机械制造技术

第5章先进制造技术简介5.1概述先进制造技术AMT(AdvancedManufacturingTechnology)是近20多年来国际上提出的新概念，受到世界各国尤其是工业发达国家的政府、企业界和学术界的高度重视。先进制造技术是以提高企业的综合效益为目的，以人为主体，以计算机技术为支柱，并综合应用信息、材料、能源、环保等新技术和现代管理技术来研究和改造传统的制造系统，作用于产品整个寿命周期的所有适用新技术的总称。其内容包括了工程设计、加工制造、生产管理、物流及贮存等新技术，如数控技术(NC)、计算机集成技术(CIM/CIMS)、并行工程(CE)、精益生产(LP)、智能制造(IMS)、敏捷制造(AM)、虚拟制造、快速原型制造和清洁化生产……等。先进制造技术是在计算机技术和管理技术飞速发展的拉动下诞生和发展的，它促使制造业在产品结构、生产模式和生产过程发生了巨大的变化。①产品结构正朝着先进、实用、高速、轻小、节能和环保型方向发展；②生产模式朝着多品种、小批量、柔性化、生产周期短方向发展；③生产过程朝着高速、精密、自动化、节能环保和少切削无切削方向发展，产品质量追求“零缺陷”。先进制造技术在发展中是动态的，不是一成不变的，而是不断吸收各种新技术成果。它不限于加工制造过程本身，还包络市场调研、产品设计、工艺设计、加工制造、售前售后服务等产品寿命周期的所有内容。它并不摒弃传统技术，而是强调运用计算机技术、信息技术和现代管理技术等各种新科技成果去改造和充实它，但也十分强调人的主体作用，强调人、技术和管理三者有机结合。现代制造技术还强调环境保护、追求绿色产品和清洁化生产技术，要求对资源、动力的消耗最少，对环境的污染最小，对人体危害最小，产品报废后便于回收利用。为了赢得激烈的市场竞争，必须不断用新技术去改造制造业，使制造的产品功能适用(Function)、交货期限短(TimetoMarket)、质量好(Quality)、价格低(cost)，并且服务优良(Service)。企业在市场的竞争就得综合地体现在以上五个方面。现代社会，人们追求产品的个性化、特色化和多样化。企业为了赢得市场竞争，必需加速产品更新换代，向市场提供更多品种的产品。因此现代制造业中，单件小批生产的模式越来越多，约占各类机器生产的70~85%，传统的大批大量生产模式逐渐被中小批量生产模式所取代。近20多年来相继创造出了各种新的管理模式，对制造业的发展产生了革命性的影响。·170·机械制造技术5.2成组技术GT5.2.1成组技术的基本原理企业如何摆脱多品种、小批量所造成企业在管理和经济上的困境，并使之获得接近大批大量生产的经济效益。应用成组技术可以从根本上解决这一难题。成组技术(GroupTechnology)是运用统计学的方法来统计事物的某些特征属性的出现率，从总体上定量地描述事物间客观存在的相似性，这一统计学中相似性原理是成组技术的基础。在制造业中成组技术正是充分发掘和利用生产活动中有关事物的相似性。在机械加工方面，将多种零件按其结构和工艺的相似性分类，以形成若干个零件组。这样就可将同一族零件中各分散的小生产量汇集成为大的成组生产量，从而可以使小批量获得接近大批大量的管理方式和经济效益。当前，世界各国在成组技术中应用编码法对零件进行分组。即将各种零件的有关的结构设计和制造工艺等方面的特征信息转译为代码(数字或数字文字兼用)，根据编码对零件分类成组。将零件的有关信息代码化有助于应用计算机辅助成组工艺的编制和成组技术的实施。我国机械工业部于1984年颁布了JLBM-1零件编码系统，推动成组技术在我国开发应用。JLBM-1系统的结构是参照德国OPITZ系统而编制的(如图5-1所示)。