先进制造技术概述.ppt

机械制造技术导论 河海大学机电工程学院 苑明海 1. 制造业和制造技术的概念 n定义1：制造业是将各种原材料加工制造成可使用的工 业制成品的工业。 n地位：制造业在众多国家尤其是发达国家的国民经济 中占有十分重要的位置，是国民经济的支柱产业。 n美国68%的财富来源于制造业； n日本国民总产值的49%由制造业提供； n中国的制造业在工业总产值中也占有40%的比例。 没有发达的制造业就不可能有国家真正的繁荣和富强 。 0.1 制造业和制造技术 1. 制造业和制造技术的概念 n作用：目前，作为我国国民经济的支柱产业, 制造业 是我国经济增长的主导部门和经济转型的基础；作为 经济社会发展的重要依托, 制造业是我国城镇就业的 主要渠道和国际竞争力的集中体现。 n制造技术：是使原材料变成产品的技术的总称，是国 民经济得以发展、制造业本身赖以生存的关键基础技 术。 0.1 制造业和制造技术 电子制造业汽车制造业 2. 机械制造科学的研究内容 n机械制造设备和工艺装备的设计和制造，新的设备和工装的设计 。 n机械的制造工艺过程：热加工工艺过程及冷加工工艺过程，它们 都是改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使之成为 成品或半成品的过程。 n机械制造(冷加工)工艺过程一般是指零件的机械加工工艺过程和机器的装配工艺过 程。因此，机械制造科学也是研究机械加工和装配工艺过程及方法的科学。 n据统计，目前在机械制造中采用的工艺方法已经达到4 500种以上 。各种工艺方法的规律、特点和适用范围，新的先进制造工艺手 段，也是机械制造科学的重要研究内容之一。 0.2 机械制造科学的概念与研究内容 1. 机械制造科学的概念 l为国民经济各部门进行简单再生产和扩大再生产提 供技术装备的各类制造业，统称为装备制造业。机 械制造业是装备制造业的核心。 l研究机械系统和产品的性能、设计及制造的理论、 方法和技术的科学称为机械工程学。机械系统从构 思到实现要经历设计和制造两大不同性质的阶段， 与之相应，机械工程学被分成两大分支：机械学和 机械制造科学。机械制造科学是研究机械制造系统 、机械制造过程和机械制造手段(工艺)的科学。 0.2 机械制造科学的概念与研究内 容 2、先进制造技术的基本内容 n18世纪后半叶：蒸汽机和工具机的发明。 n19世纪：电气技术发展，电气技术与制造技术融合。 n20世纪初：内燃机发明，引发了制造业的革命。 n二战后：计算机、微电子、信息和自动化技术。形成了一 批新型先进制造单元技术，如NC技术、CNC、柔性制造单元 （FMC）、CADCAM等。 n80年代：开拓了制造技术面向市场生产发展的新阶段：材 料需求规划（MRP-I）、制造资源规划（MRPII）、全面 质量控制（TQC）、CADCAM。 n20世纪末的最后10年：以信息为主要特征，信息技术、人 工智能技术的发展提供了高效能的技术手段。 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 advanced manufacturing technology 2、先进制造技术的基本内容 2.1.2 先进制造技术的提出 n制造技术自18世纪后半叶发生的产业革命 后获得了飞速发展， n先进制造技术作为一个专用名词却是在20 世纪80年代末期，由美国根据本国制造业面 临的挑战与机遇；从技术发展角度，以计算 机为中心的新一代信息技术的发展，全面推 进了制造技术的飞跃发展。 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 美国是世界上头号工业强国,也是制造业头号强国 n70年代开始美国科技优势和经济竞争力衰退:“后 工业化社会”， “夕阳工业”， n80年代后期，国会议员、政策咨询和研究机构纷 纷要求政府支持和重视产业技术的发展， n1991年，美国白宫发表了美国国家关键技术 的报告，明确将柔性计算机集成制造、智能加工设 备、微米级和毫米级制造以及系统管理技术等，作 为制造技术领域，列入总数为22项的国家关键技术 中。 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 1993年2月，克林顿在硅谷提出了促进先进制造技 术发展的六点行动 n加大资助，开发新一代汽车、新建筑技术、智能 控制和传感器技术、快速原型设计及考虑环境的制 造技术； n支持灵活制造； n建立全国制造技术推广中心网； n促进本地区技术联盟的建立； n促进制造工程教育的发展； n促进考虑环境的制造技术的发展。 