先进制造系统 课件全套 第1-5章 先进制造系统- 先进制造模式及其管理技术

121世纪科学技术发展的总趋势中国制造业取得的成就及其局限213421世纪制造业面临的竞争环境制造技术发展历程5先进制造技术概述6第一章先进制造系统概述中国高技术研究计划中的R&D2一.二十一世纪改变人类的科学与技术21世纪科学技术发展的总趋势1二.中心科学技术的转移三.高技术及其产业领域3与

"物质科学"

相关的文献总量年度变化规律图科学：物质科学；生命科学

技术：信息技术；生物技术纳米技术一.二十一世纪改变人类的科学与技术21世纪科学技术发展的总趋势12009年8月29日，IBM公司苏黎世实验室的科学家利用原子力显微镜成功拍摄了世界首张并五苯(pentacene)单分子成像图。421世纪科学技术发展的总趋势二.中心科学技术的转移1）信息科学技术目前是发展高峰期，预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始注重其发展与应用，预计21世纪30年代开始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，预计21世纪70年代开始将成为科学技术发展的中心。15三.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)管理科学技术（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）21世纪科学技术发展的总趋势162制造技术发展历程二.制造业演变的关键阶段一.制造业创造了人类－原始制造业三.制造业发展的教训72制造技术发展历程一.制造业创造了人类－原始制造业人猿相揖别。

只几个石头磨过，

小儿时节。

铜铁炉中翻火焰，

为问何时猜得，

不过几千寒热。

人世难逢开口笑，

上疆场彼此弯弓月。

流遍了，

郊原血。一篇读罢头飞雪，

但记得斑斑点点，

几行陈迹。

五帝三皇神圣事，

骗了无涯过客。

有多少风流人物？

盗跖庄屩流誉后，

更陈王奋起挥黄钺。

歌未竟，

东方白。石器时代：石器时代包含了人类进化过程中的第一次科技的大范围传播。青铜时代：青铜铸造术的发明与石器时代相比，具有划时代意义

铁器时代：铁器时代指已经能运用很复杂的金属加工来生产铁器

毛泽东词【贺新郎.读史】81）用机器代替手工，由作坊形成工厂2制造技术发展历程二.制造业演变的关键阶段17世纪60年代，瓦特发明蒸汽机，引发第一次工业革命，工业化大生产从此开始。18世纪70年代，德国人奥托设计制造了第一台内燃机，引发了制造业的又一次革命。19世纪，金属加工机器首先在英国诞生，先后传到了法国、德国和美国，并在美国率先形成了小型的机械工厂。92）从单件生产方式发展成大量生产方式2制造技术发展历程二.制造业演变的关键阶段科学管理思想，代表人物泰勒：科学管理的创始人，以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理。大规模量生产的流水线，代表人物福特：流水线生产的创始人，提出了零件互换技术，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。103）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术2制造技术发展历程二.制造业演变的关键阶段柔性化——生产模式由单一品种（少品种）大批量生产自动化向多品种、中小批量生产自动化转变；该阶段形成了一批新型的先进制造单元技术：数控技术(NC)、计算机数控技术(CNC)、柔性制造单元(FMC)、计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)等。同时涌现出了一批先进生产管理技术：准时制生产(JIT)、全面质量管理(TQM)等。11集成化——单元技术的集成——CNC，FMC，机器人技术，自动物料运输系统，AGV等单元技术走向集成以后，形成了自动化的柔性制造系统（FMS）使系统中能够实现数据交换和信息共享。3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术2制造技术发展历程二.制造业演变的关键阶段人、技术、管理的集成——典型的代表性技术是计算机集成制造系统的推广和运用，即CIMS。CIMS强调将企业生产的各个环节，即市场调研、产品开发、加工装配、销售、以及售后服务等全过程作为一个不可分割的整体，从系统的观点进行协调，从而实现全局优化。12智能化——智能制造系统，是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。它强调的是在制造的各个环节中，借助计算机来模拟人类专家的智能活动，诸如：分析、推理、判断、构思和决策等；宗旨是通过人与智能机器的合作共事，来扩大、延伸并部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，从而实现制造过程的优化。3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术2制造技术发展历程二.制造业演变的关键阶段13网络化——运用网络化技术，应运而生的先进制造技术主要有：并行工程（CE），计算机集成制造CIM，敏捷制造AM，虚拟制造VM等。3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术2制造技术发展历程二.制造业演变的关键阶段14美国经历二战世界大战，跻身于制造大国，其轿车产量在上世纪60年代前在全世界名列第一。到上世纪50年代以后，美国逐渐放松了一般制造业。到70年代后期，美国国内广泛流传“第三次浪潮论”，美国的一批学者提出：美国已经进入“后工业社会”，同时美国国内也认为制造业是正在走向没落的“夕阳工业”。制造技术倍受冷遇，相关研究课题减少。结果导致美国80年代的经济衰退。三.制造业发展的教训之一——美国2制造技术发展历程1580年代后期，美国意识到忽视制造技术带来的严重后果，公众和舆论界意识到这种情况“危及了美国国家安全”。于是，美国开始了他们的“帝国反击战”，政府和企业界投入巨资，进行了大量的研究和分析，最终得出的结论是：（1）“振兴美国经济的出路在于振兴制造业”。（2）“经济竞争归根到底是制造技术和能力的竞争”。三.制造业发展的教训之一——美国2制造技术发展历程16克林顿上台后，把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。1993年2月，克林顿发表专题报告，提出要促进“先进制造技术”的发展，同时成立了从国家到地区以及大学、企业等各个层次的先进制造技术研究中心，总结提出了一系列先进制造技术的理论，如并行工程、敏捷制造等。1994年美国汽车制造水平大幅度提高，产量重新超过了日本。三.制造业发展的教训之一——美国2制造技术发展历程17上世纪70-80年代，日本狠抓制造业，特别是汽车制造和微电子制造，结果日本的汽车和家用电器占领了全世界的市场，并大举进入美国国内市场，到上世纪80年代，日本的汽车产量一跃成为世界第一。

