先进制造技术1课

1、先进制造技术与系统 前言 本课程将带领你到一个神奇的领域中去游览。这个领域与你的关系是如此之密切，以致于你每时每刻都 在与它打交道。你目之所及、身之所用多是这一领域的劳动成果 可是，对于这一领域，你可能又知之甚少，感到十分陌生。在新的世纪即将来临的今天，对于这一领域 的突飞猛进的发展，对它所创造的令人惊异的奇迹与辉煌，你应该有所了解。 这个领域就是制造领域。本课程将向您讲述当代先进制造技术的各方面知识 , 这些内容，将会令你惊叹，让 你着迷，鼓励你开拓新的知识疆界，帮助你提高适应新世纪的能力。 制造业创造了人类的物质文明， 而今天的先进制造技术又是人类物质文明所创造的最伟大的奇迹之一。 第一章

2、先进制造技术概述先进制造技术(Advance Manufacturing Technology ， AMT) 定义 : 是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与管理科学等多学科先进技术的综合，并应用 于制造工程之中所形成的一个学科体系。 ? ? 第一节 制造技术的基本概念与发展概况 ? 制造业的主要任务 制造人类社会在生产和生活中所需的一切产品。即： ? 一方面创造价值，产生物质财富和新的知识。 ? 另一方面为国民经济各个部门，包括国防和科学技术的进步和发展提供先进的手段和装备。 据估计，工业化国家约 70 -80的物质财富来自制造业，因此，很多国家特别是美国把制定制造业发展 战略列

3、为重中之重，原因是 ? 世界经济发展的趋势表明，制造业是一个国家经济发展的基石，也是增强国家竞争力的基础； ? 制造业是解决就业矛盾的一个重要领域，也是21 世纪提高一个国家整体就业水平的重要基础； ? 制造业不仅是高新技术的载体，而且也是高新技术发展的动力。 ? 一、制造系统与制造技术 ? “制造 ”定义 : ?(Manufacturing is series of interrelated activities and operations involving the design ， materials selection， planning ， production ，qauality

4、 assurance， management and marketing of the products of the manufacturing industries） 。 ? 制造是一个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。 国际生产工程学会 1990年 制造系统 （Manufacturing Systern） 定义： 制造系统是制造过程及其所涉及的硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置以及有关软件包括 制造理论、制造技术 （制造工艺和制造方法等 ）和制造信息等组成的一个具有特定功能的有机整体。 制

5、造技术 （Manufacturing Technology） 定义 制造技术是按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物质工具，使原材料转变为产品的技术总称。 先进制造技术的提出和发展只是近 20年间的事情。 、传统制造业及其技术的发展 ? 制造技术发展，从蒸汽机出现到今天，经历三个发展阶段： ? 1 用机器代替手工，从作坊形成工厂 ?在 19 世纪及 20 世纪初，各种金属切削加工工艺方法陆续形成，近代制造技术已成体系。 ?机器 （ 包括汽车 ）的生产方式是作坊式的单件生产。它产生于英国，先后传到法国、德国和美国，并在美国首 先形成了小型的机械工厂，使这些国家的经济得到了发展，国力大大增

6、强。 2从单件生产方式发展成大量生产方式 ? 推动这种根本变革的是两位美国人： ? 泰勒和福特。 ? 泰勒首先提出以劳动分工和计件工资制为基础的 科学管理 ，成为制造工程科学的奠基人。 ? 福特首先推行所在零件都按照一定的公差要求来加工 （零件互换技术 ） ，1913年建立了具有划时代意义的 汽 车装配生产线 ，实现了以刚性自动化为特征的大量生产方式，它对社会结构、劳动分工、教育制度和经济 发展，都产生了重大的作用。 20世纪50年代发展到了顶峰，产生了工业技术的革命和创新，传统制造业及其大工业体系也随之建立和逐渐 成熟。 ? 近代传统制造工业技术体系的形成，其特点是以机械一电力技术为核心的各

7、类技术相互联结和依存的制造 工业技术体系。 3.柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术 ? 20世纪 80年代以来所产生的现代制造技术沿着 4 个方向发展 ? 传统制造技术的革新、拓展； ? 精密工程； ? 非传统加工方法； ? 制造系统的柔性化、集成化、智能化和网络化。 传统制造业的生产和技术的特点 : ? (1) 单件小作坊式生产加高度的个人制造技巧， 大量的机械化刚性规模生产加一体化的组织生产模式， 再加 细化的专业分工。 ? (2) 制造技术的界限分明及其专业的相互独立。 ? (3) 制造技术一般仅指加工制造的工艺方法， 即制造全过程中某一段环节的技术方法。 ? (4) 制造技术

