几种先进技术介绍教案

几种先进技术介绍教案第1页，共92页，2023年，2月20日，星期日简要叙述

1计算机辅助设计(CAD):利用计算机进行的一切设计

,包括有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图、几何建模等。其中AutoCAD是应用最成熟的领域，而几何建模技术是CAD系统的核心技术。2计算机辅助工程(CAE):利用计算机技术进行工程设计中的各种精确分析、计算、设计等。3计算机辅助工艺过程设计(CAPP)：利用计算机辅助编制工艺规程4并行工程(CE)：就是集成地、并行地设计产品及其部件和相关各种过程的一种系统工作模式5计算机辅助制造(CAM)指利用计算机直接进行加工制造、生产过程控制的技术系统

第2页，共92页，2023年，2月20日，星期日先进机械制造技术的发展（1）管理方面。广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展.（2）设计方面。不断更新设计数据和准则，采用新的设计方法，广泛采用计算机辅助设计技术（CAD/CAM），采用无图纸的设计和生产。（3）制造工艺方面。广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术等新型加工方法。（4）自动化技术方面。采用数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。第3页，共92页，2023年，2月20日，星期日先进机械制造技术的发展趋势（1）全球化。一方面竞争越来越激烈；另一方面，网络通讯技术的快速发展推动了企业向着既竞争又合作的方向发展，这种发展进一步激化了国际间市场的竞争。全球化制造的第一个技术基础是网络化，网络通讯技术使制造的全球化得以实现。（2）网络化。网络通讯技术的迅速发展和普及，给企业的生产和经营活动带来了革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售都可以异地或跨越国界进行。此外，网络通讯技术的快速发展，加速技术信息的交流、加强产品开发的合作和经营管理的学习，推动了企业向着既竞争又合作的方向发展。第4页，共92页，2023年，2月20日，星期日续（3）虚拟化。制造过程中的虚拟技术是指面向产品生产过程的模拟和检验。检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺、保证产品质量、生产周期和最低成本为目标。虚拟化的核心是计算机仿真，通过仿真软件来模拟真实系统，以保证产品设计和产品工艺的合理性，保证产品制造的成功和生产周期，发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误。（4）自动化。自动化是一个动态概念，它主要表现在制造系统中的集成技术和系统技术、人机一体化制造系统、制造过程的计划和调度、柔性制造技术和适应现化生产模式的制造环境等方面。（5）绿色化。绿色制造则通过绿色生产过程、绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理等生产出绿色产品，产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。第5页，共92页，2023年，2月20日，星期日几种先进技术介绍

一、计算机集成制造系统（CIMS）二、数控技术

三、敏捷制造

第6页，共92页，2023年，2月20日，星期日一、计算机集成制造系统（CIMS）

1.CIMS概念的发展2．CIMS的组成

第7页，共92页，2023年，2月20日，星期日1、CIM的概念CIM是一种组织、管理和运行现代制造类企业的理念。它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，使企业产品全生命周期各阶段活动中有关的人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流三流有机集成并优化运行，以达到产品（p）上市快（t）、高质（q）、低耗（c）、服务好（s）、环境清洁（e），进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。第8页，共92页，2023年，2月20日，星期日2、CIMS的概念“CIMS”是一种基于ＣＩＭ理念构成的数字化、信息化、智能化、绿色化、集成优化的制造系统；它是信息时代的一种新型生产制造模式。一般包括以下两个基本要点：（1）企业生产经营的各个环节，如市场分析预测、产品设计、加工制造、经营管理、

产品销售等一切的生产经营活动，是一个不可分割的整体。（2）企业整个生产经营过程从本质上看，是一个数据的采集、传递、加工处理的过程，而形成的最终产

品也可看成是数据的物质表现形式。因此对CIMS通俗的解释可以是“用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，以求得企业的总体效益。”整个CIMS的

研究开发，即系统的目标、结构、组成、约束、优化和实现等方面，体现了系统的总体性和系统的一致性。

第9页，共92页，2023年，2月20日，星期日CIMS的主要特征是集成化与智能化

集成化反映了自动化的广度，把系统空间扩展到市场、设计、加工、检验、销售以及用户服务等全部过程；而智能化则体现了自动化的深度，即不仅涉及物料流控制的传统的体力劳动自动化，还包括了信息流控制的脑力劳动自动化。一个企业内部为完成各个功能的自动化单元系统，在职能上是分布的，在地理上是分散的，在时间上是分割的。这些相对独立的子系统具有信息量小，易于控制和快速反映等优点。但是，这些自动化“孤岛”必须集成起来才能取得明显效益。集成则是有层次的、有向的和有序的集合，使企业内部的信息系统重新组合，减少了界面和重复多余的信息数据，加速了信息流畅通。正是分布与集成在形式上的统一，使系统在时间上与空间上的总体性得到了保证。由于集成系统是“数据驱动”的，因而系统的柔性也得到了充分的保证。

第10页，共92页，2023年，2月20日，星期日在CIMS中，人机关系也发生了根本变化，人机操作不再受机器束缚，而主要是信息交互。人在CIMS中将从事各种富有创造性的劳动，并将始终占据决定性的地位；与此同时，机器可在无人看管下自动运行，因此，机器也必须具有一定的智能，会辨别和理解各种信息，接受和处理各种数据。

