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1、第4章-7先进制造技术 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望主要内容主要内容l先进制造技术概述先进制造技术概述l 数控机床和数控加工中心数控机床和数控加工中心l 工业机器人工业机器人l先进制造系统的综合自动化技术先进制造系统的综合自动化技术 332一、先进制造技术概述一、先进制造技术概述 制制造造业业的的主主要要任任务务是是制制造造人人类类社社会会所所需需的的一一切切产产品品，工工业业化化国国家家约约7080的的物物质质财财富来自制造业。富来自制造业。“
2、先先进进制制造造技技术术”是是取取得得理理想想技技术术经经济济效效果果的制造技术的总称。从本质上看，可以说：的制造技术的总称。从本质上看，可以说：传传统统制制造造技技术术+信信息息技技术术+自自动动化化技技术术+现现代代管管理技术理技术=先进制造技术。先进制造技术。333先进制造的特点和内容先进制造的特点和内容 现代制造业的特点是：现代制造业的特点是：个性化、小批量生产；个性化、小批量生产；知识知识技术技术产品的周期越来越短；产品的周期越来越短；产品价格与其知识含量密切相关；产品价格与其知识含量密切相关；对产品功能、性能、质量、服务要求越来越高；对产品功能、性能、质量、服务要求越来越高；全球竞
3、争更加激烈。全球竞争更加激烈。先先进进制制造造技技术术包包括括数数控控技技术术、激激光光技技术术、新新型型材材料料、机机器器人人、微微型型机机械械、纳纳米米技技术术、CADCAM、精精益益生生产产、柔柔性性制制造造系系统统、虚虚拟拟装装配配和和网网络络化化制制造造、计计算算机机集集成成制制造造系系统统、智智能能制制造造系系统统、并并行行工工程程、敏敏捷捷制制造等内容。造等内容。334数控加工生产线数控加工生产线 335一种柔性制造系统一种柔性制造系统336制造自动化的历史和发展制造自动化的历史和发展 第一阶段：第一阶段：刚性自动化，包括单机自动化和刚性刚性自动化，包括单机自动化和刚性自动化生产
4、线。自动化生产线。第二阶段：第二阶段：数控加工，包括数控和计算机数控。数控加工，包括数控和计算机数控。第三阶段：第三阶段：柔性制造，特征是强调对市场需求的柔性制造，特征是强调对市场需求的适应性、柔性和高效率。适应性、柔性和高效率。第四阶段：第四阶段：计算机集成制造，特征是强调制造全计算机集成制造，特征是强调制造全过程的系统性和集成性。过程的系统性和集成性。第五阶段：第五阶段：新的制造自动化模式，如智能制造、新的制造自动化模式，如智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造、绿敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造、绿色制造等。色制造等。337 二、数控机床和数控加工中心二、数控机床和数控加
5、工中心 是微电子、计算机、自动控制、精密测量等技是微电子、计算机、自动控制、精密测量等技术与传统机械技术相结合的产物。它根据机械加术与传统机械技术相结合的产物。它根据机械加工的工艺要求，使用计算机对整个加工过程进行工的工艺要求，使用计算机对整个加工过程进行信息处理与控制、较好地解决了复杂、精密、多信息处理与控制、较好地解决了复杂、精密、多品种、小批量机械零件加工问题，属于灵活、通品种、小批量机械零件加工问题，属于灵活、通用、高效的自动化装置也是实现生产过程自动化、用、高效的自动化装置也是实现生产过程自动化、柔性化的核心设备。柔性化的核心设备。338数控机床系统的基本构成及特点数控机床系统的基本
6、构成及特点加加工工程程序序输输入入装装置置数数控控系系统统机机床床伺服系统伺服系统辅助控制装置辅助控制装置检测装置检测装置 与普通机床相比，数控机床不仅适应性强、加与普通机床相比，数控机床不仅适应性强、加工效率高、精度高、质量稳定，而且可实现多坐工效率高、精度高、质量稳定，而且可实现多坐标联动和复杂形状零件的加工，是实现多品种、标联动和复杂形状零件的加工，是实现多品种、中小批量生产自动化的有效方式。中小批量生产自动化的有效方式。339计算机数控系统示意图计算机数控系统示意图3310数控车床数控车床 3311数控磨床数控磨床3312数控加工中心数控加工中心 是在普通数控机床的基础上发展起来的，主