图5-1JLBM-1系统的基本结构辅助码主孔及内部加工外部形状及加工外形要素形状及加式码ⅠⅠⅡⅣⅢⅤⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅩⅢⅩⅣⅩⅤⅥ零件名称类别码外部形状及加工回转体零件非回转体零件零件名称类别粗分零件名称细分基本形状1234…9功能要素内部形状及加工基本形状功能要素平面，曲面加工外平面端面内平面回转体类零件形状及加工码非回转体类零件形状及加工码基本形状1234…9平面加工曲面加工主孔加工内部加工辅助加工辅助孔，成形孔精度主要尺寸热处理毛坯原始形状加工辅助孔，成形刻线长度直径或宽度材料01234567890123456789辅助码辅助码第5章先进制造技术简介·171·5.2.2成组技术的应用(1)在设计方面用成组技术来指导设计，赋予各类零件更大的相似性，为实施成组技术奠定了良好的基础。以成组技术为指导的设计，其合理化和标准化将为实现计算机辅助设计(CAD)奠定良好的基础，并为设计信息的重复使用、加快设计速度、节约时间做出贡献。据统计，当设计一种新产品时，往往有3/4以上的零件可参考借鉴或直接引用原有产品图纸。这不仅可免除设计人员在设计工作上重复劳动，也可减少工艺准备工作和降低制造费用。(2)在制造方面将加工方法、安装方式和机床调整相近似的零件归类成族，设计出这一族的零件的工序，称作成组工序。可使同属一族的零件采用同一种设备和同一种工艺装备来进行加工。这样不仅可以充分应用相同设备和成组工序的公用夹具(成组夹具)，还可以减少机床和夹具的调整时间。将成组工序集合，可以用同一组机床来组成生产线，完成零件族成组工艺过程的加工任务。成组技术指导的工艺合理化、标准化，易于实现计算机辅助工艺过程设计(CAPP)和计算机辅助夹具设计(CAD)。(3)生产组织管理方面由于成组技术是按零件工艺相似性分类成族。有利于按模块化原理组织成组生产单元的组织形式。在同一生产单元内可由一组工人操作一组设备完成一个零件族的加工工艺过程。成组生产单元是以零件族为对象的专业化生产单位，它是实现计算机辅助管理的技术基础。5.3计算机集成制造系统(CIMS)5.3.1发展情况计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem)是1974年由美国人约瑟夫·哈林顿首先提出的。这一新概念的核心内容是以下两点：(1)企业内各个生产环节从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动是一个有机结合的整体，要作统一的全盘考虑。(2)整个生产过程是一个数据采集、传递和加工处理的过程，产品可看成是数据的物质表现。这一概念到上世纪80年代初被广泛重视，并形成制造业新一代的一种生产管理方式。从上世纪70年代开始市场发生了重大变化，由于科技的飞速发展和市场需求的多样化相互作用，促使传统的相对稳定的市场变成动态的多变的市场。具体表现在产品更新换代的时间越来越短，加速了从科技发展到应用的竞争；产品的品种、规格、型号日益增多；市场围绕品种，质量、价格、交货期、服务五大要素竞争越来越激烈。企业必须寻求一种新的生产管理方式·172·机械制造技术来适应市场的变化。图5-2CIMS的各功能块从上世纪80年代开始，一些工业发达国家的政府，如美国、日本和欧洲共同体的成员国，都把CIMS作为科学技术发展的战略目标，制定各种计划、规划，建立国家级实验研究基地积极推进这一新的生产方式的发展。我国在1987年开始实施的“高科技研究发展计划纲要”中也列入了CIMS方面的课题，一些高等院校和研究院所与企业相结合也开展了CIMS有关的研究项目，并取得了一些成果。5.3.2计算机集成制造系统的构成及功能CIMS是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机及通信网络将企业内部全部生产活动中各种分散的自动化单元有机在集合起来，实现以信息为特征的高度集成技术，是一种适应于多品种小批量生产方式实现总体高效益的、高柔性的智能化系统。从功能角度看，CIMS包含制造企业的设计、制造、质量控制和经营管理四个功能并以分布式数据库、通讯网络及指导集成的系统作为支撑环境（如图5-2所示）。(1)设计功能在CIMS中，其设计功能有CAD、CAE、CAPP和CAM。