第五章非傳統(tǒng)加工及先進制造技術

第5章特種加工

與先進制造技術利用化學、物理(電、聲、光、熱、磁)或電化學方法對工件材料進行加工5-1特種加工特種加工國外：非傳統(tǒng)加工(NTM,Non-TraditionalMachining)或非常規(guī)機械加工(NCM,Non-ConventionalMachining)主要優(yōu)點：以柔克剛，不受材料性能限制實現(xiàn)復雜形面與結構的加工質量穩(wěn)定無切削力，可實現(xiàn)高精度及微細加工復合工藝更能發(fā)揮潛能特種加工的種類：一、電子束加工1.電子束加工原理（1）熱加工高功率密度電子束熱能熔煉、焊接、打孔等（2）化學加工功率密度相當?shù)偷碾娮邮淖兏叻肿硬牧系姆肿恿亢突瘜W性質電子束光刻1電子束離子束加工電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源等2.電子束加工裝置二、離子束加工在真空條件下，利用惰性氣體離子在電場中加速額形成的高速離子流來實現(xiàn)微細加工的工藝方法。離子束濺射去除加工離子束濺射鍍膜加工離子束濺射注入加工離子束光刻：力學作用加工原理3.離子束與電子束加工的比較一、電火花加工原理電火花加工是利用工具電極和工件電極間瞬時火花放電所產生的高溫熔蝕工件的表面材料來實現(xiàn)加工的.2電火花加工

電火花加工的原理圖

1-工件2-脈沖電源3-自動進給裝置4-工具電極5-工作液6-過濾器7-泵進給系統(tǒng)電極工件工作液工作臺伺服控制系統(tǒng)脈沖電源二、電火花加工機床的組成電火花成型機電火花打孔機絲架、絲筒電極絲、工件工作臺電火花線切割機床三、電火花加工的特點及應用一、電解加工原理利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的電化學反應原理，將金屬材料加工成型。

電解液采用氯化鈉水溶液則由于離解反應：

NaCL→Na++CL－

H2O→H+

+

OH－

陽極上發(fā)生下列反應：

Fe-2e→Fe++

Fe++

+

2(OH)－→Fe(OH)2↓

Fe++

+

2CL－→FeCL2

4Fe(OH)2

+

2H2O

+

O2→4Fe(OH)3↓陰極上的反應為：

2H+

+

2e

→

H2↑

Na+

+

e

→

Na↓3電解加工二、電解加工設備的組成三、電解加工的特點及應用主要由機床本體、電源和電解液系統(tǒng)等部分組成。

效率比電火花成型加工高5～10倍；陰極的工具理論上沒有損耗無機械切削力和切削熱的影響，因此適宜于易變形或薄壁零件的加工。缺點：設備投資較大，耗電量大；電解液有腐蝕性，需對設備采取防護措施，對電解產物也需要善處理，以免污染環(huán)境。一、激光加工原理4激光加工通過光學系統(tǒng)使激光聚焦成一個極小的光斑，從而獲得極高的能量密度和極高的溫度。在此高溫下，任何堅硬的材料都將瞬時急劇被熔化和氣化，在工件表面形成凹坑，同時熔化物被氣化所產生的金屬蒸氣壓力推動。以很高的速度噴射出來。為了幫助蝕除物的排除，還需對加工區(qū)吹氧（加工金屬用），或吹保護性氣體，如二氧化碳、氮等（加工可燃物質時使用）。

激光雕刻切割機二、激光加工機的組成通常由激光器、電源、光學系統(tǒng)和機械系統(tǒng)等部分組成三、激光加工的特點及應用加工原理利用工具端面作超聲頻（16-25kHz）振動，使工作液中的懸浮磨粒對工件表面撞擊拋磨實現(xiàn)加工，稱為超聲加工。圖9-3超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩。通過磁致伸縮換能器或壓電效應換能將超聲頻電振蕩轉變?yōu)槌暀C械振動，起振幅很小，一般只有0.005-0.01mm，再通過一個上粗下細的振幅擴大棒，其振幅增大到0.01-0.15mm，固定在振幅擴大棒的工具即產生超聲振動。

5超聲波加工超聲波塑料焊接機一、概述6快速成形技術首先在CAD系統(tǒng)上設計出三維的零件模型（面化模型），然后通過計算機將面化模型切成一系列橫截面，數(shù)控的激光束按照每一層薄片的輪廓線和內部網格線進行掃描，使盛于容器內的液態(tài)光敏樹脂逐層固化（光致聚合）。

