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中国制造业及发展


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。
制造业在我国工业总产值中所占比重
42.47% 57.53%
制造业 其它

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。
信息

材料

物质生产

产品

能源

1.2 传统制造业
? 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,脑容量逐渐增大,经选择遗传而与猿类 分离,变成堂堂直立的人类 。 ? 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 ? 第一次工业革命———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 ; ? 第二次工业革命———电气化发生在19世纪后 半叶和20世纪初; ? 信息时代是以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 计算机及信息时代。

? 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。
工业化 信息化 工业社会 工业革命 新的工业革命 信息社会

农业社会

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; 1901年发达国家进入工业化革命; 1948年——晶体管发明; 1952年——第一台数控机床; 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40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 制造业发展的重要阶段
? ? ? ?

第一阶段--手工单件生产; 第二阶段--机器单件生产; 第三阶段--自动化生产线; 第四阶段--现代集成制造。

□手工生产(第1阶段)
? 用手工劳动或运用简单的生产工具从事生产活动

。包括完全用手工或使用手工工具进行的生产, 利用人力或畜力从事运输或装卸工作,凭眼力或 各种手工量具进行检查检验活动等。 ? 手工生产是工业生产的最初形式,开始从属于农 业,习称家庭手工业,逐步发展成为协作生产的 手工业作坊和工场手工业。

□单件生产(第2阶段)
? 单件生产是指产品品种多,而每一种产品的结构、尺寸不

同,且产量很少,各个工作地点的加工对象经常改变,且 很少重复的生产类型。

? 单件生产的特点 ? 1、产品品种繁多,而每一种产品的产量仅一台(件) 或少数几台(件)。 ? 2、大部分产品一次生产就不再重复生产,有的虽会重复 生产,但是没有固定的重复期。 ? 3、生产稳定性差,工艺化程度低,大多数工作地要承担 很多道工序。

□自动化生产线(第3阶段)
? 自动化生产线是产品生产过程所经过的路线,即从原

料进入生产现场开始,经过加工、运送、装配、检验 等一系列生产活动所构成的路线。狭义的生产线是按 对象原则组织起来的,完成产品工艺过程的一种生产 组织形式,即按产品专业化原则,配备生产某种产品 (零、部件)所需要的各种设备和各工种的工人,负 责完成某种产品(零、部件)的全部制造工作,对相 同的劳动对象进行不同工艺的加工。 ? 自动化生产线是在无人干预的情况下按规定的程序或 指令自动进行操作或控制的过程,其目标是“稳,准 ,快”。采用自动生产线不仅可以把人从繁重的体力 劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解 放出来,而且能扩展人的器官功能,极大地提高劳动 生产率,增强人类认识世界和改造世界的能力。

□现代集成制造(第4阶段)
? 柔性制造系统(FMS)
? (Flexible Manufacture System),是一组数控机床和

其他自动化的工艺设备,由计算机信息控制系统和物料自动 储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、物流、信 息三个子系统组成,在加工自动化的基础上实现物料流和信 息流的自动化。 ? 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:①生产设备的零件、部件可根据所加工产品的需 要变换;②对加工产品的批量可根据需要迅速调整;③对加 工产品的性能参数可迅速改变并及时投入生产;④可迅速而 有效地 综合应用新技术;⑤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。

? 计算机集成制造CIMS (Computer

Integrated Manufacturing Systems)
CIMS是通过计算机硬软件综合运用现代管理技术 、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术 将企业生产的全部过程中有关的人、技术、经营管理 三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的 大系统。



第2章 成组技术
2.1 成组技术的基本原理 2.2 零件分类编码系统 2.3 零件的分组方法 2.4 成组技术的应用及其经济效益

2.1 成组技术的基本原理
(1)成组技术的基本概念
? 传统小批量生产方式的缺点 ? 产量小,生产周期长,限制了先进技术的采

用,生产效率低
? 生产准备工作量大 ? 生产计划、组织管理复杂化

? 零件的相似性原理和成组技术的诞生 ? 大量统计资料表明,机械产品中相似件占70%

(结构形状和加工工艺等相似)
? 成组技术正是研究和利用了有关事物的相似

性,将企业的各种产品、部件和零件,按一
定的相似性准则分类编组,并以这些组为基 础,组织生产环节,实现多品种、中小批量 生产的产品设计、制造、管理的合理化

? 成组技术的实质 ? 复杂而多样的事物或信息中,有许多问题具有

相似性,把相似问题分组,就能使复杂问题简
化,从而找出解决这一组问题的同一方法或答 案,并节省时间和精力

? 实质:按零件的形状、尺寸、制造工艺的相似

性,将零件分类归并成组(族),扩大零件的 工艺批量,以便采用高效率的工艺方法和设备 ,使中小批量生产也能获得类似大批量流水生 产的经济效益。
? 成组技术成了CAD、CAPP、CAM、FMS等的技术基



