第七章制造系统.docx
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第七章制造系统
第七章先进制造方法
一、本章的教学目的与要求
学习本章的主要目的是:
了解CAD/CAM基本概念与基本功能；了解CAPP、GT、FMT的基本概念与应用；理解CIMS的先进管理与制造业信息化的新理念。
本章重点为：
CAD/CAM技术内容与工程应用的基本概念；CAPP、GT、FMT与CIMS实质内容与工程应用的实际意义。
学习本章建议与工程实践的数控实习相结合，以加深对CAD/CAM的理解和加深对制造信息化的理。
学习本章时建议阅读葛巧琴编著、东南大学出版社1998出版的《机械CAD/CAM》及颜永年编著、化学工业出版社2002出版的《先进制造技术》的相关章节。
二、授课主要内容
1.CAD/CAM系统
2.计算机辅助工艺设计
3.成组技术
4.数控加工技术
三、重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）
使学生重点了解CAD/CAM基本概念和基本功能，了解CAPP、GT、FMS、NC等基本概念与应用，理解CIMS的先进管理与制造业信息化的新概念。
本章重点为：
CAD/CAM技术内容与工程应用的基本概念；CAPP、GT、FMT与CIMS实质内容与工程应用的实际意义。
四、主要外语词汇
计算机辅助工艺设计/计算机辅助制造：
computeraideddesignandcomputeraidedmanufacturing，CAD/CAM
计算机辅助工艺设计：
computeraidedprocessplanning,CAPP
成组技术：
groptechnology,GT
柔性制造系统：
flexiblemanufacturingsystem,FMS
数控：
numericalcontrol,NC
计算机集成制造系统：
computerintegratedmanufacturingsystem,CIMS
五、辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等）
讲授+多媒体课件+工程实践数控实习
六、复习思考题
1．先进制造技术由哪些核心技术组成？
2．现代机械制造企业如何面对市场的挑战？
3．CAPP有哪些类型？
4．派生式CAPP与创成式CAPP两者在工作原理上有何不同？
5．创成式CAPP系统在应用上还存在哪些困难？
6．成组技术的基本原理是什么？
它对生产有何指导意义？
7．分类与编码的基本概念是什么？
8．分类代码系统的基本概念是什么？
它有什么作用？
9．成组技术在产品设计上应用的实质是什么？
有何意义？
10．什么是柔性制造技术？
它有哪些类型？
11．实施柔性制造系统时应主要考虑哪些问题？
12．刀具监控和管理对柔性制造系统有什么重要意义？
13．柔性制造技术中“柔性”的基本概念是什么？
14．柔性制造系统是由哪些功能模块组成的？
15．试述CIM技术的基本概念？
七、参考资料；
1.葛巧琴.机械CAD/CAM.东南大学出版社1998
2.颜永年.先进制造技术.化学工业出版社2002
第七章先进制造技术
先进制造技术是制造业吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程。
以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产以提高对市场适应能力和竞争能力的制造技术总称，它的最重要的特征之一是技术与信息的集成。
这一集成理念引起了传统的制造工艺、设计概念和方法以及管理模式的深刻变革。
本章主要讨论先进制造技术中的CAD/CAM技术、CAPP技术、GT技术、FMS技术、CIM以及CIMS技术等。
第一节CAD/CAM技术
CAD/CAM（ComputerAidedDesign/ComputerAidedManufacturing）技术是计算机辅助设计与计算机辅助制造的简称。