連接5-7RP優(yōu)點：

（1）能由產品的三維計算機模型直接制成實體零件，而不必設計、制造模具，因而制造周期大大縮短（由幾個月或幾周縮短為十幾小時甚至幾小時）。

（2）能制造任意復雜形狀的三維實體零件而無需機械加工。

（3）能借助電鑄、電弧噴涂技術進一步由塑膠件制成金屬模具，或者能將快速獲得的塑膠件當作易熔鑄模（如同失蠟鑄造）或木模，進一步澆鑄金屬鑄件或制造砂型。

（4）能根據CAE（如有限元分析）的結果制成三維實體，作為試驗模型，評判仿真分析的正確性。二、快速光造形系統(tǒng)1．激光快速成形制造法

激光快速成形制造法，是用激光束掃描各層材料，生成零件的各層切片形狀，并聯(lián)結各層切片形成所要求的零件。

2．成形焊接快速制造法

其基本思路是完全使用焊接材料來堆積形成復雜的三維零件。首先通過CAD軟件包生成待加工零件的三維實體模型，并進行切片分層離散化，然后生成焊槍在每層切片上所走的空間軌跡和對應的焊槍開關狀態(tài)，進行零件的成形焊接快速制造，加工出要求的零件。

3．噴涂式快速成形制造法

噴涂式快速成形制造法是用計算機控制噴嘴在XY片面內的運動軌跡，通過噴嘴中噴出的液體或微粒，來形成零件的各層切片形狀，制造出三維零件。

三、其他類型的快速成形系統(tǒng)例：LaserRapidPrototypingandManufacturing激光快速原型制造快速成形制造系統(tǒng)基本設備及流程三維高速掃描系統(tǒng)RPM真空注型機機械制造技術基礎5-6先進制造哲理與先進生產模式AdvancedManufacturingPhilosophyandProductionModel

大批量生產方式的產生

“技藝”型生產時代——工業(yè)革命開始至20世紀初，機器代替人力成為生產主要方式，但仍以作坊式的單件生產為主，由于機器精度不高，產品質量主要靠從業(yè)人員的技藝來保證大批量生產方式（MassProduction）——20世紀初，福特汽車公司在底特律建立了世界上第一條自動生產線，標志大批量生產時代的開始技藝不再重要——由于機器精度的提高，加上互換性原理的推行，加工和裝配工作變得簡單大批量生產方式特點——生產周期短，生產效率高，生產成本低，產品質量好1.3.1批量法則（BatchRule）

1.3.1批量法則（BatchRule）

批量法則當市場競爭以產品質量和生產成本為決定因素時，大批量生產方式顯示了巨大的優(yōu)越性。與中小批量生產相比，大批量生產可取得明顯的經濟效果，這就是所謂的“批量法則”（BatchRule）。

批量法則以成本分析為基礎。產品在其全生命周期內的總生產成本可近似表達為：式中CA——產品全生命周期總生產成本；

CF——固定成本；

CV——生產單位產品可變成本；

Q——生產產品總數(shù)量；

k——大于1的指數(shù)。

（1-1）單件產品平均生產成本CS為：

（1-2）對式（1-2）求導，并令其導數(shù)為0，可得到最低單件成本對應的產量Q0：（1-3）

Q0稱為最優(yōu)生產規(guī)模。這一現(xiàn)象首先在汽車工業(yè)生產中被發(fā)現(xiàn)。圖1-12表示了總生產成本和單件生產成本與生產規(guī)模之間的關系。1.3.1批量法則（BatchRule）

1.3.1批量法則（BatchRule）

生產量x生產成本x0圖1-12生產成本與生產量的關系CACSCF專業(yè)化協(xié)作與擴散生產

根據批量法則，為了取得良好的經濟效益，除合理地擴大產品的產量外，組織專業(yè)化協(xié)作生產是一種行之有效的方法。專業(yè)化協(xié)作生產形式基礎零部件專業(yè)化生產毛坯專業(yè)化生產中小零件專業(yè)化生產工藝專業(yè)化協(xié)作生活服務社會化1.3.1批量法則（BatchRule）

1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

批量法則在大批量生產中，由于采用專用、高效和自動化的生產設備，可以獲得高的生產率，低的生產成本，短的生產周期；而多品種、小批量生產則相反。機床利用率例：CA6140車床，最大加工直徑φ400，實際加工90％以上工件直徑不足100mm，機床利用率極低。制造周期在多品種、中小批量生產中，加工時間僅占生產時間的約5％，其余95％均為周轉等待時間；加工時間中真正進行切削的時間不足30%。多品種、中小批量生產中存在的問題1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

