20世纪的科学发现和技术发明

,先进制造技术AdvancedManufacturingTechnology2012年9月,发明和发展了汽车、机床、机器人、飞机、火箭、芯片、计算机、电视机等成千上万的机电产品，极大地改变了人类的生产方式和生活方式。,回顾：20世纪是一个伟大的世纪,20世纪的科学发现和技术发明,20世纪的科学发现和技术发明,20世纪的科学发现和技术发明,展望：制造业在21世纪将出现奇迹,汽车:会跑，会飞；飞机:更快、更安全（20倍音速,13000km/h）；高速列车（575km/h）和磁悬浮列车430km/h；智能仪器装备和智能机器人:按照人们的要求高效率、高质量地制造产品；微型机器人:能进人血管清理垃圾、修补心脏；分子组装技术:组装出理想性能的微器件；掌上工具:计算机、可视电话、电视、音响和网络的集成(云技术Cloud),会飞的汽车,飞机:更快、更安全,磁悬浮列车,微型机器人,机器人,可视电话,平板电脑,第1章先进制造技术概论,先进制造技术（AMT，AdvancedManufacturingTechnology）,源于20世纪80年代，指在制造过程和制造系统中融合电子、信息和管理技术，以及新工艺、新材料等现代科学技术，使材料转换为产品的过程更有效、成本更低、更及时满足市场需求的先进的工程技术的总称。,第1章先进制造技术概论,1.1制造、制造系统和制造业1.2先进制造技术的发展1.3先进制造技术的内涵和体系结构,1.1制造、制造系统和制造业,1.1.1制造、制造系统和制造业1.1.2制造业的地位和作用,下一页,返回,1.1制造、制造系统和制造业,1.1.1制造、制造系统和制造业制造（Manufacturing):是由manus(hand)和factus(make)组合而成，原意是用手制造（madebyhand）。制造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：为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。(Manufacturingisseriesofinterrelatedactivitiesandoperationsinvolvingthedesign，planning，production，qualityassurance，managementandmarketingoftheproductsofthemanufacturingindustries。),下一页,返回,包括市场分析、产品设计、加工装配、质量保证、生产管理、市场营销全过程,原材料,产品,工艺能源,知识技能工具,制造,与物流有关的加工和装配过程,狭义制造,广义制造,1.1.1制造、制造系统和制造业,1.1制造、制造系统和制造业,制造系统,具有特定功能的有机整体,制造过程,硬件,制造过程,软件,硬件,人员,经营规划、开发研制、加工制造和控制管理等过程,生产设备、工具和材料、能源以及各种辅助装置,软件,制造理论、制造工艺和方法、各种制造信息等,制造系统的物质流与信息流,汽车生产物流示意图,制造业,以制造技术为主导技术进行产品制造的行业，是所有与制造有关的企业群体,我国制造分类和构成,表1.1第一、二、三产业的划分,1.1制造、制造系统和制造业,一个国家经济发展的支柱国民经济收入的重要来源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,制造业地位,1.1制造、制造系统和制造业,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（美国78%，日本96%，我国81%-1995年）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,制造业的作用,制造是人类文明的物质支柱之一,直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。恩格斯自然辩证法,人类社会发展所依赖的物质文明支柱除了材料、能源、信息外，还应包括“制造”。,物质财富是人类社会生存和发展的基础，制造是人类创造物质财富最基本、最重要的手段,直接创造国民生产总值的1/3,制造业对国民经济的贡献,占整个工业生产的4/5,为国家财政提供1/3以上的收入,对出口总额的贡献率90%,宇航,生物工程,微电子,光电子,为科技和教育发展提供经费支持和实验装备-是国家高新技术产业的基础和载体,制造业的作用,实现军事现代化和国家安全的保障,现代武器装备是先进制造技术的载体；尖端制造技术和装备一直是西方国家技术封锁和限制的重点;保证就业率稳定，缓解就业压力，保障社会稳定。例：东芝事件(1982.121983.6)考克斯报告(90年代)控制高技术机床出口(2000),制造业的作用,综上所述,制造业是国家的战略性产业,高度发达的制造业，是实现工业化的必备条件,高度发达的制造业，是衡量国家国际竞争力的重要标志,高度发达的制造业，是决定国家在经济全球化进程中国际分工地位的关键因素,制造业战略地位,美国是世界上头号工业强国,也是制造业头号强国,70年代开始美国科技优势和经济竞争力衰退:把制造业看成是“夕阳工业”。80年代后期，国会议员、政策咨询和研究机构纷纷要求政府支持和重视产业技术的发展，1991年，美国白宫发表了美国国家关键技术的报告，明确将柔性计算机集成制造、智能加工设备、微米级和毫米级制造以及系统管理技术等，作为制造技术领域，列入总数为22项的国家关键技术中。,2、先进制造技术的基本内容,2.1先进制造技术的提出、内涵及特点,1993年2月，克林顿在硅谷提出了促进先进制造技术发展的六点行动加大资助，开发新一代汽车、新建筑技术、智能控制和传感器技术、快速原型设计及考虑环境的制造技术；支持灵活制造；建立全国制造技术推广中心网；促进本地区技术联盟的建立；促进制造工程教育的发展；促进考虑环境的制造技术的发展。