先进制造技术导论导论(1)78

先进制造技术导论,第一章先进制造技术概述,学习目标：,理解制造技术的基本概念了解制造业的特点以及面临的挑战掌握先进制造技术的基本体系结构熟悉先进制造技术的发展趋势,重点：先进制造技术的内涵、体系结构及分类,学习内容,1.1制造技术的基本概念与发展概况,（1）制造,1.1.1制造与制造业,狭义：指生产车间内与物流有关的加工和装配过程。,广义：包括市场分析、产品设计、工艺设计、生产准备、加工装配、质量保证、生产过程管理、市场营销、售前售后服务，以及报废后的回收处理等整个产品生命周期内一系列相互联系的生产活动。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,制造是一个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。,国际生产工程学会1990年定义：,1.1制造技术的基本概念与发展概况,（2）制造业,制造业是指将制造资源，包括物料、设备、工具、资金、技术、信息和人力等，通过制造过程转化为可供人们使用和消费的产品的行业。制造业是所有与制造有关的企业群体的总称。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,1996年我国制造业的分类和构成,（1）制造系统,制造系统,人员,制造过程,硬件,软件,产品的经营规划、开发研制、加工制造和控制管理的过程,包括生产设备、工具和材料、能源以及各种辅助装置,制造理论、制造工艺和方法及各种制造信息,1.1.2制造系统与制造技术,1.1制造技术的基本概念与发展概况,1.1制造技术的基本概念与发展概况,制造技术是制造业为国民经济建设和人民生活生产各种必须物资（包括生产资料和消费品）所使用的一切生产技术的总称，是将原材料和其它生产要素经济合理地转化为可直接使用的具有高附加值的成品/半成品和技术服务的技术群。,(2)制造技术,1.1制造技术的基本概念与发展概况,1.1.3制造系统分类,制造系统,人的作用,品种和批量,工艺类型,系统柔性,自动化程度,智能程度,人机一体化,无人化,多品种，小批量,少品种，大批量,连续型,离散型,刚性制造系统,柔性制造系统,手动制造系统,半自动制造系统,自动制造系统,智能制造系统,常规制造系统,1.1制造技术的基本概念与发展概况,人机一体化制造系统：人机结合，充分发挥人的主导作用；系统容易实现，容易受人的情绪影响。,无人化制造系统：追求无人化生产，系统结构复杂，可靠性差，难以实现。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,多品种，小批量制造系统：适合形势发展需求，但要求系统的柔性很大。,少品种，大批量制造系统：曾经对提高生产率，提高质量，降低成本，发挥过重要作用。正在被多品种，小批量制造系统所替代。,连续型制造系统：制造对象呈“连绵不断”状态。,离散型制造系统：制造对象相互分离，制造对象按单个对象进行。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,1.1制造技术的基本概念与发展概况,刚性制造系统：难于适应制造对象的改变，适合少品种，大批量制造。,柔性制造系统：具有较宽的制造对象变化范围，适合多品种，小批量生产。,手动制造系统：设计和制造以普通机床为主，过程主要靠手工，自动化成分很少。,半自动化制造系统：一部分工作由工人完成，一部分工作由机床完成，但在系统的设计和运行方式上与以人为中心的制造系统有本质的区别。,自动制造系统：可以刚性自动化，也可以是人机一体化，也可以是无人化制造系统。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,智能制造系统：将人工智能与自动化集成制造相结合的人机一体化系统。,常规制造系统：与智能制造系统相对而言，常需要人类专家的大量干预。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,1.1.4制造业在国民经济中的地位,制造业为人类的文明创造着辉煌的物质文明。它是一个国家经济发展的支柱，在整个国民经济中一直处于十分重要的地位，是国民经济收入的重要来源。有人将制造业称之为工业经济年代一个国家经济增长的“发动机”。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,在先进的工业化国家中，国民经济总收入的60以上来源于制造业。从就业人口比例来看，约有14的人口从事于制造业，而在非制造业部门中，又有约半数人员的工作性质与制造业密切相关。据美国国家生产力委员会调查，在企业生产力构成中，制造技术的作用约占62。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,1.1.5传统制造业及其技术的发展,1.1制造技术的基本概念与发展概况,二战结束之前的制造技术，可以统称为传统的制造技术,从单件生产方式发展成大量生产方式,用机器代替手工，从作坊形成工厂,柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术,1,2,3,影片,技术核心：机械电力技术,技术特点：单件小作坊+高度的个人制造技巧，大量的机械化刚性规模化生产加一体化的组织生产模式，再加细化的专业分工。