日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件。三.制造业发展的教训之二——日本2制造技术发展历程181）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发展制造业的重要。一个国家，如果把经济的基础放在股票、旅游、金融、房地产、服务业上，而无自己的制造业，这个国家的经济就容易形成泡沫经济，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。三.制造业发展的教训之三——东南亚经济危机启示2制造技术发展历程191）瑞士是一个仅700万人口的小国，但瑞士的制造业十分发达，瑞士的精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，也风靡全世界。2）现在瑞士的年人均国民生产总值达到4.3万美元以上,居世界第一。三.制造业发展的教训之四——瑞士人均产值为何居世界第一2制造技术发展历程20321世纪制造业面临的竞争环境一.国际形势的变化二.制造业市场竞争的新特点三.制造全球化和贸易自由化四.科技进步与信息社会五.环境保护意识的增强与可持续发展21321世纪制造业面临的竞争环境一.国际形势的变化1）国际竞争和对抗的焦点由军备竞赛转向以科技为先导、以经济为基础、军事为后盾的综合国力的较量；2）提高制造业产品竞争能力，发展高技术，尤其是独具知识产权的产业技术成为未来抢占经济制高点、振兴国家经济的焦点；3）自美国提出“先进制造技术”之后，日本、西欧以及亚洲各新兴工业国家都相继作出了响应，将先进制造技术列为国家的高新技术和优先发展的项目。22来源:Bullinger

78

80

828486

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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321世纪制造业面临的竞争环境二.制造业市场竞争的新特点23波音777的设计和制造全数字化定义——无纸化生产数字化预装配——无金属样机的生产（虚拟制造的一部分）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，发现零件干涉2500处，减少工程更改50％以上设计、工艺、制造、供应商、潜在用户的工作小组，7000人参加，采用并行工程的模式。Internet将发动机供应商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.二.制造业市场竞争的新特点2425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二.制造业市场竞争的新特点262)产品品种

更多；3）产品批量（大批量生产→大批量定制生产）

更小；4）顾客对产品功能、性能、质量的要求

更高；5）能参与全球竞争的企业

更多；6）跨国公司的垄断性

更明显；7）企业的兼并重组

更激烈、更动荡；8）一般水平的产品及制造能力

严重过剩；9）人口老龄化

更严重；10）环保意识、绿色制造呼声

更强。321世纪制造业面临的竞争环境二.制造业市场竞争的新特点27321世纪制造业面临的竞争环境二.制造业市场竞争的新特点现代市场竞争的内容不断变化280255075100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市场影响因素的变化

Pine和B.JosephII“MassCustomization,TheNewFrontierinBusinessCompetition.”Boston:HarvardBusinessSchoolPress,二.制造业市场竞争的新特点29“中心”的变化以产品为中心以顾客为中心以市场为中心二.制造业市场竞争的新特点30二.制造业市场竞争的新特点互联网的巨大冲击，网络制造降低成本

开发和设计生产市场ABCA+C>70%所得利润31

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个性化、多样化产品所代替制造业“服务”：产品生产与产品服务的界限越来越模糊、不满足感增加：“新三年、旧三年、缝缝补补又三年”的观念逐步消失

对生产及产品的影响产品订货批量下降，单件、小批量产品寿命周期减短：5-10年-3-5年甚至更短产品生产周期缩短二.制造业市场竞争的新特点32三.制造全球化和贸易自由化原因：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紧密导致：全球产业界结构大调整世界逐步形成一个统一的大市场使得：供应与需求国家化、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，不论实行怎样的社会制度，不可能离开世界市场而独立谋求发展;制造业发展应该进入国家目标层次，才能促进经济增长321世纪制造业面临的竞争环境33四.科技进步与信息社会从微电子、信息（计算机与通信、控制理论、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发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，急剧的改变了现代设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺、设备以及生产组织结构，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(精密、超精密、微纳米加工检测)两个方向上的蓬勃发展，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、加工准备、制造装配、监控检测、质量保证、生产管理、售后服务、回收再利用等）、包括人、机器、能量、信息等多种资源的组织、控制与管理，横跨多个学科的集成技术。321世纪制造业面临的竞争环境34五.环境保护意识的增强与可持续发展环境问题：大量消耗资源和破坏环境的传统工业发展模式与工艺技术系统引起了严重的环境问题可持续发展思想：

重视环境方面对制造业及其产品的制约，通过国家政策与经济立法手段建立循环经济与再制造工程结论:

