先进制造技术概论培训课件

先进制造技术(AMT)AdvancedManufacturingTechnology,第一部分：概论1什么先进制造技术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。,AMT概括由于微电子技术、自动化技术、信息技术等给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。主要包括：计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。,2机械制造业发展简史,人体（手、足）,人脑,加工对象,人的感官,干扰,产品,需求,原始制造工艺系统,材料能量信息,公元前3000年：美索不达米亚、埃及，青铜器公元前2800年：中国甘肃马家窑文化，锡青铜公元前1400年：中国河北叶城、北京平谷，热锻铁,小亚细亚赫第王国，铁器公元前1000年：中国，铁犁公元前476年：中国河北易县，淬火钢公元前113年：中国河北满城，渗碳钢公元1898年：美国，泰勒、怀特，高速钢公元1932年：德国，施勒特尔，硬质合金公元1938年：德国，德古萨公司，陶瓷刀具,材料的发展,机构机器,人脑,加工对象,人的感官,干扰,体力,能量信息材料,公元前100年：罗马，水车；中国，水轮机雏形公元1世纪：亚力山大，希罗，反动式汽轮机雏形公元25-221年：中国，杜诗，冶铸鼓风用水排公元265-420年：中国，杜预，水轮驱动的水转连磨公元700年：波斯，风车,动力与设备动力的发展,1127年：中国，水转纺车1131年：中国，燃汽机雏形1629年：意大利，冲动式汽轮机雏形1698年：意大利，萨弗里，首次将蒸汽用于工业动力1705年：英国，纽科门，活塞式蒸汽机1769年：英国，瓦特，实用蒸汽机专利1838年：俄国，雅可比，直流电动机1897年：美国，西屋公司，两相交流感应电动机,反动式汽轮机,天工开物上的中国水车,蒸汽机,动力机械加工母机的发展,公元前2000年：埃及，树木车床公元前400年：我国，公输班，磨公元1395年：法国，杆棒车床,1774年：英国，威尔金森，炮筒镗床1790年：英国，边沁，刨床、铣床、钻床1797年：英国，莫效，螺纹车床1807年：英国，步律内尔，圆锯机1817年：美国，惠特尼，卧式镗床,公元前二千多年出现的树木车床是机床最早的雏形。工作时，脚踏绳索下端的套圈，利用树枝的弹性使工件由绳索带动旋转，手拿贝壳或石片等作为刀具，沿板条移动工具切削工件。中世纪的弹性杆棒车床运用的仍是这一原理。,水力镗床,1820年：英国，怀特，（圆柱、圆锥）齿轮加工机床1835年：英国，惠特沃斯，滚齿机1842年：英国，内史密斯，蒸汽锤1845年：英国，菲奇，六角车床1873年：美国，斯潘塞，单轴、多轴自动机床,1952年：美国，帕森斯公司，数控机床1958年：美国，卡尼-特雷克公司,加工中心1976年：日本，柔性制造单元,动力机械加工母机的发展,四轴联动加工中心,加工设备,人脑,加工对象,检测装置,干扰,干扰,材料能量信息,信息检测与控制技术的发展,加工设备,控制器,加工对象,检测装置,干扰,产品,指令,干扰,材料能量信息,信息检测与控制技术发展（计算机的应用）,加工设备,计算机,加工对象,检测装置,干扰,干扰,材料能量信息,信息检测与控制技术发展（设备状态与制造过程的监测）,加工设备,计算机,加工对象,监测系统,干扰,产品,指令,干扰,材料能量信息,3制造业发展现状,制造科学已成为多学科交叉的学科制造技艺制造技术制造科学；制造活动的社会性、制造系统的开放性制造科学综合性；制造科学已不可能在孤立、封闭的状态下发展，必然走兼采百家之长、交叉融合的道路；现代物理、数学、化学、生命、信息、材料、管理和系统等科学的发展，为制造科学不断提供新的推动力，也不断丰富着现代制造科学的内涵和外延,先进制造技术是工业发达国家的国家级关键技术和优先发展领域,1993年，美国政府批准了由联邦科学、工程与技术协调委员会（FCCSET）主持实施的先进制造技术计划（AdvancedManufac-turingTechnologyAMT美国AMT计划目标是：研究开发世界领先的先进制造技术，以满足美国制造业对先进制造技术的需求，提高制造业的竞争力；通过教育与培训计划提高劳动力素质；促进具有环境意识的制造等。