制造業及發展

東北石油大學

機械科學與工程學院

楊松山2023/7/231中南大學第1章制造業制造業是指對原材料(采掘業的產品和農產品)進行加工或再加工，以及對零部件裝配工業的總稱；制造業一般有消費品制造業、輕工業品制造業和重工業品型制造業、民用產品制造業和軍工產品制造業以及傳統制造業和現代制造業之分；工業化發達國家大約1/4的人口從事制造業，70%～80%的物質財富來自于制造業。2023/7/232中南大學1.1物質生產貫穿人類歷史材料、能源和信息是人類社會經濟的三大重要支柱。人類社會經濟發展的歷史，就是人類利用材料、能源和信息進行物質生產的歷史；材料、能源和信息領域的任何技術革命，必然導致生產方式的革命和生產力發展的飛躍。物質生產材料產品信息能源2023/7/233中南大學1.2傳統制造業制造業創造了人類人與猿相分離，是由于人學會了雙足行走和用手制造并使用工具，這是人類進化的關鍵一步。隨著狩獵和采集技術的改進，人們制造的工具日趨精細，種類越來越多，出現了有組織的石料開采和加工，形成了原始制造業。使用工具、制造工具，即原始的制造技術和生產方式的改變引發了古猿進化的改轍，驅引他們用腦思維，腦容量逐漸增大，經選擇遺傳而與猿類分離，變成堂堂直立的人類。原始的工具制造是人類社會制造業的最早萌芽。2023/7/234中南大學制造業是產業革命的主力軍

第一次工業革命———從1765年瓦特發明蒸汽機算起已延續了247年。這場波瀾壯闊的工業革命使人類的生產和生活方式發生了不可逆轉的偉大變化；第二次工業革命———電氣化發生在19世紀后半葉和20世紀初；信息時代是以1948年美國貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克利發明晶體管，1958年制成第一臺固體元件計算機為開端，晶體管的發明和微電子制造技術的飛速發展，開創了全新的計算機及信息時代。2023/7/235中南大學制造業發展史的啟示蒸汽機和電機的應用，延伸了人的體力勞動，催生了工業革命，使人類社會通過工業化從農業社會發展到工業社會。以計算機為核心的現代信息技術的應用，則延伸了人的腦力勞動，引發了新的工業革命，使人類社會通過信息化從工業社會發展到信息社會，信息化是信息時代的工業革命。農業社會工業社會信息社會工業化工業革命信息化新的工業革命2023/7/236中南大學1.3人類從工業化到信息化的里程碑1765年——蒸汽機的發明拉開工業化革命序幕；1901年發達國家進入工業化革命；1948年——晶體管發明；1952年——第一臺數控機床；1958年——第一臺固體元件計算機；1959年——第一塊集成電路；1960年——ALGOL計算機語言；1964年——大型電子計算機IBM360系列；1969年——互聯網誕生；1971年——用大規模集成電路組成的微處理機；1977年——個人計算機及PC機；1989年——萬維網（WWW）誕生；在短短的40年時間內，信息技術使我們的生活發生了質的變化，世界全面轉向信息化時代。2023/7/237中南大學1.4制造業發展的重要階段第一階段－－手工單件生產；第二階段－－機器單件生產；第三階段－－自動化生產線；第四階段－－現代集成制造。2023/7/238中南大學□手工生產（第1階段）用手工勞動或運用簡單的生產工具從事生產活動。包括完全用手工或使用手工工具進行的生產，利用人力或畜力從事運輸或裝卸工作，憑眼力或各種手工量具進行檢查檢驗活動等。手工生產是工業生產的最初形式，開始從屬于農業，習稱家庭手工業，逐步發展成為協作生產的手工業作坊和工場手工業。2023/7/239中南大學□單件生產（第2階段）單件生產是指產品品種多，而每一種產品的結構、尺寸不同，且產量很少，各個工作地點的加工對象經常改變，且很少重復的生產類型。單件生產的特點

