第十六讲+现代先进制造技术

2023/2/51工业产品开发概论主讲蒋亚南副教授第八讲金属材料概述2013年9月工业产品开发概论主讲蒋亚南副教授第十六讲现代先进制造技术介绍2015年8月宁波市数字图书馆第二批高校网络（MOOC）课程2023/2/5讲次内容内容体系第一讲了解工业产品介绍及其开发流程第一篇工业产品开发第二讲结合实例介绍硬件产品开发步骤和方法第三讲结合实例介绍服务产品的开发步骤和方法第四讲工业产品工程设计第二篇产品设计方法基础第五讲工业产品造型设计第六讲

工业产品选材—金属材料第七讲工业产品选材—非金属材料第八讲产品表达图示技术基础第三篇产品工程表达基础第九讲

产品图样表达方法—基本视图第十讲产品图样表达方法—剖视断面第十一讲产品图纸表达—零件图第十二讲产品图纸表达—装配图第十三讲工业产品加工方法—热加工第四篇工业产品生产加工第十四讲工业产品加工方法—金属切削加工第十五讲工业产品加工方法—非金属加工第十六讲先进制造技术介绍2023/2/5制造业的社会功能制造业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家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械动力机械纺织服装2023/2/5从生产灵活性看制造模式的变迁生产灵活性年份手工生产英式系统美式系统大批量制造泰勒制造统计过程控制数控柔性制造计算机集成制造未来制造系统18001831190019501970198719912023/2/5制造业近代的三个发展阶段1、机器代替手工，从作坊形成工厂

18世纪后半叶，以蒸汽机和工具机的发明为特征的产业革命，揭开了近代工业的历史，促成了制造企业的雏形——工场式生产的出现。标志着制造业已完成从手工业作坊式生产到以机械加工厂和分工原则为中心的工厂生产的艰难转变。

20世纪初，各种金属切削加工工艺方法逐渐形成，近代制造技术已成体系。但是机器的生产方式是作坊式的单件生产，它产生于英国，在19世纪先后传到德国和美国，并在美国首先形成了小型的机械加工厂。2023/2/52、从单件生产方式发展成大量生产方式泰勒首先提出了以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理，成为制造工程科学的奠基人。福特首先推行所有零件都按照一定的公差要求来加工（零件互换技术），实现了以刚性自动化为特征的大量生产方式，它对社会结构、劳动分工、教育制度和经济发展，都产生了重大的作用。20世纪50年代，零件互换技术发展到了顶峰。2023/2/53、柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术：（1）单件小作坊式生产加高度的个人制造技巧，大量的机械化刚性规模生产加一体化的组织生产模式，再加细化的专业分工。（2）制造技术的界限分明及其专业的相互独立。（3）制造技术一般仅指加工制造的工艺方法，即制造全过程中某一段环节的技术方法。（4）制造技术一般只能控制生产过程中的物料流和能量流。（5）制造技术与制造生产管理的分离。2023/2/5先进制造技术在我国的发展状况具体表现在以下10个方面：

1、计算机辅助设计（CAD）技术普及化

2、快速原型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模

3、精密成形与加工技术水平显著提高，在汽车零部件、重大装配制造中获得广泛应用。

4、热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使材料热加工由“技艺”走向“科学”。5、激光加工在基础研究和技术开发方面有实质性进展，产业应用获得经济效益。2023/2/56、数控技术取得重要进展，国内市场占有率有所提高。

7、现场总线智能仪表研究开发获重要进展，应用已有一定的基础。

8、微型机械研究进展迅速，标志着先进制造技术正向微观领域扩展。

9、现代集成制造系统研究和应用取得突破，在国际上占有一席之地。10、新生产模式的研究和实践具有特色，推动了中国制造业的技术进步和管理现代化。

2023/2/5先进制造技术的分类现代设计技术先进制造工艺技术制造自动化技术系统管理技术2023/2/5现代设计技术计算机辅助设计技术有限元法、优化设计、反求工程、模糊智能CAD、工程数据库等。性能优良设计基础技术可靠性设计；安全性设计；动态分析与设计；防断裂设计；疲劳设计；防腐蚀设计；减摩和耐磨损设计；健壮设计；耐环境设计；维修性设计和维修性保障设计；测试性设计；人机工程设计等。

