機械制造自動化技術-緒論

第一章概論

制造自動化是人類在長期的社會生產(chǎn)實踐中不斷追求的主要目標。

機械制造自動化是制造自動化的主要組成部分，它主要控制機械運動（如刀具、工件、毛坯等的運動）及可能變化的制造工藝，使整個生產(chǎn)處于優(yōu)化狀態(tài)。以機械加工和裝配為主要代表的機械制造業(yè)要實現(xiàn)自動化，比之其他制造業(yè)來要困難得多，主要就表現(xiàn)在自動化機構上。機械制造自動化就是在機械制造過程的所有環(huán)節(jié)采用自動化技術，實現(xiàn)機械制造全過程的自動進行。視頻第一節(jié)基本概念和主要內容一、制造系統(tǒng)的構成

▲機械制造系統(tǒng)應具備的特性：

——在結構方面：制造過程所涉及的硬件（包括人員、設備、物料流、各種輔助裝置等）及相關軟件（包括制造理論、制造技術和制造信息等）組成一個統(tǒng)一整體。

——在功能方面：將制造資源（原材料、能源、勞動力等）轉變?yōu)槌善坊虬氤善返妮斎胼敵鱿到y(tǒng)。

——在過程方面：涵蓋制造生產(chǎn)的運行過程，包括市場分析、產(chǎn)品設計、工藝編制、制造實施、檢驗出廠、產(chǎn)品銷售等多個環(huán)節(jié)的制造全過程。二、自動化的基本概念自動化一詞的含義十分廣泛，它是指設計一種控制設備來取代人力操作機械的動作，以達到各種機械自動、半自動運行的目的。當執(zhí)行制造過程的基本動作是由機器（機械）代替人力勞動來完成時稱之為機械化。若操縱這些機構的動作也是由機器來完成時，就可以認為這個制造過程是“自動化”了。自動化的原意就是在一個工序中，如果所有的基本動作都機械化了，并且使若干個輔助動作也自動化起來，而工人所要做的工作只是對這一工序做總的操縱和監(jiān)督，就稱為工序自動化。一個工藝過程（如加工工藝過程）通常包括若干個工序，如果每一個工序都自動化了，并且把它們有機地聯(lián)系起來，使得整個工藝過程（包括加工、工序間的檢驗和輸送）都自動進行，而工人僅只是對這一整個工藝過程作總的操縱和監(jiān)督，這時就形成了某一種加工工藝的自動生產(chǎn)線，通常稱為工藝過程自動化。一個零部件（或產(chǎn)品）的制造包括著若干個工藝過程，如果每個工藝過程都自動化了，而且它們之間是自動有機地聯(lián)系在一起，也就是說從原材料到最終成品的全過程都不需要人工干預，這時就形成了制造過程的自動化。機械制造自動化的高級階段就是自動化車間甚至自動化工廠。三、機械制造自動化的主要內容

1)機械加工自動化技術，包含上下料自動化技術、裝卡自動化技術、換刀自動化技術、加工自動化技術和零件檢驗自動化技術等。

2)物料儲運過程自動化技術，包含工件儲運自動化技術、刀具儲運自動化技術和其他物料儲運自動化技術等。

3)裝配自動化技術，包含零部件供應自動化技術和裝配過程自動化技術等。

4)質量控制自動化技術，包含零件檢測自動化技術、產(chǎn)品檢測自動化技術和刀具檢測自動化技術等。四、機械制造自動化的作用

機械制造中采用自動化技術可以顯著提高勞動生產(chǎn)率，有效縮短生產(chǎn)周期，大幅度提高產(chǎn)品的質量，有效改善勞動條件，并能顯著降低制造成本。因此，機械制造自動化技術得到了快速發(fā)展，并在生產(chǎn)實踐中得到越來越廣泛的應用。概括而言，實現(xiàn)機械制造自動化具有如下的作用：