◆目前，單件小批量生產的產品占機械產品總數(shù)的70％以上，并有繼續(xù)增大的趨勢。解決多品種、中小批量生產的有效途徑是采用GT。5％

95％調整、裝夾、對刀、檢測等切削30％

70％加工時間

運輸與等待時間制造周期加工時間圖1-13多品種、中小批量生產的時間分配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…）工藝（加工方法、加工設備…）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(xiàn)在三個方面：1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

機械產品中各類零件出現(xiàn)有明顯的規(guī)律性（圖1-14）正是由于70%左右的零件屬于相似件，構成實施成組技術的客觀基礎。1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

標準件復雜件相似件20～25%70%5～10%零件復雜程度零件出現(xiàn)頻數(shù)圖1-14機械產品中不同復雜程度零件分布規(guī)律1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

圖1-15結構相似零件組圖1-16工藝相似零件組GT定義一般性定義：GT是一門生產技術科學，研究和發(fā)掘生產活動中有關事物的相似性，并充分利用它，即把相似的問題分類成組，尋求解決這一組問題的相對統(tǒng)一的最優(yōu)方案，以取得最佳效果。機械制造領域中定義：將多種零件（部件或產品）按其相似性分類成組，并以這些零件組（部件組或產品組）為基礎組織生產，實現(xiàn)多品種、中小批量生產的產品設計、制造工藝和生產管理的合理化。

GT

被認為是一種“制造哲理”—（ManufacturingPhilosophy），是現(xiàn)代制造技術的一個重要理論基礎。1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

圖1-17成組技術基本原理產品部件零件零件組ABCA1A2A3B1B2C1C2C3C4將多種零件按其相似性分類成組，人為擴大生產批量重復使用原則：◆資源重復使用，降低生產成本；

◆作業(yè)熟練程度增加，提高生產率。GT工作原理1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

GT發(fā)展簡況★

20世紀50年代，前蘇聯(lián)院士Митрофанов

在其著作“成組工藝科學原理”中首次提出“成組技術”?！?/p>

20世紀60年代西歐研究GT形成高潮，代表人物首推阿亨工業(yè)大學

Opitz教授，他所領導的小組進行了大量的調查研究工作，為成組技術提供了重要的理論依據?！?/p>

20世紀70年代，美國、日本接受成組技術，并迅速與計算機技術聯(lián)系在一起，使其得到更好的應用?！?/p>

20世紀80、90年代，GT與各種新的制造方式相結合，成為現(xiàn)代制造技術的基礎?！?/p>

GT發(fā)展過程：成組加工→成組工藝→成組技術→成組生產系統(tǒng)1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

我國GT發(fā)展簡況★20世紀50末、60初學習蘇聯(lián)，首先在紡織機械行業(yè)試點實行，有清華大學、西安交大等高校參與?！?0世紀60年代中期以后，由于文化大革命，國民經濟陷入混亂狀態(tài)，GT無從談起?！?0世紀70末、80初，文革以后，自上而下推行，機械部推出4個試點單位，并組織制定了兩個編碼系統(tǒng)（JCBM-1，JLBM-1），對GT發(fā)展起到了推動作用?！?0世紀80年代中期后，計劃經濟向市場經濟轉軌，采用GT成為企業(yè)自發(fā)的行為。1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

零件分類編碼系統(tǒng)基本概念——零件分類編碼系統(tǒng)是用字符（數(shù)字、字母或符號）對零件有關特征進行描述和識別的一套特定的規(guī)則和依據?！?/p>

Opitz分類編碼系統(tǒng)（圖1-18，1-19，1-20）★

JLBM-1分類編碼系統(tǒng)（圖1-21）分類編碼系統(tǒng)簡介特點：1）結構簡單，使用方便2）對零件形狀（特別是回轉類零件）描述較完善3）適用范圍較廣（設計、工藝、管理…）4）工藝信息反映不夠充分5）對非回轉類零件描述較粗糙圖1-18Opitz分類編碼系統(tǒng)0123456789RotationalNonrotationalDigit1PartclassL/D≤0.5MainshapeExternalshapeelementMainshapeRotationalmachiningAccuracy0.5<L/D<3L/D≥3WithdeviationL/D≤2WithdeviationL/D>2SpecialL/W≤3L/H≥4L/W>3L/W≤3L/H<4SpecialMainshapeMainshapeMainshapeOriginalofrawmaterialsmaterialDimensions6789InternalshapeelementMachiningofplanesurfacesOtherholesandteethMachiningofplanesurfacesOtherholesandteethMachiningofplanesurfacesOtherholesteeth&formingRotationalmachiningMainboreRotationalmachiningPlanesurfacemachiningAdditionalholesteeth&formingDigit2Digit3Digit4Digit5FormcodeSupplementarycodeDigit1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