CAD/CAM技术是以计算机为技术手段，辅助完成从产品设计到加工制造的整个生产过程。
一、CAD技术
CAD是指工程技术人员以计算机为工具,对产品和工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。
CAD技术是一门集计算机学科与工程学科为一体的综合性科学。
1．CAD应用的必然性
2．CAD的功能
CAD的功能一般可以归纳为几何建模、工程分析、动态模拟和自动绘图等四大类。
（1）几何建模
1）二维设计
2）线框造型
3）曲面模型
4）实体造型
（2）工程分析与计算现有商品化的CAD/CAM系统软件中，集成有限元分析模块，在建构几何模型的同时自动生成有限元网格。
在进行有限元分析计算时，将载荷数据、材料数据和边界约束条件数据输入，经有限元分析软件的分析、计算并转换成后续设计所需要的数据或输出各种图形。
（3）机构分析机构分析是CAD系统在三维造型的基础上，输入主要的初始数据，系统自动地进行机构的运动分析，计算出机构运动的轨迹、速度、加速度、传动力等参数。
同时利用动画功能仿真机构的运动情况，供设计者参考。
（4）自动绘图
二、CAM技术
CAM技术是利用计算机对制造过程进行设计、控制和管理。
目前应用CAM技术主要集中在数字化控制，生产计划，机器人和工厂管理等四个方面。
CAM的应用形式可分为直接应用和间接应用。
1．CAM直接应用
是将计算机直接与制造过程连接,并对它进行监视和控制。
如对制造过程中的加工、装配、检验、存贮、输送等进行在线全过程的监控和管理。
2．CAM间接应用
目前机械制造中,CAM技术主要应用于计算机辅助NC编程，即为NC机床准备加工程序，它是CAM的一种间接应用。
CAD/CAM系统有效地解决了几何造型、图形显示、交互设计、编辑修改、刀具轨迹生成、加工过程仿真与验证等。
CAM中的数控仿真技术为数控机床加工提供有力的支持。
图7-4是用MasterCAM8.0软件进行凸轮块数控加工过程的仿真图。
仿真过程实时反映了刀具的切削过程，动态显示出加工的效果，真实感较强。
三、CAD/CAM集成技术
CAD/CAM系统是属于交互式的系统，从目前技术发展水平来看，计算机还很难实现自动的完成设计和制造的全过程。
在应用CAD/CAM系统软件时，整个CAM过程还必须在有经验的工程技术人员参与下，通过图形交互方式来完成。
例如，在进行数控编程时要选择加工对象（即确定点、线、面或实体）；确定约束条件（如定位、装夹、干涉等）；选择刀具、切削工艺参数（如切削速度、进给量、切削深度）等均由人工来完成。
所以CAD/CAM系统使用人员要求有较高的工程素质与较丰富的工程实践经验，才能有效地开发应用CAD/CAM系统。
在市场上比较成熟的CAD/CAM系统有Pro/engineer系统和MasterCAM系统。
前者是一体化的CAD/CAM系统，其内部是统一的数据格式，能直接调用CAD系统中的图形数据。
而后者是CAD模块与CAM模块的无缝集成，其系统内部通过中性文件获取其它CAD系统的图形信息。
CAXA机械制造工程师系统也是CAD模块与CAM模块无缝集成的系统，它能以直接或间接的方式从CAD模块或其它CAD系统中获取产品的几何数据。
第二节CAPP技术
CAPP（ComputerAidedProcessPanning）是计算机辅助工艺设计。
它是利用计算机技术辅助工艺人员以系统化、标准化的方法，确定零件或产品，从毛坯到成品制造方法的技术。
应用CAPP技术可以快速、合理地编制出满足生产要求的工艺文件，缩短生产准备周期与新产品开发周期。
CAPP技术根本上改变了传统工艺设计“个体”与“手工”劳动的性质，提高了工艺设计质量与企业的管理水平。
CAPP是企业信息化和实施MRP（物料需求计划）和PDM（产品数据管理）的关键技术。
一、传统工艺设计方法
二、CAPP的功能
