先进制造技术 课件 第1、2章 先进制造技术概论、先进设计方法与技术

第一章先进制造技术概论IntroductiontoAdvancedManufacturingTechnology先进制造技术Contents1.1制造业的发展与地位1.2制造业的发展与地位1.4本章小结1.3先进制造技术的体系结构与分类课程概况1.1先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology，简称为AMT）是指微电子技术、自动化技术、信息技术等先进技术给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。-4-数控激光切割超精密铣削半导体芯片制造机加工设备1.1课程概况第一章：先进制造技术概论介绍了制造业的发展与地位、先进制造技术的体系结构与分类，强调了先进制造业的重要性。-5-先进制造技术领域近年我国制造业增值情况1.1课程概况第二章：先进设计技术深入探讨了先进设计技术的核心理念、独特属性及其构建的技术体系，详细剖析了计算机辅助设计技术、面向制造的优化设计、可靠性设计、反求工程、绿色设计以及拓扑优化设计等关键领域。-6-AUTOCAD拓扑优化过程测量反馈1.1课程概况第三章：先进成形技术介绍了先进成形技术，其是现在制造领域的关键技术之一，包括精密铸造技术、精密塑性成形技术、先进连接技术以及增材制造技术等。-7-精密铸造零件注塑成型电阻点焊技术（连接技术）3D打印技术1.1课程概况第四章：先进加工技术与工艺介绍了常见的先进加工技术与工艺，总体阐述了先进加工技术工艺的内涵，以及现有技术的特点和未来发展趋势，并全面、具体地介绍了各种加工工艺的原理、分类和实际应用等。-8-精密超精密加工技术特种加工技术高速超高速技术微纳加工技术绿色制造技术生物制造技术1.1课程概况第五章：先进检测技术涵盖了制造现场在线检测技术、先进制造中的现代精密测量技术与设备、纳米级测量技术及先进测量仪器方面的现状和制约。-9-三坐标测量机超声波测厚仪光学影像测量仪AFM装置设备STM装置设备激光扫描荧光共焦显微镜1.1课程概况第六章：先进制造系统主要介绍了智能制造系统(IM)、敏捷制造系统(AM)、并行工程、虚拟制造系统(VM)、精益生产系统(LP)、全能制造系统以及绿色制造系统，并对先进制造系统发展趋势进行展望。-10-先进制造系统分类（按层次结构）实现信息化、自动化、智能化、柔性化、生态化生产，取得经济收益和市场效果蔚来汽车合肥生产基地1.1课程概况第七章：前沿制造理念面向最前沿的制造技术需求，以当前前沿的高性能制造技术和极端制造技术内容为例，探讨了前沿制造理念及其技术内涵与应用。-11-海尔互联工厂光刻机真空磁浮列车盾构机制造1.1课程概况制造业的发展与地位1.21.2.1制造、制造技术和制造业1.2.2制造业在国民经济中的地位1.2.3传统制造业的困境与现代制造业的发展1.制造(Manufacturing)按照需求，运用主观掌握的知识和技能借助手工或可以利用的客观物质工具，采用有效的方法，将原材料转化为最终物质产品，并投放市场的全过程。1.2制造业的发展与地位-13-制造、制造技术和制造业的定义2.制造技术(ManufacturingTechnology)完成制造活动所需的一切手段的总和，是将原材料和其他生产要素经济合理地转化为可直接使用的、具有较高附加值的成品/半成品和技术服务的技术群。-14-制造、制造技术和制造业的定义1.2制造业的发展与地位-15-3.制造业（manufacturingindustries）所有与制造有关的企业机构的总体。是将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等），通过制造过程，转化为可供人们使用与利用的工业品与生活消费品的行业制造、制造技术和制造业的定义1.2制造业的发展与地位-16-人类文明的发展与制造业的进步密切相关。石器时代青铜器、铁器时代第一次工业革命传统制造业及其技术的发展1.2制造业的发展与地位在石器时代，人类利用天然石料制作劳动工具；到青铜器、铁器时代，人们开始采矿、冶炼铸锻工具、织布；直到1765年，瓦特改良蒸汽机，纺织业、机器制造业才取得革命性的变化，引发了第一次工业革命-17-第二次工业革命：人类开始进入电气时代，并在信息革命、资讯革命中达到顶峰。发电站传统制造业及其技术的发展1.2制造业的发展与地位第三次工业革命：人类进入科技时代，生物克隆技术的出现，航天科技的出现，也即生物科技与产业革命。早期计算机-18-第四次工业革命是以人工智能、新材料技术、分子工程、石墨烯、虚拟现实、量子信息技术、可控核聚变、清洁能源以及生物技术为技术突破口的工业革命。传统制造业及其技术的发展1.2制造业的发展与地位-19-自然科学的进步促进了新技术的发展和传统技术的革新、发展及完善，产生了各种新兴技术新兴材料技术新切割加工技术大型发电和传输技术核能技术微电子技术激光技术现代制造业及其技术的发展1.2制造业的发展与地位-20-回顾制造技术的发展，从蒸汽机出现到今天，主要经历了三个发展阶段：机器代替手工作坊形成工厂单件生产到大量生产柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术现代制造业及其技术的发展1.2制造业的发展与地位-21-传统制造业的生产和技术有如下特点：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，同时具有细化的专业分工。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。④制造技术一般只能控制生产过程中的物料流和能量流。现代制造业及其技术的发展1.2制造业的发展与地位-22-现代制造及其技术的形成和发展有如下特点：1.在市场需求的驱动下，制造的生产规模沿着以下方向发展：2.在科技高速发展的推动下，制造业的资源配置：3.生产方式上：小批量少品种大批量多品种变批量劳动密集型设备密集型信息密集型知识密集型手工机械化单机自动化刚性流水自动化生产柔性自动化生产线智能自动化现代制造及其技术的发展1.2制造业的发展与地位-23-4.在制造技术和工艺方法上：①重视必不可少的辅助工序

