先进制造技术概论 四

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

制造系统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…

）质量控制制造系统特性性软件硬件结构特性制造系统可视视为若干硬件件的集合体。。为使硬件充充分发挥效能能，必须有软软件支持。转变特性研究制造系统统转变特性，，主要从技术角角度出发，如如何使转变过过程更有效进进行。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特性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物流流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程序——一系列按时间间和逻辑安排排的步骤研究制造系统统程序特性，，主要从管理理角度出发如如何使生产活活动达到最佳佳化。制造系统特性性制造系统的物物质流与信息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造了了人类1）人从猿进化化而来,人猿分离,是由于人学会会双足行走和和用手制造并并使用工具。。2）中国的元谋谋人（170万年前的南方方古猿）、非非洲人早在160万年前即开始始用火，石料料开采和加工工，形成了原原始制造业。。饮食改善促促进了脑的发发展。200万年前的猿人人脑容量约约为700毫升，100万年前的直立立人脑容量约约为1000毫升，50万年前增加到到1200毫升，1929年发现的57万年前的北京京（直立）猿猿人为1050毫升，而现现代人的脑容容量平均为1450毫升，现代人人的大脑皮层层褶皱面积为为1700-2200平方厘米，是是黑猩猩的3倍。3）恩格斯指出出：“直立和劳动创创造了人类，，而劳动是从从制造工具开开始的。动物物所做到的最最多是收集,而人则从事生生产。”1.2制造业的发展展及其在国民民经济中的地地位用机器代替手手工，从作坊坊形成工厂19世纪机器在英英国诞生，先先后传人法国国、德国和美美国。从单件生产方方式发展成大大量生产方式式泰勒：以劳动动分工和计件件工资制为基基础的科学管管理。福特：零件互互换技术，1913年建立了具有有划时代意义义的汽车装配配生产线柔性化、集成成化、智能化化和网络化的的现代制造技技术柔性制造系统统、计算机集集成制造系统统、网络化制制造、智能制制造系统、及及时生产、精精良生产、敏敏捷制造……制造业发展的的历史制造业在国民民经济中的地地位制造业是产业业革命的主力力军第一次产业革革命：1733-18781）又称为：蒸蒸汽革命。2）产业革命的的标志：瓦特特发明的蒸汽汽机。3）英国的制造造业孕育和实实现了瓦特的的发明4）制造业和瓦瓦特的发明推推动了热力学学理论的诞生生。第二次产业革革命：1879-19451）又称为：电电气革命。2）产业革命的的标志：电灯灯（爱迪生））、电话（贝贝尔）、电机机（西门子））等电气化产产品。3）制造业肇始始了电的应用用，而后才有有麦克斯韦电电动力学理论论的诞生。4）麦克斯韦电电动力学理论论推动了20世纪初开始的的无线电、微微波、雷达、、合成孔径、、微波成像、、卫星通信、、宇宙微波探探测等技术的的发展。5）牛顿力学和和电动力学又又为量子力学学的发展指引引了道路，导导致了量子场场论的创立。。制造业在国民民经济中的地地位制造业是产业业革命的主力力军第三次产业革革命：1945-19721）又称为：电电子（原子））革命。2）产业革命的的标志：原子子弹（1945）、电子计算算机（1946）、晶体管（（1948）、集成电路路、微电子技技术等。3）微电子制造造技术开创了了全新的信息息时代。制造业在国民民经济中的地地位制造业是产业业革命的主力力军1946年2月15日，世界上第第一台通用电电子数字计算算机“埃尼阿阿克”（ENIAC）研制成功。。由美国工程程师莫奇负责责。“埃尼阿阿克”共使用用了18000个电子管，另另加1500个继电器以及及其它器件，，其总体积约约90立方米，重达达30吨，占地170平方米。第四次产业革革命：1973-1）又称为：高高新技术产业业革命。2）产业革命的的标志：众多多高新技术产产品，如微电电子产品、电电脑、新一代代通信产品、、新一代汽车车、磁悬浮列列车、新一代代飞机、机器器人、生物工工程产品、新新一代药物、、绿色食品、、转基因产品品等等。3）微器件制造造工艺，如拉拉单晶、掺杂杂、扩散、离离子注入、外外延、溅射、、化学沉积（（CVD）、光刻、表表面贴装、自自动化组装、、进而到纳米米器件制造工工艺将把高新新技术产业革革命推向顶峰峰。