1．提高生產(chǎn)率

2．縮短生產(chǎn)周期

3．提高產(chǎn)品質量

4．提高經(jīng)濟效益5．降低勞動強度6．有利于產(chǎn)品更新7．提高勞動者素質8．帶動相關技術的發(fā)展視頻第二節(jié)機械制造自動化的類型一、機械制造自動化系統(tǒng)的構成

從系統(tǒng)的觀點來看，一般的機械制造自動化系統(tǒng)主要由以下四個部分構成：加工系統(tǒng)即能完成工件的切削加工、排屑、清洗和測量的自動化設備與裝置；工件支撐系統(tǒng)即能完成工件輸送、搬運以及存儲功能的工件供給裝置；刀具支撐系統(tǒng)即包括刀具的裝配、輸送、交換和存儲裝置以及刀具的預調和管理系統(tǒng)；控制與管理系統(tǒng)即對制造過程的監(jiān)控、檢測、協(xié)調與管理。二、自動化的分類按制造過程分類毛坯制備過程自動化、熱處理過程自動化、儲運過程自動化、機械加工過程自動化、裝配過程自動化、輔助過程自動化、質量檢測過程自動化和系統(tǒng)控制過程自動化。按設備分類局部動作自動化、單機自動化、剛性自動化、剛性綜合自動化系統(tǒng)、柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)。按控制方式分類機械控制自動化、機電液控制自動化、數(shù)字控制自動化、計算機控制自動化、智能控制自動化。三、機械制造自動化的特點和適用范圍

不同的自動化類型有著不同的性能特點和不同的應用范圍，因此應根據(jù)需要選擇不同的自動化系統(tǒng)。下面按設備的分類作一個簡單的介紹。剛性半自動化單機

特點：剛性半自動化單機是一種除上下料外可以自動地完成單個工藝過程加工循環(huán)的機床。

適用范圍：適用于產(chǎn)品品種變化范圍和生產(chǎn)批量都較大的制造系統(tǒng)。缺點是調整工作量大，加工質量較差，工人的勞動強度也大。剛性自動化單機

特點：它是在剛性半自動化單機的基礎上增加自動上下料裝置而形成的自動化機床。因此這種機床實現(xiàn)的也是單個工藝過程的全部加工循環(huán)。

適用范圍：這種機床往往需要定制或改裝，常用于品種變化很小，但生產(chǎn)批量特別大的場合。如組合機床、專用機床等。主要特點是投資少、見效快，但通用性差，是大量生產(chǎn)中最常見的加工設備。剛性自動線

特點：剛性自動化生產(chǎn)線（簡稱剛性自動線）是用工件輸送系統(tǒng)將各種剛性自動化加工設備和輔助設備按一定的順序連接起來，在控制系統(tǒng)的作用下完成單個零件加工的復雜大系統(tǒng)。

適用范圍：在剛性自動線上，被加工零件以一定的生產(chǎn)節(jié)拍，順序通過各個工作位置，自動完成零件預定的全部加工過程和部分檢測過程。因此，剛性自動線具有很高的自動化程度，具有統(tǒng)一的控制系統(tǒng)和嚴格的生產(chǎn)節(jié)奏。剛性綜合自動化系統(tǒng)

特點：一般情況下，剛性自動線只能完成單個零件的所有相同工序（如切削加工工序），對于其他自動化制造內容如熱處理、鍛壓、焊接、裝配、檢驗、噴漆甚至包裝卻不可能全部包括在內。包括上述內容的復雜大系統(tǒng)稱為剛性綜合自動化系統(tǒng)。

適用范圍：它常用于產(chǎn)品比較單一，但工序內容多，加工批量特別大的零部件的自動化制造。剛性綜合自動化系統(tǒng)結構復雜，投資強度大，建線周期長，更換產(chǎn)品困難，但生產(chǎn)效率極高，加工質量穩(wěn)定，工人勞動強度低。數(shù)控機床

特點：數(shù)控機床（NumericalControlMachineTools）用來完成零件一個工序的自動化循環(huán)加工。它是用代碼化的數(shù)字量來控制機床，按照事先編好的程序，自動控制機床各部分的運動，而且還能控制選刀、換刀、測量、潤滑、冷卻等工作。