7、要是增加了是在普通数控机床的基础上发展起来的，主要是增加了刀具库、自动换刀装置和移动工作台等，因而可以在一台机刀具库、自动换刀装置和移动工作台等，因而可以在一台机器上完成多台机床才能完成的工作，包括铣、削、钻、刨、器上完成多台机床才能完成的工作，包括铣、削、钻、刨、镗、攻罗纹等多种加工工序。镗、攻罗纹等多种加工工序。3313数控加工中心数控加工中心 3314三、工业机器人三、工业机器人 由由操操作作机机（机机械械本本体体）、控控制制器器、伺伺服服驱驱动动系系统统和和检检测测传传感感装装置置构构成成，是是一一种种仿仿人人操操作作、自自动动控控制制、可可重复编程、能在三维空间完成各种作业。重复编程
8、、能在三维空间完成各种作业。作作业业方方式式包包括括钻钻孔孔、切切削削、装装配配、焊焊接接、喷喷漆漆、打打磨磨、抛抛光光、清清洗洗、材材料料搬搬运运、机机具具装装卸卸等等，几几乎乎无无所所不能，特别适合于多品种变批量的柔性生产。不能，特别适合于多品种变批量的柔性生产。工工业业机机器器人人发发展展很很快快，未未来来的的工工厂厂将将是是由由计计算算机机网网络络控控制制的的包包含含多多个个机机器器人人智智能能加加工工单单元元的的分分布布式式自自主制造系统，制造自动化的整体水平将显著提高。主制造系统，制造自动化的整体水平将显著提高。3315生产汽车的机器人自动焊接生产线生产汽车的机器人自动焊接生产线3
9、316四、先进制造系统的综合自动化技术四、先进制造系统的综合自动化技术 制制造造系系统统包包含含物物料料流流、信信息息流流和和能能量量流流，制制造造系系统统综综合合自自动动化化的的任任务务就就是是对对它它们们实实行行有有效效的的综综合合管管理理和和控控制制，确确保保生生产产系系统统在在最最佳佳状状态态下下运运行行，并并获获得尽可能高的效益。得尽可能高的效益。综综合合自自动动化化技技术术的的常常见见形形式式有有柔柔性性制制造造系系统统、集集散散控控制制系系统统、现现场场总总线线控控制制系系统统、计计算算机机集集成成制制造造系统等，代表了先进制造系统的发展方向。系统等，代表了先进制造系统的发展方向
10、。33171.集散控制系统（分布式控制系统）集散控制系统（分布式控制系统）集集散散控控制制系系统统是是以以实实现现分分散散控控制制为为主主要要目目标标的的，英英文文名名称称为为“Distributed Control System，简简称称 DCS”，直直译译就就是是“分分布布式式控控制制系系统统”。翻翻译译为为“集集散散控控制制系系统统”更更能能体体现现其其特特点点，指指“管管理理功功能能集集中中”，“控制功能分散控制功能分散”。第第一一套套DCS产产品品是是美美国国Honeywell公公司司l975年年推推出出的的，现现在在DCS已已成成为为工工业业过过程程自自动动化化领领域域的的主主要要
11、设设备备，广广泛泛应应用用于于石石油油、化化工工、电电力力、冶冶金金和和造造纸纸等工业领域。等工业领域。3318DCS的三级体系结构的三级体系结构 PLC33192.现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）Fieldbus Control System 大大量量采采用用微微处处理理器器以以及及智智能能传传感感器器的的发发展展导导致致用用数数字字信信号号取取代代传传统统仪仪表表的的420 mA（DC）模模拟拟信信号号，并并通通过过现现场场总总线线连连接接控控制制系系统统与与现现场场仪仪表表，组组成现场总线控制系统。成现场总线控制系统。现现场场总总线线不不仅仅仅仅是是用用数数字字仪仪表表代代替