Digit1Digit2Digit3Digit4Digit5NonrotationalPartclass0123456789RotationalL/D≤0.50.5<L/D<3L/D≥3Smooth,noshapeelements0123456789ThreadExternalshape,ExternalshapeelementsnoshapeelementsOrsmoothFunctionalgrooveSteppedtobothendnoshapeelementsThreadFunctionalgrooveFunctionalconeOperatingthreadAllothersSteppedoneendSteppedoneendSmooth,noshapeelements0123456789ThreadInternalshape,InternalshapeelementsnoshapeelementsOrsmoothFunctionalgrooveSteppedbothendnoshapeelementsThreadFunctionalgrooveFunctionalconeOperatingthreadAllothersPlanesurfacemachining0123456789Surfaceplaneand/orcurvedinonedirection,externalNosurfacemachiningExternalplanesurfacerelatedbygraduationaroundcircleExternalgrooveand/orslotExternalspline(polygon)Externalplanesurfaceand/orslot,externalsplineInternalplanesurfaceand/orslotInternalspline(polygon)Internal/externalpolygon,grooveand/orslotAllothersAuxiliaryholesandgearteethNoauxiliaryholeAxial,notonpitchcirclediameter0123567894Axial,onpitchcirclediameterNogearteethWithgearteethRadial,notonpitchcirclediameterAxial/radial,and/orotherdirectionAxial/radial,onPCDand/orotherdirectionAllothersSpurgearteethBevelgearteethOthergearteeth圖1-19Opitz分類編碼系統(tǒng)回轉體零件形狀碼1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

圖1-20Opitz分類編碼系統(tǒng)輔助碼（6～9位）Steel,Heattreatment0123456789012345678901234567890123456789Diameter(Length)MaterialAccuracyOriginalshapeofrawmaterial≤2020～5050～100100～160160～250250～400400～600600～10001000～2000＞2000NodularironAlloysteel(Heattreatment)NonferrousmetalLightalloyAllothersCastironPipeMachinedworkpieceCastingandforgingsL,U,Tetc.sectionsteelBar(heatrolling)Bar(coldrollingordrawing)△,□,etc.barSheetStickplateWeldmentUndefined23452+32+42+53+42+3+4+5Digit6Digit8Digit9Digit7AlloysteelSteelSteel1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

名稱類別粗分類0123456789回轉類零件非回轉類零件輪盤類環(huán)套類銷桿軸齒輪類異形件專用件桿條類板塊類座架類箱體類名稱類別細分類0123456789盤蓋防護蓋法蘭盤帶輪手輪離合器分度盤滾輪活塞其它回轉類零件的形狀及加工碼外部形狀加工基本形狀功能要素內部形狀加工基本形狀功能要素平面曲面加工外平面內平面輔助孔成形刻線輔助碼材料毛坯原始形狀熱處理主要尺寸精度直徑或寬度長度非回轉類零件形狀及加工碼圖1-219JLBM-1分類編碼系統(tǒng)1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

圖1-22壓蓋零件編碼（001021103050736)φ240700.80.8其余3.21.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

1）綜合零件法——

★

綜合零件包含了零件組內所有零件的結構要素，它可以是一個實際零件，但更多情況是一個假想零件。

★

按綜合零件編制工藝規(guī)程，則該工藝規(guī)程包含了零件組內所有零件的工藝內容。★

綜合零件法多用于回轉體零件的成組工藝過程設計。成組工藝過程設計

2）綜合路線法——

★將零件組內所有零件的工藝內容綜合在一起，形成成組工藝。

★多用于非回轉體零件的成組工藝過程設計。1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

綜合零件圖1-23綜合零件實際零件【例】1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

特征矩陣綜合零件成組工藝過程卡車間零件組代號頁工序號工序名稱及內容機床適用零件車右端面,打中心孔,車外圓(留磨量)車螺紋,倒角,切槽,切斷1C6132

ABCDE2車左端面,打中心孔,倒角銑鍵槽（銑橫槽,銑扁）3C6132X51W4調質5研中心孔C61326磨外圓M121∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨12345678901234567891）加工單元組織形式①成組單機②成組單元③成組流水線④成組柔性制造系統(tǒng)圖1-24成組單元布置形式加工單元設計a）機群式布局

G

G

GDDMM進出料口

L

L

L

L

L

LAAMMb）成組單元布局LLLMMDDGGA出料口進料口1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