面向可持续发展的生态安全型和资源节约型的制造技术将是制造领域中亟待解决的一个重要问题321世纪制造业面临的竞争环境35中国制造业取得的成就及其局限4一、制造业在国民经济发展中占有重要地位二、我国制造业取得的重大成就三、我国制造业存在的局限四、制造大国走向制造强国的途径与措施36中国制造业取得的成就及其局限4制造业在国民经济发展中占有重要地位1）在发达国家中,制造业创造了约60%的社会财富、约45%的国民经济收入。2）据统计，美国68%的社会财富来自于制造业。3）在国家生产力的构成中，制造技术的作用一般占55%-65%。37宇航生物工程微电子光电子信息技术核技术空间技术制造业38中国制造业取得的成就及其局限4建国初期到1978年，我国科技人员成功爆破了原子弹和氢弹，成功发射了人造卫星，在世界第一次人工合成牛胰岛素结晶等一批举世瞩目的尖端技术。改革开放以来，建成了正负电子对撞机等重大科学工程，秦山、大亚湾核电站并网发电成功，银河系列巨型计算机不断升级并全部研制成功。建成当今世界最大的水利枢纽工程――长江三峡水利枢纽工程许多指标都突破了世界水利工程的记录。量子信息领域避错码被国际公认为量子信息领域“最令人激动的成果”。王选的激光照排系统。来源：2009中华人民共和国国家统计局39中国制造业取得的成就及其局限4我国自主研发的“嫦娥”一号绕月飞行成功，“神舟”系列航天飞船成功发射，“神舟”五号、六号、七号飞船载人航天飞行圆满成功，标志着我国成为世界上第三个独立掌握空间出舱技术的国家，是我国空间技术发展具有里程碑意义的重大突破。高性能计算机曙光5000A跻身世界超级计算机前十位，首款64位高性能通用CPU芯片问世。超级杂交水稻不断取得重大突破，对提高我国水稻产量、确保粮食安全起了重要作用。来源：2009中华人民共和国国家统计局40中国制造业取得的成就及其局限4一些新产品的技术水平已达世界领先或先进水平：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；黎明航发集团的中国第一台拥有完全知识产权的航空发动机、燃气轮机；沈阳新松机器人自动化有限公司的6000米水下机器人等产品；清华大学制造工程研究所研制开发的并联构型机床……41中国制造业取得的成就及其局限4工业结构实现了从门类简单到齐全，从以轻工业为主到轻、重工业共同发展，从以劳动密集型工业为主导，向劳动、资本和技术密集型共同发展的转变。目前我国已拥有39个工业大类、191个中类、525个小类，涵盖了联合国产业分类中所列的全部工业门类。来源：2009中华人民共和国国家统计局42中国制造业取得的成就及其局限4我国由一个只能制造初级工业产品的国家发展成为世界制造业大国。根据联合国工发组织资料，按照2000年不变价计算，我国制造业增加值占世界的份额由1995年的5.1%上升到2007年的11.4%。按照国际标准工业分类，在22个大类中，我国制造业占世界比重在7个大类中名列第一，其中，烟草类占比49.8%，纺织品类占比29.2%，衣服、皮毛类占比24.7%，皮革、皮革制品、鞋类占比33.4%，碱性金属占比23.8%，电力装备占比28.2%，其他交通工具占比34.1%；有15个大类名列前三；除机动车、拖车、半拖车一个大类外，其他21个大类所占份额均名列世界前六位。在发展中国家中，除机动车、拖车、半拖车一个大类名列第十一位外，其他21个大类所占份额均名列第一位。来源：2009中华人民共和国国家统计局43中国制造业取得的成就及其局限4我国制造工业虽然取得了巨大的成就，但是我国经济整体处于工业化中期，工业现代化进程步入了从制造业大国向制造业强国的转变阶段。中国工业发展需要完成两次转变，第一次是从规模增长型向质量进步型转变，转变时间大约为2006年—2015年；第二次是从质量进步型向创新福利型转变，时间大约为2015-2050年。中国经济可望在2030年前后全面完成新工业化和信息化。来源：2005年中国工业经济联合会提出的《中国工业发展报告》44中国制造业取得的成就及其局限4我国制造业与发达国家相比，存在阶段性的差距——产品质量和水平不高，技术开发能力不强，基础元器件和基础工艺不过关，生产率低下，科技投入严重不足。我国制造业大量的是来料加工，突出表现在电子等工业，许多产品、设计的知识产权并不掌握在我们手里，附加值很低。我国制造业的主体技术依靠国外，有自主知识产权的产品少，依附于国外企业的组装业比重大，表现为工业增加值仅为美国的22.14％、日本的35.43％；我国制造业的劳动生产率约为美国的4.38％、日本的4.07％、德国的5.56％，来源：2005年中国工业经济联合会提出的《中国工业发展报告》45在制造技术领域，我国的发明专利数只有美国、日本的1/30，韩国的1/40。国务院发展研究中心报告显示，中国的制造业经济总量占全球的6%，而研发投入仅占0.3%。中国研究与发展投入占国内生产总值的比例为1%，远低于世界5%的平均水平装备制造在制造业中的比例仅为26.5%(1999年),低于美国(41.9%)、日本(43.6%)、德国(46.4%)；中国制造业取得的成就及其局限4来源：2005年中国工业经济联合会提出的《中国工业发展报告》46我国制造服务业的附加值普遍不高。在发达国家，服务业占GDP比重超过了70%，其中生产性服务业又占服务业的70%。由此可见，生产性服务业已经占发达国家GDP的一半左右。全球500强企业中，从事服务行业的有281家，占500强的56%。全球跨国制造企业中，服务收入比例超过25%，两成制造企业的服务收入超过总收入的50%。而在我国，2007年服务业实现增加值9.6万亿元，比上年增长11.4%，但占GDP比重仅为40%。其中，制造服务业在服务业中所占比例也不高。根据中国社科院财政与贸易经济研究所研究员裴长洪的估算，在我国，金融与保险、信息传输、计算机服务和软件、科学研究和技术服务等新兴服务业只占服务业总增加值的20%左右。中国制造业取得的成就及其局限4来源：2009中华人民共和国国家统计局47中国制造业取得的成就及其局限4总之，我国制造业的发展面临资源能源和环境的严重制约，未来20年制造业的增长，如果单纯依靠数量增长，这是资源能源和环境所不能承受的。因此我国必须依靠科技进步，采取绿色制造技术，在提高产品质量和附加值的同时，努力降低资源和能源消耗，这是未来制造业的发展方向。在我国从制造大国向制造强国转变的过程中，自主创新是制造强国的核心支撑，同时要加快制造业信息化进程和培养制造工程人才。485先进制造技术概述先进制造技术的相关概念与体系结构先进制造技术的学科内容先进制造技术的发展趋势49制造（Manufacturing)——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。(Manufacturingisseriesofinterrelatedactivitiesandoperationsinvolvingthedesign，planning，production，qualityassurance，managementandmarketingoftheproductsofthemanufacturingindustries。)1、先进制造技术的相关概念50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制造过程示意图51先进制造技术——“先进制造技术”简称为AMT（AdvancedManufacturingTechnology）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总称、也是取得理想技术经济效果的制造技术的总称。52价值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先进制造系统的五种流53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2、先进制造技术的体系结构54设计方法现代化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3、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辅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发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（1）先进设计技术55精密、超精密加工技术精密加工：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：精度高于0.03μmRa小于0.3～0.005μm精密成型制造技术从制造工件的毛坯、从接近零件形状向直接制成工件的方向发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)超声波加工高压水加工多种能源的组合加工（2）先进制造工艺技术56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控制系统传感器生产线总线控制柔性制造系统加工系统物流系统调度与控制故障诊断自动检测与信号识别技术信号识别数据获取数据处理特征提取与识别过程设备工况监测与控制过程监视系统在线反馈质量控制（3）制造自动化技术57先进制造生产模式计算机集成制造系统CIMS敏捷制造系统AMS智能制造系统IMS精良生产LP并行工程CE集成管理技术企业资源管理ERP基于作业的成本管理ABC现代质量保障体系生产率工程制造资源快速有效集成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（4）先进制造模式58整体化精密化柔性化网络化虚拟化智能化清洁化集成化全球化信息化4、先进制造技术的发展趋势集合多学科成果形成一个完整的制造体系——整体化传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术、先进的管理科学相结合先进制造技术的动态发展过程——动态化不断地吸收各种高新技术逐渐形成，不同时期、不同区域有各自的重点和内容。信息技术对先进制造技术的发展影响深远——信息化CIMS、CE、AM、虚拟企业等。向超精微细领域扩展——精密化微型机械，纳米测量、微米/纳米加工制造59制造过程集成化——集成化产品的设计、加工、检测、物流、装配过程一体化；CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM/ERP集成（淡化了学科界限）；快速原形制造技术，使得设计思想能够快速转化为物理原形，甚至能够直接制成零件（淡化了设计与制造的界限）；机器人加工工作站及FMS的出现，使加工过程、检验过程、物流过程融为了一体（淡化了专业界限）；整体化精密化柔性化网络化虚拟化智能化清洁化集成化全球化信息化4、先进制造技术的发展趋势60制造科学与制造技术、生产管理的融合——集成化制造科学是制造系统和制造过程知识的系统描述，包括数字描述、仿真、优化、设计理论和方法、运动学、动力学、结构强度、摩擦学等；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，技术和管理由生产模式结合在一起。绿色制造——清洁化、柔性化绿色产品设计技术；绿色制造技术；产品的回收和循环再制造整体化精密化柔性化网络化虚拟化智能化清洁化集成化全球化信息化4、先进制造技术的发展趋势61虚拟现实技术——虚拟化、智能化虚拟制造技术；虚拟企业；“虚拟”技术将会在数字化设计、数字化控制、数字化管理中贯穿始终。制造全球化——全球化、网络化制造企业在世界范围内的重组与集成；制造技术信息和知识的协调、合作和共享；全球制造的体系结构、制造产品及市场的分布及协调。数字化制造是制造技术与信息技术（包含计算机技术、网络技术）等交叉、发展与应用的结果，必将导致制造技术的重大发展与变革