制造技术的界限分明及其专业的相互独立。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环节的技术方法。制造技术一般只能控制生产过程中的物质流和能量流。制造技术与制造生产管理的分离。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,1.1.6现代制造及其技术的发展,二战结束之后，进入20世纪下半叶以来，各个国家、各个地区由于发展经济和增强国防的需要，也由于剧烈的市场竞争的刺激，纷纷将传统的制造技术与新发展起来的科技成就相结合，发展了现代制造技术。这些新兴的科技成就主要包括：微电子技术、信息技术与计算机技术；自动化与自动控制技术；人工智能技术；现代设计理论与技术；材料加工、成形的新技术；现代管理科学与技术。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,现代制造技术发展特点：,1.1制造技术的基本概念与发展概况,生产规模：少品种大批量单件小批量多品种变批量,生产方式：劳动密集型设备密集型信息密集型知识密集型变化。,制造装备：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。,制造技术和工艺方法：重视必不可少的辅助工序；重视工艺装备；重视物流、检验、包装及储藏；吸收微电子、计算机和自动化等成果。,引入工业工程和并行工程概念，引入先进的管理模式，使制造技术包含物质流、能量流和信息流。,1.1制造技术的基本概念与发展概况,1.221世纪制造业的主要特点,1.2.121世纪制造业的市场特征,不确定性,市场的国际化和全球化,新兴产业的崛起,市场质的短缺和动态的非均衡,虚拟市场和代理制,1.2.221世纪的产品特征,1.221世纪制造业的主要特点,未来产品的内涵,产品的个性化和多样化,产品寿命周期趋短,智能化,绿色是未来产品的必备特征,1.2.3未来制造型企业的特征,1.221世纪制造业的主要特点,1)满足顾客的个性需求2)工艺、设备和工厂的可重构性3)人力资源是未来企业资源的核心要素4)制造企业全球化特征5)虚拟企业和团队能力建设是核心优势6)企业文化氛围的形成和创新7)本土化是21世纪企业的重要特征,1.2.4我国未来制造业的特点,1.221世纪制造业的主要特点,1.321世纪制造业面临的挑战,1)快速响应市场能力的挑战全部制造环节并行的实现2)打破传统经营所面临的组织、地域和时间壁垒的挑战技术资源的集成3)信息时代的挑战信息向知识的转变,1.3.121世纪制造业面临的挑战,美国国家科学研究委员会对2020年制造业提出了6大挑战：,4)有限的资源和日益增长环保压力的挑战可持续发展5)制造全球化和贸易自由化的挑战可重组工程6)技术创新的挑战全新制造工艺和产品的开发,1.321世纪制造业面临的挑战,（1）我国机械制造业的发展,1.3.2我国机械制造业的发展与差距,1.321世纪制造业面临的挑战,从2002年起，我国机械工业经历了连续三年的超高速增长期，每年工业总产值增长幅度都达到了25%以上，经过“十五”期间的高速发展，我国已成为机械产品生产大国。2001年至2004年机械工业总产值年均增长16.1%,产业规模已达世界机械工业的5%以上，位居世界第五位。,2004年发电产量7137.89万千瓦,为“十五”,2005年目标1700万千瓦的4.2倍，并突破了美国（上世纪80年代）最高年产量4420千瓦的世界纪录。“十五”计划2005年生产数控机床2.5万-3万台，实际执行结果，03年产量36813台，提前2年实现了目标；04年产量51861台，为05年目标产量的1.7倍。“十五”计划2005年生产汽车320万辆，其中轿车110万辆，这个目标提前3年突破，02年汽车和轿车的产量分别为,328.68万辆和110.7万辆；2004年的实际产量分别为507.05万辆和231.63万辆，为“十五”计划2005年的1.58倍和2.1倍。,1.321世纪制造业面临的挑战,（2）我国机械制造业存在的差距,（1）在产业结构上，中国的技术密集型产业明显落后于工业发达的大国，仍停留在以数量换质量的水平。,中国是制造大国，但不是制造强国。,与美、德、日等工业发达大国相比，中国制造业差距至少在15-20年以上。,1,=,20-30万,1.321世纪制造业面临的挑战,1.321世纪制造业面临的挑战,（2）在生产经营规模上，在全球500家最大的工业企业中，美国超过30%，日本占27%，中国迄今还没有一家工业制造企业进入世界500强。（3）在新技术新产品研发能力上，2000年中国研发总投入亿美元，占国内生产总值的，而西门子公司每年的研发投入即达亿美元。