圖1-25FMS自動倉庫工廠計算機中央計算機物流控制計算機信息傳輸網絡加工單元1加工單元2加工單元n運輸小車工夾具站2）確定機床數(shù)量式中[Qj]——計算的機床臺數(shù)

Ni

——第i種零件年需求量

tij

——第i種零件在第j種機床上的單件工時

F

——機床年臺時基數(shù)（4-4）（4-4a）F

=

250×M×8×K式中M——班次

K

——開機系數(shù)，常取0.9～0.95◆計算機床臺數(shù)：1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

◆一般要求：η≥0.85關鍵、稀少設備允許η=1.1～1.2簡單設備η值可適當減小◆負荷調整與平衡：①負荷過低，可幾個單元共用一臺機床②也可擴大單元內零件組數(shù)或組內零件數(shù)◆機床負荷率：（4-6）◆實際機床臺數(shù)：Qj≥[Qj]（4-5）1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

成組技術在設計中的應用利用零件編碼，檢索相似零件，減小重復設計工作量（據統(tǒng)計，一項新產品中有70%以上的零件設計可以借鑒或直接引用原有的設計）。同樣利用產品和部件的繼承性，對產品及部件進行編碼，通過檢索、調出和利用已有相類似設計，可顯著減少新設計的工作量（參數(shù)化設計技術的發(fā)展使這一效果更加顯著）?！?/p>

零件標準化內容零件名稱標準化零件結構標準化零件標準化提高設計標準化程度設計標準化是工藝標準化的前提。1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

◎

零件結構標準化等級與標準化要素之間的關系：標準化等級簡單標準化基本標準化主要標準化完全標準化標準化要素功能要素基本形狀功能要素配置主要尺寸◎設計標準化與工藝標準化的關系：基本形狀標準化主要工藝過程（工藝路線）標準化功能要素標準化工序、工步標準化功能要素配置標準化次要工序及工藝順序標準化主要尺寸標準化工藝裝備標準化設計標準化工藝標準化1.3.2成組技術（GroupTechnology—GT）

◆成組生產單元是一種先進的生產組織形式，在成組生產單元內，零件加工過程被封閉起來，責、權、利集中在一起，生產人員不僅負責加工，而且共同參與生產管理與生產決策活動，使其積極性能夠得到充分發(fā)揮。

◆按成組工藝進行加工，可使零件加工流向相同，這不僅有利于減少工件運動距離，在安排作業(yè)計劃時，也有規(guī)則可循。成組技術在管理中的應用◆要求按工藝相似零件組（而非按產品）安排生產計劃，需要打破舊的生產計劃方式，而代之以按零件組安排生產進度計劃。除了要轉變傳統(tǒng)觀念以外，采用計算機輔助生產管理方法也是必要的。

1.3.3計算機集成制造（CIM）

CIM提出

CIM一詞首先由Dr.J.Harrington于1973年提出，其兩個基本觀點：

CIM概念提出后，未被立即接受，因條件不成熟。直至20世紀80年代初，各項單元技術（CAD、CNC、CAPP、MIS、FMC、FMS…）得到充分發(fā)展，并形成一個個自動化“孤島”。在這種形勢下，為取得更大的經濟效果，需要將這些“孤島”集成起來，CIM概念受到重視并被實施。2）整個生產過程可以視為一個數(shù)據采集、傳遞和加工處理的過程，最終產品可視為數(shù)據的物化表現(xiàn)。1）企業(yè)生產活動的各個環(huán)節(jié)，從市場分析、產品設計、加工制造、經營管理到售后服務是一個統(tǒng)一的不可分割的整體。1.3.3計算機集成制造（CIM）

20世紀80年代中、后期，CIM逐漸開始實施，并顯示出明顯的效益——提高企業(yè)的生產率和市場競爭能力。以往，競爭力主要取決于生產率，現(xiàn)今更重要的是對市場的響應能力。信息時代的到來,使世界正在“變小”。世界大市場的發(fā)展，使競爭更加激烈，這一方面極大地促進了社會的發(fā)展，另一方面也給企業(yè)造成了嚴酷的“生存環(huán)境”。企業(yè)為求得生存和發(fā)展，必須在

TQCSE

五要素上下工夫。T（Time）——時間，加速新產品研制周期，縮短交貨期Q（Quality）——質量C（Cost）——成本S（Service）——服務E（Environment）——環(huán)保為實現(xiàn)這一目標，CIM是一種強有力的形式。1.3.3計算機集成制造（CIM）

