先进制造技术发展趋势分析总结.ppt

先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 1、先进制造技术的概念 先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息、材料、能源 及现代管理等方面的成果，并将其综合应用于制造的全过程，实现 优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，取得理想技术经济效果的制 造技术的总称。 Advanced Manufacturing TechnologyAMT 2、制造战略的变迁 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 3、我国制造业现状 解放以来，我国已经能够生产机床、汽车、飞机、轮船等。80年代中期，建立 了大量的与制造工程相关的国家重点实验室和工程中心，实施了863高新技术计划 、攀登计划和攻关计划，在制造技术的基础性研究和先进制造技术领域取得了瞩目 的成就。 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F制造业的长进 F制造业的差距 先进制造技术大部分依赖引进。以机械产品为例，据有关资料统计，近年来国 内开发成功的92种典型机械产品中，自主开发的产品只占46%，国内机械工业的主 导产品的技术主要来源于国外。我国机械产品的名义竞争力（出口额与进口额之比 ）1990年为0.466，1993年为0.376， 1994年为0.28，1993年机械产品的进口额高达 388亿元，占全国外贸进口总额的37%。进出口逆差达242亿元。至今我国还没有自 主版权的现代轿车的总体设计能力，三峡工程举世瞩目，而我国却因技术原因无权 参与水轮发电机组制造的投标，许多精密仪器、特大型铸锻件、不少机电产品的核 心部件都依赖进口。一个以乘坐外国轿车和使用外国电器为骄傲的民族决不是一个 伟大的民族，一个没有强大制造业的国家不可能是一个强大的国家！ 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 近几年来，对制造技术的发展获得了重新认识，我国政府及有关领导对先进制 造技术的发展给予了高度关注。 国家科委主任宋健1995年在参加“先进制造技术发展战略研讨会”指出：“发展制 造技术是国家目标、是国家利益、是全社会利益。”“先进制造技术是一个国家、一 个民族赖以繁荣昌盛的重要手段。”“如果制造技术不发达，这个国家、民族就不可 能富裕。尤其在我们国家，制造技术上不去，就不可能支撑这么多的人口象样、体 面地生活。所以，我们在相当长的时间内，发展制造技术是至关重要的。” 1995年5月中共中央、国务院关于加速科技进步的决定中指出：为提高工业 增长的质量和效益，要重点开发推广电子信息技术、先进制造技术、节能降耗技术 、清洁生产和环保技术等共性技术。 1995年9月中共中央关于制定国民经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目 标的建议中明确要大力采用先进制造技术。 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F重视制造业 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT 4、主要的先进制造技术和相关术语简介 F虚拟现实技术（Virtual RealityVR) 以计算机仿真、建模为基础，集计算机图形学、智能技术、并行 工程、人工现实技术和多媒体信息技术为一体，由多学科知识形成 的综合系统技术。 VR是一个人机交互式的计算机系统，它能逼真地模拟、重现现 实世界，使用户能产生一种身临其境的感觉，故由译为“临境”或“灵 境”技术。 VR技术的关键在于系统建模和虚拟环境的建立以及仿真 技术的应用。 VR技术在产品开发中的作用： 虚拟原型 虚拟设计 虚拟装配 虚拟环境与虚拟合作 欧洲客车公司率先采用虚拟制造及仿真技术，将空中客车试制 周期从4年缩短到2.5年，不仅提前投放市场，而且显著降低了研制费 用和生产成本，大大增强了其全球竞争能力。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F绿色设计与制造（Green Design & Manufacturing GD&M) 绿色设计与制造是从产品的寿命循环周期角度考虑问题， 在产品从市场调研、产品规划、产品设计、工艺设计、生产准 备、加工制造、包装发运、安装维护、回收处理及再使用等各 个环节采取措施，使产品在生产和使用过程中节省能源和资源 、极小化对环境产生的污染，并保护操作者的安全和健康。 绿色设计与制造是以环境资源保护为核心概念的设计与制 造过程，它要求在产品的整个寿命周期内把产品的基本属性和 环境属性紧密结合，除满足产品的物理目标外，还应满足环境 目标。 绿色设计与制造也称清洁化生产，国外称寿命循环工程。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F纳米技术（Vanotechnology、 Nano ST) 纳米科学与技术是微米科学与技术向微观的进一步延伸。 是将生产装置逐级缩小到可直接按需排布原子来制造产品，是 加工精度或尺寸为100nm0.1nm量级的制造技术的总称。 美国IBM公司首次采用NST实现原子排布组成的“IBM”和 美国地图，而后中国化学所排出“中国”和中国地图，其尺寸仅 为200200nm。目前已能够加工出直径只有100m的金属齿轮 。 70年代微电子技术产生了信息革命，科学家预言，纳米技 术将引起二十一世纪的又一次产业革命。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F快速原型制造技术（ Rapid Prototyping & ManufacturingRP&M) 综合利用计算机造型技术、控制技术、激光技术以及材料 技术等，基于离散/堆积原理由CAD模型直接驱动来逐层累积式 快速制造样品物理原型的先进制造技术。 根据所使用的材料和建造技术的不同， 目前主要的RP&M 技术有：光固化成型技术SL、叠层实体制造技术LOM、 熔融沉积制造技术FDM和选择性激光烧结技术SLS等。 快速原型制造设备相当于一台三维打印机，能够迅速地将 CAD模型快速地“打印”出来，用于产品设计、评估、检验、测 试和改进等，可大幅度缩短新产品开发和研制周期，具有显著 的经济效益和时间效益。