先进制造技术概论2

先进制造技术

AdvancedManufacturingTechnology机械工程学院周忆2010.11课程介绍绍先进制造造技术概概论先进制造造技术的的提出、、构成、、特点等等先进制造造加工技技术精密与超超精密加加工技术术超高速加加工技术术制造自动动化技术术微机械及及其微细细加工技技术先进制造造新概念念先进制造造模式、、制造理理念学习方式式课堂讲授授——讲授重点点、难点点自学——课程内容容50％自学实践环节节——收集资料料并自选选题目演演讲、讨讨论考核方法法考试或小小论文课程介绍绍教材和参参考文献献参考教材材王润孝主主编.先进制造造技术导导论.科学出版版社，2004年参考文献献[1]张根保等等.先进制造造技术.重庆大学学出版社社，1996[2]MikellP.Groover.FundamentalsofModernManufacturing.JOHNWILEY&SONS,INC.2002[3]屈贤民主主编.先进制造造技术.机械工业业出版社社，2000[4]其它有关关先进制制造技术术的文献献资料第一章绪绪论论1.1有有关关制造的的几个基基本概念念1.2制造业的的发展及及其在国国民经济济中的地地位1.3先进制造造技术的的内涵和和特点狭义：生产过过程中从从原材料料→成品品直接起起作用的的那部分分工作内内容，包包括毛坯坯制造、、零件加加工、产产品装配配、检验验、包装装等具体体操作（（物质流流）。广义：制造=生产CIRP（国际生生产工程程学会1990年）定义义：制造是涉涉及制造造工业中中产品设设计、物物料选择择、生产产计划、、生产过过程、质质量保证证、经营营管理、、市场销销售和服服务的一一系列相相关活动动和工作作的总称称。生产与制制造制造：人类所有有经济活活动的基基石，人人类历史史发展和和文明进进步的动动力。1.1有有关关制造的的几个基基本概念念生产的定定义输入输出+-生产过程效益

生产财富有形（产品）无形（服务）转变效率：生产率

=

输出/输入生产要素生产对象（原材料）生产资料（直接、间接）能源劳动力信息（知识、技能、情报…）资金从系统的的观点，，生产可可以定义义为将生生产要素素转变成成生产财财富并创创造效益益的输入入输出系系统。制造技术术在产品生生产中，，使原材材料转化化为产品品过程所所施行的的各种手手段的总总和，称称为制造造技术。。运用一定的知识、技能操纵可以利用的物质、工具采取有效的方法……

手段包括制造业和和制造系系统制造业：：将制造资资源（物物料、能能源、设设备、工工具、资资金、信信息、人人力等））利用制制造技术术，通过过制造过过程，转转化为供供人们使使用或利利用的工工业品或或生活消消费品的的行业。。如机械、、电子、、轻工、、纺织、、冶金、、化工等等制造系统统是制造造业的基基本组成成实体第一、二二、三产产业的划划分第一产业农业林业渔业畜牧业矿业采石业石油业第二产业航天航空纺织、服装汽车、装备、重型机械冶金、钢铁、金属制品食品、饮料化工、石油精炼计算机、半导体、电器建筑、建材日用消费品玻璃、陶瓷、造纸制药橡胶、塑料制品能源、电力出版第三产业银行、金融服务、保险通讯、资讯教育、医疗、保健娱乐、旅馆、餐饮、旅游政府法律机构房地产修理与维护商业（零售、批发）交通、运输

制造系统统结构经营管理信息流生产管理信息流技术信息流物质流用户、市场与外部环境经营管理市场与销售研究与开发资源管理财务生产管理工程设计采购车间制造（加工、装配、检验、输送、存储…

）质量控制制造系统统特性软件硬件结构特性性制造系统统可视为为若干硬硬件的集集合体。。为使硬硬件充分分发挥效效能，必必须有软软件支持持。转变特性性研究制造造系统转转变特性性，主要从技技术角度度出发，，如何使使转变过过程更有有效进行行。获取阶段转变阶段分配阶段原材料供应者原材料库存零件加工零件库存装配成品库存最终用户制造系统统特性压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配

