自动化制造系统概述

1、自动化制造系统自动化制造系统Automatic Manufacturing SystemAutomatic Manufacturing System第一章第一章 AMSAMS概述概述1-1 本课程的主要内容及要求本课程的主要内容及要求1-2 基本概念基本概念1-3 自动化制造系统的定义、组成自动化制造系统的定义、组成1-4 制造系统的发展历程制造系统的发展历程 1-5 制造系统的发展趋势及实现原则制造系统的发展趋势及实现原则 1-6 自动化制造系统的评价指标自动化制造系统的评价指标1-7 系统工程与自动化制造系统方法论系统工程与自动化制造系统方法论1-1 本课程的主要要求及方法本课程的主要要求

2、及方法掌握自动化制造系统的基础理论与体系结构；掌握自动化制造系统的基础理论与体系结构；掌 握 自 动 化 制 造 系 统 的掌 握 自 动 化 制 造 系 统 的 管 理 与 控 制 技 术 ；管 理 与 控 制 技 术 ；掌握自动化制造系统的掌握自动化制造系统的分析与设计的基本方法；分析与设计的基本方法；提高从系统的角度分析问题和解决问题的能力。提高从系统的角度分析问题和解决问题的能力。在学习本课程时，应在学习本课程时，应联系实际，联系实际，在掌握理论知识的同在掌握理论知识的同时，逐渐学会从系统的角度去看待制造、研究制造、时，逐渐学会从系统的角度去看待制造、研究制造、把握制造、发展制造。把握

3、制造、发展制造。 1-2 基本概念基本概念制制造造原材料原材料工工 具具最终产品最终产品市市 场场制制 造造全过程全过程知知 识识强强调调的的是是产产品品的的整整个个生生命命周周期期过过程程市市 场场 采 购 加 工 装 配 检 验 销 售 市 场 分 析 决 策 规 划 产 品 开 发 工 艺 规 划 管 理 控 制 服 务 产 品 制 造 资 源 下部方框表示物质的转化过程下部方框表示物质的转化过程 上部方形框表示信息处理过程上部方形框表示信息处理过程 上下两部分间箭头表示信息对物质转化上下两部分间箭头表示信息对物质转化广义广义 制造概念下制造过程框图制造概念下制造过程框图 制造业：所有与

4、制造有关的企业和机构的总体。制造业：所有与制造有关的企业和机构的总体。它涉及到国民经济的很多行业，如机械、电子、轻工、它涉及到国民经济的很多行业，如机械、电子、轻工、化工、食品、军工、航天等。化工、食品、军工、航天等。国民经济的支柱产业，其生产总值一般占一个国家国内国民经济的支柱产业，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的生产总值的20-55。 作用：作用：创造价值、创造物质财富和创造新的知识创造价值、创造物质财富和创造新的知识 为其他经济部门提供先进的手段和装备为其他经济部门提供先进的手段和装备1-2 基本概念基本概念美国制造业美国制造业n 美国是装备制造业最强大的国家n 全球最大的500家

5、工业企业中，美国占据31份额n 美国始终把制造业当作“经济实力的脊梁”n 制造业对其GDP的直接贡献保持在20以上，从而拉动其他产业30，拉高经济增长率40n 近来，美国制造业重心已转移到高新技术、新兴产业领域。美国出现了硅谷、南加州、波士顿等微小技术领域的六大经济中心。所谓微小技术产业，是由纳米技术、微机电系统等尖端技术开辟出的全新产业领域，是多种学科交融并具有战略意义的前沿高技术产业n 美国68%财富来源于制造业英国制造业英国制造业n 宏观经济稳定有利于企业有效进行长期产业规划；n 投资利用现代、高效的工艺与设备，提升产业表现；n 科研和创新有助于制造产商开拓利用英国强大的科研基地，制造创