CIM定義CIM是將人及其經營知識和能力與信息技術和制造技術綜合應用，以提高制造型企業(yè)的生產率和響應能力。企業(yè)所有人員、功能、信息、組織管理等方面都是集成起來的整體的各個部分。歐共體CIM-OSA（開放體系結構）課題委員會：◆

CIM是一種哲理、思想、方法；◆CIMS是CIM哲理的具體體現(xiàn)；◆CIMS是一個計算機控制的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其輸入是產品的需求和概念，輸出的是合格的產品。CIM與CIMS1.3.3計算機集成制造（CIM）

討論◆

整體優(yōu)化是CIM的目標（相對于自動化孤島）?！?/p>

CIM

的核心是集成，而集成的本質是信息集成?！?/p>

3M（人、機器、管理）集成，其中人是核心。普渡大學T.J.Willian教授提出CIMS參考模型的兩個概念：

★

Automability（可自動化性）——指生產活動中可用數(shù)學形式或計算機程序描述的部分，生產活動中的這一部分內容可用計算機來進行處理。

★

Innovation（創(chuàng)新）——生產活動中無法用數(shù)學形式或計算機程序描述的部分，這一部分內容仍需人來完成。他認為工業(yè)革命使人變成了機器的奴隸，新技術革命則要“恢復人格”（Humanlization）。Real1.3.3計算機集成制造（CIM）

◆

SME的“制造企業(yè)輪圖”（圖1-20）也強調以人為本。

圖1-26CASA/SME的“制造企業(yè)輪圖”（第三版1993）資源人材料設備信息技術供應商責任規(guī)章道德環(huán)境社團雇員投資者顧客人小組組織共享知識系統(tǒng)制造用戶服務材料管理裝配檢驗作業(yè)計劃資源計劃用戶知識產品/工藝生命周期變化全球組織分銷促銷產品定義系統(tǒng)設計零部件設計不斷改進文檔發(fā)布零部件制造資源1.3.3計算機集成制造（CIM）

◆

CIM往往和人們經常提到的“三無工廠”（無圖紙、無庫存、無人化),“3J”（Justintime，Justincase，Justinsupply）等概念相聯(lián)系?！?/p>

搞CIM是非常復雜的事情，是一項高投入、高風險項目，必須審慎行事（20世紀80年代只有少數(shù)公司獲得成功）。圖1-27無圖紙生產實例—波音777客機◆CIMS的實現(xiàn)程度受企業(yè)經營環(huán)境的制約，與企業(yè)的技術水平、投資能力、經營戰(zhàn)略等相聯(lián)系，決定了CIMS是一個多層次、多模式、動態(tài)發(fā)展、逐漸向理想狀態(tài)趨近的系統(tǒng)。◆

限定“制造型企業(yè)”。

NetworkDB市場信息生產過程信息技術信息原材料，能源產品MIS，BM，PMMM，LM，F(xiàn)M…EISCADCAECAPPNCPCATD∶QISCAICATCAQCCMM∶MASCNC,MC,FMC,FMS,ROBOT,AA…圖1-28CIMS功能模型CIMS的體系結構指以信息的觀點建立的企業(yè)模型框架（或功能模型）。CIMS功能模型通常由5個分系統(tǒng)組成（圖1-28）。1.3.3計算機集成制造（CIM）

1.3.3計算機集成制造（CIM）

CIMS發(fā)展簡況（國外）歐共體——1984年開始實施ESPRIT（歐洲信息技術研究戰(zhàn)略計劃），在130個合作項目中，關于CIM項目占28項日本——CNC、DNC、FMS已處于世界領先地位，1985年通產省主持開發(fā)“筑波綜合實驗工廠”，相當于CIMS實驗基地。美國——不僅企業(yè)重視，國家也極為重視，認為CIM是奪回失去市場、取得競爭成功的關鍵技術，并將不可逆轉地成為21世紀占主導地位的新的生產方式。20世紀80年代初，美國國家標準局（NBA）所屬AMRF（自動化研究實驗基地）建立了世界上第一個CIMS實驗系統(tǒng)（見圖1-29）

新加坡、以色列、韓國、巴西、南非等——也在積極跟蹤和發(fā)展CIM技術。1.3.3計算機集成制造（CIM）

主控制室輔助控制室運輸小車入口出口貨架車削MC立式MC臥式MC清洗機CMM圖1-29

AMRF的CIMS實驗系統(tǒng)（FMS部分）1.3.3計算機集成制造（CIM）

CIMS發(fā)展簡況（國內）◆

863計劃

◎目標：跟蹤世界高技術最新發(fā)展

◎自動化領域兩個主題：1）CIM；2）工業(yè)機器人

◎組織與領導機構（圖1-27）自動化領域總體戰(zhàn)略、分階段戰(zhàn)略部署，對外合作，總經費、年度經費分配，學術領導具體領導各項工作開展專題學術領導，組長由主題專家組成員擔任圖1-30863自動化領域組織結構自動化領域專家委員會CIM主題專家組CIM專題專家小組1.3.3計算機集成制造（CIM）