美国是世界上头号工业强国,也是制造业头号强国 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 美国先进制造技术计划和制造技术中心计划 n先进制造技术计划：1994年度拨款14亿美元，三 个重点领域：下一代“智能”制造系统、为产品、工 艺过程和整个企业的设计提供集成的工具、基础设 施工作。 n制造技术中心计划（MTC）：又称合作伙伴计划 ，指政府和企业在发展制造技术上进行密切合作。 在全国建立170家制造技术中心，帮助企业通过技 术进步节约。 先进制造技术得到重视 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 欧共体ERECA、ESPRIT、BRITE计划 nERECA（尤里卡）计划： 1988年拨款5亿美元资助16个欧洲国家600家企 业的165个合作项目。 nESPRIT（欧洲信息技术研究发展战略）计划： 13个成员国向5500名研究人员提供资助。 nBRITE（欧洲工业基础研究）计划： 重点资助材料、制造加工、设计以及工厂系统 运作等方面的研究。 先进制造技术得到重视 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 日本的政策和智能制造技术（IMS）计划 日本产业技术政策: 从重视应用研究转向加强基础研究，以便彻底摆脱“ 美国出创新概念，日本出创新产品”的局面。 日本模式: 技术引进-自主开发-独创性的自主开发-个性化、 创造性的自主开发-加强基础研究的技术发展道路。 国际共同研究计划。 目标：要全面展望21世纪制造技术的发展趋势，致力 于全球制造信息、制造技术的体系化、标准化。 1995年1月正式启动，为期10年，总投资40亿美元。 先进制造技术得到重视 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 韩国的先进制造系统计划 1991年底韩国提出了“高级先进技术国家计划”， 通常称为G7计划。 目标：到2000年把韩国的技术实力提高到世界第 一流工业发达国家的水平。已达到。 G7计划包括七项先进技术及七项基础技术。投 资62亿美元。 共性基础技术、下一代加工系统、集成技术、智 能技术。 先进制造技术得到重视 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 究竟依靠什么产业来强国？ 是依靠第三产 业来强国，还是依靠制造业来强国？ 美国的教训 1)上个世纪70年代,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年代的经济衰退。 2)80年代后期，美国政府开始协调 和支持制造产业的发展，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。 日本的经验 n1）在上个世纪70-80年代，日本非常重视制造业，特 别大抓了汽车制造和微电子制造，结果日本的汽车和家 用电器占领了全世界的市场，特别是大举进入了美国市 场。 n2）日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件 。1991年海湾战争结束后，日本人说美国赢得这场战争 是依靠的日本的芯片，是“日本的芯片打败了伊拉克的 钢片”。 东南亚经济危机的启示 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。 学习的榜样瑞士 n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。 我国对先进制造技术的发展给予充分重视 1995年：“九五”计划和2010年远景目标的建 议中明确要大力采用先进制造技术。 n国家各类攻关计划 n国家计委重视：如数控系统及装备研究等。 n国家自然科学基金会。 nS863，973计划。 n“十五”规划中，先进制造技术是国家重点发展的 第四关键领域。 先进制造技术得到重视 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 国家中长期科技规划16个重大专项 1.核心电子器件、高端适用芯片及基础软件产品 2.极大规模集成电路制造装备及成套工艺 3.新一代宽带无线移动通信网 4.高档数控机床与基础制造装备 5.大型油气田及煤层气开发 6.大型先进压水堆及高温气冷堆核电站 7. 水体污染的控制与治理 8. 转基因生物新品种培育 先进制造技术得到重视 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 国家中长期科技规划16个重大专项 9. 