8、一般只能控制生产过程中的物质流和能量流 ( 原材料到产品的物质流运过程，能量的投入、转 换和消耗过程 ) 。 ? (5) 制造技术与制造生产管理的分离。 三、现代制造及其技术的发展 ? 新技术的发展和传统技术的革新、发展及完善： ? 新兴材料技术 ( 新冶炼技术、新合金材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料等 ) ； ? 新切削加工技术 ( 数控机床、新刀具、超高速和精密加工 ) ； ? 大型发电和传输技术； ? 核能技术； ? 微电子技术 ( 集成电路、计算机、电视、广播和雷达 ) ； ? 自动化技术； ? 激光技术； ? 生物技术和系统工程技术。 传统制造业在 20世纪开始的新的革命性

9、的变化和进步，传统制造开始向现代制造发展。 ? 现代制造及其技术的形成和发展特点是： (1) 生产规模： ?从少品种大批量，发展到单件小批量、多品种变批量。 (2) 生产方式： ?从劳动密集型，发展到设备密集型、信息密集型、知识密集型。 (3) 制造装备： ?从手工，发展到机械化、单机自动化、刚性自动线、柔性自动线+智能自动化。 ?(4) 制造技术和工艺方法： 发展中现代制造特征表现为： 重视必不可少的辅助工序，如加工前后处理； 重视工艺装备， 使制造技术成为集工艺方法、 工艺装备和工艺材料为一体的成套技术； 重视物流、检验、包装及储藏，使制造技术成为覆盖加工全过程的综合技术， 发展优质高效低

10、耗的工艺，取代落后 1 ? 吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果，形成CAD、CAM、CAPP、CAT、CAE、NC、 CNC、 MIS、FMS、 CIMS、 IMT、 IMS 等一系列现代制造技术。 ?实现上述技术的局部或系统集成，形成从单机到自动生产线等不同档次的自动化制造系统； (5) 引人工业工程和并行工程概念： ? 强调系统化及其技术和管理的集成，将技术和管理有机地结合在一起； ? 引入先进的管理模式，使制造技术及制造过程成为覆盖整个产品生命周期，包含物质流、能量流和信息流 的系统工程。 四、制造业发展过程中竞争的焦点和策略 ? 市场竞争是制造业永恒的话题。从 100 多年前福特

11、 (Ford) 汽车的生产线开始，产生和应用不同的技术和管 理模式 (见表 11)。 20世纪是制造业空前发展的重要时期；制造系统的集成活动异常活跃，制造模式不断更新。 ? 制造技术广泛吸收高新技术的优秀成果，并相互渗透、融合和衍生，产生急剧的变化，其目的是使所制造 的产品 (Product) 达到： ? 功能 (Function) 、 ? 交货期 (Time to Market) 、 ? 质量 (Quality) 、 ? 价格 (Cost) 、 ? 服务 (Service) 均为优良。 五、先进制造技术与制造模式的发展历程 20世纪末，以微电子、信息、新材料、系统科学等为代表的新一代科学与技

12、术的迅猛发展及其在控制领域中 的广泛渗透、应用和衍生，极大地拓展了制造活动的深度和广度，急剧地改变了现代制造业的产品设计方法、 产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产生一大批新的制造技术和制造模式。 现代制造业已成为发展速度快、技术创新能力强、技术密集和知识 密集的部门。 为适应这种情况的变化，美国、日本等国开展了大量的对策研究。 提出了许多新观点，新思想、新概念，先后诞生了许多先进制造技术、 模式与系统，例如 ? 柔性制造系统 (Flexible Manufacturing System， FMS) ? 计算机集成制造系统 CIMS ? 并行工程 (Concurrent En

13、gineering ， CE) ? 精良生产 (Lean Production ， LP) ? 智能制造系统 (Intelligent Manufacturing System， IMS) ? 敏捷制造系统 (Agile Manufacturing System ， AMS) ? 全能制造系统 (Holonic manufacturing System ， HMS) ? 虚拟制造系统 (Virtual Manufacturing System ， VMS) ? 全球制造 (Globalization Manufacturing) 系统等。见下图 第二节 面向知识经济的制造业 信息技术和计算机网

14、络技术的发展 各国的经济离不开与国际市场的信息、技术、资源和产品的交换。 由此，一方面开阔了企业的市场，另一方面也给企业带来了全球范围的竞争压力。 ? 新经济也是全球性经济， 生产过程不再局限于一国范围， 而是形成 “无国界的经济实体 ”。 ? 企业间竞争与合作、开放与限制并存的局面，必将引起世界经济结构与组织结构的重大变化，从而带来制 造业的一场革命。 一、知识经济的特征与对制造业的影响 知识经济对制造工业的影响： ? 对产品和消费观念的改变 ? 产品设计和制造过程的数字化和智能化 ? 经营和制造活动的全球化等。 ? 制造技术质的飞跃： ? 制造技术已成为一个涵盖整个生产过程、跨多个学科、高

15、度集成的高新技术。 ? 支撑制造技术的电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光及管理科学等逐步成为制造业的新兴 技术与新兴工业的综合体。 问题：在知识经济条件下，制造业的地位是否降低了 在知识经济条件下，制造业是参与市场竞争的主体。世界经济发展规律告诉人们： ? 一个没有工业基础和制造业的城市是没有根基的城市。 ? 制造业能极大地推动金融、贸易、保险、房地产和服务业的发展。 ? 没有制造业作为基础，无论哪一个产业都将失去存在和发展的条件。 案例说明 制造技术的水平和制造工业的发达程度突出地反映了一个国家、一个地区的经济实力，人民的生活质量、国 防能力和社会的发展程度。 ? 一个国家如果不

