先进制造技术概述讲义

,先进制造技术概述,先进制造技术概述,中国制造业成就及其重大意义,2,1,3,制造业面临的竞争和挑战,制造系统的发展,制造的基本概念,4,先进制造技术,5,6,先进制造技术在我国的发展状况,1.1制造制造（Manufacturing):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。狭义：机电产品的机械加工工艺过程广义：国际生产工程学会1990年：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。制造（Manufacturing）：是一种将物料、能量、资金、人力资源、信息等有关资源，按照社会的需求，转变为新的、有更高应用价值的有形物质产品和无形软件、服务等产品资源的行为和过程。,1、制造的概念,1.2制造系统制造系统是制造业的基本组成实体。结构：包括制造过程所涉及的硬件（物料、设备、工具、能源等）、软件（制造理论、工艺、信息等）、人员所组成的具有特定功能的有机整体。功能：输入制造系统的资源（原材料、能源、信息、人力.）通过制造过程输出产品过程：制造生产的运行过程，包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售、售后服务、报废、回收、再利用等。,1、制造的概念,狭义制造,1.3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1.4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。1.5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。是所有与制造活动有关的实体或企业机构的总称。,1、制造的概念,制造业的社会功能,制造业,建筑机械,交通工具,环保设备,军事装备,医疗设备,机器制造,农业机械,化工设备,家用电器,通讯设备,出版印刷,网络媒体,文化娱乐,冶金机械,动力机械,纺织服装,2.1材料及制造方法的发展2.2加工质量的发展2.3制造自动化的发展,2、制造系统的发展,随着产品性能和结构的发展，材料也不断的发展蒸汽机时代：主要材料是低碳钢和铸铁汽轮机时代：主要材料是耐磨、耐热的合金钢发展飞机和卫星的需要：钛和钛合金目前随着产品的发展，各种新材料，如陶瓷、复合材料、超高强度合金材料、各种涂层材料以及智能材料。材料的发展促进了刀具材料及制造方法的发展对高强度、耐热合金材料，传统的切削加工方法难以加工，出现了新的加工方法，如电火花加工、电化学加工、电子束加工及激光加工等对高性能非金属材料、复合材料，出现了射流加工、超声加工、化学加工、光蚀加工、生物制造等技术。,2.1材料及制造方法的发展,保证零件的加工质量是机械加工方法要解决的首要问题，加工质量中最重要的是加工精度，要提高加工精度必须减少加工误差。（要求提高机器的工作精度和运转精度。）19世纪中期：机床20世纪初：精密加工20世纪50年代：超精密加工,2.2加工质量的发展,制造自动化技术经历了五个阶段刚性加工：适用于大批量生产（在一定公差范围内互换）数控加工：适用于多品种中小批量生产柔性制造：适用于多品种中小批量生产计算机集成制造：适用于大批量生产未来制造自动化技术大发展趋势：（1）制造集成化：从制造系统内部的信息和功能集成发展到实现整个产品生产周期全过程的集成，最终的发展趋势是全球制造的全局集成。,2.3制造自动化的发展,（2）制造智能化：由智能机器和人类专家系统组成一体化智能系统，使制造系统具有自适应能力、自学习能力和自组织能力（3）制造敏捷化（柔性和重构能力）（4）制造虚拟化（能够进行系统建模和仿真）（5）制造网络化（异地设计和制造）（6）制造全球化（实现了制造企业在全球范围内的重组与集成，制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利用）地球村（7）制造绿色化（综合考虑环境影响因素和资源利用率，目标是对环境的影响最小，资源利用效率最高）,3、中国制造业的成就及其重大意义,3.12001年中国工程院的调查结论: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8043万,3.2改革开放20年来中国制造业的进步：1）引进国外先进技术2500多项，占全国的1/3以上。近几年发展的新产品，50%达到80年代中后期的世界水平。