综上所述，CIMS不但会引起生产技术的变革，而且必将引起现有生产方式、组织结构等一系列的重大变革。这涉及到管理、技术和制造的许多概念和观念上的变化，如减少库存和在制品，实现按时生产乃至按需生产，这是生产组织方法的改变。因此，简单地把已有的许多复杂的子系统计算机化并不能实现CIMS。

为此，必须认真分析企业内各部门之间的组织结构和层次，统一规划，建立一个合理有效的信息流，促使企业的生产组织方式与管理体制的变革，提高企业的市场竞争能力和经济效益。

第11页，共92页，2023年，2月20日，星期日在CIMS中，关键是“制造”和“集成”两个概念。“制造”是广义的制造，是指企业中从用户订货开始一直到产品出厂，从生产现场到营业部门在内的完整制造系统。“集成”是制造业相关学科的技术融合。具体地说，CIMS综合了以下技术：1

计算机技术

包括计算机通讯、计算机图形学、人工智能、专家系统、数据库等。2现代制造技术

包括计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）、计算机辅助工艺规程（CAPP）、计算机辅助质量控制（CAQ）、机器人学、柔性制造系统（FMS）、自动物料传送系统、自动化仓库等。3

自动控制

包括自适应控制、智能控制、容错控制、系统仿真等。4

管理工程

包括管理信息系统（MIS）、决策支持系统等。第12页，共92页，2023年，2月20日，星期日制造企业轮图第13页，共92页，2023年，2月20日，星期日3、CIMS组成

由三个子系统组成。它们是加工系统、物流系统和控制与管理系统.第14页，共92页，2023年，2月20日，星期日1）加工系统加工系统在CIMS中好像人的手脚，是实际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。加工系统的性能直接影响着CIMS的性能，且加工系统在CIMS中又是耗资最多的部分，因此恰当地选用加工系统是CIMS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，把工件从原材料转变为产品的机床。

第15页，共92页，2023年，2月20日，星期日（1)．加工系统的配置与要求

目前金属切削CIMS的加工对象主要有两类工件：(1).箱体类（包括箱体形、平板形）:通常用于加工箱体类工件的CIMS由立、卧式加工中心，数控组合机床（数控专用机床、可换主轴箱机床、模块化多动力头数控机床等）和托盘交换器等构成；(2).回转体类（长轴形、盘套形）:用于加工回转体类工件的CIMS由数控车床、车削中心、数控组合机床和上下料机械手或机器人及棒料输送装置等构成。

小型CIMS的加工系统多由4～6台机床构成，这些配置主要取决于机床功能、物料流和信息流。这些数控加工设备在CIMS中的配置有互替形式（并联）、互补形式（串联）和混合形式（并串联）三种，见图1。

第16页，共92页，2023年，2月20日，星期日设备在CIMS中的配置

a)互替形式

b)互补形式

c)混合形式

第17页，共92页，2023年，2月20日，星期日（2)、加工系统的原则CIMS的加工系统原则上应是可靠的、自动化的、高效的、易控制的，其实用性、匹配性和工艺性好，能满足加工对象的尺寸范围、精度。材质等要求。因此在选用时应考虑：

1）工序集中。如选用多功能机床、加工中心等，以减少工位数和减轻物流负担，保证加工质量。

2）控制功能强、扩展性好。如选用模块化结构，易于与上下料、检测等辅助装置连接和增加各种辅助功能，方便系统调整与扩展，以及减轻通信网络和上级控制器的负载。

3）高刚度、高精度、高速度。选用切削功能强，加工质量稳定，生产效率高的机床。

4）使用经济性好。如导轨油可回收，断、排屑处理快速、彻底等，可以延长刀具使用寿命。节省系统运行费用，保证系统能安全、稳定、可长时间无人值守而自动运行。

5）操作性、可靠性、维修性好。机床的操作、保养与维修方便，使用寿命长。

第18页，共92页，2023年，2月20日，星期日续

6）自保护性、自维护性好。如设有切削力过载保护、功率过载保护、行程与工作区域限制等。导轨和各相对运动件等无须润滑或能自动加注润滑，有故障诊断和预警功能。

7）对环境的适应性与保护性好。对工作环境的温度、湿度、噪声、粉尘等要求不高，各种密封件性能可靠、无渗漏，冷却液不外溅，能及时排除烟雾、异味，噪声、振动小，能保护良好的生产环境。

8）其他。如技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚，机床外形、颜色美观且与系统协调。

第19页，共92页，2023年，2月20日，星期日（3）加工系统中常用加工设备介绍

（1）加工中心

加工中心可完成镗、铣、钻、攻螺纹等工作。加工中心是一种备有刀库并能按预定程序自动更换刀具，对工件进行多工序加工的高效数控机床。它的最大特点是工序集中和自动化程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。

常见加工中心按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用（也称万能、五面体、复合）加工中心。

第20页，共92页，2023年，2月20日，星期日加工中心的刀库加工中心的刀库有链式、盘式和转塔式等基本类型，链式刀库的特点是存刀量多、扩展性好、在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。盘式和转塔式刀库的特点是构造简单、适当选择刀库位置还可省略换刀机械手，但刀库容量有限。根据用途，加工中心刀库的存刀量可为几把到数百把，最常见的是20～80把。加工中心的自动换刀装置常采用换刀机械手。换刀机械手有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等。由于双臂式机械手换刀时，可在一只手臂从刀库中取刀的同时，另一只手臂从机床主轴上拔下已用过的刀具，这样既可缩短换刀时间又有利于使机械手保持平衡，所以被广泛采用。常用双臂式机械手的手爪结构形式有钩手、抱手、伸缩手和叉手，还有多机械手换刀方式，即刀库中每把刀有一个机械手。还有不用机械手的直接换刀方式。