16、重视发展先进制造技术和制造工业，必然要吃亏、上当、挨打。 ? 以下仅举两个比较突出的事例来说明。 美国在二战以前一直是制造大国 ?轿车工业为支柱， 在全球制造业中居于执牛耳的地位。 ? 20 世纪 50 年 代以后，因军备需要，偏重高新技术和军用技术发展，放松一般制造业。 ?进入 70 年代后期，“第三次浪潮 论在美国流传开来， 认为美国进入 “后工业社会 ”。劳动力将从工业转移到信 息行业和服务行业。 ?认为制造业已成为正在走向没落的“夕阳工业”，制造技术的发展受到冷遇。 ?大学里不再开设制造技术和制造科学课程，也少有相关研究课题。放弃了关于制造工程和制造科学方面的教 育和研究工作。 ?所谓

17、 “第三次浪潮 即信息革命， “后工业社会 ”就是知识经济社会。 ? 这些都是正确的论断。劳动力的第二次大转移也是正在发生的事实。 ? 问题出在将制造业视为正在走向没落的 “夕阳工业 ”，过于简单和轻 率，不符合其后经济发展的事实。 事实证明，知识经济的发展，不是要放弃制造业，而是要按照知识经济的特点和要求来改造制造业，使 传统的制造业发展成为先进制造业，为现代社会经济的发展发挥不可替代的作用。 ? “夕阳工业 论对于美国制造业和美国经济的负面影响 20世纪的 70-80 年代 ? 在微电子工业、汽车工业的国际市场竞争 ? 日本的高质量和高技术含量的产品，如汽车、摩托车、机床、录相机、照相机、

18、电视机等产品以及亚洲和 拉美国家的一些廉价产品夺走了相当一部分原属美国产品的国际市场，乃至于部分美国的国内市场 美国机床工业放弃了原已占领的 53 的市场，其年产值在 12年间从 57 亿美元跌落到 38亿美元。 ?1986年，该国仍有一半机床需要进口。 ? 1973年石油危机，日本的节能型轿车大举进入美国，占领了相当一部分美国国内市场。直到90年代初，美 国仍有 1 4以上的国内汽车市场被日本汽车占领。 ? 在那一段时期，美国的制造业在国际市场竞争中节节败退，物资生产基础遭到严重的削弱，第二、第三产 业的比例严重失调，国际贸易逆差剧增，经济空前滑坡，美国公众和舆论界惊呼这种情况 “危及美国国

19、家的安全 ! ” “帝国反击战 ”美国的补救行动 美国政府和企业界重新审视其科学技术政策和产业政策，重新认识和评价制造技术和制造业在国民经济中的 重要地位和作用。 ?总统委员会的报告指出： “美国在重要的、高速增长的技术市场上失利的 个重要原因是美国没有把自已的 技术应用到制造业上。 ”?美国开始加强对制造技术的研究与开发，相继实施了一系列振兴 制造业的计划，力图夺回昔日的优势，重建新的辉煌。 政府、公司与大学联手开展关于制造科学和制造技术的研究、开发与教育工作，建立了一系列工业大 学联合研究中心。 ? 1991年美国总统布什公布了 “国家关键技术计划 ”，将 “制造技术 ”列入六项关键技术

20、（ 材料、制造、电子信 息、生物工程与生命科学、能源与环境以及航空、航天与地面交通）之中。 ? 1994年被定为美国的 “制造技术年 ”，年初，美国商务部提出：制造是工业的基础。 ?美国政府一反过去不介入制造业的惯例，积极支持与推动制造业的发展。将制造技术列为美国财政重点扶植 的唯一的领域。 ?美国的 “三大汽车公司 ”（ 通用、福特和克莱斯勒 ）以日本汽车公司为对手，研究赶超的主要措施和对策。 ?例如，在 20 世纪 90 年代初，三大汽车公司与密西根大学合作，在政府的支持下，开展了一项提高轿车车身 点焊总成的精度、 降低车门门缝的平均宽度的研究， 即所谓“两毫米工程” 。对这一项研究所投入的经费达 1300 多万美元。 ? 克林顿总统上台后， 对制造工业给予了实质性的支持。 提出并实施了振兴美国制造业的六点措施： ? 第一，对先进制造技术的研究和开发提供更多资助，特别是新汽车技术、智能控制和传感器、快速原型设 计等制造技术的研究开发计划将得到赞助； ? 第二，支持敏捷制造技术； ? 第三，建立全国制造技术推广中心网； ? 第四，建立各地区的技术促进联盟； ? 第五，促进制造工程教育的发展； ? 第六，促进考虑环境的制造技术的发展。 经过了一段时期的努力奋斗，收到良好的效果，在制造技术基础研究、技术创新、企业重组与协作等方面