车身安装最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理汽车生产产物流示示意图需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段程序特性性程序——一系列按按时间和和逻辑安安排的步步骤研究制造造系统程程序特性性，主要要从管理理角度出出发如何何使生产产活动达达到最佳佳化。制造系统统特性制造系统统的物质质流与信信息流误差流物流资金流规划控制需求信息流实施（车间或现场）原材料产品与服务能源能量流制造系统的五种流制造业创创造了人人类1）人从猿猿进化而而来,人猿分离离,是由于人人学会双双足行走走和用手手制造并并使用工工具。2）中国的的元谋人人（170万年前的的南方古古猿）、、非洲人人早在160万年前即即开始用用火，石石料开采采和加工工，形成成了原始始制造业业。饮食食改善促促进了脑脑的发展展。200万年前的的猿人脑脑容量量约为700毫升，100万年前的的直立人人脑容量量约为1000毫升，50万年前增增加到1200毫升，1929年发现的的57万年前的的北京（（直立））猿人为为1050毫升，而而现代代人的脑脑容量平平均为1450毫升，现现代人的的大脑皮皮层褶皱皱面积为为1700-2200平方厘米米，是黑黑猩猩的的3倍。3）恩格斯斯指出：：“直立和劳劳动创造造了人类类，而劳劳动是从从制造工工具开始始的。动动物所做做到的最最多是收收集,而人则从从事生产产。”1.2制造业的的发展及及其在国国民经济济中的地地位用机器代代替手工工，从作作坊形成成工厂19世纪机器器在英国国诞生，，先后传传人法国国、德国国和美国国。从单件生生产方式式发展成成大量生生产方式式泰勒：以以劳动分分工和计计件工资资制为基基础的科科学管理理。福特：零零件互换换技术，，1913年建立了了具有划划时代意意义的汽汽车装配配生产线线柔性化、、集成化化、智能能化和网网络化的的现代制制造技术术柔性制造造系统、、计算机机集成制制造系统统、网络络化制造造、智能能制造系系统、及及时生产产、精良良生产、、敏捷制制造……制造业发发展的历历史制造业在在国民经经济中的的地位制造业是是产业革革命的主主力军第一次产产业革命命：1733-18781）又称为为：蒸汽汽革命。。2）产业革革命的标标志：瓦瓦特发明明的蒸汽汽机。3）英国的的制造业业孕育和和实现了了瓦特的的发明4）制造业业和瓦特特的发明明推动了了热力学学理论的的诞生。。第二次产产业革命命：1879-19451）又称为为：电气气革命。。2）产业革革命的标标志：电电灯（爱爱迪生））、电话话（贝尔尔）、电电机（西西门子））等电气气化产品品。3）制造业业肇始了了电的应应用，而而后才有有麦克斯斯韦电动动力学理理论的诞诞生。4）麦克斯斯韦电动动力学理理论推动动了20世纪初开开始的无无线电、、微波、、雷达、、合成孔孔径、微微波成像像、卫星星通信、、宇宙微微波探测测等技术术的发展展。5）牛顿力力学和电电动力学学又为量量子力学学的发展展指引了了道路，，导致了了量子场场论的创创立。制造业在在国民经经济中的的地位制造业是是产业革革命的主主力军第三次产产业革命命：1945-19721）又称为为：电子子（原子子）革命命。2）产业革革命的标标志：原原子弹（（1945）、电子子计算机机（1946）、晶体体管（1948）、集成成电路、、微电子子技术等等。3）微电子子制造技技术开创创了全新新的信息息时代。。制造业在在国民经经济中的的地位制造业是是产业革革命的主主力军1946年2月15日，世界界上第一一台通用用电子数数字计算算机“埃埃尼阿克克”（ENIAC）研制成成功。由由美国工工程师莫莫奇负责责。“埃埃尼阿克克”共使使用了18000个电子管管，另加加1500个继电器器以及其其它器件件，其总总体积约约90立方米，，重达30吨，占地地170平方米。。第四次产产业革命命：1973-1）又称为为：高新新技术产产业革命命。2）产业革革命的标标志：众众多高新新技术产产品，如如微电子子产品、、电脑、、新一代代通信产产品、新新一代汽汽车、磁磁悬浮列列车、新新一代飞飞机、机机器人、、生物工工程产品品、新一一代药物物、绿色色食品、、转基因因产品等等等。3）微器件件制造工工艺，如如拉单晶晶、掺杂杂、扩散散、离子子注入、、外延、、溅射、、化学沉沉积（CVD）、光刻刻、表面面贴装、、自动化化组装、、进而到到纳米器器件制造造工艺将将把高新新技术产产业革命命推向顶顶峰。制造业在在国民经经济中的的地位制造业是是产业革革命的主主力军制造业是是国民经经济的支支柱产业业国民经济济总收入入的60%以上来自自制造业业，世界界发达国国家无不不具有强强大的制制造业。。2001年中国工工程院的的调查:1）中国制制造业占占国民生生产总值值的1/32）占整个个工业生生产的4/53）为国家家财政提提供1/3以上的收收入4）贡献出出口总额额的90%5）就业人人员8043万制造业在在国民经经济中的的地位2007年世界界制造业业增加值值（MVA）份额（注：按按2000年不变价价格估算算）制造业是是国民经经济各部部门的装装备部制造业在在国民经经济中的的地位纺织机械动力机械家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械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制造业制造业面面临的竞竞争和挑挑战来源:Bullinger7880828486889092

