卓越生产制体系管理

/先进制造技术与系统ＴOC\o"1—3"＼h＼zHYPEＲLINK第一章先进制造技术概述ﻩPＡGEREF_Toc800８6448\h１ＨＹＰＥRLINK第一节制造技术的基本概念与发展概况ﻩPAGEＲEＦ_Toc8００864４9\h2ＨＹPＥRLINK\l＂＿Ｔoc８0086450”第二节面向知识经济的制造业 ＰAGＥＲEF_Toc800８６45０\h5HＹPEＲLＩNK＼l"＿Toc8008６451”第三节21世纪制造业的主要特点 ＰAGEＲEF＿Tｏc80０8６451\ｈ８HＹＰＥＲLＩNK\ｌ＂＿Toc800８6４52”第四节２1世纪对制造业的挑战 ８0０864５2\h１0HYＰＥRLIＮK\l”_Toc8００８6453"第五节先进制造技术的基本内容与体系结构 PAGEＲＥＦ_Toc８0０8６4５3\h１1HYPＥＲLIＮK第二节面向“Ｘ”的设计(DesignfｏｒX)ﻩPＡGEREF_Toc800８6457\h57HYPＥＲＬINK\l”＿Toc800864５８"第三节反求工程技术(ＲevｅseEｎgｉｎｅerｉng) ＰＡGERＥF_Toｃ8０086458\ｈ６２HYＰＥＲLIＮＫ＼ｌ"＿Ｔoc８0086459＂第四章制造自动化技术 ＰAGERＥF_Ｔｏc800８6４59\h6４ＨYPERＬINK＼l"_Toc8008６46０”第一节计算机辅助制造（CAM）ﻩＰAGERＥF_Toc800864６0＼h6４ＨＹPERLINK\l”_Toc８０08６４６1"第二节数控编程技术 PAGＥREF_Toc800８646１\h６6HＹPERLINＫ\l"_Tｏｃ8０0８64６2”第三节CAPＰ技术——计算机辅助工艺过程设计 ６4６２\h70HYPERＬINK＼ｌ＂_Toc８0０８６４63＂第四节CＡD/CAＰP/ＣAＭ集成技术ﻩPＡGEREF_Toc80086463\h76HYＰERＬＩNK\l”＿Ｔoc8008６４６4"第五节柔性制造系统 PAGＥREF＿Ｔoｃ８00８６46４\h85ＨYPＥRLINK\l"_Toc80086465”第六节计算机集成制造系统ﻩPAGＥREF_Toc80086465\h9１HYPＥRLINK\l＂_Ｔoｃ80086４66”第五章先进制造系统管理技术 PAＧEＲEF＿Toｃ80０8646６\h99HYPEＲＬIＮK第一节概述ﻩPAGERＥF_Toｃ8008646７\h１00HYPERLINK\l”_Tｏc8０0864６8"第二节成组技术（GrｏupTｅchnolｏgｙ)ﻩPＡＧＥＲEＦ_Ｔoc800８６468\h101HＹPERLINＫ第四节精益生产 PAＧEREF_Toc800８64７0\h１12ＨＹＰERLINK\ｌ"_Toc8008647１"第五节敏捷制造ﻩＰAGＥREF_Toc８008６４7１\h11８前言本课程将带领你到一个神奇的领域中去游览。这个领域与你的关系是如此之密切，以致于你每时每刻都在与它打交道。你目之所及、身之所用多是这一领域的劳动成果可是，对于这一领域，你可能又知之甚少,感到十分陌生。在新的世纪即将来临的今天，对于这一领域的突飞猛进的发展，对它所创造的令人惊异的奇迹与辉煌，你应该有所了解.这个领域就是制造领域.本课程将向您讲述当代先进制造技术的各方面知识,这些内容，将会令你惊叹,让你着迷,鼓励你开拓新的知识疆界，帮助你提高适应新世纪的能力。制造业创造了人类的物质文明,而今天的先进制造技术又是人类物质文明所创造的最伟大的奇迹之一。第一章先进制造技术概述先进制造技术(AdｖanｃeMａnｕｆaｃturingＴecｈnｏｌogｙ,AMT)定义:是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与管理科学等多学科先进技术的综合，并应用于制造工程之中所形成的一个学科体系。第一节制造技术的基本概念与发展概况制造业的主要任务--—-制造人类社会在生产和生活中所需的一切产品.即:一方面创造价值，产生物质财富和新的知识。另一方面为国民经济各个部门，包括国防和科学技术的进步和发展提供先进的手段和装备.据估计,工业化国家约７0％－80％的物质财富来自制造业，因此，很多国家特别是美国把制定制造业发展战略列为重中之重,原因是①世界经济发展的趋势表明，制造业是一个国家经济发展的基石，也是增强国家竞争力的基础；②制造业是解决就业矛盾的一个重要领域，也是21世纪提高一个国家整体就业水平的重要基础；③制造业不仅是高新技术的载体，而且也是高新技术发展的动力。一、制造系统与制造技术“制造”定义：（Ｍａnufacturｉｎgiｓｓerｉesｏfiｎtｅrrelatedaｃtivitiesａｎdopeｒatiｏnsinvｏlvingtｈedesign,matｅrｉalsseleｃtioｎ，ｐlａnｎｉｎg，pｒoduction，quａlityaｓsurance,managemeｎtandｍarkｅtingofｔhｅproductsｏfｔｈemanufacturiｎgindusｔriｅｓ）。制造是一个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.—-国际生产工程学会１９90年制造系统(ManufactｕｒｉnｇSysｔerｎ）定义：制造系统是制造过程及其所涉及的硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置以及有关软件包括制造理论、制造技术(制造工艺和制造方法等）和制造信息等组成的一个具有特定功能的有机整体。制造技术(ManufacｔurｉnｇTｅchｎolｏgy)定义：制造技术是按照人们所需的目的,运用知识和技能，利用客观物质工具，使原材料转变为产品的技术总称.先进制造技术的提出和发展只是近20年间的事情。二、传统制造业及其技术的发展制造技术发展，从蒸汽机出现到今天，经历三个发展阶段:1.用机器代替手工,从作坊形成工厂•在１9世纪及20世纪初,各种金属切削加工工艺方法陆续形成,近代制造技术已成体系。•机器（包括汽车）的生产方式是作坊式的单件生产。它产生于英国，先后传到法国、德国和美国，并在美国首先形成了小型的机械工厂，使这些国家的经济得到了发展,国力大大增强.2.从单件生产方式发展成大量生产方式推动这种根本变革的是两位美国人:泰勒和福特。泰勒首先提出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。福特首先推行所在零件都按照一定的公差要求来加工(零件互换技术），1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线,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年代发展到了顶峰,产生了工业技术的革命和创新，传统制造业及其大工业体系也随之建立和逐渐成熟。近代传统制造工业技术体系的形成，其特点是以机械一电力技术为核心的各类技术相互联结和依存的制造工业技术体系。３.柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术20世纪80年代以来所产生的现代制造技术沿着4个方向发展;传统制造技术的革新、拓展；精密工程；非传统加工方法；制造系统的柔性化、集成化、智能化和网络化。传统制造业的生产和技术的特点:（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质流和能量流（原材料到产品的物质流运过程，能量的投入、转换和消耗过程)。（5）制造技术与制造生产管理的分离。三、现代制造及其技术的发展新技术的发展和传统技术的革新、发展及完善:新兴材料技术（新冶炼技术、新合金材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料等）;新切削加工技术(数控机床、新刀具、超高速和精密加工)；大型发电和传输技术；核能技术；微电子技术（集成电路、计算机、电视、广播和雷达);自动化技术；激光技术;生物技术和系统工程技术。