先进制造技术概论 4

先进制造技术

AdvancedManufacturingTechnology机械工程学院周忆2010.11课程介绍

先进制造技术概论先进制造技术的提出、构成、特点等

先进制造加工技术精密与超精密加工技术超高速加工技术制造自动化技术微机械及其微细加工技术

先进制造新概念先进制造模式、制造理念学习方式课堂讲授——讲授重点、难点自学——课程内容50％自学实践环节——收集资料并自选题目演讲、讨论考核方法考试或小论文课程介绍教材和参考文献参考教材王润孝主编.先进制造技术导论.科学出版社，2004年参考文献[1]张根保等.先进制造技术.重庆大学出版社，1996[2]

MikellP.Groover.FundamentalsofModernManufacturing.JOHNWILEY&SONS,INC.2002[3]屈贤民主编.先进制造技术.机械工业出版社，2000[4]其它有关先进制造技术的文献资料第一章绪论1.1有关制造的几个基本概念1.2制造业的发展及其在国民经济中的地位1.3先进制造技术的内涵和特点

狭义：生产过程中从原材料→成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）。

广义：制造=生产CIRP（国际生产工程学会1990年）定义：制造是涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。生产与制造制造：人类所有经济活动的基石，人类历史发展和文明进步的动力。1.1有关制造的几个基本概念生产的定义输入输出+-生产过程效益

生产财富有形（产品）无形（服务）转变效率：生产率

=

输出/输入生产要素生产对象（原材料）生产资料（直接、间接）能源劳动力信息（知识、技能、情报…）资金从系统的观点，生产可以定义为将生产要素转变成生产财富并创造效益的输入输出系统。制造技术

在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术。运用一定的知识、技能操纵可以利用的物质、工具采取有效的方法……

手段包括

制造业和制造系统制造业：将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、信息、人力等）利用制造技术，通过制造过程，转化为供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业。如机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等制造系统是制造业的基本组成实体第一、二、三产业的划分第一产业农业林业渔业畜牧业矿业采石业石油业第二产业航天航空纺织、服装汽车、装备、重型机械冶金、钢铁、金属制品食品、饮料化工、石油精炼计算机、半导体、电器建筑、建材日用消费品玻璃、陶瓷、造纸制药橡胶、塑料制品能源、电力出版第三产业银行、金融服务、保险通讯、资讯教育、医疗、保健娱乐、旅馆、餐饮、旅游政府法律机构房地产修理与维护商业（零售、批发）交通、运输

制造造系系统统结结构构经营管理信息流生产管理信息流技术信息流物质流用户、市场与外部环境经营管理市场与销售研究与开发资源管理财务生产管理工程设计采购车间制造（加工、装配、检验、输送、存储…

）质量控制制造造系系统统特特性性软件硬件结构构特特性性制造造系系统统可可视视为为若若干干硬硬件件的的集集合合体体。。为为使使硬硬件件充充分分发发挥挥效效能能，，必必须须有有软软件件支支持持。。转变变特特性性研究究制制造造系系统统转转变变特特性性，，主要要从从技技术术角角度度出出发发，，如如何何使使转转变变过过程程更更有有效效进进行行。。获取阶段转变阶段分配阶段原材料供应者原材料库存零件加工零件库存装配成品库存最终用户制造系统统特性压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配

