先进制造技术第一讲

先进制造技术—概述21世纪科学技术进展的总趋势中国制造业成就及其重大意义2134制造业面临的竞争和挑战制造技术的进展制造的概念5先进制造技术61.1概念制造〔Manufacturing):是人类全部经济活动的基石，是人类历史进展和文明进步的动力。狭义：为机电产品的机械加工工艺过程广义：国际生产工程学会1990年：制造是涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产打算、生产过程、质量保证、经营治理、市场销售和效劳的一系列相关活动和工作的总称。(Manufacturingisseriesofinterrelatedactivitiesandoperationsinvolvingthedesign，planning，production，qualityassurance，managementandmarketingoftheproductsofthemanufacturingindustries。)1、制造的概念制造技术〔ManufacturingTechnology)依据人们所需的目的，运用学问和技能，利用客观物资工具，将原材料物化为人类所需产品的工程技术。即：使原材料成为产品而使用的一系列技术的总称制造过程产品从设计、生产、使用、修理、报废、回收等的全过程，也称为产品生命周期。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。1、制造的概念1.2制造系统制造系统是制造业的根本组成实体。构造：是制造过程所涉及的硬件〔物料、设备、工具、能源等〕、软件〔制造理论、工艺、信息等〕、人员所组成的具有特定功能的有机整体。功能：输入制造系统的资源〔原材料、能源、信息、人力...〕通过制造过程输出产品过程：制造生产的运行过程，包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售、售后效劳、报废、回收、再利用等。1、制造的概念2.1制造制造了人类2.2制造业进展历程2.3制造业进展的教训2.4制造业产业革命的生力军2、制造技术的进展1〕人从猿进化而来,人猿分别,是由于人学会双足行走和用手制造并使用工具。2〕中国的元谋人〔170万年前的南方古猿〕、非洲人早在160万年前即开头用火，石料开采和加工，形成了原始制造业。饮食改善促进了脑的进展。200万年前的猿人脑容量约为700毫升，100万年前的直立人脑容量约为1000毫升，50万年前增加到1200毫升，1929年觉察的57万年前的北京〔直立〕猿人为1050毫升，而现代人的脑容量平均为1450毫升，现代人的大脑皮层褶皱面积为1700-2200平方厘米，是黑猩猩的3倍。3〕恩格斯指出：“直立和劳动制造了人类，而劳动是从制造工具开头的。动物所做到的最多是收集,而人则从事生产。”2.1制造业制造了人类1〕用机器代替手工，从作坊形成工厂19世纪机器在英国诞生，先后传人法国、德国和美国。2〕从单件生产方式进展成大量生产方式泰勒：以劳动分工和计件工资制为根底的科学治理。福特：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3〕柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术柔性制造系统、计算机集成制造系统、网络化制造、智能制造系统、准时生产、精良生产、灵敏制造……2.2制造业进展的历程一、美国的教训1)上个世纪70年月,美国不重视制造业,把制造业称为“夕阳工业”,结果导致美国80年月的经济衰退。2)80年月后期，美国的一些国会议员、政府要员纷纷要求政府出面，协调和支持制造产业的进展，1991年，布什政府期间，美国白宫科学技术政策办公室发表了总数为22项的美国国家关键技术，其中制造技术占4项，标志着美国科技政策的转变。3)克林顿上台后，对制造业大力支持，他把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展，使美国的经济连续8年取得了2-3%的增长率，而且还同时保持低通胀率和低失业率。