传统制造业在2０世纪开始的新的革命性的变化和进步,传统制造开始向现代制造发展.现代制造及其技术的形成和发展特点是：（1)生产规模：•从少品种大批量,发展到单件小批量、多品种变批量。(２）生产方式:•从劳动密集型,发展到设备密集型、信息密集型、知识密集型。（3)制造装备:•从手工,发展到机械化、单机自动化、刚性自动线、柔性自动线+智能自动化。(4)制造技术和工艺方法：发展中现代制造特征表现为：①重视必不可少的辅助工序，如加工前后处理;②重视工艺装备，使制造技术成为集工艺方法、工艺装备和工艺材料为一体的成套技术；③重视物流、检验、包装及储藏,使制造技术成为覆盖加工全过程的综合技术，④发展优质高效低耗的工艺，取代落后¹⑤吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果，形成CＡD、CAM、ＣAＰP、CAT、CAE、NＣ、CNC、MIS、FMS、ＣIMS、IMT、IMS等一系列现代制造技术。•实现上述技术的局部或系统集成，形成从单机到自动生产线等不同档次的自动化制造系统；（5）引人工业工程和并行工程概念:强调系统化及其技术和管理的集成，将技术和管理有机地结合在一起；引入先进的管理模式,使制造技术及制造过程成为覆盖整个产品生命周期,包含物质流、能量流和信息流的系统工程。四、制造业发展过程中竞争的焦点和策略市场竞争是制造业永恒的话题。从１0０多年前福特（Forｄ）汽车的生产线开始，产生和应用不同的技术和管理模式（见表1-1）。20世纪是制造业空前发展的重要时期;制造系统的集成活动异常活跃,制造模式不断更新。制造技术广泛吸收高新技术的优秀成果，并相互渗透、融合和衍生,产生急剧的变化,其目的是使所制造的产品(Ｐroduct）达到:功能(Function)、交货期(TimetoＭaｒkeｔ)、质量（Qｕａlity）、价格(Cost）、服务（Seｒvｉce）均为优良。五、先进制造技术与制造模式的发展历程20世纪末,以微电子、信息、新材料、系统科学等为代表的新一代科学与技术的迅猛发展及其在控制领域中的广泛渗透、应用和衍生，极大地拓展了制造活动的深度和广度，急剧地改变了现代制造业的产品设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产生一大批新的制造技术和制造模式。现代制造业已成为发展速度快、技术创新能力强、技术密集和知识密集的部门。为适应这种情况的变化，美国、日本等国开展了大量的对策研究。提出了许多新观点,新思想、新概念,先后诞生了许多先进制造技术、模式与系统，例如柔性制造系统(FlｅxiｂｌeManufａctｕｒｉngＳｙstｅｍ,FMS)计算机集成制造系统CＩMＳ并行工程(CｏncuｒrｅntEnｇinｅerinｇ，CE)精良生产（LeａｎProductｉon，ＬP)智能制造系统（InｔelligentＭanufacｔｕringSysteｍ，ＩMS)敏捷制造系统（AgｉleManufaｃｔuriｎgSysteｍ，AＭS）全能制造系统(HolonｉcｍａnｕｆactuｒｉｎｇSｙｓｔｅm，ＨMＳ）虚拟制造系统（ViｒｔuaｌＭaｎufaｃturingＳystem,VMＳ）全球制造（ＧlｏbalｉｚatiｏnＭanufaｃｔuring)系统等。见下图第二节面向知识经济的制造业信息技术和计算机网络技术的发展各国的经济离不开与国际市场的信息、技术、资源和产品的交换。由此，一方面开阔了企业的市场，另一方面也给企业带来了全球范围的竞争压力.新经济也是全球性经济,生产过程不再局限于一国范围,而是形成“无国界的经济实体”.企业间竞争与合作、开放与限制并存的局面，必将引起世界经济结构与组织结构的重大变化,从而带来制造业的一场革命。一、知识经济的特征与对制造业的影响知识经济对制造工业的影响：对产品和消费观念的改变产品设计和制造过程的数字化和智能化经营和制造活动的全球化等.制造技术质的飞跃：制造技术已成为一个涵盖整个生产过程、跨多个学科、高度集成的高新技术.支撑制造技术的电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光及管理科学等逐步成为制造业的新兴技术与新兴工业的综合体。问题:在知识经济条件下，制造业的地位是否降低了在知识经济条件下，制造业是参与市场竞争的主体。世界经济发展规律告诉人们：——一个没有工业基础和制造业的城市是没有根基的城市。-—制造业能极大地推动金融、贸易、保险、房地产和服务业的发展.-—没有制造业作为基础,无论哪一个产业都将失去存在和发展的条件。案例说明制造技术的水平和制造工业的发达程度突出地反映了一个国家、一个地区的经济实力,人民的生活质量、国防能力和社会的发展程度。一个国家如果不重视发展先进制造技术和制造工业，必然要吃亏、上当、挨打.以下仅举两个比较突出的事例来说明。美国在二战以前一直是制造大国•轿车工业为支柱，在全球制造业中居于执牛耳的地位.•２０世纪50年代以后,因军备需要，偏重高新技术和军用技术发展,放松一般制造业。•进入７0年代后期，“第三次浪潮’’论在美国流传开来，认为美国进入“后工业社会"。劳动力将从工业转移到信息行业和服务行业。•认为制造业已成为正在走向没落的“夕阳工业"，制造技术的发展受到冷遇。•大学里不再开设制造技术和制造科学课程,也少有相关研究课题。放弃了关于制造工程和制造科学方面的教育和研究工作.所谓“第三次浪潮’'即信息革命，“后工业社会"就是知识经济社会.这些都是正确的论断。劳动力的第二次大转移也是正在发生的事实。问题出在将制造业视为正在走向没落的“夕阳工业”，过于简单和轻率,不符合其后经济发展的事实.事实证明，知识经济的发展,不是要放弃制造业,而是要按照知识经济的特点和要求来改造制造业,使传统的制造业发展成为先进制造业,为现代社会经济的发展发挥不可替代的作用。“夕阳工业’’论对于美国制造业和美国经济的负面影响20世纪的70-80年代在微电子工业、汽车工业的国际市场竞争日本的高质量和高技术含量的产品,如汽车、摩托车、机床、录相机、照相机、电视机等产品以及亚洲和拉美国家的一些廉价产品夺走了相当一部分原属美国产品的国际市场，乃至于部分美国的国内市场。美国机床工业放弃了原已占领的53％的市场，其年产值在12年间从５7亿美元跌落到3８亿美元.1９８６年，该国仍有一半机床需要进口。1973年石油危机,日本的节能型轿车大举进入美国，占领了相当一部分美国国内市场。直到90年代初，美国仍有１/4以上的国内汽车市场被日本汽车占领。在那一段时期,美国的制造业在国际市场竞争中节节败退，物资生产基础遭到严重的削弱，第二、第三产业的比例严重失调,国际贸易逆差剧增,经济空前滑坡,美国公众和舆论界惊呼这种情况“危及美国国家的安全！"“帝国反击战”—-美国的补救行动美国政府和企业界重新审视其科学技术政策和产业政策，重新认识和评价制造技术和制造业在国民经济中的重要地位和作用。•总统委员会的报告指出:“美国在重要的、高速增长的技术市场上失利的—个重要原因是美国没有把自已的技术应用到制造业上.”•美国开始加强对制造技术的研究与开发，相继实施了一系列振兴制造业的计划，力图夺回昔日的优势，重建新的辉煌。政府、公司与大学联手开展关于制造科学和制造技术的研究、开发与教育工作,建立了一系列工业/大学联合研究中心。1991年美国总统布什公布了“国家关键技术计划”，将“制造技术”列入六项关键技术（材料、制造、电子信息、生物工程与生命科学、能源与环境以及航空、航天与地面交通）之中。1994年被定为美国的“制造技术年”，年初,美国商务部提出：制造是工业的基础。•美国政府一反过去不介入制造业的惯例,积极支持与推动制造业的发展.将制造技术列为美国财政重点扶植的唯一的领域。•美国的“三大汽车公司”（通用、福特和克莱斯勒)以日本汽车公司为对手，研究赶超的主要措施和对策.