(4)企业生产管理技术落后，我国大部分企业的生产管理依旧停留在过去计划经济管理方式上，先进管理模式和手段未能得到实施。,1.4先进制造技术的提出和进展,1.4.1先进制造技术（AMT）的提出,AMT首先由美国于20世纪80年代末提出。,20世纪70年代,20世纪80年代东芝事件,1991白宫,1993硅谷,1.4先进制造技术的提出和进展,1.4.2各国先进制造技术（AMT）的发展,1美国AMT计划,(1)为美国工人创造更多的高技术、高工资的就业机会，促进美国经济增长。(2)不断提高能源效益，减少污染，创造更加清洁的环境。(3)使美国的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。(4)使教育系统对每位学生进行更具有挑战性的教育。(5)鼓励科技界把确保国家安全以及提高全民生活质量作为核心目标。,1.4先进制造技术的提出和进展,1.4.2各国先进制造技术（AMT）的发展,1美国制造技术中心计划,政府与企业在共同发展制造技术上进行密切合作，针对美国35万家中小企业，帮助他们掌握先进技术.该计划要求在每个地区设立一个制造技术中心，为中小企业展示新的制造技术和装备，组织不同类型的培训，帮助企业了解和选用最新的或最适合于他们使用的技术和装备。1994在全美共计建立了约30个制造技术中心。,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，,1.4先进制造技术的提出和进展,爱国者导弹,1.4先进制造技术的提出和进展,1.4先进制造技术的提出和进展,2日本的智能制造技术计划,自二次世界大战之后，日本在数控机床、机器人、精密制造、微电子工艺领域取得了世界领先的进展。1987年，日本十位工业界代表着手一项五年规划，讨论日本制造业的未来，主题是智能制造技术计划。该规划的核心是如何将分散的制造单元变成有机的整体。1989年通产省，提出制造业核心技术的智能制造系统，很快得到美国、西欧、加拿大等国的响应。1990年已组成了一个拥有80多个公司的集团，形成了一个大型的国际研究项目。FANUC公司生产的数控系统装置数量就占世界市场的一半。,3欧共体与美日的抗衡途径,1.4先进制造技术的提出和进展,西欧制造业已明显受到来自美国和日本的压力，他们清楚地知道：如果欧洲共同体成员保持各自分离的市场，那将无法同美日抗衡。为此，欧共体各国政府与企业界共同掀起了一场旨在通过“欧共体统一市场法案”的运动，并制定了“尤里卡计划”、“欧洲信息技术研究发展战略计划”、和“欧洲工业技术基础研究”等一系列发展计划。,“尤里卡计划”：1988年用5亿美元资助涉及16个欧洲国家中600家公司的165个合作性高科技研究开发项目。“欧洲信息技术研究国向发展战略计划”：在13个成员国5500名研究人员提供了资助。把CIM中信息集成技术的研究列为五大重点项目之一。“欧洲工业技术基础研究计划”：1991-1994年期间计划投资7.48亿欧洲货币单位，资助材料、制造加工、设计以及复杂工厂系统运作方式等方面的研究。1994-1999年间投入1540亿欧洲货币单位，用于西欧汽车工业。,1.4先进制造技术的提出和进展,1.4先进制造技术的提出和进展,4我国先进制造技术的发展情况,1995年5月中共中央关于加速科技进步的决定中指出，要重点开发推广电子信息技术、先进制造技术、节能降耗技术、清洁生产和环保等共性技术。国家自然科学基金会近年来已将不少经费投入先进制造技术发展的基础性研究，组织开展了“先进制造技术基础优先领域战略研究”。在此基础上，加大了对发展先进制造技术的支持，提出了先进制造技术重大项目，目前已开始付诸实施。,“十五”规划中确定的八个最具战略影响的领域:1)信息技术2)生物技术3)新材料技术4)先进制造与自动化技术5)资源环境技术6)航空航天技术7)能源技术8)先进防御技术其中，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。,1.4先进制造技术的提出和进展,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,1.5.1先进制造技术的内涵和特点,什么是先进制造技术？,先进制造技术是一个相对的、动态的概念。,目前没有一个明确的、一致公认的定义。,通过对其特征的分析研究，可以认为：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，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，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，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的总称。