1．能使广大工艺人员从繁琐,复杂劳动中解脱出来,使他们能集中精力从事新产品开发,工艺装备的研制和新工艺研究等创新工作。
2．应用CAPP系统缩短了工艺设计的周期，降低了工艺设计过程的费用。
合理、优化的工艺设计减少了材料费、加工费以及刀具费用等，优良的工艺设计还能降低产品的返修率与废品率，提高产品质量，提高产品在市场上的竞争能力，能获取良好的经济效益。
3．有利于发挥有经验的工艺设计人员的才智,使CAPP系统中融合工艺专家的集体智慧，
使得工艺设计标准化、规范化。
特别在当前机械制造企业有经验的工艺设计人员日益短缺的情况下,它更具有特殊的意义，使得工艺设计只取决于CAPP系统，与使用该系统的人员无关，即使实践经验较少的工艺人员也能应用CAPP系统设计出较好的工艺规程。
4．能适应机械制造企业信息集成的需要。
CAPP系统建立的工艺数据不仅可以生成各种用户定制美观规范的工艺表格,而且还可以将工艺信息提取汇总出来,供计划、采购、生产等部门使用。
CAPP系统能使制造企业以最低的成本,最短的生产周期,最优化,最有效的工艺方法制造出符合设计要求的产品。
与传统工艺设计方法相比，采用CAPP系统有明显的社会效益与经济效益。
三、CAPP系统的类型图7-5派生式CAPP系统功能框图
CAPP系统按其设计方式分为如下三种类型：
1．派生式CAPP系统
2．创成式CAPP系统
3．综合式CAPP系统
四、CAPP的应用
CAPP技术从20世纪60年代开始研究，至今有40多年的发展历程。
国内、外对CAPP技术都进行了大量的探索与研究。
当前、开发CAPP系统的关键技术有以下几个方面:
1．数据库技术
2．人工智能技术
3．CAPP的集成技术
第三节GT技术
GT（Grouptechnology）是成组技术的简称。
它是一种生产技术与组织管理相结合的综合性应用技术。
成组技术自20世纪50年代开始在机械工业中推广应用，它是解决多品种，中、小批量生产经济效益的最有效途径。
在大批量生产中,采用专用机床,组合机床,组织流水线或自动生产线等自动化设备,提高了生产率,降低了成本,获得极好的经济效益。
在小批量生产时,自动化机床就不能发挥其应有的作用，只能采用传统的工艺方法,在通用机床上加工，存在着生产效率低,工艺准备时间长等不足。
针对这些问题,制造技术的研究者们提出了成组技术的科学理论及实践方法,既利用事物“相似性原理”,按照一定的规则分类成组,组成零件族,把同一零件族中分散的小批量生产，汇集成较大的成组批量,从而获得接近于大批量生产的经济效益，解决了品种多,产量小，效益低的矛盾。
一、成组技术的基本原理
二、零件的分类方法
对零件进行分类是实施成组技术的关键。
目前常用的方法有以下几种：
1．视检法
有生产经验的技术人员通过对零件图样仔细阅读和判断,把具有某些特征属性相似的零件归结为一类。
它是对零件进行初步分类的有效方法。
例如,应用视检法可以方便地将车床的零件划分为轴类零件、盘类零件、箱体类零件等。
但由于这种方法的效果取决于个人的生产经验,多少带有主观性和片面性。
因而只能作为一种辅助方法,用于零件的粗分类。
2．生产流程分析法
是以零件生产流程及生产设备明细表等技术文件,通过对零件生产流程的分析,把工艺过程相近的,即使用同一组机床进行加工的零件归结为一类。
它是按零件的工艺相似性特征进行分类，并形成零件的加工族。
生产流程分析法是改变生产车间原有机床的布局，重新组织成组加工的一种有效、简便的分类方法。
3．编码分类法
将待分类的零件进行编码,即将零件的有关设计,制造等方面的信息转译为代码,（代码可以是数字或数字、字母兼用）。
由于零件特征等信息代码化,就可以根据代码对零件进行分类。
国际上第一个零件分类编码系统是Opitz系统，它由德国阿享工业大学H.Opitz研制的。
我国于1984年制订了“机械零件分类编码系统（JLBM-1系统）”该系统是在Opize系统和日本KK-3系统的基础上，根据我国机械产品情况研制而成。
以上三种分类方法都要花费大量的人力、物力和时间。
