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1、机械制造自动化,主要内容,2.1 制造业现状,2.2成组技术,2.3计算机辅助工艺规程设计,2.4柔性制造系统,2.1.1现代制造企业环境的变化,大市场和大竞争； 产品生命周期缩短； 交货期成为主要竞争因素； 用户需求个性化,多品种小批量生产比例增大。,2.1 制造业现状,2.1.2 发达国家的制造业发展迅速,例：波音777的设计和制造是20世纪90年代制造业的标志性进展 全数字化定义无纸生产； 数字化预装配无金属样机的生产(虚拟) 广域网上的异地设计、异地制造； 基于的数据交换； 协同工作小组（Team work) 238 设计制造周期大大缩短： 波音757,767 9-10年 波音77缩短

2、到4.5年，并获得巨大的独占性利润，每架波音777要价1.4亿美元。,信息时代造成了跨国公司的垄断性,跨国公司的生产总值占工业化国家生产总值的 40%； 跨国公司的贸易额占世界贸易总值的 50%； 跨国公司的工业研制费占世界总值的 80%； 跨国公司操纵了世界技术转让的 75%； 跨国公司操纵了对发展中国家技术贸易的 90%；,90年代国际水平的占30% 80年代国际水平的占40%,2000多种主导产品的平均生命周期为10.5年是美国产品3.5倍,美国新产品贡献率已达到生产总值的52%我国仅为5.9%,我国的技术来源主要依赖国外技术，企业技术创新能力低下,我国机械工业主导产品,2.1.3 我国

3、制造业的严峻形势,2.2成组技术,批量法则 在大批量生产中，由于采用专用、高效和自动化的生产设备，可以获得高的生产率，低的生产成本，短的生产周期；而多品种、小批量生产则相反。 机床利用率 例：CA6140 车床，最大加工直径400 ，实际加工 90 以上工件直径不足 100mm，机床利用率极低。 制造周期 在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约5，其余 95均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间不足30% 。,1、GT定义,成组技术的概念：充分利用事物间的相似性，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去解决相似组中的生产技术问题，以达到规模生产的效果，这种

4、技术统称为成组技术。,GT 被认为是一种“制造哲理”（Manufacturing Philosophy），是现代制造技术的一个重要理论基础。,2.2.1 成组技术的基本概念,将多种零件按其相似性分类成组，人为扩大生产批量,重复使用原则： 资源重复使用，降低生产成本； 作业熟练程度增加，提高生产率。,2、GT工作原理,2.2.2 零件的分类编码,1.零件编码： 用数字表示零件的形状特征和工艺特征。在实施成组技术的过程中，必须首先建立相应的零件分类编码系统，然后应用这个编码系统使零件的有关信息代码化，据此对零件进行分类分组，以便进一步以成组的方式组织生产。,零件分类之前与分类之后,图 2-3,2.

5、分类编码系统： 德Opitz、日KK、美Code、英Brisch 等70多种 我国机械零件分类编码系统 简称JLBM1系统,系统组成： 三部分：名称类别、形状及加工码、辅助码 15个码位：第一位总体形状，第二位功能与形状，第三 到九位形状与加工特征，十到十五位材料毛坯主要尺寸等,图 2-4,图 2-5,2.2.3成组工艺规程设计,1、划分零件组 对零件编码后根据相似性划分零件加工组，方法有三种： （1）特征码位法 选几位与加工特征直接有关的特征码为形成零件组依据， 只要这些码位相同，零件即可划为一组，不管其它码位,（2) 码域法 对各码位制定分组的码域，即码位限制几个数字项，凡 各码位上的特征

6、码落在规定码域内的零件划为同一组。,（3)特征位码域法 将特征码位与码域法相结合的分组方法。选取特征性强的 码位并规定允许的变化范围（码域）, 作为分组的依据。,2、主样件设计 能集中反映组内所有零件的结构特征和工艺特征的零件 称为主样件。它可以是真实零件也可是综合的假想零件。,3、拟订零件组工艺过程 （1）复合零件法 按照零件组中的复合零件来设计工艺规程的方法称为复合零件法，或样件法。所谓复合零件是拥有同组零件的全部待加工表面要素的一个零件。 仅适用于回转体零件。,表 2-1,表 2-2,图 2-3,制订主样件的工艺过程，作为该零件组的工艺过程，可加工组内每一个零件。成组工艺路线常用图表格式

7、表示，下图是六个零件组成的零件组的“综合零件”及其成组工艺过程卡的示意图。,表 2-4,（2）复合路线法 一般适用于非回转类零件。复合路线法是在零件分类成组的基础上，把同组零件的工艺路线作一比较，以组内最复杂零件的工艺路线为基础，然后将此路线与组内其它零件的工艺路线相比较，凡组内其它零件需要而作为代表的工艺路线中没有的工序，一一添上，最终形成一个能满足全组零件要求的成组工艺。,图 2-5,Computer Aided Process Planning 是利用计算机协助工艺人员进行过程设计的技术，是把对产品本身进行定义的数据转换成面向制造的数据的关键环节。,2.3.1 CAPP设计方法,1.样件

8、法 采用成组技术按主样件设计典型工艺规程存贮计算机中。输入新零件编码及要求，检索出相应的工艺规程并进行编 辑修改，最后输出该零件的工艺规程。,2.3 计算机辅助工艺规程设计（CAPP）,图 2-6,3.专家系统 把工艺专家编制工艺的经验和知识存在知识库中，可 较方便地通过专用模块进行增删和修改。,2.创成法 输入零件图形和工艺信息后，计算机便按照工艺决策 制定的逻辑算法语言，在不需人工干预条件下自动生成 工艺规程。 自动化程度高，但系统复杂，技术上尚不成熟。,1、工艺信息数字化 （1）零件编码矩阵化 零件编码矩阵，即一维数组二维数组,（2）零件组特征的矩阵化 同组所有零件的特征矩阵叠加起来得零