2）一些重要产品的年生产能力已跃居世界前列，如汽车280万辆以上（其中轿车120万辆以上），大中型发电设备1200万千瓦以上（火电1000万千瓦，水电200万千瓦），大中型拖拉机11万台以上，金切机床10万台以上。3）我国已成为世界最大的服装纺织品出口国；与日本、马来西亚和韩国并称世界消费类电子产品四大生产国。4）成功开发生产了运七、运八、新舟60等支线飞机。5）一些新产品的技术水平已达世界领先或先进水平，如沈阳机床集团的电主轴高速卧式加工中心、激光切割机床，沈阳变压器厂的50万伏超高压变压器，黎明航发集团的中国第一台拥有完全知识产权的航空发动机、燃气轮机，沈阳新松机器人自动化有限公司的6000米水下机器人等产品，清华大学制造工程研究所研制开发的并联构型机床。,3、中国制造业的成就及其重大意义,3.3制造业的重大意义1）在发达国家中,制造业创造了约60%的社会财富、约45%的国民经济收入。2）据统计，美国68%的社会财富来自于制造业。3）在一个国家生产力的构成中，制造技术的作用一般占55%-65%。4）在许多国家的科技发展计划中，先进制造技术都被列为优先发展的科技。,3、中国制造业的成就及其重大意义,“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。,3、中国制造业的成就及其重大意义,3、中国制造业的成就及其重大意义,4、制造业面临的竞争和挑战,4.1国际形势的变化,产业技术和经济实力成为政治对抗的重要资本；不计生产成本和代价的军品生产模式不适于新形势下的生产；“战略伙伴”关系中经济色彩突出提高制造业产品竞争能力，发展高技术，尤其是独具知识产权的产业技术成为未来抢占经济制高点、振兴国家经济的焦点。,4、制造业面临的竞争和挑战,4.2制造业市场竞争的新特点,4、制造业面临的竞争和挑战,2）产品批量（多品种小批量）更小；汽车生产：大批量生产大批量定制生产；3）顾客对产品功能、性能、质量的要求更高；4）能参与全球竞争的企业更多；5）跨国公司的垄断性更明显；6）企业的兼并重组更激烈、更动荡；7）一般水平的产品及制造能力严重过剩；8）环保意识、绿色制造呼声更强。,4、制造业面临的竞争和挑战,2、制造业市场竞争的新特点,4、制造业面临的竞争和挑战,0,25,50,75,100,低,高,扰动程度,80年代,90年代,54,50,30,27,25,22,36,54,60,45,38,28,36,55,46,51,41,53,63,53,52,51,63,64,41,54,62,76,40,55,56,74,/,/,/,市场影响因素的变化,Pine和B.JosephII“MassCustomization,TheNewFrontierinBusinessCompetition.”Boston:HarvardBusinessSchoolPress,4、制造业面临的竞争和挑战,“中心”的变化,以产品为中心,以顾客为中心,以市场为中心,4、制造业面临的竞争和挑战,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所谓的虚拟企业（VirtualEnterprise），是当市场出现新机遇时，具有不同资源与优势的企业为了共同开拓市场，共同对付其他的竞争者而组织的、建立在信息网络基础上的共享技术与信息，分担费用，联合开发的、互利的企业联盟体。,4、制造业面临的竞争和挑战,企业的竞争优势,4、制造业面临的竞争和挑战,4.3制造全球化和贸易自由化,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：供应与需求国家化、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,4、制造业面临的竞争和挑战,2006年美国商报的统计结果：,4、制造业面临的竞争和挑战,4.4、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、系统科学所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。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。