6、新型、高n 附加值的产品；n 理想的产业实践通过不断地改进提高，提升企业的生产率与竞争力；n 提升技能和教育水平培育技能娴熟、有创新性的制造业劳动力；n 现代化的基础设施提供高效的交通与通讯网络；n 适当的市场框架为企业营造参与全球竞争所需的产业环境。英国制造业的产值占英国GDP的25左右。 n 英国是工业革命的起源地和传统的制造业大国n 英国政府对制造业的态度是：“制造业的成功对英国的繁荣，无论是现在还是将来，都是至关重要的。” n 英国确立七大支柱工作，以支撑建立知识密集型制造业基地。日本制造业日本制造业n 日本的现场制作生产率现在名列世界第一n 综合竞争力仅次于美国居世界第二n 全球最大

7、的500家工业企业，日本占29n 日本颁布了振兴制造业基础技术基本法n 不管是在工业经济时代还是在知识经济时代，制造现场的制作能力和创新能力，是一个国家经济的重要的基础，而这正是日本制造的强项。如模具制造，美国三大汽车巨头使用的都是“日本造”。因为美国造的模具轧制3万次而日本造的模具可以轧制6到10万次。此外，精密仪器和质量控制也是日本制造的强项。日本国民总产值的49来自于制造业。中国制造业中国制造业n 2009年我国制造业占当年GDP的45左右；n 彩电、冰箱、洗衣机、空调器、照相机、收录机、程控交换机、计算机主板、光盘驱动器、显示器、棉布、化纤、服装、皮鞋、钢、拖拉机、化肥、摩托车等上百种

8、制造业产品的产量在全球位居首位。n 我国制造业的劳动生产率不到美、日的120，英、法、韩的110；n 工业附加值低，核心技术少1-2 基本概念基本概念系系 统统 1.1.系统的定义系统的定义 系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的结合的具有特定功能具有特定功能的有机整体。的有机整体。 2.2.系统的基本特征系统的基本特征 第一第一 系统是由若干元素组成的；系统是由若干元素组成的； 第二第二 这些元素相互作用、相互依赖；这些元素相互作用、相互依赖； 第三第三 由于元素间的相互作用，使系统作为一个由于元素间的相互作用，使系统作为一个整体具有特定的功能

9、。整体具有特定的功能。 例例：简单构件组成高性能系统：简单构件组成高性能系统 在建筑机械和结构工程中，常采用由简单构件组成在建筑机械和结构工程中，常采用由简单构件组成的各类桁架系统。在这种力学系统中，通过组成要素间的各类桁架系统。在这种力学系统中，通过组成要素间的合理联接，可以从整体上表现出很高的力学性能。的合理联接，可以从整体上表现出很高的力学性能。 系统的目标系统的目标提高总体性能提高总体性能“鸟巢鸟巢”是由一系列辐射门式钢桁架围绕碗状坐是由一系列辐射门式钢桁架围绕碗状坐席区旋转而成，结构科学简洁，设计新颖独特，席区旋转而成，结构科学简洁，设计新颖独特，为国际上极富特色的巨型建筑。为国际上

10、极富特色的巨型建筑。 例：低精度元件组成高精度系统例：低精度元件组成高精度系统 在计算机等数字设备中，采用以在计算机等数字设备中，采用以“0”0”和和“1”1”两个状两个状态工作的电子器件，通过非线性方法相联接，组成了高精态工作的电子器件，通过非线性方法相联接，组成了高精度数字化系统。度数字化系统。系统的目标系统的目标提高总体性能提高总体性能2010年第年第35届超级计算机评比，来自届超级计算机评比，来自Cray的美洲豹的美洲豹Jaguar，凭借凭借1.75 PFlop/s(每秒每秒1750万亿次万亿次)的计算能力傲视群雄。的计算能力傲视群雄。 我国我国“星云星云”计算机最高运算速度每秒计算机