2023/2/5竞争优势创建技术

快速响应设计；智能设计；仿真与虚拟设计；工业设计；价值工程设计；模块化设计等。全寿命周期设计技术

并行设计；面向制造的设计；全寿命周期设计。可持续性发展产品设计技术

主要有绿色设计设计试验技术

产品可靠性试验；产品环保性能试验与控制、仿真试验与虚拟试验2023/2/5先进制造工艺技术（1）精密洁净铸造成形工艺外热冲天炉熔炼、处理、保护成套技术；钢液精炼与保护技术；近代化学固化砂铸造工艺；高效金属型铸造工艺与设备；气化膜铸造工艺与设备：铸造成形工艺模拟和工艺CAD。（2）精确高效塑性成形工艺热锻生产线成套技术；精密辊锻和楔横轧技术；大型覆盖件冲压成套技术；精密冲裁工艺；超塑和等温成形工艺；锻造成形模拟和工艺CAD等。（3）优质高效焊接及切割技术新型焊接电源及控制技术；激光焊接技术；优质高效低稀释率堆焊技术；精密焊接技术；焊接机器人；现代切割技术；焊接过程的模拟仿真与专家系统。2023/2/5先进制造工艺技术（续）（4）优质低耗洁净热处理技术可控气氛热处理；真空热处理；离子热处理；激光表面合金化；可控冷却。

（5）高效高精机械加工工艺精密加工和超精密加工；高速磨削；变速切削；复杂型面的数控加工；游离磨料的高效加工等。

（6）现代特种加工工艺包括：激光加工；复合加工；微细加工和纳米技术；水力加工等。2023/2/5先进制造工艺技术（续）（7）新型材料成形与加工工艺新型材料的铸造成形；新型材料的塑性成形；新型材料的焊接；新型材料的热处理；新型材料的机械加工。（8）优质清洁表面工程新技术化学镀非晶态技术；新型节能表面涂装技术；铝及铝合金表面强化处理技术；超声速喷涂技术；热喷涂激光表面重熔复合处理技术；等离子化学气相沉积技术；离子辅助沉积技术（9）快速模具制造技术锻模CAD／CAM一体化技术；快速原型制造技术等。2023/2/5制造自动化技术制造自动化是指用机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。是机械制造业最重要的基础技术之一。包括：（1）数控技术数控装置；送给系统和主轴系统；数控机床的程序编制。（2）工业机器人机器人操作机；机器人控制系统；机器人传感器；机器人生产线总体控制。2023/2/5制造自动化技术（续）（3）柔性制造系统（FMS）FMS的加工系统；FMS的物流系统；FMS的调度与控制，FMS的故障诊断。（4）自动检测及信号识别技术自动检测CAT；信号识别系统；数据获取；数据处理；特征提取；识别。（5）过程设备工况监测与控制过程监视控制系统；在线反馈质量控制。2023/2/5系统管理技术（1）先进制造生产模式现代集成制造系统CIMS、敏捷制造系统AMS、智能制造系统IMS、精良生产LP以及并行工程CE等先进的生产组织管理和控制方法。（2）集成管理技术并行工程CE；物料需求计划MRP与准时制生产JIT的集成—生产组织方法；基于作业的成本管理ABC；现代质量保障体系；现代管理信息系统；生产率工程；制造资源的快速有效集成。（3）生产组织方法虚拟公司理论与组织；企业组织结构的变革；以人为本的团队建设；企业重组工程。2023/2/516.1先进制造工艺技术

1、精密加工精密加工一般指加工精度在10～0.1μm（相当于IT5级精度和IT5级以上精度），表面粗糙度Ra值在0.1μm以下的加工方法，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精研、砂带磨、镜面磨削和冷压加工等。用于精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密滚动轴承等，在当前制造工业中占有极重要的地位。

超精密加工是指被加工零件的尺寸公差为0.1～0.01μm数量级，表面粗糙度Ra值为0.001μm数量级的加工方法。16.1.1精密加工与特种加工2023/2/52、特种加工