1、產品品種繁多，而每一種產品的產量僅一臺（件）或少數幾臺（件）。

2、大部分產品一次生產就不再重復生產，有的雖會重復生產，但是沒有固定的重復期。

3、生產穩定性差，工藝化程度低，大多數工作地要承擔很多道工序。

2023/7/2310中南大學□自動化生產線（第3階段）自動化生產線是產品生產過程所經過的路線，即從原料進入生產現場開始，經過加工、運送、裝配、檢驗等一系列生產活動所構成的路線。狹義的生產線是按對象原則組織起來的，完成產品工藝過程的一種生產組織形式，即按產品專業化原則，配備生產某種產品（零、部件）所需要的各種設備和各工種的工人，負責完成某種產品（零、部件）的全部制造工作，對相同的勞動對象進行不同工藝的加工。自動化生產線是在無人干預的情況下按規定的程序或指令自動進行操作或控制的過程，其目標是“穩，準，快”。采用自動生產線不僅可以把人從繁重的體力勞動、部分腦力勞動以及惡劣、危險的工作環境中解放出來，而且能擴展人的器官功能，極大地提高勞動生產率，增強人類認識世界和改造世界的能力。2023/7/2311中南大學□現代集成制造（第4階段）柔性制造系統（FMS）(FlexibleManufactureSystem)，是一組數控機床和其他自動化的工藝設備，由計算機信息控制系統和物料自動儲運系統有機結合的整體。柔性制造系統由加工、物流、信息三個子系統組成，在加工自動化的基礎上實現物料流和信息流的自動化。柔性制造技術是集自動化技術、信息技術和制作加工技術于一體，把以往工廠企業中相互孤立的工程設計、制造、經營管理等過程，在計算機及其軟件和數據庫的支持下，構成一個覆蓋整個企業的有機系統。所謂“柔性”，即靈活性，主要表現在：①生產設備的零件、部件可根據所加工產品的需要變換；②對加工產品的批量可根據需要迅速調整；③對加工產品的性能參數可迅速改變并及時投入生產；④可迅速而有效地綜合應用新技術；⑤對用戶、貿易伙伴和供應商的需求變化及特殊要求能迅速做出反應。采用柔性制造技術的企業，平時能滿足品種多變而批量很小的生產需求，戰時能迅速擴大生產能力。2023/7/2312中南大學計算機集成制造CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystems）

CIMS是通過計算機硬軟件綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術將企業生產的全部過程中有關的人、技術、經營管理三要素及其信息與物流有機集成并優化運行的復雜的大系統。

2023/7/2313中南大學第2章

成組技術

2.1成組技術的基本原理

2.2零件分類編碼系統

2.3零件的分組方法

2.4成組技術的應用及其經濟效益2023/7/2314中南大學（1）成組技術的基本概念傳統小批量生產方式的缺點產量小，生產周期長，限制了先進技術的采用，生產效率低生產準備工作量大生產計劃、組織管理復雜化2.1成組技術的基本原理2023/7/2315中南大學零件的相似性原理和成組技術的誕生大量統計資料表明，機械產品中相似件占70%（結構形狀和加工工藝等相似）成組技術正是研究和利用了有關事物的相似性，將企業的各種產品、部件和零件，按一定的相似性準則分類編組，并以這些組為基礎，組織生產環節，實現多品種、中小批量生產的產品設計、制造、管理的合理化2023/7/2316中南大學2023/7/2317中南大學成組技術的實質復雜而多樣的事物或信息中，有許多問題具有相似性，把相似問題分組，就能使復雜問題簡化，從而找出解決這一組問題的同一方法或答案，并節省時間和精力2023/7/2318中南大學實質：按零件的形狀、尺寸、制造工藝的相似性，將零件分類歸并成組（族），擴大零件的工藝批量，以便采用高效率的工藝方法和設備，使中小批量生產也能獲得類似大批量流水生產的經濟效益。成組技術成了CAD、CAPP、CAM、FMS等的技術基礎2023/7/2319中南大學Moretolearn2023/7/2320中南大學成組技術能對同類問題給出統一的標準解決辦法;避免產生解決同類問題方法的不統一與不必要的多樣化;可重復利用解決同類問題已有的信息與資源正因為成組技術具有這些特點，所以它可以：簡化生產技術準備工作，加快新產品的開發和上市速度有效擴大批量，以利經濟合理地采用先進制造技術可以方便地組織專業化生產2023/7/2321中南大學上世紀50年代，前蘇聯學者Mitrofanov首先提出成組技術原理，然后迅即在東歐（捷克等國）得到推廣應用及至上世紀60年代，在西歐（德、法、英等國）和中國、日本傳播應用美國則在上世紀80年代才接受GTGT經歷了：成組加工成組工藝成組技術的發展過程2023/7/2322中南大學2.2零件分類編碼系統（1）概念分類——把事物劃分成不同組的過程編碼——對不同組的事物給予不同的代碼零件分類編碼——抽象地反映零件名稱、功能、結構、形狀、工藝特性、精度等信息的代碼（符號）編碼法則——對代碼代表的意義所作出的明確規定和說明2023/7/2323中南大學（2）原理成組技術的編碼，必須充分反映機械零件的各種特征，這些特征包括：零件的結構和形狀、各組成表面的類別及配置關系、零件材料及熱處理、幾何尺寸、加工精度和表面質量代碼必須能唯一地區分產品零件族2023/7/2324中南大學

