先进制造技术常见习题详解.doc

1.1 先进制造技术及其主要特点 1.1.1 制造、制造技术、制造业与现代制造业背景 制造(Manufacturing)是利用制造资源(设计方法、工艺、设备和人力等)将材料“转变”为有用的物品的过程。制造是一个很大的概念，按制造的连续性可分为连续制造(如化工产品的制造)和离散制造(如家电产品的制造)；按行业又可分为机械制造、食品制造、化工制造、IT产品制造，等等。当今，人们对制造的概念又加以扩充，将体系管理和服务等也纳入其中。制造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。 制造技术(Manufacturing Technology)是制造活动所涉及到的一系列技术的总称，是提高产品竞争力的关键，也是制造业赖以生存和发展的主体技术。传统的制造技术仅强调工艺方法和加工设备。现代的制造技术不仅重视工艺方法和设备，还注重设计方法、生产组织模式、制造与环境和谐统一、制造的可持续性以及制造技术与其它科学技术的交叉和融合，甚至还涉及制造技术与制造全球化、贸易自由化、军备竞争等内容制造技术发展的三阶段 用机器代替手工，从作坊形成工厂 从单件生产方式发展成大量生产方式 柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术制造业是以制造技术为主导技术进行产品制造的企业群体的总称，是工业的主体。根据我国现行统计划分，工业由制造业、采掘业以及电力、燃气和水的生产供应业构成，制造系指第二产业中除采掘业、电力和燃气及其生产供应业、建筑业以外的所有行业，包括30个大类、169个中类、482个小类。 制造业我国经济发展的战略重点 “十一五”重点发展方向之一 工业化国家：60-80%的物质财富来源。 1、传统制造业生产和技术的特点 1）单件：小作坊式生产 + 高度的个人制造技巧， 大量：机械化刚性规模生产 + 一体化的组织生产 模式，再加细化的专业分工。 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，即制造 全过程中某一段环节的技术方法。 4）制造技术一般只能控制生产过程中的物质流和能量流。 5）制造技术与制造生产管理的分离。2、现代制造业及其技术的发展 1）在制造的生产规模上，少品种大批量单件小批量多品种变批量的发展。 2）生产方式上，劳动密集型设备密集型信息密集型知识密集型变化。 3）制造装备的发展过程，手工机械化单机自动化刚性自动线柔性自动线智能自动化。 4）在制造技术和工艺方法上，现代制造在发展中，其特征表现为： 重视必不可少的辅助工序，如加工前后处理。 重视工艺装备，使制造技术成为集工艺方法、工艺装备 和工艺材料为一体的成套技术。 重视物流、检验、包装及储藏，使制造技术成为覆盖加工全过程的综合技术。 不断吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果，形成 CAD、CAM、CAPP、CAE、NC、CNC、MIS、FMS、CIMS、IMT、IMS等一系列现代制造技术，并实现上述技术的局部或系统集成，形成从单机到自动生产线等不同档次的自动化制造系统。 5）引入工业工程和并行工程概念，引入先进的管理模式。1.1.2 先进制造技术的定义先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology，AMT)是一个相对的、动态的概念，是为了适应时代要求，提高竞争能力，对制造技术不断优化所形成的。虽然目前对先进制造技术仍没有一个明确的、一致的定义，但经过对其内涵和特征的分析研究，可以将其定义为：“先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力并取得理想经济效果的制造技术总称。” 1.1.3 先进制造技术的特点1. 系统性 2. 集成性 3. 广泛性 4. 高精度 5. 实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产 1.2 先进制造技术的构成及分类 1.2.1 先进制造技术的构成 先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有着不同的技术内涵。对我国而言，它是一个多层次的技术群。先进制造技术的内涵、层次及其技术构成如图1-1所示。图中从内层到外层分别为基础技术、新型单元技术和集成技术，下面将分别论述。 1. 基础技术图1-1的最内层是优质、高效、低耗、少或无污染(清洁)的基础制造技术。铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术，这些基础工艺经过优化而形成的基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分。