这就是克林顿虽发生丑闻而未被弹劾的主要缘由。2.3制造业进展的教训二、日本的阅历1〕在上个世纪70-80年月，日本特别重视制业，特殊大抓了汽车制造和微电子制造，结果日本的汽车和家用电器占据了全世界的市场，特殊是大举进入了美国市场。2〕日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件。1991年海湾战斗完毕后，日本人说美国赢得这场战斗是依靠的日本的芯片，是“日本的芯片战胜了伊拉克的钢片”。2.3制造业进展的教训三、东南亚经济危机的启发1〕1998年爆发的东南亚经济危机，从另一个侧面反映了一个国家进展制造业的重要。一个国家，假设把经济的根底放在股票、旅游、金融、房地产、效劳业上，而无自己的制造业，这个国家的经济就简洁形成泡沫经济，一有风吹草动就会产生经济危机。2〕新加坡、台湾都有自己的制造业，因此受经济危机的影响小一些。2.3制造业进展的教训四、瑞士依靠什么使人均产值居世界第一？1〕瑞士是一个仅700万人口的小国，但瑞士的制造业特别兴旺，瑞士的周密机械产品的出口量是我国的8倍，瑞士的手表世界第一，连小小的军刀，也风行全世界。2〕现在瑞士的年人均国民生产总值到达4.3万美元以上,居世界第一。2.3制造业进展的教训2.4制造业是产业革命的主力军一、第一次产业革命：1733-18781〕又称为：蒸汽革命。2〕产业革命的标志：瓦特制造的蒸汽机。3〕英国的制造业孕育和实现了瓦特的制造4〕制造业和瓦特的制造推动了热力学理论的诞生。2.4制造业是产业革命的主力军二、其次次产业革命：1879-19451〕又称为：电气革命。2〕产业革命的标志：电灯〔爱迪生〕、〔贝尔〕、电机〔西门子〕等电气化产品。3〕制造业肇始了电的应用，而后才有麦克斯韦电动力学理论的诞生。4〕麦克斯韦电动力学理论推动了20世纪初开头的无线电、微波、雷达、合成孔径、微波成像、卫星通信、宇宙微波探测等技术的进展。5〕牛顿力学和电动力学又为量子力学的进展指引了道路，导致了量子场论的创立。2.4制造业是产业革命的主力军三、第三次产业革命：1945-19721〕又称为：电子〔原子〕革命。2〕产业革命的标志：原子弹〔1945〕、电子计算机〔1946〕、晶体管〔1948〕、集成电路、微电子技术等。3〕微电子制造技术开创了全新的信息时代。2.4制造业是产业革命的主力军四、第四次产业革命：1973-1〕又称为：高新技术产业革命。2〕产业革命的标志：众多高新技术产品，如微电子产品、电脑、新一代通信产品、新一代汽车、磁悬浮列车、新一代飞机、机器人、生物工程产品、新一代药物、绿色食品、转基因产品等等。3〕微器件制造工艺，如拉单晶、掺杂、集中、离子注入、外延、溅射、化学沉积〔CVD〕、光刻、外表贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把高新技术产业革命推向顶峰。3、二十一世纪科学技术进展的总趋势3.1中心科学技术的转移1〕信息科学技术目前是进展顶峰期，估计其中心科学技术的地位还可持续四十年。2〕生命科学技术现在已开头留意其进展与应用，估计21世纪30年月开头逐步转变为中心科学技术。3〕认知科学技术智能化趋势现已显露，估计21世纪70年月开头将成为科学技术进展的中心3、二十一世纪科学技术进展的总趋势3.2世界科技中心〔地区或国家〕的转移中国〔公元3世纪—公元13世纪)→意大利〔1540年—1610年〕→英国〔1660年—1730年〕→法国〔1770年—1830年〕→德国〔1810年—1920年〕→美国〔1920年—〕→可能转向东方〔日本、中国〕3.3高技术及其产业领域(1)信息科学技术〔包括微电子、光电子科学技术〕(2)生物科学技术〔包括生命科学技术〕(3)新能源科学技术〔包括核能科学技术〕(4)新材料科学技术〔包括纳米科学技术〕(5)环境科学技术〔包括地球科学技术〕(6)航空航天科学技术〔包括军事科学技术〕(7)海洋科学技术〔包括地球科学技术〕(8)先进制造科学技术〔包括微机电系统科学技术〕(9)治理科学技术〔包括软科学技术〕(10)认知科学技术〔包括人脑和智能系统科学技术〕3、二十一世纪科学技术进展的总趋势3、二十一世纪科学技术进展的总趋势

