自動化制造系統主講:馬有良聯系郵箱：mayouliang@聯系電話南科技大學機電專業系列課程一、基本情況教材：辛宗生主編《自動化制造系統》北京大學出版社參考教材：張根寶.自動化制造系統.機械工業出版社

全燕鳴.機械制造自動化.華南理工大學出版社課程總學時數為48學時。其中實踐16學時。

課程內容介紹第9章微型計算機控制系統設計二：授課大綱第1章：自動化制造系統概述簡要的介紹自動化制造系統的基本概念、定義、組成、分類、特點及適用范圍。共2次課，用4學時。

第2章：加工設備自動化介紹加工設備自動化的意義及分類，單機自動化的方案、主要自動化加工設備。共4次課，用8學時。

第9章微型計算機控制系統設計第3章：制造系統物料儲運自動化主要學習物料儲運自動化的概念，自動化物料儲運系統的組成和分類，了解自動化輸送系統、剛性和柔性物料儲運系統。

共4次課用8學時。第4章：加工刀具自動化學習自動化機床的刀具和輔助工具，自動化換刀裝置和排屑自動化。共2次課，用4學時。二：授課大綱第9章微型計算機控制系統設計二：授課大綱第5章：制造系統檢測過程自動化在本章中，了解自動化檢測的目的和意義，工件尺寸、刀具狀態、自動化加工過程的檢測方法與裝置。

共1次課，用2學時。

第6章：產品裝配過程自動化分析自動裝配工藝過程，熟悉自動裝配機、自動裝配線及其相關知識。

共0.5次課，用1學時。第9章微型計算機控制系統設計二：授課大綱第7章：自動化制造的控制系統介紹機械制造自動化控制系統的種類及工作原理。

共0.5次課，用1學時。

第8章：自動化制造系統的總體設計從總體角度介紹自動化制造系統的總體設計步驟及內容。

共1次課，用2學時。第9章微型計算機控制系統設計第9章：計算機仿真及優化

主要介紹自動化制造系統仿真的概念和方法，仿真的理論、內容及主要仿真軟件。

共0.5次課，用1學時。第10章：制造系統設計自動化第11章：制造系統工藝自動化共0.5次課，用1學時。

理論課程用時32學時。二：授課大綱第9章微型計算機控制系統設計實踐教學布置

主要介紹實踐教學的內容及要求。

用1學時。CAXA軟件系統介紹及練習用時11學時實踐上機考試用時4學時

實踐環節共16學時。全部用時48學時。二：授課大綱第9章微型計算機控制系統設計三：本課程的課程的性質和目的《自動化制造系統》是“機械工程及自動化”本科專業的一門重要的專業課,是一門綜合性課程，計劃學時為48學時。課程性質課程的主要目的從工程應用角度幫助學生了解和掌握自動化制造系統的基本概念、系統構成、設計方法、發展動態等，以及自動化制造設備的結構原理、控制方法和應用特點等。本課程內容:課程系統地介紹了自動化制造系統的基本知識，自動化制造系統的規劃、設計、分析及其運行的基本理論和方法。自動化制造系統的各分系統分析和設計（包括加工系統、工件儲運系統、刀具準備及儲運系統、控制系統及檢測與監控系統），自動化制造系統的計算機仿真及優化等。通過本課程的學習，擴展和拓寬學生在自動化加工系統方面的知識，使學生系統地掌握有關機械制造自動化技術方面的基本原理，了解機械制造中各主要單元和系統的自動化方法以及各種自動化裝置的結構原理和特點，并提高其應用管理能力，為進一步的課程學習和今后從事專業技術工作奠定良好的基礎。課程宗旨通過本課程的學習，學生應該掌握的基本理論有：

了解機械制造自動化的基本概念、類型、控制方式及發展與應用。掌握加工設備自動化的特點及分類，以及兩種典型的加工過程自動化方法：單機工作自動化和加工自動線。掌握物流供輸系統的功能及組成；介紹不同類型的物流供輸系統的組成及特點。掌握刀具自動化的特點以及各種排屑、換刀自動化裝置。教學目的及要求通過本課程的學習，學生應該掌握的基本理論有：