车身安装最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理汽车生产产物流示示意图需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段程序特性性程序——一系列按按时间和和逻辑安安排的步步骤研究制造造系统程程序特性性，主要要从管理理角度出出发如何何使生产产活动达达到最佳佳化。制造系统统特性制造系统统的物质质流与信信息流误差流物流资金流规划控制需求信息流实施（车间或现场）原材料产品与服务能源能量流制造系统的五种流制造业创创造了人人类1）人从猿猿进化而而来,人猿分离离,是由于人人学会双双足行走走和用手手制造并并使用工工具。2）中国的的元谋人人（170万年前的的南方古古猿）、、非洲人人早在160万年前即即开始用用火，石石料开采采和加工工，形成成了原始始制造业业。饮食食改善促促进了脑脑的发展展。200万年前的的猿人脑脑容量量约为700毫升，100万年前的的直立人人脑容量量约为1000毫升，50万年前增增加到1200毫升，1929年发现的的57万年前的的北京（（直立））猿人为为1050毫升，而而现代代人的脑脑容量平平均为1450毫升，现现代人的的大脑皮皮层褶皱皱面积为为1700-2200平方厘米米，是黑黑猩猩的的3倍。3）恩格斯斯指出：：“直立和劳劳动创造造了人类类，而劳劳动是从从制造工工具开始始的。动动物所做做到的最最多是收收集,而人则从从事生产产。”1.2制造业的的发展及及其在国国民经济济中的地地位用机器代代替手工工，从作作坊形成成工厂19世纪机器器在英国国诞生，，先后传传人法国国、德国国和美国国。从单件生生产方式式发展成成大量生生产方式式泰勒：以以劳动分分工和计计件工资资制为基基础的科科学管理理。福特：零零件互换换技术，，1913年建立了了具有划划时代意意义的汽汽车装配配生产线线柔性化、、集成化化、智能能化和网网络化的的现代制制造技术术柔性制造造系统、、计算机机集成制制造系统统、网络络化制造造、智能能制造系系统、及及时生产产、精良良生产、、敏捷制制造……制造业发发展的历历史制造业在在国民经经济中的的地位制造业是是产业革革命的主主力军第一次产产业革命命：1733-18781）又称为为：蒸汽汽革命。。2）产业革革命的标标志：瓦瓦特发明明的蒸汽汽机。3）英国的的制造业业孕育和和实现了了瓦特的的发明4）制造业业和瓦特特的发明明推动了了热力学学理论的的诞生。。第二次产产业革命命：1879-19451）又称为为：电气气革命。。2）产业革革命的标标志：电电灯（爱爱迪生））、电话话（贝尔尔）、电电机（西西门子））等电气气化产品品。3）制造业业肇始了了电的应应用，而而后才有有麦克斯斯韦电动动力学理理论的诞诞生。4）麦克斯斯韦电动动力学理理论推动动了20世纪初开开始的无无线电、、微波、、雷达、、合成孔孔径、微微波成像像、卫星星通信、、宇宙微微波探测测等技术术的发展展。5）牛顿力力学和电电动力学学又为量量子力学学的发展展指引了了道路，，导致了了量子场场论的创创立。制造业在在国民经经济中的的地位制造业是是产业革革命的主主力军第三次产产业革命命：1945-19721）又称为为：电子子（原子子）革命命。2）产业革革命的标标志：原原子弹（（1945）、电子子计算机机（1946）、晶体体管（1948）、集成成电路、、微电子子技术等等。3）微电子子制造技技术开创创了全新新的信息息时代。。制造业在在国民经经济中的的地位制造业是是产业革革命的主主力军1946年2月15日，世界界上第一一台通用用电子数数字计算算机“埃埃尼阿克克”（ENIAC）研制成成功。由由美国工工程师莫莫奇负责责。“埃埃尼阿克克”共使使用了18000个电子管管，另加加1500个继电器器以及其其它器件件，其总总体积约约90立方米，，重达30吨，占地地170平方米。。第四次产产业革命命：1973-1）又称为为：高新新技术产产业革命命。2）产业革革命的标标志：众众多高新新技术产产品，如如微电子子产品、、电脑、、新一代代通信产产品、新新一代汽汽车、磁磁悬浮列列车、新新一代飞飞机、机机器人、、生物工工程产品品、新一一代药物物、绿色色食品、、转基因因产品等等等。3）微器件件制造工工艺，如如拉单晶晶、掺杂杂、扩散散、离子子注入、、外延、、溅射、、化学沉沉积（CVD）、光刻刻、表面面贴装、、自动化化组装、、进而到到纳米器器件制造造工艺将将把高新新技术产产业革命命推向顶顶峰。制造业在在国民经经济中的的地位制造业是是产业革革命的主主力军制造业是是国民经经济的支支柱产业业国民经济济总收入入的60%以上来自自制造业业，世界界发达国国家无不不具有强强大的制制造业。。2001年中国工工程院的的调查:1）中国制制造业占占国民生生产总值值的1/32）占整个个工业生生产的4/53）为国家家财政提提供1/3以上的收收入4）贡献出出口总额额的90%5）就业人人员8043万制造业在在国民经经济中的的地位2007年世界界制造业业增加值值（MVA）份额（注：按按2000年不变价价格估算算）制造业是是国民经经济各部部门的装装备部制造业在在国民经经济中的的地位纺织机械动力机械家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械建筑机械交通工具环保设备军事装备医疗设备机器制造农业机械化工设备制造业制造业面面临的竞竞争和挑挑战来源:Bullinger7880828486889092

