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1、机械制造装备设计,哈尔滨工业大学（威海）机器人研究所 山东省现代数字化医疗装备高校重点实验室 黄 博,本课程主要讲述内容,机械制造装备及制造业动态 机械制造装备设计方法 金属切削机床设计 典型部件设计 工业机器人设计 机床夹具设计 物流系统设计 机械加工生产线总体设计,物流系统的意义,物流（Logistic） 据德国统计： 生产周期中，工件有85%的时间处于等待状态； 5%的时间用于运输和检测； 10%的时间用于加工和调整。 单纯改进加工过程，最多再缩短生产周期的3%5%。 总经营费用中： 20%50%是物料搬运费用；合理物流可减至10%30%。 丰田公司提出“彻底排除生产过程中的浪费” 过量
2、生产的浪费； 等待的浪费； 搬运的浪费； 加工本身的浪费； 库存的浪费 动作的浪费 加工废品的浪费,企业内部物流系统生产物流,生产物流（Production Logistics） 指企业生产过程中发生的涉及原材料、在制品、半成品、产成品等所进行的物流活动。 起点：原材料、外购件的投入； 终点：产成品仓库，中间每个节点的加工、搬运、仓储等活动。,企业内部物流系统生产物流,生产物流是生产用物料在空间和时间上的运动过程，是生产系统的动态表现。 既包括物料在空间上的布局； 也包括时间上的组织。 具体有： 1、工厂布置： 工厂范围内各生产手段的位置确定、 各生产手段之间的衔接，以及实现这些生产手段的方式
3、。 2、工艺流程： 即产品的技术加工过程。 3、装卸搬运： 是生产物流过程中发生频率最高的物流活动。 4、仓库作业： 用于生产过程中半成品、在制品短暂停留的场所。,企业生产物流生产类型,企业生产物流工艺特点对比,企业生产物流生产过程组织,企业生产物流生产过程组织,企业生产物流生产过程组织,空间组织 工艺化方法 按照不同的工艺性质建立专业化生产单位，在工艺专业化的生产单位内，集中着同种类型的生产设备和同工种的生产工人，每一个生产单位只完成同种工艺方法的加工或同种功能。 如：铸造厂、锻造厂、热处理厂。 又如：将多种零件的类似加工工艺集中在一个区域； 对象化 把加工对象的全部或大部分工艺过程集中在一
4、个生产单位中，组成以产品或零件、部件、零件组为对象的专业化生产单位。 如：齿轮厂、曲轴厂、电机厂等。 又如：某一个区域内包含多种加工方法的机床，仅为特定对象服务。 混合法 其实有些类似于成组法的方法，将多个对象的相同工艺集中处理，尽量集中二者的优点。,企业生产物流生产过程组织,时间组织 顺序移动方式 整批移动，管理工作简单，会出现加工零件在工序上等待的现象，加工周期长，适宜批量不大和工序较短的零件加工。 平行移动方式 单件移动，由于前后道工序的加工时间不等，零件在工序之间仍会有等待和停顿，从而会使设备和工人发生停歇现象，并且这些停歇时间是分散的，不能使用；适宜产量大和工序同期化程度高的产品生产
5、。 混合移动方式（平行顺序移动） 两者结合,扬长避短，保持每道工序连续进行,企业生产物流生产过程组织,生产过程组织的要求 连续性 不出现或少出现不必要的中断、停顿或等待的现象。 平行性 各工序在时间上实行平行交叉作业。零件平行；工序平行。 比例性 生产过程各阶段、各工序之间在生产能力上要保持一定的比例性。具体体现在工人人数、设备数量、生产速率、开工班次上。 均衡性 按计划有节奏、均衡的进行。时间间隔内生产相等或递增数量的产品。 准时性 在需要的时间生产出需要种类、需要数量的产品。 适应性 指能由生产一种产品迅速转移到生产另一种产品的应变能力。,企业生产物流生产过程组织,经营计划针对全部产品线的
6、长期计划； 综合计划针对规格产品的中期计划（6-18个月） （主）生产计划针对特定产品的中短期计划（3-12个月）,规划的变量： 改变能力； 改变需求； 具体策略： 稳定策略 跟踪策略 混合策略,企业生产物流生产过程组织,主生产计划（Master Production Schedule ） 承上启下 保持与综合计划的一致性；驱动MRP计划及其他计划 为客户提供可靠的订单交货期或订单承诺 评估计划变更的影响,企业生产物流生产过程组织,物料需求计划（MRP Material Requirement Planning) MRP只是一个生产计划与控制系统； 与企业管理有着密切联系的财务、销售和经营规划