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? 成组技术能对同类问题给出统一的标准解决

办法; ? 避免产生解决同类问题方法的不统一与不必 要的多样化; ? 可重复利用解决同类问题已有的信息与资源 正因为成组技术具有这些特点,所以它可以:
? 简化生产技术准备工作,加快新产品的开

发和上市速度 ? 有效扩大批量,以利经济合理地采用先进 制造技术 ? 可以方便地组织专业化生产

? 上世纪50年代,前苏联学者Mitrofanov首先

提出成组技术原理,然后迅即在东欧(捷克 等国)得到推广应用 ? 及至上世纪60年代,在西欧(德、法、英等 国)和中国、日本传播应用 ? 美国则在上世纪80年代才接受GT ? GT 经历了: 成组加工 成组工艺 成组技术的 发展过程

2.2 零件分类编码系统
(1)概念

分类——把事物划分成不同组的过程
编码——对不同组的事物给予不同的代码 零件分类编码——抽象地反映零件名称、功能、结

构、形状、工艺特性、精度等信息的代码(符号)
编码法则——对代码代表的意义所作出的明确规定

和说明

(2)原理
?成组技术的编码,必须充分反映机械零件的各种

特征,这些特征包括:零件的结构和形状、各组 成表面的类别及配置关系、零件材料及热处理、 几何尺寸、加工精度和表面质量
?代码必须能唯一地区分产品零件族

对零件分类编码系统的要求:
? 充分、全面、准确地描述零件信息 ? 系统逻辑层次分明,结构合理 ? 容易被计算机理解和处理 ? 考虑与CAD、CAM的链接和企业的应用要求 ? 易于被工程人员理解,易于编程

(3)零件分类编码系统的示例
? VUOSO分类编码系统 ? 原捷克斯洛伐克金属切削机床研究所为机

床行业制订的一个系统。 ? 结构属于10进制4位码。

回转体零件

轴线上有

有齿形、花键 通孔 2 轴线上有 通孔 无孔


VUOSO 分类编码 系统
0 1 2 3 4 5

无孔 0

盲孔 1 Dmax < 40

3
(L/D)max <1 1~6 >6 <1 1~4 >4 <3 >3 <3 > 30

4

41 ~ 80



6 7 8 9

81 ~ 200 > 80 > 200 其它

VUOSO分类编码系统(续)


0 0 1 1
光滑或台阶 轴线上有螺纹

2
圆 柱 齿

3

4
有花键 其它 铸 件
各 种 型 板 线 材 和 锻 件


非金属 灰铸铁

2
3 4 5 6 7 8 9

轴线外有孔
有槽或平面 1+2 1+3 2+3 1+2+3 锥面 异形

圆 锥 齿
蜗 轮 多 联 齿 其 它

有花键
其它 有花键 其它 有花键 其它 有花键

球铁或铸钢
有色金属 普通探钢
优 质 和 合 金 钢

渗炭钢 淬硬钢 热处理钢 其它合金钢 有色金属

其它

? 系统的基本特点
? 类:描述零件基本轮廓形状。它决定了零件的主要

工艺过程和主要表面的加工。 ? 级:很巧妙地用两个尺寸参数(D与L/D)进一步 描述了零件的几何形状,同时也确定了零件的安装 方法和所应选用的机床。 ? 型:描述次要的结构要素。它们是依附于主要轮廓 形状上。因此,它们必须在主要轮廓形状经过粗或 半精加工后方可加工。

VUOSO分类编码系统中名词解释
?

光滑或台阶

?

轴线上有螺纹

?

轴线外有孔

零件分类编码的图例
18 75 25 ?
115

?
材料:QT400–17

图2–2 轴

材料:45

分类编码结果

50

图2–1

轴承端盖
40

017 6
图2–3 齿轮
? 90 材料: 40 Cr

分类编码结果

2 3 2 2

4606

分类编码结果

(4)代码结构的类型
层次式(又称单元码):每一代码的含义都 由前一级代码限定(各分支都必须定义) ? 链式(矩阵式)(又称多元码):码位上每一 个数字都代表不同的信息,与前面的码位无关 ? 混合式(层次式和链式混合):综合层次式和 混合式代码的长处
?