科学

物质科学生命科学

技术

信息技术生物技术纳米技术3.4二十一世纪转变人类的科学与技术从科学觉察到技术制造3、二十一世纪科学技术进展的总趋势20世纪转变世界的重要机电产品3、二十一世纪科学技术进展的总趋势20世纪转变世界的重要机电产品3、二十一世纪科学技术进展的总趋势4、中国制造业的成就及其重大意义4.12023年中国工程院的调查结论:1〕中国制造业占国民生产总值的1/32〕占整个工业生产的4/53〕为国家财政供给1/3以上的收入4〕奉献出口总额的90%5〕就业人员8043万4.2改革开放20年来中国制造业的进步：1〕引进国外先进技术2500多项，占全国的1/3以上。近几年进展的新产品，50%到达80年月中后期的世界水平。2〕一些重要产品的年生产力量已跃居世界前列，如汽车280万辆以上〔其中轿车120万辆以上〕，大中型发电设备1200万千瓦以上〔火电1000万千瓦，水电200万千瓦〕，大中型拖拉机11万台以上，金切机床10万台以上。3〕我国已成为世界最大的服装纺织品出口国；与日本、马来西亚和韩国并称世界消费类电子产品四大生产国。4〕成功开发生产了运七、运八、新舟60等支线飞机。5〕一些新产品的技术水平已达世界领先或先进水平，如沈阳机床集团的电主轴高速卧式加工中心、激光切割机床，沈阳变压器厂的50万伏超高压变压器，拂晓航发集团的中国第一台拥有完全学问产权的航空发动机、燃气轮机，沈阳新松机器人自动化的6000米水下机器人等产品，清华大学制造工程争论所研制开发的并联构型机床。4、中国制造业的成就及其重大意义4.3制造业的重大意义1〕在兴旺国家中,制造业制造了约60%的社会财宝、约45%的国民经济收入。2〕据统计，美国68%的社会财宝来自于制造业。3〕CIRP在1999年的报告中指出：在国家生产力的构成中，制造技术的作用一般占55%-65%。4〕在很多国家的科技进展打算中，先进制造技术都被列为优先进展的科技。4、中国制造业的成就及其重大意义“十五”规划中确定的八个最具战略影响的领域:1)信息技术2)生物技术3)新材料技术4)先进制造与自动化技术5)资源环境技术6)航空航天技术7)能源技术8)先进防范技术，其中，先进制造与自动化技术又是实现各种高新技术的保障技术。4、中国制造业的成就及其重大意义4、中国制造业的成就及其重大意义人大常委会副委员长宋健指出：“制造业是实现现代化工业的水之源、木之本，是实现工业化的保障和原动力，是国家实力的脊梁，是支持共和国大厦的基石。没有强大制造力量的国家永久成不了经济强国。”4、中国制造业的成就及其重大意义5、制造业面临的竞争和挑战5.1国际形势的变化

90年月以来，世界消失了多级化的新格局； 政治冷战→经济热战 国际竞争和对抗的焦点由军备竞赛转向全球范围内的以科技为先导，经济为根底、军事为后盾的综合国力的比赛；5、制造业面临的竞争和挑战5.1国际形势的变化产业技术和经济实力成为政治对抗的重要资本；不计生产本钱和代价的军品生产模式不适于新形势下的生产；“战略伙伴”关系中经济颜色突出提高制造业产品竞争力量，进展高技术，尤其是独具学问产权的产业技术成为将来抢占经济制高点、振兴国家经济的焦点5、制造业面临的竞争和挑战5.2制造业市场竞争的新特点来源:Bullinger7880828486889092

94962时间46810平均产品寿命TL平均开发时间TDTD>TL年数1）知识－技术－产品更新的周期更短5、制造业面临的竞争和挑战20世纪90年月制造业的标志性进展波音777的设计和制造全数字化定义——无纸生产数字化预装配——无金属样机的生产〔虚拟制造的一局部〕广域网上的异地设计、异地制造基于STEP的数据交换协同工作小组Teamwork238个→设计制造周期大大缩短：4年〔而波音757、767约9-10年〕更大的利润，每架777，$1.4亿基于分布式CAD/CAM系统在8台IBM大型计算机ES/9000和IBM5080～5086图形终端，觉察零件干预2500处，削减工程更改50％以上设计、工艺、制造、供给商、潜在用户的工作小组，7000人参与，承受并行工程的模式。Internet将发动机供给商GE、HP和诺依斯罗斯联在一起。63M长的波音777，装配准误差仅0.58mm.5、制造业面临的竞争和挑战研制周期交付周期研制周期01234567891070772773774775776777751596263727290年57646871828194.5(年)波音各种机型研制交付周期比较5、制造业面临的竞争和挑战2〕产品批量更小； 汽车生产：大批量生产→大批量定制生产；3〕顾客对产品功能、性能、质量的要求更高；4〕能参与全球竞争的企业 更多；5〕跨国公司的垄断性 更明显；6〕企业的兼并重组 更剧烈、更动乱；7〕一般水平的产品及制造力量 严峻过剩；8〕人口老龄化 更严峻；9〕环保意识、绿色制造呼声 更强。5、制造业面临的竞争和挑战2、制造业市场竞争的新特点5、制造业面临的竞争和挑战0255075100低高扰动程度80年月90年月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市场影响因素的变化

Pine和B.JosephII“MassCustomization,TheNewFrontierinBusinessCompetition.”Boston:HarvardBusinessSchoolPress,5、制造业面临的竞争和挑战“中心”的变化以产品为中心以顾客为中心以市场为中心5、制造业面临的竞争和挑战