第21页，共92页，2023年，2月20日，星期日加工中心换刀加工中心换刀时需从刀库中选择指定的刀具，主轴头也必须回到换刀位置。从刀库中挑选所需刀具的方法有顺序选择法、刀座编码法、刀具编码法和刀具刀座跟踪记忆法。其中，刀具刀座跟踪记忆法在加工设备内使用最为方便，刀具编码法适合于CIMS刀具的集中管理，所以在CIMS中常将这两种方法混合使用。加工中心的换刀时间有两种定量方法：刀对刀换刀时间（主轴和刀库刀座都回到换刀点后交换刀具所需的时间）和加工对加工换刀时间（从上一把刀加工结束到刀具交换后下一把刀进入加工所需的时间）。通常加工中心的技术参数中给出的换刀时间是刀对刀换刀时间（或称净换刀时间），目前最快为0.45s，一般为5s左右。换刀时间取决于换刀机构、刀柄规格（如小规格刀柄换刀速度快）、刀具重量（如刀具轻换刀速度快）、机床规格、机械手尺寸和惯量等。

第22页，共92页，2023年，2月20日，星期日加工中心的换料装置加工中心中最为常见的换料装置是托盘交换器，它不仅是加工系统与物流系统间的工件输送接口，也起物流系统工件缓冲站的作用。托盘交换器按其运动方式有回转式和往复式两种。托盘交换器在机床单机运行时是加工中心的一个辅件，但在CIMS的整体功能上，它完成或协助完成物料（工件）的装卸与交换，并起缓冲作用，因此从系统分析出发，又可把它划为物流系统。通常托盘交换器、刀库及换刀机械手都由加工设备数控系统的可编程序控制器控制，驱动源有液压、气压和电能。交换托盘、选刀和换刀应允许手动操作，以适应维修和调整用。

第23页，共92页，2023年，2月20日，星期日（4）．加工系统中的刀具与夹具

CIMS的加工系统要完成它的加工任务，必须配备相应的刀具、夹具和辅具。目前国内在设计CIMS和选择CIMS加工设备时，或者在介绍国外的制造水平时往往都强调系统功能和设备功能。而从国外众多使用CIMS的企业来看，他们更重视实用性，即机床和刀、夹、辅具的合理配合与有效利用，一般而言，一台加工中心要能充分发挥它的功能，所需刀、夹、辅具的价格近于或高于加工中心本身的价格。据国外资料统计，一台加工中心一年在刀具上消耗的资金约为购买一台新加工中心费用的2/3。第24页，共92页，2023年，2月20日，星期日（1）刀具系统从数控加工的立场看，刀具系统是数控加工中工具系统下的子系统，包括刀具配置、刀具准备及加工程序中的刀具管理等。而这里讲的刀具系统是指：“从以机床主轴孔连接的刀具柄部开始至切削刃部为止的，与切削有关的硬件总成”（这里所提及的工具系统、刀具系统及下面将提及的夹具系统，都是以机械制造工艺与设备的角度加以讨论）。选择刀具系统的内容是：根据工艺要求选择适当的刀具类型；根据刀具类型与使用机床的规格与性能决定刀具系统的组合与配置；根据被切削材料的材质、切削条件、加工要求等选用适宜的刃部。CIMS加工系统中所用的刀具，除满足一般的切削原理、切削性能、刀具结构等方面的要求之外，还应耐用度好；断屑与排屑可靠；在CIMS中的通用性、互换性和管理性好；能实现快速更换（如换刀片、刀头、刀具等）和线外预调。

第25页，共92页，2023年，2月20日，星期日刀具结构

金属切削刀具系统从其结构上可分为整体式与模块式两种。整体式刀具系统基本上由整体柄部和整体刃部（整体式刀具）两者组成，传统的钻头、铣刀、铰刀等就属于整体式刀具。整体式刀具由于不同品种和规格的刃部都必须和对应的柄部相连接，致使刀具的品种、规格繁多，给生产、使用和管理带来诸多不便，有些使用频率极低但又需用的刀具也不得不备置，这相当于闲置大量资金。为了克服整体式刀具系统的这些弱点，各国相继开发了各式各样的高性能模块式刀具系统。模块式刀具系统是把整体式刀具系统按功能进行分割，做成系列化的标准模块（如刀柄、刀杆、接长杆、接长套、刀夹、刀体、刀头、刀刃等），再根据需要快速地组装成不同用途的刀具，当某些模块损坏时可部分更换。这样既便于批量制造，降低成本，也便于减少用户的刀具储备，节省开支，因此模块式刀具系统在CIMS中倍受推崇。但另一方面模块式刀具系统也有刚性不如整体式好第26页，共92页，2023年，2月20日，星期日刀具选择倾向