•例如，在20世纪90年代初，三大汽车公司与密西根大学合作，在政府的支持下,开展了一项提高轿车车身点焊总成的精度、降低车门门缝的平均宽度的研究，即所谓“两毫米工程”。对这一项研究所投入的经费达1３00多万美元。克林顿总统上台后,对制造工业给予了实质性的支持。提出并实施了振兴美国制造业的六点措施：第一，对先进制造技术的研究和开发提供更多资助，特别是新汽车技术、智能控制和传感器、快速原型设计等制造技术的研究开发计划将得到赞助;第二，支持敏捷制造技术；第三,建立全国制造技术推广中心网;第四,建立各地区的技术促进联盟;第五，促进制造工程教育的发展；第六,促进考虑环境的制造技术的发展。经过了一段时期的努力奋斗,收到良好的效果，在制造技术基础研究、技术创新、企业重组与协作等方面有了重大改观。一些欧洲报纸称：“由于采用了先进的设计技术手段,美国新设计的汽车在技术上已超过日本和欧洲。”美国的汽车产量于1994年重新超过日本，夺回了部分失去的市场。美国机床的设计和制造水平得到了很大的提高.1994年美国电子行业重新占据领先地位，并总结出有关制造技术的一系列先进的理论、技术和方法,如并行工程、精益生产、敏捷制造和虚拟制造等。故事思考、结论•从美国这个超级大国在制造技术和制造工业的发展中所走过的弯路和所经历的波折中，我们可以看到：•一个现代国家如果忽视了制造技术和制造工业，放松了对于制造技术的研究、开发和对于制造工业的促进,其后果将是何等严重！•像美国这样的实力雄厚的经济大国尚且不能承受由此而引起的严重后果，更何况像我国这样的发展中国家。另一个事例（微观层面)日本东芝公司买给前苏联巨型数控加工机床，该机床加工出来的螺旋桨提高了前苏联航空母舰的速度，大幅度地降低了前苏联潜艇的螺旋桨推进器在水下发出的噪声,大大提高了苏方潜艇的隐密性，增加近距离对美方舰艇发动突然袭击的可能性。美国对日本东芝公司十分恼火。１9８7年６月30日美国参议院通过一项“制裁东芝机械公司的法案”，禁止这家公司在五年内向美国出口任何产品.在美国的压力下，东芝公司董事长和总经理被迫辞职。当时的日本首相及防卫厅厅长还向美国政府道歉,表明日本将加强对各公司出口的检查,保证不再发生类似事件。这就是曾经轰动一时的所谓“东芝事件"。这个事例从微观上突出地表明了制造技术的具体的成果所具有的重大意义和举足轻重的影响。二、知识经济条件下制造业面临的机遇和挑战1．传统制造业特点（1）建立在规模经济基础上,靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势。（2）强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率。（3)生产赢利是靠机器取代人力、复杂的专业加工取代人的技能来获取。(4)机器的非柔性、要求标准的产品设计以获得高产出。(5)难以满足市场对产品花色品种和交货期的要求。2。制造业面临的发展机遇和严峻挑战：(1）产品生命周期缩短现代科技以日新月异的速度发展,新产品层出不穷。产品的生命周期（一个产品从开发设计到被市场淘汰所经历的时间）大大缩短.（２)用户需求多样化用户追求多样化和个性化已逐渐成为世界的潮流.(3)大市场和大竞争世界市场的开放程度越来越大.计算机通信技术和信息高速公路,使全球集成制造有可能实现。使资源更充分地利用，原料和产品的运输距离显著地缩短，交货期进一步缩短，产业分工的国际化已成为发展潮流。(4)交货期成为竞争的第一要素根据客户对产品需求的变化，要求迅速作出反应，已经成为压倒一切的竞争要素。（5）信息化和智能化随着计算机技术广泛的应用，企业的控制进一步信息化和智能化,企业的工作内容、对象和方法发生根本的改变.（６）人的知识、素质和需求的变化企业职工的知识、素质有较大提高,对工作内容和环境有更高要求。(７）环境保护意识的增强与可持续发展人类发展与环境的矛盾日益加深和尖锐。人类经济活动反思重大成果:1９9２年确立了《２1世纪议程》，一致提出要遵循可持续发展模式.第三节21世纪制造业的主要特点一、背景市场竞争是推动制造业不断采用先进制造技术和制造模式的因素二十多年来,世界制造业已进入了一个巨大变革时期，这一变革主要特点是：1、生产能力(包括资本、信息）在世界范围内迅速提高和扩散，已形成全球市场激烈竞争格局.２、先进生产技术的出现正在急剧地改变着现代制造业的产品结构和生产过程。3、传统的管理、劳动方式、组织结构和决策准则都在经历新的变化。这些既为制造业带来了市场竞争的压力，同时也带来了机遇。二、2１世纪制造业的主要特点是1、产品生命周期缩短，产品更新加快美国制造业的经营策略变革示意图2、具备赢得竞争，提高市场占有率的四种基本能力：（1)时间竞争能力，产品上市快、生产周期短、交货及时;(２)质量竞争能力,产品不仅可靠性高，而且使用户在各方面都满意；（3)价格竞争能力，产品生成成本低，销售价格适中；（4）创新竞争能力.四种能力中最重要的是创新竞争能力3、制造全球化和贸易自由化随着世界自由贸易体制的完善、全球交通运输体系和通信网络建立，国际经济合作和交往日趋紧密,世界正在成为一个统一的大市场.制造产业、制造产品和制造技术走向国际化，导致制造业格局在全球的重新分布和组合，并使得经济竞争在国际范围内愈演愈烈。4、人类正迈向信息社会迅猛发展微电子、信息、新材料、为代表的新一代科学与技术，在制造领域中广泛渗透、应用和衍生,拓展制造活动的深度和广度。现代制造业的设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构已经改变。产生了一大批新的制造技术和制造模式。现代制造业已成为发展速度快、技术创新能力强、技术密集甚至是知识密集的部门。许多产品的技术含量和附加值增大,进入了高技术产品的行列.５、环境保护意识的增强与可持续发展。可持续发展(SustａinabｌeDevelｏpment）思想在深入制造业及其产品受到的环境方面制约：社会压力（整个社会和每一个公民都不会容忍浪费资源和污染环境的行为）。国家政策或立法以及经济手段：如安全标准、对废弃物的排放标准、能源使用、劳动者和公共健康保护、“绿色”产品标志许可制度、废物污染记帐制度等等。企业的环境适应性决定其竞争能力、应变能力、生存能力.生态安全型和资源节约型制造技术是制造领域亟待解决的一个重要课题。第四节21世纪对制造业的挑战人类进入２1世纪,社会与政治环境、市场需求、技术创新预示着制造业将发生巨大变化。美国国家科学研究委员会工程技术委员会、制造与工程设计院＂制造业挑战展望委员会"，对2020年制造业所面临的形势提出了如下六大挑战或基本目标：一、快速响应市场竞争的挑战—-实现制造环节并行效果1：并行制造将显著缩短产品从概念到实现的时间.效果２:在合作企业中，各外围企业不同区段的核心能力和知识将动态组合，通过精确估算、优化以及对产品成本利润的跟踪,将大大减小投资风险.挑战性：在通信和数据处理方面需要重要的新技术，需要制造企业有新的社会与文化氛围。二。全球化竞争的挑战—-技术资源的集成制造企业必须具有敏捷性,以承受巨大的全球竞争压力。制造企业必须保持对时间和技术的控制，把时间和技术视为对生产率的挑战，具有强大竞争力的制造企业将需要集成系统和自动运动的功能。三.信息时代的挑战--信息向知识的转变制造业依赖于信息技术,并更趋强烈.按计算机和信息技术（硬件和软件)目前的指数增长速率，到2020年将能满足制造业的需求。两个挑战:①及时"捕获“、贮存数据和信息，转化为有用的知识；②在任何地点、时间需要时,用户能用熟悉的语言和格式“及时”得到有用的知识.要点：从各种资源中，将信息及时地转变为有用的知识，作出有效决策是21世纪的重大挑战。四.环境保护压力的挑战—-可持续发展20２０年世界人口将从今天的56亿增至80亿.人口增长及技术不断开发,全球生态系统将受到严重的制约。挑战：把生产废弃物及产品对环境的影响减少到“接受于零”。即开发不受影响环境、成本低有竞争力的产品和工艺，尽可能利用回收材料作原料，在能源、材料或人才资源各方面不造成大的浪费。