先进制造技术-绪论-第一讲73

先进制造技术导论,主讲：侯荣国Email:hourongguo212手机先进制造技术AdvancedManufactureTechnology,本讲主要内容,课程学习方法课程学习任务、问题和目标课程主要内容课程考核办法第一章绪论课程相关实验设备介绍,学习方法,本课程具有专业技术前沿性、扩展性、时代性特点，所以本课程学习不拘泥于教材，不拘泥于课堂教学，需要扩展学习。电子阅览室中查阅最新数字资源，网站最新动态，国家乃至国际有关制造业的最新动态。纸质的参考书籍与科技期刊主要教材：先进制造技术.王润孝等.科学出版社先进制造技术.盛晓敏等.机械工业出版社理论与实验相结合。讨论会、报告会、展览会,课程学习要求,课堂纪律：禁止迟到、早退，注意课堂秩序；作业要求：按时、保质保量的完成；实验要求：按照分组要求认真对待；考核办法：平时成绩（作业+课堂表现+实验成绩)20%+最后考试成绩80%。,课程学习任务和问题,目前，采用那些现代设计方法进行产品设计？设计好的产品怎样采用什么先进的加工工艺制造出来？目前现代企业的采用哪些先进的生产模式？如何认识先进制造技术在现实中的应用？,课程学习目标,认识什么是先进制造技术，理解先进制造技术的特点。了解现代设计方法、先进制造工艺、制造自动化及先进生产管理模式等各自的特点，以及它们的高效性、经济性等。学会使用搜索引擎，数字资源有效地找到所需信息。,1、绪论(2学时）制造与制造业、先进制造技术的提出和进展、先进制造技术的内容、内涵和体系结构,2、现代设计技术（6学时）概述、数字化设计与数字化产品开发、现代设计方法,3、先进制造工艺技术（18学时（包含4学时实验）概述、材料受迫成形工艺技术、超精密加工技术、高速加工技术、微细加工技术、优质清洁表面工程技术、现代特种加工技术、微米/纳米加工、快速原型制造技术、虚拟制造技术,4、制造自动化技术（2学时）概述、工业机器人技术、并联加工机床、柔性制造技术,5、现代生产管理技术（2学时）概述、现代生产管理信息系统、产品全生命周期管理、物流系统管理、及时生产技术、现代质量保证技术,6、先进生产制造模式（2学时）并行工程、精益生产、敏捷制造、智能制造系统,课程主要内容,现代设计方法与理论（6学时）,现代设计技术概述（1学时）并行设计与并行工程（1学时）虚拟现实技术（2学时）绿色设计（2学时）,先进制造工艺（18学时）,超高速加工（4学时（包括2学时实验）精密加工与微纳米加工（8学时）特种加工（4学时（包括2学时实验）快速原型技术（2学时）,机器人技术（2学时）FMS及CIMS（2学时）先进的管理模式（PDM、ERP)(2学时）,先进生产模式与信息化（6学时）,第一章先进制造技术概述,一制造与制造技术的基本概念二先进制造技术的产生和发展三先进制造技术的内涵和结构体系四先进制造技术的特点和发展趋势,原材料,产品,工艺、能源,知识、技能、工具,制造,一制造与制造技术的基本概念,制造技术将原材料物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、控制管理、使用、维修、报废、回收等的全过程，也称为产品生命周期,一制造与制造技术的基本概念,制造系统制造系统是制造业的基本组成实体。,一制造与制造技术的基本概念,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。,我国制造分类和构成,一制造与制造技术的基本概念,制造业的地位和作用,提供人们衣、食、住、行物质消费决定全社会的长远效益和经济的持续增长国际商品贸易的保证农业基础地位的物质保障，服务业发展的重要条件信息产业发展的物质基础；农业劳动力转移和就业的重要途径为科技和教育发展提供经费支持和实验装备实现军事现代化和国家安全的保障,制造业的地位和作用,国家经济发展的支柱、工业生产的技术支柱制造业是国民经济的基础和重要的收入来源，国家实力的象征工业经济年代经济增长的“发动机”一个国家经济强大、经济腾飞的重要基础,高新技术发展的平台，为高新技术发展提供物质条件，高技术成果走向应用的接口、桥梁、通道提高企业国际竞争能力和技术创新能力的根本途径在未来的竞争中，谁掌握了先进的制造技术谁就掌握了市场,制造业的地位和作用,21世纪制造业面临的挑战和特征,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。面向“大制造业”机械制造、电子产品制造、材料制备、石油、化工、冶金、民用消费品任务：提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力,实现优质、灵活、高效、清洁生产,提供优质快捷服务目标：理想的经济利益。“先进”的内涵：效益、相对、动态。,先进制造技术定义,先进制造技术的特点,1)大制造、全过程、多学科的特点先进制造技术已成为世界科技发展热点，并正在形成一门新兴工程科学，即现代机械制造，它具有“大制造、全过程、多学科”的新特点。大制造是一种广义制造的概念，包括产品制造、流程制造、材料制备等；全过程不仅包括毛坯到成品的加工过程，还包括产品的市场分析、设计、加工、销售、回收等；多学科是指微电子、计算机、自动化、网络通讯、管理、生命科学、材料科学与制造学科的交叉2)学科的交叉性和创新性学科交叉推动了制造学科的发展。