CIMS加工系统刀具选择的另一倾向是，本来适合于大批量刚性生产线的组合刀具在集成制造中的使用量逐渐增多。这一方面是为了加快CIMS的生产节拍，提高效率。另一方面是由于刀具制造技术的进步和刀具性能的提高与价格的合理化。比如批量相对较大的产品，各产品中工艺、尺寸相同的加工部位等都可考虑使用或部分使用组合刀具。第27页，共92页，2023年，2月20日，星期日（2）夹具夹具系统机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。为此，它需要有定位、导向、夹紧、连接等功能。机床夹具按其使用范围可分为通用夹具（如三爪卡盘、平口台虎钳、回转工作台等）、专用夹具、可调整夹具、成组夹具、随行夹具（托盘及安装在其上的夹具）和组合夹具（也称模块化夹）。第28页，共92页，2023年，2月20日，星期日加工系统的夹具由于CIMS的加工过程是自动的，除对夹具的常规要求外，它的加工系统还要求夹具有统一的基准，以便依靠机床精度和数控程序自动保证工件的位置精度，同时还要求夹具的“敞开性”好，以便在一次安装中尽可能加工较多的面。在CIMS的加工系统中，通常对于不复杂的回转体类工件的夹具，可选用通用夹具，如高速动力卡盘等。对于箱体类工件，原则上当工件底面可定位时，可用压板、螺钉等将其直接安装在托盘上；当工件品种多、形状变化较大，或需在一个托盘上同时安装多个工件加工时，可选用组合夹具；当工件形状复杂、不易安装，且批量较大时，可考虑设计专用夹具。

第29页，共92页，2023年，2月20日，星期日(1)托盘

(1)托盘：它是CIMS加工系统中的重要配套件。对于箱体类工件，通常是在CIMS中用夹具将它安装在托盘上，进行存储、搬运、加工、清洗和检验等。因此在物料（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。对加工系统来说，工件被装夹在托盘上，由托盘交换器送给机床并自动在机床支承座上定位、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，故托盘连其安装在托盘上的夹具一起被称为随行夹具。加工系统对托盘的要求有：在加工设备、托盘交换器及其他存储设备中能够通用；机械结构合理，材料性能稳定，有足够的刚度，能在大切削力的作用下不变形或变形量微小，使用寿命长；工件在托盘上装夹方便，精度高；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；在加工循环中不需要人工的任何干预；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；定位、夹紧和排屑等不影响工件的精度和已加工完的工件表面质量；便于控制与管理，保证在安装工件、输送及加工中不混乱和不出差错。国际标准化组织已制定了托盘的标准ISO／DIS8526-1和ISO／DIS8526-2，规定了与工件安装直接有关的托盘顶面结构尺寸和与自动化运储有关的底面结构尺寸。托盘的公称尺寸是指安装工件的托盘顶面的宽度，其尺寸系列有8级。

第30页，共92页，2023年，2月20日，星期日2）组合夹具：它是由一套完全标准化的元件组合而成，能根据工件的加工要求，像搭积木似地利用各种不同元件，通过不同的拼装和连接，构成不同结构和用途的夹具。组合夹具的基本元件有八大类，即基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、合件及其他件。组合夹具的特点是：灵活多变，万能性强；可大大缩短生产准备周期；元件可重复使用，制造、管理方便，长期经济性好；易于实现计算机辅助工艺设计。目前使用的组合夹具有两种基本类型，即槽系组合夹具和孔系组合夹具。槽系组合夹具元件间靠键和槽定位，而孔系组合夹具则靠孔与销定位。由于孔系组合夹具与槽系组合夹具相比具有精度高、刚性好、易组装，可方便地提供数控编程原点（工件坐标系原点），在CIMS中得到广泛应用。

第31页，共92页，2023年，2月20日，星期日（5）．加工系统的监控CIMS加工系统的工作过程都是在无人操作和无人监视的环境下高速进行，为保证系统的正常运行。防止事故、保证产品质量，必须对系统工作状态进行监控。第32页，共92页，2023年，2月20日，星期日设备运行状态监控与检测技术

1）信号采集。利用各种检测传感器，其中包括信号基本转换、放大电路、运算电路、滤波电路以及采样电路等，采集能反应系统状态的各种信息。

2）特征分析。将采集到的信息进行处理和分析。这些信号处理与分析可以是独立的信号处理装置，也可以是系统监控计算机中的信号处理模块。

3）状态匹配和识别。其任务是把实时提取的特征量和特征模型与表征设备正常运行的值、值函数、正常状态模型进行比较与匹配运算、分析，根据结果做出运行状态判别决策和状态预报。