,1995年11月美国正式发布了敏捷制造使能技术战略发展计划（TechnologiesEnab-lingAgileManufacturingStrategicplan，TEAM）。每年投资3000万美元，该计划到2020年结束。美国国防部、美国国家标准与技术研究所、美国国家科学基金会等部门都参加到TEAM计划实施。有3000多家私营企业、60多家公司、16所大学和国际财团以及许多政府机构直接参与了此项计划。,20世纪80年代，面对美国、日本日益激烈的竞争，西欧国家制定了一项在尖端科学领域内开展联合研究与开发的计划，即“尤里卡计划”。它的目标主要是提高欧洲企业的国家竞争能力，进一步开拓国际市场。尤里卡（EURECA）是“欧洲研究协调机构”（EuropeanResearchCoordinationAgency）的英文缩写。,许多高技术我国尚未掌握，许多重大装备我国不能自主制造，缺乏自主创新能力,是制造大国，不是制造强国,发电设备、机床、汽车、电子制造等产品产量居世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界500强,关键装备大多依赖进口光电子制造设备的100%IC制造装备的85%高档数控机床的70%,原创性的技术和成果缺乏，企业的核心竞争力不足，制造科学基础研究相对薄弱,制造业(共8项主题)(26)基础件和通用部件(27)数字化和智能化设计制造(28)流程工业的绿色化、自动化及装备(29)可循环钢铁流程工艺与装备(30)大型海洋工程技术与装备(31)基础原材料(32)新一代信息功能材料及器件(33)军工配套关键材料及工程化,国家中长期科学与技术发展主题摘要,先进制造技术（共3小项）(12)极端制造技术(13)智能服务机器人(14)重大产品和重大设施寿命预测技术,国家中长期科学与技术发展主题摘要前沿技术,4发展趋势,竞争形势,科学技术突飞猛进知识经济初见端倪国际竞争日趋激烈,竞争形势,制造业的市场特征：,多变性市场国际化市场虚拟市场新兴产品市场,产品本身“质”、“量”生产模式快速响应、快速重组增产方式（资源消耗）粗放型（知识创新）集约型网络化、全球化、知识化、智能化生产要求实用、价廉、物美价廉、物美、交货期短、服务好、文化含量高学科基础力学、经验多学科及其最新成就立足之本设备、技术高素质人才,竞争形势,制造行业的巨变,竞争形势,满足客户化要求；快速响应、快速重组、低成本；竟争、合作、全球化；虚拟技术应用；本土化与国际化交互；企业文化加强；“以人为本”作为核心。,制造企业特征,发展趋势,先进制造技术发展的总趋势制造产品：“精”“极”“文”制造过程：“快”“省”“效”制造方法：“自”“集”“网”“智”,“精”是发展的关键“极”是发展的焦点“文”是发展的新义,“绿”是发展的必然“快”是发展的动力“省”是发展的原则“效”是发展的追求,“数”是发展的核心“自”是发展的条件“集”是发展的方法“网”是发展的道路“智”是发展的前景,制造产品：,制造过程：,制造方法：,“极”是发展的焦点极端、极限,几何形体上，极大、极小、极厚、极薄、极平、极柔、极圆、极方、奇形怪状；在物理性能上，极高硬度、极高塑性、极大弹性、极大脆性、极强磁性、极强辐射性、极强腐蚀性，奇性怪能；MEMS（Micro-Electro-Mechanical_System)技术和产品是典型极端、极限技术和产品。,发展趋势制造产品：“精”“极”“文”,微电子芯片,100万千瓦汽轮机,船用螺旋桨,关于微电子芯片制造1.巨大的投资建一座生产1000兆位存储器的芯片制造厂，需要投资150亿美元2.当前的芯片制造设备（1）超净：尘埃颗粒直径0.1微米颗粒数0.1个/立方英尺空气（2）超纯：有害杂质含量达到ppb（十亿分之一）（3）超精加工：钠米级我国的“龙芯”。日本日立公司（2006）报导：集成电路小如尘粒：长、宽150m，厚7.5m,发展趋势制造产品：“精”“极”“文”,“文”是发展的新义人文化工业产品，“实用”，物质层面；艺术产品，（人文）文化含量高，“物美”，精神层面，环境协调，爽心悦目，经得起“看”，经得起“想”“工业设计”制造过程、制造方法“文明化”生产。