◆

CIMS實驗工程（CIMS-ERC）

技術原則：

1）包括實際工廠主要功能遞推結構；

2）最小配置實際制造環(huán)境；

3）采用開放系統(tǒng)概念，多廠家設備（軟、硬件）集成；

4）以信息集成為主，不追求機械設備完善；

5）自頂向下設計與自下而上實現(xiàn)相結合。1987.6——可行性論證1988.3——通過國家評審1988.5～1989.5——總體設計1989.6～1992.12——開發(fā)實施1993.3——國家驗收1994年獲美國CASA/SME（美國機械工程師協(xié)會計算機與自動化系統(tǒng)分會）“UniversityLEADAward”（大學領先獎）1.3.3計算機集成制造（CIM）

圖1-311994年CASA/SME頒發(fā)的“UniversityLEADAward”1.3.3計算機集成制造（CIM）

CAD/CAPP/CAM工程DB日作業(yè)計劃計劃DB計劃管理系統(tǒng)仿真監(jiān)控DBNCDB調度生產監(jiān)控管理實時DB車削MC立式MC臥式MC物流刀具裝夾測量運輸車物流DB刀具DB夾具DB單元控制圖1-32CIMS-ERC4級遞階控制結構1.3.3計算機集成制造（CIM）

注重研究→注重應用

大型企業(yè)→中小型企業(yè)“技術推動”→“需求牽動”

強調技術支撐→強調人、技術、經營集成

CIM應用模式越來越多

CIM實施過程中不斷吸收新技術、新思想、新概念CIMS發(fā)展趨勢

1.3.4并行工程（CE）

并行工程（

ConcurrentEngineering——CE）定義1988年，美國國防部防衛(wèi)分析研究所（IDA）發(fā)表R338

報告：

并行工程（CE）是對產品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）進行并行、一體化設計的一種系統(tǒng)化的工作模式。這種工作模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產品全生命周期（從概念形成到產品報廢）中所有的因素，包括質量、成本、進度與用戶需求。注：支持過程——包括對制造過程的支持（原材料的獲取,中間產品的庫存，工藝過程設計，生產計劃制定…）和使用過程的支持（產品銷售，使用維護，售后服務，產品報廢后的處理…）1.3.4并行工程（CE）

CE與CIM的目標都是為了贏得市場競爭，著眼點均為“TQCSE”。隨著市場競爭的日趨激烈，“TQCSE”五要素中“T”變的越來越重要，減小新產品開發(fā)周期成為“TQCSE”的“瓶頸”。

CIM著眼于信息集成與信息共享，通過網絡與數(shù)據庫將自動化孤島集成起來。但生產過程的組織結構與管理仍是傳統(tǒng)的，獨立、順序進行。生產管理者在信息集成的基礎上，對整個生產進程有清楚的了解，從而可以進行有效的控制，并最終在

TQCSE

上取得成功。CE與CIM具有相同的背景1.3.4并行工程（CE）

圖1-33順序方法開發(fā)產品的弊端產品設計工藝規(guī)劃加工裝配市場需求無法加工裝配困難◆當新產品開發(fā)成為贏得競爭的主要手段后，單純集成已不夠。按順序方法開發(fā)產品常需要多次反復，不僅延誤了時間，而且在資金上也造成巨大浪費。1.3.4并行工程（CE）

圖1-34串行與并行方法需求分析產品設計過程設計原型產品a）串行方法需求分析產品設計過程設計原型產品b）并行方法順序方法與并行方法（圖1-34）1.3.4并行工程（CE）

◆

CE依賴于產品開發(fā)中各學科、各職能部門人員相互合作，相互信任和共享信息，通過彼此間有效地通訊和交流，盡早考慮產品全生命周期中的各種因素，盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題，以達到各項工作協(xié)調一致?！?/p>

CE方法有別于傳統(tǒng)的強調“分工”的管理方式，是一種在更深層次上的集成（人、技術、管理的集成；產品設計及其相關過程設計的集成）。◆

CE的核心是產品及其相關過程（加工工藝、裝配、檢測、質量控制、銷售、售后服務…）設計的集成。CE基本方法與效益◆

CE效益——縮短新產品開發(fā)周期40～60%；提高設計質量（早期生產中工程變更次數(shù)減小一半以上，產品報廢及反復工作減小75%）；制造成本下降30～40%1.3.4并行工程（CE）