,美国是世界上头号工业强国,也是制造业头号强国,2、先进制造技术的基本内容,2.1先进制造技术的提出、内涵及特点,美国先进制造技术计划和制造技术中心计划先进制造技术计划：1994年度拨款14亿美元。制造技术中心计划（MTC）：又称合作伙伴计划，指政府和企业在发展制造技术上进行密切合作。在全国建立170家制造技术中心，帮助企业通过技术进步节约。,先进制造技术得到重视,2、先进制造技术的基本内容,2.1先进制造技术的提出、内涵及特点,欧共体ERECA、ESPRIT、BRITE计划ERECA（尤里卡）计划：1988年拨款5亿美元资助16个欧洲国家600家企业的165个合作项目。ESPRIT（欧洲信息技术研究发展战略）计划：13个成员国向5500名研究人员提供资助。BRITE（欧洲工业基础研究）计划：重点资助材料、制造加工、设计以及工厂系统运作等方面的研究。,先进制造技术得到重视,2、先进制造技术的基本内容,2.1先进制造技术的提出、内涵及特点,韩国的先进制造系统计划1991年底韩国提出了“高级先进技术国家计划”，通常称为G7计划。目标：到2000年把韩国的技术实力提高到世界第一流工业发达国家的水平。已达到。G7计划包括七项先进技术及七项基础技术。投资62亿美元。共性基础技术、下一代加工系统、集成技术、智能技术。,先进制造技术得到重视,2、先进制造技术的基本内容,2.1先进制造技术的提出、内涵及特点,我国对先进制造技术的发展给予充分重视1995年：“九五”计划和2010年远景目标的建议中明确要大力采用先进制造技术。国家各类攻关计划国家计委重视：如数控系统及装备研究等。国家自然科学基金会。S863，973计划。“十五”规划中，先进制造技术是国家重点发展的第四关键领域。,先进制造技术得到重视,2、先进制造技术的基本内容,2.1先进制造技术的提出、内涵及特点,国家中长期科技规划16个重大专项1.核心电子器件、高端适用芯片及基础软件产品2.极大规模集成电路制造装备及成套工艺3.新一代宽带无线移动通信网4.高档数控机床与基础制造装备5.大型油气田及煤层气开发6.大型先进压水堆及高温气冷堆核电站7.水体污染的控制与治理8.转基因生物新品种培育,先进制造技术得到重视,2、先进制造技术的基本内容,2.1先进制造技术的提出、内涵及特点,国家中长期科技规划16个重大专项9.重大新药创制10.艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治11.大型飞机12.中国第二代卫星导航系统13.高分辨率对地观测系统14.载人航天与探月工程15.高超声速飞行器科技工程16.惯性约束核聚变点火,先进制造技术得到重视,2、先进制造技术的基本内容,2.1先进制造技术的提出、内涵及特点,1.社会经济发展背景,消费需求：主题化、个性化和多样化，产品寿命周期缩短全球性产业结构调整：制造商之间既有激烈竞争，又有基于实力的合作。快速响应市场：满足已有和潜在顾客需求，主动适应市场，引导市场，是赢得竞争，获取最大利润的关键,1.2.1先进制造技术产生背景,制造技术在向宏观(制造系统)和微观(超精密加工)两个方向发展现代制造业成为技术密集、知识密集型产业信息成为制造业决定性因素，Intranet/Internet对制造业产生重大影响,2.科学技术发展背景,1.2.1先进制造技术产生背景,资源匮泛，污染严重环境问题不能以牺牲今后几代人的利益为代价由粗放经营、掠夺式开发向集约型、可持续发展转变,3.可持续发展战略,1.2.1先进制造技术产生背景,1.2先进制造技术的发展,1.2.2制造技术的进步和发展纵观近两百年制造业的发展历程，影响制造技术发展最主要的因素是：技术的推动；市场的牵引。,上一页,下一页,返回,1.2先进制造技术的发展,近两百年来，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。,上一页,下一页,返回,1.2先进制造技术的发展,近两百年来，在市场需求不断变化的驱动下，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。,上一页,下一页,返回,1.2先进制造技术的发展,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。,上一页,下一页,返回,近现代制造技术的发展阶段,工场式生产阶段-18世纪后半叶，完成手工作坊到以分工为原则的工厂生产的转变（蒸汽机和工具机）工业化规模生产阶段-19世纪，实现了批量工业化规范生产（电气化驱动）刚性自动化发展阶段-20世纪初，以大批量生产为模式的刚性自动化（内燃机）柔性自动化发展阶段-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。综合自动化发展阶段-自80年代,CAD/CAM/CAP/CAE/CAT；MRP,MRP,ERP,TQM；DNC,CNC,FMC/FMS,ROBOT；CIMS,CE,LP,1.2先进制造技术的发展,自18世纪以来，制造技术的发展经历了五个发展时期。