生物科学与制造科学交叉产生生物制造或仿生制造；管理科学与制造科学交叉产生工业工程科学；信息科学与制造科学交叉产生制造信息学,先进制造技术的特点,3)可持续发展的理念强调实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，除优质、高效外，还考虑可持续发展，应对21世纪环境问题的挑战；4)应用的广泛性覆盖了市场分析、设计、加工、装配、销售、维修、服务、回收等全过程；5)集成性和系统性强调以人为中心和技术、人、管理、信息的集成以及硬件和软件的集成，更加重视制造过程的重组和管理改革；6)发展的动态性不断吸收高新技术成果，因而其内涵不是一成不变的，不同时期、不同国家有不同特点。,先进制造技术的内涵,第二节先进制造技术产生的背景,一、制造技术的发展及目前的背景制造技术的形成和发展是与制造业的诞生和发展相伴的，回顾200年的历史，制造业的发展经历了五个主要阶段：工场式生产时期-18世纪后半叶，蒸汽机的发明开始了以机器为主导的制造业新纪元，完成手工作坊到以分工原则的工厂生产的转变工业化规模生产时期-19世纪末内燃机的出现引发制造业革命，由福特开创了流水线、大批量生产模式和制造技术分工；刚性自动化发展时期-20世纪初，以大批量生产为模式的刚性自动化柔性自动化发展时期-二战之后，多品种小批量柔性自动化生产模式，包括NC、CNC、FMC、FMS等。综合自动化发展时期-自80年代，CAD/CAM/CAPP/CAE/CAT；MRP,MRP,ERP,CNC,FMC/FMS,ROBOT；CIMS,CE,LP,先进制造技术发展的背景,消费观念的变化消费者的行为更具选择性；顾客化产品：批量生产的产品逐步被个性化、多样化产品所代替；制造业“服务”：产品生产与产品服务的界限越来越模糊，不满足感增加：“新三年、旧三年、缝缝补补又三年”的观念逐步消失；对生产及产品的影响：产品订货批量下降，单件、小批；产品寿命周期减短：5-10年-3-5年甚至更短；产品生产周期缩短。,先进制造技术发展的背景,制造全球化与贸易自由化原因：世界自由贸易体制进一步完善；全球交通运输进一步完善；全球通讯网络建立；国际经济合作与交往日益紧密；经济全球化导致：全球产业界结构大调整，世界逐步形成一个统一的大市场使得：任何国家、地区，不论实行怎样的社会制度，都不可能离开世界市场而独立谋求发展；制造业发展进入国家目标层次，促进经济增长；供应与需求全国化、国际化，不同时间、地区、国家，市场需求有波动；对于同一用户、同一产品，可供选择的市场国际化、竞争国际化,先进制造技术发展的背景,科技进步与信息社会从微电子、信息（计算机与通信、控制理论、人工智能等）、新材料、系统科学为代表的新一代工程科学与技术的迅猛发展在制造领域中的广泛渗透、应用、衍生，极大的拓展了制造活动的深度和广度，急剧的改变了现代设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺、设备以及生产组织结构，产生了一大批新的制造技术和制造模式。,先进制造技术发展的背景,高新技术的综合作用促进了制造技术在宏观（制造系统集成）和微观（精密、超精密、微纳米加工检测）两个方向上的蓬勃发展，成为一门涵盖整个生产过程的各个环节（市场分析、产品设计、工艺规划、加工准备、制造装配、监控检测、质量保证、生产管理、售后服务、回收再利用等）、包括人、机器、能量、信息等多种资源的组织、控制与管理，横跨多个学科的集成技术。,先进制造技术发展的背景,环境保护意识的增强与可持续发展环境问题：大量消耗资源和破坏环境的传统工业发展模式与工艺技术系统引起了严重的环境问题。可持续发展思想：重视环境方面对制造业及其产品的制约：结论:面向可持续发展的生态安全型和资源节约型的制造技术将是制造领域中亟待解决的一个重要问题。,二、先进制造技术的提出AdvancedManufacturingTechnologyAMT首先由美国于20世纪80年代提出。20世纪80年代，美国政府开始认识到制造技术和制造能力的重要性。1988年，美国政府投资进行大规模21世纪制造企业战略研究，不久提出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)。,1、先进制造技术计划（ATP）ATP由美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）提出。研究内容：现代设计方法与技术、先进制造工艺与技术、先进制造过程的支撑技术与辅助技术、制造基础设施。目标：促进经济增长；提高能源效益，减少污染；使制造业在世界市场更具竞争力；使教育系统对每个学生进行更富有挑战性的教育。鼓励科学界把确保国家安全和提高国民生活质量作为核心目标。,2、制造技术中心计划（MTC）又称“合作伙伴计划”，由美国国家标准与技术研究院制定并实施。目标：面向美国35万家中小企业。主要内容：在技术拥有者（通常为政府的研究机构、国家实验室和大学）与需要这些技术的中小企业之间建立合作的桥梁。方法：由国会拨款设立地区性的制造技术中心，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。,三、先进制造技术的实施及效果美国在AMT实施过程中建立了由5个层次组成的研究开发与推广体系。1、国家研究与协调机构主要指NIST，负责ATP和MTC两项计划的组织与实施。2、地区性组织与协调机构组织企业进行合作研究开发。3、大学研究机构与企业协作，主持或参与重大课题的研究。4、制造技术中心从事推广和培训工作。5、企业技术开发机构企业自身的研究开发机构，也可承担国家的研究课题。