先进制造技术概论47

学习内容,先进制造技术相关概念先进制造技术的发展和趋势先进制造技术内涵和体系结构,一、概念制造制造技术制造过程制造系统制造业,1.1制造、制造系统和制造业,制造是一种有特定目标的技术经济活动；是人们从市场需求出发，运用主观掌握的科学知识、实践经验和技能，在遵循自然规律的基础上，综合技术、经济、环境和人的因素，借助于可以利用的物质工具或手工，采用有效的技能、手段和方法，耗费一定的能源、资源和时间，将原材料转化为最终物质产品并投放市场以适应和满足社会需要的复杂过程。,制造技术（ManufacturingTechnology)按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物资工具，将原材料转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。,制造系统是指由制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员组成的一个具有特定功能的有机整体。,生产企业通常分为三大类别：第一产业：直接利用自然资源的种植业、养殖业和采矿业。第二产业：将第一产业生产的原料转化为产品的企业。制造业属于第二产业除了能源工业和建筑业以外的其他行业均视为制造业（将原材料转化为产品的过程，即生产车间的加工和装配过程。）第三产业：金融、服务行业。,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。,二、制造业的地位机械制造业是国民经济的基础产业,它的发展直接影响到国民经济各部门的发展,也影响到国计民生和国防力量的加强,因此,各国都把机械制造业的发展放在首要位置。随着机械产品国际市场竞争的日益加剧,各大公司都把高新技术注入机械产品的开发中,作为竞争取胜的重要手段。,制造业是现代国民经济的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国民生产总值的2055，在一个国家的工业生产力构成中制造技术的作用一般占60左右。制造业吸纳的劳动力比例很高，尤其在工业化国家中，从事各种形式的制造活动的人口约占总人口的l4。我国从事制造业的人数预计到2050年将增加到17亿。制造业为国民经济各部门提供所需的各种装备，为科学事业和教育事业的发展提供重要的财力、物力支撑。世界上各个国家经济的竞争，主要是制造业的竞争。一个国家如果制造业发达，它的经济就强大。,1.2先进制造技术发展史,纵观近两百年制造业的发展历程，影响其发展最主要的因素是技术的推动和人类需求的牵引。科学技术的每次重大进展都推动了制造技术的发展，而人类的需求不断增长和变化，也促进了制造技术的不断进步。,自18世纪以来，制造技术的发展经历了以下5个阶段：(1)18世纪后半叶，以蒸汽机和工具机的发明为特征的产业革命促成了工场式生产方式的出现，标志着制造业从手工业作坊生产到以机械加工和分工原则为中心的工厂生产转变的完成。(2)19世纪电气技术的发展开辟了电气化的新时代，实现了制造技术的批量化生产和工业化规范生产的新局面，制造业得到了飞速发展。(3)20世纪初、内燃机的发明，引起了制造业的革命，流水生产线和泰勒式工作制及其科学管理方法得到了应用。特别是第二次世界大战期间，以降低成本为目的的刚性、大批量自动化制造技术和科学管理方式得到很大发展。,(4)自第二次世界大战之后到20世纪70年代，计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速发展推动了生产方式由大、中批量生产自动化向多品种小批量柔性生产自动化转变。在此期间，形成了一系列新型的柔性制造技术，如数控技术(NC)、计算机数控(CNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)等。同时一些现代生产管理模式，如准时制生产(JIT)、全面质量管理(TQM)开始应用于生产，以提高企业的效益。,(5)自20世纪80年代以来，随着计算机及其应用技术的迅速发展，促进了制造业中各种单元自动化技术逐渐成熟和完善，如计算机辅助设计与制造(CADCAM)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助检测(CAT)；在经营管理领域内的物料需求计划(MRP)、制造资源规划(MRP)、企业资源规划(ERP)等；在加工制造领域内的直接或分布式数控(DNC)、计算机数控(CNC)、柔性制造单元系统(FMCFMS)、工业机器人(ROBET)等。同时，体现新的制造模式的计算机集成制造系统(CIMS)、并行工程(CE)以及精益生产(LP)得到了应用和推广，通过各项单元技术资源的集成应用，获取综合效益，并引发了企业组织机构和运行模式的显著变革，使得制造业在资源配置、生产效益等方面都获得了极大的进展。各种先进的集成化、智能化加工技术和装备也有较大发展，如虚拟轴机床、可重构机床；精密铸造、精密锻造、精密焊接技术与装备；微制造技术与设备，快速成型技术与系统；激光加工技术与装备等。