先进制造技术第一章

1,先进制造技术AdvancedManufacturingTechnology,HenanUniversityofScience&Technology,2,教材：“十一五”规划教材先进制造技术主编：任小中参考教材：先进制造技术王隆太，机械工业出版社先进制造技术盛晓敏，机械工业出版社,课程安排,34学时授课32学时考试2学时,考试70考勤、作业、答疑30,成绩评定,3,第1章概述,本章要点,制造技术的概念,先进制造技术的特点,先进制造技术的体系结构,制造系统,4,第1章概述Introduction,5,广义制造：不仅包括了具体的工艺过程，还包括市场分析、产品设计、质量控制、生产过程管理、营销、售后服务直至产品报废处理等在内的整个产品寿命周期的全过程。,狭义制造：生产过程从原材料成品直接起作用的那部分工作内容，指生产车间与物流有关的加工和装配。,制造业是将制造资源，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和社会使用和利用的工业产品或生活消费品的行业。制造业是所有与制造有关的企业群体的总称。,1.1.1制造与制造技术,制造一词来源于拉丁语词根manu(手)和facere(做)。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。,6,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。,1.1.1制造与制造技术,7,制造系统结构,1.1.2制造系统,8,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。,1.1.2制造系统,9,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。,1.1.2制造系统,10,图1-5汽车生产物流示意图,1.1.2制造系统,11,程序特性,程序一系列按时间和逻辑安排的步骤制造系统可视为生产离散型产品的工作程序（图1-6）,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。,1.1.2制造系统,12,制造系统的物质流与信息流,1.1.2制造系统,13,第1章概述Introduction,14,一、美国的教训1)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。2)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。3)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。,制造业发展的教训,15,二、日本的经验1）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。2）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”。,制造业发展的教训,16,三、东南亚经济危机的启示1）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。2）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。,制造业发展的教训,17,四、瑞士依靠什么使人均产值居世界第一？1）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。2）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。,制造业发展的教训,18,1.2.1制造技术的发展,制造技术的进步和发展,影响制造技术发展的最主要因素是技术的推动和市场的牵引。人类科学技术的每次革命必然引起制造技术的不断发展，因而也推动了制造业的不断发展和进步。近百年来，在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量少品种大批量多品种变批量”的方向发展。在科学技术高速发展的推动下，制造业的资源配置沿着“劳动密集设备密集信息密集知识密集”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”的方向发展。,19,一、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。,制造技术发展四次产业革命,20,二、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。,21,三、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。,22,四、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。,23,二十一世纪科学技术发展的总趋势,1中心科学技术的转移1）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。2）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。