现代机械制造技术

1、第第9章章 现代现代机械制造技术机械制造技术 9.1 概述概述 9.2 数字化设计与制造技术数字化设计与制造技术 9.3 先进生产模式先进生产模式 9.4 自动化制造系统自动化制造系统 .2 9.1 概述概述 先进制造技术：先进制造技术：是将制造技术、信息技术、现代管理是将制造技术、信息技术、现代管理 技术综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、技术综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、 使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、使用、服务乃至回收的全过程，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

2、争能力的制造技术的总称。应能力和竞争能力的制造技术的总称。 美国美国2121世纪制造企业发展战略世纪制造企业发展战略 “当前正在发生的制造业的转变，对美国社会的影响当前正在发生的制造业的转变，对美国社会的影响 是深远的是深远的” 。 “ “全世界主要企业都要建立一个从大规模生产向敏全世界主要企业都要建立一个从大规模生产向敏 捷制造转变的模式，捷制造转变的模式， 这种情况为美国恢复其在这种情况为美国恢复其在 70年代年代 和和 80年代失去的领导地位提供了一次难得的机会年代失去的领导地位提供了一次难得的机会”。 美国美国“必须立即采取行动，夺回美国在制造业中的世必须立即采取行动，夺回美国在制造业

3、中的世 界领导地位界领导地位”。 .3 现代制造企业面临的全球竞争现代制造企业面临的全球竞争 消费需求多样化消费需求多样化 资源问题资源问题 环境问题环境问题 .4 现代制造企业经营战略的变化现代制造企业经营战略的变化 7070年代以前：成本年代以前：成本(C)(C) 7070年代年代 8080年代年代 ：质量：质量(Q)(Q) 8080年代年代 9090年代初年代初 ：交货期：交货期(T)(T) 9090年代年代 9090年代末年代末 ：服务：服务(S)(S) 2121世纪：环境世纪：环境(E)(E)，知识创新，知识创新(K)(K) .5 生产方式的演变生产方式的演变 大批量生产大批量生产

4、刚性制造线刚性制造线 多品种小批量多品种小批量 柔性制造柔性制造 大批量定制大批量定制 敏捷制造敏捷制造 信息化程度信息化程度 网络化网络化 设计制造设计制造 1960s1980s2000s .6 全面提升企业竞争力的五大要素全面提升企业竞争力的五大要素 企业动态联盟 协同设计制造 高质量高质量(客户满意度高客户满意度高) 低成本低成本 服务好服务好 对环境危害小对环境危害小 新产品上市快新产品上市快 Q Q C CT T E ES S .7 现代制造技术的发展现代制造技术的发展 新材料新技术：新材料新技术：高强度高性能合金、陶瓷、复合材料高强度高性能合金、陶瓷、复合材料 加工精密化：加工精密

5、化：常规常规0.01mm1m0.1 m 0.01 m 1nm 高效自动化：高效自动化：自动化加工技术、高速加工、快速制造自动化加工技术、高速加工、快速制造 管理科学化与信息化：管理科学化与信息化：人才管理、质量管理、资源管人才管理、质量管理、资源管 理、知识管理理、知识管理 .8 9.2 数字化设计与制造数字化设计与制造 数字化设计与制造数字化设计与制造是指利用数字化技术完成产品设是指利用数字化技术完成产品设 计和制造的全过程，包括了产品计和制造的全过程，包括了产品3D设计、虚拟装配、设计、虚拟装配、 仿真、虚拟制造、虚拟检测和通过数字化机床加工出仿真、虚拟制造、虚拟检测和通过数字化机床加工出

6、 实际的产品。实际的产品。 实施先进制造技术的首要目标是实施先进制造技术的首要目标是经济效益经济效益，现有条，现有条 件则是实施的基础，因此，先进一定要适用才能产生件则是实施的基础，因此，先进一定要适用才能产生 效益。效益。 综观国内外先进制造技术的现状和发展可以看出，综观国内外先进制造技术的现状和发展可以看出， 数字化设计与制造是先进制造技术的核心技术数字化设计与制造是先进制造技术的核心技术，是实，是实 施其它先进制造技术的平台。施其它先进制造技术的平台。 .9 9.2 数字化设计与制造数字化设计与制造 数字化技术数字化技术是指以计算机硬件、软件、信息存储、通是指以计算机硬件、软件、信息存储

7、、通 信协议、周边设备和互联网络等为技术手段，以信息科信协议、周边设备和互联网络等为技术手段，以信息科 学为理论基础，包括信息离散化表述、扫描、处理、存学为理论基础，包括信息离散化表述、扫描、处理、存 储、传递、传感、执行、物化、支持、集成和联网等领储、传递、传感、执行、物化、支持、集成和联网等领 域的科学技术集合。域的科学技术集合。 数字化技术和各种专业技术相融合就形成了各种数字数字化技术和各种专业技术相融合就形成了各种数字 化专业技术，如数字化制造技术、数字化设计技术、数化专业技术，如数字化制造技术、数字化设计技术、数 字化视听技术等。相对传统制造技术，字化视听技术等。相对传统制造技术，数