94962时间46810平均产品寿命TL平均开发时间TDTD>TL年数知识-技术-产品更新新的周期期更短研制周期交付周期研制周期01234567891070772773774775776777751596263727290年57646871828194.5(年)波音各种种机型研研制交付付周期比比较制造业面面临的竞竞争和挑挑战产品批量量更小汽车生产产：大批批量生产产→大批批量定制制生产；；顾客对产产品功能能、性能能、质量量的要求求更高能参与全全球竞争争的企业业更多跨国公司司的垄断断性更明显企业的兼兼并重组组更激烈、、更动荡荡一般水平平的产品品及制造造能力严重过剩剩人口老龄龄化更严重环保意识识、绿色色制造呼呼声更强制造业面面临的竞竞争和挑挑战生产批量量的变化化单件订做价格高工业革命小批量生产价格高19001950大批量生产价格较低19501990中小批量生产价格中1990后单件订做小批、动态生产价格低制造业面面临的竞竞争和挑挑战制造业市市场竞争争的新特特点“要素”的变化“中心”的变化以产品为中心以顾客为中心以市场为中心制造业市市场竞争争的新特特点“市场影影响因素素”的变化Pine和B.JosephII““MassCustomization,TheNewFrontierinBusinessCompetition..”Boston::HarvardBusinessSchoolPress,0255075100低高扰动程度80年代90年代54503027252236546045382836554651415363535251633964644154627640555674///质量意识价格意识服务水平对替代品的脆弱性产品生命周期经济循环依赖水平流行时尚意识竞争强度消费者需求及欲望的变化程度购买者能力技术变化率饱和水平愿望的一致程度需求水平稳定性需求及消费者欲望的确定性必需品奢侈品价格竞争产品的差异性制造业市市场竞争争的新特特点先进制造造技术的的产生背景先进制造造技术首首先由美美国于20世纪80年代末提提出20世纪70年代，一一批美国国学者不不断鼓吹吹美国已已进入“后工业业化社会会”，认为制制造业是是“夕阳工工业”，主张经经济重心心由制造造业转向向高科技技产业和和第三产产业结果：导导致美国国在经济济上竞争争力下降降，贸易易逆差巨巨增，日日本家电电、汽车车大量涌涌入并占占领了美美国市场场。（20世纪60年代美国国汽车产产量占世世界汽车车总产量量的2/3，而到了了80年代下降降到不足足1/3）1.3先进制造造技术的的内涵和和特点1963年1983年美日两国汽车产量在世界市场所占份额多轴数控控机床改进核潜潜艇性能能先进制造造技术的的产生背景景

