先进制造技术01.ppt

1、先进制造技术,绪 论,先进制造技术, 制造业的地位,制造业是国民经济的支柱产业和经济增长发动机，是高技术产业化的载体和推动者，是吸纳劳动力就业和扩大出口的关键产业，是国家安全的重要保证。, 我国制造业的水平,我国已成为制造业大国，但还不是制造业强国。, 制造业强国的标志,国际水平的技术标准与法规,国际水平的人才与教育体制,自主技术创新及开发能力,国际水平的制造企业,国际水平的制造中心,国际水平的先进装备制造,绪 论,一、本门课程的作用,与制造业强国的差距,绪 论,1、制造业总体规模仅相当于美国的1/5、日本的1/4 2、人均劳动生产率仅为美国的1/25、日本的1/26、德国的1/20 3、制造

2、业结构偏轻、装备制造业在制造业中的比重为26.5%， 远低于美国（41.9%）、日本（43.6%）、德国（46.4%） 4、技术创新能力十分薄弱，工业增加值仅为26%，远低于美国 （41.9%）、日本（38%）、德国（48.5%） 5、低水平生产能力严重过剩 6、国有企业改革未位 企业集中度低、大型骨干企业少、围绕大型骨干企业的中小 企业群体也未形成,经济全球化角度的对策,经济全球化由金融全球化、贸易全球化、生产全球化与科技全球化组成、金融全球化是基础 全球化给人们带来希望，也可能扩大国与国之间的贫富差距 全球化不可抗拒 中国制造业在经济全球化下的发展空间 发展劳动密集型中小企业为主，以能够创

3、造大量就业机会为特征，不过分追求自动化、集成化和智能化 高科技方面不具备优势，技术创新上有所突破还需要时日 对传统已成熟技术拿来即用，在跨越性技术上要有所突破,信息化改造传统产业角度的对策,信息技术对传统制造业的全局性、深刻性和综合性影响 全局性：改变制造业的全貌：虚拟制造、敏捷制造、可重组制造等 深刻性：进一步探讨制造中的信息本质、运用信息技术改善制造、制造过程本进行改造以适应新的信息化制造环境 综合性：信息技术对制造中的诸多方面（加工过程、物料流及信息流）的影响,制造业的主体功能,制造业涉及的主体功能,设计,制造,材料,信息,管理,绪 论,信息化改造传统产业角度的对策,设计信息化：CAD是

4、企业信息化的核心 产品设计图文及数据管理仍有信息化改造任务 制造信息化：CAM是制造业信息化的重要单元 CNC普遍作用、CAPP得到发展 数控化装置的自动化、智能化、柔性化和集成化 可重构制造系统与可重构机床的应用 加工过程的数控 开放式CNC、CNC加工、网络制造、可持续制造等 材料信息化 新型复合材料的设计与制造,信息化改造传统产业角度的对策,信息交换 制造者的经验、知识、诀窍的信息化及其处理 多学科的知识与信息转化为制造业服务 保证信息处理、传输、控制的可靠性、实时性、安全性 网络技术的应用 管理信息化： 供销服务信息化：顾客需求管理、供应链管理 企业管理信息化：ERP,先进制造,是多学

5、科高新技术集成的制造工程科学 以制造工艺技术为核心，体现制造过程的物理本质，是先进制造的使能技术，围绕制造的物理本质，综合了高新技术的辅助技术群，如过程控制、柔性制造系统（含组织和调度）、并行工程、全面质量管理、虚拟企业及企业联盟，先进制造的终极目的是满足顾客提出的要求。,三、本课程的有关说明 1. 学时 本课程教材总学时48学时。 2. 特点 本门课程的特点可归纳为：新、多、杂、变几个字。 新是指本课程的内容大都是近10余年发展起来的技术。多和杂是指本课程内容多而且庞杂，结构不是十分清晰。变是指随着制造技术的发展，本教材中的一些内容，甚至是概念都有可能发生变化。 基于上述特点，同学们除了进行

6、课堂学习之外，还需要进行适当时间的自学，并要不断地了解先进制造技术新的发展。,绪 论,第一章 制造业与先进制造技术概论,先进制造技术,第一章 目录,第一节 制造行为的“三域”活动,第二节 制造理念的更新,第三节 制造技术的创新策略,第四节 自适应企业策略,制造业是一切生产和装配成品的企业群体的总称，制造业共包括30行业。 按学科： 机械制造：航空、航天、汽车、机车、船舰、工程机械、装备制造 流程工业：冶金、化工、石油、水泥等 电子制造：微电子、光电子、家电、计算机等 轻工纺织、制药、农产品加工、食品等,制造是指：,第一章 制造业与先进制造技术概论,加工域活动是指直接改变零件形状、尺寸和性能的行