,“2mm”工程：美国在汽车生产中实施的研究项目，联合多家汽车公司、大学和研究机构，对汽车覆盖件的制造技术进行综合研究，最终使轿车覆盖件的制造误差控制在2mm之内，从而使轿车车身的制造精度达到了日本丰田公司的水平。至1994年，美国汽车产量重新超过日本，并重新占领欧美市场。,1、FCCSET先进制造技术体系结构美国联邦政府科学、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，于1994年提出AMT的分类目录，指出AMT是制造技术和现代高新技术结合而产生的一个完整的技术群。AMT包括主体技术群、支撑技术群、制造基础设施三个部分。,第三节先进制造技术的体系结构,（1）主体技术群主体技术群是制造技术的核心，包括有关产品设计技术和工艺技术两部分。1）面向制造的设计技术群，又称产品和工艺设计技术群。主要内容：产品、工艺过程和工厂设计；快速样件成形技术；并行工程等。2）制造工艺技术群，又称加工和装配技术群。主要内容：材料生产工艺；加工工艺；连接与装配；测试与检验；节能与清洁化生产技术；维修技术等。,（2）支撑技术群支撑技术群：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。包括：信息技术；标准和框架；机床和工具技术；传感和控制技术等。,（3）制造技术基础设施制造技术基础设施：指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措施。其主要方面涉及：新型企业组织形式与科学管理；准时信息系统(Just-in-Time-Information)；市场营销与用户/供应商交换作用；工作人员的招聘、使用、培训和教育；全面质量管理；全局监督与基准评测；技术获取和利用等。,2、AMST多层次先进制造技术体系由美国机械科学研究院（AMST）提出的多层次结构体系，以优质、高效、低耗、清洁、灵活的基础制造技术为核心，包括三个层次：1）现代设计、制造工艺基础技术2）新型制造单元技术3）系统集成技术,1）现代设计、制造工艺基础技术包括CAD、CAPP、NCP、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、现代管理技术等。,2）新型制造单元技术这是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理的个高新技术结合而形成的崭新制造技术。包括：制造自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、CAD/CAE/CAPP/CAM、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。,3）系统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，对现代设计、制造工艺基础技术和新型制造单元技术两个层次的技术集成而形成的，包括：FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造技术等。,第四节先进制造技术的发展趋势,一、先进制造技术的特点1、是一项综合性技术；2、是一项动态发展技术；3、是面向工业应用的技术；4、是面向全球竞争的技术；5、是面向21世纪的技术。,1）集成化集成是综合自动化的一个重要特征。集成化符合系统工程的思想。CAD/CAPP/CAM系统的出现，使设计与制造得以集成；FMC、FMS的发展，使加工过程、检测过程、控制过程、物流过程实现集成。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；CE强调产品及其相关过程设计的集成。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。,信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展制造业在经历了少品种小批量少品种大批量、多品种小批量生产模式的过渡后，70年代、80年代开始采用计算机集成制造系统（CIMS）进行制造的柔性生产的模式，并逐步向智能制造技术（IMT）和智能制造系统（IMS）的方向发展。精益生产（LP）、灵捷制造（AM）等先进制造模式相继出现，预计21世纪初，先进制造模式必将获得不断发展。上述几种先进制造生产模式的进展，主要体现了以下五个转变：1）从以技术为中心向以人为中心转变；2）从金字塔式的多层次生产向扁平的网络结构转变；3）从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变；4）从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变；5）从质量第一的竞争策略向快速响市场的竞争策略转变。,先进制造技术的发展趋势,2）柔性化柔性化的进一步发展，是要求能够快速实现制造系统的重组，包括企业内部制造设备与工具系统的重组，以及企业之间的重组。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。包括硬件和软件的模块化设计、模块化产品设计和模块化制造系统。,3）网络化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和Intranet的出现，使企业之间的信息传输与信息集成、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。