这些基础技术主要有精密下料、精密成型、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、无氧化热处理、气体保护焊及埋弧焊、功能性防护涂层等。 2. 新型单元技术中间层是新型的先进制造单元技术。它是在市场需求及新兴产业的带动下，将制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新的制造技术，如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、先进技术基础方法、清洁生产技术、新材料成型与加工技术、激光等特种加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。 3. 集成技术最外层是先进制造集成技术。它是应用信息、计算机和系统管理技术对上述两个层次的技术局部或系统集成而形成的先进制造技术的高级阶段，如FMS、CIMS、IMS等。国际上，美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组在1994年提出将先进制造技术分为三个技术群：主体技术群；支撑技术群；制造技术环境。这三个技术群相互联系、相互促进，组成一个完整的体系。表1-1给出了先进制造技术的体系结构。 1.2.2 先进制造技术的分类1. 现代设计技术现代设计技术是根据产品功能要求，应用现代技术和科学知识，制定方案并使方案付诸实施的技术。它是一门多学科、多专业相互交叉的综合性很强的基础技术。现代设计技术所包含的内容有： (1) 现代设计方法。现代设计方法包括产品动态分析和设计、摩擦学设计、防蚀设计、可靠性和可维护性及安全设计、优化设计及智能设计等。(2) 设计自动化技术。设计自动化技术指应用计算机技术进行产品造型和工艺设计、工程分析计算与模拟仿真、多变量动态优化，从而达到整体最优功能目标，实现设计自动化。(3) 工业设计技术。工业设计技术指开展机械产品色彩设计和中国民族特色与世界流派相结合的造型设计，增强产品的国际竞争力。 2. 先进制造工艺现代制造工艺技术包括精密和超精密加工技术、精密成型技术以及特种加工技术等。(1) 精密和超精密加工技术。精密、超精密加工技术采用去除加工(精密切削、磨削、研磨等)、结合加工(离子镀、晶体生长、激光焊接、快速成型等)、变形加工(精锻、精铸等)等加工方法，使工件的尺寸、表面性能达到极高的精度。现在的精密、超精密加工已经向纳米技术发展。 (2) 精密成型技术。精密成型技术是生产局部或全部、无余量或少余量半成品的工艺方法的统称，包括精密凝聚成型技术、精密塑性加工技术、粉末材料构件精密成型技术、精密焊接技术及复合成型技术等。其目的在于使成型的制品达到或接近成品形状的尺寸，并达到提高质量、缩短制造周期和降低成本的效果；其发展方向是精密化、高效化、强韧化和轻量化。 (3) 特种加工技术。特种加工技术是指那些不属于常规加工范畴的加工，如高能束流(电子束、离子束、激光束)加工、电加工(电解和电火花加工)、超声波加工、高压水加工以及多种能源的组合加工等。特种加工技术因其各自的独特性能而在机械、电子、化工、轻工、航空、建筑、国防等行业以及材料、能源和信息等领域得到了广泛的应用。(4) 表面改性、制膜和涂层技术。表面改性、制膜和涂层技术是采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合技术对产品表面进行改性、制膜和涂层，赋予产品耐磨、耐蚀、耐(隔)热、抗疲劳、耐辐射以及光、热、磁、电等特殊功能，从而提高产品质量、延长使用寿命和赋予新性能的新技术的统称，是表面工程的重要组成部分。 3. 自动化技术制造自动化是指用机电设备取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。其目的在于减轻劳动强度，提高生产效率，减少在制品数量，节省能源消耗以及降低生产成本。自动化技术主要包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技术、传感技术、自动检测及信号识别技术和过程设备工况监测与控制技术等。 4. 系统管理技术系统管理技术是指企业在市场开发、产品设计、生产制造、质量控制到销售服务等一系列的生产经营活动中，为了使制造资源(材料、设备、能源、技术、信息以及人力)得到总体配置优化和充分利用，使企业的综合效益(质量、成本、交货期)得到提高而采取的各种计划、组织、控制及协调的方法和技术的总称。它是现代制造技术体系中的重要组成部分，对企业的最终效益提高起着重要的作用。系统管理技术包括工程管理、质量管理、管理信息系统等，以及现代制造模式(如精益生产、CIMS、敏捷制造、智能制造等)、集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。 