重大新药创制 10.艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治 11.大型飞机 12.中国第二代卫星导航系统 13.高分辨率对地观测系统 14.载人航天与探月工程 15.高超声速飞行器科技工程 16.惯性约束核聚变点火 先进制造技术得到重视 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 国家中长期科技规划5大战略 抓住未来若干年内信息技术更新 换代和新材料技术迅猛发展的难得机遇 ， 把获取装备制造业和信息产业核心 技术的自主知识产权，作为提高我国产 业竞争力的突破口； 先进制造技术得到重视 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 2.1.3 先进制造技术内涵 n先进制造技术是制造业不断吸收信息技 术和现代管理技术的成果， n并将其综合应用于产品设计、加工、检 测、管理、销售、使用、服务乃至回收的 制造全过程， n以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活 生产， n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。 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 2.1.4 先进制造技术特点 n先进制造技术的实用性 n先进制造技术应用的广泛性 n先进制造技术的动态特征 n先进制造技术的集成性：制造工程 n先进制造技术的系统性：物质流、能量流和信 息流的系统工程。 n实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产 n提高对产品市场的适应能力和竞争能力 2、先进制造技术的基本内容 2.1 先进制造技术的提出、内涵及特点 一、定义: 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. 2、先进制造技术的基本内容 2.2 先进制造技术的体系 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 二 体 系 结 构 (1 ) 2、先进制造技术的基本内容 2.2 先进制造技术的体系 二 体 系 结 构 (2 ) 2、先进制造技术的基本内容 2.2 先进制造技术的体系 三 先进设计技术 n设计方法现代化 l产品动态分析和设计 l产品可靠性 l可维护性及安全设计 l产品优化设计 l快速响应设计 l创新设计 l智能设计 l仿真与虚拟设计 l价值工程设计 l模块化设计 n设计手段计算机化 l有限元法 l优化设计 l计算机辅助设计 l反求工程技术 lCAD/CAM一体化技术 l工程数据库 n向全寿命周期设计发 展 n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、先进制造技术的基本内容 2.2 先进制造技术的体系 四、先进制造工艺技 术 n精密、超精密加工技 术 l精密加工：精度为3 0.3m Ra0.30.03 m l超精密加工：精度为0.3 0.03m Ra0.30.005 m l纳米加工：精度高于 0.03m Ra小于0.3 0.005 m n精密成型制造技术 l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 n特种加工技术 l高能束流加工（电子束、 离子束、激光束、双光子 ） l电加工（电解和电火花) l超声波加工 l高压水加工 l多种能源的组合加工 2、先进制造技术的基本内容 2.2 先进制造技术的体系 五、制造自动化技 术 n数控技术 l数控装置 l进给系统 l主轴系统 lNC程序编制 n工业机器人 l机器人操作机 l控制系统 l传感器 l生产线总线控制 n柔性制造系统 l加工系统 l物流系统 l调度与控制 l故障诊断 n自动检测与信号识别技 术 l信号识别 l数据获取 l数据处理 l特征提取与识别 n过程设备工况监测与控 制 l过程监视系统 l在线反馈质量控制 2、先进制造技术的基本内容 2.2 先进制造技术的体系 n中国的制造技术和制造业正在崛起，2010 年制造业的总产值已超过美国，成为世界第 一制造大国。 n我国生产的机床、拖拉机、小心柴油机、集装箱、农用车 、电视机、空调器、冰箱、洗衣机、微波炉、太阳轮热水器 、自行车、摩托车等众多几点产品的产量都是世界第一。 n我国已能制造许多世界领先的科技产品和大型成套设备。 3. 