,4、制造业面临的竞争和挑战,4.5环境保护意识的增强与可持续发展,环境问题（绿色制造）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：（具有持续创新的能力）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.,个性化和多样化产品制造智能化包括产品自身智能和生产定制化、模块化，满足不同消费者喜好寿命周期不断缩短摩尔定律-芯片性能每18个月提高1倍，价格却保持不变智能化包括产品自身智能和生产设施工具的智能绿色产品全寿命周期无污染、低资源消耗和可回收利用,21世纪制造业的产品特征,5.1先进制造技术的内涵及特点5.2先进制造技术的体系结构及分类5.3先进制造技术的分类5.4先进制造技术的发展趋势,5、先进制造技术,5.1先进制造技术的内涵及特点,1、定义:在传统制造技术基础上不断吸收机械.电子.信息.材料.能源和现代管理等方面的成果,并将其综合应用于产品设计.制造.检测.管理.销售.使用.服务的制造全过程,以实现优质.高效.低耗.清洁.灵活的生产,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总称,也是取得理想技术经济效果的制造技术的总称.,内涵：“使原材料成为产品而采用的一系列先进技术”，其外延则是一个不断发展更新的技术体系，不是固定模式，它具动态性和相对性，因此，不能简单地理解为就是CAD、CAM、FMS、CIMS等各项具体的技术。先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有不同的技术内涵和构成，对我国而言，它是一个多层次的技术群。其内涵和层次及其技术构成如图,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），它从传统制造工艺发展起来，并与新技术实现了局部或系统集成。2、广泛性先进制造技术不是单独分割在制造过程的某一环节，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的发展针对某一具体制造目标（如汽车制造、电子工业）的需求，而发展起来的先进、适用技术，有明确的需求导向；不以追求技术高新度为目的，注重最好的实践效果，提高企业竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。,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兴交叉学科，因此可以称其为“制造工程”。5、系统性随着微电子、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。先进制造技术是可以驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。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。,5.2先进制造技术的体系结构及分类,体系结构：三个技术群：主体技术群；支撑技术群；制造技术环境。这三个技术群相互联系、相互促进，组成一个完整的体系，每个部分均不可缺少，否则就很难发挥预期的整体功能效益。,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,质量管理用户/供应商交互作用工作人员培训和教育,全国监督和基准评测技术获取和利用,主体技术群,支撑技术群,制造基础设施环境,体系结构,5.3先进制造技术的分类,现代设计技术先进制造工艺技术制造自动化技术系统管理技术,现代设计技术,计算机辅助设计技术有限元法、优化设计、反求工程、模糊智能CAD、工程数据库等。性能优良设计基础技术可靠性设计；安全性设计；动态分析与设计；防断裂设计；疲劳设计；防腐蚀设计；减摩和耐磨损设计；健壮设计；耐环境设计；维修性设计和维修性保障设计；测试性设计；人机工程设计等。,竞争优势创建技术快速响应设计；智能设计；仿真与虚拟设计；工业设计；价值工程设计；模块化设计等。全寿命周期设计技术并行设计；面向制造的设计；全寿命周期设计。可持续性发展产品设计技术主要有绿色设计设计试验技术产品可靠性试验；产品环保性能试验与控制、仿真试验与虚拟试验,先进制造工艺技术,（1）精密洁净铸造成形工艺外热冲天炉熔炼、处理、保护成套技术；钢液精炼与保护技术；近代化学固化砂铸造工艺；高效金属型铸造工艺与设备；气化膜铸造工艺与设备：铸造成形工艺模拟和工艺CAD。（2）精确高效塑性成形工艺热锻生产线成套技术；精密辊锻和楔横轧技术；大型覆盖件冲压成套技术；精密冲裁工艺；超塑和等温成形工艺；锻造成形模拟和工艺CAD等。