對零件分類編碼系統的要求：充分、全面、準確地描述零件信息系統邏輯層次分明，結構合理容易被計算機理解和處理考慮與CAD、CAM的鏈接和企業的應用要求易于被工程人員理解，易于編程2023/7/2325中南大學VUOSO分類編碼系統原捷克斯洛伐克金屬切削機床研究所為機床行業制訂的一個系統。結構屬于10進制4位碼。（3）零件分類編碼系統的示例2023/7/2326中南大學回轉體零件軸線上有有齒形、花鍵軸線上有無孔盲孔通孔無孔通孔01234Dmax(L/D)max0<40<111~62>6341~80<141~45>4681~200<37>80>38>200<39其它>30VUOSO分類編碼系統類級2023/7/2327中南大學VUOSO分類編碼系統（續）012340光滑或臺階圓柱齒有花鍵非金屬1軸線上有螺紋其它鑄件灰鑄鐵2軸線外有孔圓錐齒有花鍵球鐵或鑄鋼3有槽或平面其它有色金屬41+2蝸輪有花鍵各種型板線材和鍛件普通探鋼51+3其它優質和合金鋼滲炭鋼62+3多聯齒有花鍵淬硬鋼71+2+3其它熱處理鋼8錐面其它有花鍵其它合金鋼9異形其它有色金屬組型2023/7/2328中南大學系統的基本特點類：描述零件基本輪廓形狀。它決定了零件的主要工藝過程和主要表面的加工。級：很巧妙地用兩個尺寸參數（D與L/D）進一步描述了零件的幾何形狀，同時也確定了零件的安裝方法和所應選用的機床。型：描述次要的結構要素。它們是依附于主要輪廓形狀上。因此，它們必須在主要輪廓形狀經過粗或半精加工后方可加工。2023/7/2329中南大學VUOSO分類編碼系統中名詞解釋光滑或臺階軸線上有螺紋軸線外有孔2023/7/2330中南大學零件分類編碼的圖例2322圖2–1軸承端蓋5075材料：QT400–17分類編碼結果分類編碼結果0176M1825115材料：45圖2–2軸圖2–3齒輪9040材料：40Cr分類編碼結果46062023/7/2331中南大學（4）代碼結構的類型

層次式（又稱單元碼）：每一代碼的含義都由前一級代碼限定（各分支都必須定義）鏈式（矩陣式）（又稱多元碼）：碼位上每一個數字都代表不同的信息，與前面的碼位無關混合式（層次式和鏈式混合）：綜合層次式和混合式代碼的長處2023/7/2332中南大學（5）零件的編碼系統常用的分類編碼系統有如下兩種：奧匹茲（Opitz）分類編碼系統德國亞琛工業大學的H·奧匹茲教授領導研制成功2023/7/2333中南大學基本結構奧匹茲代碼采用混合式代碼結構；由9位代碼組成，前5位為幾何碼（又稱主碼），分別代表零件的種類、基本形狀、回轉表面加工、平面加工、輔助孔、輪齒、型面加工；后4位為輔助碼，分別代表主要尺寸（直徑或邊長）、材料類型、毛坯形狀、加工精度；每一個碼位有10個特征碼.2023/7/2334中南大學2023/7/2335中南大學