整体化精密化柔性化网络化虚拟化智能化清洁化集成化全球化信息化4、先进制造技术的发展趋势62制造业信息化，其核心是数字化整体化精密化柔性化网络化虚拟化智能化清洁化集成化全球化信息化4、先进制造技术的发展趋势管理数字化设计数字化生产过程数字化制造装备数字化企业数字化63

中国高技术研究计划中的R&D6一、R&D的投入与GDP的关系二、S&T计划的支持三、863计划支持的先进制造技术领域64一、R&D的投入与GDP的关系DataResource:ChinaSTS65近年世界主要国家R&D与GDP的比较国家日本美国法国英国韩国巴西印度中国R&D/GDP2.7-2.92.6-2.72.422.082.01.10.90.5-0.766二、S&T计划的支持基础研究国家重点实验室国家工程技术研究中心NKL&NEC

S&T工业化国家自然科学基金NSF火炬计划Torch星火计划Spark国家重点基础研究发展计划（973）NKFP技术创新工程TVE中小企业技术创新基金SME应用的R&D国家科技重大专项86367三、863计划支持的先进制造技术领域微电子高速信息交流新型药物和疫苗制造业的信息技术新一代核反应堆电动汽车清洁煤主要软件高技术产品的原型开发68ERP电子商务数控机床试点应用适应对特殊工业网络制造数字化设计在大型工业中的纵向应用以网构建的网络制造平台69内部装潢结构系统引擎Branch-route飞机的数字化概念——实际原型70Source:ChinaAviationIndustryCorp.Branch-route飞机的数字化概念——实际原型

71火车制造的实际原型Source：NorthernChinaRailwayLocomotiveGroup,DalianRailwayCollege,TsinghuaUniversity72电子发射器的数字设计Source:HarbinElectricMachineryFactory73数控机床74产品信息库制造资源信息库知识基础企业企业制造英特网内部网外部网设计人才信息网络制造业的地域性开放革新系统——对通用产品数据、制造资源和知识库的支持，实现设计、制造、企业和信息资源的共享75广东-香港-重庆-陕西的制造系统网络广东和香港【市场资源】重庆和陕西【设计,产品和制造资源】76总结制造业对中国经济从农业经济转变为工业经济起着极其重要的作用；AMT的运用是在经济全球化环境中提高竞争力的关键因素；863计划支持高科技的研发并鼓励高校和工业界建立合作伙伴关系；数字化设计,网络制造业和试点应用是863计划的主要侧重点。77第二章现代设计方法78现代设计技术是先进制造技术中的首要关键技术。产品的质量、性能、成本等在很大程度上取决于设计的好坏和设计的质量。机械产品的质量事故约有50%是由设计不当造成的，而产品成本的70%～80%在时间阶段就已经确定了。市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现，推动了设计方法和技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入现代设计。现代设计技术概述179设计在整个生产周期中所占的比重时间/百分比（%)设计开发制造80开发设计工作的重要性开发设计生产准备与加工原材料与外购件的采购管理和销售010203040506070对成本的影响所需的工时81将核心工作放在本企业