94962时间46810平均产品寿命TL平均开发时间TDTD>TL年数知识-技术-产品更新新的周期期更短研制周期交付周期研制周期01234567891070772773774775776777751596263727290年57646871828194.5(年)波音各种种机型研研制交付付周期比比较制造业面面临的竞竞争和挑挑战产品批量量更小汽车生产产：大批批量生产产→大批批量定制制生产；；顾客对产产品功能能、性能能、质量量的要求求更高能参与全全球竞争争的企业业更多跨国公司司的垄断断性更明显企业的兼兼并重组组更激烈、、更动荡荡一般水平平的产品品及制造造能力严重过剩剩人口老龄龄化更严重环保意识识、绿色色制造呼呼声更强制造业面面临的竞竞争和挑挑战生产批量量的变化化单件订做价格高工业革命小批量生产价格高19001950大批量生产价格较低19501990中小批量生产价格中1990后单件订做小批、动态生产价格低制造业面面临的竞竞争和挑挑战制造业市市场竞争争的新特特点“要素”的变化“中心”的变化以产品为中心以顾客为中心以市场为中心制造业市市场竞争争的新特特点“市场影影响因素素”的变化Pine和B.JosephII““MassCustomization,TheNewFrontierinBusinessCompetition.”Boston:HarvardBusinessSchoolPress,0255075100低高扰动程度80年代90年代54503027252236546045382836554651415363535251633964644154627640555674///质量意识价格意识服务水平对替代品的脆弱性产品生命周期经济循环依赖水平流行时尚意识竞争强度消费者需求及欲望的变化程度购买者能力技术变化率饱和水平愿望的一致程度需求水平稳定性需求及消费者欲望的确定性必需品奢侈品价格竞争产品的差异性制造业市市场竞争争的新特特点先进制造造技术的的产生背景景先进制造造技术首首先由美美国于20世纪80年代末提提出20世纪70年代，一一批美国国学者不不断鼓吹吹美国已已进入“后工业业化社会会”，认为制制造业是是“夕阳工工业”，主张经经济重心心由制造造业转向向高科技技产业和和第三产产业结果：导导致美国国在经济济上竞争争力下降降，贸易易逆差巨巨增，日日本家电电、汽车车大量涌涌入并占占领了美美国市场场。（20世纪60年代美国国汽车产产量占世世界汽车车总产量量的2/3，而到了了80年代下降降到不足足1/3）1.3先进制造造技术的的内涵和和特点1963年1983年美日两国汽车产量在世界市场所占份额多轴数控控机床改进核潜潜艇性能能先进制造造技术的的产生背景景80年代后期期，美国国的一些些国会议议员、政政府要员员纷纷要要求政府府出面，，协调和和支持制制造产业业的发展展，1991年，布什什政府期期间，美美国白宫宫科学技技术政策策办公室室发表了了总数为为22项的美国国国家关关键技术术，其中中制造技技术占4项，标志志着美国国科技政政策的转转变。