12、替模模拟拟仪仪表表，它它是是新新一一代代全全数数字字化化、全全分分散散、全全开开放放的的底底层层控控制制网网络络，是是计计算算机机技技术术、通通信信技技术术和和测测控控技技术术的的综综合合集集成成，它它将将自自动动控控制制系系统统和和设设备备带带进进了了信信息息网网络络之之中中，为为实实现现企企业业信信息息集集成成和和企企业业综综合合自自动动化化提提供供了了坚坚实实的基础。的基础。3320现场总线控制系统的构成例现场总线控制系统的构成例3321现现场场总总线线控控制制系系统统的的构构成成例例 3322现场总线控制系统的主要优点现场总线控制系统的主要优点l把把数数字字化化通通信信延延伸伸到到生生
13、产产现现场场，可可方方便便地地获获取取变变送送器器、执执行行器器、监监控控装装置置等等现现场场设设备备的的运运行行状状态态和故障信息；和故障信息；l结结构构更更简简单单，一一条条通通信信线线缆缆上上可可挂挂接接多多个个现现场场设设备，大量节省连接电缆和备，大量节省连接电缆和A/D、D/A等等I/O组件；组件；l具有良好的互操作性、互用性和开放性；具有良好的互操作性、互用性和开放性；l功能模块较功能模块较DCS更为分散化，可靠性更高；更为分散化，可靠性更高；l便便于于实实现现现现场场设设备备的的智智能能化化，数数字字化化的的现现场场仪仪表表可可以以对对各各种种数数据据和和参参数数进进行行滤滤波波
14、、变变换换、补补偿偿、运运算算等等智智能能化化处处理理，并并可可实实现现自自学学习习、自自诊诊断断、自调整等多种功能。自调整等多种功能。33233.计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS）Computer Integrated Manufacturing System CIMS是是计计算算机机化化、信信息息化化、智智能能化化、集集成成优优化化的的现现代代制制造造系系统统，集集成成内内容容包包括括功功能能集集成成、组组织织集集成、信息集成、过程集成等。成、信息集成、过程集成等。CIMS具具有有生生产产率率高高、生生产产周周期期短短、可可实实现现多多品品种小批量生产等一系列优点。种小批量
15、生产等一系列优点。CIMS一一般般包包含含四四个个功功能能子子系系统统（管管理理信信息息系系统统、产产品品设设计计自自动动化化系系统统、制制造造自自动动化化系系统统、质质量量保保证证系系统统）和和两两个个支支撑撑子子系系统统（计计算算机机网网络络系系统统和和数数据据库系统）。库系统）。3324 CIMS的构成的构成计算机通信网络计算机通信网络和数据库子系统和数据库子系统信息管理子系统信息管理子系统质量保证子系统质量保证子系统制造自动化制造自动化子系统子系统设计自动化设计自动化子系统子系统市场信息市场信息原材料原材料销售服务信息销售服务信息技技术术信信息息产产 品品3325CIMS四个功能子系统
16、的作用和组成四个功能子系统的作用和组成l信息管理子系统的功能包括市场分析和预测、经营决策、信息管理子系统的功能包括市场分析和预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备和人力资源管理；设备和人力资源管理；l产品设计自动化子系统通过计算机来辅助产品设计、制造产品设计自动化子系统通过计算机来辅助产品设计、制造准备以及产品测试；准备以及产品测试；l制造自动化子系统由数控机床、加工中心、清洗机、测量制造自动化子系统由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库和多级分布式控制计算机等设备机、运输小车、立体仓库和多
17、级分布式控制计算机等设备及相应的支持软件组成，完成对零件的加工作业、调度以及相应的支持软件组成，完成对零件的加工作业、调度以及制造任务；及制造任务；l质量保证子系统的功能包括质量决策、质量检测、产品数质量保证子系统的功能包括质量决策、质量检测、产品数据采集、质量评介、生产加工过程中的质量控制与跟踪，据采集、质量评介、生产加工过程中的质量控制与跟踪，保证从产品设计、产品制造、产品检测到售后服务全过程保证从产品设计、产品制造、产品检测到售后服务全过程的质量。的质量。3326CIMS两个辅助子系统的作用和组成两个辅助子系统的作用和组成l计算机网络子系统也就是企业内部局域网，是支计算机网络子系统也就是