——“两头在内，中间在外”开发设计市场销售制造82现代设计的技术特征与内涵现代设计理论、方法与技术现代设计遵循的原则现代设计的技术体系现代设计的技术特点现代设计的发展趋势现代设计技术概述183以计算机设计为核心设计手段的更新产品表示的转变设计方法的发展工作方式的变化设计与制造一体化管理水平的提高组织模式的开放一、现代设计的技术特征与内涵设计手段从手工向自动的转变产品表达从二维向三维的转变设计方法从经验向科学的转变工作方式从串行向并行的转变设计制造从独立向一体的转变管理水平从人为向数据的转变组织模式从封闭向开放的转变84以设计理论为指导传统设计主要是以生产经验为基础，结合运用力学、数学公式、经验公式、图表及手册等作为依据进行。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。

一、现代设计的技术特征与内涵85现代设计的内涵：以市场为驱动，以知识为依托，以知识获取为中心，以产品全生命周期为对象，人、机、环境相容的设计理念。

一、现代设计的技术特征与内涵86二、现代设计的技术体系传统设计理论和方法：理论力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学等。计算机科学与计算机辅助技术（CAD、CAE、虚拟设计、模拟仿真与工程数据库等技术）。设计方法学；可信性设计；设计试验技术。基础技术主体技术支撑技术应用技术解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械等具体技术群。87三、现代设计遵循的原则功能满足原则质量保障原则工艺优良原则经济合理原则社会实用原则性能指标可靠性强度原则刚度原则稳定性抗磨损性抗腐蚀性抗蠕变性动态特性平衡特性热特性可制造性可装配性可测试性可维修性可拆卸性环境友好性环境适应性人机友好性安全性可回收性88四、现代设计理论、方法与技术现代设计理论与方法突变论信息论智能论系统论优化论对应论功能论控制论离散论模糊论艺术论现代设计的基石现代设计的依据现代设计的核心现代设计的前提现代设计的宗旨现代设计的捷径现代设计的目标现代设计的深化现代设计的细化现代设计的发展现代设计的美感应用的主要领域是什么？89四、现代设计理论、方法与技术（1）现代设计方法学系统设计价值工程功能设计并行设计模块化设计质量功能配置反求设计绿色设计模糊设计面向对象的设计工业造型设计（2）计算机辅助设计技术有限元法优化设计计算机辅助设计模拟仿真与虚拟设计智能计算机辅助设计工程数据库（3）可信性设计技术可靠性设计安全设计动态设计防断裂设计抗疲劳设计减摩耐磨设计防腐蚀设计健壮设计耐环境设计维修设计和维修保障设计

测试性设计人机工程设计90设计理论与方法的延伸、思维的变化及设计范畴的扩展

静态的设计原理向动态的延伸；经验的、类比的设计方法向精确的、优化的方法延伸；确定的设计模型向随机的模糊的延伸；单维思维模式向多维思维模式延伸；传统的设计通常只限于方案设计、技术设计(总体设计与工艺设计)，如DesignForManufacturing——DFM，DesignForAssembly——DFA，DesignFor“X”——DFX，ConcurrentDesign——CD，GreenDesign——GD，MainterinabilityDesign——MD)等，现代设计可以说是设计师、制造工程师、管理营销人员以及工人、财会人员、专利律师等通力合作、集体智慧的结晶。

五、现代设计的技术特点91多种设计技术、理论与方法的交叉与综合设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化并行化、最优化和智能化的设计过程并行设计过程全过程的优化设计人机结合的智能化设计过程面向产品寿命周期全过程的可信性设计多种设计试验技术的综合运用五、现代设计的技术特点92设计过程的数字化设计过程的自动化和智能化研究动态多变量优化和工程不确定模型优化(模糊优化)、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究网络化并行设计及协同设计技术、方法及软件的研究虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术的深入研究面向集成制造和分布式经营管理的设计方法、人员组织及规划的研究微型机电系统的设计理论及设计方法和技术的研究

面向生态环境的绿色设计理论与方法的研究注重基础性设计理论及共性设计技术的深层次研究六、现代设计的发展趋势及研究领域93概念设计定义与概念产品概念设计的创造方法概念设计的内涵概念设计的步骤机械系统概念设计的内容计算机辅助概念设计概念设计（ConceptualDesign）294产品设计过程一般可划分为5个阶段：产品规划总体方案设计——概念设计详细设计工艺设计改进设计

95总体方案设计即称为概念设计。该阶段是由设计人员根据产品的功能要求，构思或创造出产品的原理方案的过程。该阶段，没有尺寸关系的详细要求，目的是根据产品的功能来匹配合适的结构（包括产品原理的构思、结构的设想等）。所以说，概念设计的工作主要是依靠设计人员的创造能力，还有他对艺术的审美能力，以及他的综合能力与设计经验。概念设计（ConceptualDesign）296在概念设计阶段，设计中的不确定性因素很多，设计的可塑性及自由度很大，这一阶段是最能充分发挥设计者创造力的时候。产品设计过程中的概念设计相当于产品过程设计的60%-70%的设计任务。概念设计（ConceptualDesign）297概念产品可以是实物，如油泥制造的实物模型；也可以是借助计算机三维造型技术和虚拟现实技术创造出的数字化产品。概念产品98概念车通常有两种，一种是真正能跑的，另一种是设计的概念模型。都是在向人们展示设计人员新颖、独特、超前的构思。概念车一般都运用了最新的科技成果，代表着未来汽车的发展方向概念车还处在创意、试验阶段，很可能永远不投产。概念车2012年伦敦奥运观光车99100总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案一、概念设计的步骤101总功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明确任务黑箱法功能树创造技法形态学矩阵评价法功能元功能设计与功能分析步骤102面向产品创新的概念设计过程组件特征录入需求分析产品创新设计方案评价方案输出详细设计方案展示不满意103三、机械系统概念设计的内容总功能功能分解机械系统方案执行动作分解检测传感功能信息处理及控制功能机械执行系统检测传感系统处理器及I/O系统机械执行系统的组成由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。104功能原理设计根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作运动规律设计通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理执行机构型式设计决定选择何种机构实现给定的运动规律执行系统协调设计执行机构型式设计根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调配合，设计出机械运动循环图确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图运动和动力分析检验执行系统是否满足运动要求和动力性能方面的要求方案评价与决策对方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案105运动规律设计执行系统的运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。刀具作复合运动刀具与工作台分别运动106执行机构的型式设计12摩擦轮传动平面盘式无级变速器123齿轮—连杆组合机构107执行系统的协调设计送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压冲头上移一段距离后，进行下次送料动作折叠包装机构的两个执行构件两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。饼干1342饼干21左折边构件饼干32包装纸4右折边构件饼干1342饼干1342饼干1342包装纸右折边构件右折边构件MBA108概念设计工具计算机辅助设计的内容计算机辅助概念设计有待解决的关键技术问题计算机辅助概念设计简称为CACD，即ComputerAidedConceptualDesign四、计算机辅助概念设计109三维参数化造型软件Pro/Engineer；SolidWork；SoftImage；UG；CATIA…