1.3 先进制造技术的现状及发展趋势 1.3.1 世界制造业现状 1. 美国制造业的竞争策略制造业是美国经济的主要支柱，美国财富的68%来源于制造业。1991年9月，在由美国总统办公厅指定的国家关键技术委员会向总统提出的双年度报告中，认定制造领域的国家关键技术包括：(1) 柔性计算机集成制造；(2) 智能加工设备；(3) 微米级和毫微米级制造；(4) 系统管理技术。 1992年国家关键技术委员会又提出将先进制造技术作为国家关键技术。近几年来，美国政府所采取的主要措施有：(1) 1994年从财政年度预算中拨款14亿美元支持先进制造技术研究开发；(2) 先进技术计划(ATP)1992年已有60个项目获得资助；(3) 实施小企业革新研究计划(SBTR)；(4) 实施工程研究中心建设计划(ERC)；(5) 实施战略制造计划(STRATMAN)；(6) 实施有益于环境的制造计划；(7) 实施制造科学与技术计划；(8) 建立航空航天、电子、机床等领域的敏捷制造研究中心；(9) 在一些大学设置制造工程系、专业、研究中心或实验室；(10)在美国科学基金会中，制造工程与科学在工程领域列为 独立学科，以强化对其的支持。 分析美国在先进制造技术基础领域的研究现状，其发展趋势大致如下：(1) 面对大制造业，用户需求启动研究。 (2) 在制造业和制造技术较为发达的基础上，注重制造模式的研究。 (3) CAD普及率达60%以上。 (4) 在传统冷、热成型工艺基础上，发展精度较高的成型工艺技术。(5) 发展特种与复合加工工艺，如高能束加工工艺等。(6) 利用应用软件、传感器和控制系统建造新一代智能化机床和智能化加工单元，通过建模、仿真来优化车、钻、铣、磨、模和注塑成型工艺过程。 (7) 生产准备工作柔性化和柔性工装卡具，近几年成为制造领域的研究热点。(8) 发展少或无污染和可拆卸回收的产品及其制造技术。(9) 不少大学工学院多年来设置有技术与管理相结合的工业工程科系。近些年，在大学工学院设置制造工程学科、中心、实验室的数目不断增加。(10) 国家科学基金资助指南中，制造工程与科学在工程领域列为独立学科，与机械和结构学科分立，强化对制造技术基础与应用基础研究的支持。 2. 日本制造业的发展对策美国曾以福特方法赢得全世界制造技术的优势。而日本人却在福特方法的基础上，不断更新技术以适应市场需求。在20世纪70年代，日本汽车大举进入美国市场，以其价廉质优和多品种将美国三大汽车公司推向倒闭的边缘。在1990年，仅日本FANUC公司生产的数控系统装置数量就占世界市场的一半总体来讲，IMS的研究包括三个方面：(1) 将目前各国、各企业掌握的制造技术系统化，包括产品设计技术和产品加工、装配技术等。(2) 将现有技术及将要开发的技术标准化，包括制造数据的压缩、传递与储存的标准化以及物流管理技术的标准化。(3) 面向21世纪的先进制造系统的研究开发，包括系统管理技术，设计、加工和装配技术以及制造系统体系结构。 3. 前欧共体ESPRIT计划和BRITE-EURAM计划前欧共体支持先进制造技术开发的主要有关计划是ESPRIT计划和BRITE-EURAM计划。ESPRIT计划主要资助微电子、软件工程和信息处理系统、计算机集成制造等方面的研究。BRITE-EURAM计划主要资助材料、制造加工和设计以及复杂工厂系统等方面的研究。上述前欧共体的这种大型国家级研究项目参加者除大企业外还有小企业和大学，参加单位多，研究工作显得分散。 4. 韩国G7计划韩国于1991年提出实施“高级先进技术国家计划”，即G7计划。G7计划中的“先进制造系统”项目是一个将市场需求、设计、制造和分销集成在一起的系统，旨在改进产品质量，提高生产率，增加国际竞争力，使韩国制造技术达到世界先进水平。该项目由韩国国家机构科技部负责，总投资额为5.95亿美元，其中政府资助2.77亿美元。 上述“先进制造系统”项目的内涵为：(1) 共性基础技术：开放式集成系统(包括设计自动化、并行工程等）；标准和性能评估。(2) 下一代加工系统：加工设备开发(包括5轴加工中心、超精非球面加工中心等）；机械技术(包括高性能主轴、高精度加工和测量等)；运营技术；集成技术。(3) 电子产品的装配和检验系统：下一代印刷线路装配和检验系统；用于装配和制造系统的高性能机械机构；先进装配用基础技术(包括精密装配、无焊料结合等）。 1.3.2 先进制造技术在我国的发展1. 我国制造业相对优势与先进制造技术的发展(1) 我国制造技术经建国以来50余年的发展已形成较完整的技术体系，为国民经济发展所需各类机械产品的制造提供基本的工艺技术，已能生产机床、汽车、轮船、飞机、大型发电机组等工业装备及民用消费类制造产品。(2) 通过对引进技术的消化吸收和对企业现有技术的深化改造，不少企业已经掌握了一批相对先进的制造技术和管理方法，不少产品已成功地打入国际市场。 (3) 在制造技术基础研究的许多方面我国已具有很高水平，制造学科已发展成为一个重要的支柱学科。