构的总体。

机械工业大致分为三部分：

1.机器制造-拖拉机、轧钢机、炼油厂成套设备、发电机组、各种机床；汽车、飞机船舶、柴油机；各种家用电器、自行车、缝纫机等；各种仪器仪表。

2.金属制品制造-各种配件、备品、工具、容器等，生产消费资料中日用金属制品，如各类金属结构件、集装箱、水暖管道、铝制品、铁丝、标准件、不锈钢制品、五金工具等。

3.机械产品的修理业-即对机电设备和金属制品的修理。

如对汽车、船舶、飞机、农业机械的修理。

二、系统系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素所构成的一个不可分割的整体。

一般的系统具有如下性质：

目的性整体性集成性层次性相关性环境适应性三、制造系统制造系统原材料能量资金废品污染制造系统是为了达到预定的制造目的而构造的物理或组织系统。

控制信息成品支持条件制造资源输入制造系统输出四、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。

侧重点在自动化物流处理技术方面，所涉及的制造自动化仅局限在狭义制造范畴以内，仅包括物流和物料处理的适度自动化和与物流有关的信息流处理自动化。

五、制造规模产品品种、生产批量大规模制造（大于，标准件、自行车、汽车等）大批量制造（，大型汽车、工程机械等）多品种小批量制造（以下，飞机、大型轮船）六、制造系统的分类按人在系统中的作用分人机一体化的制造系统无人化制造系统按品种和批量分多品种、小批量制造系统少品种、大批量按工艺类型分连续型制造系统离散型制造系统六、制造系统的分类按系统柔性分刚性制造系统柔性制造系统可重构制造系统按自动化程度分手动制造系统半自动制造系统自动化制造系统按智能程度分智能制造系统常规制造系统第二节自动化制造系统的定义、组成及学科特点一.自动化制造系统的定义二.自动化制造系统的功能组成三.自动化制造系统的寿命周期四.自动化制造系统与企业其他系统的关系五.自动化制造系统的学科特点和学科体系一、自动化制造系统的定义自动化制造系统是由一定范围的被加工对象、一定的制造柔性和一定自动化水平的各种设备和高素质的人组成的一个有机整体，它接受外部信息、能源、资金、配套件和原材料等作为输入，在人和计算机控制系统的共同作用下，实现一定程度的柔性自动化制造，最后输出产品、文档资料、废料和对环境的污染。

人机一体化自动化制造系统的概念模式一、自动化制造系统的定义自动化制造系统具有五个典型组成部分1.具有一定技术水平和决策能力的人（FMS,DNC,teamwork）2.一定范围的被加工对象（GT）（automation/flexible/3.信息流及其控制系统integration）4.能量流及其控制系统（using/consume,badaffection/optimization）5.物料流及物料处理系统二、自动化制造系统的功能组成自动化制造系统主要由以下子系统组成：