3）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,24,二十一世纪科学技术发展的总趋势,2世界科技中心（地区或国家）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）,25,3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）,二十一世纪科学技术发展的总趋势,26,二十一世纪科学技术发展的总趋势,科学物质科学生命科学,技术信息技术生物技术纳米技术,4二十一世纪改变人类的科学与技术,27,从科学发现到技术发明,二十一世纪科学技术发展的总趋势,28,20世纪改变世界的重要机电产品,二十一世纪科学技术发展的总趋势,29,20世纪改变世界的重要机电产品,二十一世纪科学技术发展的总趋势,30,1.2.1制造技术的发展,制造技术发展的五个时期,工场式生产时期18世纪七十年代，以蒸汽机和纺纱机的诞生，引发第一次工业革命，从手工业作坊式生产到以机械加工和分工原则为中心的工厂生产，机器代替手工。工业化规模生产时期19世纪电气技术得到发展，由于电气技术与其他制造技术的融合，开辟了崭新的电气化新时代，制造业得到了飞速发展，制造技术实现了批量生产、工业化规范生产的新局面。与此同时，互换性原理和公差制度应运而生。,31,刚性自动化发展时期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，以大批量生产为模式，以降低成本为目的的刚性自动化制造技术和科学管理方式得到了很大发展。福特汽车制造公司用大规模刚性生产线代替手工作业，使汽车的价格在几年内降低到原价格的1/8，促进了汽车进入家庭。柔性自动化发展时期20世纪中期，计算机、微电子、信息和自动化技术有了迅速的发展，逐步形成了数控技术（NC）、计算机数控（CNC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）等先进的制造单元技术和全面质量管理（TQM）、准时生产（JIT）等科学的管理理念和方法，为单一产品大批量刚性自动化生产向多品种小批量柔性自动化生产方向发展提供了技术基础。,1.2.1制造技术的发展,32,综合自动化发展时期自20世纪80年代以来，设计、制造和管理在内的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（CAD/CAM）、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流需求规划（MRP）、制造资源规划（MRP）、企业资源规划（ERP）；在加工制造领域内的直接或分布式数控（DNC）、工业机器人（ROBOT）等。以计算机为中心的集成制造技术从根本上改变了制造技术的面貌和水平，体现新的制造模式的计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）以及精良生产（LP）得到实践、应用和推广。此外，精密成形技术与装备、快速成形技术与系统、少无切削技术与装备、激光加工技术与装备等进入了一个空前发展的阶段。,1.2.1制造技术的发展,33,1.2.2制造业在国民经济中的地位,制造业是国民经济的支柱产业和经济增长的发动机,美国：68%的财富来源于制造业；日本：49%的国民生产总值（GNP）来源于制造业；中国：2001年制造业增加值：37613.1亿元占国民生产总值的39.21%，占工业生产总值的77.61%。上交税金4398.17亿元，占国家税收总额的30%和财政收入的27%。,制造业是高技术产业化的载体和实现现代化的重基石,20世纪兴起的核技术、空间技术、信息技术、生物医学技术等高新技术无一不是通过制造业的发展而产生并转化为规模生产力的。其直接结果是导致诸如集成电路、计算机、移动通信设备、国际互联网、机器人、核电站、航天飞机等产品相继问世，并由此形成了制造业中的高新技术产业。,34,1.2.2制造业在国民经济中的地位,制造业是吸纳劳动就业和扩大出口的关键产业,美国：约1/4人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关。中国：2001年制造业全部从业人员8083万人，约占全国工业从业人员总数的90.13%，全国全部从业人口的11.1%。中国：2001年制造业出口创汇2398亿元。占全国外贸出口总额90%。,制造业是国家安全的重要保障,35,第1章概述Introduction,36,1.3.1先进制造技术产生的背景,消费观念的变革和市场竞争日益激烈,在六、七十年代，市场主要是卖方市场，企业制造战略由追求生产规模转向降低生产成本。20世纪80年代，由于产品供过于求，市场转变为买方市场，企业向提高产品质量的制造战略转变。20世纪90年代以来，消费者需求日趋主题化、个性化和多样化，产品的生产和服务界限越来越不明显，市场变化周期越来越短，而其具有不确定性。这就要求制造企业不仅要降低生产成本、提高产品质量、及时响应市场变化，还要追求创新和新颖。,37,1.3.1先进制造技术产生的背景,制造全球化和贸易自由化,制造业、制造产品和制造技术走向国际化，导致制造业格局在全球的重新分布和组合，并使得经济竞争在全球范围内愈演愈烈。随着世界自由贸易体制进一步完善，以及全球交通运输体系和通信网络的建立，全球采购与制造一体化的格局已初步形成，国际经济合作与交往日趋紧密。,科学技术与制造技术的相互制约和促进,计算机、微电子、信息、自动化等技术的相互渗透、融合和衍生，极大地促进了制造技术在宏观（制造系统的建立）和微观（精密、超精密加工）两个方向上的蓬勃发展，急剧地改变了现代制造业的产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织体系，使现代制造业成为发展速度快、技术创新能力强、技术密集甚至知识密集型产业。,38,1.3.1先进制造技术产生的背景,有限的资源和日益增长的环保压力,制造业将制造资源转变为产品的制造过程，以及产品的使用过程和废弃处理过程中，一方面消耗大量人类社会有限的资源，另一方面也造成了环境污染。