②重视工艺装备③重视物流、检验、包装及储藏④不断吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果装配组装自动化数字化工厂现代制造及其技术的发展1.2制造业的发展与地位-24-5.引入工业工程和并行工程(ConcurrentEngineering，CE)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。传统系统工程与并行工程对比图现代制造及其技术的发展1.2制造业的发展与地位-25-先进制造业具有制造技术水平高、产品附加值高、管理水平领先、整体竞争优势明显等显著特征。现代制造及其技术的发展1.2制造业的发展与地位-26-制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，在整个国民经济中一直处于十分重要的地位，是国民经济收入的重要来源。制造业在国民经济中的地位1.2制造业的发展与地位2010-2019年中国制造业增加值记占GDP比重制造业是国民经济的支柱产业和经济增长的发动机、是高技术产业化的基本载体、吸纳劳动力的重要途径、国际贸易的主力军、是国家安全的重要保障、提高人民生活水平的主要物质基础。-27-技术革命挑战：需由劳动密集型向技术密集型、知识密集型转变，推动自动化、智能化制造。技术密集型劳动密集型传统制造业的困境与现代制造业的发展1.2制造业的发展与地位-28-市场需求变化：趋向柔性制造，从大批量向多品种、变批量生产，以适应多样化需求。柔性制造系统传统制造业的困境与现代制造业的发展1.2制造业的发展与地位信息时代影响：信息成为制造业主导因素，缺乏新型信息制造观将导致淘汰。5G+制造传统制造业的困境与现代制造业的发展-29-环境保护挑战：需注重污染防治，实现节能、降耗、减污，推动可持续发展。工业废气排放1.2制造业的发展与地位传统制造业的困境与现代制造业的发展-30-全球化市场：跨国集团威胁本土制造企业生存，需要应对国际化竞争。我国制造业近年发展1.2制造业的发展与地位传统制造业的困境与现代制造业的发展-31-战略应对：政府和企业界正在进行制造技术、模式和管理技术的剧烈变革。“十三五”成就巡礼1.2制造业的发展与地位先进制造技术的体系结构与分类1.31.2.1先进制造技术的提出背景1.2.2先进制造技术的体系结构1.2.3先进制造技术的构成与分类先进制造技术的提出背景1.3先进制造技术的体系结构与分类-33-先进制造技术作为一个专用名词出现在20世纪80年代末。先进制造技术是集机械工程技术、电子信息技术、自动化技术、现代管理技术等为一体的众多先进技术、设备和系统的总称。工业机器人技术1.3先进制造技术的体系结构与分类-34-主题化、个性化、多样化需求市场动态多变，产品更新速度加快生产模式向多品种、小批量、单件化、柔性化转变消费趋势制造业进步推动全球参与形成全球大市场和激烈竞争经济全球化加速产业国际分工全球产业调整更新技术，满足消费者需求适应市场变化，赢得竞争提高企业利润，加强合作与协作制造业应对挑战社会经济发展背景-35-制造业走向科学发展，吸收各领域成果实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产科学发展20世纪80年代起，高新技术不断涌现计算机、微电子、信息、自动化技术促进了制造业发展高新技术应用改变了现代制造业的产品结构、生产方式、工艺装备和管理体系制造业发展为技术密集型、知识密集型产业产业转型科学技术发展背景1.3先进制造技术的体系结构与分类-36-世界环境与发展委员会(WCED)于1987年向联合国42届大会递交的报告《我们共同的未来》正式提出了“可持续发展”的思路。其定义是：“既满足当代人的需求，又不对子孙后代满足其需要的生存环境构成危害的发展。”世界资源研究所于1992年对可持续发展给出了更简洁明确的定义：即建立产生极少废料和污染物的工艺或技术系统。花园式电厂封闭煤场可持续发展战略背景1.3先进制造技术的体系结构与分类-37-“主体技术群、支撑技术群、制造技术基础设施”三部分只有相互联系、相互促进，才能发挥整体的各功能效益，每个部分均不可或缺可持续发展战略背景1.3先进制造技术的体系结构与分类-38-先进制造技术的构成1.3先进制造技术的体系结构与分类-39-先进设计方法与技术①有限元分析国家级绿色制造产业园先进制造技术的分类1.3先进制造技术的体系结构与分类计算机辅助技术高性能制造中的产品设计可靠性设计反求工程绿色设计拓扑优化设计②-40-先进成型技术粉末冶金机械成形压机激光选区熔化金属3D打印先进制造技术的分类1.3先进制造技术的体系结构与分类精密铸造技术精密塑性成形技术先进连接技术增材制造技术-41-超精密加工技术高速超高速切削技术特种加工技术先进制造技术与工艺③车削飞秒激光微加工先进制造技术的分类1.3先进制造技术的体系结构与分类微细及微纳加工技术绿色制造技术生物制造技术④-42-精密测量技术无损检测技术的应用材料分析技术纳米尺度的检测技术实时监测与自动化技术的应用先进检测技术超声无损检测激光干涉仪工业自动化生产监控系统先进制造技术的分类1.3先进制造技术的体系结构与分类储能系统生产线⑥⑤-43-先进制造系统先进制造理念机器人正在全自动化组装电机先进制造系统工程公共研发平台先进制造技术的分类1.3先进制造技术的体系结构与分类本章小结1.41.4