,发展趋势制造产品：“精”“极”“文”,“绿”是发展的必然绿色“天人合一”与“无为”；制造各阶段都必须充分计及环境保护：自然环境，社会环境、生产环境、生产者的身心健康；制造必然要走向“绿色”制造，这是实现国民经济可持续发展的重要条件。制造业发展思路有三，其一就是“积极发展绿色制造”.,发展趋势制造过程：“绿”“快”“省”“效”,“快”是发展的动力快速对市场的快速响应对生产的快速重组生产模式：高度柔性与高度敏捷性推动着制造技术的进步与制造方法的发展,发展趋势制造过程：“绿”“快”“省”“效”,“省”是发展的原则节省,市场经济必然的要求制造过程必须节省、节约、节俭制造过程的优化制造资源的优化配置,发展趋势制造过程：“绿”“快”“省”“效”,“效”是发展的追求高效、高生产率,个性化大生产、大规模定制快速响应市场需求的应有推论与含义生产效率提高生产力发展社会进步高效、低耗、无污染,发展趋势制造过程：“绿”“快”“省”“效”,“数”是发展的核心数字化“信息化”的核心是“数字化”数字制造是制造技术与信息技术（包含计算机技术、网络技术）等交叉、发展与应用的结果数字化设计、数字化控制、数字化管理以及贯穿始终的“虚拟”技术数字化技术必将导致制造技术的重大发展与变革,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,“自”是发展的条件自动化自动化是强化、延伸甚至取代人劳动（体力、脑力）的技术或手段自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高水平的自动化,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,“集”是发展的方法集成化技术集成、管理集成、技术与管理集成本质：知识和信息集成，集成也包含了“交叉”现代制造科学技术的发展离不开“集成”和“交叉”CIMS，从实际情况与发展前景来看，整个产品的生产确系一个计算机集成生产系统，而且与网络化不可分割。,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,传感技术信号处理技术控制技术随动技术精密机械技术系统集成技术,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,机电一体化,“网”是发展的道路网络化现代新型制造模式实施的基础设施，现代制造企业生产活动必不可少运行环境网络化既是制造企业信息化、集成化的基础，又是企业信息化、集成化的进一步发展网络化将制造业走向全球化、整体化、有序化,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,本世纪核心学科发展的趋势：从信息科学到生命科学（21世纪中叶）转向认知科学（21世纪70年代）“知识经济”的本质是“智力经济”制造智能制造系统/单元/装备适应环境变化的能力，处理海量信息、不完整信息、不确定信息、错误信息的能力，自诊断、自修复能力，自组织、自重构能力，主动协调和协同能力，非逻辑处理能力等。智能化各行各业发展的趋向，如：智能计算机、智能车辆、智能机器、智能仪表、智能控制、智能材料，甚至智能大厦等。网络化的实质是走向智能化,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,“智”是发展的前景智能化,5现代先进制造技术包含的内容A、先进制造工艺及方法B、先进设计技术C、先进管理技术D、自动化技术,精密洁净铸造成形工艺,精密高效塑性成形技术,优质高效焊接与切割技术,优质低耗洁净热处理技术,新型材料成形与加工工艺,优质清洁表面工程新技术,高效、高精机械加工工艺,现代特种加工工艺,快速模具制造技术,拟实制造成形加工技术,先进制造工艺技术,1.精益生产准时制生产JIT精益生产方式2.计算机集成制造和智能制造计算机集成制造系统（CIMS）智能制造,3.灵捷制造灵捷制造的含义灵捷制造企业主要特征、要素和使能子系统灵捷制造中的管理灵捷制造的方法论4.