(5)零件的编码系统

常用的分类编码系统有如下两种:
奥匹兹(Opitz)分类编码系统 德国亚琛工业大学的H· 奥匹兹教授领导研制成功

? 基本结构

奥匹兹代码采用混合式代码结构;由9位代 码组成,前5位为几何码(又称主码),分 别代表零件的种类、基本形状、回转表面加 工、平面加工、辅助孔、轮齿、型面加工; 后4位为辅助码,分别代表主要尺寸(直径 或边长)、材料类型、毛坯形状、加工精度 ;每一个码位有10个特征码.

JLBM-1分类编码系统
? 这是“机械工业成组技术零件分类编码系统”

的汉语拼音缩写
? 1985年由我国机械电子工业部设计研究总院负

责制订

? 采用混合式代码结构;由15位代码组成,第

1、2位代码代表零件名称类别;第3~9位是 形状与加工码(为主码);第10~15位代码 为辅助码,分别代表材料、毛坯原始形状、 热处理、主要尺寸、加工精度;每一个码位 有10个特征码

2.3 零件的分组方法
2.3.1 编码分组法
? 目的:

? 减少现有零件工艺过程的多样性
? 扩大零件的工艺批量

? 提高工艺设计的质量
? 依据: ? 根据零件的结构特征和工艺特征的相似性

(1)方法:
?

视检法:由有经验的工艺师根据零件图样或实际 零件及其制造过程,直观地凭经验判断零件的相 似性,对零件进行分类成组; 生产流程分析法:按工艺特征相似性分类,先根 据零件的工艺路线卡列出工艺路线表,再对生产 流程进行分析、归纳、整理
编码分类法:采用特征码位法和码域法,扩大工 艺批量;

?

?

? 特征码位法:在分类编码系统的各码位中,选

取一些特征较强、对划分零件族影响较大的码 位作为零件分组的主要依据,而其余码位则予 以忽略。

?码域法:对特征码位上的数据规定某一范围, 而不是要求特征码位上的数据完全相同。
Ⅰ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ⅱ Ⅲ Ⅳ

(2)制订成组工艺过程
? 复合零件法(又称为主样件法):按照零件

族中的复合零件来设计工艺规程的方法;
? 复合零件即拥有同组零件的全部特征加工表

面要素的一个零件。

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1

2

3

4

5

1: 0106 1: C-C

2: 0136 2: C-C-XJ

3: 0136 3: C-C-XJ-X

4: 0126 4: C-C-Z

1

2

3

4

5

复合零件

(3)成组生产的组织形式
? 成组单机
? 把一组工序相同或相似的零件族集中在一台

机床上加工
? 特点:针对从毛坯到成品多数工序可以在同

一类型的设备上完成的工件;也可以只完成 其中某几道工序
? 功用:成组技术的最初形式,是成组技术发

展的基础;减少机床调整时间,有一定经济 效果

? 成组生产单元 ? 指一组或几组工艺上相似零件的全部工艺过程,

由相应的一组机床完成,该组机床即构成车间的一 个封闭生产单元 ? 特点:把几种类型机床组成一个封闭的生产系统; 完成一组或几组相似零件的全部工艺过程;有一定 的独立性,并有明确的职责 ? 功用:设备利用率高;缩短了生产周期;简化了生 产管理

机群制的平面布置
C C C C C

WM
PM

WM
PM

C

X

X
X

Z Z

Z Z

Z Z

X

GT生产单元
C X Z

WM

PM

? 属于流水型生产。零件的加工按工艺流程进行。 ? 在制品的数量可以显著减少。这时可按运输批量转移。

? 零件的运输距离缩短,在制时间缩短,因此生产周期短。
? 可实现一专多能的多机床看管,有利于提高生产效率。 ? 生产单元可实现生产任务的承包制,便于管理。 ? 是现代先进制造模式 — 柔性制造系统的雏形。

? 复合路线法:以组内最复杂零件的工艺路线

为基础,添不组内其它零件需要的工序,最 终形成满足全组零件要求的成组工艺

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2.4 成组技术的应用及其经济效益
(1)设计检索; (2)成组工艺过程 (3)成组夹具 (4)成组技术在CAPP中的应用 (5)以零件族为基础编制生产计划和生产 作业计划。