特种加工是指直接利用电能、声能、光能、电化学能、热能以及特殊机械能对材料进行加工。它与传统的切削加工方法相比具有许多特点：在加工过程中工具与工件之间没有显著的切削力；加工用的工具材料硬度可以低于被加工材料的硬度；能用简单的运动加工出复杂的型面。1）电火花加工

电火花加工是指在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电的电蚀作用对工件进行的加工。能对任何导电材料加工而不受被加工材料强度和硬度的限制。2023/2/5图14－4电火花加工原理1－工件2－脉冲电源3－自动进给装置4－工具电极5－工作液6－过滤器7－泵2023/2/5２）电解加工

电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学腐蚀将工件加工成形，又称电化学加工。

电解加工的工具（阴极）不发生溶解，可长期使用。可在一个工序内完成复杂形状的加工。2023/2/5３）超声波加工

超声波加工是利用超声频振动的工具，使磨料撞击和抛磨工件，进行成形的一种加工方法。超声波加工主要靠磨粒作用去除工件材料，加工设备较简单，操作及维护方便。加工精度可达0.02μm，表面粗糙度Ra值达1.25～0.1μm。超声波加工广泛用于各种超硬脆材料，特别是不导电的非金属材料的加工。2023/2/5图14－7超声波加工原理图1－超声波发生器2－冷却水入口3－换能器4－外罩5－循环冷却水6－变幅杆7＝冷却水出口8－工具9－磨料悬浮液10－工件11－工作槽2023/2/5４）激光加工

激光加工是利用能量密度很高的激光束使工件材料熔化、蒸发和气化而予以去除的高能束加工。2023/2/516.2计算机辅助设计与制造技术

16.2.1计算机辅助设计与制造

2023/2/51.计算机辅助设计（CAD）计算机辅助设计（CAD）是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。1、二维设计2、线框造型3、曲面造型4、实体造型1、几何建模功能2、工程分析和计算功能3、机构设计与分析功能1、有限元分析2、优化设计3、可靠性设计4、自动绘图功能2023/2/52.计算机辅助工艺规程设计（CAPP）计算机辅助工艺规程设计方法1、派生式2、创成式3、综合式派生式计算机辅助工艺规程设计原理1、零件编码矩阵化2、零件组特征的矩阵化3、主样件设计4、零件上各种形面的数字化5、工序工步名称编码6、综合加工工艺路线的数字化7、工序工步内容矩阵1、工艺信息数字化2、CAPP数据库特征矩阵文件综合工艺路线工序、工步文件工艺数据文件2023/2/5

从广义的角度讲，CAM指利用计算机辅助从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的活动，包括计算机辅助生产计划、计算机辅助工艺设计、计算机数控编程、计算机控制加工过程等内容。而从狭义的角度讲，CAM仅指数控程序的编制，包括刀具路径的确定、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等3.计算机辅助制造（CAM）在市场上比较成熟的CAD/CAM系统有Pro/engineer系统和MasterCAM系统。前者是一体化的CAD/CAM系统，其内部是统一的数据格式，能直接调用CAD系统中的图形数据。后者是CAD模块与CAM模块的无缝集成，其系统内部通过中性文件获取其它CAD系统的图形信息。

2023/2/516.2.2快速成形技术1.快速成形技术的概念

快速成形技术（RP,RapidPrototyping）是运用堆积成形法，由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。

RP技术的成形原理不同于常规制造的去除法（切削加工、电火花加工等）和变形法（铸造、锻造等），而是利用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、熔结、聚合作用或化学等方式，有选择地固化（或粘结）液体材料，实现材料的迁移和堆积，形成所需要的原型零件。

快速成形技术是综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。2023/2/52.快速成形技术的工艺方法

RP技术的具体工艺有很多种，根据采用的材料和对材料的处理方式不同，选择其中3种方法的工艺原理进行介绍。(1)选择性液体固化又称光固化法，光固化法是目前应用最广的快速成形制造方法。其主要特点是：制造精度高、表面质量好、原材料利用率接近100%；能制造形状复杂及特别精细的零件；能使用成形材料较脆、材料固化伴随一定收缩率的材料制造所需零件。2023/2/5(2)选择性层片粘结