7、等脱节； MRPII（企业内部的人、财、物） 围绕企业的基本经营目标，以计划为核心，对企业各种制造资源进行统一的计划和控制，全面集成销售、制造和财务管理功能，使企业的物流、信息流、资金流流动畅通的动态反馈系统。 一般分为生产控制（计划、制造）； 物流管理（分销、采购、库存管理）； 财务管理（帐务、成本、资金）三大子系统。 ERP(Enterprise Resourse Planning) 扩展了管理范围，把客户需求和企业内部的制造活动以及供应商的制造资源整合在一起，对供应链上的所有环节进行有效管理。 MRPII仍是ERP的主要组成部分； 供应链的所有环节有效管理，上升到对价值链的控制。,企业生
8、产物流生产过程组织,企业生产物流生产过程组织,JIT准时制生产（ Just-In-Time ） 20世纪60年代丰田公司的生产管理系统； 在正确的时间(Right Time)、正确的地点(Right Place)做正确的事情(Right Thing)； 以期达到零库存、无缺陷、低成本的理想生产模式。 凡是超出生产所绝对必要的最少的设备、材料、零件和工作时间的部分都是浪费。 看板管理系统是JIT生产现场控制技术的核心，利用看板技术控制生产和物流，可达到准时生产的目的。,企业生产物流生产过程组织,MRP与JIT对比 理念不同MRP承认现状，不期望改变现有管理，将库存视为资产，平衡能力与需求；JIT
9、改变现状，消除浪费。 执行侧重不同MRP关注计划，解决的是复杂情况下的计划与规划问题；JIT注重执行，解决的是执行过程的简化与柔性问题。 生产和控制方式不同：MRP是推式系统，适用于离散制造；JIT是拉式系统，适用于重复制造。,企业生产物流厂房布置,东风汽车公司前身是70年代开始建设的第二汽车制造厂，位于湖北省十堰市。 22个专业厂分布于十堰市各山坳内，布局十分分散，东西距离近30公里。 没有考虑大物流量生产所必需遵循的“移动距离最小原则”，在生产系统规划与设计中没有进行正确的物流分析，工厂布置分散，22专业厂分散在山坳。 由于零件工艺线路长，专业厂相互之间复杂的协作关系，加上厂房车间地域上的
10、分散，东风公司的生产组织极其复杂，物流始终是压在企业肩上的一个重担。 十堰基地也给东风汽车公司的后续发展带来障碍，公司不得不另址规划其载重车和轿车的生产厂址，不过，通过总结教训和学习，从襄樊到武汉，公司工厂布置与设计已经发生了质的飞跃。,企业生产物流厂房布置,工厂总体平面布置 解决工厂各个组成部分，包括生产车间、辅助生产车间、仓库、动力站、办公室等各种作业单位和运输线路设施的相互关系，解决物料流向和流程、厂内外运输的连接。 车间布置 解决工作地、设备、通道、管线之间和相互位置，解决物料搬运的流程及运输方式。 设施布置原则 整体综合原则(将有影响的所有因素都考虑进去，以达到优化的方案) 移动距离
11、最小原则 流动性原则(应使在制品在生产过程中流动顺畅，消除无谓停滞) 空间利用原则(生产区或储存区力求充分有效利用空间。 ) 柔性原则(考虑各种因素可能带来的变更，以便于扩展和调整) 安全原则（如铁岭市清河特殊钢-钢包事件）,企业生产物流厂房布置,基本原始资料 产品（Product） 产量（Quality） 工艺过程（Route） 辅助部门（Service） 时间安排（time) 物流分析 工艺过程图 从至图 作业单位相互关系 Absolutely Necessary) Especially Important Important Ordinary Unimportant X(不能接近）,企业