3. CAPP工作原理
计算机辅助工艺过程设计系统按其工作原理主要可以 分为3种型式,即检索式、派生式和创成式。这3种型 式的基础分别是零件工艺的 3 种类型:标准工艺、典 型工艺、生成工艺。

本章将主要介绍派生式和创成式2种系统。

(1)标准工艺
生产中有不少较简单的零件,其工艺是相对固定的,长时间 没有变化,这样就形成了标准工艺。标准工艺经整理后以代 号表示,用时只要标明其工艺代号即可进行生产准备和制造。 标准工艺可减轻工艺人员的重复劳动,提高效率。在计算机 辅助工艺过程设计时,利用检索式系统即可查出相应工艺。

(2)典型工艺
机械零件种类多,数量大,但可利用成组技术将其分组、 分类,形成零件族或零件组。同一零件族的零件工艺过程 虽有差异,但基本上是类似的。因此对每个零件族可以设 计出一个代表零件及其工艺,称为典型工艺 。一个零件 根据其分类编码号,首先查出属于那个零件族,再找出该 零件族的典型工艺,然后根据这个零件的具体结构对典型 工艺进行修订,最后即得到该零件的加工工艺过程。 在计算机辅助工艺过程设计中,可利用派生式系统,利用 计算机输入零件成组技术代码,判别属于哪个零件族,检 索其典型工艺,根据零件结构进行修改,最后输出成形的 工艺过程文件。

(3)生成工艺
有些零件的工艺既不属于标准工艺,又不属于典型工艺, 可直接利用计算机的工艺决策系统生成工艺。它既不像标 准工艺可查询,也不像典型工艺可以参考。
生成工艺包含某类零件的全部。计算机辅助工艺过程设计 中的创成式系统工作复杂;效率低。目前创成法原理尚不 完善,大部分系统只能叫“半创成式”系统。

3.1 CAPP的零件信息描述与输入
零件信息输入是计算机辅助工艺过程设计的第一步。零件信 息的描述则是计算机辅助工艺过程设计的关键。
(1)零件信息描述

在计算机辅助工艺过程设计中,零件信息应包括 2 个方面: 一是几何信息,即零件的几何形状、尺寸、表面间相互位置 等;二是工艺信息,指零件材料、毛坯、加工精度、热处理 等及相应的技术要求。
零件信息描述方法很多,从描述零件的组成结构来看,有分 类法、型面法、形体法等;从所用描述工具来看,有编码描 述、语言描述、数学描述等。在同一个零件的信息描述中可 用多种描述方法。

(2)零件信息输入
1)人机交互式信息输入 计算机能够准确无误地接受零件的信息并能描述、检索、 存储和处理这些信息。通过手工或人机对话方式,将零件 的信息完整地输入到计算机中。 2)从CAD系统中提取零件信息 零件信息描述在计算机集成制造系统和并行工程中,需遵 守统一的数据交换标准(STEP)和产品数据管理(PDM)等规 定,数据格式和管理应统一。在实现了CAD/CAPP/CAM一体 化的情况下,可以利用中间接口或其它传输方式,将零件 的设计信息直接从CAD系统数据库中提取出来,用到零件 工艺过程设计中去,而不必通过零件信息描述模块。

3.2派生式CAPP系统
派生式又叫变异式、样件法等。它利用成组技术中的零件 相似性原理进行设计。如果零件的结构形状相似,则其工 艺也有相似性。对于每个零件族,可以通过生产实践和工 作经验制订出一个典型工艺。当设计一个新零件的工艺时, 通过检索相似零件的典型工艺,经过编辑和修改而派生出 一个该零件的工艺过程。

零件工艺规程生成过程如下:
① 对设计零件按所选分类编码系统进行编码,完成对

零件的描述; ②利用输入模块输入零件的信息; ③检索及判断新零件是否属于某零件族,如属于则调 出;

④调出该零件族的典型工艺过程,包括工艺路线和各 工序内容;