…设计专家系统知识库；推理机；设计规范咨询；评估器；人机界面1、概念设计工具110建立各种类型产品功能库和功能结构表示库建立各种类型产品相关的功能载体库和载体创新方法库——产品信息相关的数据库概念设计的推理——推理机制产品概念设计的评价体系2、计算机辅助设计的内容111基础理论研究设计创新技术研究人机交互技术研究建模技术研究并行和协同设计技术研究智能技术研究3、计算机辅助概念设计有待解决的关键技术问题112并行工程与并行设计3（1）并行工程的运行特征（3）并行设计内涵的技术特征体现（2）并行设计的概念（4）并行设计的关键技术113产品的开发过程是从对产品进行需求分析到产品最终定型的全部过程。具体包括：产品需求分析、概念设计、详细设计、工艺设计和样机试制及测试、最后投产。长期以来，人们开发新产品，都是按照“顺序”的开发过程进行的。也有人称为“串行”开发方式。串行过程，它以Taloy的工程哲理为指导思想，即将产品开发过程细化为一系列串联的工作步骤，由不同的工程技术人员承担，依次执行。

（1）并行工程的提出114传统的串行的产品开发方式概念设计详细设计工艺设计样机试制及测试抛过墙式产品开发方式115串行开发方式的特点信息的传递是顺序进行的；信息传递滞后。缺点：造成了设计的大量改动和产品试制的返工，所以延长了产品的开发周期，同时也增加了开发成本。116随着市场竞争加剧，企业为了能够快速开发新产品，快速响应市场，在上世纪80年代末期，美国和西方一些国家出现了“并行工程”—ConcurrentEngineering(CE)的生产模式。并行工程认为制造系统是一个有机整体，在空间中似乎相互独立的各个制造作业和知识处理单元之间，实质上都存在不可分割的内在联系，特别是有丰富的双向的信息联系。

117市场分析产品设计工艺规划销售服务制造运行产品开发过程中各主要环节间的内在双向信息联系118并行工程的第二个特点就是强调全局性的考虑问题，即产品研制者从一开始就应该考虑到产品全生命周期中的所有因素。第三方面而言，并行工程的实质就是并行设计。并行工程是针对产品开发过程提出的一种崭新的设计哲理，它的目的是缩短产品的开发周期，降低成本、提高产品质量和保证产品设计能够一次成功。119并行工程要求在进行产品设计时，应将时间上存在先后顺序的知识处理（产品开发各环节其实就是不同的知识处理过程）和作业实施转变为同时考虑和尽可能同时处理或并行处理。在产品设计的一开始，就综合考虑后续环节中的各种需要，将可能出现的问题在一开始就消除掉，从而使产品开发能一次成功。120并行的产品开发方式概念设计详细设计工艺设计样机试制及测试产品需求分析121并行的产品开发的特点不同的设计阶段并行进行；信息流是双向的。122（1）并行工程的运行特征并行工程是一种系统工程的方法或哲理，是一种工作模式。其主要特点和运行机理的要点如下：并行特性即把时间上存在先后顺序的知识处理和作业实施转变为同时考虑和尽可能同时处理或并行处理。并行工程与并行设计3123整体特性制造系统是一个有机整体，各个制造作业和知识处理单元之间都存在不可分割的内在联系，特别是有丰富的双向的信息联系。强调设计一开始就应该考虑到产品整个生命周期中的所有因素。追求整体最优，甚至可以牺牲局部利益协同特性强调群体协同工作（TeamWork）。因为现代产品越来越复杂，产品开发涉及的学科门类和专业人员越来越多。要实现整体最优，必须由团队协同工作。124集成特性

人员集成：管理者、设计者、制造者、保障者以及用户应集成为一个协调整体。信息集成：产品全生命周期中各类信息的获取、表示和操作信息都集成在一起,组成统一的管理信息系统。如产品信息模型（PIM）和产品数据管理（PDM）。功能集成：产品全生命周期中企业各部门的功能集成以及产品开发企业与外部协作企业之间功能的集成。技术集成：产品开发过程中涉及的多学科知识以及各种技术、方法的集成。形成集成的知识库和方法库，以利并行工程的实施。125（2）并行设计的概念并行工程的实质就是并行设计，即在产品开发的设计阶段就综合考虑产品生命周期，将下游的可靠性、技术性和生产条件等作为设计环节的约束条件，在产品设计的同时考虑其相关过程，包括加工工艺、装配、检测、销售以及维护等其他环节的影响，通过各环节的并行集成，及早发现与其相关过程不匹配的地方，及时修改和完善，达到缩短产品开发周期，提高质量和降低成本的目的。并行工程与并行设计3126（3）并行设计内涵的技术特征体现①产品开发过程采用群组工作方式