,现代制造及其技术的形成和发展特点是：在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量一少品种大批量多品种变批量”的方向发展；在科技高速发展的推动下，制造业的资源配置沿着“劳动密集一设备密集一信息密集一知识密集”的方向发展；与之相适应，制造技术的生产方式沿着“手工一机械化一单机自动化一柔性自动化智能自动化”,“精”是关键，“极”是焦点，“文”是新义，“数”是核心，“自”是条件，“集”是方法，“网”是道路，“智”是前景，“绿”是必然，“快”是动力，“省”是原则，“效”是追求。这12点实质上指的就是产品、制造方法、制造过程3个不同的方面：“精”的精确化，“极”的极端条件，“文”的人文化，是对产品本身而言；“数”的数字化，“自”的自动化，“集”的集成化，“网”的网络化，“智”的智能化，是对所采用的制造方法而言；而“绿”的绿色，“快”的速度，“省”的节省，“效”的高效，是对制造过程而言。当然，源头决定了活水，活水决定了清渠，而制造方法、制造过程与产品彼此之间是有相互影响的。,1.2.2先进制造技术的发展趋势,“精”是发展的关键精确化加工精度精密化人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级；操作尺度细微化基因操作机械，其移动距离为纳米级，移动精度为0.1纳米级物理性能精确化物理性能、力学性能、化学性能、生化性能等等控制要求纳米化,电子制造中高精度：控制趋于纳米级加工趋于亚纳米级超微细：芯片线宽100nm运动副间隙12nm高加速度：封装运动12g高可靠性：芯片千小时失效率1/109超精密加工20世纪初：10微米30年代：1微米50年代：0.1微米70-80年代：0.01微米目前：0.001微米（纳米加工）,“极”是发展的焦点极端、极限几何形体上，极大、极小、极厚、极薄、极平、极柔、极圆、极方、奇形怪状；在物理性能上，极高硬度、极高塑性、极大弹性、极大脆性、极强磁性、极强辐射性、极强腐蚀性；MEMS（Micro-Electro-Mechanical_System)技术和产品是典型极端、极限技术和产品。,关于微电子芯片制造1.巨大的投资建一座生产1000兆位存储器的芯片制造厂，需要投资150亿美元2.当前的芯片制造设备（1）超净：尘埃颗粒直径0.1微米颗粒数0.1个/立方英尺空气（2）超纯：有害杂质含量达到ppb（十亿分之一）（3）超精加工：钠米级我国的“龙芯”。日本日立公司（2006）报导：集成电路小如尘粒.长、宽150m，厚7.5m,2002年原子级纳米“晶体管”（电极相距1nm）2003年世界最小的电动机纳米电动机（直径500nm）量子计算机基本电路（1/500mm，近K工作）2004年能停或暂停的分子马达用核磁共振观测到单个电子2005年超大容量纳米级信息存储材料2006年世界最小的发电机纳米发电机,将一个铁原子与一个氧化碳分子结合形成一个铁羟基分子的过程。,美国波士顿大学的化学家制备出世界上最小的马达，该分子马达由78个原子构成,纳米发电机,“文”是发展的新义人文化工业产品，“实用”，物质层面；艺术产品，（人文）文化含量高，“物美”，精神层面，环境协调，爽心悦目，经得起“看”，经得起“想”“工业设计”制造过程、制造方法“文明化”生产。,“绿”是发展的必然绿色“天人合一”与“无为”；“保护环境，就是保护生产力；改善环境，就是发展生产力”江泽民制造各阶段都必须充分计及环境保护：自然环境，社会环境、生产环境、生产者的身心健康；制造必然要走向“绿色”制造，这是实现国民经济可持续发展的重要条件。纲要制造业发展思路有三，其一就是“积极发展绿色制造”.,“快”是发展的动力快速对市场的快速响应对生产的快速重组生产模式：高度柔性与高度敏捷性推动着制造技术的进步与制造方法的发展,“省”是发展的原则节省市场经济必然的要求制造过程必须节省、节约、节俭制造过程的优化制造资源的优化配置,“效”是发展的追求高效、高生产率个性化大生产、大规模定制快速响应市场需求的应有推论与含义生产效率提高生产力发展社会进步高效、低耗、无污染,“数”是发展的核心数字化“信息化”的核心是“数字化”数字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、发展与应用的结果数字化设计、数字化控制、数字化管理以及贯穿始终的“虚拟”技术数字化技术必将导致制造技术的重大发展与变革,“自”是发展的条件自动化自动化是强化、延伸甚至取代人劳动（体力、脑力）的技术或手段自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高水平的自动化1990-2000：加工过程效率20倍管理效率1.8-2.2倍设计效率1.2倍CAX技术脑力劳动自动化。制造业中CNC的重大基础作用。,“集”是发展的方法集成化技术集成、管理集成、技术与管理集成本质：知识和信息集成，集成也包含了“交叉”现代制造科学技术的发展离不开“集成”和“交叉”CIMS，从实际情况与发展前景来看，整个产品的生产确系一个计算机集成生产系统，而且与网络化不可分割。