1988年，美国国政府投投资进行行大规模模“21世纪制造造企业战战略”研研究,并于其后后不久提提出了““先进制制造技术术”发展展目标，，制定并并实施了了“先进制制造技术术计划（（ATP）”和“制造技技术中心心计划（（MTC）”克林顿上上台后，，对制造造业大力力支持，，他把先先进制造造技术列列为六大大国防关关键技术术之首。。结果美美国在机机械工业业、汽车车工业、、航空工工业及信信息产业业等方面面取得了了明显的的进展，，使美国国的经济济连续8年取得了了2-3%的增长率率，而且且还同时时保持低低通胀率率和低失失业率。。先进制造造技术的的产生背景景先进制造造技术计计划（ATP）由美国联联邦政府府科学、、工程和和技术协协调委员员会（FCCSET）提出，，1994年度预算算为14亿美元ATP目标:为美国人人提供更更多高技技术、高高工资就就业机会会，促进进美国经经济增长长；提高能源源效益，，减少污污染，创创造更加加清洁的的环境；；使美国私私人制造造业在世世界市场场上更具具有竞争争力，保保持美国国的竞争争地位；；使教育系系统对每每个学生生进行更更富有挑挑战性的的教育；；鼓励科技技界把确确保国家家安全和和提高全全民生活活质量作作为核心心目标。。先进制造造技术的的产生背景景又称“合作伙伴伴计划”，由美国国国家标标准与技技术研究究院（NIST）牵头目标：面向35万家中小小企业(他们不像像大企业业有自己己的开发发能力，，且资金金不足)，在技术术拥有者者（通常常为政府府的研究究机构、、国家实实验室、、大学））与需要要这些技技术的中中小企业业之间建建立合作作的桥梁梁，使中中小企业业掌握先先进制造造技术，，或使他他们具有有识别、、选择适适用于自自己企业业的先进进制造技技术的能能力方法：一个地地区设立立一个中中心（至至95年已建立立了30个中心）），为中中小企业业展示新新的制造造技术和和设备，，并进行行培训，，帮助他他们选用用经费：国国会拨款款制造技术术中心计计划（MTC）先进制造造技术的的产生背景景汽车2mm工程，使使轿车车车身精度度达到丰丰田水平平1994年，美国国汽车产产量重新新超过日日本，重重新占领领欧、美美市场美国Inter公司成为世界界最大的芯片片制造商（在在此之前芯片片生产也不敌敌日本，包括括海湾战争中中大出风头的的“爱国者”导弹上使用的的芯片也是日日本制造的））20世纪90年代，经济持持续增长，失失业率降低到到历史最低水水平提出了一系列列先进制造技技术的新理论论、新思想。。如：CE，LP，AM，…ATP&MTC效果显著先进制造技术术的产生背景◆AMT是制造业不断断吸收信息技技术和现代管管理技术的成成果，将其综综合应用于产产品设计、加加工、检测、、管理、销售售、使用、服服务乃至回收收的制造全过过程，以实现现优质、高效效、低耗、清清洁、灵活生生产，提高对对动态多变市市场的适应能能力和竞争力力的制造技术术的总称。◆要点：目标是提高制制造企业对市市场的适应能能力和竞争力力强调信息技术术、现代管理理技术与制造造技术的有机机结合信息技术、现现代管理技术术在整个制造造过程中综合合应用先进制造技术术的定义先进制造技术术的定义和体系结结构面向制造的设计技术群