了解制造過程中運用的各種檢測技術。掌握自動裝配系統的組成以及自動裝配工藝過程的分析。了解工業機器人的構成及相關控制技術。了解集成制造系統的概念，柔性制造系統、計算機集成制造系統以及其他一些先進制造技術的結構及特點。教學目的及要求學生應掌握的基本技能有：具備根據具體加工條件及應用范圍合理選擇自動化加工設備的能力。具備根據具體加工條件確定物流供輸系統結構的能力。具備正確制訂自動裝配工藝過程的能力。通過本課程的學習，學生還應了解機械制造自動化技術的最新成就和發展趨勢。期末考試70％作業、上機練習30％學習方式課堂講授——50%自學——

課程內容20％自學實踐環節——

作業、上機練習30％考核方法自動化制造系統的基本概念自動化制造系統的基本內容自動化制造系統的定義自動化制造系統的組成自動化制造系統的分類及特點第1章自動化制造系統概述§1.1自動化制造系統的基本概念1、什么是系統？系統是指由相互聯系、相互作用的若干元素構成的具有特定功能的有機整體。系統的特征：是系統的共性，作為一個系統，一般具有五個特征。目的性、整體性、相關性、層次性、環境適應性2、什么是制造？制造是一個涉及制造工業中產品設計、物料選擇、生產計劃、生產過程、質量保證、經營管理、市場銷售和服務的一系列相關活動和工作的總稱。有狹義和廣義。

狹義：加工及物料儲運、質量控制、裝配過程等。廣義：產品設計、工藝設計、生產準備、市場調研、市場營銷、服務、回收處理等。其它環節制造－－目前對制造有兩種理解：一個是指產品的“制作過程”或稱為“小制造概念”，如機械加工過程；另一個是廣義制造概念，包括產品整個生命周期過程，又稱為“大制造概念”。實際應用中，兩者皆在使用，其概念范圍視具體情況而定。木材旋切生產流水線制造業○是指對制造資源（物料、能源、設備、工具、資金、技術、信息和人力等），按照市場要求，通過制造過程，轉化為可供人們使用和利用的工業品與生活消費品的行業。制造規模○大規模制造、大批量制造、多品種小批量制造。美國將機械、電子、輕工、紡織、冶金、化工等行業列為制造業。富士康ipad生產流水線3、什么是制造系統？制造系統是人、機器和裝備以及物料流和信息流的一個組合體。廣義上制造系統可從三個方面來定義。1、制造系統的結構方面：制造系統是一個包括人員、生產設施、物料加工設備和其他附屬裝置等各種硬件的統一整體；2、制造系統的轉變方面：制造系統可定義為生產要素的轉變過程，特別是將原材料以最大生產率變成為產品；3、制造系統的過程方面：制造系統可定義為生產的運行過程，包括計劃、實施和控制。狹義上制造系統是指產品加工和裝配相關的機械制造系統。制造系統的概念模型由資源輸入、輸出、轉換、控制和約束五大因素。核心功能既是資源轉換，為社會創造財富。

制造系統的基本模型制造系統結構制造系統功能結構經營管理信息流生產管理信息流技術信息流物質流用戶、市場與外部環境經營管理市場與銷售研究與開發資源管理財務生產管理工程設計采購車間制造（加工、裝配、檢驗、輸送、存儲…

）質量控制制造系統特性軟件硬件

制造系統結構特性

結構特性

制造系統可視為若干硬件的集合體。為使硬件充分發揮效能，必須有軟件支持。

轉變特性主要從技術角度出發，如何使轉變過程更有效進行。獲取階段轉變階段分配階段制造系統的物質流原材料供應者原材料庫存零件加工零件庫存裝配成品庫存最終用戶汽車生產物流示意圖需求訂貨信息生產計劃信息進度計劃信息作業計劃信息生產結果數據生產控制信息生產技術信息產品設計信息綜合生產計劃生產進度計劃作業計劃生產實施生產控制產品設計工藝過程計劃工藝過程信息計劃階段實施階段控制階段圖1-6制造系統的程序特性程序特性

程序

——

一系列按時間和邏輯安排的步驟

制造系統可視為生產離散型產品的工作程序研究制造系統程序特性，主要從管理角度出發如何使生產活動達到最佳化。制造系統的物質流與信息流（五流理論）誤差流物流資金流規劃控制需求信息流實施（車間或現場）原材料產品與服務能源能量流

制造系統的五種流制造系統的分類對制造系統的研究可以從不同的角度進行。從人在系統中的作用、零件品種和批量、零件及其工藝類型、系統的柔性、系統的自動化程度及系統的智能程度等方面對制造系統進行分類。見書上P10，圖1-4制造系統的分類4、自動化的含義機械化——執行制造過程的基本體力勞動是由機器（機械）代替人力勞動來完成時稱之為機械化。自動走刀代替手動走刀—走刀機械化輸送機代替人工搬運工件—是工件輸送機械化；氣動夾緊工件代替手動夾緊工件—工件夾緊機械化。