18、企业内部局域网，是支持持CIMS各子系统的开放型网络通信系统，采用标各子系统的开放型网络通信系统，采用标准协议可以实现异机互联、异构局域网和多种网准协议可以实现异机互联、异构局域网和多种网络的互联，可以满足不同子系统对网络服务提出络的互联，可以满足不同子系统对网络服务提出的需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库的需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库和实时控制；和实时控制；l数据库子系统则支持数据库子系统则支持CIMS各子系统的数据共享和各子系统的数据共享和信息集成，它覆盖了企业的全部数据信息；数据信息集成，它覆盖了企业的全部数据信息；数据库系统在逻辑上，数据和信息是统一的；而在物库系统在
19、逻辑上，数据和信息是统一的；而在物理上，是分布式的数据管理系统。理上，是分布式的数据管理系统。3327我国用于飞机制造的我国用于飞机制造的CIMS3328自自动动化化立立体体仓仓库库3329五、先进制造技术的发展趋势五、先进制造技术的发展趋势 总的发展趋势是精密化、敏捷化、网络化、虚拟总的发展趋势是精密化、敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化、集成化、全球化。化、智能化、绿色化、集成化、全球化。制造精密化制造精密化 上世纪初精密加工的误差是上世纪初精密加工的误差是10m，至今达至今达0.001m，而且不断向超精微细领域扩展。，而且不断向超精微细领域扩展。制造敏捷化制造敏捷化 主要内容有：主要
20、内容有：柔性包括机器柔性、工艺柔性、运行柔性、柔性包括机器柔性、工艺柔性、运行柔性、扩展柔性等；扩展柔性等；重构能力能实现快速重组重构，增强对新产重构能力能实现快速重组重构，增强对新产品开发的快速响应能力；品开发的快速响应能力；快速化的集成制造工艺。快速化的集成制造工艺。3330 制造网络化制造网络化 主要包括：主要包括：制制造造环环境境内内部部的的网网络络化化，实实现现制制造造过过程程的的综综合合集成；集成；制制造造环环境境与与整整个个制制造造企企业业的的网网络络化化，实实现现制制造造环环境境与与企企业业中中工工程程设设计计、管管理理信信息息系系统统等等各各子子系统的集成；系统的集成；企企业
21、业与与企企业业间间的的网网络络化化，实实现现企企业业间间的的资资源源共共享、组合与优化利用；享、组合与优化利用；通过网络，实现异地制造。通过网络，实现异地制造。制制造造虚虚拟拟化化 主主要要指指虚虚拟拟制制造造，是是以以系系统统建建模模和和仿仿真真技技术术为为基基础础，由由多多学学科科知知识识形形成成的的一一种种综综合合系统技术。系统技术。3331 制造智能化制造智能化 是在柔性化和集成化基础上进是在柔性化和集成化基础上进步步的发展和延伸，通过人与智能机器的协作，去扩的发展和延伸，通过人与智能机器的协作，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑
22、力劳动，以实现制造过程的优化。脑力劳动，以实现制造过程的优化。制制造造绿绿色色化化 是是综综合合考考虑虑环环境境影影响响和和资资源源效效率率的的现现代代制制造造模模式式，目目标标是是使使产产品品从从设设计计、制制造造、包包装装、运运输输、使使用用到到报报废废处处理理的的整整个个生生命命周周期期中中，对对环环境境的的影影响响（负负作作用用）最最小小，资资源源使使用用效效率率最最高。高。3332 制造过程集成化制造过程集成化 指产品的设计、加工、检测、指产品的设计、加工、检测、物流、装配过程一体化。物流、装配过程一体化。制造全球化制造全球化 随着随着“网络全球化网络全球化”、“市场全球市场全球化化”、“竞争全球化竞争全球化”、“经营全球化经营全球化”的出现，的出现，全球化制造的研究和应用发展迅速，主要包括：全球化制造的研究和应用发展迅速，主要包括：市场的国际化，全球销售网络的形成；市场的国际化，全球销售网络的形成；产品设计和开发的国际合作及产品制造的跨产品设计和开发的国际合作及产品制造的跨国化；国化；制造企业在世界范围内的重组与集成；制造企业在世界范围内的重组与集成；制造资源的跨地区、跨国家协调、共享和优制造资源的跨地区、跨国家协调、共享和优化利用。化利用。3333