先进制造技术导论课件

先进制造技术Advancedmanufacturingtechnology 1 制造业的起源与发展 制造业的发展可以分为三个时代 古代 近代和现代 1 古代制造业的发展 古希腊的阿基米德螺旋泵 造纸与印刷术 2 近代制造业的发展 18世纪中叶 瓦特发明蒸气机 19世纪末20世纪初 内燃机的发明 3 现代制造业的发展 1948年数字式计算机融入制造领域1952年美国推出数控车床1985年我国引进了第一条柔性制造系统20世纪80年代 提出了TQCS 单元制造技术主要包括 计算机辅助设计 Computeraideddesign 计算机辅助工艺规划 Computeraidedprocessplanning CAPP 计算机辅助工程 Computeraidedengineering CAE 计算机辅助制造 Computeraidedmanufacturing CAM 现代数控机床 柔性制造系统 Flexiblemanufacturingsystem FMS 等 20世纪90年代是信息时代 尤其是网络技术的发展给世界带来了巨大变化 产生了如 并行工程 CE 敏捷制造 AM 虚拟制造 VM 等制造系统模式 2 国内外制造业的现状 几个问题的提出 什么是世界制造中心 中国是不是世界的制造中心 1 什么是世界的制造中心 一个世界制造中心 无论是一个国家还是一个地区 应当是面向全球市场最重要 最大的工业产品生产基地 从传统产业到高技术产业 尤其是后者 拥有一批优秀企业 其制成品在品牌 技术 质量 价格 以及生产效率和经营管理 应当在总体上代表着某个时代世界制造业最高水平 并在全球主要市场占有重要地位 第三个世界制造中心是日本 二战后 日本仅用30多年时间就实现了从发展中国家到发达国家的经济飞跃 被称为经济发展的奇迹之一 1950至1973年 日本经济增值达到难以置信的715 在这二三十年中 日本工业总产量占世界总量从过去2 3 上升到10 左右 日本的钢铁 汽车 半导体 家用电器 机械设备 电子信息产品以及机器人等高技术产品 在制造技术 产量 质量方面都列入世界先进水平 并引导着世界潮流 在国际市场上展现出极强的竞争力 到20世纪80年代中期日本的总体科技水平已经接近美国并超过了西欧 许多工业制成品的产量都在世界前三名之列 在国际市场上具有很强的竞争力和很高的市场占有率 成为世界上家用电器 汽车 船舶和半导体的主要生产国 根据以上对英 美 日三国分析可知 一国或地区作为世界制造中心至少应符合以下几个标准 1 国内生产总值 GDP 及出口量与产量标准 一国或地区的GDP在世界的比重应超过10 它的制造业产值占世界GDP的比重应在15 以上 制造业出口在世界的比重应超过10 2 技术标准 一国或地区应具有较高的科技水平和较高的科研投入 其装备制造业应在1 2个主导制造领域形成较大的比较优势 3 跨国公司标准 在这一行业中存在一批技术开发能力强 核心业务突出的可以进入世界500强的大型企业或跨国公司 且应具有自己的世界品牌 2 中国还不是世界制造业的中心 1 中国的GDP 产出和出口水平GDP是反映一国经济实力的重要水平 也是一国能否为世界制造中心的判断标准之一 2003年全球总的GDP已经达到36万亿美元 其中有7个国家的GDP超过了1万亿美元 美国居首位 GDP达到了10 9万亿美元 日本4 3万亿美元 德国2 4万亿美元 英国1 8万亿美元 中国只有1 4万亿美元 只占世界总额的3 9 3 先进制造技术内涵和结构体系 技术内涵 先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果 并将其综合应用于产品设计 加工 检测 管理 销售 使用 服务乃至回收的制造全过程 以优质 高效 低耗 清洁 灵活生产 提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术总称 先进制造技术的核心是优质 高效 低耗 清洁等基础制造技术 它是从传统的制造工艺发展起来的 并与新技术实现局部或系统的集成 其重要特征是实现优质 高效 低耗 灵活 清洁生产 先进制造技术最终的目标是要提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力 先进制造技术的分类 第一个层次是基础技术 第二个层次是新型单元技术 第三个层次是系统集成技术 第一个层次是优质 高效 低耗 清洁基础制造技术 铸造 锻压 焊接 热处理 表面保护 机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用 经济适用的技术 这些基础工艺经过优化而形成的优质 高效 低耗 清洁基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分 这些基础技术主要有精密下料 精密塑性成形 精密铸造 精密加工 精密测量 毛坯强韧化 精密热处理 优质高效连接技术 功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术 各种现代管理技术 第二个层次是新型的制造单元技术 这是在市场需求及新兴产业的带动下 制造技术与电子 信息 新材料 新能源 环境科学 系统工程 现代管理等高新技术结合而形成的崭新制造技术 如制造业自动化单元技术 极限加工技术 质量与可靠性技术 系统管理技术 CAD CAM 清洁生产技术 新材料成形加工技术 激光与高密度能源加工技术 工艺模拟及工艺设计优化技术等 第三层是系统集成技术 是指应用信息技术 计算机技术和系统管理技术对上述两部分的技术局部或系统集成而形成的AMT的高级阶段 这一部分内容涉及制造企业的生产方式和生产组织方法 