8、字化制造技术数字化制造技术 是一项融合数字化技术和制造技术，且以制造工程科学是一项融合数字化技术和制造技术，且以制造工程科学 为理论基础的重大的制造技术革新，是先进制造技术的为理论基础的重大的制造技术革新，是先进制造技术的 核心，有广阔的应用前景。核心，有广阔的应用前景。 .10 国家国家“制造业信息化工程制造业信息化工程” ： 制造业占传统产业产值总量的制造业占传统产业产值总量的80；投资百亿元打；投资百亿元打 造造“制造业信息化工程制造业信息化工程” 抓好抓好5个数字化，建个数字化，建2000个个 数字化企业。数字化企业。 制造业信息化的内涵制造业信息化的内涵是将信息技术、自动化技术、是将

9、信息技术、自动化技术、 现代管理技术与制造技术相结合，建造现代化的新兴现代管理技术与制造技术相结合，建造现代化的新兴 制造业，全面提升我国制造业的国际竞争力。制造业，全面提升我国制造业的国际竞争力。 我国我国“制造业信息化工程制造业信息化工程”将突出抓好将突出抓好5个数字化：个数字化： 数字化设计、数字化生产、数字化装备、数字化管理、数字化设计、数字化生产、数字化装备、数字化管理、 数字化企业。数字化企业。 9.2 数字化设计与制造数字化设计与制造 .11 数字化设计制造技术主要内涵数字化设计制造技术主要内涵 数字化技术和制造技术不断融合数字化技术和制造技术不断融合形成数字化制造技术：形成数字

10、化制造技术： 以以CAD CAE CAPPDFxVMRE RP CAM 以及成型和加工工艺仿真等为主体的以及成型和加工工艺仿真等为主体的上游骨上游骨 干技术群干技术群。 由由NCNGCMCCNCDNCFMCFMS Webbased制造、无图纸制造和机器人、物流制造、无图纸制造和机器人、物流 系统等组成的系统等组成的下游数字控制制造技术群下游数字控制制造技术群。 以以IGES、STEP、MRPII、ERP、MIS、PDM、 TDM、工程数据库和因特网等为主体的、工程数据库和因特网等为主体的制造信息支制造信息支 持技术群持技术群 .12 9.3 先进生产模式先进生产模式 生产模式生产模式是指企业的

11、劳务、资源（包括能源、物料、是指企业的劳务、资源（包括能源、物料、 装备、技术、信息与知识）、资本金、企业营销、企装备、技术、信息与知识）、资本金、企业营销、企 业组织与生产管理等要素的存在状态及其动态运作方业组织与生产管理等要素的存在状态及其动态运作方 式。制造企业的生产模式也称为式。制造企业的生产模式也称为制造模式制造模式。 先进生产模式的特点先进生产模式的特点 (1) 注重管理体制的革新；注重管理体制的革新； (2) 注重充分发挥人的作用；注重充分发挥人的作用； (3) 特别强调计算机的应用等。特别强调计算机的应用等。 .13 9.3 先进生产模式先进生产模式 先进生产模式发展的动因先进

12、生产模式发展的动因 产品更新换代加快、交货期已成为主要的竞争因素产品更新换代加快、交货期已成为主要的竞争因素 用户需求的多样化和个性化逐渐成为世界的潮流用户需求的多样化和个性化逐渐成为世界的潮流 多品种小批量生产比例增大多品种小批量生产比例增大 大市场和大竞争大市场和大竞争 .14 先进生产模式的形式先进生产模式的形式 标准化与互换性标准化与互换性 成组技术成组技术 柔性制造柔性制造 准时制生产准时制生产 精益生产精益生产 计算机集成制造计算机集成制造 敏捷制造敏捷制造 并行工程并行工程 网络制造网络制造 全球制造全球制造 智能制造智能制造 .15 计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS

13、 CIMS是根据是根据CIM理念研发的计算机化、信息化、理念研发的计算机化、信息化、 智能化、集成优化的制造系统，称为计算机集成制造智能化、集成优化的制造系统，称为计算机集成制造 系统，或现代集成制造系统。系统，或现代集成制造系统。 CIMS是以系统工程理论为指导，强调信息集成和是以系统工程理论为指导，强调信息集成和 适度自动化，以过程重组和机构精简为手段，在网络适度自动化，以过程重组和机构精简为手段，在网络 和数据库支持下，将制造企业的全部要素和数据库支持下，将制造企业的全部要素(人、技术、人、技术、 管理管理)和全部经营活动集成为一个有机的整体，实现和全部经营活动集成为一个有机的整体，实现