9、件组特征矩阵,（3）主样件设计 特征矩阵图中交点上出现“1”与“0”的频数各不相同， 频数大的特征须反映到主样件中，频数小的特征可舍去,2.3.2 样件法CAPP设计原理,（6）综合加工工艺路线的数字化 用一（N4）矩阵来表示零件加工工艺路线,（5）工序工步名称编码 编码以工步为单位，热处理、检验以及装夹、调头等操作也当作一个工步编码, 使计算机能按预定方法调出。,（4）零件上各种形面的数字化 编码只表示零件结构、工艺特征，没有提供零件表面 信息，还必须对零件表面逐一编码。,（7）工序工步内容矩阵 以工步为单位，一个工步占一行，共9列，描述工步序号，名称编码，机床和刀具编码，进给量和背吃刀量值

10、，计算切削数据和基本时间的公式编码，该工步所属工序编码。,工艺信息经过数字化后形成了大量数据，按一定的工艺 文件形式集合起来，存储在计算机内，形成数据库以备检索和调用。数据文件的格式主要有零件编码特征矩阵文件、样件工艺文件，工艺数据文件等。,输入零件特征矩阵查找该零件所属零件组调出相应的综合工艺路线矩阵输入形面编码及技术要求选取零件加工工序及编码得加工工艺路线调出工序及工步内容查找该工步机床刀具名称和型号计算切削用量、切削力、功率和基本时间等。计算机将每次查到的工步内容都存入存储区内，最后形成一份完整的加工工艺规程打印出来。,3、CAPP设计过程,2、CAPP系统数据库,图 2-7,图 2-8

11、,表 2-6,2.4.1 FMS的产生与发展 1、FMS的产生 市场的发展变化促使传统生产方式变革 20世纪初，大批量、少品种 刚性自动线,2.4 柔性制造系统（FMS),图 2-9 加工箱体类零件的组合机床自动化线,刚性自动线特点： 设备和加工工艺固定,不灵活,只能加工一个零件, 或几个相互类似的零件,即具有刚性。,图2-10 组合机床自动线,20世纪60、70年代，多品种、中小批量 柔性制造系统(FMS)产生,（1983年）,2、 FMS的发展历史 刚性自动线改造柔性差,适合大批量少品种生产 , 生产效率高。改造费时费力费钱。 数控机床(50年代NC,70年代CNC) 柔性好,只适合小批

12、量多品种生产,生产率低.,数控机床,自动线与数控机床的特点结合FMS FMS的一般定义: 1) 是一个计算机控制的生产系统; 2) 系统采用半独立的数控机床; 3) 这些机床通过物料输送系统联成一体.,柔性制造系统(FMS),最早的FMS: Molins System (20世纪60年代,英国Molins公司, David Williamsm) * 计算机控制整个系统,可加工一系列 不同的零件 * 类似加工中心的数控机床 * 自动为机床提供工件和工艺装备 * 每天工作24小时(中班和晚班的16小 时内进行无人化加工),Molins System ,其它早期的FMS: 60年代后期70年代初期,

13、德国、日本、前苏 联 、美国、意大 利等相继开发了本国的第一代FMS. Allis chalmers 系统(二十世纪六十年代后期，美国) * 6台加工中心,4台双分度头机床 * 自动牵引车工件搬运系统,Allis chalmers 系统平面布置,Allis chalmers 系统自动牵引车,Fanuc Hino 系统 * 8台数控车床 (二十世纪七十年代初期，日本) * 每台车床旁均有一个装有工件的圆盘传送带式供料器 * 机器人在圆盘供料器和车床之间,以及车床与车床之间 传送工件,Fanuc Hino系统平面布置,Fanuc Hino系统供料器及机床,70年代缓慢发展(初期未受到充分重视) 8

14、0年代迅速发展(由于显著的经济效益,各国相继 投入大量资金,竟相开发FMS),FMS的发展过程,1、FMS的基本组成,2.4.2 FMS的组成与功能,（1）加工系统 （2）物料储运系统 （3）计算机控制系统,（1）加工系统： FMS的主体部分，用于加工产品零件。 * 加工单元: 有自动换刀及换工件功能的 数控机床、加工中心。,* 加 工 单 元 机 床 配 置,CNC加工中心+CNC车削中心,CNC加工中心,CNC车削中心、 CNC磨床,专用CNC机床,（2）物料储运系统 实施对毛坯、工件、夹具、刀具等的存储、 运输、交换工作。 * 工件储运系统： a.毛坯、半成品、夹具组件的存储仓库及缓冲存储站,b.工件托盘运输小车，输送带输送装置,c.托盘交换器，上料机器人等交换装置,d.工件、夹具装卸站,* 刀具运送系统：,a.刀具存储库,b.交换刀具装置,交 换 刀 具 装 置,c.刀具刃磨、组装及预调工作站,（3）计算机控制系统 由管理FMS的信息、控制FMS各设备协调一致工作的计算机网络系统和FMS管理与控制软件构成。,FMS的基本结构,* FMS的辅助设备： 在线测量装置、清理装置、切屑处理装置等,* FMS实例：,美国麦道公司的FMS：,2、FMS的主要功能 1. 自动进行零件的批量生产 (数控机床承担自动制造任务)； 2. 简单地改变软件,便能制造出某一零件族中的