五．制造全球化和贸易自由化的挑战—-可重组工程随着世界自由贸易体制的进一步完善及全球通信网络的建立，国际经济技术合作交往日趋紧密。全球产业界进入了结构大调整的重要时期,世界正在形成一个统一的大市场。全球范围内基于柔性、临时合作模式的格局正在逐步形成.六．技术创新的挑战—-全新制造工艺及产品的开发这一挑战采用制造单元工艺这一全新的概念,它将导致生产能力的急剧变化。由于设计和制造的产品的尺寸愈来愈小（最终可达分子级和原子级的水平),制造工艺可能取得巨大的进步。2020年，技术创新的单元将在以下诸方面发挥巨大的能力:1、多单元工艺技术集成为单一工艺将显著减少投资、检验时间、搬运和加工时间。2、全部可编程的、不需要硬工装的工艺,将使产品的制造迅速转产成为可能。3、自我导引工艺的创建将简化工装和编程的要求,并提供更大的加工柔性。4、对分子或原子级的处理将导致新材料的产生，取消分散件联接与装配操作，允许在一个零件中材料成分产生变化。这些创新工艺的发展能够制造出新的产品，例如由分子级的元器件组成的生物计算机;能在分子或细胞级上进行手术且只有分子大小的外科工具;高效且便宜的太阳能收集器等等。第五节先进制造技术的基本内容与体系结构先进制造技术是:信息时代工业规模生产的技术支柱;世界高科技竞争在制造领域的最新体现；制造技术的最新发展动向。一、先进制造技术的定义先进制造技术是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产,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的总称,也是取得理想技术经济效果的制造技术的总称。二、先进制造技术体系结构１994年初,美国联邦科学、工程和技术协调委员会（FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群：①主体技术,包括面向制造的设计技术群和制造工艺技术群；②支撑技术群；③制造基础设施（制造技术环境).FCCSET先进制造技术的系统结构及主要内容如图3所示。三、先进制造技术的学科内容先进制造技术不是单指加工过程的工艺方法，而是横跨多个学科，包含了从产品设计、加工制造到产品销售、用户服务等整个产品生命周期全过程的所有相关技术,涉及到设计、工艺、加工自动化、管理以及特种加工等多个领域。根据先进制造技术的功能和研究对象，可将先进制造技术归纳如下几个学科方面：1．先进设计技术

产品设计是制造业的灵魂。先进设计技术的主要内容和发展趋势是:

(1）设计方法现代化设计方法包括：产品动态分析和设计，产品可靠性、可维护性及安全设计，产品优化设计,快速响应设计，创新设计，智能设计,仿真与虚拟设计，价值工程设计,模块化设计等。新的设计思想和方法不断出现，如并行设计、面向“X”的设计(DeｓiｇnForＸ，DＦＸ）、健壮设计（RｏｂustDｅsｉgn）、优化设计（OptiｍａｌＤesiｇｎ）、反求工程技术（ReverseＥnｇｉneeｒｉｎg)等。(2）设计手段计算机化。表现在：广泛应用有限元法、优化设计、计算机辅助设计、反求工程技术、ＣAＤ/CAM一体化技术、工程数据库。当前突出反映在：数值仿真或虚拟现实技术在设计中的应用.现代产品建模理论发展,向智能化设计方向发展.（3）向全寿命周期设计发展传统的设计只限于产品设计全寿命周期设计则由简单的、具体的、细节的设计发展为复杂的总体设计和决策,通盘考虑包括：设计、制造、检测、销售、使用、维修、报废等阶段的产品的整个生命周期.(4）由单纯考虑技术因素转向技术综合考虑经济因素社会注意考虑：市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。2．先进制造工艺技术先进制造工艺技术包括精密和超精密加工、精密成形与特种加工技术等几个方面。(1）精密、超精密加工技术。含义:指去除工件表面材料，使工件的尺寸、表面性能达到产品要求的技术措施。三个档次：①精密加工，精度为３-０．3μｍ，表面粗糙度值为：Rａ0。3-0．03μm；②超精密加工精度为0．3—0。０３μm,表面粗糙度值为Rａ0．3—0．005μｍ，又称亚微米加工；（1微米=0.０01ｍm)③纳米加工精度高于0．０3μｍ，表面粗糙度值小于Ｒa０.0０5μm。由此可见，人类已进入纳米级加工时代，超精加工材料由金属扩大到非金属。(2)精密成形制造技术指从制造工件的毛坯、从接近零件形状(NｅａｒNeｔShａｐｅProｃｅss)向:直接制成工件即精密成形或称净成形（N用ＳhａpeProcｅss)的方向发展国际机械加工技术协会预测：到21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。(3）特种加工技术指那些不属于常规加工范畴的加工,如高能束流(电子束、离子束、激光束)加工、电加工（电解和电火花加工）超声波加工高压水加工及多种能源的组合加工.先进制造工艺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。3．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。制造自动化涉及技术：数控技术、工业机器人技术柔性制造技术,制造自动化涉及技术是机械制造业最重要的基础技术之一。(１）数控技术包括数控装置，进给系统和主轴系统，数控机床的程序编制。（2)工业机器人包括机器人操作机，机器人控制系统，机器人传感器，机器人生产线总体控制。（３）柔性制造系统(ＦＭS）包括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包括自动检测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包括过程监视控制系统,在线反馈质量控制。４.先进生产制造模式和制造系统先进生产制造模式和制造系统是面向企业生产全过程,将现代信息技术与生产技术相结合的一种新思想、新哲理。功能覆盖企业的预测、产品设计加工制造、信息与资源管理产品销售和售后服务等各项活动，是制造业的综合自动化的新模式.(1）先进制造生产模式。包括现代集成制造系统（CIMS）敏捷制造系统（AMＳ）智能制造系统(１MS）精良生产(LＰ)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.包括并行工程MRP与JＩT的集成一生产组织方法成本管理（ABＣ）现代质量保障体系现代管理信息系统（3)生产组织方法。包括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第六节先进制造技术的发展趋势新世纪新动态:电子、信息等高新技术的迅猛发展市场需求个性化与多样化先进制造技术“８化”发展：精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化.当前先进制造技术的发展趋势大致有以下几个方面:一．集多学科成果成一个完整的制造体系先进制造技术是传统制造技术、信息技术、自动化技术与先进的管理科学的结合。它不是若干独立学科的先进技术的简单组合和累加,而是按照新生产组织和管理哲理建立起的体系。该体系保证：正确的信息或物料在正确的时间，以正确的方式流向正确的地点，通过正确的人或设备对信息或物料进行正确地处理或决策。先进制造体系依靠先进的信息技术自动化技术实现自身的先进性,先进的管理科学保证：“时、空、人、物、信息、处理及决策”的正确性。结果：必须将这些技术和科学应用于制造工程之中,形成一个有机的完整体系。二．先进制造技术的动态发展过程先进制造技术本身是在针对一定的应用目标,不断地吸收各种高新技术逐渐形成，不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同的时期，先进制造技术有其自身的特点。