12、生产物流厂房布置,作业单位物流相关表 作业单位的非物流相关表 作业单位位置相关图,企业生产物流机床上下料装置设计,机床上下料装置（工件自动装卸装置） 将待加工工件送到机床上的加工位置； 将已加工工件从加工位置取下至流水线或码垛。,企业生产物流机床上下料装置设计,企业生产物流机床上下料装置设计,上下料装置的设计原则 符合生产节拍要求，提高生产率； 力求平稳，减少冲击，保证工件不变形或损坏； 简单可靠，维护方便。 一定适应范围，尽量满足多种工件上下料要求。 机床上下料装置的分类,企业生产物流机床上下料装置设计,液体上量,企业生产物流机床上下料装置设计,粉粒料供料,企业生产物流机床上下料装置设计,卷
13、料,企业生产物流机床上下料装置设计,料仓式上料机构 一种半自动的上料装置，其特点是不能使工件自动定向，需要人工定时将一批工件按照一定的方向和位置，顺序排列在料仓中，然后由送料机构将工件逐个送到机床夹具中去。,企业生产物流机床上下料装置设计,料仓贮存工件（自重式、外力式） 自重式：直线式、曲线式、螺旋式、料斗式、料斗-料箱式等； 外力式：弹簧式、摩擦带式、链式、圆盘式等。,企业生产物流机床上下料装置设计,搅动器 工件在斗式料仓中整齐排列堆积时，常常会在内部互相挤住而形成“拱桥”，使得工件被卡住不能下落。 为了保证上料装置能够连续地正常工作，常在这种料仓中设置搅动器，用以破坏“拱桥”。,a 波纹或
14、齿纹 b 摆动杠杆式 c 摆动杠杆加菱形搅动器 d 摆动凸块搅动器 e 电磁振动搅动器,企业生产物流机床上下料装置设计,输料槽 将工件从料仓输送到上料机构中，有时还兼有贮料的作用。 按其外部形状分，有直线型、曲线形和螺旋型等型式； 按工件运动状态分，有滚道式、滑道式、辊道式等。,企业生产物流机床上下料装置设计,隔料器 控制从输料槽（ 或料仓）进入送料器的工件数量。 有时隔料器的作用兼由送料器来完成。,企业生产物流机床上下料装置设计,上料机构,1 工件 2 输料槽 3 推料缸 4 送料盘 5 顶尖 6 顶尖气缸 7 下料工位 8 棘爪 9 棘轮 10 棘爪气缸,企业生产物流机床上下料装置设计,料
15、斗式上料机构 自动化的上料装置，适用于工件外形比较简单、体积和重量都比较小，而且生产节拍短、要求频繁上料的场合 工人将单个工件成批地任意倒进料斗后，定向机构能自动定向，使之按规定的方位整齐排列，并按一定的生产节拍送到机床夹具中去。 没有完成定向的工件在出口处被分离送回料斗重新定向。 有：料斗（图叶轮式）、定向装置、输料槽、减速器、分路器等,企业生产物流机床上下料装置设计,振动式料斗 螺旋送料槽1 倒锥形筒底2 工件向四周跑 板簧4使筒扭振 电磁13、15上下振 导向轴7使料斗7传动 结合片簧4扭振 弹簧8隔振 还需要定向装置 多种多样。,企业生产物流机床上下料装置设计,图 直槽式的振动上料装置
16、 1料槽 2工件 3弹簧片 4电磁铁 5基座,企业生产物流机床上下料装置设计,定向装置,抓取法 运动的定向机构抓取工件的某些表面，如孔、凹槽等，使之从成堆的杂乱工件中分离出来并定向排列。常用的定向机构有杆、销、钩子等，适用于带孔的套状、碗状和环状零件。 装着销 4的链带1在连续运动时，堆放在料斗3中的工件被销子4挂住后被带向上，顺次进入输料槽5。当输料槽中料充满后，链带1上的销子仍带着工件向输料槽中挤入，于是输料槽弯曲部分的弹簧盖门被压开，多余的工件落入另外的料箱中。,企业生产物流机床上下料装置设计,槽隙定向的料斗装置 用专门的定向机构搅动工件，使工件在不停的运动中落进沟槽或缝隙实现定向。定向
17、机构可以作直线往复运动、摆动运动或回转运动。这一类料斗可用于螺钉、螺帽、片状、圆环以及各种带头部的工件。,1 侧盖板； 2 联接板； 3 双轨式料槽； 4 滑块； 5 曲柄； 6 连杆； 7 摩擦离合器； 8 皮带轮； 9 料斗； 10剔除器。,企业生产物流机床上下料装置设计,型孔选取法定向 定向机构上一定形状和尺寸的孔穴对工件进行筛选，只有位置和截面相应于型孔的工件，才能落入孔中而获得定向。这种定向机构大多都作连续的回转运动。 重心偏移法定向 一些在轴线方向重心偏移的工件 或人为使之偏移。,企业生产物流机床上下料装置设计,通过各种挡板和缺口实现定向 还要读懂书上的图,企业生产物流机床间输送工