11、最高运算速度每秒3000万亿次万亿次 。 制造系统：为达到制造目的而构成的物理或组织系统制造系统：为达到制造目的而构成的物理或组织系统制制造造系系统统人员人员设备设备组织机构组织机构管理方式管理方式技术系统技术系统1-2 基本概念基本概念硬件硬件软件软件制制造造系系统统类类别别按照自动化程度对制造系统分类按照自动化程度对制造系统分类手动制造系统手动制造系统半自动制造系统半自动制造系统自动制造系统自动制造系统普通车床为普通车床为主，设计和主，设计和制造主要靠制造主要靠手工手工数控车床，加数控车床，加工中心，设计工中心，设计制造人不再处制造人不再处于中心地位于中心地位刚性自动化刚性自动化人机一体化

12、人机一体化无人化无人化1-2 基本概念基本概念作用越来越明显作用越来越明显控制系统控制系统数据融合数据融合1-3 AMS的定义、组成的定义、组成外部信息外部信息能源能源资资金金配配套套件件原材料原材料被加工对象被加工对象自动化设备自动化设备高素质的人高素质的人产品产品文档资料文档资料废料废料环境污染环境污染AMSAMS的组成的组成n 被加工对象被加工对象被加工对象在一定范围内变化被加工对象在一定范围内变化基于成组技术（基于成组技术（GT)GT)对被加工对象对被加工对象进行划分进行划分AMS的组成的组成成组技术成组技术 (GT)(GT)的产生原因的产生原因 市场竞争日趋激烈，产品更新换代越来越快

13、，产品品种市场竞争日趋激烈，产品更新换代越来越快，产品品种增多，而每种产品的生产数量却并不很多。世界上增多，而每种产品的生产数量却并不很多。世界上7580的机械产品是以中小批生产方式制造的。的机械产品是以中小批生产方式制造的。 与大量生产企业相比，中小批生产企业的劳动生产率低，与大量生产企业相比，中小批生产企业的劳动生产率低，生产周期长，产品成本高，市场竞争能力差。生产周期长，产品成本高，市场竞争能力差。 能否把大批量生产的先进工艺和高效设备以及生产方式能否把大批量生产的先进工艺和高效设备以及生产方式用于组织中小批量产品的生产，一直是国际生产工程界广为用于组织中小批量产品的生产，一直是国际生产

14、工程界广为关注的重大研究课题。关注的重大研究课题。 成组技术就是针对生产中的这种需求发展起来的一种生成组技术就是针对生产中的这种需求发展起来的一种生产和管理相结合的科学。产和管理相结合的科学。AMS的组成的组成成组技术的概念成组技术的概念 充分利用事物之间的相似性，将许多具有相似信充分利用事物之间的相似性，将许多具有相似信息的研究对象归并成组，并用大致相同的方法来解息的研究对象归并成组，并用大致相同的方法来解决这一组研究对象的生产技术问题，这样就可以发决这一组研究对象的生产技术问题，这样就可以发挥规模生产的优势，达到提高生产效率、降低生产挥规模生产的优势，达到提高生产效率、降低生产成本的目的，

15、这种技术统称为成组技术（成本的目的，这种技术统称为成组技术（Group Group Technology Technology 简称简称GTGT）。）。AMS的组成的组成n 人人自动化制造系统对人的要求不是降低了，而是提高了。自动化制造系统对人的要求不是降低了，而是提高了。对人的要求：对人的要求：u 具有一定技术水平和决策能力具有一定技术水平和决策能力u 具有具有“全能全能”的知识和技术的知识和技术u 具有团队合作精神具有团队合作精神AMS的组成的组成n 信息流及其控制系统信息流及其控制系统 部 门 n 部 门 2 部 门 1 . . . . + 制造系统的自动化程度与信息流控制系统的关制造系