近百所高等工科院校设有机械制造、机电一体化等相关专业；国家有关部委也设有制造工艺与技术研究所；20世纪80年代中期，国家设立了国家自然科学基金委员会，建立了机械强度与振动、摩擦学、流体传动与控制、激光、模具、焊接、测试与精密仪器、精密成型、汽车、超精密加工等国家重点实验室或工程中心。 (4) 在“九五”计划的实施中，国家科学技术部的“国家科技攻关计划”、“国家高新技术研究发展计划”、“国家基础研究重大项目计划(攀登计划预选项目)”都列入有关项目并付诸实施，其中“精密成型与加工研究开发和应用示范”、“金属材料热成型过程动态模拟及组织性能质量优化控制”、“CIMS” 以及“智能机器人”等项目已全面实施。(5) 国家计委也十分重视先进制造技术的发展，在“九五” 期间实施了一批发展先进制造技术的项目，如数控系统及装备研究、自动测试系统及设备技术研究、现场总线研究、智能化仪表研究、传感器技术研究、30万辆轿车规模生产关键技术及装备研究等。 (6) 先进制造技术应用情况。 1993年国家科委组织实施“CAD应用工程”，原机械部又将1997年定为CAD推广年，现在机械工业系统的骨干企业中CAD应用的普及率达到35，但绝大多数只是“甩图板”。 1958年开始研制数控机床，到20世纪80年代通过引进、消化、吸收国外成熟技术开发出具有自主知识产权的数控系统；到80年代中期，已开始引进和自行研制柔性制造系统，数控机床的生产也实现了产业化。但在金属切削机床总产量中，数控化率只有5%左右。 我国在20世纪70年代中期研制成功了直接数控(群控)系统并应用于生产，现在已拥有柔性制造系统和柔性制造单元等自动化制造系统。北京第一机床厂的CIMS工程于1994年初步建成，并于1995年获得美国制造工程师学会和计算机与自动化系统专业学会(CASA/SME)的CIMS应用工业的称号。在此之前，1994年清华大学获得CASA/SME的CIMS大学领先奖。 我国在20世纪80年代末就注意引进先进管理模式。沈阳鼓风机厂很早就采用了国际商用机器公司(IBM)的“面向通信的生产信息和控制系统”(Communication Oriented Production Information and Control System，COPICS)，第一汽车集团公司在生产管理中引进了日本的“准时生产”(JIT)模式。据有关资料报导，我国企业已先后投入大约80亿元购买了MRP软件来建立现代生产管理系统或MIS系统。 2. 我国机械制造业的差距与发展目标我国机械制造业的差距(1) 产品品种少、档次低。(2) 制造工艺落后，装备陈旧。 (3) 生产专业化水平低。 (4) 管理技术落后。 鉴于目前机械工业的状况，围绕发展先进制造技术，我国制定了机械工业发展目标：(1) 2000年，产品设计、精密和超精密加工、激光加工、表面改性、制膜和涂层、制造业和过程工业综合自动化以及系统管理技术，总体上达到工业先进国家20世纪80年代末90年代初的水平。(2) 我国的优质、高效、低耗、少或无污染的现代制造技术普及率在2000年由目前的不足10%提高到20%，预计在2010年提高到50%。 (3) 形成一批高科技产业：四个加工产业（精密成型加工、精密加工、激光加工、表面处理加工）；三个自动化硬件产业(数控系统、工业机器人、传感器和测试设备）；三个软件产业(CAD、CAM、MIS）。到2000年，大型企业普遍采用CAD技术和计算机辅助管理技术；预计到2010年，大、中型企业普遍采用CAD，25%的大、中型企业采用CAM，大、中型企业主要产品的关键工序实现柔性化生产。 1.3.3 先进制造技术的发展趋势 当前先进制造技术的发展方向大致有以下九个方面：(1) 信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式将得到不断发展；(2) 设计技术与手段更现代化；(3) 成型及制造技术精密化，制造过程实现低消耗；(4) 形成新型特种加工方法；(5) 开发新一代超精密、超高速制造装备；(6) 加工工艺由技艺型发展为工程科学型；(7) 实施无污染绿色制造；(8) 虚拟现实技术将在制造业中广泛应用；(9) 制造过程中将贯彻以人为本的概念。 三、发展趋势1、集合多学科成果形成一个完整的制造体；2、先进制造技术的动态发展过程；3、信息技术对先进制造技术的发展起着越来越 重要的作用；4、先进制造技术向超精微细领域扩展；5、制造过程的集成化；6、制造科学与制造技术、生产管理的融合7、绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征（1）绿色产品设计技术（2）绿色制造技术。（3）产品的回收和循环再制造8、虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的 应用 （Virtual Reality Technology）9、制造全球化 （Manufacturing Glo