4）故障预测预报。如果匹配后做出异常预报，则需对异常状态特征进行分析、归类，借助于状态预诊断知识库和专家系统，做出设备状态的精确估计和预报。

5）预维修决策。根据故障预报结果，借助于维修知识库做出预维修决策并报告上级控制系统做出相应调度决策。

6）根据监控和检测的结果和决策结论，对系统做相应的调整。

第33页，共92页，2023年，2月20日，星期日加工过程监控

CIMS加工系统在切削加工过程中，对刀具切削状态提出了很高的要求，这是因为在切削加工过程中，刀具出现磨损、破损的频率最高，若不及时发现会导致一系列的加工故障，引起工件报废，甚至损坏机床或使整个CIMS不能正常运行。加工系统的刀具监控分加工前、加工中、加工后三个时间段。加工前和加工后的监控通常采用离线直接测量法。加工中的监控主要采用在线间接测量法，因而要求检测方法快速、准确、稳定、可靠。第34页，共92页，2023年，2月20日，星期日不同时间段的刀具监控方法加工前的监控:用攝像机测量刀具加工中的监控:声发射监测刀具磨损、力传感器监测刀具磨损加工后的监控:用攝像机测量刀具破损和切削缠结、间接用测量头测量工件第35页，共92页，2023年，2月20日，星期日刀具磨损的监测方法光学图像:分辨率为0.1～2μm，精度为1～5μm，正在进一步研究实用化，较贵。接触:灵敏度为10μm，提供直接评价，受切屑与切削温度变化影响，有应用前景。放射线法:灵敏度为10μm，不受切屑、切削液和切削温度影响，需进一步解决防护问题，有应用前景切削力(扭矩法):灵敏度为20～100μm

其中“比切削力法”与“功率谱分析法”有应用价值。第36页，共92页，2023年，2月20日，星期日刀具破损的监测方法光学图像：可提供直观图像，结果较精确，受切削条件影响，不易实现实时监视，正在进行实用化开发接触:简便，受切削温度、切削力和切屑变化影响，不能实时监视，尚待解决可靠性问题扭矩:成本低，易使用，已实用，对大钻头破损(折断)探测有效，灵敏度不高功率:成本低，易使用，灵敏度不高，有商品供应振动

:灵敏，有应用前途和工业使用潜力

声发射

:灵敏，实时，使用方便，成本适中，是最有希望的刀具破损探测方法，小量供应市场，有较广泛的工业应用潜力

第37页，共92页，2023年，2月20日，星期日2）物流子系统物流子系统，包括自动化仓库、中央刀具库、无人运输小车、输送带及搬运机器人等。自动化仓库包括平面仓库和立体仓库。物料自动搬运可以选用无人运输小车、搬运机器人或传送带等。无人运输小车可以有轨，也可以无轨。搬运机器人可自动进行上、下料操作，对以车削中心组成的CIMS常常由悬挂式机械手作为物料搬运工具。对于物流单向流动的CIMS，可选用传送带作为物料搬运系统。随行夹具及随行工作台系统，用于传送零件及定位夹紧的载体。第38页，共92页，2023年，2月20日，星期日3）控制与管理子系统它接收来自工厂或车间主计算机的指令并对整个

CIMS实行监控，实现单元层对上级(车间或其它)及下层(工作站层)的内部通信传递，对每一个标准的数控机床或制造单元的加工实行控制，对夹具及刀具等实行集中管理和控制，协调各控制装置之间的动作。另外，该子系统还要实现单元层信息流故障诊断与处理，实时动态监控系统状态变化。第39页，共92页，2023年，2月20日，星期日4、CIMS的构成

CIMS一般可以划分为如下四个功能子系统和两个支撑子系统：工程设计自动化子系统、管理信息子系统、制造自动化子系统、质量保证子系统以及计算机网络子系统和数据库子系统。

第40页，共92页，2023年，2月20日，星期日1）、四个功能子系统

1）管理信息子系统，以MRPII为核心，包括预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、人力资源的管理信息功能。

2）产品设计与制造工程自动化子系统，通过计算机来辅助产品设计、制造准备以及产品测试，即AD/CAPP/CAM阶段。

3）制造自动化或柔性制造子系统，是CIMS信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地，由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输

小车、立体仓库、多级分布式控制计算机等设备及相应的支持软件组成。根据产品工程技术信息、车间层加工指令，完成对零件毛坯的作业调度及制造。

4）质量保证子系统，包括质量决策、质量检测、产品数据的采集、质量评价、生产加工过程中的质量控制与跟踪功能。系统保证从产品设计、产品制造、产品检测到售后服务全过程的质量。

第41页，共92页，2023年，2月20日，星期日2）、两个辅助支撑子系统

1）计算机网络子系统，即企业内部的局域网，支持CIMS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络的互联。系

统满足不同子系统对网络服务提出的不同需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库和适时控制。

2）数据库子系统，支持CIMS各子系统的数据共享和信息集成，覆盖了企业全部数据信息，在逻辑上是统一的，在物理上是分布式的数据管理系统。

第42页，共92页，2023年，2月20日，星期日5.计算机集成制造技术及其发展趋势以信息技术的发展为支持，以满足制造业市场需求和增强企业竞争力为目的，计算机集成制造技术未来将突出以下八个方面的发展趋势。

1．“数”是发展的核心

2．“精”是发展的关键

3．“极”是发展的焦点

4．“自”是发展的条件

5．“集”是发展的方法

6．“网”是发展的道路

7．“智”是发展的前景

8．“绿”是发展的必然

第43页，共92页，2023年，2月20日，星期日1．“数”是发展的核心“数”是指制造领域的数字化。它包括以设计为中心的数字制造、以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。对数字化制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。

第44页，共92页，2023年，2月20日，星期日未来世界，“数字化”将势不可当。“数字化”不仅是“信息化”发展的核心，而且也是先进制造技术发展的核心。信息的“数字化”处理同“模拟化”处理相比，有着3个不可比拟的优点：信息精确，信息安全，信息容量大。

数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。它包含了三大部分：以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。第45页，共92页，2023年，2月20日，星期日对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。对制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式，通过网络，在企业内传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真，或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户化要求。