反映在不同的国家和地区,先进制造技术也有其本身重点发展的目标和内容。通过重点内容的发展以实现这个国家和地区制造技术的跨越式发展.三．信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用信息化是当今社会发展的趋势，信息技术正在以人们想象不到的速度向前发展。信息技术正在向制造技术注入和融合，促进着制造技术的不断发展。信息技术应用于先进制造技术,提高了制造技术的技术含量，使传统制造技术发生质的变化.信息技术对制造技术发展,起第一促进作用。在21世纪对先进制造技术的各方面发展将起着更重要的作用。具体地说信息技术促进着设计技术的现代化;加工制造的精密化、快速化；自动化技术的柔性化、智能化；整个制造过程的网络化、全球化。各种先进生产模式的发展,如CＩMS、并行工程、敏捷制造、虚拟企业与虚拟制造,也以信息技术的发展为支撑.四.先进制造技术向超精微细领域扩展微型机械纳米量测发展微米／纳米加工制造使制造工程科学的内容和范围进一步扩大必须用更新、更广的知识来解决这一领域的新课题.五．制造过程的集成化产品的加工、检测、物流、装配过程走向一体化。例如CＡD、CAE、CAM使设计、制造成为一体；精密成形技术的发展,使热加工零件接近最终形状、尺寸,它与磨削加工相结合，将覆盖大部分零件的加工，淡化了冷热加工的界限;机器人加工工作站及ＦMS,使加工过程、检测过程、物流过程融为一体;现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分；很多新型材料的配制与成形是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。在生产上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.六．制造科学与制造技术、生产管理的融合制造科学——是对制造系统和制造过程知识的系统描述。制造科学包括制造系统和制造过程的数学描述仿真和优化设计理论与方法相关的机构运动学和动力学结构强度摩擦学等。制造科学是从制造工艺、技术发展而来的，是以信息为代表的现代科技与制造结合的产物。制造科学是支撑制造技术理论体系的外在表现。制造技术包含在制造科学之中，制造科学体现在制造技术里.七.绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征绿色制造业显得越来越重要,是２1世纪制造业的重要特征。绿色制造技术将获得快速的发展。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)绿色制造技术制造过程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。（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。八.虚拟现实技术在制造业中越来越多的应用虚拟现实技术(VｉrｔuaｌRealｉtｙTechnｏlogy）主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、组织生产的传统制造模式。做法:在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型(SｏｆｔPrototyｐｅ）代替传统的硬样品（HaｒdProｔotｙpe）进行试验,对其性能和可制造性进行预测和评价。效果：缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本,提高系统快速响应市场变化的能力.虚拟企业含义：虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路,将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点：企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。九．制造全球化（ManｕｆactuｒiｎgGlobalｉｚａtion)先进制造技术的竞争正在导致制造业在全球范围内的重新分布和组合.新的制造模式将不断出现,更强调实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。制造产品、市场的国际化及全球通信网络的建立，形成国际竞争与协作氛围，21世纪制造国际化是发展的必然趋势。它包含:制造企业在世界范围内的重组与集成，如虚拟公司；制造技术信息和知识的协调、合作与共享;全球制造的体系结构；制造产品及市场的分布及协调等。从飞机制造说起飞机制造从零件加工到装配都有不同于一般机器制造的特点。现代飞机上广泛应用的大型整体结构件，如机翼整体壁板等，它们形状复杂、切削加工量大、自身刚度差，需要在工作台面很大（有达数十米）的、带有多个高速铣削头的现代数控铣床上加工。加工立体形状复杂的大型框架，如座舱风挡骨架、舱门、窗框等,还需要采用多坐标联动的数控铣床或立体靠模铣床.此外，为加工切削性能不好的材料和形状复杂的零件，还广泛采用电加工、化学铣切等特种加工工艺。制造工艺技术概述定义:制造工艺技术是指将原材料转化成具有一定几何形状、一定材料性能和精度要求可用零件的一切过程和方法的总称.划分：按对零件的作用效果可分为改变形态的工艺(如切削加工），改变性态的工艺(如热处理）及改变外观性能的工艺(如电镀）等；按零件的精密程度可分为普通工艺、精密工艺以及超精密工艺；按使用的工具及能量形式不同可分为常规工艺、特种工艺、复合工艺以及快速制造工艺等。制造工艺方法归结为下图分类(P1６2图５-1）种加工技术一、特种加工的产生及发展背景：传统的机械加工已有很久的历史，它对人类的生产和物质文明起了极大的作用。例如18世纪７０年代就发明了蒸汽机,但苦于制造不出高精度的蒸汽机汽缸,无法推广应用。直到有人创造出和改进了汽缸镗床，解决了蒸汽机主要部件的加工工艺，才使蒸汽机获得广泛应用，引起了世界性的第一次产业革命。事实说明加工方法对新产品的研制、推广和社会经济的发展等起着重大作用。从第一次产业革命以来,到第二次世界大战以前,长达1５0多年，都靠机械切削加工，没有产生对特种加工的迫切要求，也没有发展特种加工的充分条件。人们的思想一直还局限在18世纪以来传统的用机械能量和切削力来除去多余的金属,以达到加工要求。１943年,苏联拉扎连柯夫妇研究电器开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发明了电火花加工方法,用铜丝在淬硬钢上加工出小孔，首次摆脱了传统的切削加工方法,直接利用电能和热能来去除金属，获得“以柔克刚”的效果。上世纪50年代以后，生产发展和科学实验的需要，很多工业部门,要求产品的高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化性能，所用的材料愈来愈难加工,零件形状愈来愈复杂，精度、表面粗糙度和某些特殊要求也愈来愈高，于是产生了特种加工工艺。二、特种加工的特点和种类目前，已经找到了多种加工方法,相对传统金属切削加工,这类新加工方法统称为特种加工,国外称作非传统加工（Non-ＴraditionaｌＭａchｉning,NTM）或非常规机械加工（Ｎon－ConｖentiｏnalMacｈｉｎiｎg，ＮＣM）。1。特种加工的特点是：(１）主要用其他能量(如电、化学、光、声、热等）去除金属材料;(2）工具硬度可以低于被加工材料的硬度;（3）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。（4）加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。(5)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性、低刚度零件.