16、统的自动化程度与信息流控制系统的关系非常密切系非常密切AMS的组成的组成n 能量流及其控制系统能量流及其控制系统n 用来维持系统运行，做了有用功用来维持系统运行，做了有用功n 机械运转和传送过程中的损耗，对系统产生有机械运转和传送过程中的损耗，对系统产生有害效果害效果能量消耗对产品的成本有重要影响，对一个国能量消耗对产品的成本有重要影响，对一个国家的可持续发展也有重要的影响家的可持续发展也有重要的影响AMS的组成的组成n 物料流及其控制系统物料流及其控制系统物料处理是自动化制造系统的主要运作形式物料处理是自动化制造系统的主要运作形式物物料料流流及及物物料料处处理理储运设备储运设备加工设备加工设

17、备热处理设备热处理设备检测设备检测设备清洗设备清洗设备装配设备装配设备辅助设备辅助设备AMS主要内容主要内容AMS毛毛坯坯制制备备自自动动化化机机械械加加工工自自动动化化储储运运自自动动化化装装配配过过程程自自动动化化辅辅助助过过程程自自动动化化热热处处理理过过程程自自动动化化质质量量控控制制自自动动化化系系统统控控制制自自动动化化1-4 制造系统的发展历程制造系统的发展历程 从技术层面看从技术层面看 经过数十年的发展，制造系统技术在总体上已形经过数十年的发展，制造系统技术在总体上已形成基本的体系，并在实际应用中发挥着越来越重要的成基本的体系，并在实际应用中发挥着越来越重要的作用。作用。 第一

18、阶段：刚性制造系统第一阶段：刚性制造系统 本阶段在本阶段在2020世纪世纪5050年代前已基本形成。年代前已基本形成。 第二阶段：单机柔性加工系统第二阶段：单机柔性加工系统 开始于开始于2020世纪世纪5050年代初，到年代初，到7070年代已基本成熟。年代已基本成熟。 第三阶段：多机柔性加工系统第三阶段：多机柔性加工系统 出现于出现于2020世纪世纪6060年代末，年代末，7070年代以后得到快速年代以后得到快速发展，如直接数控（发展，如直接数控（DNCDNC）加工系统、柔性制造单）加工系统、柔性制造单元（元（FMCFMC）、柔性制造系统）、柔性制造系统(FMS)(FMS)、柔性加工线、柔性

19、加工线（FMLFML）。）。 第四阶段：计算机集成制造系统第四阶段：计算机集成制造系统 20世纪世纪80年代以来得到迅速发展年代以来得到迅速发展 其特征是制造全过程的系统性和集成性，以解其特征是制造全过程的系统性和集成性，以解决现代企业生存与竞争问题。决现代企业生存与竞争问题。1-4 制造系统的发展历程制造系统的发展历程第五阶段：跨企业和全球制造系统（智能制造）第五阶段：跨企业和全球制造系统（智能制造） 20世纪末提出，正在成为世纪末提出，正在成为21世纪的发展方向。世纪的发展方向。 基本概念是基本概念是: : 根据根据全球化的产品需求，通过网全球化的产品需求，通过网络协调和运作，把分布在世界

20、各地的制造工厂和销络协调和运作，把分布在世界各地的制造工厂和销售点联接成一个整体，从而能够在任何时候与世界售点联接成一个整体，从而能够在任何时候与世界任何一个角落的用户或供应商打交道，由此构成具任何一个角落的用户或供应商打交道，由此构成具有统一目标的在有统一目标的在逻辑上为一整体而物理上分布于全逻辑上为一整体而物理上分布于全世界的跨企业和跨国制造系统世界的跨企业和跨国制造系统。 1-4 制造系统的发展历程制造系统的发展历程从学科发展看从学科发展看 制造系统诞生于制造系统诞生于 2020世纪世纪7070年代后期的日本。京年代后期的日本。京都大学人见胜人（都大学人见胜人（Hitomi K.Hito

21、mi K.）教授发表著作）教授发表著作Manufacturing System EngineeringManufacturing System Engineering。 在美国，麻省理工学院在美国，麻省理工学院90年代初即开设有制造系年代初即开设有制造系统课程，并出版了专著。统课程，并出版了专著。 在西欧，一些一流大学亦开设了制造系统课程。在西欧，一些一流大学亦开设了制造系统课程。 总之，制造系统已成为国外一流大学相关专业和总之，制造系统已成为国外一流大学相关专业和学科的科研与教学工作的重要组成部分。学科的科研与教学工作的重要组成部分。 1-4 制造系统的发展历程制造系统的发展历程 在我国，制