有限的资源正在威胁着人类的继续发展，环境污染正在威胁着人类的生存。因此，必须迅速研制节能环保性产品及其创新技术、报废产品的回收处理技术、生态工厂的循环制造技术等绿色制造技术与装备。,是美国根据本国制造业面临的来自世界各国，特别是亚洲国家的挑战，为增强制造业的竞争力，夺回美国制造工业的优势，促进国家经济的发展，于20世纪80年代末提出来的。,39,先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理技术等方面的成果，将其综合应用与产品设计、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。,1.3.2先进制造技术的特点,AMT是一项综合性技术AMT将各种与制造相关的技术集合成一个整体，并贯穿到从市场分析、产品设计、加工制造、生产管理、市场营销、维修服务直至产品报废处理、回收再生的生产全过程。AMT特别强调计算机技术、信息技术和现代管理技术在制造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。,40,AMT是一项动态发展技术AMT没有一个固定的模式，AMT实现规模、实现程度、实现方法以及侧重点要与企业的具体情况相结合，并与企业的周边环境相适应。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制造活动的整个过程，使其不断趋于完善。AMT是面向工业应用的技术AMT坚持以顾客为核心，强调系统集成和整体优化，提倡合理竞争与相互信任，这些都是制造企业生存和发展的重要条件。,1.3.2先进制造技术的特点,41,AMT是面向全球竞争的技术为了赢得国际市场竞争，必须提高企业综合效益（包括经济效益、社会效益和环境生态效益）及对市场的快速反应能力，而采用先进制造技术是达到这一目标的重要途径。,AMT是面向21世纪的技术AMT是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造技术中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技术，使其产生了质的飞跃。AMT强调环保技术，突出能源效益，重视产品的回收和再利用，符合可持续发展的战略。,1.3.2先进制造技术的特点,42,数字化集成化精密化柔性化网络化虚拟化智能化绿色化制造管理技术现代化,1.3.3先进制造技术的发展趋势,43,产品设计传统产品设计方法的改进主要是CAD和CAE技术的全面应用。当前研究的重点是产品建模理论、创新设计、快速设计（包括快速原型制造）、数值仿真、设计数据管理技术等。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（ConcurrentDesign）、面向“X”的设计（DesignforXDFX）、健壮设计（RobustDesign）、优化设计（OptimalDesign）、反求工程技术（ReverseEngineering）等，并已得到实际应用。,1.3.3先进制造技术的发展趋势,44,零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（NearNetShapeProcess）和净成形（NetShapeProcess）技术，使毛坯逐渐向最终零件形状和尺寸逼近。近净成形与净成形技术包括近净铸造成形、精确塑性成形、精确连接、精密热处理改进、表面改进、高精度模具等专业领域。零件机械加工技术的改进主要表现在强力切削/磨削与高速切削/磨削技术的迅速发展。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，还可以实现难以加工材料的切削加工。,1.3.3先进制造技术的发展趋势,45,零件制造新型零件制造方法，又称特种加工方法，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。精密制造技术精密制造技术包括精密与超精密加工、微细与超微细加工以及微型机械等。目前超精密加工的尺寸精度已达到0.025m，表面粗糙度Ra达到0.005m；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1m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（0.1nm100nm）。,1.3.3先进制造技术的发展趋势,46,绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征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。对于制造过程而言，绿色制造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。对于产品而言，绿色制造覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，及从原材料提取到产品的最终处置，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、消费及报废等，减少对人类和环境的不利影响。,1.3.3先进制造技术的发展趋势,47,第1章概述Introduction,48,面向制造的设计技术群产品/工艺设计计算机辅助设计工艺过程建模和仿真工艺规程设计系统工程基础快速成型技术并行工程,制造工艺技术群材料生产工艺加工工艺联接与装配测试和检测环保技术维修技术其他,信息技术接口技术集成技术人工智能,数据库软件工程决策支持,标准和框架数据标准工艺标准接口框架,产品定义和标准检验标准机床和工具技术传感器和控制技术