这里的CAD不是孤立的，而是内部及外部密切关联并带反馈的CAD，还包括产品的专家系统及仿真技术。CAE即计算机辅助工程分析，它可对零部件的机械应力，热应力进行有限元分析以及考虑到成本等因素的优化设计。CAPP即计算机辅助工艺规程设计，它以派生式或创成式等CAPP来实现工艺编程。CAM的功能是按零件的形状及CAPP生成的工艺转换为NC代码，再进行刀具补偿等因素的后置处理。在CIMS系统中可将CAD/CAPP/CAM局部地集合起来。公用数据库DBTISQISMISMAS计算机网络NET公用数据库DB第5章先进制造技术简介·173·(2)加工制造功能按照NC代码将毛坯加工成合格零件并装配成产品。在这里物料流动与信息交汇，由计算机及其网络将制造现场的信息进行初步处理后反馈到相关部门。加工制造系统由加工工作站、物料输送及贮存工作站、检验工作站、刀具管理工作站和装配工作站组成。加工工作站主要是各类数控机床并有工业机器人配合，通过控制联网实现信息集成。物料输送及贮存工作站由自动运载小车或各种传送带及机器人实现输送物料；由立体仓库、堆垛机、装卸工作站及自动控制系统完成物料贮存。检验工作站是由数控三坐标测量机和各种自动化测试仪器并通过网络进行数据传递。刀具工作站实现刀具流的调度和管理，还包括中央刀库、换刀机器人、数据库等。装配工作站是由装有传感器的工业机器人及传送装置来实现的，应用人工智能对系统进行协调控制。(3)计算机辅助生产管理(CAPM)在管理方面制定年、月、周生产计划、物料供应计划(MRP)、生产平衡以及财务、仓库等各种管理；在经营方面进行市场预测及制定长期发展战略规划。(4)质量控制系统借助计算机集成质量信息系统(QIS)将存在于设计、制造与管理中涉及质量的有关数据进行采集、存储和评价、处理保证系统达到质量目标，QIS为CIMS的总目标奠定了良好的基础。以上四个主要模块集成运行是建立在系统工程理论和成组技术基础上，并以分布式数据库管理系统和IT网络的支持，方能过到集成的目的。5.3.3五层递阶控制模型美国国家标准局自动化制造研究实验基地(AMRF)首次提出五层递阶控制模型，如图7-3所示。它对传统的制造管理系统按功能需求进行分析的基础上提出的，AMRF分级控制结构由五级组成，即工厂级、车间级、单元级、工作站级和设备级。(1)工厂级控制系统它是最高级控制，这一级主要功能又分为三个子系统：生产管理、信息管理和制造工程。生产管理的任务是制定生产计划、分配生产资源、确定追加投资、核算生产能力、汇总质量数据、向下一级发布生产指令。信息管理的任务是通过用户数据接口实施行政或经营管理功能，如成本估算、库存统计、处理用户订单、物资采购、人事及劳动工资处理。制造工程的任务是通过人机交互以CAD系统设计零件及其它设计文件；以CAPP子系统设计每个零件的工艺规程。(2)车间级控制系统控制和协调车间生产和辅助性工作，有两个主要管理模块：任务管理模块负责安排生产计划，把生产任务和资源分配给单元级，跟踪订单直至完成；资源分配模块负责分配单元级所需的工作站、贮存区、托盘、刀具、材料等。·174·机械制造技术图5-3AMRF分级控制结构(3)单元级控制系统虚拟单元级的具体工作内容是完成任务分解和分析资源需求，安排工作站的任务并监控任务的执行情况，并向车间级报告作业情况和系统运行状态。(4)工作站级控制系统负责指挥和协调设备小组的生产活动，处理由物料贮运系统交来的零件托盘、零件装夹、切削加工、清除切屑、中间检验、卸工件。它与虚拟单元采用统一接口实现动态控制。(5)设备级控制系统它是最前沿的系统，如设备，机器人，运输小车或其它传送装置，贮存检索等控制器，还包括先进的计量检测系统，如热和运动误差的监测及修正软件，在线超声波表面粗糙度检测，在线刀具磨损检测，机床的夹紧力及变形检测。上与工作站接口，向下与各设备控制器接口，通过各种传感器监控加工运行。新一代的CIMS不再过分强调全盘自动化，而是强调以人为中心的适度自动化，强调人、技术、管理三者有机结合。工厂加工车间装配车间虚拟单元1虚拟单元n铣削工作站检验工作站物料贮存工作站铣床机器