制造业在国民民经济中的地地位制造业是产业业革命的主力力军制造业是国民民经济的支柱柱产业国民经济总收收入的60%以上来自制造造业，世界发发达国家无不不具有强大的的制造业。2001年中国工程院院的调查:1）中国制造业业占国民生产产总值的1/32）占整个工业业生产的4/53）为国家财政政提供1/3以上的收入4）贡献出口总总额的90%5）就业人员8043万制造业在国民民经济中的地地位2007年世界制造造业增加值（（MVA）份额（注：按2000年不变价格估估算）制造业是国民民经济各部门门的装备部制造业在国民民经济中的地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临的的竞争和挑战战来源: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-产品更新的周周期更短研制周期交付周期研制周期01234567891070772773774775776777751596263727290年57646871828194.5(年)波音各种机型型研制交付周周期比较制造业面临的的竞争和挑战战产品批量更小汽车生产：大大批量生产→→大批量定制制生产；顾客对产品功功能、性能、、质量的要求求更高能参与全球竞竞争的企业更多跨国公司的垄垄断性更明显企业的兼并重重组更激烈、更动动荡一般水平的产产品及制造能能力严重过剩人口老龄化更严重环保意识、绿绿色制造呼声声更强制造业面临的的竞争和挑战战生产批量的变变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临的的竞争和挑战战制造业市场竞竞争的新特点点“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场竞竞争的新特点点“市场影响因因素”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场竞竞争的新特点点先进制造技术术的产生背景先进制造技术术首先由美国国于20世纪80年代末提出20世纪70年代，一批美美国学者不断断鼓吹美国已已进入“后工业化社社会”，认为制造业业是“夕阳工业””，主张经济重重心由制造业业转向高科技技产业和第三三产业结果：导致美美国在经济上上竞争力下降降，贸易逆差差巨增，日本本家电、汽车车大量涌入并并占领了美国国市场。（20世纪60年代美国汽车车产量占世界界汽车总产量量的2/3，而到了80年代下降到不不足1/3）1.3先进制造技术术的内涵和特特点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机床床改进核潜艇性性能先进制造技术术的产生背景80年代后期，美美国的一些国国会议员、政政府要员纷纷纷要求政府出出面，协调和和支持制造产产业的发展，，1991年，布什政府府期间，美国国白宫科学技技术政策办公公室发表了总总数为22项的美国国家家关键技术，，其中制造技技术占4项，标志着美美国科技政策策的转变。1988年，美国政府府投资进行大大规模“21世纪制造企业业战略”研究究,并于其后不久久提出了“先先进制造技术术”发展目标标，制定并实实施了“先进制造技技术计划（ATP）”和“制造技术中中心计划（MTC）”克林顿上台后后，对制造业业大力支持，，他把先进制制造技术列为为六大国防关关键技术之首首。结果美国国在机械工业业、汽车工业业、航空工业业及信息产业业等方面取得得了明显的进进展，使美国国的经济连续续8年取得了2-3%的增长率，而而且还同时保保持低通胀率率和低失业率率。先进制造技术术的产生背景先进制造技术术计划（ATP）由美国联邦政政府科学、工工程和技术协协调委员会（（FCCSET）提出，1994年度预算为14亿美元ATP目标:为美国人提供供更多高技术术、高工资就就业机会，促促进美国经济济增长；提高能源效益益，减少污染染，创造更加加清洁的环境境；使美国私人制制造业在世界界市场上更具具有竞争力，，保持美国的的竞争地位；；使教育系统对对每个学生进进行更富有挑挑战性的教育育；鼓励科技界把把确保国家安安全和提高全全民生活质量量作为核心目目标。