制造业及发展

制造业及发展 东北石油大学 机械科学与工程学院 杨松山,第1章 制造业,制造业是指对原材料(采掘业的产品和农产品)进行加工或再加工，以及对零部件装配工业的总称； 制造业一般有消费品制造业、轻工业品制造业和重工业品型制造业、民用产品制造业和军工产品制造业以及传统制造业和现代制造业之分； 工业化发达国家 ：大约 1 / 4的人口从事制造业，70 % 80 %的物质财富来自于制造业。,1.1 物质生产贯穿人类历史,材料、能源和信息是人类社会经济的三大重要支柱。人类社会经济发展的历史，就是人类利用材料、能源和信息进行物质生产的历史； 材料、能源和信息领域的任何技术革命，必然导致生产方式的革命和生产力发展的飞跃。,1.2 传统制造业发展史,制造业创造了人类 人与猿相分离，是由于人学会了双足行走和用手制造并使用工具，这是人类进化的关键一步。 随着狩猎和采集技术的改进，人们制造的工具日趋精细，种类越来越多，出现了有组织的石料开采和加工，形成了原始制造业。 使用工具、制造工具，即原始的制造技术和生产方式的改变引发了古猿进化的改辙，驱引他们用脑思维，脑容量增大，经选择遗传而与猿类分离，变成堂堂直立的人类 。 毛主席1964年有一首词贺新郎·读史，头几句是： “人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。” 原始的工具制造是人类社会制造业的最早萌芽。,制造业是产业革命的主力军 18世纪的产业革命和接踵而来的电气化运动，从1765年瓦特发明蒸汽机算起已延续了247年。这场波澜壮阔的工业革命使人类的生产和生活方式发生了不可逆转的伟大变化 ； 产业革命的标志瓦特蒸汽机的发明； 工业革命的第二个高潮电气化发生在19世纪后半叶和20世纪初； 以1948年美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克利发明晶体管，1958年制成第一台固体元件计算机为开端，晶体管的发明和微电子制造技术的飞速发展，开创了全新的信息时代。,制造业发展史的启示 蒸汽机和电机的应用，延伸了人的体力劳动，催生了工业革命，使人类社会通过工业化从农业社会发展到工业社会。 以计算机为核心的现代信息技术的应用，则延伸了人的脑力劳动，引发了新的工业革命，使人类社会通过信息化从工业社会发展到信息社会，信息化是信息时代的工业革命。,1.3 人类从工业化到信息化的里程碑,1765年蒸汽机的发明拉开工业化革命序幕； 20世纪上半叶一批发达国家完成工业化革命； 1948年晶体管发明； 1958年第一台固体元件计算机 ； 1959年第一块集成电路； 1960年ALGOL计算机语言； 1964年大型电子计算机IBM360系列； 1969年 互联网诞生； 1971年用大规模集成电路组成的微处理机； 1977年个人计算机及PC机； 1989年万维网（WWW）诞生； 在短短的50年时间内，信息技术使我们的生活发生了质的变化，世界全面转向信息化时代。,1.4 制造业发展的几个重要阶段,第一阶段手工单件生产 第二阶段大批量重复生产 第三阶段自动化生产 第四阶段现代集成制造,单件手工生产（第1阶段）,法国巴黎P&L汽车制造公司的汽车制造过程(1890年) 年产量800台 有许多独立的工匠手工完成 单件制造方式 生产流程 几个主要伙伴讨论用户需求，确定汽车规格 定购主要零件、各个承包商制造零件、汇总安装 特点 劳动力在设计、制造工艺水平上较高，组织十分分散 产量低、价格高、产品维护费用高 追求的目标 全面满足客户的要求 较高的制造装配工艺水平,大批量重复生产（第2阶段）,Ford生产线方式的引入（1908年） 零件互换、标准化技术的引入 装配线（固定线流动线） 结果：生产成本大量下降、生产率提高、产品的维护费用下降、维护方法简化 当生产量达到200万件时，价格降低了2/3。 特点 劳动力专业化分工、培训时间缩短 组织结构一体化、大而全，计划管理，由上而下协调生产组织官僚主义，对市场的响应能力下降 机床的能力不断提高 大批量生产追求的目标（50年代前） 大批量生产 低成本 提高劳动生产率,自动化生产（第3阶段） 50-70年代）,新的生产组织模式 制造资源计划MRP （美国） ManufacturingResourcePlanning 精益生产（日本） Siemens计划系统（德国） 制造设备水平提高 数控机床（50年代） 柔性制造系统FMS（70年代） 计算机辅助设计技术应用 CAD、CAPP、CAM、CAE技术应用 计算机集成制造系统CIMS,1.5 信息技术引发了制造业的变革,信息技术促使工业产品知识化，制造业信息化 产品信息化 设计制造过程信息化 管理信息化 资源信息化 服务信息化 信息技术推动了新技术经济体系的形成 产生了新的生产管理和组织形式 形成了当代最先进的生产力 为制造业注入了新的活力 增强了制造业的技术创新和管理创新能力。,信息技术促进了经济全球化与制造全球化 信息技术促进了敏捷制造的发展，形成了以虚拟制造和动态联盟为特征的新型制造模式； 网络技术促进了全球化制造的发展，引发了制造业的重新分工和资源的重新配置； 计算机技术促进了设计制造数字化，提高了产品创新能力，缩短了设计周期，降低了产品开发成本； 电子商务技术促进了全球化采购/销售，降低了采购与销售成本，提高了服务质量。,第2章 现代集成制造技术,柔性制造系统FMS（柔性制造技术是集自动化技术、信息技术和制作加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。所谓“柔性”，即灵活性，主要表现在：生产设备的零件、部件可根据所加工产品的需要变换；对加工产品的批量可根据需要迅速调整；对加工产品的性能参数可迅速改变并及时投入生产；可迅速而有效地 综合应用新技术；对用户、贸易伙伴和供应商的需求变化及特殊要求能迅速做出反应。采用柔性制造技术的企业，平时能满足品种多变而批量很小的生产需求，战时能迅速扩大生产能力。