14、 以人为中心的柔性化生产，使企业在新产品开发、制以人为中心的柔性化生产，使企业在新产品开发、制 造、质量、成本、相关服务、交货期和环境保护等方造、质量、成本、相关服务、交货期和环境保护等方 面均取得整体最佳的效果。面均取得整体最佳的效果。 .16 精益生产精益生产LP 精益生产定义精益生产定义贯彻以人为中心的思想，通过贯彻以人为中心的思想，通过 系统结构调整，精简生产过程中一切无用、多余的系统结构调整，精简生产过程中一切无用、多余的 东西，使生产系统能很快适应用户需求的不断变化，东西，使生产系统能很快适应用户需求的不断变化， 并能最终达到包括市场供销在内的生产的各方面最并能最终达到包括市场供销

15、在内的生产的各方面最 好的结果。好的结果。 .17 精益生产的体系结构精益生产的体系结构 把精益生产比做一座大厦，其基础是在计算机网络把精益生产比做一座大厦，其基础是在计算机网络 支持下的、以小组化工作的并行工作方式。其支柱是：支持下的、以小组化工作的并行工作方式。其支柱是： (1) 全面质量管理；全面质量管理； (2) 准时生产和零库存；准时生产和零库存； (3) 柔性成组技术；柔性成组技术； (4) 企业重组，精简化；企业重组，精简化； (5) 以人为中心，充分发挥人的主观能动性。以人为中心，充分发挥人的主观能动性。 这座大厦的屋顶就是精益生产体系。这座大厦的屋顶就是精益生产体系。 .18

16、 并行工程并行工程 并行工程并行工程是一种综合经营、工程和管理的哲理、指导是一种综合经营、工程和管理的哲理、指导 思想、方法论和工作模式。思想、方法论和工作模式。 美国国防分析研究所美国国防分析研究所(IDA) (IDA) 的定义：的定义： “并行工程并行工程是对产品及其相关过程是对产品及其相关过程( (包括制造过程包括制造过程 和支持过程和支持过程) )进行并行、一体化设计的一种系统化的进行并行、一体化设计的一种系统化的 工作模式。这种模式力图使开发者从一开始就考虑到工作模式。这种模式力图使开发者从一开始就考虑到 产品生命周期产品生命周期( (从概念形成到产品报废从概念形成到产品报废) )中

17、的所有因素，中的所有因素， 包括质量、成本、进度与用户需求等。包括质量、成本、进度与用户需求等。” .19 串行过程和并行工程的比较串行过程和并行工程的比较 （a）串行开发流程串行开发流程 概念设计概念设计详细设计详细设计过程设计过程设计 原型制造原型制造 及测试及测试 生产制造生产制造 修改反馈频繁修改反馈频繁 产品生命周期产品生命周期 （b）并行开发流程并行开发流程 概念设计概念设计 详细设计详细设计 过程设计过程设计 原型制造原型制造 及测试及测试 生产制造生产制造 对结构和功能的对结构和功能的 改进意见改进意见 可加工性评价、可加工性评价、 质量评估质量评估 定位装夹可行定位装夹可行

18、性评估性评估 几何、特征几何、特征 、精度、精度 工艺过程、工艺过程、NC程序程序 、装夹方案、装夹方案 减少反馈次数减少反馈次数 缩短的产品开发时间缩短的产品开发时间 .20 9.4 自动化制造系统自动化制造系统 9.4.1 大批量生产机械制造系统自动化大批量生产机械制造系统自动化 单机自动化单机自动化 通用自动机机床床和半自动机床通用自动机机床床和半自动机床 组合机床单机组合机床单机 专用机床单机专用机床单机 普通机床自动化改造如：简易数控机床普通机床自动化改造如：简易数控机床 .21 机械加工自动线机械加工自动线 组成：自动机床、专用机床、组合机床、工件输送和转组成：自动机床、专用机床、

19、组合机床、工件输送和转 位装置、切屑输送装置、专用夹具及控制系统等。位装置、切屑输送装置、专用夹具及控制系统等。 综合自动化系统综合自动化系统 在单机自动化和自动线基础上，增加工件检验、热处在单机自动化和自动线基础上，增加工件检验、热处 理、清洗、装配、喷涂、包装等整个生产过程自动化。理、清洗、装配、喷涂、包装等整个生产过程自动化。 .22 9.4.2 多品种、中小批量生产制造自动化多品种、中小批量生产制造自动化 数控机床（数控机床（NC） l 组成：组成：主机、伺服系统、数控装置和输入装置主机、伺服系统、数控装置和输入装置 l 控制方式：控制方式： （1）运动控制：点动控制、直线控制、轮廓控