JLBM-1分類編碼系統這是“機械工業成組技術零件分類編碼系統”的漢語拼音縮寫1985年由我國機械電子工業部設計研究總院負責制訂2023/7/2336中南大學采用混合式代碼結構；由15位代碼組成，第1、2位代碼代表零件名稱類別；第3~9位是形狀與加工碼（為主碼）；第10~15位代碼為輔助碼，分別代表材料、毛坯原始形狀、熱處理、主要尺寸、加工精度；每一個碼位有10個特征碼2023/7/2337中南大學2023/7/2338中南大學2023/7/2339中南大學2023/7/2340中南大學2023/7/2341中南大學2023/7/2342中南大學2.3.1編碼分組法目的：減少現有零件工藝過程的多樣性擴大零件的工藝批量提高工藝設計的質量依據：根據零件的結構特征和工藝特征的相似性2.3零件的分組方法2023/7/2343中南大學（1）方法：視檢法：由有經驗的工藝師根據零件圖樣或實際零件及其制造過程，直觀地憑經驗判斷零件的相似性，對零件進行分類成組；生產流程分析法：按工藝特征相似性分類，先根據零件的工藝路線卡列出工藝路線表，再對生產流程進行分析、歸納、整理編碼分類法：采用特征碼位法和碼域法，擴大工藝批量；2023/7/2344中南大學特征碼位法：在分類編碼系統的各碼位中，選取一些特征較強、對劃分零件族影響較大的碼位作為零件分組的主要依據，而其余碼位則予以忽略。2023/7/2345中南大學碼域法：對特征碼位上的數據規定某一范圍，而不是要求特征碼位上的數據完全相同。ⅠⅡⅢⅣ01234567892023/7/2346中南大學（2）制訂成組工藝過程復合零件法（又稱為主樣件法）：按照零件族中的復合零件來設計工藝規程的方法；復合零件即擁有同組零件的全部特征加工表面要素的一個零件。Moretolearn2023/7/2347中南大學1:010612:0136233:013644:012651:C-C2:C-C-XJ3:C-C-XJ-X4:C-C-Z12345復合零件2023/7/2348中南大學（3）成組生產的組織形式成組單機把一組工序相同或相似的零件族集中在一臺機床上加工特點：針對從毛坯到成品多數工序可以在同一類型的設備上完成的工件；也可以只完成其中某幾道工序功用：成組技術的最初形式，是成組技術發展的基礎；減少機床調整時間，有一定經濟效果2023/7/2349中南大學成組生產單元

指一組或幾組工藝上相似零件的全部工藝過程，由相應的一組機床完成，該組機床即構成車間的一個封閉生產單元特點：把幾種類型機床組成一個封閉的生產系統；完成一組或幾組相似零件的全部工藝過程；有一定的獨立性，并有明確的職責功用：設備利用率高；縮短了生產周期；簡化了生產管理2023/7/2350中南大學機群制的平面布置CCCCCCXXXXZZZZZZWMWMPMPM2023/7/2351中南大學GT生產單元

屬于流水型生產。零件的加工按工藝流程進行。在制品的數量可以顯著減少。這時可按運輸批量轉移。零件的運輸距離縮短，在制時間縮短，因此生產周期短。可實現一專多能的多機床看管，有利于提高生產效率。生產單元可實現生產任務的承包制，便于管理。是現代先進制造模式—柔性制造系統的雛形。CXZWMPM2023/7/2352中南大學復合路線法：以組內最復雜零件的工藝路線為基礎，添不組內其它零件需要的工序，最終形成滿足全組零件要求的成組工藝Moretolearn2023/7/2353中南大學2023/7/2354中南大學2.4成組技術的應用及其經濟效益（1）設計檢索；（2）成組工藝過程（3）成組夾具（4）成組技術在CAPP中的應用（5）以零件族為基礎編制生產計劃和生產作業計劃。2023/7/2355中南大學計算機輔助工藝過程設計系統按其工作原理主要可以分為3種型式，即檢索式、派生式和創成式。這3種型式的基礎分別是零件工藝的3種類型：標準工藝、典型工藝、生成工藝。本章將主要介紹派生式和創成式2種系統。3.CAPP工作原理2023/7/2356中南大學生產中有不少較簡單的零件，其工藝是相對固定的，長時間沒有變化，這樣就形成了標準工藝。標準工藝經整理后以代號表示，用時只要標明其工藝代號即可進行生產準備和制造。標準工藝可減輕工藝人員的重復勞動，提高效率。在計算機輔助工藝過程設計時，利用檢索式系統即可查出相應工藝。

(1)標準工藝2023/7/2357中南大學機械零件種類多，數量大，但可利用成組技術將其分組、分類，形成零件族或零件組。同一零件族的零件工藝過程雖有差異，但基本上是類似的。因此對每個零件族可以設計出一個代表零件及其工藝，稱為典型工藝。一個零件根據其分類編碼號，首先查出屬于那個零件族，再找出該零件族的典型工藝，然后根據這個零件的具體結構對典型工藝進行修訂，最后即得到該零件的加工工藝過程。在計算機輔助工藝過程設計中，可利用派生式系統，利用計算機輸入零件成組技術代碼，判別屬于哪個零件族，檢索其典型工藝，根據零件結構進行修改，最后輸出成形的工藝過程文件。(2)典型工藝2023/7/2358中南大學有些零件的工藝既不屬于標準工藝，又不屬于典型工藝，可直接利用計算機的工藝決策系統生成工藝。它既不像標準工藝可查詢，也不像典型工藝可以參考。生成工藝包含某類零件的全部。計算機輔助工藝過程設計中的創成式系統工作復雜；效率低。目前創成法原理尚不完善，大部分系統只能叫“半創成式”系統。(3)生成工藝2023/7/2359中南大學零件信息輸入是計算機輔助工藝過程設計的第一步。零件信息的描述則是計算機輔助工藝過程設計的關鍵。