,Intranet：Intranet是基于Internet技术的企业内部网，是Internet技术在企业局域网（LAN）或广域网（WAN）上的应用。Intranet是一种继承Internet的TCPIP、WWW、FTP和Telnet等技术与概念的内部网络，为传统的IS提供了更为先进的系统构架。基于Intranet的企业信息系统（IS）可以在不改变原有IS的功能和前提下，增加许多的信息交流、发布以及Internet的网络服务功能。Intranet能以较少的投资和较短的开发周期创建一个新的企业IS，或将原有的企业IS改造成为一个开放、安全和高效的企业IS。,4）虚拟化虚拟制造（VM）：以系统建模技术和计算机仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、信息技术、并行工程、人工智能、多媒体技术等高新技术为一体，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，在虚拟环境中模拟显示制造环境及制造过程的一切活动及产品制造全过程，从而对产品设计、制造过程及制造系统进行预测和评估。,虚拟现实技术（VirtualRealityTechnology）主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（SoftPrototype）代替传统的硬样品（HardPrototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。,先进制造技术的发展趋势,5）智能化智能制造系统，要求在整个制造过程中贯彻智力活动，使系统以柔性的方式集成起来，在多品种、中小批量生产条件下，实现“完善生产”。智能制造系统的特点：A、对于制造过程，实现柔性化和模块化；B、对于人，强调安全性和友好性；C、对于环境，做到无污染、省能源、资源回收和再利用；D、对于社会，提倡合理的协作与竞争。,绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征日趋严格的环境与资源的约束，使绿色制造业显得越来越重要，它将是21世纪制造业的重要特征，与此相应，绿色制造技术也将获得快速的发展。主要体现在：（1）绿色产品设计技术使产品在生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求。（2）绿色制造技术在整个制造过程，使得对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高。绿色制造技术主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品三方面的内容。（3）产品的回收和循环再制造例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术。它主要包括生产系统工厂致力于产品设计和材料处理、加工及装配等阶段，恢复系统工厂主要对产品（材料使用）生命周期结束时的材料处理循环。,先进制造技术的发展趋势,绿色设计和绿色制造,相关实验设备介绍,FDM3000快速成型机,相关设备介绍,ARES10.7.5三座标测量机,相关设备介绍,FDM3000快速成型机,相关设备介绍,A50R电火花成型机,相关设备介绍,DK7740电火花线切割机床,相关设备介绍,ZK02真空注型系统,相关设备介绍,五轴加工中心,1)可重构制造系统RECONFIGURABLEMANUFACTURINGSYSTEMS,Adaptable,integratedequipment,processes,andsystemsthatcanbereadilyreconfiguredforawiderangeofcustomerrequirementsforproducts,features,andservicesisaprioritytechnology.Hardwareandsoftwarecomponents,subprocesses,andsubsystemswillhavetobeadaptableandlinkedineasilyprogrammablewaysintohigher-levelprocessesandsystemsthatspantheentireproduct/servicelifecycle.,十大关键制造技术,扩展知识,2)无浪费工艺WASTE-FREEPROCESSING,Manufacturingprocessesthatminimizewasteproductionandenergyconsumptionisakeytechnologyforthefuture.Manufacturingthatdoesnotdamagetheenvironmentwillbefacilitatedbymanufacturingprocessesthatdonotcreatewasteorprocessesthatcreatewastethatcanbeusedasfeedstockincomplementarymanufacturingoperationsand,therefore,createnodownstreamwaste.Processesthatminimizeenergyconsumptionwillconserveresourcesandreducecostsandwillalsoreduceindirectenvironmentaleffectsfromenergyproduction.,十大关键制造技术,扩展知识,3)新材料工艺NEWMATERIALSPROCESSES,Innovativeprocessestodesignandmanufacturenewmaterialsandcomponentswillenablethemanufactureofinnovative,customized,waste-freeproducts.Thegoalwillbetodevelopnewclassesofmaterialswithextraordinaryphysicalproperties.Withminiaturization,newclassesofintelligentproductswillbeproduced,butminiaturizationatsubmicronscaleswillrequirematerialswithpropertiesthatcanbecontrolledatthemolecularscale.Theprocessesfordesigningnewmaterialsandtheircomponents,especiallysubmicron-sizedcomponents,willrequiredesignmethodologiesbasedonatomicandmolecularphysicsandchemistry.,十大关键制造技术,扩展知识,4)生物制造技术BIOTECHNOLOGYFORMANUFACTURING,Biotechnologyformanufacturinghasthepotentialtoleadtorevolutionaryadvancesininnovativenewproductsandmanufacturingprocesses.Researchwouldbebasedonanunderstandingoftheprecisionandflexibilityofbiologicalprocessesandonfindingwaystoaddresstheirfundamentalweaknesses(slowprocessesandthelimitedrangeofavailablematerials).,十大关键制造技术,扩展知识,5)企业建模和仿真ENTERPRISEMODELINGANDSIMULATION,Modelingandsimulationforalloperationsofamanufacturingenterprisecouldenablethesimulationofanyoperation,whichcouldthenbeusedformakingdecisionsbasedonalternativescenarios.Modelsandsimulationsshouldincludedescriptionsoftheinteractionsbetweenpeopleandbetweenpeopleandmachines.,十大关键制造技术,扩展知识,6)信息技术INFORMATIONTECHNOLOGY,Convertinginformationintoknowledgeforeffectivedecisionmakingisaprioritytechnology.Integratedinformationtechnologieswillbeusedtoidentifytheinformationrequiredforaspecificdecision,synthesizetheinformationfromdistributedsources,filteroutextraneousinformation,andpresenttheinformationsothatitcanbeusedeasilyandimmediately.,十大关键制造技术,扩展知识,7)产品和工艺设计方法PRODUCTANDPROCESSDESIGNMETHODS,Productandprocessdesignmethodsthataddressabroadrangeofproductrequirementswillbeprioritytechnologiesfor2020.Generalpurpose,modulardesignmethodsandtoolscouldbeusedtomeetawiderangeofrapidlychangingcustomerrequirements.Designmethodswillalsohavetoconsiderconceptsandprocessesforavarietyofmaterials,constructions,environmentalconditions,anduniquefunctionalrequirements.,十大关键制造技术,扩展知识,8)增强型人-机界面ENHANCEDMACHINE-HUMANINTERFACES,Theinterfacesmustincludeallappropriatemediaforcommunication,buildingontherepertoireoftechnologiesusedtodayforvirtualre