先进制造技术-第一章50

先进制造技术AdvancedManufacturingTechnology,机械工程学院周忆2010.11,课程介绍,先进制造技术概论先进制造技术的提出、构成、特点等先进制造加工技术精密与超精密加工技术超高速加工技术制造自动化技术微机械及其微细加工技术先进制造新概念先进制造模式、制造理念,学习方式课堂讲授讲授重点、难点自学课程内容50自学实践环节收集资料并自选题目演讲、讨论考核方法考试或小论文,课程介绍,教材和参考文献,参考教材王润孝主编.先进制造技术导论.科学出版社，2004年参考文献1张根保等.先进制造技术.重庆大学出版社，19962MikellP.Groover.FundamentalsofModernManufacturing.JOHNWILEY&SONS,INC.20023屈贤民主编.先进制造技术.机械工业出版社，20004其它有关先进制造技术的文献资料,第一章绪论,1.1有关制造的几个基本概念1.2制造业的发展及其在国民经济中的地位1.3先进制造技术的内涵和特点,狭义：生产过程中从原材料成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）。,广义：制造=生产,CIRP（国际生产工程学会1990年）定义：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。,生产与制造,制造：人类所有经济活动的基石，人类历史发展和文明进步的动力。,1.1有关制造的几个基本概念,生产的定义,从系统的观点，生产可以定义为将生产要素转变成生产财富并创造效益的输入输出系统。,制造技术,在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术。,制造业和制造系统,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。如机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等,制造系统是制造业的基本组成实体,第一、二、三产业的划分,制造系统结构,制造系统特性,结构特性制造系统可视为若干硬件的集合体。为使硬件充分发挥效能，必须有软件支持。,转变特性,研究制造系统转变特性，主要从技术角度出发，如何使转变过程更有效进行。,制造系统特性,汽车生产物流示意图,程序特性,程序一系列按时间和逻辑安排的步骤,研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使生产活动达到最佳化。,制造系统特性,制造系统的物质流与信息流,制造业创造了人类,1）人从猿进化而来,人猿分离,是由于人学会双足行走和用手制造并使用工具。2）中国的元谋人（170万年前的南方古猿）、非洲人早在160万年前即开始用火，石料开采和加工，形成了原始制造业。饮食改善促进了脑的发展。200万年前的猿人脑容量约为700毫升，100万年前的直立人脑容量约为1000毫升，50万年前增加到1200毫升，1929年发现的57万年前的北京（直立）猿人为1050毫升，而现代人的脑容量平均为1450毫升，现代人的大脑皮层褶皱面积为1700-2200平方厘米，是黑猩猩的3倍。3）恩格斯指出：“直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。动物所做到的最多是收集,而人则从事生产。”,1.2制造业的发展及其在国民经济中的地位,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,制造业发展的历史,制造业在国民经济中的地位,制造业是产业革命的主力军,第一次产业革命：1733-18781）又称为：蒸汽革命。2）产业革命的标志：瓦特发明的蒸汽机。3）英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明4）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：1879-19451）又称为：电气革命。2）产业革命的标志：电灯（爱迪生）、电话（贝尔）、电机（西门子）等电气化产品。3）制造业肇始了电的应用，而后才有麦克斯韦电动力学理论的诞生。4）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。5）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。,制造业在国民经济中的地位,制造业是产业革命的主力军,第三次产业革命：1945-19721）又称为：电子（原子）革命。2）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。3）微电子制造技术开创了全新的信息时代。,制造业在国民经济中的地位,制造业是产业革命的主力军,1946年2月15日，世界上第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”（ENIAC）研制成功。由美国工程师莫奇负责。“埃尼阿克”共使用了18000个电子管，另加1500个继电器以及其它器件，其总体积约90立方米，重达30吨，占地170平方米。,第四次产业革命：1973-1）又称为：高新技术产业革命。2）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。3）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。,制造业在国民经济中的地位,制造业是产业革命的主力军,制造业是国民经济的支柱产业国民经济总收入的60%以上来自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。,2001年中国工程院的调查:1）中国制造业占国民生产总值的1/32）占整个工业生产的4/53）为国家财政提供1/3以上的收入4）贡献出口总额的90%5）就业人员8043万,制造业在国民经济中的地位,2007年世界制造业增加值（MVA）份额（注：按2000年不变价格估算）,制造业是国民经济各部门的装备部,制造业在国民经济中的地位,制造业面临的竞争和挑战,知识-技术-产品更新的周期更短,波音各种机型研制交付周期比较,制造业面临的竞争和挑战,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严重环保意识、绿色制造呼声更强,制造业面临的竞争和挑战,生产批量的变化,制造业面临的竞争和挑战,制造业市场竞争的新特点,“要素”的变化,“中心”的变化,制造业市场竞争的新特点,“市场影响因素”的变化,Pine和B.JosephII“MassCustomization,TheNewFrontierinBusinessCompetition.”Boston:HarvardBusinessSchoolPress,制造业市场竞争的新特点,先进制造技术的产生背景,先进制造技术首先由美国于20世纪80年代末提出20世纪70年代，一批美国学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”，认为制造业是“夕阳工业”，主张经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业结果：导致美国在经济上竞争力下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。