適用范圍：適用于加工精度較高，且重復性好的場合。加工中心

特點：加工中心（MachiningCenter-MC）是在一般數(shù)控機床的基礎上增加刀庫和自動換刀裝置而形成的一類更復雜但用途更廣、效率更高的數(shù)控機床。由于具有刀庫和自動換刀裝置，就可以在一臺機床上完成車、銑、鏜、鉆、鉸、攻螺紋、輪廓加工等多個工序的加工。

適用范圍：加工中心機床具有工序集中、可以有效縮短調整時間和搬運時間、減少在制品庫存、加工質量高等優(yōu)點。柔性制造單元

特點：柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell-FMC）是一種由1～3臺計算機數(shù)控機床或加工中心所組成，單元中配備有某種形式的托盤交換裝置或工業(yè)機器人，由單元計算機進行程序編制及分配、負荷平衡和作業(yè)計劃控制的小型化柔性制造系統(tǒng)。

適用范圍：柔性制造單元的主要優(yōu)點是：占地面積較小，系統(tǒng)結構不很復雜，成本較低，投資較小，可靠性較高，使用及維護均較簡單。因此，柔性制造單元是柔性制造系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一，深受各類企業(yè)的歡迎。就其應用范圍而言，柔性制造單元常用于品種變化不是很大、生產(chǎn)批量中等的生產(chǎn)規(guī)模中。柔性制造系統(tǒng)

特點：一個柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem-FMS）一般由四部分組成：兩臺以上的數(shù)控加工設備、一個自動化的物料及刀具儲運系統(tǒng)、若干臺輔助設備（如清洗機、測量機、排屑裝置、冷卻潤滑裝置等）和一個由多級計算機組成的控制和管理系統(tǒng)。到目前為止，柔性制造系統(tǒng)是最復雜、自動化程度最高的單一性質的制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)內部一般包括兩類不同性質的運動，一類是系統(tǒng)的信息流，另一類是系統(tǒng)的物料流，物料流受信息流的控制。

柔性制造系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：

1)可以減少機床操作人員。

2)由于配有質量檢測和反饋控制裝置，零件的加工質 量很高。

3)工序集中，可以有效減少生產(chǎn)面積。

4)與立體倉庫相配合，可以實現(xiàn)24h連續(xù)工作。

5)由于集中作業(yè)，可以減少加工時間。

6)易于和管理信息系統(tǒng)（MIS）、工藝信息系統(tǒng) （TIS）及質量信息系統(tǒng)（QIS）結合形成更高級的制 造自動化系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)的主要缺點是：

1)系統(tǒng)投資大，投資回收期長。

2)系統(tǒng)結構復雜，對操作人員的要求很高。

3)結構復雜使得系統(tǒng)的可靠性較差。一般情況下，柔性制造系統(tǒng)適用于品種變化不大，批量在200～2500件的中等批量生產(chǎn)。視頻第三節(jié)機械制造自動化發(fā)展及趨勢

一、自動化發(fā)展歷程

自動化的歷史可以追溯到2500年前工具機（一種原始的轉動器具）的出現(xiàn)，應用它，工匠們能以木材或其他硬性材料生產(chǎn)出較復雜的圓形產(chǎn)品。自18世紀中葉瓦特發(fā)明蒸汽機而引發(fā)工業(yè)革命以來，自動化技術就伴隨著機械化得到了迅速發(fā)展。從其發(fā)展歷程看，自動化技術大約經(jīng)歷了四個發(fā)展階段： 第一階段：從1870年到1950年左右； 第二階段：從1952年到1965年； 第三階段：從1967年到20世紀80年代中期； 第四階段：從20世紀80年代至今。機械制造自動化發(fā)展歷史