太陽能電池板1太陽能電池板2最初“自動化(Automation)”是美國人D.S.Harder于1936年提出的。當時他在通用汽車公司工作，他認為在一個生產過程中，機器之間的零件轉移不用人去搬運就是"自動化"。這是早期制造自動化的概念。自動化——機器代替人完成基本勞動的同時，若人對機器的操縱看管、對工件的裝卸與檢驗等輔助體力勞動也是由機器來完成時，并且有自動控制系統或計算機代替部分腦力勞動，這個制造過程是“自動化”。基本勞動機械化＋輔助勞動機械化＋自動控制系統→自動化制造系統5、制造自動化制造自動化＝制造＋自動化就是廣義制造過程的所有環節采用自動化技術，實現全過程的自動化。在形式上有三方面的含義；在功能上，其目標模型是：TQCSE。TQCSE是相互關聯的，構成一個制造自動化功能目標的有機體系。在范圍上，制造自動化應該涉及產品生命周期的各類活動。1）制造自動化的概念制造自動化的概念是一個動態發展過程。過去，人們對自動化的理解或者說自動化的功能目標是以機械的動作代替人力操作，自動地完成特定的作業。這實質上是自動化代替人的體力勞動的觀點。現在，隨著電子和信息技術的發展，特別是隨著計算機的出現和廣泛應用，自動化的概念已擴展為用機器(包括計算機)不僅代替人的體力勞動而且還代替或輔助腦力勞動，以自動地完成特定的作業。2）制造自動化的發展歷程第一階段：1870~1950年1870年美國發明了自動制造螺釘的機器1924年第一條流水作業機械加工生產線1935年

蘇聯第一條發動機缸體生產線

1945年福特汽車采用自動化生產線

1946年蘇聯提出成組生產工藝的思想第一階段：1870~1950年純機械控制+電液控制剛性自動化加工單機和系統其中1946年前蘇聯提出成組技術概念成組技術（GroupTechnology，GT）概念：充分利用事物之間的相似性，將許多具有相似信息的研究對象歸并成組，并用大致相同的方法來解決這一組研究對象的生產技術問題，這樣就可以發揮規模生產的優勢，達到提高生產效率、降低生產成本的目的，這種技術統稱為成組技術。相似零件有相似的加工工藝過程GT的客觀基礎二次相似性結構（形狀、尺寸、精度）材料（材質、毛坯、熱處理）一次相似性

機械零件之間存在相似性這種相似性主要表現在兩方面：產品設計工藝設計（加工方法、加工設備）生產管理裝配圖2工藝相似零件組圖1結構相似零件組第二階段：1952~1965年數控技術（NC）---主要是單機數控1952年----數控機床1958年----加工中心1959年----工業機器人（極坐標方式）1960年----自適應控制機床1961年----CAM（計算機輔助制造）1962、1963年----CAD（計算機輔助設計）工業機器人（圓柱坐標方式）1965年----CNC（計算機數控機床）第三階段：1967~80年代中期FMS（數控機床+工業機器人）1967年----FMS（英國的Molins公司）70年代初----FMC（柔性制造單元）1980年----無人化工廠（富士工廠）第四階段：80年代至今CIMS（計算機集成制造系統）1974年由美國人哈林頓提出該概念借助于計算機技術、現代系統管理技術、現代制造技術、信息技術、自動化技術和系統工程技術，將制造過程中有關的人、技術和經營管理三要素有機集成，通過信息共享以及信息流與物質流的有機集成實現系統的優化運行。國內的發展1956年第一條機械加工自動線 1958年數控立銑 1984年FMC 1986年FMS 70年代初工業機器人 1986年CIMSCIMS－國家高技術研究發展計劃(863計劃)主題之一1994年，設在清華大學的國家CIMS實驗工程中心獲得國際著名權威學術機構——美國制造工程師學會（SME）的“大學領先獎”1999年，華中理工大學又獲該年度的同一獎項1995年，北京第一機床廠榮獲SME的“工業領先獎”國內的發展國內的發展國家高技術研究發展計劃（863計劃）－1986年CIMS作為自動化領域研究主題四個層次應用工程產品開發技術攻關應用基礎研究國內的發展十個專題CIMS總體設計與實施CIMS發展戰略及體系結構CIMS總體集成技術集成產品設計自動化系統集成工藝設計自動化系統集成制造自動化系統CIMS管理與決策支持系統集成質量控制系統計算機網絡與數據庫系統CIMS系統技術與方法2、制造敏捷化：制造環境和制造過程面向21世紀制造活動的必然趨勢，包括：柔性：機器、工藝、運行、擴展、勞動力等柔性一級知識供應鏈；重構能力：能實現快速重祖重構，增強對新產品開發的快速響應能力一級產品過程的快速實現、創新管理和應變管理；快速化的集成制造工藝：如快速原型制造RPM（一種快速化的CAD／CAM的集成工藝）3）制造自動化的發展趨勢1、制造業全球化發展趨勢3、制造網絡化：制造環境內部（實現制造過程的集成）、制造環境－整個制造企業（實現制造環境與企業中工程設計、MIS等子系統的集成）；企業之間（實現企業間的資源共享、組合與后化利用）；通過網絡實現異地制造4、制造虛擬化：