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F计算机辅助设计和辅助制造（ CAD&CAM) 计算机辅助设计和计算机辅助制造是以计算机作为主要技 术手段，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成产品设计与 制造中的各项活动的一门技术，简称CAD/CAM。 在目前众多的先进制造技术中，CAD/CAM是较早在国内 外得到重视和广泛应用的一项技术。 国外许多先进企业，已经步入“三个三”（产品设计周期三 周，试制周期三个月，生产周期三年），而国内不少企业仍停 留在“产品十年一贯制”。要改变这一状况，亟待大力推广和应 用CAD/CAM技术和其他高效、快捷的先进制造技术。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F敏捷制造（ Agile Manufacturing AM) 敏捷制造术语是1991年由美国里海大学的几位学者提出， 并被称为21世纪制造企业的生产模式，它主要是指制造企业采 用现代信息技术和通讯手段，在全球范围内通过快速配置各种 资源，以有效和协调的方式响应用户需求，实现制造的敏捷性 。 F计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing SystemCIMS) CIMS是70年代初提出的一种新的制造业发展模式，一般由技术 信息系统（TIS）、制造自动化系统（MAS）和管理信息系统（MIS ）组成。CIMS的核心内容是集成，其中信息集成是实现CIMS的基 础和关键。工业发达国家CIMS在80年代中期得到迅速发展，我国从 1994年开始在专家建议下，开始高度重视发展CIMS。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F并行工程（Concurrent EngineeringCE) 并行工程是指集成地、并行地处理产品设计和制造及其相关过程 的系统方法。并行工程要求在产品的设计阶段开发者就应考虑产品整 个生命周期的所有因素。 F柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS) 是以计算机为中心的自动完成加工、装卸、存储、运输、管理的 系统，具有监视、诊断、修复、自动更换加工产品品种等功能，是制 造技术向现代化发展成为具有智能制造和无人工厂特点的计算机集成 制造系统。FMS适合于多品种、小批量生产要求，可缩短产品制造周 期、提高设备利用率和降低生产成本等。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F微型机械加工技术（Micro Electro-Mechanical SystemsMEMS) 微型机械是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器 以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路和电源等于一体的 微型器件或系统。 其主要特点有：体积小(特征尺寸范围为1nm10mm)、重量轻、耗能低 、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高 、响应时间短；集约高技术成果，附加价值高等。 高度重视：美国的MIT、Berkeley、Stanford、AT&T和NSF的15名科学 家在20世纪80年代未就提出“小机器、大机遇：关于新兴领域微动 力学的报告”的国家建议书，声称“由于微动力学(微系统)在美国的紧迫 性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面”， 建议中央财政预支费用为5年5000万美元，得到美国领导机构重视，连 续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。 实例：上海冶金研究所研制出直径为400m的多晶硅齿轮、上海交通大 学研制出2mm的电磁电动机 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F可持续发展（Sustainable DevelopmentSD) “可持续性”的思想渊源已久，国际社会经过一系列对话和辩论，1987年 世界环境与发展委员会向联合国第42届大会提交的研究报告我们共同的未来 中正式提出“可持续发展”的定义为：既满足当代人的需要，又不对子孙后代 满足其需要之能力构成危害的发展。 可持续发展三方面指标：技术、 经济和生态环境应达到综合平衡 ，缺一不可。技术落后是产生环 境问题的根源，依靠科技进步是 解决环境问题的根本方法和途径 ，经济效益和市场需求是技术进 步的动力和目标，生态环境则是 这一目标的一种约束。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F2mm工程（2mm Program) “2mm工程”是1991年美国密西根大学世界著名制造研究大师吴贤铭教授 提出的旨在综合提高美国汽车制造质量以谋取在国际竞争中取胜的计划构想。 背景：车体制造综合误差：日本0.1mm 欧洲 1.251.5mm 而美国 2mm 实施： “2mm工程”的具体研究内容包括11个项目，美国政府和各参与公司 共同投资1000多万美元资助。 效果：美国汽车制造业在很短的时间内已基本赶上了世界先进制造水平，目 前已开始了“超”的进程。 从观念上改变了各部门对制造过程中质量的重视程度。 “2mm”的观念已远远超出了提高车体本身制造精度方面，其以客观 实测数据为依据的质量控制方法已广泛应用于其他汽车制造过程中。 世界其他汽车制造公司已经开始关注“2mm工程”的计划及其影响。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F工业机器人(Industrial Robot) 工业机器人，是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功 能的专用机械装置；由计算机进行控制，是无人参与的自主自动化 控制系统；它是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人 机联系。可以通俗地理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能 以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机(或自动系统)的区 别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的 功能。” 