（6)能获得良好的加工表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区以及毛刺等均比较小。（7)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。有的还可用于超精加工、镜面光整加工和纳米级（原子级）加工。2。常用特种加工方法的性能与适用范围（见课本P1６3表5-１）问题：1.从表5-１中可看出，哪种特种加工方法的材料去除率最高?2．哪种特种加工方法可加工非金属材料？3.为什么电解加工方法不能加工非金属材料？三、电火花加工（补充内容）电火花加工又称放电加工（EｌectricalDischargeＭachiｎing，简称EDM）,是一种利用电、热能量进行加工的方法。在2０世纪40年代开始研究并逐步应用于生产.它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电,靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。因放电过程可见到火花,故称之为电火花加工,日、英、美称之为放电加工，前苏联称电蚀加工。1电火花加工的原理１9世纪初人们发现电腐蚀现象：在电插头或电器开关触点开、闭时,往往产生火花，把接触表面烧毛、腐蚀成粗糙不平的凹坑而逐渐损坏.长期以来电腐蚀被认为是有害的，人们不断地研究电腐蚀的原因并设法减轻和避免它.研究结果表明，电火花腐蚀的主要原因是:电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉,形成放电凹坑。2.电火花加工的条件（1)必须使工具电极和工件被加工表面之间保持一定的放电间隙.（几微米至几百微米,随加工条件而定）间隙过大，极间电压不能击穿极间介质,因而不会产生火花放电。间隙过小,容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。(2）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电,放电延续一段时间后,需停歇一段时间，放电延续时间一般为10—7~１０—3s。(为什么？)目的：使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分,把每一次的放电点分别局限在很小的范围内,否则，象持续电弧放电那样,使表面烧伤而无法用作尺寸加工。为此，电火花加工必须采用脉冲电源。（3）火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行,例如煤油、皂化液或去离子水等。液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度，以利于产生脉冲性的火花放电。液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物在放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用.以上问题的综合解决通过下图所示电火花加工系统来实现3。电火花加工的特点(１）是不接触加工工具电极和工件之间并不直接接触而有一个火花放电间隙（0．１-0.01mｍ)，间隙中充满煤油工作液。（2）加工过程中没有宏观切削力火花放电时，局部、瞬时爆炸力的平均值很小,不足以引起工件的变形和位移。（3）可以“以柔克刚"由于电火花加工直接利用电能和热能来去除金属材料，与工件材料的强度和硬度等关系不大，因此，可以用软的工具电极加工硬的工件,实现"以柔克刚”4.电火花加工的适用范围（1）可以加工任何难加工的金属材料和导电材料.电火花加工主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容、导热系数、电阻率等,与材料力学性能(硬度、强度等)无关。可以用软的工具加工硬韧的工件，及超硬材料。(２）可以加工形状复杂的表面。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工,如复杂型腔模具加工等。压模复杂型腔3）可以加工薄壁、弹性、低刚度、微细小孔、异形小孔、深小孔等有特殊要求的零件。由于加工中工具电极和工件不直接接触,没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工,目前已能加工出0．00５mｍ的短微细轴和0．008ｍm的浅微细孔，以及直径小于1mm的齿轮。在小深孔方面,已加工出直径0．８-１mm、深５０0ｍm的小孔,也可以加工圆弧形的弯孔。古代仕女头像纪念品冲压模5。电火花加工机床示意图四、激光加工技术（P164）189７年，美国科幻小说《星球大战》(《TｈｅWaｒoｆｔheWorlds》）中描述：“他们（火星人）用某些方法产生强大的热平行束,射向任何他们所选中的目标……,经它的接触，可燃物爆发出火焰，铅变成液体,铁被软化，玻璃碎裂并熔化，水沸腾化为蒸汽。"这里的“强大的热”就是当时人们对激光的想像。1９60年，美国休斯实验室(HuｇheｓＬａｂoｒatoriｅｓ)的梅曼(H．Maimａn)成功地制成了世界上第一台激光器，人们对激光的想象也终于变成了现实。那么如此神奇的激光究竟是怎么产生的呢?我们先来说说激光的基本产生原理和它的神奇特征。激光装置发出的激光1激光的基本原理“激光”一词译自英语“LAＳEＲ”，台湾学者将它音译为“镭射”.“激光”这一名称是由我国著名科学家钱学森教授建议,经中国科学院技术科学部讨论,于１9６4年底正式确定的。它是从“LiｇhtAmpｌiｆｉcationbyStiｍuｌatedEmｉssｉonＯｆRadiatioｎ‘'各词取第一个字母缩写而成的，直译过来就是“受激辐射放大的光"。这一名称揭示了激光的本质:受激辐射放大.我们先来谈谈受激辐射是怎么回事。物质由原子(或分子)组成,原子是具有核式结构，即由中央原子核和外围电子组成的.根据丹麦物理学家波尔（Bohr)的原子轨道论，核外电子只能沿若干可能的运行轨道之一绕核运转。对应每一个运行轨道,原子具有一定的能量，我们称原子处于一定的能级或一定的态。通常原子都运行在能量最低的能级状态下,这个状态是最稳定的状态,我们称之为基态.当受到某种外来的能量激发后，原子有可能跳跃到能量较高的能级状态，这个状态我们称之为激发态.图２—1简单说明了原子受激跃迁的过程。左边是处于基态的原子，吸收了能量E后就跃迁到右边这种高能级的激发态。处于激发态的原子不稳定,它在外来辐射的作用下会发射一个光子,并由激发态跃迁到基态.这个过程就叫受激辐射。原子受激产生能级跃迁示意图受激辐射出的光子又会激发另外的原子产生受激辐射，如此循环下去,光便得到了放大。这种放大具有一定的方向性，即在只有某个特定的方向上的辐射会得到放大，所以激光具有许多普通光源所没有的特点。2。激光的特性激光的特性是亮度高、方向性和单色性好。（１)亮度高：激光的总能量不大,但能高度集中起来。脉冲激光器产生的激光亮度比太阳表面亮度高1０10倍。聚焦点温度达摄氏1万度.（2）方向性好:光源的方向性是指光束发散角的大小。激光的光束基本上是沿着与反射镜垂直的方向传播的，这一特性也决定了激光具有良好的空间相干性，相干面积大。（3）单色性好：单色性是指激光谱线宽度的范围。激光是受激发射的光,加上谐振腔的选频作用，所以谱线宽度很窄,它的干涉长度可达几万米，因此也常说它具有良好的时间相干性.3。激光加工技术的应用激光加工——指将激光束照射到待加工材料的表面，利用激光束的能量熔合材料或去除材料以及改变材料的表面性能从而达到加工目的。（１）激光加工特点激光加工属于无接触加工,它具有以下优点：①光点小,能量集中，热影响区小;②不接触加工工件,对工件无污染;③不受电磁干扰，与电子束加工相比应用更方便；④激光束易于聚焦、导向，便于自动化控制。