先进制造技术术的产生背景又称“合作伙伴计划划”，由美国国家家标准与技术术研究院（NIST）牵头目标：面向35万家中小企业业(他们不像大企企业有自己的的开发能力，，且资金不足足)，在技术拥有有者（通常为为政府的研究究机构、国家家实验室、大大学）与需要要这些技术的的中小企业之之间建立合作作的桥梁，使使中小企业掌掌握先进制造造技术，或使使他们具有识识别、选择适适用于自己企企业的先进制制造技术的能能力方法：一个地区设设立一个中心心（至95年已建立了30个中心），为为中小企业展展示新的制造造技术和设备备，并进行培培训，帮助他他们选用经费：国会拨拨款制造技术中心心计划（MTC）先进制造技术术的产生背景汽车2mm工程，使轿车车车身精度达达到丰田水平平1994年，美国汽车车产量重新超超过日本，重重新占领欧、、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”导弹上使用用的芯片也也是日本制制造的）20世纪90年代，经济济持续增长长，失业率率降低到历历史最低水水平提出了一系系列先进制制造技术的的新理论、、新思想。。如：CE，LP，AM，…ATP&MTC效果显著先进制造技技术的产生背景◆AMT是制造业不不断吸收信信息技术和和现代管理理技术的成成果，将其其综合应用用于产品设设计、加工工、检测、、管理、销销售、使用用、服务乃乃至回收的的制造全过过程，以实实现优质、、高效、低低耗、清洁洁、灵活生生产，提高高对动态多多变市场的的适应能力力和竞争力力的制造技技术的总称称。◆要点：目标是提高高制造企业业对市场的的适应能力力和竞争力力强调信息技技术、现代代管理技术术与制造技技术的有机机结合信息技术、、现代管理理技术在整整个制造过过程中综合合应用先进制造技技术的定义义先进制造技技术的定义和体系系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技术的定义和体系系结构1.3.2AMT定义和体系系结构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◆第二个层次次是新型的的制造单元元技术。如如制造业自自动化单元元技术、极极限加工技技术、质量量与可靠性性技术、系系统管理技技术、CAD／CAM、清洁生产产技术、新新材料成形形加工技术术、激光与与高密度能能源加工技技术、工艺艺模拟及工工艺设计优优化技术等等。◆第一个层次次是优质、、高效、低低耗、清洁洁基础制造造技术。包包括精密下下料、精密密塑性成形形、精密铸铸造、精密密加工、精精密测量、、毛坯强韧韧化、精密密热处理、、优质高效效连接技术术、功能性性防护涂层层及各种与与设计有关关的基础技技术、各种种现代管理理技术。◆第三个层次次是先进制制造集成技技术。这是是应用信息息技术和系系统管理技技术，通过过网络与数数据库对上上述两个层层次的技术术集成而形形成的，如如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制制造技术等等。设计手段计计算机化有限元法优化设计计算机辅助助设计反求工程技技术CAD/CAM一体化技术术工程数据库库向全寿命周周期设计发发展由单纯考虑虑技术因素素转向综合合考虑技术术、经济和和社会因素素先进设计技技术设计方法现现代化产品动态分分析和设计计产品可靠性性可维护性及及安全设计计产品优化设设计快速响应设设计创新设计智能设计仿真与虚拟拟设计价值工程设设计模块化设计计先进制造技技术的学科科内容先进制造工工艺技术精密、超精精密加工技技术精密加工：：精度为3～0.3μmRa0.3～0.03μm超精密加工工：精度为为0.3～0.03μmRa0.3～0.005μm纳米加工：：精度高于于0.03μmRa小于0.3～0.005μm精密成型制制造技术从制造工件件的毛坯、、从接近零零件形状向向直接制成成工件的方方向发展特种加工技技术高能束流加加工（电子子束、离子子束、激光光束）电加工（电电解和电火火花)超声波加工工高压水加工工多种能源的的组合加工工先进制造技技术的学科科内容制造自动化化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人机器人操作作机控制系统传感器生产线总线线控制柔性性制制造造系系统统加工工系系统统物流流系系统统调度度与与控控制制故障障诊诊断断自动动检检测测与与信信号号识识别别技技术术信号号识识别别数据据获获取取数据据处处理理特征征提提取取与与识识别别过程程设设备备工工况况监监测测与与控控制制过程程监监视视系系统统在线线反反馈馈质质量量控控制制先进进制制造造技技术术的的学学科科内内容容先进进制制造造系系统统先进进制制造造生生产产模模式式计算算机机集集成成制制造造系系统统CIMS敏捷捷制制造造系系统统AMS智能能制制造造系系统统IMS精良良生生产产LP并行行工工程程CE集成成管管理理技技术术企业业资资源源管管理理ERP基于于作作业业的的成成本本管管理理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术术的特征和发发展趋势5、制造过程集集成化产品的设计、、加工、检测测、物流、装装配过程一