1947年,美國福特汽車公司正式使用“自動化”一詞，其含義是指加工采取連續(xù)的方式，生產(chǎn)過程流水式地自動運行。

1870年自動制螺絲機（美國）

1895年多軸自動車床（美國）

1924年機械加工自動線（英國）

1935年汽車發(fā)動機氣缸套加工自動線（蘇聯(lián)）

1946年底特律機械加工自動線（美國）；成組生產(chǎn)工藝思想(蘇聯(lián)) 1950年汽車活塞自動化工廠（蘇聯(lián)）

1951年數(shù)控銑床（美國）

1958年加工中心（美國）機械制造自動化發(fā)展歷史

1959年適應性控制銑床（英國）

1960年計算機輔助設計(CAD)（美國）

1965年計算機數(shù)控(CNC)機床（美國）

1967年可變制造系統(tǒng)（英國）

1968年群控系統(tǒng)(DNC)（美,英，日）；成組生產(chǎn)工藝思想(蘇聯(lián)) 1969年工業(yè)機器人操作的焊接自動線（美國）

1974年計算機集成制造系統(tǒng)（美國）

1980年無人化機械制造廠（日本）

視頻機械制造自動化發(fā)展歷史——中國篇

4000年前自動定向指南針

3000年前自動計時的銅壺滴漏

2000年前指南車，自動送料的“水轉翻車” 東漢“渾象”天象儀，候風地動儀 西漢水力驅動，凸輪機構的四工位自動機唐代筒車北宋水運儀象臺南宋捻麻紗機明代蓄力驅動立式車削，磨削清代……1949……二、信息化帶動機械制造自動化

信息化是現(xiàn)代制造技術的首要特征。面對新的知識/產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟環(huán)境、競爭激烈的市場和迅速發(fā)展的信息技術，制造業(yè)日益信息化，形成了決策、研究開發(fā)、設計、制造、營銷、管理技術與計算機、網(wǎng)絡通信技術相融合的信息化制造技術。制造技術的信息化帶動了自動化的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)制造自動化的概念，使得產(chǎn)品生命周期明顯縮短、產(chǎn)品品種日益增多、產(chǎn)品成本結構發(fā)生變化、產(chǎn)品交貨期不斷縮短。因此，現(xiàn)代制造企業(yè)能否實現(xiàn)產(chǎn)品上市快、質量好、成本低、服務好、環(huán)保好（Time、Quality、Cost、Service、Environment，TQCSE）五大要素將成為贏得市場競爭的關鍵。

1.信息化概述

▲制造系統(tǒng)的信息化——就是將信息技術運用于制造系統(tǒng)產(chǎn)品生命周期全過程和企業(yè)運行管理的各個環(huán)節(jié)中，將制造系統(tǒng)的信息以及信息傳輸方式規(guī)范化、數(shù)字化、集成化，提高信息的綜合利用價值，從而全面提高企業(yè)的市場競爭能力的過程?！鴻C械制造過程可看成是一個信息產(chǎn)生、處理和加工的過程。?！圃煜到y(tǒng)中的信息流動?！圃煜到y(tǒng)信息的分類與關系。

▲制造信息系統(tǒng)的邏輯結構。

2.機械制造業(yè)方式的轉變

進入20世紀80年代以來，隨著制造業(yè)信息化進程的推進，計算機集成制造系統(tǒng)、并行工程、精良生產(chǎn)、敏捷制造、智能制造等許多新概念、新思想和新模式不斷出現(xiàn)，這些先進的制造模式促使了機械制造業(yè)方式的轉變，其中有些已得到廣泛的應用并取得了良好的經(jīng)濟效益。1）精良生產(chǎn)（LeanProduction，簡稱LP）

精良生產(chǎn)方式是以最少投入來獲得成本低、質量高、產(chǎn)品投放市場快、用戶滿足為目標的一種生產(chǎn)方式。——強調人的作用和以“人”為中心。——在需求驅動下，以簡化為手段，追求實效的生產(chǎn)方式。——不斷改進，以“盡善盡美”為最終目標。

2）并行工程（ConcurrentEngineering，簡稱CE）▲并行工程是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其相關的各種過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法?！攸c是在設計一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求?！⑿泄こ痰哪繕恕⒔M織、方法和工具

——CE的目標是縮短產(chǎn)品的提前期，包括新產(chǎn)品的開發(fā)和用戶定制產(chǎn)品