先进制造导论.doc

第一章一制造的概念二制造技术的发展三 21世纪科学技术发展的总趋势四中国制造业的成就及重大意义五制造业面临的竞争和挑战六先进制造技术七本课程的主要目的和内容一、制造的概念1、概念：制 造（ Manufacturing）： 是人 类 所有 经 济活动 的基石，是人类历史发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 CIRP1990年：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。 制造技术（制造技术 Manufacturing Technology)按照人们所需的目的，运用知识和技能，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、维修、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。2、制造系统：制造系统是制造业的基本组成实体。1）结构：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。2)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。3)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、售后服务、报废、回收、再利用等。4)制造业发展的历程 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。从单件生产方式发展成大量生产方式泰勒：以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理。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 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、及时生产、精良生产、敏捷制造 200年来制造业的发展方向。生产规模：小批量少品种大批量多品种变批量资源配置：劳动密集设备密集信息密集知识密集生产方式：手工机械化单机自动化刚性流水自动化柔性自动化智能自动化现代制造业经历的四个主要发展阶段第 一 阶 段 为 60 年 代 ， 以 福 特 制 为 代 表 的 大 规 模 生 产 方式，制造系统以产品的成本为中心；第 二 阶 段 为 70年 代 ， 企 业 生 产更多 地 转向 多 品种、 中 小批量生产，制造系统以产品的市场为中心；第 三 阶 段 为 80年 代 ， 企 业 的 经营计 划 、产 品 开发、 产 品设 计、生 产制造以 及营 销等一系列活动构成了一个完整的有机系统，制造系统以产品的质量为中心；第 四 阶 段 为 90年 代 ， 市 场 对 产品的 质 量、 性 能要求 变 得更 高，并 能随时更 新换 代，产品的寿命周期越来越短，制造系统以产品的加工时间为中心。3、 制造业发展的教训美国的教训 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。80年 代 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 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。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 原因 。日本的经验 在上个世纪 70-80年代，日本非常重视制业，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。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 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。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。瑞士依靠什么使人均产值居世界第一？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。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。4、制造业是产业革命的主力军第一次产业革命： 1733-1878又称为： 蒸汽革命 。产业革命的标志：瓦特发明的 蒸汽机 。英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明。制造业和瓦特的发明推动了热力学理论的诞生第二次产业革命： 1879-1945麦克斯韦电动力学理论推动了 20世纪初开始的无线电、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发展。牛顿力学和电动力学又为 量子力学 的发展指引了道路，导致了量子场论的创立。 第三次产业革命： 1945-1972又称为： 电子（原子）革命。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。微电子制造技术开创了全新的信息时代。第四次产业革命： 1973-又称为： 高新技术产业革命。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。微器件制造工艺，如拉单晶、掺杂、扩散、离子注入、外延、溅射、化学沉积（ CVD）、光刻、表面贴装、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。三、 21世纪科学技术发展总趋势1. 中心科学技术的转移2. 世界科技中心的转移3. 高技术及其产业领域4. 二十一世纪改变人类的科学与技术1中心科学技术的转移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。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。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2、世界科学技术的转移中国 （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、 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）四、中国制造业的成就及重大意义1、中国制造业的成就：2001年中国工程院的调查结论 :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 8043万2、改革开放 20年来中国制造业的进步：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。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。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。成功开发生产了运七、运八、新舟 60等支线飞机，并开始研制大型飞机。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。3、制造业的重大意义如今，制造科学在世界上已广泛被认为与信息科学、材料科学、生物科学并列为当今时代的 四大支柱学科 。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。据统计，美国 68%的社会财富来自于制造业。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%。在许多国家的科技发展计划中，先进制造技术都被列为优先发展的科技。“十五 ”规划中确定的八个最具战略影响的领域：信息技术、生物技术、新材料技术、先进制造与自动化技术、资源环境技术、航空航天技术、能源技术、先进防御技术。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近年来中国制造业迅速发展，是一个制造大国：2003年 ，统计中国生产了世界上29%的彩色电视机，世界上24%的洗 衣 机 ，16%的电冰箱，50% 的空调机 ，70%的玩具，55%的照相机 ，30%的微波炉， 42%的显示器，75%的钟表，50%缝纫机，83%的小型拖拉机，40%的自行车，44%的摩托车。收录机年产量2.4亿台 ，占全球份额的70% ，DVD机2000万台 ，占70%， 电话机9600万台 ，占 50%以上 ，微特电机30亿台 ，占60%，一次性电池 170亿只，占 40%，人造金刚石微粉 10亿克拉，占 60%以上。我 国 汽 车 工 业 发展迅 速 ，自 1992年 实施 扩 大开 放 政策 以来 ， 保持 平均 15% 以 上 的 年 增 长 率 。 2002年 和 2003年 的 产 量 达 到 325.1万 辆 和444.39万辆。中 国 制 造 业 规 模 已 达 世 界 第 四 位 ， 仅 次 于 美 国 、 日 本 和 德 国 。 在钢铁 、 水 泥 、 化纤 、化 肥 、 电 视 机、 摩托 车 等 年 产 量都 是世 界 第 一 。人大常委会副委员长宋健指出：制造业与现代化 “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。没有强大制造能力的国家永远成不了经济强国。 ”五、制造业面临的竞争和挑战 1. 国际形势的变化2. 制造业市场竞争的新特点3. 制造全球化和贸易自由化4. 科技进步与信息社会5. 环境保护意识的增强与可持续发展1、国际形势的变化90年代以来，世界出现了多级化的新格局：1） 政治冷战经济热战；2） 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，经济为基础、军事为后盾的综合国力的较量；3） 产业技术和经济实力成为政治对抗的重要资本；4） 不计生产成本和代价的军品生产模式不适于新形势下的生产；5） “战略伙伴 ”关系中经济色彩突出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。2、制造业市场竞争的新特点知识-技术-产品更新周期更短20世纪 90年代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 Team work 238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 产品批量 更 小汽车生产：大批量生产大批量定制生产； 顾客对产品功能、性能、质量的要求 更高； 能参与全球竞争的企业 更多； 跨国公司的垄断性 更明显 企业的兼并重组 更激烈、更动荡； 一般水平的产品及制造能力 严重过剩 人口老龄化 更强 环保意识、绿色制造呼声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。3、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。跨国公司的生产总值占工业化国家生产总值的 40%跨国公司的贸易占世界贸易总值的 50%跨国公司的工业研制费占世界总值的 80%跨国公司操纵了世界技术转让的75%跨国公司操纵了对发展中国家技术贸易的 90%4、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宏观 (制造系统集成）和微 观 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 。5、 环 境 保 护 意 识 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社会压力国家政策与立法经济手段。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。六、先进制造技术1. 先进制造技术的定义与体系结构2. 先进制造技术的学科内容3. 先进制造技术的发展趋势1、 先 进 制 造 技 术 的 定 义 与 体 系 结 构定义 :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。特点：先进性；实用性；广泛性；动态性；集成性；系统性；强调实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产；最终目标是提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。2、先进制造技术的学科内容1）先进设计技术先进设计技术、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、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。2）先进制造工艺技术精密、超精密加工技术精度为 3 0.3 m 高能束流加工（电子束、精密加工：Ra0.3 0.03 m离子束、激光束）电加工（电解和电火花)超精密加工：Ra0.3 0.005 m 高压水射流加工纳米加工：Ra 0.3 0.005 m精密成型制造技术 从制造工件的毛坯