7、为活动（工艺过程），是制造行为的基础域活动。 物流域活动指被制造对象在制造过程中的传输、储存、装夹等活动 信息域活动指被制造对象在制造过程中的信息获取、分析处理、监控等活动 物流域与信息域活动对30个制造行业有通用性特点的域活动,第一章 制造业与先进制造技术概论,一、加工域活动 加工域活动是指直接改变零件形状、尺寸和性能的行为活动（工艺过程），是制造行为的基础域活动。 1. 机械制造技术的主要类别,增 量 制 造,立体光刻SLA 分层实体制造LOM 选择性激光烧结SLS 熔融沉积成形FDM 其它,使用激光照射光敏树脂固化成形 使用激光或刀片切割粘性层片层叠成形 使用激光烧结粉末材料成形 将热塑

8、料通过喷嘴挤出后固化成形 其它成形方式,第一节 制造行为的“三域”活动,减 量 制 造,切削加工 电火花加工 电化学加工 其它,通过去除材料，获得具有一定形状、尺寸和性能的零件。 这一类别的制造方法，仍是目前机械制造中应用最为普遍的。,等 量 制 造,轧制 板材成形 挤压 锻造,热轧、冷轧 如弯曲、拉延、翻边等 通过模具挤压成形 通过塑性变形，形成所需要的毛坯,第一章 制造业与先进制造技术概论,相 变 过 程,铸造 注塑成形 热处理,将熔化的金属注入铸型中凝固成形 将熔融的塑料注入模腔成形 通过热处理改变材料的性能,第一章 制造业与先进制造技术概论,表 面 处 理,镀层 表面合金化 改变残余应

9、力状态 离子溅射,用化学或物理方法在基体表面镀上涂层 如渗碳、渗氮等 如喷丸、表面挤压或滚压等 用离子束从表面去除材料或注入材料,固 化 联 结,粉末冶金 复合材料 焊接 粘接,金属粉末成形并烧结 如碳纤维复合材料 通过局部熔化而形成材料的连接 使用粘接剂进行密封或连接,第一章 制造业与先进制造技术概论,仿 生 加 工,原子操作技术 克隆制造 定向生长,这一类的技术涉及生物技术、生命科学、材料科学等多学科领域，是目前最前沿的技术领域之一，也是研究最为活跃的领域之一。,在硅基板上定向生长的碳纳米管,用48个铁原子排列在铜表面上形成一个圆形围栏,第一章 制造业与先进制造技术概论,纳米小车,纳米机器

10、人,纳米差分齿轮,纳米泵,第一章 制造业与先进制造技术概论,第一章 制造业与先进制造技术概论,2. 机械制造技术发展的主要特点,3. 先进制造技术的发展趋势,第一章 制造业与先进制造技术概论,4. 大制造的涵义 由下图可知，制造已不仅仅指基本制造功能，还包含市场分析、生产计划、营销、服务等功能，这就是所谓的大制造的涵义。,第一章 制造业与先进制造技术概论,21世纪企业内高速加工系统工程的内涵,二、物流域活动 物流是物料的流动。物流按物料的性质不同分为工件流、工具流和配套流三种。 1. 物流的概念,第一章 制造业与先进制造技术概论,机床作业时间占5%，等待与传输时间占95% 物料传输与存储费用占

11、整个产品加工费用的30-40%,2. 物流的发展趋势 物流的5个“优”（right）服务：,第一章 制造业与先进制造技术概论,3. 物流域活动的主要装备 夹具 夹具是用来对工件进行定位和夹紧的，这一过程称为安装或装夹。夹具的发展方向是高精、高效、模块、组合、通用、经济。,第一章 制造业与先进制造技术概论,连续输送装置 连续输送装置是用来将物料沿固定路线连续移动的装置。如带式输送系统、槽式输送系统、辊子输送系统、随行夹具返回装置等。,第一章 制造业与先进制造技术概论,吊车和卷扬机 吊车和卷扬机是高架设备，可在有限范围内间歇地移动物品，如桥式吊车、 悬臂吊、卷扬机等。,第一章 制造业与先进制造技术

12、概论,运货车 手推车或机动车能沿可变线路移动物料，如手推车、叉车、电瓶车等。,第一章 制造业与先进制造技术概论,自动导向小车（AGV） 自动导向小车（AGV： Automated Guided Vehicles）是一种由计算机控制并按一定程序自动完成运输任务的运输工具。 AGV的4项性能指标：最大载重、最高行驶速度、准停精度和制导方式。,第一章 制造业与先进制造技术概论,自动化仓库 柔性物流系统以自动化中央仓库为中心，依据计算机管理系统的信息，实现毛坯、半成品、成品、配套件和工具等的自动存储、自动检索、自动输送等功能。 使用自动仓库的优势：降低仓储成本、提高保管质量、增强市场响应能力、有利于环