,1）柔性制造技术基础,柔性制造系统(Flexible Manufacturing System)，英文缩写为FMS。 信息控制系统 物料储运系统 数字控制加工设备 能适应加工对象变换的自动化机械制造系统 柔性制造单元(FMC) 12台数控机床与物料传送装置， 有独立的工件储存站和单元控制系统， 能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件， 可实现有限工序的连续生产， 多品种小批量生产。 柔性制造系统发展方向: 各种工艺内容的柔性制造单元和小型FMS； 完善FMS的自动化功能； 扩大FMS完成的作业内容，并与计算机辅助设计和辅助制造技术(CAD/CAM)相结合，向全盘自动化工厂方向发展。,二、柔性系统组成,（1）立体化仓库 （2）小型数控铣单元 （3）上料单元 （4）下料单元 （5）加盖单元 （6）转角单元 （7）穿销钉单元 （8）液压换向单元 （9）加工单元 （10）图像识别单元 （11）综合检测单元 （12）废品分拣单元 （13）条形码识别单元 （14）伸缩换向出入库机构 （15）总控单元,三、柔性系统涉及的相关知识,机械传动： “O”型皮带传动 扁平皮带传动 辊传动 齿轮、齿条差动升降机构 丝杠、丝母机构 螺杆调节机构 间歇机构 链轮、链条差动机构 同步齿型带传动机构 滚珠丝杠传动机构 链条长度补偿机构 蜗轮、蜗杆减速机构,电气技术:,现场总线技术 变频调速技术 可编程控制器的编程及应用 电机传动 各种传感器的应用 步进电机控制 气动控制 伺服电机控制 继电器控制 计算机组态、计算机控制的技术,物流及其他技术：,物流仓储技术 条形码识别技术 现场实时监控技术 电子标签物料识别技术 机器人运行及控制技术,四、PROFIBUS-DP 工业现场总线控制系统,现场总线发展的状况 现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。 20世纪90年代以来，现场总线技术以及基于该技术的控制系统（FCS）在国内外引起人们的高度重视，成为世界范围内自动化技术发展的热点。据不完全统计，世界上有近200种现场总线技术，经过十几年的竞争和完善，较具生命力的有几十种。德国西门子公司的PROFIBUS，Echelon公司的LON Works，Rober Bosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，法国的FIP，以及国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBus Foundation，WorldFIP，BitBus，美国DeviceNet与ControlNet等,PROFIBUS现场总线简介,PROFIBUS自1984年开始研制现场总线产品，现以成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，欧洲市场占有率大于40%，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域。 PROFIBUS家族包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS三个成员。其中PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）是一种高速和便宜的通信连接，用于自动控制系统和设备级分散的I/0之间进行通信。,总线控制系统的结构,该系统共有两层网络结构，采用PROFIBUS-DP数据传输模型，运用RS-485传输技术。 （1）底层（设备层）为PROFIBUS-DP工业现场总线层。 （2）上层（人机交互层）为WINCC监控层。,总线控制系统的硬件开发,硬件开发步骤,硬件开发示意图,总线控制系统的软件开发,控制系统软件开发程序流程图,五、 PLC控制及应用,PLC的定义 可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。 发展方向 方便灵活和小型化 近来，为了满足工业生产的不同需要，小型机功能不断增加，例如数值运算、模拟量处理、与上位计算机联网通讯、CRT编程器等功能。 大容量和高功能化 机电一体化 通讯和网络标准化,六、 ProfiBus与柔性制造系统,在编程前首先要完成PLC300和PLC200与计算机的连接。将CP5611接口卡插入计算机扩展槽中并联结MPI通讯电缆至PLC300的MPI插口上，然后启动计算机与PLC 300即可完成计算机与PLC 300的通讯连接；PLC200必须利用软件STEP7-MicroWIN4.0来完成与计算机的连接。,ProfiBus通讯技术,ProfiBus主要有三部分组成，包括： 1由现场总线报文ProfiBus-FMS 2分布式外围设备ProfiBus-DP 3过程控制自动化ProfiBus-PA,ProfiBus通讯技术,ProfiBus通讯技术,ProfiBus通讯技术,ProfiBus通讯技术,ProfiBus通讯技术,ProfiBus通讯技术,ProfiBus通讯技术,ProfiBus通讯技术,计算机集成制造CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems） 它是在信息技术、自动化技术与制造技术的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统即无人化工厂。集成化反映了自动化的广度， 智能化则体现了自动化的深度。,一、成组技术（简称GT）,第3章 成组技术,市场竞争日益激烈，产品更新换代越来越快。多品种、 中小批生产方式约占75%80%，产品的生产效率低、 成本高、市场竞争能力差。如何用规模生产方式组织中 小批产品的生产成组技术就是针对这种需求而发展 起来的一种先进技术。,