,“网”是发展的道路网络化现代新型制造模式实施的基础设施，现代制造企业生产活动必不可少运行环境网络化既是制造企业信息化、集成化的基础，又是企业信息化、集成化的进一步发展网络化将制造业走向全球化、整体化、有序化,“智”是发展的前景智能化“知识经济”的本质是“智力经济”本世纪核心学科发展的趋势：从信息科学到生命科学（21世纪中叶）转向认知科学（21世纪70年代）制造智能制造系统/单元/装备适应环境变化的能力，处理海量信息、不完整信息、不确定信息、错误信息的能力，自诊断、自修复能力，自组织、自重构能力，主动协调和协同能力，非逻辑处理能力等。智能化各行各业发展的趋向，如：智能计算机、智能车辆、智能机器、智能仪表、智能控制、智能材料，甚至智能大厦等。网络化的实质是走向智能化,1.3先进制造技术的内涵和体系结构,先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology，AMT)定义：“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的制造技术的总称。”,1.3.2先进制造技术的特点,1）先进性先进制造技术的核心和基础是经过优化的先进工艺（优质、高效、低耗、清洁工艺），它们从传统制造工艺发展起来，并与代表着时代发展水平的新技术相结合，两者实现局部或系统的集成，即保留了过去制造技术中的有效要素，又吸收了各种高新技术的最新成果。2）广泛性（1）先进制造技术是由制造技术、信息技术、计算机技术、设计技术、自动化技术、系统管理技术等各方面的技术组成；（2）先进制造技术不只是针对在制造全过程的某一环节，而是将其综合运用于制造的全过程，它覆盖了产品设计、生产设备、加工制造、销售使用、维修服务，甚至回收再生的整个过程。,3）实用性先进制造技术是顺应制造业的需求而发展起来的一项面向工业应用的新技术，讲究实用性，有明确的需求导向，它的目的是提高企业对多变市场环境的适应能力和竞争能力，它的发展不是以追求技术本身的高新程度为目的，而是针对制造业中某一个具体的制造目标（如汽车制造、电子工业）的需求。先进制造技术不是只在研究机构中“绕圈子”，而是注重在工业企业中推广应用并产生最好的实效。为了获得实效，先进制造技术常常是将许多单项的技术组合成有效的制造模式，通过制造资源的集成来获取生产的有效性，获得产品最好的实际效果，提高产品、企业，以及行业的综合经济效益和社会效益。,4）集成性先进制造技术由于专业、学科间的不断渗透、交叉、融合，界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科，因此可以称其为“制造工程”。5）系统性传统技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流，随着微电子、信息技术的引入，先进制造技术能驾驭信息生成、采集、传递、反馈、调整的信息流动过程。因而先进制造技术成为可以驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。FMS，CIMS技术是先进制造技术全过程控制物质流、信息流和能量流的典型案例。6）动态性它不断地吸收各种高新技术成果，将其渗透到企业生产的所有领域和产品寿命循环的全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。,1.3.3先进制造技术的体系结构,先进制造技术体系图,先进制造技术在不同发展水平的同家和同一国家的不同发展阶段，有着不同的技术内涵，对我国面言，它是一个多层次的技术群。先进制造技术的构成如图所示，图中从内层到外层分别为基础技术、新型单元技术、集成技术，下面将分别论述。1)基础技术第一层次是优质、高效、低耗、少或无污染的基础制造技术。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、精密成形、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)新型单元技术第二层次是新型单元技术。它是在市场需求及新兴产业的带动下，将基础制造技术与电子、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相结合而形成的崭新的制造技术。如制造业自动化单元技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、现代设计基础与方法、清洁生产技术、新材料成形与加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。,3)集成技术第三层次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，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的先进制造技术的高级阶段，如FMS、CIMS、IMS虚拟技术等。以上三个层次都是先进制造技术的组成部分，但其中每一个层次都不等于先进制造技术的全部。,先进制造技术的分类,1.现代设计技术现代设计方法。包括有模块化设计、系统化设计、价值工程、模糊设计、面向对象的设计、反求工程、并行设计、绿色设计、工业设计等。设计自动化技术。包括产品的造型设计、工艺设计、工程图生成、有限元分析、优化设计、模