20、制）运动控制：点动控制、直线控制、轮廓控制 （2）伺服系统：开环控制、闭环控制、半闭环控制）伺服系统：开环控制、闭环控制、半闭环控制 （3）数控装置）数控装置 l 特点：特点： （1）加工精度高、稳定）加工精度高、稳定 （2）自动化程度高）自动化程度高 （3）适应性强）适应性强 （4）便于自动化管理）便于自动化管理 l CNC：计算机数控机床：计算机数控机床 l MC（加工中心）：带刀库和自动换刀装置的多工序加工（加工中心）：带刀库和自动换刀装置的多工序加工 数控机床数控机床 其发展趋势：其发展趋势：功能强、速度快、精度高功能强、速度快、精度高 .23 由有台或多台计算机控制多台数控机床实施综

21、合控制由有台或多台计算机控制多台数控机床实施综合控制 DNC系统系统 柔性制造单元（柔性制造单元（FMC） n加工中心配托盘交换系统加工中心配托盘交换系统 n数控机床配工业机器人数控机床配工业机器人 .24 自动化物流系统自动化物流系统 柔性制造系统（柔性制造系统（FMS） 自动化制造系统自动化制造系统 刀具系统刀具系统 夹具系统夹具系统 NC/MC机床NC/MC机床 零零件件、夹夹具具、刀刀具具输输送送 无无人人运运输输小小车车 自自动动化化仓仓库库 自动化控制系统：各部分的协调管理和控制自动化控制系统：各部分的协调管理和控制 .25 9.4.3 快速制造快速制造 快速成型制造快速成型制造R

22、P 快速成型（快速成型（Rapid prototypingRapid prototyping）技术）技术是由是由CADCAD三维模三维模 型数据直接驱动，集成现代型数据直接驱动，集成现代CADCAD技术、数控技术、激光技技术、数控技术、激光技 术、材料技术等，快速制造任意复杂形状三维物理实体术、材料技术等，快速制造任意复杂形状三维物理实体 的技术。的技术。 快速成型特点快速成型特点 快速成型工艺具有高柔性、快速性、高自动化，无需快速成型工艺具有高柔性、快速性、高自动化，无需 任何工装、模具投入，成型条件几乎与工件复杂程度无任何工装、模具投入，成型条件几乎与工件复杂程度无 关等特点。关等特点。

23、快速成型应用快速成型应用 快速成型技术极大的缩短了产品开发周期，降低了设快速成型技术极大的缩短了产品开发周期，降低了设 计风险，成倍降低了产品开发费用，已广泛应用于新产计风险，成倍降低了产品开发费用，已广泛应用于新产 品开发过程中的外观造型验证与结构、装配验证，精密品开发过程中的外观造型验证与结构、装配验证，精密 铸造、模具制造、产品市场开拓、宣传等领域。铸造、模具制造、产品市场开拓、宣传等领域。 .26 快速成型工艺快速成型工艺 1）立体印刷）立体印刷SLA：液态光敏树脂选择性固化。：液态光敏树脂选择性固化。 2）分层实体制造）分层实体制造LOM：薄形材料选择性切割并粘接。：薄形材料选择性切

24、割并粘接。 3）选域激光烧结）选域激光烧结SLS：粉末材料：粉末材料(如蜡粉、如蜡粉、PS粉、粉、ABS 粉、尼龙粉、覆膜陶瓷和金属粉等粉、尼龙粉、覆膜陶瓷和金属粉等)选择性激光烧结。选择性激光烧结。 变长线扫描变长线扫描SLS RPT：将：将SLS中中CO2激光束光斑变为激光束光斑变为 相同能量密度的可控细长线束进行激光烧结。相同能量密度的可控细长线束进行激光烧结。 高功率激光二极管线阵烧结高功率激光二极管线阵烧结SLS RPT：用若干个二极：用若干个二极 瞥通过光纤藕合后，将光纤输出端精密地排列成线阵瞥通过光纤藕合后，将光纤输出端精密地排列成线阵 代替代替CO2激光束。激光束。 .27 快速成型工艺快速成型工艺 4）熔融沉积造型）熔融沉积造型FDM：丝状材料选择性熔覆。：丝状材料选择性熔覆。 5）三维打印）三维打印3D-P：粉末材料选择性粘结。：粉末材料选择性粘结。 6）固基光敏液相法）固基光敏液相法SGC：光敏液掩膜紫外光曝光，空：光敏液掩膜紫外光曝光，空 隙处填充蜡料并磨平。隙处填充蜡料并磨平。 7）热塑性材料选择性喷洒：喷洒熔化的热塑性材料和）热塑性材料选择性喷洒：喷洒熔化的热塑性材料和 蜡在工作台基底上迅速冷却后形成固态