13、境保护。,第一章 制造业与先进制造技术概论,机器人 物流中应用机器人可用于装卸工件、传输物料等,第一章 制造业与先进制造技术概论,第一章 制造业与先进制造技术概论,三、信息域活动 处在信息化时代的制造业及制造系统将会最大限度的“数字化”，信息域活动亦可认为是数字化活动。 1. 设计过程的信息域活动 设计的概念,什么是设计？,物体任一部分的设计都应满足功能需求，且基于艺术与工程的结合。,设计是创造一个迄今尚不存在的产品（硬件、软件或一个系统）的过程。,设计是一个决策过程。,设计就是制作原始计划、草图和方案等。,第一章 制造业与先进制造技术概论,设计过程信息域活动的内容 设计过程信息域活动就是将概

14、念、构思映射成数字化物理模型的过程，这需要CAD系统的支持。,第一章 制造业与先进制造技术概论,2. 加工过程的信息域活动 加工过程就是将设计对象物化的过程，在这一过程中，会产生大量诸如力、热、变形、误差等物理信息。对这些信息进行采集、处理和控制的过程就是加工过程信息域的活动。 CNC技术是目前最主要的先进制造设备，其原理如下图所示：,第一章 制造业与先进制造技术概论,加工过程信息域的活动还包括虚拟加工中的数字化仿真与分析。,加工过程的信息域活动还包括对生产工艺信息采集 及其后的生产工艺优化与改进,3. 物流过程的信息域活动 物流过程的信息域活动，包括对传输装置数量与布局的信息、被传输物料信息

15、、经济效益信息等的监控与管理。具体内容如下：,系统布局及设备、人员配备,系统运行模式,经济效益评估,物流设备的类型、数量及布局；自动化中央仓库的类型、库容及布局 刀库、工件缓冲站的大小及布局；加工设备的类型、数量及布局,物料的运输路线；工件运输的调试策略 系统内托盘的最大数量 运输设备故障率；系统的持续运行时间,系统的投资规模；系统的资金周转； 刀具、夹具、托盘的投资 生产成本信息；投资效益评估等,第一章 制造业与先进制造技术概论,第一章 制造业与先进制造技术概论,4. 管理中的信息域活动 管理中的信息域活动就是利用管理信息系统（MIS）对各种管理信息进行收集、传输、加工、存储和使用的过程。

16、制造企业的管理信息可分为三大类：,第一章 制造业与先进制造技术概论,第一章 制造业与先进制造技术概论,第一章 制造业与先进制造技术概论,四、先进制造技术的内涵与特征 先进制造技术（Advanced manufacturing technology, AMT）尚无统一的定义，一般可以认为：AMT是制造业不断吸收机械、电子、信息、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用及服务乃至回收的全过程的新的制造技术的总称。 AMT的主要特征是：,第一章 制造业与先进制造技术概论,第二节 制造理念的更新,一、制造模式 制造模式指的是制造系统的构成及运作方式。制造系

17、统的构成及运作方式，依赖于制造技术的进步，也依赖于制造理念的更新。 可以把制造业的发展划分为3个阶段：传统制造、现代制造、后现代制造。其生产理念也随之不断更新。,对比,第一章 制造业与先进制造技术概论,不同制造理念的比较,第一章 制造业与先进制造技术概论,二、加工工艺系统 在机械加工中，由机床、夹具、工件和刀具组成的系统称为工艺系统（machining complex）。随着制造模式的变化工艺系统的构成也有了新的变化（如图所示）。 在虚拟制造中整个工艺系统都存在于计算机系统中。,第一章 制造业与先进制造技术概论,三、虚/实集成加工单元 V-CNC系统是一种通用的数控仿真软件系统，可对车、铣等数

18、控加工进行仿真和分析。虚/实集成加工单元（VPIMPC）构成如图1.2.3（P23）所示。,第一章 制造业与先进制造技术概论,三、虚/实集成加工单元,第一章 制造业与先进制造技术概论,应用虚/实集成加工单元的优点是: 避免机床碰撞 消除零件试切 缩短生产周期 延长刀具寿命 提高生产率 增强竞争能力,第一章 制造业与先进制造技术概论,四、可持续制造 资源、环境和人口是当今全球关注的三大热点问题。可持续发展已被公认为21世纪的生产发展模式。 可持续发展是指既能满足社会当前的需求，又不危及子孙后代满足其需求的一种发展模式。 可持续发展的程度可用人口、物质生活水平及环境效率来定量描述：,其中：GDP/