工业机器人一般都由手部、腕部、臂部、机身、驱动系统和控 制系统组成，有些机器人还有行进系统、感知系统和人工智能系统 。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT F工业机器人(Industrial Robot) 发 展： 1954年，美国人Gerge.C.Devol发明了一种称为可编程序的 关节型搬运装置，发表了“通用重复型机器人”的专刊论文，首先提 出了工业机器人和示教再现的概念。1958年，美国联合控制公司研制 出第一台数控工业机器人原型机，揭开了研制机器人的序幕。20世纪 60年代日本、原苏联、西欧一些国家开始了机器人的研究。60年代末 至70年代初，对机器人的研究达到了高潮。进入20世纪80年代，工业 机器人普及应用。90年代开始，各国机器人发展新计划得已展开。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT 我国目前有机器人2000台左右，其中自制400500台，中国国产机器人 的市场正在逐步形成。 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT 产品设计是制造业的灵魂。现代设计技术的主要发展趋势是： （1） 设计手段的现代化。突出反映在数值仿真或虚拟现实技术的发展上。 （2）新的设计思想和方法不断出现。如并行设计，面向“X”的设计 DFX(Design For X)，健壮设计(Robust Design)，优化设计(Optimal Design)，反 求工程技术(Reverse Engineering)等。 （3）由简单的、具体的、细节的设计转向复杂的总体的设计和决策，要通盘 考虑产品的整个生命周期。 （4）由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素。设计是不单 纯追求某项性能指标的先进和高低，而注意考虑市场、价格、安全、美学、资 源、环境等方面的影响。 5、先进制造技术的发展趋势 F设计技术不断现代化 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT 成形制造技术是铸造、塑性加工、连接、热处理、粉末冶金等单元技术的总 称。展望21世纪，成形制造技术正在从制造工作的毛坯、从接近零件形状 (Near Net Shape Process)向直接制成工件即精密成形或称净成形(Net Shape Process)的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，到下世纪初，塑性成 形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。有代表性的精密 成形制造技术是： (1) 精密铸造技术； (2) 精密塑性成形技术； (3) 精密连接技术。 F成形制造技术向精密成形或净成形的方向发展 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT (1)超精密加工技术目前世界已达：加工精度0.025m，表面粗糙度0.045m， 进入纳米级加工时代。 (2) 超高速切削速度已超过1600m/min；铸铁为1500m/min；超耐热镍合金达 300m/min；铁合金达200m/min。超高速切削的发展已转移到一些难加工材料 的切削加工。 (3) 新一代制造装备的发展 市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与 开发，其中典型的例子是“并联椅架式结构数控机床”，(或俗称“六腿”机 床)的发展。它突破了传统机床结构方案，采用六个轴长短的变化以实现刀具 相对于工件的加工位置的变化。 F加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的 方向发展 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT 激光、电子束、离子束、分子束、等离子体、微波、超声波、电液、电 磁、高压水束流等新能源或能源载体的引入，形成了多种崭新的特种加工 及高密度能切割、焊接、熔炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺。其 中以多种形式的激光加工发展最为迅速。 超硬材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶微晶合金、功能材 料等新型材料的应用，扩展了加工对象，导致某些崭新加工技术的产生， 如：超塑成形、等温锻造、扩散焊接及其复合工艺(超塑成形/扩散连接)； 加工陶瓷材料的热等静压、粉浆浇注、注射成形；超硬材料的高能束加工 ；高分子材料、复合材料的水束流切割；沉积TIN、TIC、CNB、人造金刚 石等超硬薄膜的CVD、PVD、PCVD等。 F新型加工方法以及复合工艺不断发展 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT 先进制造技术的不断发展，在冷热加工之间，加工、检测、物流、装 配过程之间，设计、材料应用、加工制造之间，其界限均逐渐淡化、逐步 走向一体化。如CAD、CAPP、CAM的出现，使设计、制造成为一体；精 密成形技术的发展，使热加工可能直接提供接近最终形成、尺寸的零件， 它与磨削加工相结合，有可能覆盖大部分零件的加工，淡化了冷热加工的 界限；快速原型/零件制造技术的产生，是近20年制造领域的一个重大突破 ，它可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直 接制造零件，淡化了设计、制造的界限；机械人加工工作站及FMS的出现 ，使加工过程、检测过程、物流过程融为一体；现代制造技术系统使得自 动化技术与传统工艺密不可分；很多新型材料的材料配制与成型是同时完 成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。这种趋势表现在生产上是专 业车间的概念逐渐淡化，将多种不同专业的技术集成在一台设备、一条生 产线、一个工段或车间里的生产方式逐渐增多。 F专业、学科间的界限逐渐淡化、消失 先进制造技术 模具工程技术研究中心 METRC补 充 Advanced Manufacturing TechnologyAMT 先进制造技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析 ，加工工艺由技艺发展为工程科学。 热加工过程的数值模拟与物理模拟是一个重要发展方向，是使热加工工 艺由技艺