如FMS CIMS IMS等 以上三层次都是先进制造技术的组成部分 但其中每一个层次都不等于先进制造技术的全部 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 1 超精密加工技术目前加工精度达到0 025 m 表面粗糙度达0 0045 m 已进入纳米级加工时代 超精切削厚度由目前的红外波段向可见光波段甚至更短波段趋近 超精加工机床向多功能模块化方向发展 2 超高速切削目前铝合金超高速切削的切削速度已超过1600m min 铸铁为1500m min 超耐热镍合金为300m min 钛合金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 并联桁架式结构数控机床 或俗称 六腿 机床 的发展 它突破了传统机床的结构方案 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 第二部分主要现代制造技术一 CAD CAE CAM技术二 虚拟设计制造技术三 柔性制造四 其它先进制造技术 一 CAD CAE CAM技术 1 CAD技术计算机辅助设计 ComputerAidedDesign 简称CAD 是从上世纪50年代开始 随着计算机技术及其外围设备的发展而形成的一门新技术 如今 CAD技术已广泛应用于电子 机械 航空 汽车 建筑以及环境工程等领域 今后CAD技术主要从以下方面发展 1 CAD技术智能化 2 实体造型与仿真 3 CAD系统的集成化 减速机三维数字化模型 2 CAE技术计算机辅助工程分析 ComputerAidedEngineering CAE 技术 是指在零件或整机的数字化特征建模完成之后 运用有限元及边界元等数值分析方法 对零件或整机对其未来的工作状态和运行行为进行结构 动力 运动及各种物理场耦合等一系列分析 模拟的计算机辅助分析方法 其目的是及早发现设计缺陷 优化结构并证实未来的产品功能和性能的可用性和可靠性 它与CAD和CAM技术构成了当今计算机技术在机械设计及制造领域最重要的三大支撑技术 托轮轴在载荷作用下的应力云图 3 CAM技术计算机辅助制造 ComputerAidedManufacturing 是指利用计算机系统 通过计算机与生产设备直接的或间接的联系 进行规划 设计 管理和控制产品的生产制造过程 关于CAM的概念 有两种理解 一种是狭义的CAM 指数控自动编程 NCP 包括NC代码生成 与数控机床数控装置的软件接口等 另一种是广义的CAM 除自动编程外 还包括工艺过程设计 CAPP 制造过程仿真 MPS 自动化装配 FA 车间生产计划控制 SFC 制造过程检测与故障诊断等 凡涉及到零件加工与检验 产品装配与检验的环节都属于广义CAM的范畴 图形交互式自动编程的刀具选择及加工模拟 二 虚拟设计制造技术 1 虚拟现实技术虚拟现实 VirtualReality 技术是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术 它是由计算机硬件 软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境 虚拟环境 可以真实的模拟现实世界 可以实现的 甚至是不可实现的 物理上的 功能上的事物和环境 用户投入到这种环境中 立即有 亲临其境 的感觉 并可亲自操作 实践 与虚拟的环境交互作用 虚拟现实系统重要的三个特征 沉浸感 Immersion 交互性 Interaction 想象性 Imagination Immersion Interaction Imagination VR三角形 虚拟现实技术是建立在三维计算机图形学技术 多功能传感及交互接口技术 高清晰度显示技术等一系列新技术的基础上 虚拟现实系统主要由计算机 显示设备 位置跟踪设备及其他交互设备等硬件及相关软件构成 头盔显示器 数据手套 位置跟踪器 VR技术应用领域 工程应用 如制造 航空 石化 核能 汽车 视景娱乐 文化教育城市景观规划医疗 如手术 心理治疗 药理学 微观 纳米级工程各种各样的培训战争防卫系统数据可视化等等 2 虚拟设计制造虚拟制造系统 Virtualmanufacturingsystem 由虚拟信息系统 Virtualinformationsystem 和虚拟物理系统 Virtualphysicalsystem 组成 虚拟信息系统也叫虚拟逻辑系统 主要是用来模拟处理设计 管理 计划调度等制造活动中的信息 而虚拟物理系统是计算机对实际的加工车间 包括机床 材料 工人等进行建模 并在此模型的基础上进行仿真实际制造的过程 某产品生产线的虚拟设计 三 柔性制造系统 FMS 四 其他先进制造技术 1 绿色制造绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征日趋严格的环境与资源的约束 使绿色制造业显得越来越重要 它将是21世纪制造业的重要特征 与此相应 绿色制造技术也将获得快速的发展 主要体现在 1 绿色产品设计技术使产品在生命周期符合环保 人类健康 能耗低 资源利用率高的要求 2 绿色制造技术在整个制造过程 使得对环境负面影响最小 废弃物和有害物质的排放最小 资源利用效率最高 绿色制造技术主要包含了绿色资源 绿色生产过程和绿色产品三方面的内容 3 产品的回收和循环再制造例如 汽车等产品的拆卸和回收技术 以及生态工厂的循环式制造技术 它主要包括生产系统工厂 致力于产品设计和材料处理 加工及装配等阶段 恢复系统工厂 主要对产品 材料使用 生命周期结束时的材料处理循环 2 精益生产 制造 精益生产 英文原意是 瘦型 生产方式 字面含义就是简化