第46页，共92页，2023年，2月20日，星期日对全球制造业而言，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络，根据需求，应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计与制造出相应的产品。这样，在数字制造环境下，在广泛领域乃至跨地区、跨国界形成一个数字化组成的网，企业、车间、设备、员工、经销商乃至有关市场均可成为网上的一个“结点”，在研究、设计、制造、销售、服务的过程中，彼此交互，围绕产品所赋予的数字信息，成为驱动制造业活动的最活跃的因素。

第47页，共92页，2023年，2月20日，星期日

2．“精”是发展的关键

“精”是指加工精度及其发展。20世纪初，超精密加工的误差是10微米：70--80年代为0.01微米：现在仅为0.001微米，即1纳米。至于微电子芯片的制造，有所谓的“三超”：①超净，加工车间尘埃颗粒直径小于1微米，颗粒数少于每立方英尺0.1个；②超纯，芯片材料有害杂质其含量要小于十亿分之一；③超精，加工精度达纳米级。显然，没有先进制造技术，就没有先进电子技术装备；当然，没有先进电子技术与信息技术，也就没有先进制造装备。先进制造技术与先进信息技术是相互渗透、相互支持、紧密结合的。

第48页，共92页，2023年，2月20日，星期日3．“极”是发展的焦点

“极”就是极端条件，是指生产特需产品的制造技术，必须达到“极”的要求。例如，能在高温、高压、高湿、强冲击、强磁场、强腐蚀等条件下工作，或有高硬度、大弹性等特点，或极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的产品等，都属于特需产品。“微机电系统”就是其中之一。可用于分子存储器、原子存储器、芯片加工设备；生命领域中，用于克隆技术、基因操作系统、蛋白质追踪系统、小生理器官处理技术、分子组件装配技术等：“微机电系统”可以完成特种动作与实现特种功能，乃至可以沟通微观世界与宏观世界，其深远意义难以估量。

第49页，共92页，2023年，2月20日，星期日

4．“自”是发展的条件

“自”就是自动化。

它是减轻、强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段,自动化总是伴随有关机械或工具来实现的。机械是一切技术的载体，也是自动化技术的载体。第一次工业革命，以机械化这种形式的自动化来减轻、延伸或取代人的有关体力劳动，第二次工业革命即电气化进一步促进了自动化的发展。信息化、计算机化与网络化，不但可以极大地解放人的身体，而且可以有效提高人的脑力劳动水平，今天的自动化的内涵与水平已远非昔比，从控制理论、控制技术到控制系统、控制元件等等，都有着极大的发展。自动化已成为先进制造技术发展的前提条件。

第50页，共92页，2023年，2月20日，星期日“自动化”从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平；而且今天自动控制的内涵与水平已远非昔比，从控制理论、控制技术、控制系统、控制元件，都有着极大的发展。制造业发展的自动化不但极大地解放了人的体力劳动，而且更为关键的是有效地提高了脑力劳动，解放了人的部分的脑力劳动。因此，自动化将是现代集成制造技术发展的前提条件。第51页，共92页，2023年，2月20日，星期日

5．“集”是发展的方法

“集”就是集成化，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术与管理的集成；其本质是知识的集成，亦即知识表现形式的集成。现代集成制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。“集成”就是“交叉”，就是“杂交”，就是取人之长，补己之短。①现代技术的集成：机电一体化是个典型，它是高技术装备的基础。如微电子制造装备，信息化、网络化产品及配套设备，仪器、仪表、医疗、生物、环保等高技术设备。②加工技术的集成。特种加工技术及其装备是个典型。③企业集成，即管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成；包括生产过程的集成。全寿命周期过程的集成；也包括企业内部的集成，企业外部的集成。第52页，共92页，2023年，2月20日，星期日

6．“网”是发展的道路

“网”就是网络化。制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路。制造业在市场竞争中，面临多方的压力：市场需求不断变化，全球化所带来的冲击日益加强等等。企业要避免这一系列问题，就必须在生产组织上实行某种深刻的变革，抛弃传统的“小而全”与“大而全”的“夕阳技术”，把力量集中在自己最有竞争力的核心业务上。科学技术特别是计算机技术、网络技术的发展，使这种变革的需要成为可能。制造技术的网络化会导致一种新的制造模式，即虚拟制造组织，这是由地理上异地分布的、组织上平等独立的多个企业，在谈判协商的基础上，建立密切合作关系，形成动态的“虚拟企业”或动态的“企业联盟”。此时，各企业致力于自己的核心业务，实现优势互补，实现资源优化动态组合与共享。

第53页，共92页，2023年，2月20日，星期日7．“智”是发展的前景

“智”就是智能化。1、制造技术的智能化是制造技术发展的前景。2、制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，3、智能制造系统具有以下特点：①人机一体化；②自律能力强；③自组织与超柔性；④学习能力与自我维护能力；⑤在未来，具有更高级的类人思维的能力。第54页，共92页，2023年，2月20日，星期日制造技术的智能化突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。目前，尽管智能化制造道路还很漫长，但是必将成为未来制造业的主要生产模式之一。第55页，共92页，2023年，2月20日，星期日8．“绿”是发展的必然“绿”就是“绿色”制造，人类必须从各方面促使自身的发展与自然界和谐一致，制造技术也不例外。不仅要保护与改善自然环境，还要保护与改善社会环境、生产环境以及生产者的身心健康。作为“绿色”制造，产品必须力求同用户的工作、生活环境相适应，给人以高尚的精神享受，体现物质文明与精神文明的高度交融。因此，发展与采用一项新技术时，必须树立科学的发展观，使制造业不断迈向“绿色”制造。