（3）优质高效焊接及切割技术新型焊接电源及控制技术；激光焊接技术；优质高效低稀释率堆焊技术；精密焊接技术；焊接机器人；现代切割技术；焊接过程的模拟仿真与专家系统。,先进制造工艺技术,（4）优质低耗洁净热处理技术真空热处理；离子热处理；激光表面合金化；可控冷却。（5）高效高精机械加工工艺精密加工和超精密加工；高速磨削；变速切削；复杂型面的数控加工；游离磨料的高效加工等。（6）现代特种加工工艺包括：激光加工；复合加工；微细加工和纳米技术；水力加工等。,先进制造工艺技术,（7）新型材料成形与加工工艺新型材料的铸造成形；新型材料的塑性成形；新型材料的焊接；新型材料的热处理；新型材料的机械加工。（8）优质清洁表面工程新技术化学镀非晶态技术；新型节能表面涂装技术；铝及铝合金表面强化处理技术；超声速喷涂技术；热喷涂激光表面重熔复合处理技术；等离子化学气相沉积技术；离子辅助沉积技术（9）快速模具制造技术锻模CADCAM一体化技术；快速原型制造技术等。,制造自动化技术,制造自动化是指用机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。是机械制造业最重要的基础技术之一。包括：（1）数控技术数控装置；送给系统和主轴系统；数控机床的程序编制。（2）工业机器人机器人操作机；机器人控制系统；机器人传感器；机器人生产线总体控制。,制造自动化技术,（3）柔性制造系统（FMS）FMS的加工系统；FMS的物流系统；FMS的调度与控制，FMS的故障诊断。（4）自动检测及信号识别技术自动检测CAT；信号识别系统；数据获取；数据处理；特征提取；识别。（5）过程设备工况监测与控制过程监视控制系统；在线反馈质量控制。,系统管理技术,（1）先进制造生产模式现代集成制造系统CIMS、敏捷制造系统AMS、智能制造系统IMS、精良生产LP以及并行工程CE等先进的生产组织管理和控制方法。（2）集成管理技术并行工程CE；物料需求计划MRP与准时制生产JIT的集成生产组织方法；基于作业的成本管理ABC；现代质量保障体系；现代管理信息系统；生产率工程；制造资源的快速有效集成。（3）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。,第四节、先进制造技术的发展趋势,未来制造业发展的重要特征是向全球化、网络化、虚拟化方向发展未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、敏捷化、清洁化、集成化及管理创新的方向发展,趋势一：传统制造技术向高效化、敏捷化、清洁化方向发展,1、向高效化方向发展随着精度补偿、应用软件、传感器、自动控制、新材料和机电一体化等技术的发展，工艺装备在数控化的基础上进一步向生产自动化、作业柔性化、控制智能化方向发展，可对传统工艺技术加以优化和革新。2、向敏捷化方向发展进入20世纪90年代以来，因为竞争全球化、贸易自由化、需求多样化，产品生产朝多品种小批量方向发展，面向并行工程的设计、虚拟制造的设计、全寿命周期设计、CADCAMCAPP一体化技术等敏捷设计制造技术与系统将在今后若干年内得到长足发展。3、向清洁化方向发展保护环境、节约资源已成为全球密切关注的焦点，为此发达国家正积极倡导“绿色制造”和“清洁生产”，大力研究开发生态安全型、资源节约型制造技术。,趋势二：先进制造技术向精密化、多样化、复合化方向发展,1、向精密化方向发展加工技术向高精度发展是制造技术的一个重要发展方向。精密加工和超精密加工、微型机械的微细和超微细加工等精密工程是当今也是未来制造技术的基础，其中纳米级的超精密加工技术和微型机械技术被认为是21世纪的核心技术和关键技术。2、向多样化方向发展为适应制造业对新型或特种功能材料以及精密、细小、大型、复杂零件的需要，发达国家正大力研究与开发各种原理不同、方法各异的加工与成形方法。3、向复合化方向发展由于材料加工难度越来越大，工件形状越来越复杂，加工质量要求越来越高，国外正在研究多种能量的复合加工方法以及常规加工与特种加工的组合加工工艺。目前，两种能量的复合工艺已得到广泛应用，而多种能量的复合加工工艺也正在探索之中。,趋势三：先进制造技术向柔性化、集成化、智能化、全球化方向发展,1、向柔性化方向发展制造业自动化系统正沿着数控化柔性化集成化智能化全球化之螺旋式阶梯攀缘而上，柔性化程度越来越高。2、向集成化方向发展向CIMS发展，构成一个覆盖企业制造全过程（产品订货、设计、制造、管理、营销），能对企业“三流”（