选择性层片粘结又称分层实体制造、叠层制造法叠层法的主要特点是：不需要制作支撑；激光只作轮廓扫描，而不需填充扫描，成形率高；运行成本低；成形过程中无相变且残余应力小，适合于加工较大尺寸零件；但材料利用率较低，表面质量差。(3)选择性粉末熔结/粘结选择性粉末熔结/粘结又称烧结法激光选区烧结法的主要特点是：不需要制作支撑；成形零件的机械性能好，强度高；粉末较松散，烧结后精度不高，Z轴精度难以控制。2023/2/53.

快速成形技术的特点和用途

(1)主要特点

1）高度柔性；

2）技术的高度集成；

3）设计制造一体化；

4）快速性；

5）自由成形制造(FreeFormFabrication，FFF)；

6）材料的广泛性。

(2)用途

1）产品设计评估与功能测验；

2）快速模具制造；

3）医学上的仿生制造；

4）艺术品的制造；

5）直接制造金属型。

2023/2/52023/2/52023/2/516.3制造自动化技术

163.1工业机器人1.工业机器人的定义工业机器人（IndustrialRobot,简称Robot

）是一种可重复编程的、自动控制的、多自由度的、机体独立的自动操作机械。

2.工业机器人的组成（1）执行系统（2）驱动系统（3）控制系统（4）检测系统（5）智能系统2023/2/511.4工业机器人3.工业机器人的分类按系统功能分类：专用机器人、通用机器人、示教再现机器人、智能机器人按结构形式分类：直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人。按驱动方式分类：气压传动机器人、液压传动机器人、电力传动机器人。按承担工作任务性质可分为：搬运机器人和作业机器人。虽然工业机器人品种繁多，但从设计与使用角度出发，工业机器人的主要技术性能参数包括：运动自由度、工作空间、工作负荷、运动速度、位置精度。2023/2/54.工业机器人的应用

工业机器人的最初应用主要是对人体有危险或危害的操作环境。今天，在现代制造业中，利用机器人能扩大机械制造系统的功能和范围，以及提高自动化程度，是实现柔性自动化的基本设备。用于生产中的工业机器人有：铸造机器人、焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人、搬运机器人等。此外，高压作业线、服装剪裁、管道作业、擦玻璃的机器人也发挥着巨大的作用。2023/2/516.3.2柔性制造系统

传统的专用机床和“刚性”自动生产线虽然有很高的生产效率，但其加工的零件形状和尺寸单一，难以改变，这对于大批大量生产是合适的。为满足多品种、小批量、产品更新换代周期短的要求，20世纪70年代以来，随着微电子技术，特别是计算机技术、传感技术的发展，一种以机械加工为主的柔性制造技术得到迅速发展，主要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统。1.柔性制造单元

FMC（FlexibleManufacturingCell）是在加工中心的基础上，增加了贮存工件的自动料库、输送系统所构成的自动加工系统。FMC适于多品种、小批量工件的生产。FMC具有规模小、成本低，便于扩展等优点。但FMC的信息系统自动化程度较低，加工柔性不高，只能完成品种有限的零件加工。2023/2/52.柔性制造系统

（1）FMS（FlexibleManufacturingSystem）的定义和组成FMS是在FMC的基础上扩展而成的一种高效率、高精度、高柔性的加工系统。对柔性制造系统直观的定义：“柔性制造系统至少是由两台数控加工设备、一套物料储运系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统。从上述定义可以看出，FMS主要由以下三部组成：1）加工系统2）物料储运系统3）信息系统除上述三个主要组成部分外，FMS还包括冷却系统、排屑系统、刀具监控和管理等附属系统。（2）FMS的优点和效益1）能接受各种不同零件加工2）生产周期短、成本低3）使加工质量得到保证4）对企业的竞争力和资金周转十分有利2023/2/516.4现代制造系统

16.4.1计算机集成制造系统1.CIMS(ComouterIntegratedManufacturingSystem)的基本概念CIMS是