（TeamWork）打破传统的，按职能部门划分组织结构的形式，组成以产品开发为对象的集成产品开发团队，即IPT(IntegratingProductDevelopmentTeam)，也称多功能开发团队。并行工程与并行设计3127传统的组织结构——面向功能的组织结构128现代的组织结构——面向过程的组织结构Teamwork129统一的产品信息模型产品设计全过程中，要处理的信息是多种形式的，既有数字信息，又有非数字信息；既有文字信息，又有图像信息；还有大量知识型信息（概念、标准、规范等），因此，建立统一的产品信息模型是实施并行设计的基础。并行设计的产品信息模型应包含有关产品设计的所有信息，如用户要求、产品功能及各类设计信息（产品几何形状尺寸信息、材料信息和精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信息、售后服务信息）等130在产品开发和设计的工作中，相关信息的表现形式需求功能图计算资料产品目录标准图纸零件表准则规格说明书材料表工具单DINISO并行设计的系统解决方案如何呢？131图纸管理文档管理零件分类产品结构管理BOM生成2D/3D-CADFEMDTP文档保存基于PDM的系统解决方案零件管理查找通知检查归档分类设计计算绘图建立零件表修改132分布式的信息系统和网络化平台并行设计支持在同一时间（或不同时间）内多机、多程序对同一设计并行协同求解，并行设计面向对象的软件系统，分布式的知识库、数据库，能够根据产品设计的要求在多台终端上同时运行，并能够实现相互之间的同步协调与通信。因此，网络化、分布式的信息系统是其必要条件。133开放式的系统界面并行设计系统能够按照产品开发的需要将不同的功能模块集成起来，如CAD/CAPP/CAM/CAX等模块。同时并行设计系统也要与企业其他系统进行频繁的数据交换，如与ERP系统交换成本信息，与FMS交换加工信息等。开放式的系统界面对并行设计系统是至关重要的。标准化的数据交换规范，如数据交换文件DXF、交互式图形交换标准IGES、产品建模数据交换标准STEP等是实现与其它系统、模块之间信息交换和数据共享的关键。134（4）并行设计的关键技术之一产品开发过程建模及优化技术并行工程与并行设计3产品开发过程建模运用的基本方法是IDEF（IntegratedComputerAidedManufacturing,ICAMDEFinition）这是由美国空军开发的一套建模分析和设计方法。目前IDEF族共16套方法。135IDEF0——功能建模（FunctionModeling）IDEF1——信息建模（InformationModeling）IDEF1X——数据建模（DataModeling）IDEF2——仿真建模设计(SimulationModelDesign)IDEF3——过程描述获取（ProcessDescriptionCapture）IDEF4——面向对象的设计（OO设计）（Object-OrientedDesign）IDEF5——实体描述获取（OntologyDescriptionCapture）IDEF6——设计理论获取（DesignRationaleCapture）IDEF7——信息系统审核（InformationSystemAuditing）IDEF8——人－系统交互界面设计（UserInterfaceModeling）IDEF9——场景驱动信息系统设计（Scenario-DrivenISDesign）IDEF10——实施体系结构建模（ImplementationArchitectureModeling）IDEF11——信息制品建模（InformationArtifactModeling）IDEF12——组织建模（OrganizationModeling）IDEF13——三模式映射设计（ThreeSchemaMappingDesign）IDEF14——网络设计方法（NetworkDesign）136支持并行设计的计算机框架和信息系统并行设计的实施，必须构建一个分布式协同设计平台，以支持同时同地、同时异地、异时同地、异时异地的多学科小组成员并行、协同工作，这就需要把计算机、网络、分布式数据库操作系统、产品数据管理系统及一些专用的设计方法和工具集成起来，构建一个适应并行设计工作方式的计算机框架。（4）并行设计的关键技术之二137并行设计方式的计算机网络框架138模拟仿真技术传统的产品开发过程是“设计——样机制作——修改设计”的循环过程，不仅样机制作既费时又费工，延长了产品开发周期，而且在样机制作后如果发现设计存在的问题，将会造成巨大的浪费。（4）并行设计的关键技术之三国外一份调查表明，为了纠正某一产品设计中的错误；需增加的花费情况如下：

在设计阶段加以纠正，仅需花费35美元；

在零件加工之前加以纠正，需花费177美元；

在成批生产之前加以纠正，需花费368美元；

如等到产品投放市场后才加以纠正，加以则需花费59000美元。

139模拟仿真技术并行设计的核心是在产品设计阶段就能充分考虑加工、装配，甚至使用、维修这些与产品开发相关的后续过程。并行设计中不是通过费时费工的样机制作来发现可能影响加工、装配、使用、维修的设计错误和缺陷，而是通过计算机模拟仿真（快速样模制作/虚拟制造、虚拟装配结构有限元计算、产品的动静态性能仿真技术及虚拟现实技术）来实现这一目的。并行设计的模拟仿真内容包括：装配过程仿真、加工过程仿真、生产计划和调动仿真以及对产品性能的测试仿真等。（4）并行设计的关键技术之三140产品性能综合评价和决策系统（4）并行设计的关键技术之四、五阅读相关文献，了解并行设计在大型工程项目中的应用情况。并行设计中的协调管理技术实现产品最优化设计必不可少的环节，根据需要“取舍”。主要涉及判断和推理的问题，受到资源和其他环节的限制。常用人工智能的相关理论和方法来进行处理。冲突成为并行设计中的重要现象。为此，必须具有协调管理的支持技术、工具和系统，建立各功能小组及产品部件之间的依赖关系，协调他们的活动，确保将正确的信息，在正确的时间，以正确的方式，送给正确的小组(小组成员)。141可靠性设计4一、可靠性设计的基本概念及内容二、可靠性设计的理论基础三、机械系统的可靠性设计142一、可靠性设计的基本概念及内容可靠性：指产品（包括零件和元器件、整机设备、系统）在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。对于可靠性的理解应注意：明确产品可靠性研究的对象