1.毛坯制备自动化子系统（锻压、铸造、焊接、切割）2.热处理过程自动化子系统3.储运自动化子系统（工件、刀具、其他物料）4.机械加工自动化子系统（上下料、装夹、换刀、加工、零件检验）5.装配过程自动化子系统（装配过程、零部件供应）6.辅助过程自动化子系统（排屑、清洗、切削液系统、涂装过程、包装过程）7.质量控制子系统（零件检验、产品测试、刀具检测）8.系统控制子系统（故障诊断、环境及安全监测、运行状态监控、生产计划与调度、系统外部接口）三、自动化制造系统的寿命周期系统设计阶段制造阶段安装、调试、验收阶段应用和维护阶段报废及回收处理阶段四、自动化制造系统与企业其它系统关系技术系统产品研发与设计、工艺设计、生产准备活动管理系统质量管理、营销管理、物资供应管理、财务管理、成本管理、生产计划管理、人力资源管理、设备管理、能源管理信息系统五、自动化制造系统的学科特点和学科体系自动化制造系统自动化技术系统工程技术制造科学与技术系统工程学材料科学设计与制造学质量控制工程信息科学计算机科学环境保护学人机工程学生产管理自动控制理论运筹学电气工程第三节自动化制造的意义及其发展历程一.自动化制造的意义二.发展里程及现状一、自动化制造的意义1.提高生产率2.缩短生产周期3.提高产品质量4.提高经济效益5.降低劳动强度6.有利于产品更新7.提高劳动者素质8.带动相关技术的发展9.体现一个国家的科技水平二、发展里程及现状第一阶段（18701950）1870年，美国，自动制造螺钉的机器；1895年，美国，发明多轴自动车床（纯机械控制）；1924年，英国morris汽车公司，第一条采用流水作业的机械加工自动线；1935年，前苏联，GT第二阶段（19521965）1952，MIT，NC；1953，MIT，APT（AutomaticallyProgrammedTools）；1958，USA，MC（Machiningcentre）；1959，USA，polarcoordinatesIR（IndustrialRobot）；1960，USA，ACM（AdaptiveControlMachineTools）；1962，USA，cylindercoordinatesIR；1963，USA，CAD（ComputerAidedDesign）；1965，USA，CNC（ComputerNumericalControl）第三阶段（196720.80中期）1967，EnglandMolinsCorp，DNC（DirectNumericalControl）；1967，USAandJapan，研制出计算机控制系统1969，Japan，basedonGTIKEGAIchangeablemanufacturingsystem；1969，USA，工业机器人操作的焊接自动线；20.70初，USA，FMC&FMS（FlexibleManufacturingCell/system）；1980，Japan，富士工厂；20.80初，Japan，无人工厂第四阶段（20.80今）1974，USA，CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）；20.80初，世界各国纷纷投入巨资研究CIMS；20.90后，CIMS观念发生巨大变化，开始提出以人为中心的CIMS思想；（CE/LP/AM/ER）自动化制造技术在我国的发展历程1956，第一条机械加工自动线投入使用；1958，研制出数控立铣床；1959，第一条加工环套类零件的生产线建成（轴承内外环）；1969，第一条加工轴类零件的自动线建成（电动机转子轴）；1964后10年间，二汽，57条自动线，8000多台自动化制造设备；1973，集中力量研制NC,MC,CNC；1985，50多种，并远销国外；1986，第一个FMS投入运行；863,robot,CIMS（清华，华中科大，北京一机床）1987后，引进10余套FMS富士数码相机组装工厂生产线superCCD制造车间第四节自动化制造系统的特点、适用范围及实现原则一.自动化制造系统的分类及其特点二.自动化制造系统的适用范围三.自动化制造系统的实现原则一、自动化制造系统的分类及其特点刚性自动化设备及系统1.刚性半自动化单机除上下料外，机床可以自动完成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。

机械或电液控制，多刀多面加工。

2.刚性自动化单机增加自动上下料装置。

3.刚性自动线4.刚性综合自动化系统一、自动化制造系统的分类及其特点柔性自动化设备及系统5.数控机床NC5.加工中心MC5.混合成组制造单元（采用GT原理布置加工设备，包括成组单机、成组单元和成组流水线）5.分布式数控系统DNC5.柔性制造单元FMC5.柔性制造系统FMS5.柔性制造线FML5.柔性制造车间5.计算机集成制造系统CIMS二、自动化制造系统的适用范围普通数控机床加工中心FMCFMSFML批量品种数二、自动化制造系统的实现原则1.产品设计方面通用化、系列化、标准化、模块化面向制造的设计，面向装配的设计采用先进的毛坯制备方法：

精密铸造、精密锻造、冷挤压、精密轧制等少无切削工艺。

2.工艺技术方面GT3.制造系统本身第五节自动化制造系统的评价指标一、自动化制造系统评价的特点二、自动化制造系统评价指标一、自动化制造系统评价的特点全面性完整性真实性尽量量化二、自动化制造系统评价指标生产率经济性质量可持续发展制造柔性可靠性自动化制造系统评价的六要素第六节系统工程技术与自动化制造系统方法论一、系统工程技术与方法概述二、自动化制造系统功能建模的基本概念三、自动化制造系统信息建模的基本概念四、人在自动化制造系统中的作用一、系统工程技术与方法概述定义问题因素分析目标选择方案设计模型设计定义问题最优化决策系统实施评价与改进二、自动化制造系统功能建模的基本概念一个好的建立功能模型的工具必须满足以下条件：