本章小结-45-随着全球创新实力格局不断加快重塑，围绕制造业创新的竞争已成为新焦点。中国制造业依靠人口、资源、制度等传统的发展模式的优势已成历史，低端制造业的低成本优势也越来越淡去。特别是国际金融危机之后，世界各国纷纷加紧部署发展先进制造业，通过技术创新提升制造业竞争水平。

全球制造业竞争激烈，中国制造业需面对技术创新和产业结构转型的挑战。虽然存在依赖进口等问题，但中国制造业在经济规模和产业基础上具备优势。未来需要加强技术创新，培育世界级制造业集群，同时提升国际影响力和本土供应链效率。THANKYOU第二章先进设计方法与技术Advanceddesignmethodandtechnology先进制造技术Contents2.1先进设计技术概述2.3先进设计技术应用的软件2.2先进设计技术2.4本章小结2.1先进设计技术概述-50-2.1先进设计技术概述先进设计技术（AdvancedDesignTechnology）是先进制造技术的基础。它是以满足产品的质量、性能、时间、成本/价格综合效益最优为目的；以计算机辅助设计技术为主体，以多种科学方法及技术为手段；是在研究、改进、创造产品的活动过程中所用到的技术群体的总称。直觉设计经验设计半理论半经验设计先进设计技术产品设计发展历程先进设计技术的内涵-51-2.1先进设计技术概述1.先进设计技术是对传统设计理论与方法的继承、延伸与扩展2.先进设计技术是多种设计技术理论与方法的交叉与融合3.先进设计技术实现了设计手段的计算机化与设计结果的精确化4.先进设计技术实现了设计过程的并行化、智能化5.先进设计技术实现了面向产品全生命周期过程的可信性设计6.先进设计技术是对多种设计实验技术的综合运用先进设计技术已经扩展到产品的规划、制造、营销和回收各个方面。先进设计技术具有以下一系列特点：先进设计技术的特点2.1先进设计技术概述先进设计技术分支学科很多，其基本体系结构及其与相关学科的关系如图所示。先进制造工艺自然科学自动化技术系统管理技术材料科学政治经济学文化社会科学市场营销学相关学科与技术现代设计技术各种产品设计领域应用技术基础技术传统的设计理论与方法支撑技术现代设计理论与方法设计实验技术主体技术计算机辅助技术先进设计技术的技术体系-52-2.2先进设计技术计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)是自20世纪50年代以来，随着计算机技术的高速发展而随之产生与发展的一门综合性计算机应用技术。-54-CAD几何建模图形处理工程分析仿真模拟工程数据的管理与共享CAD系统的基本功能计算机辅助设计2.2先进设计技术面向性能的设计(Designforperformance,DFP)：按性能要求获得的最佳设计方案，求解出理想或理论设计参量(材料、结构、运动形式等参量)。面向制造的设计(Designformanufacturing,DFM)，对DFP完成的设计，依据产品性能与材料、结构、几何、制造工艺、使役工况等参量之间的关系及敏度分析，确定出最为可行的制造工艺，并合理分配各环节的制造允差。面向性能/制造的设计2.2先进设计技术-55-可靠性工程是指为了达到产品可靠性要求而进行的设计、管理、实验和生产等一系列工作的总和，与产品全生命周期内的全部可靠性活动有关。-56-产品可靠性的要素可靠性工程规定的条件产品规定的时间规定的功能能力可靠性设计2.2先进设计技术反求工程又称逆向工程或反求设计，反求工程类似于反向推理，属于逆向思维体系。它以社会方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的产品进行解剖、分析、重构和再创造，以下是反求工程的优缺点。