（２)激光加工分类根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工—-是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程;光化学反应加工——指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。激光热加工包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标等；光化学反应包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。（３）激光打孔技术①激光打孔的原理（P1６5)激光束打孔机一般由固体激光器、电气系统、光学系统和三坐标移动工作台等四大部分组成，如下图所示。１)固体激光器工作原理下图是固体激光器工作原理图当激光工作物质钇铝石榴石受到光泵（激励脉冲氙灯)的激发后，吸收具有特定波长的光，在一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数，这种现象称为粒子数反转.一旦有少量激发粒子产生受激辐射跃迁，就会造成光放大，再通过谐振腔内的全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，最后由谐振腔的一端输出激光。激光通过透镜聚焦形成高能光束照射在工件表面上，即可进行加工。２）电气系统包括对激光器供给能量的电源和控制激光输出方式（脉冲式或连续式等)的控制系统。在后者中有时还包括根据加工要求驱动工作台的自动控制装置.3)光学系统的功能是将激光束精确地聚焦到工件的加工部位上。为此，它至少含有激光聚焦装置和观察瞄准装置两个部分。4）投影系统用来显示工件背面情况，在比较完善的激光束打孔机中配备。5）工作台由人工控制或采用数控装置控制,在三坐标方向移动，方便又准确地调整工件位置。工作台上加工区的台面用玻璃制成，因为不透光的金属台面会给检测带来不便，而且台面会在工件被打穿后遭受破坏。工作台上方的聚焦物镜下设有吸、吹气装置,以保持工作表面和聚焦物镜的清洁。②激光束打孔的工艺规律１)工件材料和表面状态的影响工件对一定波长激光的吸收效率与工件材料的吸收光谱有关,也受工件表面的粗糙度和明暗度的影响.应根据工件材料合理选用激光器。如：在宝石轴承上打孔时,一般使用能输出波长为０.69μm或１．06μm的激光束激光器.对于高反射率和高透射率的工件要在打孔前做打毛或黑化处理。2)加工表面与物镜焦点间距离的影响焦点位置对于孔的形状和深度有很大影响,如下图所示。当焦点位置很低时，透过工件表面的光斑面积很大,不仅会产生很大的喇叭口,而且由于能量密度减小而影响加工深度.下图a至图ｃ焦点逐步提高，孔深也增加。如焦点位置太高会使光斑面积随着深入工件表面而愈来愈大，以致无法将孔打透.如图d和e所示.一般应使焦点恰恰在或者微低于工件表面为宜。３)聚焦物镜焦距和激光束发散角的影响发散角小的激光束经短焦距的物镜聚焦以后，可以形成很小的光斑和很高的能量密度，激光束对工件的穿透力大，从而打出细而深的、锥度小的孔。所以要尽量减小激光束的发散角，尽可能采用短焦距物镜(20mｍ左右)。只有在一些特殊情况下，才选用较长的焦距。４)输出功率与照射时间的影响激光输出功率大,照射时间长,工件所获得的激光能量就大。实践表明，当焦点固定在工件表面时，输出的激光能量越大,所打的孔就越大越深，且锥度较小.激光的照射时间一般为几分之一到几毫秒。当激光能量一定时,时间太长会使热量传散到非加工区，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体形式喷出,从而使能量的使用效率降低。５)照射次数的影响用激光照射一次,加工的深度大约是孔径的五倍左右，且锥度较大。如果用激光多次照射，而不改变焦点位置情况下的多次照射，则可由于光管效应而既不扩大孔径又大大增加孔深，并且减小锥度。光管效应：孔的深度不与照射次数成比例，加工到一定深度后，由于孔内壁的反射、透射，激光的散射或吸收,以及抛出力减小、排屑困难等原因,使孔前端的能量密度不断减小，加工量也逐渐减小，以致不能继续打下去。右图是用红宝石激光器加工蓝宝石时获得的实验曲线。从图中可知,照射20～30次以后，孔的深度到达饱和值.（4）激光束切割二氧化碳激光束切割机和固体激光束打孔机的工作原理相似，它既可以切割金属材料，也可以切割非金属材料。还可以透过玻璃切割真空管内的灯丝,这是任何其它加工方法难以实现的。固体激光器(YＡG)输出的脉冲式激光用于半导体硅片的切割加工等。大功率的C02气体激光器输出的连续激光广泛用于切割钢板、钛板、石英和陶瓷，及用于切割塑料、木材、纸张和布匹等.下图所示为C02气体激光器切割钛合金板材示意图。为了提高切割速度和切口质量，在二氧化碳激光束切割机的光束出口处一般都装有喷嘴，以便在切割过程中同时喷吹气体。由于金属表面对于波长为10．６μm的光的反射率高,在切割金属工件时往往喷吹氧气或压缩空气以提高切割效率。在切割易燃材料时可喷吹氮气等惰性气体以防止燃烧.在切割石英时可喷吹氧以防止粘结。激光切割的切口细窄（切缝宽度一般小于0．5ｍm，也有达到lmm的)、尺寸精确、表面光洁,质量优于任何其他热切割方法。几乎所有的金属材料都可以用激光切割，切割厚度从几微米的箔片至5０毫米的板材。激光切割设备投资很高，主要用于12毫米以下各种厚度的不锈钢、钛和钛合金、难熔金属和贵重金属的精密切割。激光切割也可用于塑料、木材、布匹、石墨和陶瓷等非金属材料的切割，如木材加工业已用激光切割胶合板、刨花板,服装行业用以大量裁剪衣料。激光切割还适合于某些特殊用途，如外科医生用激光作为手术刀等。（请举例）补充内容:数控电火花线切割加工技术电火花线切割加工(WireCｕtElectriｃalＤiscｈaｒgeＭachiｎinｇ，简称ＷCＥDＭ)是在电火花加工基础上,于５0年代末在原苏联发展起来的一种新工艺，是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割,故称电火花线切割。它已获得广泛的应用,目前国内外的线切割机床已占电加工机床的60%以上。数控电火花线线切割的基本原理电火花线切割加工的基本原理如图3．1所示。线切割的主要特点1）不需制造成形电极,用简单的电极丝对工件进行加工。主要切割各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的导电材料,如淬火钢、硬质合金等。2）电极丝比较细,可以加工微细异型孔、窄缝和复杂形状的工件.3）能加工各种冲模、凸轮、样板等外形复杂的精密零件，尺寸精度可达０．02～0．０1mm，表面粗糙度Ｒa值可达1。6μm。还可切割带斜度的模具或工件。4）由于切缝很窄，切割时只对工件材料进行“套料"加工，故余料还可以利用。5）自动化程度高，操作方便，劳动强度低.6）加工周期短，成本低。线切割的应用范围1)应用最广泛的是加工各类模具，包括切割上冲头(凸模)和下冲模（凹模）,如图3．2、图3.3所示。2）加工二维直纹曲面的零件(需配有数控回转工作台）,如图３．4所示。3）加工三维直纹曲面的零件(需配有数控回转工作台）,如图３.5、图3．6、如图３.7、图３．84）各种导电材料和半导体材料以及稀有、贵重金属的切断。５)加工微细槽、任意曲线窄缝。用线切割割出来的花纹图案五、光刻蚀技术（P１66）两个重要概念什么叫集成电路?用半导体晶体材料,经平面工艺加工制造，将电路的元件、器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路或系统.英文简称ＩC。１95８年美国开始研制混合集成电路，即将微型电阻、电容、晶体二极管和晶体三极管等装配到一个绝缘基片上，用基片上的金属化线互连实现某种功能的电路组件.什么叫光刻技术?