1.能够从各个侧面全面描述系统2.系统描述简单明了，容易读懂，便于理解3.具有严格的建模规则，不会产生多义性4.所建立的模型应能够被用来进行系统的分析与设计5.模型可以借助于计算机来处理三、自动化制造系统信息建模的基本概念建立自动化制造系统信息模型的目的是为了全面描述和分析它的信息要求，为数据库设计和有关控制器设计提供必要的技术准备，以实现自动化制造系统内部以及与外部环境的全面信息集成。

建立信息模型可采用各种方式：

数据流程图（DFDDataFlowDiagram）；实体联系图（E-Rentityrelation）；文字描述等。

四、人在自动化制造系统中的作用1.监视系统运行状态2.随时排除系统的复杂故障3.完成机器无法完成的复杂工作4.完成机器不能经济性完成的工作5.在系统控制和调度中起主导作用6.随时调整系统运行参数第二章自动化制造系统的人机一体化设计与评价第一节：

自动化制造系统的人机一体化基本概念第二节：

自动化制造系统人机一体化总体设计第三节：

自动化制造系统人机一体化运行与维护第四节：

自动化制造系统设计的人机工程评价第一节自动化制造系统的人机一体化基本概念一、人机一体化制造系统的定义20世纪80年代以来，AMS成为投资热点；早期，无人工厂；德国工程师协会，1990年，CIMS调查：

30%来自“企业文化”美国AMRC和Yankee，1990年4月，CIMS调查：

CIMS障碍70%来自人日本，1991年，丰田汽车公司，高度自动化装配厂20世纪90年代中期，提出并形成人机一体化，发展适度自动化制造系统的新思想。

定义：

所谓人机一体化制造系统，就是人与具有适度自动化水平的制造装备和控制系统共同组成的一个完整系统，各自执行自己最擅长的工作，人与机器共同决策、共同作业，从而突破传统自动化制造系统将人排除在外的旧格局，形成新一代人机有机结合的适度自动化制造系统。

二、自动化制造系统的人机一体化总体结构三个层面上实现一体化1.感知层面上的人机联合感知层面=人的五官+机器的信息显示系统2.控制层面上采用人机共同决策人+机器智能决策系统=人机联合决策控制三种策略：

机主人辅；人主机辅；人机耦合3.执行层面上人机交互协作、取长补短，充分发挥各自优势三、自动化制造系统的人机一体化的设计方法和主要步骤主要步骤1.定义系统目标和作业要求系统作业要求包括的三个方面内容：

要自动化制造系统做什么？

系统设计结果的评价标准是什么？

如何进行度量？

主要步骤1.定义系统目标和作业要求逐步细化和完善人机一体化设计工作，应从以下方面考虑：

制造系统加工对象、未来的使用者和运行环境目前同类制造系统的使用和操作方法使用者的作业需求确保制造系统目标实现时人对制造系统和环境的要求，及制造系统和环境对人的要求2.系统定义设计者与决策层人员一起做出重要决策（目标概念方案）定义系统的输入、处理功能和输出三、自动化制造系统的人机一体化的设计方法和主要步骤3.系统设计功能分配作业要求研究作业分析与设计三、自动化制造系统的人机一体化的设计方法和主要步骤4.人机界面设计系统总体布置与人的作业空间设计信息交互中的人机界面设计物料流处理中人机界面设计系统运行维护中的人机界面设计三、自动化制造系统的人机一体化的设计方法和主要步骤5.作业辅助设计适合制造系统特定要求的人员选择制造系统操作人员的技能培训其他辅助作业设计6.系统检验和评价三、自动化制造系统的人机一体化的设计方法和主要步骤第二节自动化制造系统的人机一体化总体设计一、自动化制造系统中人机功能特征比较1.人类感知与机器感知的比较2.人类思维和机器思维的比较3.人与机器执行能力的比较二、自动化制造系统中人机功能分配人机功能分配作为人机一体化系统人机界面设计的第一步，其过程是先根据系统的使用对象和加工范围，定义系统的基本功能，并按主要功能和子功能两个层次进行分解，然后根据人和机器的功能特征进行分配，并使已分配给任何机器的功能关系协调。