其中编码分类法最为复杂，但也最为有效。
机械零件的分类结果若用文字来描述，将是十分冗长和累赘，采用字符与数字来描述，使得零件分类结果简明扼要，达到条理化和系统化的目的。
编码则便于零件信息的检索和存取。
三种分类方法尚存在一些缺陷与不足。
实施成组技术时，可以将三种方法综合使用。
如将传统车间改造成成组加工车间时，用流程分析法确定车间的平面布置，用编码分类法进行零件编码、统计、分组，用视检法作为检查、校核分组的合理性和调整零件组的辅助手段。
三、零件分类编码系统
编码分类方法首先要建立符合企业生产特点的零件分类编码系统。
以下简单介绍Opitz编码系统和JLBM－l编码系统。
1、Opitz编码系统
2．JLBM-1编码系统
3．零件分类编码系统的作用
四、成组技术的应用
1．产品设计方面的应用
2．制造工艺方面的应用
3．生产组织管理方面的应用
4．在数控加工方面的应用
第四节柔性制造技术
柔性制造技术（FlexibleManufacturingTechnology）简称FMT。
柔性制造技术的具体实施是运用数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化系统来运行的。
它能最大限度地利用和控制制造的技术、信息和资源为达到最佳的经济效益。
柔性制造技术是制造技术吸收NC技术、计算机技术、自动控制技术、通讯技术等综合应用的生产系统。
一、柔性制造技术中“柔性”的概念
“柔性”主要是指制造系统对内部及外部环境的一种适应能力。
它主要表现为以下几个方面：
1．设备柔性指制造系统中能加工不同类型零件所具备的转换能力，其中包括刀具转换、
夹具转换等。
2．工艺柔性能以多种工艺方法加工某一零件组的能力。
如镗、铣、钻、铰、攻螺纹等加工。
3．工序柔性能自动改变零件加工工序的能力。
4．路径柔性能自动更变零件加工路径。
如遇到系统中某台设备的故障,能自动将工件转换到另一台设备上加工。
可以根据负荷,自动改变加工路线,提高利用率,减少等待时间。
5．产品柔性产品改变时能经济、迅速的转产。
6．批量柔性能在不同批量下运行都能获取经济效益。
7．扩展柔性能根据生产的需要组建和扩展生产能力。
二、柔性制造技术的类型
根据系统中设备配置的不同，柔性制造的类型有以下几种：
1．FMC（FlexibleManufacturingCell）柔性制造单元
通常配置有零件缓冲区、刀具自动更换装置的数控机床或加工中心与工件存储运输装置组成。
柔性制造单元中数控机床数量约1--3台，具有加工多品种,中小批量灵活的生产能力。
可以作为FMS中的基本单元,也可视为小规模的FMS。
它的自动化程度略低于FMS,但其投资比FMS少得多，而经济效益相接近。
这是中小型企业优先发展的机型,当生产规模扩大时,FMC可以重组和扩展,以适应生产规模的需求。
2．FMS（FlexibleManufacturingSystem）柔性制造系统
柔性制造系统是由数控加工设备（或FMC）,物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。
一个柔性制造系统一般可概括为由下列三个部分组成，一是可编程控制的加工系统，二是自动化的物料储运系统，三是计算机控制系统。
三个系统的有机结合，构成了一个制造系统的能量流（通过制造工艺改变工件的形状和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造过程的信息和数据处理）。
3．FMF（FlexibleManufacturingFactory）柔性制造工厂
FMF是FMS扩大达到全厂范围内的生产管理过程。
机械加工过程和物料储运过程全盘自动化。
它的主要特点是：
（1）分布式多级计算机系统，生产计划、日生产进度计划的生产管理的主计算机，它与CAD/CAM系统相联，以取得自动编制加工用的数控程序数据。
（2）FMF全部的日程计划进度和作业可以由主计算机和各级计算机通过在线控制系统进行调整，并可以进行无人化加工。