高效快速重组生产模式高效快速重组生产系的基本特征制造资源的快速有效集成高效快速重组生产系统的启示在我国推行先进制造模式的柔性战略网络化制造的生产模式,系统管理技术,全球制造(GM,GlobalManufacturing)在全球实现企业多种柔性和敏捷性的一种新的制造概念和模式.绿色制造(GreenManufacture)虚拟制造(VM,VirtualManufacturing)并行工程（CE）,自动化技术,机床数控技术1.机床数控装置数控系统的硬件结构数控系统的软件结构2.机床用进给伺服系统和主轴伺服系统机床用进给伺服系统机床用主轴伺服系统,3.数控机床的程序编制手工编程自动编程工业机器人1.工业机器人操作机操作机的不同结构及特点操作机的运动学和动力学工业机器人的工作空间及与结构尺寸的相关性操作机整机设计原则和设计方法操作机腰部、臂部和腕部结构,2.工业机器人驱动系统电液伺服驱动系统气动驱动系统电动驱动系统3.工业机器人控制系统机器人控制的功能、组成和分类机器人控制系统设计原则机器人仿真控制方法控制系统硬件构成机器人的编程,4.机器人用传感器内部传感器外部传感器5.工业机器人自动生产线机器人自动线的结构和系统功能机器人自动线参数设计机器人自动生产线总控系统,柔性制造系统1.柔性制造系统的组成和结构柔性制造系统的加工系统柔性制造系统的物流系统柔性制造系统的控制和管理系统2.柔性制造系统的应用,集成制造技术1.集成制造系统的体系结构2.集成制造系统的组成管理信息系统技术信息系统制造自动化系统计算机辅助质量保证系统计算机通讯网络集成制造系统的数据管理,传感技术机械加工过程的传感检测技术切削过程和机床运行过程的传感技术工件的过程传感刀具/砂轮的检测传感自动检测及信号识别技术1.自动检测与计算机辅助检验自动检测的原理和方法计算机辅助检验,2.信号识别系统3.数据的获取4.数据处理制造过程的数据特征信号预处理信噪比的改进5.特征提取类别可分离性判据特征提取的方法6.模式和模式识别模式和模式识别概述贝叶斯决策线性判别函数及其应用,过程与设备工况的监测1.过程监视和控制系刀具、砂轮的过程监视和控制系统机床运行和工件的过程监视2、在线质量反馈控制3.自动过程辨识和生产过程调节生产过程改进法生产过程自动辨识和调整4.过程调节和过程恢复的改进方法,现代设计技术,11.并行设计2.系统设计3.功能设计,4.模块化设计5.价值工程,系统设计是新系统的物理设计阶段。根据系统分析阶段所确定的新系统的逻辑模型、功能要求，在用户提供的环境条件下，设计出一个能在计算机网络环境上实施的方案，即建立新系统的物理模型。任务是设计软件系统的模块层次结构，设计数据库的结构以及设计模块的控制流程，其目的是明确软件系统如何做。,功能设计是以消费者的潜在需求为依据,设计产品的功能，经过功能的成本核算后,由专业人员进行产品设计、企业安排生产、通过定价分析，开展针对性的营销,使企业跳出产品同质化陷阱。功能设计实质上是市场细分理论的深化，市场细分方法有好多种，但归根结底都是以功能细分的。今天的商战已演变为消费心理战。战场的胜利者总是那些最早破译顾客购买行为动机的企业。在功能细分后的市场，往往能出现具有绝对优势的新领导品牌。,（Block-baseddesign）模块化设计是对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的顾客定制的产品，以满足市场的不同需求。特征：1、相对独立性，可以对模块单独进行设计、制造、调试、修改和存储，这便于由不同的专业化企业分别进行生产；2.互换性，模块接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现模块间的互换，从而使模块满足更大数量的不同产品的需要；3.通用性，有利于实现横系列、纵系列产品间的模块的通用，实现跨系列产品间的模块的通用。,价值工程（ValueEngineering简称E），也称价值分析（ValueAnalysis，简写VA），是指以产品或作业的功能分析为核心，以提高产品或作业的价值为目的，力求以最低寿命周期成本实现产品或作业使用所要求的必要功能的一项有组织的创造性活动，有些人也称其为功能成本分析,6.