(1)零件信息描述在計算機輔助工藝過程設計中，零件信息應包括2個方面：一是幾何信息，即零件的幾何形狀、尺寸、表面間相互位置等；二是工藝信息，指零件材料、毛坯、加工精度、熱處理等及相應的技術要求。零件信息描述方法很多，從描述零件的組成結構來看，有分類法、型面法、形體法等；從所用描述工具來看，有編碼描述、語言描述、數學描述等。在同一個零件的信息描述中可用多種描述方法。3.1CAPP的零件信息描述與輸入2023/7/2360中南大學1)人機交互式信息輸入計算機能夠準確無誤地接受零件的信息并能描述、檢索、存儲和處理這些信息。通過手工或人機對話方式，將零件的信息完整地輸入到計算機中。2)從CAD系統中提取零件信息零件信息描述在計算機集成制造系統和并行工程中，需遵守統一的數據交換標準(STEP)和產品數據管理(PDM)等規定，數據格式和管理應統一。在實現了CAD/CAPP/CAM一體化的情況下，可以利用中間接口或其它傳輸方式，將零件的設計信息直接從CAD系統數據庫中提取出來，用到零件工藝過程設計中去，而不必通過零件信息描述模塊。(2)零件信息輸入2023/7/2361中南大學派生式又叫變異式、樣件法等。它利用成組技術中的零件相似性原理進行設計。如果零件的結構形狀相似，則其工藝也有相似性。對于每個零件族，可以通過生產實踐和工作經驗制訂出一個典型工藝。當設計一個新零件的工藝時，通過檢索相似零件的典型工藝，經過編輯和修改而派生出一個該零件的工藝過程。3.2派生式CAPP系統2023/7/2362中南大學①對設計零件按所選分類編碼系統進行編碼，完成對零件的描述；②利用輸入模塊輸入零件的信息；③檢索及判斷新零件是否屬于某零件族，如屬于則調出；④調出該零件族的典型工藝過程，包括工藝路線和各工序內容；⑤根據輸入的零件信息，對典型工藝進行修改和編輯，生成零件的工藝規程；⑥對設計結果進行存儲或輸出。零件工藝規程生成過程如下：2023/7/2363中南大學創成式又叫生成式。它與派生式不同，不以對典型工藝的檢索和修改為基礎。它是根據輸入的或者是直接從CAD系統獲得的零件信息，依靠系統中的工藝數據和決策方式自動生成零件的工藝過程的系統。根據具體零件，系統能自動產生零件加工所需的各個工序和加工順序，自動提取制造知識，自動完成機床選擇、工夾量具選擇和加工過程最優化；通過應用工藝決策邏輯，可以模擬工藝設計人員的決策過程。3.3創成式CAPP系統2023/7/2364中南大學工藝設計是一項復雜的多層次、多任務的決策過程。工藝過程設計中的決策方式有多種型式，介紹3類決策方式，即數學模型(公式計算)決策、邏輯(推理)決策和智能思維(創造)決策。(1)數學模型決策這種決策是以建立數學模型并求解作為主要的決策方式。一般數學模型可分為3種類型。①系統性數學模型。②隨機性數學模型。③模糊性數學模型。1.工藝決策2023/7/2365中南大學在工藝過程設計中，如加工方法的選擇、機床設備選擇、刀具選擇以及工序安排等都可以采用邏輯決策。決策樹和決策表是描述或規定條件與結果相關聯的方法，即用來表示“如果(條件)、那么(動作)”的決策關系。1)決策樹決策樹又叫判定樹，它是用樹狀結構來描述和處理“條件”和“動作”之間的關系的方法。2)決策表決策表又叫判定表，它是用表格結構來描述和處理“條件”和“動作”之間的關系和方法。(2)邏輯推理決策2023/7/2366中南大學工藝過程設計中，有些決策往往依賴于工藝人員的經驗和能力，因此需要人工智能。人工智能是設計智能計算機系統的一個分支，這些系統呈現出與人類的智能行為如理解語言、學習、推理、聯想和解決問題等有關的特性。智能思維決策有專家系統、模糊邏輯和神經網絡等方法。

(3)智能思維決策2023/7/2367中南大學創成式CAPP系統不以標準工藝規程為基礎，而是從零開始由軟件系統根據零件信息直接生成一個新的工藝規程。(1)切削表面加工方法的選擇(2)加工順序的安排(3)機床及工藝裝備的選擇(4)加工余量的確定(