（3）CNC机床的数量一般在十几台到几十台。
可以是各种形式的加工中心、车削中心、CNC机床等。
（4）系统可以全自动地加工各种形状、尺寸和材料的工件。
全部刀具可以自动交换、自动检测磨损或损坏的刀具，能自动更新废旧刀具。
（5）物料储运系统必须包括自动立体仓库，以满足存取为数众多的工件和刀具的需求。
系统可以从自动立体仓库中提取所需的坯料，并以最有效的途径实现物流和进行加工。
三、柔性制造系统的组成
1．加工系统
加工系统实际是完成改变物性任务的执行系统。
加工系统主要由数控机床、加工中心等加工设备（有的FMS还带有工件清洗、在线检测等辅助与检测设备）构成。
系统中的加工设备在工件、刀具和控制三个方面都具有可与其他子系统相连接的标准接口。
从柔性制造系统的各项柔性含义中可知，加工系统的性能直接影响着FMS的性能，且加工系统在FMS中又是投资最大的部分。
因此恰当地选用加工系统是FMS成功与否的关键。
加工系统中的主要设备是实际执行切削等加工，把原材料转变为产品的机床。
通常它由若干台CNC机床组成（一般在20台以下）。
按照数控指令加工各种零件,并能自动实现工件的装卸和刀具的转换。
对于不同的加工对象，FMS中数控机床的配置是不同的。
对加工箱体类零件为主的FMS而言,通常配置数控加工中心,CNC铣床等；对于加工轴类零件为主的FMS,则配有CNC车削中心,CNC车床和CNC磨床；对于加工复杂零件的FMS,由于数控机床的刀库容量有限,必要时要增加机外自动交换刀库。
FMS的加工系统要完成切削加工任务，要发挥FMS中数控机床的加工功能，必须配备相应的加工刀具。
在企业生产中机床设备确定后，制造技术与工艺诀窍的发挥主要取决于刀具应用技术。
刀具的消耗资金也是一笔可观的数字。
据资料统计，一台加工中心一年在刀具上消耗的资金大约是购买一台加工中心费用的1/3。
可见刀具的配置与选用是FMS中不可忽视的。
在FMS加工系统中将刀具配置、刀具准备以及加工程序中的刀具管理等作为一个子系统使用，以更有效地发挥刀具的切削功能。
2．物料储运系统
FMS中的物料主要指的是工件（毛坯）、刀具、夹具、切屑以及切削液等。
物料储运系统就是实现对物料的自动识别、存储、分配、输送、交换和管理的系统。
柔性制造系统的物流与传统的自动线或流水线有很大的差别,它的工件输送是不按固定节拍运送的,也没有固定的顺序,甚至是多种零件混杂在一起输送。
也就是说,整个工件输送系统的工作状态可以随机调度的,而且都设有工件缓冲站以调节各工位上加工时间的差异。
（1）输送物料的装置输送物料的装置是托盘。
它是FMS加工系统中的重要配套件。
图7-11a是托盘的结构图，图7-11b为托盘的实物图。
a.托盘工作图b.托盘实物图
图7-11托盘的基本形状图
在物料（工件）流动过程中，托盘不仅是一个载体，也是各单元间的接口。
工件被装夹在托盘上，由托盘交换器送给机床并自动在数控机床上定位、夹紧。
这时托盘相当于一个可移动的工作台。
又由于工件在加工系统中移动时，托盘及其夹具也跟随着一起移动，故托盘连同安装在托盘上的夹具一起被称为随行夹具。
托盘是加工系统的重要构件。
托盘在加工设备、托盘交换器及其它存储设备中都能通用。
托盘要承受较大的切削力而不变形，所以托盘机械结构要合理，材料性能要稳定，要有足够的刚度。
FMS在运行加工循图7-12自动化仓库系统
环中不需要人工干预，因此要求托盘被送往机床后能快速、准确定位，夹持安全、可靠，且都是自动地进行。
能在加工过程中的苛刻环境（如切削热、湿气、振动、高压切削液等）下可靠工作，使用寿命长。
（2）存储物料的装置由于FMS物料存储装置其自动化机构与整个系统中物料流动过程的衔接性，存放物料的尺寸、重量、数量和姿势与系统的匹配性，物料的自动识别、检索方法和计算机控制方法与系统的兼容性，放置方位，占地面积、高度与车间布局的协调性，要求适合用于FMS的物料存储的装置要进行合理的设计。
目前用于FMS的物料存储装置基本形式有立体仓库、自动物料架、缓冲物料架等。