80年代后期期，美国国的一些些国会议议员、政政府要员员纷纷要要求政府府出面，，协调和和支持制制造产业业的发展展，1991年，布什什政府期期间，美美国白宫宫科学技技术政策策办公室室发表了了总数为为22项的美国国国家关关键技术术，其中中制造技技术占4项，标志志着美国国科技政政策的转转变。1988年，美国国政府投投资进行行大规模模“21世纪制造造企业战战略”研研究,并于其后后不久提提出了““先进制制造技术术”发展展目标，，制定并并实施了了“先进制制造技术术计划（（ATP）”和“制造技技术中心心计划（（MTC）”克林顿上上台后，，对制造造业大力力支持，，他把先先进制造造技术列列为六大大国防关关键技术术之首。。结果美美国在机机械工业业、汽车车工业、、航空工工业及信信息产业业等方面面取得了了明显的的进展，，使美国国的经济济连续8年取得了了2-3%%的增长率率，而且且还同时时保持低低通胀率率和低失失业率。。先进制造造技术的的产生背景先进制造造技术计计划（ATP）由美国联联邦政府府科学、、工程和和技术协协调委员员会（FCCSET）提出，，1994年度预算算为14亿美元ATP目标:为美国人人提供更更多高技技术、高高工资就就业机会会，促进进美国经经济增长长；提高能源源效益，，减少污污染，创创造更加加清洁的的环境；；使美国私私人制造造业在世世界市场场上更具具有竞争争力，保保持美国国的竞争争地位；；使教育系系统对每每个学生生进行更更富有挑挑战性的的教育；；鼓励科技技界把确确保国家家安全和和提高全全民生活活质量作作为核心心目标。。先进制造造技术的的产生背景又称“合作伙伴伴计划”，由美国国国家标标准与技技术研究究院（NIST）牵头目标：面向35万家中小小企业(他们不像像大企业业有自己己的开发发能力，，且资金金不足)，在技术术拥有者者（通常常为政府府的研究究机构、、国家实实验室、、大学））与需要要这些技技术的中中小企业业之间建建立合作作的桥梁梁，使中中小企业业掌握先先进制造造技术，，或使他他们具有有识别、、选择适适用于自自己企业业的先进进制造技技术的能能力方法：一个地地区设立立一个中中心（至至95年已建立立了30个中心）），为中中小企业业展示新新的制造造技术和和设备，，并进行行培训，，帮助他他们选用用经费：国国会拨款款制造技术术中心计计划（MTC）先进制造造技术的的产生背景汽车2mm工程，使使轿车车车身精度度达到丰丰田水平平1994年，美国国汽车产产量重新新超过日日本，重重新占领领欧、美美市场美国Inter公司成为为世界最最大的芯芯片制造造商（在在此之前前芯片生生产也不不敌日本本，包括括海湾战战争中大大出风头头的“爱国者”导弹上使使用的芯芯片也是是日本制制造的））20世纪90年代，经经济持续续增长，，失业率率降低到到历史最最低水平平提出了一一系列先先进制造造技术的的新理论论、新思思想。如：CE，LP，AM，…ATP&&MTC效果显著著先进制造造技术的的产生背景◆AMT是制造业业不断吸吸收信息息技术和和现代管管理技术术的成果果，将其其综合应应用于产产品设计计、加工工、检测测、管理理、销售售、使用用、服务务乃至回回收的制制造全过过程，以以实现优优质、高高效、低低耗、清清洁、灵灵活生产产，提高高对动态态多变市市场的适适应能力力和竞争争力的制制造技术术的总称称。◆要点：目标是提提高制造造企业对对市场的的适应能能力和竞竞争力强调信息息技术、、现代管管理技术术与制造造技术的的有机结结合信息技术术、现代代管理技技术在整整个制造造过程中中综合应应用先进制造造技术的的定义先进制造造技术的的定义和体体系结构构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先进制造造技术的的定义和体体系结构构1.3.2AMT定义和体体系结构构AMST提出的AMT轮图TQCSE基础制造技术CADCAMNC技术ROBOTFMC清洁生产技术质量与可靠性CE系统管理技术MRPⅡCIMSIMSAM集成技术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信息技术AMST提出的先进制造技术体系图