三、自动化制造系统中作业空间设计

（一）基本概念自动化制造系统的作业空间是指制造系统中各种制造设备本身及各种操作人员所占用的空间，包括加工设备、运输设备、工件及刀具存储、工具箱等所占空间以及作业人员操作空间、行走空间、检修空间、休息空间的总和。

三、自动化制造系统中作业空间设计

（二）人体测量数据及取用原则原则和步骤：

1确定对于设计至关重要的人体尺寸2确定设计对象的使用者群体，以决定必须考虑的尺寸范围3确定数据运用准则4查找与定位群体特征相符合的人体测量数据表，选择有关的数据值5建议尽可能使用近期测得的数据6考虑人体测量数据的着装影响三、自动化制造系统中作业空间设计（三）操作空间设计1.坐姿操作空间2.站姿操作范围3.下肢及脚的操作范围三、自动化制造系统中作业空间设计（四）加工设备的布置于作业空间设计1.机器设备的平面排列布置纵向排列布置横向排列布置斜向排列布置2.机器设备的高度布置四、自动化制造系统中作业空间设计的仿真评价四、自动化制造系统中作业空间设计的仿真评价五、自动化制造系统的人机界面设计

（一）信息流处理中的人机界面设计1.视觉显示装置的人机工程设计2.语音显示装置设计语音的清晰度语音的强度噪声环境中的语音通信3.操纵控制台的人机工程设计4.操纵装置的人机工程设计五、自动化制造系统的人机界面设计

（二）物料流处理中的人机界面设计（三）系统运行维护中的人机界面设计六、自动化制造系统的作业人员岗位设置与技能培训自动化制造系统工作岗位人员：

1.系统管理人员2.信息系统硬、软件技术人员3.机械和液压技术人员4.刀具调整人员5.夹具装调工6.工件装卸工7.巡视人员8.其他人员第三节自动化制造系统的人机一体化运行与维护一、自动化制造系统中的人机一体化运行机制人机交互界面作为一个独立的、重要的研究领域受到了世界各计算机厂家的关注。

并成为90年代计算机行业的又一竞争领域。

从计算机技术的发展过程来看，人机交互界面技术还引导了相关软硬件技术的发展，是新一代计算机系统取得成功的保证。

80年代已来，计算机的软件和硬件技术取得了较大的发展，同时，计算机的使用者也从计算机专家迅速扩大到了广大未受过专门训练的普通用户，由此极大地提高了用户界面在系统设计和软件开发中的重要性，强烈地刺激了人机交互界面的进步。

人计算机的交互作用是通过用户界面来实现的二、自动化制造系统中的作业安全要求自动化制造系统安全性保障措施：

1.系统管理软件中应有安全防护的控制部分2.采用电子、电气和机械装置连锁防护3.在机器人、自动装夹设备、自动更换工件和刀具设备的工作区外，设置安全防护围栏，钢丝网罩等4.机器人和其他自动运送设备的控制系统中，应设置有安全互锁装置，防止停机检修时的意外启动和运转5.在有危险的设备和运动部件上设置安全标志，以提醒操作人员注意6.安全培训三、自动化制造系统监控作业中的疲劳预防对于脑力疲劳，可采取如下措施来避免：

1.使操作内容适当复杂化2.定期变换工作内容或作业岗位3.良好的作业环境（照明环境、噪声环境、振动、热辐射、有害物质及粉尘、气味等环境因素）四、自动化制造系统中的事故预防