产品/工艺设计

计算机辅助设计工艺过程建模和仿真工艺规程设计系统工程基础

快速成型技术并行工程制造工艺技术群

材料生产工艺加工工艺联接与装配测试和检测环保技术维修技术其他

信息技术

接口技术集成技术人工智能数据库软件工程决策支持

标准和框架

数据标准

工艺标准接口框架产品定义和标准检验标准

机床和工具技术传感器和控制技术

质量管理用户/供应商交互作用工作人员培训和教育

全国监督和基准评测技术获取和利用主体技术群支撑技术群制造基础设施环境先进制造技术术的定义和体系结结构1.3.2AMT定义和体系结结构AMST提出的AMT轮图TQCSE基础制造技术CADCAMNC技术ROBOTFMC清洁生产技术质量与可靠性CE系统管理技术MRPⅡCIMSIMSAM集成技术新型产业及市场需求带动（重大装备、高新技术产业、社会协调发展）系统工程及管理科学信息技术AMST提出的先进制造技术体系图

新材料技术新能源技术◆第二个层次是是新型的制造造单元技术。。如制造业自自动化单元技技术、极限加加工技术、质质量与可靠性性技术、系统统管理技术、、CAD／CAM、清洁生产技技术、新材料料成形加工技技术、激光与与高密度能源源加工技术、、工艺模拟及及工艺设计优优化技术等。。◆第一个层次是是优质、高效效、低耗、清清洁基础制造造技术。包括括精密下料、、精密塑性成成形、精密铸铸造、精密加加工、精密测测量、毛坯强强韧化、精密密热处理、优优质高效连接接技术、功能能性防护涂层层及各种与设设计有关的基基础技术、各各种现代管理理技术。◆第三个层次是是先进制造集集成技术。这这是应用信息息技术和系统统管理技术，，通过网络与与数据库对上上述两个层次次的技术集成成而形成的，，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造造技术等。设计手段计算算机化有限元法优化设计计算机辅助设设计反求工程技术术CAD/CAM一体化技术工程数据库向全寿命周期期设计发展由单纯考虑技技术因素转向向综合考虑技技术、经济和和社会因素先进设计技术术设计方法现代代化产品动态分析析和设计产品可靠性可维护性及安安全设计产品优化设计计快速响应设计计创新设计智能设计仿真与虚拟设设计价值工程设计计模块化设计先进制造技术术的学科内容容先进制造工艺艺技术精密、超精密密加工技术精密加工：精精度为3～0.3μmRa0.3～0.03μm超精密加工：：精度为0.3～0.03μmRa0.3～0.005μm纳米加工：精精度高于0.03μmRa小于0.3～0.005μm精密成型制造造技术从制造工件的的毛坯、从接接近零件形状状向直接制成成工件的方向向发展特种加工技术术高能束流加工工（电子束、、离子束、激激光束）电加工（电解解和电火花)超声波加工高压水加工多种能源的组组合加工先进制造技术术的学科内容容制造自动化技技术数控技术数控装置进给系统主轴系统NC程序编制工业机器人机器人操作机机控制系统传感器生产线总线控控制柔性制造系统统加工系统物流系统调度与控制故障诊断自动检测与信信号识别技术术信号识别数据获取数据处理特征提取与识识别过程设备工况况监测与控制制过程监视系统统在线反馈质量量控制先进制造技术术的学科内容容先进制造系统统先进制造生产产模式计算机集成制制造系统CIMS敏捷制造系统统AMS智能制造系统统IMS精良生产LP并行工程CE集成管理技术术企业资源管理理ERP基于作业的成成本管理ABC现代质量保障障体系生产率工程制造资源快速速有效集成生产组织方法法虚拟公司理论论与组织企业组织结构构的变革以人为本的团团队建设企业重组工程程先进制造技术术的学科内容容◆AMT是一项综合性性技术AMT不是一项具体体的技术，而而是利用系统统工程思想和和方法将各种种相关技术集集合成一个整整体，它特别别强调计算机机技术、信息息技术和现代代管理技术在在整个制造过过程中的综合合应用，特别别强调人的主主体作用，强强调人、技术术、管理的有有机结合。◆AMT是一项动态技技术AMT没有一个固定定的模式，它它要与企业的的具体情况相相结合。同时时AMT也不是一成不不变的，而是是动态发展的的，它要不断断地吸收和利利用各种高新新技术成果，，并将其渗透透到制造系统统的各个部分分和整个过程程，使其不断断趋于完善。。AMT特征先进制造技术术的特征和发发展趋势1、集合多学科科成果形成一一个完整的制制造体系传统制造技术术、信息技术术、计算机技技术、自动化化技术、先进进的管理科学学2、先进制造技技术的动态发发展过程不断地吸收各各种高新技术术逐渐形成，，不同时期、、不同区域有有各自的重点点和内容。3、信息技术对对先进制造技技术的发展作作用越来越重要。。CIMS、CE、AM、虚拟企业、、虚拟制造；；4、向超精微细细领域扩展微型机械，纳纳米测量、微微米/纳米加工制造造；精密化柔性化化网络化虚拟拟化智能化清清洁化集成化化全球化先进制造技技术的特征征和发展趋趋势5、制造过程程集成化产品的设计计、加工