我国制造业和制造技术的现状 先进工业化国家， 国民经济总收入60， 就业人口的25 ； 中国2012年的调查结论: 中国制造业占国民生产总值的1/3 占整个工业生产的4/5 为国家财政提供1/3以上的收入 贡献出口总额的90% 就业人员8043万 3. 我国制造业和制造技术的现状 改革开放30多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。近几年发展的新产品， 50%达到80年代中后期的世界水平。 2）一些重要产品的年生产能力已跃居世界前列，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，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。 3. 我国制造业和制造技术的现状 2. 我国制造业和制造技术的现状 1.峰值性能为每秒5.49亿亿次次的“天河一号”超级计算机（图1-1a） 2.歼-20全天候多用途战斗机（图1-1b） 3.“神十”载人宇宙飞船（图1-1c） 4.“蛟龙”号7000米级载人潜水器（图1-1d） n中国仅仅是世界制造大国，而不是制造强国 2. 我国制造业和制造技术的现状 n与工业发达国家相比，我国的制造业和制造技术存在如下差 距： n工业生产能耗和物耗高。万元产品能耗是发达国家的5倍，物 耗高40%。 n劳动生产率低下，平均相当于发达国家的1/151/20。 n工业产品质量差，技术含量低，缺乏市场竞争力。基础机械 、大型成套设备质量等级比发达国家低12个等级，综合技术 水平落后20余年。 n企业研发投入不足，自主创新能力差。企业投入的科研经费 不到发达国家的1/30。 n科技创新成为“中国制造”发展的关键制约因素。 3. 我国制造业和制造技术的现状 l产品档次低，高水平产品所占比例小 当代国际先进水平小于5，90年代25，80年代40。 l创新开发能力差，新产品贡献率低 产品平均生命周期：我国10年，美国34年 l 新产品贡献率：我国6（97年），美国52（95年） l专业化生产水平低 基础零部件、产品配套、基础工艺专业化 l生产管理技术水平落后 计划经济，手工管理， 3. 我国制造业和制造技术的现状 世界上7080以上的产品是制造出来的：如美 国、瑞士。 高科技的发展需要先进制造技术，特别是精密制造 技术：火箭、导弹等。 信息技术的发展，给机械制造技术带来了新的活力 ：柔性制造技术、集成制造系统、并行工程 等。 必须将基础科学研究与工程研究更紧密结合起来。 必须从实际出发 ：如CIMS的经验。 4、先进制造技术的现状与发展趋势 5.1 国际现状 5.2 国内现状 传统机械仍占主导位置。 先进制造系统与技术的研究，总体上看尚处在 跟踪阶段，创新不多。 4、先进制造技术的现状与发展趋势 5.2 国内现状 信息技术与制造技术的融合。 科学技术的综合是当前技术发展的一个重要特点。 如：仿生学研究。 绿色制造是近年来发展最快的重点研究领域之一。 加强对机械制造学科的基础规律、机理的研究。 测量在现代制造技术中占有极重要的地位。如：虚 拟测量技术。 “可重组的制造系统”提出了一个值得注意的问题。 4、先进制造技术的现状与发展趋势 5.3 国际发展趋势 微加工技术、绿色制造技术 网络制造技术（E-manufacturing） 制造技术与信息技术的集成 大批量定制生产 纳米技术、机器人 数字化（工厂：CAX/PDM） 知识化：技术创新；产品及企业模块化 微小化、绿色化、智能化 4、先进制造技术的现状与发展趋势 5.3 国际发展趋势 21世纪的企业面临“管理革命” （1）分散网络化制造：以订单为纽带进行资源重组，企业 间动态联盟。如：香港。 （2）“中场产业”的兴起 （3）企业间从单纯竞争走向既有竞争、又有结盟之路 绿色制造将成为21世纪制造技术重要特征。 以提高对市场快速反应能力为目标的制造技术得到超速发展 和应用：并行工程，快速原型制造技术。 虚拟制造技术将广泛应用。 4、先进制造技术的现状与发展趋势 5.4 国内发展趋势 制造业信息化：制造技术和制造业是一切技术 的载体和“物化”手段，当然包括信息技术，但 现代制造业的发展离不开信息技术。 含义：生产过程的自动化和信息化，制造业的 企业管理信息化；包括数字化设计、数字化加 工、数字化装备、数字化管理，形成数字化企 业。 4、先进制造技术的现状与发展趋势 5.4 国内发展趋势 计算机辅助工具计算机辅助工具CAXCAX Computer Aided Manufacturing Computer Aided Progress Planning Computer Aided Design Computer Aided Engineering 工艺基工艺基 础数