集成电路制造中利用光学－化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。利用光致抗蚀剂(或称光刻胶）感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。1.光刻原理光刻蚀—-—-就使用电磁波频谱中的光束或电子、X射线和离子等射线，将光致抗蚀剂(光刻胶）形成规定图形的微细加工方法.（１）集成电路光刻工艺过程：a）硅片制备和氧化b）涂敷感光胶c）嚗光d）显影e)腐蚀氧化膜f）除去感光胶见下图2．集成电路光刻工艺的一般过程光刻工艺过程两大工序：掩膜制造和光刻蚀加工（1）掩膜制造①绘制比原件实际尺寸大100—500倍的放大图。②用精缩照像机把该图缩小到元件尺寸的十倍左右，③再利用分步重复照像机进一步缩到和元件尺寸相同的掩膜(称之为母掩膜)，④母掩膜经翻拍复印成工作(光刻）掩膜,制作电路时只用工作掩膜。（2)光刻蚀加工光刻工艺过程包括以下几个步骤:１）涂胶把光致抗蚀剂(光刻胶)涂敷在氧化膜(Si02）上的过程。正性胶经曝光后,被光照射过的部分难于被显影液溶解,故显影图形中未被光照射过的部分形成窗口。负性胶则相反2）曝光由光源发出的光束(或光化射线,如电子束、X射线等）经掩膜在光刻胶上成像,使聚焦成细小的束斑直接照射在光刻胶上的过程.曝光光源发展了-－—电子束、离子束、X射线.分辨率可达0．00１～０.０06μm。3）显影与烘片显影－—-—利用曝光区与未曝光区光刻胶溶解度不同，在特定溶剂中把曝光图呈现出来的处理过程。烘干—－-—为提高抗蚀剂的强度，对显影后的片子的清洗过程.４)腐(刻）蚀获得氧化膜(Si０2膜等，又称保护膜）图形的最终工序是图形刻蚀。它是利用化学或物理的刻蚀方法,将没有抗蚀剂(感光胶）保护部分的氧化膜（SiO２）去除的一种微细加工方法。刻蚀方法分为湿刻（或称腐蚀）法－-—（化学）把硅片浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中，使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去，是传统的刻蚀方法。干刻蚀法-—－(物理）如等离子刻蚀：利用气压为10～1０00帕的特定气体（或混合气体)的辉光放电,产生能与薄膜发生离子化学反应的分子或分子基团，生成的反应产物是挥发性的。它在低气压的真空室中被抽走，从而实现刻蚀。图形的最小特征尺寸比极限分辨率大得多时，用湿刻；图形的最小特征尺寸接近极限分辨率时，采用干刻蚀。５)剥膜与检查剥膜-—-清除残留腐蚀液后用剥膜液去除光刻胶的处理。检查—－—剥膜后要对刻蚀图形进行的外观、线条尺寸和断面形状及物理和电子特性的检查。六、电子束加工与光刻技术(P168）1.电子束的热效应电子束的热效应———--电子枪（见下图）产生的电子在真空室内经电磁透镜聚焦成小的束斑(一般束流横截面直径为φ2．5一lOμm）,同时在高电压正电极作用下形成高能量密度的高速电子束流。当它冲击到工件材料上时,在几分之一微秒的瞬间,入射电子与工件原子相互碰撞，使原子振动加快而产生热，电子束传递给工件的能量大部分都转换成热能。由于电子束的能量密度高,作用时间短，所产生的热量在未来得及传导扩散前已使工件材料局部熔化、气化，甚至蒸发。这种物理现象称电子束的热效应。2.电子束加工铁的溶化温度为1536C°,其单位表面气化所需能量为63ｋW／cm2,钨的熔化温度高达3410℃，其单位表面气化所需能量也只有100ｋW/cｍ2；在一定条件下电子束照射在工件表面的功率密度为气化所需功率的5０倍（为５0×1０0kW／cm2）,足以使熔点很高的钨瞬时气化和蒸发。利用电子束热效应进行电子束加工时，可通过调整功率密度实现不同的加工：1）在低功率密度电子束照射时,工件可达到材料熔化温度，材料的气化与蒸发很小，故用在电子束熔炼工艺中。见下图：2）在中等功率密度电子束照射时，工件材料熔化、气化、蒸发都有,因此用于电子束焊接工序。如下图所示.制作集成电路时，电子束焊接适合于微区焊接，易于自动化，可焊接的工件材料广泛、无污染，可达到高质量的焊接特性。电子束焊接的缺点是要求在真空中进行。3）在高等功率密度电子束照射照射时,以气化、蒸发为主，所以主要用于电子束打孔和刻槽加工工序.如下图所示。在集成电路薄膜元件制作中，采用电子束蒸发法可获得高纯度的沉积薄膜。3。电子束化学效应低功率密度电子束照射的工件表面时,入射的电子与高分子材料分子碰撞,使它的分子链切断或重新聚合，引起高分子材料的化学性质和分子量的变化，这种现象称为电子束的化学效应。4.电子束光刻利用电子束化学效应可进行电子束光刻。（1)电子束写图什么叫写图？利用图形发生器，用光束或电子束、离子束在抗蚀剂上绘制图形的曝光方法称为写图(Ｗriｔiｎｇ),它主要用于掩膜或基片图形制作工序。电子束写图是目前最好、最通用的高分辨率图形发生技术.它主要用于制作掩膜图形，也可完成基片图形的写图。电子束写图所使用的薄层(≤100A层厚)抗蚀剂以甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶为常用当达到一定电压的电子束照射到层厚０．3～ｌμm的PMＭA(感光胶)胶上,照射剂量达到一定程度时,PMMA胶的大分子被切割成分子量为500０左右。分子量减小后使PMMA胶的溶解速度发生变化。结果掩膜或基片上的PMＭＡ胶层由未照射区和照射区组成分子量不同的“潜象”.选用合适的显影液,利用不同分子量溶解速度不同的原理把写出的图象显示出来，即完成掩膜或基片图形的写图。由于电子束写图系统工作柔性大（对图形变化有很好的适应性）,又能连续扫描写图，因此它成为精密微细图形写图的主要设备。（２）电子束复印什么叫复印技术?光刻胶曝光获取基片(或掩膜)图形的光刻工艺，称为复印（Prinｔinｇ）.利用电子束作光源也可进行图形复印.如电子阴极投影系统，利用石英掩膜可以复印出基片或工作掩膜。电子束复印可以达到０．5μm的图形分辨率,有较高的生产率。电子束加工与光刻的工艺特点1）电子束加工的材料广泛,可以加工金属材料、非金属材料和工程塑料。它能完成如淬火硬化、熔炼、塑料聚合、焊接、打孔、铣槽和蚀刻等众多加工工序.如对０．1—1μm厚的薄板打孔只需3０微秒至数秒即可完成，即使是5mｍ厚的板材也只需数十秒即可完成打孔.由于电子束加工时间短、无污染,对加工表面热效应影响小，故表面层物理化学性质改变少。２）电子束光刻可以实现精细图形的写图或复印。电子束光刻目前仍是大规模与超大规模集成电路的掩膜或基片图形光刻的重要手段。电子束曝光装置通过电场或磁场能方便地完成电子束聚焦和移动电子束的照射点位置，它对控制信号的响应速度快，便于实现自动化控制，且生产率高。七、离子束加工（P1７１)定义：利用惰性气体或其他元素的离子在电场中加速成高速离子束流,以实现各种微细加工的方法称为离子束加工。是加工分辨率很高的一种新兴微细加工技术。应用：在亚微米甚至毫微米级（10-９m)精度的加工中能力广泛、大有发展前途。已用于金刚石刀具的最终刃磨,集成电路的写图、复印,离子注入与各种处理,离子溅射、离子铣等加工中。能加工的工件材料有玻璃与陶瓷等各种金属与晶体材料等.什么叫离子?由原子核及围绕着核运动的各层轨道电子组成的原子,失去外层电子后，就变成带正电荷的正(阳)离子,获得多余电子的原子带负电荷，称为负(阴)离子。为什么离子的质量远远大于电子的质量？它的动能如何？举例:一个氩离子（Ar+）的质量是电子质量的7.２万倍,故离子在电场中加速过程虽比电子慢,但一旦把它加速后,其动能就远远高于电子。注:物体因平动而具有的动能是它质量m和它的速度v的二次方的乘积的一半,即ｍv2/2。离子束是如何产生的?离子束由离子枪产生,其方法是将中性原子经高温、强光或放射线照射、高速电子的撞击或放电作用而电离成离子。考夫曼离子枪的工作原理是什么？考夫曼离子枪是典型的离子簇射型离子源,其工作原理见下图左图为考夫曼型离子源示意图，