绿色设计绿色产品与绿色设计绿色设计特点与方法绿色设计主要内容和关键技术7.模糊设计模糊集与隶属函数模糊优化设计模糊可靠性设计模糊控制设计模糊神经网络与模糊专家系统,8.面向对象设计面向对象设计面向对象设计的实现9.工业造型设计,OOAD（ObjectOrientAnalysis&Design，面向对象的分析和设计，面向对象分析与设计）是现代软件企业广为采用的一项有效技术。OOAD方法要求在设计中要映射现实世界中指定问题域中的对象和实体，例如：顾客、汽车和销售人员等。这就需要设计要尽可能地接近现实世界，即以最自然的方式表述实体。所以面向对象技术的优点即为能够构建与现实世界相对应的问题模型，并保持他们的结构、关系和行为为模式。,6现代制造技术的体系结构,这里介绍两种体系结构：机械科学研究院（AMST）提出的现代制造技术由多层次技术群构成的体系图。美国联邦科学、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提出了现代制造技术由主体技术群、支撑技术群、制造基础设施组成的三位一体的体系结构。,AMST多层次现代制造技术体系,第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术。这些基础工艺经过优化而形成的优质、高效、低耗、清洁基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分。这些基础技术主要有精密下料、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。,第二个层次是新型的制造单元技术。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、现代管理等高新技术结合而形成的崭新制造技术，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。以上三层次都是先进制造技术的组成部分，但其中每一个层次都不等于先进制造技术的全部。,FCCSET现代制造技术体系结构,图：现代制造技术的层次及技术来源示意图,三部分相互联系，相互促进，组成一个完整的体系，每一部分均不可缺少，否则就很难发挥预期的整体功能效益。FCCSET先进制造技术的系统结构及主要内容如图所。,7先进制造技术的特点,先进制造技术的实用性先进制造技术最重要的特点在于，它首先是一项面向工业应用，具有很强实用性的新技术。其发展往往是针对某一具体的制造业（如汽车制造、电子工业）的需求而发展起来的先进、适用的制造技术，有明确的需求导向的特征；现代制造技术不是以追求技术的高新为目的，而是注重产生最好的实践效果，以提高效益为中心，以提高企业的竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。,先进制造技术应用的广泛性先进制造技术相对传统制造技术在应用范围上的一个很大不同点在于，传统制造技术通常只是指各种将原材料变成成品的加工工艺，而先进制造技术虽然仍大量应用于加工和装配过程，但由于其组成中包括了设计技术、自动化技术、系统管理技术，因而则将其综合应用于制造的全过程，覆盖了产品设计、生产准备、加工与装配、销售使用、维修服务甚至回收再生的整个过程。,先进制造技术的动态特征由于先进制造技术本身是在针对一定的应用目标，不断地吸收各种高新技术逐渐形成、不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同的时期，先进制造技术有其自身的特点；也反映在不同的国家和地区，先进制造技术有其本身重点发展的目标和内容，通过重点内容的发展以实现这个国家和地区制造技术的跨越式发展。,先进制造技术的集成性传统制造技术的学科、专业单一独立，相互间的界限分明；先进制造技术由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，界线逐渐淡化甚至消失，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