立体仓库具有占地面积小、存储容量大、自动化程度高等优点，在FMS中得到广泛的应用。
图7-12是成都飞机工业公司自动化立体仓库系统。
（3）FMS计算机控制系统它是负责系统中所有单元的控制与指挥。
包括生产管理和加
工过程控制。
图7-13所示为FMS的控制系统
结构。
在整个生产系统中，计算机主要完成生产计划管理和加工过程控制。
生产计划管理的功能包括，生产计划控制、生产技术准备及其它的一
些辅助信息。
加工过程控制是根据生产计划来控制图7-13FMS的控制系统结构
和执行制造系统的任务，控制CNC机床、物料搬运系统、监控系统的运行等自动操作。
FMS是全自动化的设备，对系统的监控十分重要。
当系统出现故障时应立即报警，必要时自动中断运行。
监控系统能实时检测机床故障、刀具故障、换刀故障和物料储运故障等，保证加工系统的正常运转。
其中对刀具的管理与控制是FMS中计算机控制的重点和难点。
FMS中刀具的管理控制系统占整个计算机控制系统费用一半以上。
工件的加工质量和系统的正常运行都与刀具有关。
计算机控制系统要对刀具进行刀具磨损自动检测与自动补偿；刀具破损的自动检测与自动换刀；刀具耐用度与使用寿命的自动化管理。
第五节计算机集成制造技术
计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing）简称CIM。
这一概念是1973年由美国人J.Harrington提出的，当时他认为,企业生产组织和管理应该强调两个观点，一是制造企业中的各个部分（即市场分析,经营决策,工程设计,制造过程,质量控制,生产调度,售后服务,产品回收等）是互相紧密相关的整体，需要统一规划。
二是整个制造过程本质上可以抽象为一个数据的采集、传递、加工和利用的过程,最终产品仅是数据的物化表现。
这两者都是信息时代组织管理生产最基本,最重要的观点。
从以上的概念分析可知CIM不是单纯的技术,而应该理解成一种技术思想,是信息时代组织管理企业生产的一种哲理。
按照这种哲理和技术构成的具体现实便是计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）。
CIMS是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，利用计算机及其软件，将制造工厂全部的生产活动所需要的各种分散的自动化系统有机地集成起来，形成总体上高效益、高柔性的智能制造系统。
它的实质是“信息集成”。
将不同种类和功能的自动化“孤岛”连接起来，实现全局优化的制造。
使生产过程连成一个和谐的整体，创造出高效率、高质量、高产出而赢得市场竞争的局面。
集成制造系统是人为的系统。
也就是说，是人们为了达到某种目的而设计和建造的系统，整个系统的分析、设计、建构、实施和运行各个阶段均需要人的参与。
在实施CIMS的过程中不但要强调技术集成，还要强调技术、人员和经营管理的集成。
从系统的功能上看，CIMS是由管理信息系统、设计自动化系统、制造自动化系统、计算机辅助质量保证系统这四个功能系统以及计算机通讯网络和数据库这二个支撑系统工程所组成。
1．管理信息系统（ManagementInformationSystem简称MIS）
MIS是将制造企业生产经营过程中产、供、销、人、财、物等进行统一管理的计算机应用系统。
它的核心是物料需求计划（MaterialRequirementP1anning——简称MRP），即把产品的交货期展开成零部件生产进度日程和原材料、外购件的需求日期安排，输出到生产作业调度模块和采购模块，编排好加工和采购计划，使之在需用的日期能够配套备齐，满足装配和交货的要求。
在开发产品过程中引入计算机辅助设计，进行产品的概念设计、结构分析、详细设计、工艺设计、数控编程。
设计自动化系统中的CAD技
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