,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,先进制造技术的目标是提高制造业对市场的适应能力和竞争力；先进制造技术的核心是信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合；先进制造技术特别强调信息技术、现代管理技术在整个制造过程中的综合应用,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,对上述定义进行分析，可归纳出如下要点：,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,1.5.2先进制造技术的体系结构,1.5.2先进制造技术的体系结构,1美国机械科学研究院:多层次技术群,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。,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,主体技术群1)面向制造的设计技术群设计技术对新产品的开发和生产费用、产品质量以及新产品上市时间都有很大的影响。为提高产品和工艺设计的效率及质量，必须采用系列先进的工具(如CAD系统、CAE软件等)。2)制造工艺技术群又称加工和装配技术群，是指用于物质产品生产的过程和设备。,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,支撑技术群支撑技术指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性核心技术，是保证和改善主体技术协调运行所需的技术、工具、手段和系统集成的基础技术。支撑技术群包括：信息技术标准和框架机床和工具技术传感器和控制技术,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,制造技术基础设施使先进制造技术适用于具体企业应用环境，充分发挥其功能，取得最佳效益的一系列基础指施，得最佳效益的一系列基础指施，是使先进制造技术与企业组织管理体制和使用技术的人员协调工作的系统过程，是先进制造技术生长和壮大的机制和土壤。,3国内学者对FCCSET改进和充实,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,1.5.2先进制造技术的体系结构,(1)现代制造工程设计技术群包括所有与产品和工艺设计有关的技术(2)制造系统管理技术群包括与企业管理有关的各种技术(3)物料处理和设备技术群是研究与物料处理过程和与物流直接相关的各项技术(4)相关支撑技术群是制造工程科学的理论基础，是三大主体技术群赖以生存并不断取得进步的相关技术。,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,1.5先进制造技术的内涵及体系结构,1.5.3先进制造技术的分类,1.6先进制造技术发展趋势,随着电子信息等高新技术的发展以及市场需求个性化与多样化，先进制造技术正在向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。,1.6先进制造技术发展趋势,1制造自动化技术向纵深方向发展,2传统制造技术不断改进，新型制造技术迅速发展,3精密制造技术将在制造技术中占有突出的位置,5信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合,4绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征,1制造自动化经历了刚性自动化、可编程自动化和综合自动化的发展过程。,1.6先进制造技术发展趋势,1.6先进制造技术发展趋势,制造自动化几个有代表性的发展方向,（1）集成化集成是综合自动化的一个重要特征。他的发展将使制造企业各部门之间以及制造活动各阶段之间的界限逐渐淡化，并最终向一体化的目标迈进。如CADCAPPCAM系统的出现，使设计、制造不再是截然分开的两个阶段；计算机集成制造(CIM)的核心是通过信息集成，使一个个自动化孤岛有机地联系在一起，以发挥更大的效益；制造自动化为集成化提供了有利条件，而集成化是制造自动化深入发展的必然结果。,1.6先进制造技术发展趋势,（2）柔性化能够快速实现制造系统的重组。模块化技术是提高制造自动化系统柔性的重要策略和方法。硬件和软件的模块化设计，不仅可以有效地降低生产成本，而更可以大大提高自动化系统的柔性。模块化产品设计可以有效改善设计工作的柔性，从而可以显著缩短新产品研制与开发周期，迅速实现制造系统的重组。,1.6先进制造技术发展趋势,（）网络化计算机网络的问世和发展为制造全球化奠定了基础。计算机集成制造系统通常采用局域网，以实现企业内部的信息传输与信息集成。Internet的出现，使企业之间的信息传输与信息集成以及异地制造成为可能。电子商务目前已经得到实际应用，网络化制造正在成为制造自动化技术的研究热点。,1.6先进制造技术发展趋势,(4)虚拟化虚拟制造(VM)是一项由多学科知识形成的综合系统技术。虚拟制造将现实制造环境及制造过程，通过建立系统模型映射到计算机及相关技术所支持的虚拟环境中，在虚拟环境中模拟现实制造环境及制造过程从而对产品设计、制造过程及制造系统进行预测和评价。