（一）事故的物理条件因素1.作业者与机器功能分配不当2.工具、作业场所等设计失误3.缺少必要的安全装置与防护装置4.物理环境对人造成的生理和心理压力

（二）事故的人为因素（三）导致事故的人的行为因素1.训练与技能2.记忆疏漏（四）导致事故的人的生理与心理因素（性格/生理和生物节律/作业疲劳）第四节自动化制造系统的人机工程评价一、自动化制造系统设计人机工程评价内容1.对自动化制造系统设计目标定义的评价对自动化制造系统未来使用者群体特征的要求是什么？

使用者对自动化制造系统的要求是什么？

人机一体化制造系统自动化程度定位是否合适？

自动化制造系统设计的期望目标与人机一体化原则的相符程度如何？

一、自动化制造系统设计人机工程评价内容2.人机功能分配的评价人机功能分配前，是否充分比较和分析了人机各自功能特征？

自动化制造系统的系统功能分解是否充分考虑了人的能力特征？

人机功能分配是否合理？

自动化制造系统运行中的人机功能能否实现最佳协调配合？

一、自动化制造系统设计人机工程评价内容3.自动化制造人的作业要求评价自动化制造系统对人的作业要求是否与人的作业能力相匹配？

作业内容是否超过人的生理、心理负荷极限？

长时间静态或动态作业对人的生理、心理影响程度有多大？

作业顺序安排是否与人的生理习惯相匹配？

小组化团队工作方式中，作业分配与动态调节是否在团队内能够达到平衡？

团队成员的主观能动性和创造性能否得到充分发挥？

一、自动化制造系统设计人机工程评价内容4.人机界面设计评价作业空间布置是否与人体测量数据相匹配？

作业姿势设计是否合理？

工作中是否可改变作业姿势？

是否有工间休息场地和足够的过道空间？

座椅及工具等辅助装置的设计是否充分考虑了人的生理和心理特点？

显示装置的设计是否与人的感官能力特征相匹配？

操作装置的结构、布置、操作力大小、操作方式等是否与人的生物力学特征相匹配？

自动化制造系统运行的安全防护措施是否充分？

安全防护装置是否设计合理？

可靠性高否？

一、自动化制造系统设计人机工程评价内容5.自动化制造系统运行与维护评价人的工作方便性和工效是否达到人机一体化设计的要求？

运行状态下人的疲劳是否得到有效控制？

作业与休息交替时间安排是否合理？

系统检查与维修是否方便？

紧急与意外事故处理的手段和措施是否易于人察觉和掌握？

运行控制能否与人形成良好的人机一体化效果？

二、自动化制造系统设计人机工程评价方法何谓人机工程评价？

等级：

对策优先度高等级：

要有对策等级：

没有问题综合评价等级（阶段）451-345-+-+bb良恶1-3c根据作业时的姿势和负荷的大小，对作业工程的肉体上的负担进行评价。

姿势恶负荷良a高龄者x女子x高龄者x目的主要使用范围在生产现场中从事重复作业的作业者（线外的改善业务、项目业务和间接业务是属于对象外的）（像不足一天的产量的非良产的生产线也是对象外的）对作业负担进行客观的评价实现无论任何人都能够稳定的进行生产的作业环境（高龄者、女子、外部要员也能够持续的工作的工程创建）（疾病的低減）评价的思路评价的两个要素姿势评价：

使用每一天的累计时间对姿势的好坏进行评价负荷评价：

使用单独以及每一天所处理的总重量对其进行评价评价的方法（步骤）事前准备根据评价的实施日程，在事前填写对象生产线的前提条件工程确认由班长在现场确认作业者的姿势与动作（如有问题，就去）姿势评价通过兔子跳法测定作业姿势比率负荷评价调查重物的作业以及负荷大的动作的操作力与频度综合评价填写人机工程评价表进行综合评价。

对策详细请参考下页评价的方法（姿势评价详细）时间通过在相同间隔的时间内进行作业观察，记录作业内容，把握实际所需的时间和内容的IE手法的一种。

何谓兔子跳法？

Rabbitjumpinglocus准备观测板和秒表、观察纸、笔记用具为了能够把握调查对象工程，每秒观察作业姿势约次并进行记录。

（分连续观测）根据姿势比率和负荷时间计算出作业姿势时间。

人机工程：

兔子跳观测（姿势评价）工程名：

填写的方法可以使用自己习惯的方法不一定是正规的字，用卌也可以!