22、造系统的研究和应用起步也较早，在我国，制造系统的研究和应用起步也较早，2020世纪世纪8080年代中就已有柔性制造系统（年代中就已有柔性制造系统（FMSFMS）在生）在生产实际中应用。产实际中应用。 但制造系统作为一个学科和技术领域，在国但制造系统作为一个学科和技术领域，在国家支持下开展有组织的深入系统研究和应用，是家支持下开展有组织的深入系统研究和应用，是开始于国家的开始于国家的863863计划。以计划。以CIMSCIMS为代表的研究项目为代表的研究项目十几年来取得一大批成果，十几年来取得一大批成果，并在许多类型的企业并在许多类型的企业中得到广泛应用，有力推进了我国制造系统技术中得到广泛应用

23、，有力推进了我国制造系统技术的发展。的发展。 1-4 制造系统的发展历程制造系统的发展历程1-5 制造系统的发展趋势及实现原则制造系统的发展趋势及实现原则1. 1. 对无人制造自动化进行了反思，提出了对无人制造自动化进行了反思，提出了 “ “人机人机 一体化制造系统一体化制造系统”的新思想。的新思想。 2. 2. 智能制造系统将是未来制造系统的重要发展方智能制造系统将是未来制造系统的重要发展方 向之一。向之一。 3. 3. 单元级制造系统的研究仍然占有很重要的地位。单元级制造系统的研究仍然占有很重要的地位。 4. 4. 平台技术的研究与平台软件的开发是近年来制平台技术的研究与平台软件的开发是近

24、年来制 造系统发展的主要动向之一。造系统发展的主要动向之一。 制造系统的发展趋势制造系统的发展趋势5. 5. 现代制造模式的提出和研究，直接推动着制造现代制造模式的提出和研究，直接推动着制造 系统的发展。系统的发展。 6. 6. 分布式控制将是未来制造系统管理控制的重要分布式控制将是未来制造系统管理控制的重要 发展方向之一。发展方向之一。 7. 7. 一种新的制造观即信息制造观正在孕育和发展一种新的制造观即信息制造观正在孕育和发展 之中。之中。 8. 8. 实施可持续发展战略正在成为制造系统发展的实施可持续发展战略正在成为制造系统发展的 必然趋势。必然趋势。 1-5 制造系统的发展趋势及实现原

25、则制造系统的发展趋势及实现原则自动化制造系统实现应考虑的因素自动化制造系统实现应考虑的因素n 产品设计方面产品设计方面n 产品设计过程考虑：通用化、系列化、产品设计过程考虑：通用化、系列化、标准化与模块化标准化与模块化1.1. 采用采用“面向制造的设计面向制造的设计”、“面向装面向装配的设计配的设计”技术技术1-5 制造系统的发展趋势及实现原则制造系统的发展趋势及实现原则n 工艺技术方面工艺技术方面1-5 制造系统的发展趋势及实现原则制造系统的发展趋势及实现原则 计算机辅助工艺规程设计（计算机辅助工艺规程设计（CAPP） 采用可重组的、高度可靠性的和高采用可重组的、高度可靠性的和高质量的生产设备和工艺方法质量的生产设备和工艺方法n 制造系统本身制造系统本身选择适当的制造方式选择适当的制造方式进行合理的决策进行合理的决策1-5 制造系统的发展趋势及实现原则制造系统的发展趋势及实现原则对被加工对象、人、能量流、信息流、对被加工对象、人、能量流、信息流、和物料流进行优化配置与控制和物料流进行优化配置与控制1-6 ANS的评价指标的评价指标生产率生产率可靠性可靠性制造制造柔性柔性可持