包括虛擬現實（VR）、虛擬產品開發（VPD）、虛擬制造（VM）和虛擬企業（VE）。虛擬制造是指以制造技術和計算機技術支持的系統建模技術和仿真技術為基礎，將現實制造環境及其制造過程通過建立系統模型映射到計算機及相關技術所支撐的虛擬環境中，在虛擬環境下模擬現實制造環境機器制造過程的一切活動和產品制造全過程。虛擬制造是敏捷制造的重要關鍵技術。發展趨勢5、制造智能化：在柔性和敏捷性基礎上進習、自修復、自組織和自我優化等。6、制造綠色化：資源的優化利用、清潔生產和廢棄物的最少化及綜合利用7、知識化和創新化1、自動化制造系統的定義自動化制造系統是由一定范圍的被加工對象、一定柔性和自動化水平的各種設備和高素質的人組成的一個有機整體，它接受外部信息、能源、資金、配套件和原材料等，在人和計算機控制系統的共同作用下，實現一定程度的柔性自動化制造，最后輸出產品、文檔資料、廢料和對環境的污染。§1.2自動化制造系統基本內容自動化制造系統是指在較少的人工直接或間接干預下，將原材料加工成零件或將零件組裝成產品，在加工過程中實現管理過程和工藝過程自動化。2、自動化制造系統的組成1、毛坯制備自動化子系統2、機械加工自動化子系統3、物料儲運自動化子系統4、裝配過程自動化子系統5、輔助過程自動化子系統6、熱處理過程自動化子系統7、質量控制自動化子系統8、系統控制子系統自動化制造系統機械加工自動化子系統儲運自動化子系統輔助過程自動化子系統熱處理過程自動化子系統質量控制自動化子系統系統控制自動化子系統毛坯制備自動化子系統裝配過程自動化子系統高素質的人良好的組織管理3、自動化制造系統的生命周期與任何系統一樣，自動化制造系統也有自己的壽命周期，達到一定的服役年限后就得報廢。通常將系統的設計、安裝、調試、驗收、應用、維護、報廢這些過程的集合稱為自動化制造系統的壽命周期。在各個不同階段，人們的關注重點是不同的。1）按制造過程分：毛坯制備、熱處理、儲運、機加工、裝配、輔助質量和系統控制自動化。2）按設備分：局部動作、單機、剛性、剛性綜合、FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統）。3）按控制方式分：機械、機電液、數字、計算機、智能控制自動化。4、自動化制造系統的分類及特點自動化制造系統的分類剛性半自動化單機剛性自動化單機剛性自動線剛性綜合自動化系統一般數控機床加工中心混合成組制造單元分布式數控系統DNC

柔性制造單元FMC

柔性制造系統FMS

柔性制造線FML

計算機集成制造系統CIMS柔性自動化設備及系統剛性自動化設備及系統自動化制造系統圖1.8自動化制造系統的分類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，因此應根據需要選擇不同的自動化系統。自動化制造系統包括剛性制造和柔性制造.