◆據統(tǒng)計，新產品提案中只有約6.5％能夠制造出產品，其中能夠商品化的比例不到15％，商品化產品進入市場后又有將近半數(shù)未能獲得成功。

◆原因：在產品設計時對影響產品的多種因素考慮不周全，或不充分和不深入，面向“X”設計應運而生。

◆產品設計在產品壽命循環(huán)中占有重要的地位，它決定了產品制造成本的70～80％。

面向X的設計◆面向“X”的設計最初是以DFM（面向加工的設計）和DFA（面向裝配的設計）的形式出現(xiàn)，進一步發(fā)展，便形成了DFX（面向“X”的設計）。

◆X可以指經營、銷售、加工、裝配、檢驗、使用、維護、質量、成本等。1.3.4并行工程（CE）

表1-4便于加工和裝配的設計規(guī)則1.3.4并行工程（CE）

表1-4便于加工和裝配的設計規(guī)則（續(xù)）1.3.4并行工程（CE）

圖1-35零件結構工藝性分析示例a）b）c）d）1.3.4并行工程（CE）

圖1-35零件結構工藝性分析示例（續(xù)）e）f）g）h）i）j）1.3.4并行工程（CE）

圖1-35零件結構工藝性分析示例（續(xù)）k）l）m）n）o）p）1.3.4并行工程（CE）

圖1-35零件結構工藝性分析示例（續(xù)）q）r）s）t）u）v）1.3.4并行工程（CE）

圖1-35零件結構工藝性分析示例（續(xù)）w）x）y）z）1.3.5精良生產與敏捷制造（LP&AM）

精良生產（LeanProduction——LP）

MIT國際汽車項目組的JamesWomack

等三名經理在“TheMachineThatChangedtheWorld”一書中，對日本豐田汽車公司生產方式的描述。

MP（MassProduction）是舊時代工業(yè)化的象征——代表了高效率、低成本、高質量。

LP是新時代工業(yè)化的標志——只需一半人的努力，一半生產空間，一半投資，一半設計、工藝編制時間，一半開發(fā)新產品時間和少的多的庫存。LP的精髓在于“Lean”——“沒有冗余”“精打細算”，沒有一個多余的人，沒有一樣多余的東西，沒有一點多余的時間；崗位設置必須是增值的，不增值崗位一律撤除；工人要求是多面手，可以互相頂替。1.3.5精良生產與敏捷制造（LP&AM）

豐田公司精良生產要點

組織管理權力下放，以TeamWork形式分段負責，把大量工作責任轉移到生產線工人身上，建立一個能夠迅速追查出全部缺陷并找出其最終原因的檢測系統(tǒng)。

產品設計強調負責人的權力與責任，由項目負責人組織多個TeamWork

并行工作。

市場用戶

“需求驅動”與“主動銷售”；貫徹全面質量管理（TQC），使顧客完全滿意（TCS）。

與協(xié)作廠關系“利益共享，風險共擔”。1.3.5精良生產與敏捷制造（LP&AM）

準時制生產（JustInTime——JIT）準時制的核心及時和準確。在制造過程中，要求按正確的時間、正確的地點，提供正確數(shù)量的合格物品，以期達到接近零庫存、無缺陷和低成本的目標。

基本做法1）每月公司根據市場情況和用戶訂貨，按型號和規(guī)格擬定本月生產各種汽車的數(shù)量，經審查后下達生產任務。2）工廠的裝配車間將月生產汽車任務除以本月有效工作日，得出日平均產量，據此按日安排生產。3）裝配車間開始生產后，按后序向前序提取零部件的規(guī)定，把生產過程的各個部分有機地組織起來。4）寧肯中斷生產，也不積壓儲備。

1.3.5精良生產與敏捷制造（LP&AM）

“看板”（Canban）管理出發(fā)點——后序驅動示意圖圖1-36“看板”管理n乙n工序n-1乙n-1工序n甲n-1甲n-1工序n工序1取貨3a3b52467a7b傳件看板生產看板◎JIT

要求：嚴格管理；各環(huán)節(jié)、各工序均處于良好運行狀態(tài)；人員素質高，多面手，且處于高度緊張狀態(tài)。1.3.5精良生產與敏捷制造（LP&AM）

表1-5LP與MP比較比較項目大量生產精良生產追