虚拟制造技术可以缩短产品的设计与制造周期，提高产品设计成功率，降低产品开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。,1.6先进制造技术发展趋势,2传统制技术改进表现在产品设计和零件制造两个方面,传统产品设计方法的改进主要是CAD和CAE技术的应用,近年来，由于计算机辅助技术的迅速发展，不断出现了许多新的设计思想和设计方法，包括并行设计健壮设计、优化设计、反求工程技术等，并已得到实际应用。现代设计思想和设计方法的提出与发展，将会使传统产品设计方法产生深刻的变革。,(1)产品设计,1.6先进制造技术发展趋势,(2)零件制造,毛坯成形技术的改进主要集中在提高成形精度上。近年来出现的近净成形和净成形技术，使毛坯逐渐向最终零件形状和尺寸迈进。,1.6先进制造技术发展趋势,零件机械加工技术的改进主要表现在强力切削与高速切削技术的迅速发展。特别是高速切削与超高速切削技术的发展可以实现“以切代磨”，这不仅可以极大地提高生产效率，而且可以获得较高加工精度，还可以实现难加工材料的切削加工。根据近年来的发展推测，每10年切削速度大约提高一倍，因此亚音速乃至超声速加工的出现不会太远了。,(2)零件制造,1.6先进制造技术发展趋势,新型零件制造方法，又称特种加工方法，是二次世界大战后发展起来的，有别于传统切削与磨削的加工方法总称。这种新型加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合，直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。由于加工效率和加工成本的制约，特种加工方法主要用于些特殊场合的加工，如难加工材料的加工，复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件的加工等。,(2)零件制造,1.6先进制造技术发展趋势,3精密制造技术,精密与超精密加工,微细与超微细加工,1.6先进制造技术发展趋势,精密与超精密加工：在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高与最高程度的加工工艺。精密加工与超精密加工技术是一个国家制造业水平的重要标志。目前超精密加工的尺寸精度已达到0025um，表面粗糙度达到0.005um，所用机床定位精度达到0.01um，纳米级加工技术已接近实现。进一步的发展趋势是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展。,1.6先进制造技术发展趋势,微细、超微细加工：通常指1mm以下微小尺寸零件的加工，超微细加工通常指1um以下超微细尺寸零件的加工。目前，微细与超微细加工的精度已达到纳米级(0.1nm-100nm)。在达到纳米层次后，决非几何上的“相似细小”，而是出现一系列新的现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。在这种情况下，必须从机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多方面进行综合研究，故又称为纳米技术。,1.6先进制造技术发展趋势,对于制造过程而言，绿色制造要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过程，包括节约原材料和能源，替代有毒原材料，将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。,4绿色制造,绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的一种现代制造模式。,1.6先进制造技术发展趋势,先进制造技术的思想和结构体系提出以后，信息技术、现代管理技术，制造工艺技术结合得更加紧密，出现了一系列新的制造哲理和生产模式，如CIMS、CE、LP、AM、IMS等。,5信息技术、管理技术与工艺技术,先进生产模式的实现与现代管理技术密切相关，主要体现了以下几个基本转变：组织形式从按功能划分部门的固定形式向动态的、自治的多功能小组形式转变；,1.6先进制造技术发展趋势,管理结构从金字塔式的多层次结构向扁平式网络结构转变；工作方式从传统的顺序方式向并行方式转变；管理工作重点从以技术为中心向以人为中心转变；竞争策略从单一追求生产率指标向生产率与快速响应市场能力并重转变；企业间关系从单纯竞争关系向竞争与合作关系转变。,1.6先进制造技术发展趋势,中国空“芯”之忧:一年进口总值1920亿远超石油,“2012年中国进口的集成电路芯片是1920亿美元，这一数字超过了进口石油的1200亿美元。”iSuppli半导体首席分析师顾文军对第一财经（微博)日报记者表示，高端芯片最为紧缺，其开发过程需要雄厚的研发基础、资本投资以及多年积累，而中国厂商在这几方面都还比较薄弱。在国务院发展研究中心发布的二十国集