优点缺点能够快速建立设计图样和3D模型执行难度大，需要高精度的设备和技术；可以降低设计时间和成本，提高设计效率成本高，需要购买专业的测量设备和软件精度高、准确性高，可以确保生产制造的质量数模与实物不一定完全一致，需要进行模拟和验证可以在不拆卸现有设备的情况下进行测量，不会对原设备产生影响需要充分的技术和理论知识支持反求工程2.2先进设计技术-57-反求工程技术的研究对象多种多样，主要可以分为以下三大类。实物类：主要指先进产品设备的实物本身。软件类：包括先进产品设备程序、技术文件等。影像类：包括先进产品设备的图片、照片或以影像形式出现的资料。反求工程2.2先进设计技术-58-反求工程中常用的测量方法一般分成两类：接触式与非接触式。接触式：坐标测量机法、层析法。非接触式：基于光学三角形原理的逆向工程扫描法、基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法、基于工业CT断层扫描法。工业CT断层扫描法坐标测量机反求工程2.2先进设计技术-59-绿色设计(也称为面向环境的设计，Designforenvironment)是指系统地考虑环境影响并集成到产品最初设计过程中的技术和方法。绿色制造是指在制造过程中减少对环境的负面影响，提高资源利用效率，降低能源消耗和废耗物的生成，实现绿色、环保、可持续的制造过程。绿色设计2.2先进设计技术-60-绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。绿色设计具体有以下几种原则：绿色设计2.2先进设计技术-61-绿色材料的选择是一个系统性和综合性很强的复杂问题。美国卡耐基梅龙大学的Rosy提出了一种将环境因素融入材料选择的方法，该方法在满足功能、几何形状、材料等特性和环境要求的前提下使零件的成本最低。该材料选择方法的流程图所示。绿色设计2.2先进设计技术-62-拓扑优化是指根据指定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。其目标是通过对设计范围内的外力、荷载条件、边界条件、约束以及材料属性等因素进行数学建模和优化，从而最大限度地提高零件的性能。（b）拓扑优化后零件（a）原始零件

拓扑优化设计示意图拓扑优化设计2.2先进设计技术-63-由于拓扑优化生成的自由形式的设计通常难以用传统工业制造手段进行制造，但是在先进的3D打印技术支持下，拓扑优化的设计输出可以直接交给3D打印机来完成，极大地拓展了拓扑优化的工业化进程。拓扑优化骨科植入物拓扑优化设计金属结构节拓扑优化设计连杆拓扑优化设计2.2先进设计技术-64-拓扑优化设计过程定义外部荷载、边界条件、约束条件以及材料属性等输入信息。利用有限元分析考虑应用负载点、安装位置以及约束区域；使用有限元创建网格，根据定义的要求测试每个有限元的刚度、柔度、应力、挠度，确定多余的材料区域；最后，有限元分析将各个部件编织在一起组成设计终稿。拓扑优化设计过程拓扑优化设计2.2先进设计技术-65-拓扑优化优缺点优点：优化设计材料使用的最小化具有成本效益减少对环境的影响缺点：强度降低成本提高，制造难度提升2.2先进设计技术拓扑优化设计-66-2.3先进设计技术中应用的软件2.3先进设计技术中应用的软件先进设计技术中应用的软件设计软件有限元仿真软件AutoCADSolidWorksPro/EngineerMastercamUnigraphicsNXCATIAANSYSADINAABAQUSMSC系列COMSOLMultiphysics先进设计技术中应用的软件分类-68-AutoCAD软件界面