第56页，共92页，2023年，2月20日，星期日制造业的产品从构思开始，到设计阶段、制造阶段、销售阶段、使用与维修阶段，直到回收阶段、再制造各阶段，都必须充分计及环境保护。所谓环境保护是广义的，不仅要保护自然环境，还要保护社会环境、生产环境，还要保护生产者的身心健康。在此前提与内涵下，还必须制造出价廉、物美、供货期短、售后服务好的产品。作为“绿色”制造，产品还必须在一定程度上是艺术品，以与用户的生产、工作、生活环境相适应，给人以高尚的精神享受，体现着物质文明、精神文明与环境文明的高度交融。每发展与采用一项新技术时，应站在哲学高度，慎思“塞翁得马，安知非祸”，即必须充分考虑可持续发展，计及环境文明。制造必然要走向“绿色”制造。第57页，共92页，2023年，2月20日，星期日小结上面所讲的数、精、极、自、集、网、智、绿这八个方面，彼此渗透，相互依赖，相互促进，形成一个整体。同时，八个方面一定要扎根在“机械”和“制造”这个基础上，也就是说，要研究与发展“机械”本身与“制造”本身的理论与机理，八个方面的技术要以此理论与机理为基础来研究、开发、发展，要与此基础相辅相成，最终服务于制造业的发展。

第58页，共92页，2023年，2月20日，星期日二、数控技术

1.数控技术概论

2.数控技术的发展趋势

3.对我国数控技术及其产业发展的基本估计

第59页，共92页，2023年，2月20日，星期日1.数控技术概论数控技术的创立给机械制造业带来了革命性的变化。计算机技术与工程技术相结合是现代科技发展的一个重要方面。数控技术集传统的机、电、液、自控、计算机技术等于一体，是现代先进制造技术的基础和核心。数控技术把传统制造业推进到了信息化制造时代，是现代工业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域。

第60页，共92页，2023年，2月20日，星期日2.数控技术的发展趋势

1).高速度、高精度化

2).多功能化3).智能化4).编程自动化5).可靠性最大化6).控制系统小型化7).开放式第61页，共92页，2023年，2月20日，星期日1)高速度、高精度加工效率、质量是先进制造技术的主体。高速度、高精度加工技术可极大地提高效率。高速加工中心进给速度可达80m/min，空运行速度可达100m/min左右，主轴转速已达60000r/min。普通级数控机床的加工精度已提高到1～1.5μm，MTBF值已达6000h以上。

第62页，共92页，2023年，2月20日，星期日2).多功能化

配有自动换刀机构的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工。采用多主轴、多面体切削，可同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工,采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅粗糙度低，而且效率也大幅度提高。可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。第63页，共92页，2023年，2月20日，星期日3).智能化

自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，工艺参数自动生成；从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。第64页，共92页，2023年，2月20日，星期日4).编程自动化

利用CAD绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD／CAPP／CAM集成的全自动编程方式，它与CAD／CAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。第65页，共92页，2023年，2月20日，星期日5).可靠性最大化

数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。

第66页，共92页，2023年，2月20日，星期日6.控制系统小型化

数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体.。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。第67页，共92页，2023年，2月20日，星期日

7).开放式新一代数控机床的控制系统是一种开放式、模块化的体系结构，其特点是：在实现系统构成要素模块化的同时，要通过这些要素之间的标准化，能够将由不同买方提供的要素自由地结合起来，从而能方便地构成完整的系统。具体如下：结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求的控制系统，同时各模块之间的接口必须是标准化的；可明显缩短新产品的研制开发周期；操作简单，在计算机上经简单编程即可实现运动控制，而不需要专门的数控软件。通用性好，将计算机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好。可扩展性好，可通过预留插入用户专用软件的接口的方式或提供用户编程规范，供用户编制自己的专用模块的方式，简便地实现系统的扩展。第68页，共92页，2023年，2月20日，星期日关于数控标准

数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。

STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。第69页，共92页，2023年，2月20日，星期日三、敏捷制造

1.敏捷制造概念

２.实现敏捷制造的关键技术

3.企业迎接敏捷制造的对策要求

第70页，共92页，2023年，2月20日，星期日1、敏捷制造的涵义敏捷制造作为一种现代生产管理模式，是一种以柔性生产技术和动态组织为特点，以高素质与协同良好的工作人员为核心，采用企业间网络技术从而形成快速适应市场的社会化制造体系。通过将高素质的员工、动态灵活的虚拟组织机构或动态联盟、先进的柔性生产技术进行全面集成，使企业能对持续变化、不可预测的市场需求作出快速反应。强调人、组织、管理、技术的高度集成，强调企业面向市场的敏捷性。敏捷性是核心,它是企业在不断变化、不可预测的经营环境中善于应变的能力,是企业在市场中生存和领先能力的综合表现,具体表现在产品的需求、设计和制造上具有敏捷性。