必须明确产品可靠性所规定的条件

必须明确所规定的时间

必须明确产品所需完成规定的功能

143一、可靠性设计的基本概念及内容可靠性设计：指在产品（包括零件和元器件、整机设备、系统）设计开发阶段运用各种技术与方法，预测和预防产品在制造和使用过程中可能发生的各种偏差、隐患和故障，保证设计一次成功的过程。与传统设计方法比较：传统设计方法一般称之为“安全系数法”。可靠性设计的主要特征是将常规设计中涉及的设计变量都看作是服从某种分布规律的随即变量，用“概率统计方法设计”产品。144一、可靠性设计的基本概念及内容可靠性设计的主要内容可靠性理论基础——概率统计理论；失效物理；可靠性环境技术；可靠性基础实验等。可靠性应用技术——现场数据收集；可靠性评价与验证；可靠性预测技术等。返回145二、可靠性设计的理论基础1、可靠性常用指标可靠度（Reliability）失效率（FailureRate）平均寿命（MeanLife）有效寿命（UsefulLife）维修度（Maintainability）有效度（Availability）146可靠度——

指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的概率。它是时间的函数，以R(t)表示。若用T表示在规定条件下的寿命（产品首次发生失效的时间），则“产品在时间t内完成规定功能”等价于“产品寿命T大于t”。所以可靠度函数R(t)可以看作事件“T>t”概率，即

其中，f(t)为概率密度函数147失效分布函数——

显然：

——可靠度R(t)可以用统计方法来估计。设有N个产品在规定的条件下开始使用。令开始工作的时刻t取为0，到指定时刻t时已发生失效数n(t),亦即在此时刻尚能继续工作的产品数为N-n(t)，则可靠度的估计值（又称经验可靠度）为：

148失效率——

失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率，记为λ,它是时间t的函数,记为λ(t),称为失效率函数,有时也称为故障率函数或风险函数。设在t=0时有N个产品投试，到时刻t已有n(t)个产品失效，尚有N-n(t)个产品在工作。再过Δt时间，即到t+Δt时刻，有Δn(t)=n(t+Δt)-n(t)个产品失效。产品在时刻t前未失效而在时间（t,t＋Δt）内的失效率为：

，单位时间失效频率

149

失效率——

失效率是在时刻t尚未失效产品在t+△t的单位时间内发生失效的条件概率，即：由条件概率公式的性质和时间的包含关系，可知：

150失效率曲线——浴盆曲线（1）早期失效期为递减型。产品使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、起动不当等人为因素所造成的。使产品失效率达到偶然失效期的时间t0称为交付使用点。151失效率曲线——

（2）偶然失效期为恒定型，主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。152失效率曲线——

（3）耗损失效期，失效率是递增型。失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起，故称为耗损失效期。针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修，使失效率仍不上升。当然，修复若需花很大费用而延长寿命不多，则不如报废更为经济。153维修度——在规定条件下，使用的产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复到能完成规定功能的概率。

平均寿命——平均寿命又称平均失效时间（MTBF，MeanTimeBetweenFailure），是失效的平均间隔时间，即平均无故障工作时间。有效度——是指可维修的产品，在某时刻具有或者维持其规定功能的概率。即有效度是可靠度和维修度相结合的尺度，是广义的可靠度。154二、可靠性设计的理论基础2、可靠性研究中常用的概率分布指数分布（ExponentialDistribution）正态分布（NormalDistribution）威布尔分布（WeibullDistribution）155指数分布（ExponentialDistribution）概率密度函数可靠度计算公式指数分布的均值失效率为常数156正态分布（NormalDistribution）概率密度函数可靠度计算公式正态分布的主要参数是均值和标准方差，均值决定正态分布的中心倾向或者集中的趋势，即正态分布曲线的位置；标准方差决定正态分布曲线的形状，表征分布的离散程度。157威布尔分布（WeibullDistribution）概率密度函数可靠度计算公式威布尔分布的主要参数有形状参数b、尺度参数θ和位置参数γ。位置参数只影响曲线的起点位置，当γ＝0时，曲线的起点在坐标原点，当γ<0时，起点在坐标轴的负γ处，当γ>0时，起点在坐标轴的正γ处，对曲线的形状没影响。对于形状参数，当b<1时，它可以描述零件的早期失效分布，此时失效率曲线和早期失效阶段的曲线形状相似；当b＝1时，曲线呈指数分布形状，其形状与偶尔失效阶段的曲线形状相似；当b>1时，失效率曲线与耗损阶段的曲线形状相似。158应力、强度定义在机械产品中，广义的应力是引起失效的负荷，强度是抵抗失效的能力。由于影响应力和强度的因素具有随机性，所以应力和强度具有分散特性。影响应力的因素——影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几何形状和尺寸，材料的物理特性等。影响强度的因素——影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法和使用环境等。二、可靠性设计的理论基础3、应力-强度干涉模型及可靠度计算159应力－强度干涉模型在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定于强度和应力的关系。当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作；当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。因此，要求零件（部件）在规定的条件下和规定的时间内能够承载，必须满足以下条件S——零件（部件）的强度；s——零件（部件）的应力。160实际工程中的应力和强度都是呈分布状态的随机变量，把应力和强度的分布在同一座标系中表示。当强度的均值大于应力的均值时，在图中阴影部分表示的应力和强度“干涉区”内就可能发生强度小于应力——即失效的情况。这种根据应力和强度干涉情况，计算干涉区内强度小于应力的概率（失效概率）的模型，称为应力-强度干涉模型。应力－强度干涉模型161在应力-强度干涉模型理论中，根据可靠度的定义，强度大于应力的概率可表示为：当应力为s0时，强度大于应力的概率为：应力s0处于ds内的概率为：应力－强度干涉模型162假设与为两个独立的随机事件，因此两独立事件同时发生的概率为因为上式为应力区间内的任意值，现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于应力的概率（可靠度）为当已知应力和强度的概率密度函数时，根据以上表达式