AutoCAD是由美国欧特克有限公司(Autodesk)出品的一款计算机辅助设计软件，可以用于二维制图和基本三维设计。AutoCAD的基本功能主要包括平面绘图、图形编辑、三维绘图。AutoCAD尽管有强大的图形功能，但表格处理功能相对较弱，而在实际工作中，往往需要在AutoCAD中制作各种表格，如工程数量表等。

未来AutoCAD技术将向着标准化、开放式、集成化、智能化方向发展。2.3先进设计技术中应用的软件AutoCAD设计软件-69-Pro/Engineer软件界面

Pro/Engineer是美国PTC公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一。Pro/Engineer最早进入中国市场的版本大概是ProE18版，其后经过了十几年的发展和完善。2.3先进设计技术中应用的软件Pro/Engineer设计软件-70-SolidWorks软件界面

SolidWorks是达索系统(DassaultSystems)下的子公司研发的设计软件。SolidWorks软件是基于Windows系统下的原创的三维设计软件。SolidWorks公司的研发部门设法从不同的角度对大型装配体的装载速度进行了改进，包括分布式数据的处理和图形压缩技术的运用，使得大型装配体的性能提高了几十倍。2.3先进设计技术中应用的软件SolidWorks设计软件-71-UnigraphicsNX软件界面

UG(UnigraphicsNX)是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。该软件可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构，适用于对大型的汽车、飞机等产品建立复杂的数学模型。

它在诞生之初主要是基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用软件。2.3先进设计技术中应用的软件UnigraphicsNX设计软件-72-Mastercam软件界面

Mastercam是美国CNCSoftware公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。包括美国在内的各工业大国皆一致采用该系统。作为设计、加工制造的标准，以美国和加拿大教育单位来说，共计有2500多所高中、专科大学院校使用此软件进行机械制造及数控编程，在中国台湾及大陆其在工业界及教育单位也有领先之地位。2.3先进设计技术中应用的软件Mastercam设计软件-73-CATIA软件界面

CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。2.3先进设计技术中应用的软件CATIA设计软件-74-ANSYS软件界面

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程(CAE)软件，能与多数计算机辅助设计软件对接，实现数据的共享和交换。ANSYS功能强大，操作简单方便，已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。2.3先进设计技术中应用的软件ANSYS仿真软件-75-ADINA软件界面

ADINA软件出现于20世纪70年代，以有限元理论为基础，通过求解力学线性、非线性方程组的方式获得固体力学、结构力学、温度场问题的数值解。

ADINA在机械行业的应用十分广泛，例如在往复式活塞泵、往复式压缩机、轴承、减速机、工程机械类、冶金机械类、矿山机械类产品设计中都到有不同程度的应用，尤其在离心泵等流体机械中的流固耦合分析计算中应用最多。2.3先进设计技术中应用的软件ADINA仿真软件-76-COMSOLMultiphysics软件界面

COMSOLMultiphysics是由COMSOL集团于1998年发布的大型高级数值仿真软件。它包括了多个应用领域的专业模块，例如力学、电磁场、流体、传热、化工、MEMS、声学等；同时也包含了一系列与第三方软件的接口软件，其中包含常用CAD软件、MATLAB，和Excel软件等的同步链接产品，使得COMSOLMultiphysics软件能够与主流CAD软件工具无缝集成。2.3先进设计技术中应用的软件COMSOLMultiphysics仿真软件-77-

MSC系列有限元仿真软件由MSC.Software公司(MSCSoftwareCorporation，MSC)设计，该公司是世界著名的有限元分析和计算机仿真预测应用软件CAE供应商和虚拟产品开发(VirtualProductDevelopment，VPD)概念的倡导者。MSC系列软件应用广泛，包括航空、航天、汽车、船舶、通用机械、兵器、电子、核能、土木、医疗器械、生物力学、铁道、运输等。MSC软件的仿真结果示意图2.3先进设计技术中应用的软件MSC系列仿真软件-78-