“剛性”的含義是指該生產線只能生產某種或生產工藝相近的某類產品，表現為生產產品的單一性。剛性制造包括組合機床、專用機床、剛性自動化生產線等。

“柔性”是指生產組織形式和生產產品及工藝的多樣性和可變性，可具體表現為機床的柔性、產品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。1）剛性半自動化單機可以自動地完成單個工藝過程的加工循環的機床(除上下料外)，稱為剛性半自動化機床。例如：仿形機床、通用多刀半自動車床，單臺組合機床，轉塔車床等。特點：

①一般是機械或電液復合控制式組合機床和專用機床，可以進行多面、多軸、多刀同時加工，加工設備按工件的加工工藝順序依次排列；②從復雜程度講，剛性半自動化單機實現的是加工自動化的最低層次。優點：投資少、見效快，缺點:調整工作量大，加工質量較差，工人的勞動強度也大。適用于產品品種變化范圍和生產批量都較大的制造系統。自動化機床單臺組合機床多刀半自動車床轉塔車床它是在剛性半自動化單機的基礎上增加自動上、下料等輔助裝置而形成的自動化機床。

實現的也是單個工藝過程的全部加工循環。輔助裝置包括自動工件輸送、上料，下料、自動夾具、升降裝置和轉位裝置等；

切屑處理一般由刮板器和螺旋傳送裝置完成。特點：投資少、見效快，但通用性差，是大量生產最常見的加工裝備。用途：常用于品種變化很小，但生產批量特別大的場合。2）剛性自動化單機

剛性自動化生產線是多工位生產過程，用工件輸送系統將各種自動化加工設備和輔助設備按一定的順序連接起來，在控制系統的作用下完成單個零件加工的復雜大系統。在剛性自動線上，被加工零件以一定的生產節拍，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。3）剛性自動線特點：⑴結構復雜，任務完成的工序多，所以生產效率也很高，可以有效縮短生產周期，取消半成品的中間庫存，縮短物料流程，減少生產面積，改善勞動條件，便于管理等。

⑵投資大，系統調整周期長，更換產品不方便。用途：少品種、大量生產必不可少的加工裝備。組合機床自動線，可以大幅度縮短建線周期，更換產品后只需更換機床的某些部件即可（例如可更換主軸箱），大大縮短了系統的調整時間，降低了生產成本，并能收到較好的使用效果和經濟效果。組合機床自動線主要用于箱體類零件和其他類型非回轉體的鉆、擴、鉸、鏜、攻螺紋和銑削等工序的加工。轉盤式組合機床

圖汽車后橋齒輪箱加工自動線剛性自動化20年代一般情況下，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），對于其它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。在剛性自動線的基礎上將其它自動化制造系統的內容（包括熱處理、鍛壓、焊接、裝配、校驗等）涵蓋的復雜大系統稱為剛性綜合自動化系統。特點：剛性綜合自動化系統結構復雜，投資強度大，建線周期長，更換產品困難，但生產效率極高，加工質量穩定，工人勞動強度低。適用范圍：它常用于產品比較單一，但工序內容多，加工批量特別大的零部件的自動化制造。4）剛性綜合自動化系統動畫演示數控機床（NumericalControlMachineTools）用來完成零件一個工序的自動化循環加工。特點：它是用代碼化的數字量來控制機床，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，零件復雜程度、且品種多變、批量中等的場合。5）數控機床加工中心（MachiningCenter-MC）是在一般數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、效率更高的數控機床。特點：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、加工質量高等優點。6）加工中心(MC)加工中心外觀圖(a)臥式加工中心；(b)立式加工中心8）分布式數控系統7）混合成組制造單元成組制造單元是采用成組技術原理布置加工設備，包括成組單機、成組單元和成組流水線。在成組制造單元中，數控設備與普通加工設備并存，各自發揮其最大的作用。采用一臺計算機控制若干臺CNC機床，它強調系統的計劃調度和控制功能，對物流與刀具流的自動化并不要求，主要由操作人員完成。優點：系統結構簡單，靈活性大、可靠性高、投資小，以軟件取勝。柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell-FMC）是一種由1～3臺數控機床或加工中心所組成.特點：單元中配備有某種形式的托盤交換裝置或工業機器人，由單元計算機進行程序編制及分配、負荷平衡和作業計劃控制的小型化柔性制造系統。優點：占地面積較小，系統結構不很復雜，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的主要發展方向之一，深受各類企業的歡迎。適用范圍：常用于品種變化不是很大、生產批量中等的生產規模中。9）柔性制造單元(FMC)柔性制造系統（FlexibleManufacturingSystem-FMS）一般由四部分組成：三臺以上的數控加工設備,一個自動化的物料及刀具儲運系統,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）,一個由多級計算機組成的控制和管理系統。柔性制造系統內部包括兩類不同性質的運動：一類是系統的信息流，另一類是系統的物料流，物料流受信息流的控制。

10）柔性制造系統(