新材料技术新能源技术◆第二个层层次是新新型的制制造单元元技术。。如制造造业自动动化单元元技术、、极限加加工技术术、质量量与可靠靠性技术术、系统统管理技技术、CAD／CAM、清洁生生产技术术、新材材料成形形加工技技术、激激光与高高密度能能源加工工技术、、工艺模模拟及工工艺设计计优化技技术等。。◆第一个层层次是优优质、高高效、低低耗、清清洁基础础制造技技术。包包括精密密下料、、精密塑塑性成形形、精密密铸造、、精密加加工、精精密测量量、毛坯坯强韧化化、精密密热处理理、优质质高效连连接技术术、功能能性防护护涂层及及各种与与设计有有关的基基础技术术、各种种现代管管理技术术。◆第三个层层次是先先进制造造集成技技术。这这是应用用信息技技术和系系统管理理技术，，通过网网络与数数据库对对上述两两个层次次的技术术集成而而形成的的，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟拟制造技技术等。。设计手段段计算机机化有限元法法优化设计计计算机辅辅助设计计反求工程程技术CAD//CAM一体化技技术工程数据据库向全寿命命周期设设计发展展由单纯考考虑技术术因素转转向综合合考虑技技术、经经济和社社会因素素先进设计计技术设计方法法现代化化产品动态态分析和和设计产品可靠靠性可维护性性及安全全设计产品优化化设计快速响应应设计创新设计计智能设计计仿真与虚虚拟设计计价值工程程设计模块化设设计先进制造造技术的的学科内内容先进制造造工艺技技术精密、超超精密加加工技术术精密加工工：精度度为3～0.3μmRa0..3～0.03μm超精密加加工：精精度为0.3～0.03μmRa0.3～0.005μm纳米加工工：精度度高于0.03μmRa小于0.3～0.005μm精密成型型制造技技术从制造工工件的毛毛坯、从从接近零零件形状状向直接接制成工工件的方方向发展展特种加工工技术高能束流流加工（（电子束束、离子子束、激激光束））电加工（（电解和和电火花花)超声波加加工高压水加加工多种能源源的组合合加工先进制造造技术的的学科内内容制造自动动化技术术数控技术术数控装置置进给系统统主轴系统统NC程序编制制工业机器器人机器人操操作机控制系统统传感器生产线总总线控制制柔性制造造系统加工系统统物流系统统调度与控控制故障诊断断自动检测测与信号号识别技技术信号识别别数据获取取数据处理理特征提取取与识别别过程设备备工况监监测与控控制过程监视视系统在线反馈馈质量控控制先进制造造技术的的学科内内容先进制造造系统先进制造造生产模模式计算机集集成制造造系统CIMS敏捷制造造系统AMS智能制造造系统IMS精良生产产LP并行工程程CE集成管理理技术企业资源源管理ERP基于作业业的成本本管理ABC现代质量量保障体体系生产率工工程制造资源源快速有有效集成成生产组织织方法虚拟公司司理论与与组织企业组织织结构的的变革以人为本本的团队队建设企业重组组工程先进制造造技术的的学科内内容◆AMT是一项综综合性技技术AMT不是一项项具体的的技术，，而是利利用系统统工程思思想和方方法将各各种相关关技术集集合成一一个整体体，它特特别强调调计算机机技术、、信息技技术和现现代管理理技术在在整个制制造过程程中的综综合应用用，特别别强调人人的主体体作用，，强调人人、技术术、管理理的有机机结合。。◆AMT是一项动动态技术术AMT没有一个个固定的的模式，，它要与与企业的的具体情情况相结结合。同同时AMT也不是一一成不变变的，而而是动态态发展的的，它要要不断地地吸收和和利用各各种高新新技术成成果，并并将其渗渗透到制制造系统统的各个个部分和和整个过过程，使使其不断断趋于完完善。AMT特征先进制造造技术的的特征和和发展趋趋势1、集合多多学科成成果形成成一个完完整的制制造体系系传统制造造技术、、信息技技术、计计算机技技术、自自动化技技术、先先进的管管理科学学2、先进制制造技术术的动态态发展过过程不断地吸吸收各种种高新技技术逐渐渐形成，，不同时时期、不不同区域域有各自自的重点点和内容容。3、信息技技术对先先进制造造技术的的发展作作用越来越重重要。CIMS、CE、AM、虚拟企企业、虚虚拟制造造；4、向超精精微细领领域扩展展微型机械械，纳米米测量、、微米/纳米加工工制造；；精密化柔柔性化网网络化虚虚拟化智智能化清清洁化集集成化全全球化先进制造造技术的的特征和和发展趋趋势5、制造过过程集成成化产品的设设计、加加工、检检测、物物流、装装配过程程一体化化。CAD//CAE/CAPP//C