18、件,工件输送装置 它将被加工工件从一个工位传送到下一工位，为保证自动线按生产节拍连续地工作提供条件，并从结构上把自动线的各台自动机床联系成为一个整体。 带式输送系统 一种利用连续运动且具有挠性的输送带来输送物料的输送系统 链式输送机 是以链条作为牵引和承载体输送物料。,企业生产物流机床间输送工件,工件输送装置（续） 步伐式输送装置 组合机床自动线上典型的工件输送装置。在加工箱体类零件的自动线以及带随行夹具的自动线中，使用非常普遍。 功用：它能完成向前输送和向后退回的往复动作, 实现工件单向输送。 棘爪式输送装置 当输送带向前运动时，棘爪就推动工件移动一个步距； 当输送带回程时，棘爪被工件压下，
19、于是绕销轴 回转而将弹簧拉伸，并从工件下面滑过，待退出工件之后，棘爪又复抬起。,企业生产物流机床间输送工件,回转式输送,1.输送摆杆； 2.回转机构； 3.回转接头； 4.活塞杆 5. 油缸； 6. 缓冲器； 7. 支承滚轮；,企业生产物流机床间输送工件,辊子输送 无动力 & 有动力 悬挂输送 车间内成件物料的空中输送 由牵引件、滑架小车、吊具、轨道、张紧装置、驱动装置、转向装置和安全装置等组成,企业生产物流机床间输送工件,有轨导向小车（Rail Guided Vehicle，简称RGV） 依靠铺设在地面上的轨道进行导向并运送工件的输送系统。 优点：RGV具有移动速度大，加速性能好，承载能力大
20、的。 缺点：轨道不宜改动，柔性差，车间空间利用率低，噪声高。,地面轨道 空间轨道,企业生产物流机床间输送工件,柔性制造系统（Flexible Manufacturing System-FMS） 一般由三部分组成： （1）加工系统 数控机床，加工中心或FMC及清洗测量等辅助设备。 （2）储运系统 完成工件原材料运储、刀具运储 （3）控制和管理系统 运动控制、刀具管理、质量控制及网络通讯。 其配套物流系统 1.直线型输送形式(右） 2.环型输送形式 3.网络型输送形式 4.机器人为中心（下）,企业生产物流机床间输送工件,托盘及托盘交换器 在FMS中，工件一般安装在组合夹具上，而组合夹具又被安装在托
21、盘上，因而托盘是工件和夹具的承载体。 当工件在机床上加工时，托盘成为机床工作台并支撑工件； 运输时, 托盘又承载着工件和夹具在机床之间进行传送。 托盘的上表面：有便于夹具安装的T型槽、矩阵螺孔， 托盘的下表面：有供在机床工作台上定位的基面和输送基面，其在机床工作台上定位通常是采用锥面定位。 FMS中最常见的自动上下料装置是托盘交换器。（回转式往复式）,企业生产物流机床间输送工件,自动引导小车（Automated Guided Vehicle，AGV） 计算机控制的，按照一定程序自动完成运输任务的运输工具。 自动导向小车（AGV）是柔性物流系统中物料运输工具的发展趋势。 GV的组成：主要有车架、
22、蓄电池、充电装置、电气系统、驱动装置、转向装置、自动认址和精确停位系统、移栽机构、安全系统、通讯单元和自动导向系统等组成。 线导小车：利用电磁感应制导原理进行导向，需要在行车路线的地面上埋设环行感应电缆来制导小车运动 光导小车：利用光电制导原理来进行导向，需要在行车路线上涂上能反光的荧光线条，小车上的光敏传感器接受反射光来制导小车运动 遥控小车：以无线电发送接收设备传送控制命令和信号,企业生产物流自动化仓库,自动化仓库（简称高层货架仓库） 自动化仓库就是采用高层货架存放货物，以巷道堆垛起重机为主，结合入库与出库周边设备来进行自动化仓储作业的一种仓库。 自动化仓库系统(ASRSAutomated storage and retrieval system)是不需人工处理的情况下能自动存储和取出物料的系统。 一般采用几层、十几层乃至几十层的货架来储存单元货物。,企业生产物流自动化仓库,自动化仓库组成 高层货架、托盘和货箱、堆垛机、输送机、安全保护装置 类型 单元货格式仓库、贯通式、水平循环式、垂直循环式,GOOD BYE,