⑤根据输入的零件信息,对典型工艺进行修改和编辑, 生成零件的工艺规程; ⑥对设计结果进行存储或输出。

3.3创成式CAPP系统
创成式又叫生成式。它与派生式不同,不以对典型工 艺的检索和修改为基础。它是根据输入的或者是直接 从 CAD 系统获得的零件信息,依靠系统中的工艺数据 和决策方式自动生成零件的工艺过程的系统。
根据具体零件,系统能自动产生零件加工所需的各个 工序和加工顺序,自动提取制造知识,自动完成机床 选择、工夹量具选择和加工过程最优化;通过应用工 艺决策逻辑,可以模拟工艺设计人员的决策过程。

1.工艺决策
工艺设计是一项复杂的多层次、多任务的决策过程。工艺过程 设计中的决策方式有多种型式,介绍3类决策方式,即数学模 型(公式计算)决策、逻辑(推理)决策和智能思维(创造)决策。 (1)数学模型决策 这种决策是以建立数学模型并求解作为主要的决策方式。一般 数学模型可分为3种类型。 ①系统性数学模型。 ②随机性数学模型。 ③模糊性数学模型。

(2)逻辑推理决策
在工艺过程设计中,如加工方法的选择、机床设备选择、刀 具选择以及工序安排等都可以采用逻辑决策。

决策树和决策表是描述或规定条件与结果相关联的方法,即 用来表示“如果(条件)、那么(动作)”的决策关系。
1)决策树

决策树又叫判定树,它是用树状结构来描述和处理“条件” 和“动作”之间的关系的方法。
2)决策表 决策表又叫判定表,它是用表格结构来描述和处理“条件” 和“动作”之间的关系和方法。

(3)智能思维决策
工艺过程设计中,有些决策往往依赖于工艺人员 的经验和能力,因此需要人工智能。人工智能是 设计智能计算机系统的一个分支,这些系统呈现 出与人类的智能行为如理解语言、学习、推理、 联想和解决问题等有关的特性。
智能思维决策有专家系统、模糊逻辑和神经网络 等方法。

2.创成式CAPP系统的工序设计
创成式CAPP系统不以标准工艺规程为基础,而是从零开始由 软件系统根据零件信息直接生成一个新的工艺规程。 (1)切削表面加工方法的选择

(2)加工顺序的安排
(3)机床及工艺装备的选择 (4)加工余量的确定 (5)工序尺寸及公差的确定 (6)切削用量的确定

(7)工序图的生成与绘制

海洋石油981
981”,是由中国船舶工业集团公司第七〇八研究所设计 、上海外高桥造船有限公司承建的,耗资60亿元,中海 油拥有自主知识产权,由中海油服租赁并运营管理。该 平台采用美国F&G公司ExD系统平台设计,在此基础上 优化及增强了动态定位能力,以及锚泊定位,是在考虑 到南海恶劣的海况条件下设计的,整合了全球一流的设 计理念、一流的技术和装备,所以它还有着“高精尖” 内涵。除了通过紧急关断阀、遥控声呐、水下机器人等 常规方式关断井口,该平台还增添了智能关断方式,即 在传感器感知到全面失电、失压等紧急情况下,自动关 断井口以防井喷。设计能力可抵御两百年一遇的超强台 风,首次采用最先进的本质安全型水下防喷器系统,具 有自航能力,还有世界一流的动力定位系统。

? 海洋石油981深水半潜式钻井平台,简称“海洋石油

海洋石油-117 (FPSO)
? FPSO(Floating Production Storage & Offloading的缩

写,即 “浮式生产储存卸货装置”。它集生产处理、储存外 输及生活、动力供应于一体。FPSO俨然一座“海上油气加工 厂”把来自油井的油气水等混合液经过加工处理成合格的原油 或天然气,成品原油储存在货油舱,到一定储量时经过外输系 统输送到穿梭油轮。 ? FPSO系统----作为海上油气生产设施,FPSO系统主要由系 泊系统、载体系统、生产工艺系统及外输系统组成,涵盖了数 十个子系统。作为集油气生产、储存及外输功能于一身的 FPSO具有高风险、高技术、高附加值、高投入、高回报的综 合性海洋工程特点。FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围 广、储/卸油能力大及可以转移、重复使用等优点,广泛适合 于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发。 ? FPSO是一个装了炼油设备的没有动力的船,采用单点系泊模 式在海面上固定。FPSO通常与钻油平台或海底采油系统组成 一个完整的采油、原油处理、储油和卸油系统,其作业原理是 :通过海底输油管线接受从海底油井中采出的原油,并在船上 进行处理,然后储存在货油舱内,最后通过卸载系统输往穿梭 油轮(SHUTTLE TANKER)。


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