（20世纪60年代美国汽车产量占世界汽车总产量的2/3，而到了80年代下降到不足1/3）,1.3先进制造技术的内涵和特点,多轴数控机床改进核潜艇性能,先进制造技术的产生背景,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。1988年，美国政府投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究,并于其后不久提出了“先进制造技术”发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划（ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）”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。,先进制造技术的产生背景,先进制造技术计划（ATP）,由美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）提出，1994年度预算为14亿美元ATP目标:为美国人提供更多高技术、高工资就业机会，促进美国经济增长；提高能源效益，减少污染，创造更加清洁的环境；使美国私人制造业在世界市场上更具有竞争力，保持美国的竞争地位；使教育系统对每个学生进行更富有挑战性的教育；鼓励科技界把确保国家安全和提高全民生活质量作为核心目标。,先进制造技术的产生背景,又称“合作伙伴计划”，由美国国家标准与技术研究院（NIST）牵头目标：面向35万家中小企业(他们不像大企业有自己的开发能力，且资金不足)，在技术拥有者（通常为政府的研究机构、国家实验室、大学）与需要这些技术的中小企业之间建立合作的桥梁，使中小企业掌握先进制造技术，或使他们具有识别、选择适用于自己企业的先进制造技术的能力方法：一个地区设立一个中心（至95年已建立了30个中心），为中小企业展示新的制造技术和设备，并进行培训，帮助他们选用经费：国会拨款,制造技术中心计划（MTC）,先进制造技术的产生背景,汽车2mm工程，使轿车车身精度达到丰田水平1994年，美国汽车产量重新超过日本，重新占领欧、美市场美国Inter公司成为世界最大的芯片制造商（在此之前芯片生产也不敌日本，包括海湾战争中大出风头的“爱国者”导弹上使用的芯片也是日本制造的）20世纪90年代，经济持续增长，失业率降低到历史最低水平提出了一系列先进制造技术的新理论、新思想。如：CE，LP，AM，,ATP&MTC效果显著,先进制造技术的产生背景,AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，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，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。要点：目标是提高制造企业对市场的适应能力和竞争力强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用,先进制造技术的定义,先进制造技术的定义和体系结构,先进制造技术的定义和体系结构,1.3.2AMT定义和体系结构,第二个层次是新型的制造单元技术。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、CADCAM、清洁生产技术、新材料成形加工技术、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。,第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。包括精密下料、精密塑性成形、精密铸造、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、精密热处理、优质高效连接技术、功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术、各种现代管理技术。,第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造技术等。,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,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,先进制造技术的学科内容,先进制造工艺技术精密、超精密加工技术精密加工：精度为30.3mRa0.30.03m超精密加工：精度为0.30.03mRa0.30.005m纳米加工：精度高于0.03mRa小于0.30.005m,精密成型制造技术从制造工件的毛坯、从接近零件形状向直接制成工件的方向发展特种加工技术高能束流加工（电子束、离子束、激光束）电加工（电解和电火花)超声波加工高压水加工多种能源的组合加工,先进制造技术的学科内容,制造自动化技术数控技术数控装置进给系统主轴系统NC程序编制工业机器人机器人操作机控制系统传感器生产线总线控制,柔性制造系统加工系统物流系统调度与控制故障诊断自动检测与信号识别技术信号识别数据获取数据处理特征提取与识别过程设备工况监测与控制过程监视系统在线反馈质量控制,先进制造技术的学科内容,先进制造系统先进制造生产模式计算机集成制造系统CIMS敏捷制造系统AMS智能制造系统IMS精良生产LP并行工程CE集成管理技术企业资源管理ERP基于作业的成本管理ABC现代质量保障体系生产率工程制造资源快速有效集成,生产组织方法虚拟公司理论与组织企业组织结构的变革以人为本的团队建设企业重组工程,先进制造技术的学科内容,AMT是一项综合性技术AMT不是一项具体的技术，而是利用系统工程思想和方法将各种相关技术集合成一个整体，它特别强调计算机技术、信息技术和现代管理技术在整个制造过程中的综合应用，特别强调人的主体作用，强调人、技术、管理的有机结合。,AMT是一项动态技术AMT没有一个固定的模式，它要与企业的具体情况相结合。同时AMT也不是一成不变的，而是动态发展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，并将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程，使其不断趋于完善。,AMT特征,先进制造技术的特征和发展趋势,1、集合多学科成果形成一个完整的制造体系传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术、先进的管理科学2、先进制造技术的动态发展过程不断地吸收各种高新技术逐渐形成，不同时期、不同区域有各自的重点和内容。3、信息技术对先进制造技术的发展作用越来越重要。CIMS、CE、AM、虚拟企业、虚拟制造；4、向超精微细领域扩展微型机械，纳米测量、微米/纳米加工制造；,精密化柔性化网络化虚拟化智能化清洁化集成化全球化,先进制造技术的特征和发展趋势,5、制造过程集成化产品的设计、加工、检测、物流、装配过程一体化。CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM/ERP集成精密成形工艺6、制造科学与制造技术、生产管理的融合制造科学是制造系统和制造过程知识的系统描述。数字描述、仿真、优化、设计理论和方法、运动学、动力学、结构强度、摩擦学制造