消费观念的变化消费者的行为更具选择性顾客化产品：批量生产的产品逐步被共性化、多样化产品所代替制造业“效劳”：产品生产与产品效劳的界限越来越模糊、不满足感增加：“新三年、旧三年、缝补缀补又三年”的观念逐步消逝对生产及产品的影响产品订货批量下降，单件、小批产品寿命周期减短：5-10年-3-5年甚至更短产品生产周期缩短5、制造业面临的竞争和挑战企业的竞争优势竞争核心产品发展战略技术方面的重点过程方面的重点组织方面的重点利润市场份额有竞争优势的产品的市场规模产品上市时间产品创新较低的成本生产力数据共享知识管理串行的设计过程并行工程企业间合作面向部门面向过程虚拟企业Source:GartnerGroup5、制造业面临的竞争和挑战5.3制造全球化和贸易自由化缘由：世界自由贸易体制进一步完善全球交通运输进一步完善全球通讯网络建立国际经济合作与交往日益严密导致：全球产业界构造大调整世界逐步形成一个统一的大市场使得：供给与需求、国际化，不同时间、地区、国家，市场需求有波动对于同一用户、同一产品，可供选择的市场国际化、竞争国际化任何国家、地区，不管实行怎样的社会制度，不行能离开世界市场而独立谋求进展;制造业进展应当进入国家目标层次，才能促进经济增长5、制造业面临的竞争和挑战跨国公司的生产总值占工业化国家生产总值的跨国公司的贸易占世界贸易总值的跨国公司的工业研制费占世界总值的跨国公司操纵了世界技术转让的跨国公司操纵了对发展中国家技术贸易的40%50%80%75%90%5、制造业面临的竞争和挑战5.4、科技进步与信息社会从微电子、信息〔计算机与通信、掌握理论、人工智能等〕、新材料、系统科学所代表的新一代工程科学与技术的迅猛进展在制造领域中的广泛渗透、应用、衍生，极大的拓展了制造活动的深度和广度，急剧的转变了现代设计方法、产品构造、生产方式、生产工艺、设备以及生产组织构造，产生了一大批新的制造技术和制造模式。高新技术的综合作用促进了制造技术在宏观(制造系统集成〕和微观〔周密、超周密、微纳米加工检测〕两个方向上的蓬勃进展，成为一门涵盖整个生产过程的各个环节〔市场分析、产品设计、工艺规划、加工预备、制造装配、监控检测、质量保证、生产治理、售后效劳、回收再利用等〕、包括人、机器、能量、信息等多种资源的组织、掌握与治理，横跨多个 学科的集成技术。5、制造业面临的竞争和挑战5.5环境爱护意识的增加与可持续进展环境问题：大量消耗资源和破坏环境的传统工业进展模式与工艺技术系统引起了严峻的环境问题可持续进展思想：重视环境方面对制造业及其产品的制约社会压力国家政策与立法经济手段结论:面对可持续进展的生态安全型和资源节省型的制造技术将是制造领域中亟待解决的一个重要问题.6.1先进制造技术的定义及体系构造6.2先进制造技术的学科内容6.3先进制造技术的进展趋势6、先进制造技术1、定义:在传统制造技术根底上不断吸取机械.电子.信息.材料.能源和现代治理等方面的成果,并将其综合应用于产品设计.制造.检测.治理.销售.使用.效劳的制造全过程,以实现优质.高效.低耗.清洁.敏捷的生产,提高对动态多变的市场的适应力量和竞争力量的制造技术总称,也是取得抱负技术经济效果的制造技术的总称.6.1先进制造技术的定义与体系构造6.1先进制造技术的定义与体系构造面对制造的设计技术群产品/工艺设计计算机帮助设计工艺过程建模和仿真工艺规程设计系统工程根底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修理技术其他

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掌握技术质量治理用户/供给商交互作用工作人员培训和教育全国监视和基准评测技术猎取和利用主体技术群支撑技术群制造根底设施环境2、体系构造1、先进设计技术设计方法现代化产品动态分析和设计产品牢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6.2先进制造技术的学科内容设计手段计算机化有限元法优化设计计算机帮助设计反求工程技术CAD/CAM一体化技术工程数据库向全寿命周期设计进展由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素2、先进制造工艺技术周密、超周密加工技术周密加工：精度为3～0.3μmRa0.3～0.03μm超周密加工：精度为0.3～0.03μmRa0.3～0.005μm纳米加工：精度高于0.03μmRa小于0.3～0.005μm6.2先进制造技术的学科内容周密成型制造技术从制造工件的毛坯、从接近零件外形向直接制成工件的方向进展特种加工技术高能束流加工〔电子束、离子束、激光束〕电加工〔电解和电火花)超声波加工高亚水加工多种能源的组合加工3、制造自动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机器人操作机掌握系统传感器生产线总线掌握6.2先进制造技术的学科内容柔性制造