第71页，共92页，2023年，2月20日，星期日1)、产品的敏捷需求

制造业电子商务化的发展推动了用户需求的个性化,它要求制造系统能敏捷地适应这种变化,具体表现在企业实施敏捷制造需要具备BtoB(BusinesstoBusiness)形式的网络信息结构。针对这一目标,结合商务通讯标准,对不同种类的分布式应用系统加以拓宽并应用,一种面向信息流的制造系统设计方法,从个性化领域来实施制造系统的自适应过程,并开发了一种个性化信息选择工具,以对各种数据进行处理和选择。第72页，共92页，2023年，2月20日，星期日2）、产品的敏捷设计

产品的个性化需求促使敏捷制造的进一步发展。适应这一需求，开发了一种面向敏捷制造企业的开放式协同设计环境,提出产品开发的一种框架模型。该模型把产品及其特征信息置于数据库内并允许通过浏览器来访问这些信息,以满足用户在远程异地下对产品的了解需求。敏捷制造环境下快速设计评估的一种变量方法,它基于模型产生产品设计方案的成组技术编码和产品制造信息,包括制造过程、生产时间、成本和质量等,并以此为反馈信息在产品设计初期对设计结果进行评估和改善。第73页，共92页，2023年，2月20日，星期日3）、产品的敏捷制造敏捷制造的实施在很大程度上取决于企业联盟所获得信息的可靠性、企业联盟本身及再利用这些信息的能力。因此,敏捷制造企业的运作过程需要具有众多信息集成技术的支撑。通过对需求信息的迅速反应来改善制造系统的敏捷性。为动态响应市场并满足用户需求,缩短产品上市时间,基于知识和信息网络在制造企业之间实施敏捷制造。系统由符合商业过程的信息流和数据库组成,包括商业活动建模、活动连接规则以及活动信息的构成、转化、储存和流动。并依据网络信息确定制造什么、制造时间、制造质量。当产品制造同时涉及许多产品类型、设备、市场和企业时,制造系统将变得非常复杂,有效运作这种复杂制造系统的措施之一是采用基于知识和信息网络的制造技术第74页，共92页，2023年，2月20日，星期日2、敏捷制造的优点1）敏捷制造对市场需求反应敏捷。

2）敏捷制造是高度柔性化、无库存的生产组织方式，是以动态联盟为基础的生产组织模式,是以任务为中心的一种动态、松散组合。3）产品服务可以全程面向用户。4）敏捷制造可以达到充分的资源共享。5）敏捷制造可以充分调动和发挥“人”的作用。强调用分散决策代替集中控制，用对话沟通机制代替递阶控制机制。

第75页，共92页，2023年，2月20日，星期日3、敏捷制造的作用

1）可以解决企业人才匮乏的问题。利用企业内外部信息、知识的网络化共享，可以消除企业部门、等级间的信息障碍，实现优势互补、合作，弥补知识资源和人力资源的匮乏。2）可以解决企业资金短缺的问题。可以实现互利合作，降低新产品开发的成本和风险，缩短产品开发周期，解决企业资金缺乏的“通症”。3）可以解决企业管理水平落后的问题。通过对企业进行的一系列敏捷化改造，有利于企业的组织创新和管理创新，实现科学化管理。

第76页，共92页，2023年，2月20日，星期日续敏捷制造的基本特征是智能化和敏捷性。智能化是指在组织和实施制造活动的过程中,利用人的智能、知识、经验和包括技艺在内的能力,同时也利用人工智能。敏捷性是指对市场需求的响应灵活而快捷。制造业的敏捷性趋势将会使不同的企业为了相同的目的进行联系,以组成基于网络的动态联盟。制造业的智能化将促使企业更好地利用人类的知识资源,基于知识对市场作出有效响应。对市场的敏捷和有效响应要求企业实施基于知识和信息网络的敏捷制造,特别是应用可视化技术的敏捷制造,它将分散的资源快速联结起来,使企业不计地域和时差的限制,在可视化技术支撑下运作产品的设计、制造和营销业务。第77页，共92页，2023年，2月20日，星期日续为迎合市场需求,产品生产已从大批量生产的效率向客户快速提供定制产品的大规模定制方式转变。对客户而言,所得到的产品是定制的、个性化的;对生产厂家而言,该产品是采用大批量生产方式制造的。目前,这种既能满足客户个性化需求而又不牺牲企业效益的新的生产方式在国外得到了较快的发展,并作为敏捷制造的一种有益补充逐渐被企业所采纳。这就是基于Internet的设计和制造辅助系统来迅速实施用户定制要求下的产品设计和制造过程，而市场的动态变化和个性化需求,促使基于Internet的敏捷制造的进一步发展并大大提高了企业的敏捷性。第78页，共92页，2023年，2月20日，星期日4.实现敏捷制造的关键技术

1)

基础技术——CIM技术

2)

环境技术——网络技术

3)统一技术——标准化技术

4)虚拟技术——模型和仿真技术5)协同技术——并行工程技术6)

过程技术——工作流管理技术

第79页，共92页，2023年，2月20日，星期日1)

基础技术——CIM技术计算机集成制造技术是一种组织、管理与运行企业生产的技术。它借助于计算机软硬件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术等，将企业生产全过程中有关人、技术、经营管理三要素及信息流、物料流有机地集成并优化运行，它为实现敏捷制造的集成环境打下了坚实的基础，是敏捷制造的基础技术。第80页，共92