评价的方法（负荷评价详细）1.有重量物的时候，需要确认该零件的重量以及操作的频度（零件平均重量）（生产台数）对于操作力（台车或者加力矩）有作业者抱怨的情况，就需要确认操作力和频度。

注：

不单单是单品重量的评价，因为每天的处理重量以及台车等的操作力也是作为评价的要素，因此在判断时要注意。

负荷评价事例演习演习：

在内饰工程中，把零件先临时放置，然后再把零件安装在车体内。

（台/班的生产）演习：

在冲压工程中，搬运操作力的台车200次。

演习：

在锻造工程中，全数搬运的零件并进行外观检查（台/班的生产）演习：

在机械加工工程中，处理的零件600次，处理的零件4次。

第三章自动化制造系统的组成第1节自动化制造系统的常见类型第2节自动化加工设备第3节工件储运系统第4节刀具准备及储运系统第5节工业机器人第6节质量控制和运行监控系统第7节辅助设备第8节控制与通信系统第一节自动化制造系统的常见类型一、刚性自动线控制系统自动化设备工件输送装置切屑输送装置自动化加工设备组合机床+专用机床多面、多轴、多刀同时加工-自动化程度、生产率高生产线布置上：

加工设备按工件的加工工艺顺序排列一、刚性自动线工件输送装置生产节拍工件装卸工位、自动上下料工位、中间贮料装置、输送装置、随行卡具返回装置、升降装置和转位装置传送带：

步伐式、链条式、辊道式切屑输送装置集中排屑方式（重力、离心力/大流量切削液冲洗/压缩空气吹屑/真空吸屑）刮板式、螺旋式等控制系统传统电气控制方式-PLC刀具人工安装、调整、实行定时强制换刀集中控制全线机床工件输送装置切屑输送装置曲拐加工自动线二、分布式数字控制DirectNumericalControl/DistributedNumericalControl早期：

20世纪70年代初期：

DNC-标志数控加工由单机控制向集中控制发展DNC最早的：

一台中央计算机控制3-5台NC（只配置MCU）第二代：

DNC-BTR若DNC通信受到干扰，NC仍可用原读带机独立工作现代：

DNC-CNC中央计算机、CNC控制器、通信端口、连接电路系统检测（）数据管理系统监视三、柔性制造单元1数控车床2加工中心3装卸工位4龙门式机械手5机器人6加工中心控制器7车床数控装置8龙门式机械手控制器9小车控制器10加工中心控制器11机器人控制器12单元控制器13、14运输小车FMC由1-3台NC或MC，工件自动输送或更换系统，刀具存储、输送及更换系统，设备控制器和单元控制器等组成。

三、柔性制造单元1刀具库2换刀机械手3托盘库4装卸工位5托盘交换机构三、柔性制造单元三、柔性制造单元四、柔性制造系统柔性制造系统（FMS）柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem）由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现了物料流和信息流的自动化。

其基本组成部分有：

自动化加工设备、工件储运系统、刀具储运系统和多层计算机控制系统等。

1.自动化加工设备组成FMS的自动化加工设备有数控机床、加工中心、车削中心等，也可能是柔性制造单元。

四、柔性制造系统2.工件储运系统FMS工件储运系统由工件库、工件运输设备和更换装置等组成。

工件库包括自动化立体仓库和托盘（工件）缓冲站。

工件运输设备包括各种传送带、运输小车、机器人或机械手等；工件更换装置包括各种机器人或机械手、托盘交换装置等。

3.刀具储运系统FMS的刀具储运系统由刀具库