,1.2先进制造技术的发展,1.2.2先进制造技术的发展趋势,上一页,下一页,返回,“精（精确化）”是发展的关键“极（极端、极限）”是发展的焦点,“绿（绿色）”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（数字化）”是发展的核心“自（自动化）”是发展的条件“集（集成化）”是发展的方法“网（网络化）”是发展的道路“智（智能化）”是发展的前景,制造产品：,制造过程：,制造方法：,“精”是发展的关键精确化加工精度精密化人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级；,发展趋势制造产品：“精”“极”,“精”是发展的关键精确化操作尺度细微化基因操作机械，其移动距离为纳米级，移动精度为0.1纳米级,发展趋势制造产品：“精”“极”,“精”是发展的关键精确化物理性能精确化物理性能、力学性能、化学性能、生化性能等等控制要求纳米化,发展趋势制造产品：“精”“极”,电子制造中高精度：控制趋于纳米级加工趋于亚纳米级超微细：芯片线宽100nm运动副间隙12nm高加速度：封装运动12g高可靠性：芯片千小时失效率1/109,发展趋势制造产品：“精”“极”,超精密加工,20世纪初：10微米30年代：1微米50年代：0.1微米70-80年代：0.01微米目前：0.001微米（纳米加工）,发展趋势制造产品：“精”“极”,“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”,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”,2002年原子级纳米“晶体管”（电极相距1nm）2003年世界最小的电动机纳米电动机（直径500nm）量子计算机基本电路（1/500mm）2004年能停或暂停的分子马达用核磁共振观测到单个电子2005年超大容量纳米级信息存储材料2006年世界最小的发电机纳米发电机,发展趋势制造产品：“精”“极”,“绿”是发展的必然绿色“保护环境，就是保护生产力；改善环境，就是发展生产力”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。纲要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”,“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”,1870-1980：加工过程效率20倍管理效率1.8-2.2倍设计效率1.2倍CAX技术脑力劳动自动化。制造业中NC的重大基础作用。,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，整个产品的生产体系是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”,“知识经济”的本质是“智力经济”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）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,二十一世纪科学技术发展的总趋势,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）,3.3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,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,二十一世纪改变人类的科学与技术,1.3先进制造技术的内涵和体系结构,先进制造技术的内涵,下一页,返回,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的全过程，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。,内涵,先进制造技术的三个层次,第一层次：基础技术优质、高效、低耗、清洁基础制造技术第二层次：新型单元技术新型的先进制造单元技术第三层次：集成技术先进制造集成技术,1.3.1先进制造技术的内涵及技术构成,优质、高效、低耗清洁基础制造技术（基础技术）,MRPII,CADCAM,数控技术,机器人技术,FMC,清洁生产技术,并行工程,质量与可靠性技术,系统管理技术,集成技术,CIMS,IMS,FMS,新型产业及市场需求带动（重大装备、高新技术产业、社会协调发展）,系统工程及管理科学,激光等新能源的技术,微电子及计算机应用技术,新材料技术,1.3.1先进制造技术的内涵及技术构成,先进制造技术的内涵、层次及其技术构成示意图,1.3.2先进制造技术的特点,1.3.3先进制造技术的体系结构及分类,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,管理技术群,1、体系结构,1.3.3先进制造技术的体系结构及分类,2、先进制造技术的分类,根据先进制造技术的功能和研究对象，可将先进制造技术归纳为如下几个大类。,现代设计方法。包括有模块化设计、系统化设计、价值工程、模糊设计、面向对象的设计、反求工程、并行设计、绿色设计、工业设计等。,产品可信性设计。包括可靠性设计、安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、防疲劳设计、耐环境设计、健壮设计、维修设计和维修保障设计等。,设计自动化技术。包括产品的造型设计、工艺设计、工程图生成、有限元分析、优化设计、模拟仿真虚拟设计、工程数据库等内容。,1.3.3先进制造技术的体系结构及分类,高效精密成形技术,精密洁净铸造成形工艺；精确高效塑性成形工艺；优质高效焊接及切割技术；优质低耗洁净热处理技术；快速成形和制造技术,现代特种加工工艺高能束加工；电加工；超声波加工；水射流加工；纳米技术及微细加工。,高效高精度切削加工工艺精密和超精密加工；高速切削和磨削；复杂型面的数控加工；游离磨粒的高效加工。,1.3.3先进制造技术的体系结构及分类,表面改性、制膜和涂层技术化学镀层处理；非晶态合金技术；节能表面涂装技术表面强化处理技术；热喷涂技术；激光表面熔复处理技术等离子化学气相沉积技术,75,精密成形制造技术,指从制造工件的毛坯、从接近零件形状向直接制成工件即精密成形或称净成形的方向发展。,精密加工和超精密加工技术,精密、超精加工和超精密加工技术是指对工件表面材料进行