19、人口是指每个人平均享有的GDP，即人的物质生活水平；环境/GDP表示环境效率，即产生一份GDP消耗的环境资源。,可持续发展战略强调,以最小的投入对组织进行重新组合，快速响应市场和技术的变化 以最小的资源消耗而生产出产品，组织属再造工程型 环境意识成为组织的文化，生产是洁净型而不是使洁净型 高技术条件下的循环生产，而不是简单地回收资源,解决环境问题需要改变,发展模式 消费模式,第一章 制造业与先进制造技术概论,要实现可持续制造，需要着重解决如下问题。 1. 资源传递的延伸技术 2. 生态型制造模式 3. 可持续制造工厂,1. 资源传递的延伸技术,通过再造工程延长机器、工具、零件等的传递周期，通过

20、资源循环利用及废弃物再利用，使资源得到充分利用，减少对环境的冲击。 误差补偿技术、综合应用传感技术、信息处理、计算机控制与机械设计制造等多学科知识 固体废料：切屑、磨屑等 液体废料：切削液、磨削冷却液、机器润滑液等 汽体废料：喷雾、蒸汽,2. 生态型制造模式,所谓生态型制造模式就是在制造过程中对环境影响小，且资源消耗少的生产模式。 干切干磨技术 拟人化制造技术,3. 可持续制造工厂,可持续制造工厂的建立，各个国家都仍处在探索之中。它与传统工厂相比应具有这样一些特点：它是建立在高科技基础上面向21世纪的，能极大地减少制造过程中对环境的冲击，能最有效地使资源得到利用。 工厂生产输入的不只是原材料，

21、还可以是退役的设备 制造过程的废料及副产品能重新使用 能减少70-90%的污染,第一章 制造业与先进制造技术概论,五、大量定制 电子商务的发展使数字化定制生产不仅变得必要，而且也成为可能。 大量定制（mass customization, MC）是21世纪的先进生产模式，它将定制生产与大量生产有机结合起来，在满足用户个性化需求的同时，保持较低的生产成本与较短的交货期。 1. 大批量生产与大量定制生产方式的对比,第一章 制造业与先进制造技术概论,2. 大量定制生产的理论和方法 大量定制生产是把多品种单件小批生产与大批量生产的优点集中起来，解决多品种单件小批生产与大批量生产的缺点，适应现代市场经济

22、的发展。大体上说，大规模定制生产主要是基于以下理论和方法得以实现其目标的，如下图。,融合,第一章 制造业与先进制造技术概论,3. 组织大量定制生产应具备的条件 组织大量定制生产应具备以下条件： 先进的技术和设备； 扁平的、合理的企业组织结构； 全面支持产品开发和制造的集成信息系统； 协同产品商务(CPC)环境； 高素质的员工。,第一章 制造业与先进制造技术概论,4. 大量定制的分类 协同定制 通过企业与客户的协同，共同确定定制的产品和服务。 装饰定制 在标准产品的基础上，根据客户的不同要求，改变包装和表面装饰的定制，如个性挂历、个性T恤衫等。 调整定制（适应性定制） 企业提供一种可调节的标准定

23、制产品，用户根据自己的需要进行适应性修改和重新配置。如可自己改变长度的裤子。 预测定制（透明定制） 在深入研究客户需求的基础上，根据预测为客户分别提供所需的个性化产品，客户并不参与定制过程。如左撇子鼠标。,5、大量定制的实现 产品设计 按可加工性设计DFM、围绕组合标准化零件和材料进行设计 定制途径 模块化定制：汽车 可调节定制：软件 尺寸定制：衣服裁剪、眼镜、钢丝切割等 工作方式 与顾客对话-确定价格-顾客优化构形并认定定单- 订单信息进入工厂数据库-数据经过转换-一线工人及参数 化CAD/CAM工作站-转换成CAD零件图及装配图-自动生成CNC程序-CNC设备自动加工,第三节 制造技术的创

24、新策略,人类在20世纪取得了令人瞩目的制造技术成果，其中数控（NC）加工技术与生长型制造技术（MIM）是两项突破性创新成果。 面对21世纪，制造技术同样受到可持续发展策略、知识经济、信息化、数字化技术的驱动，并将以新的面貌出现在世人面前，也迫使制造技术人员思考制造技术创新问题和创新策略。,一、制造技术创新的空间与动力 可持续发展是制造技术创新的动力与空间。,第一章 制造业与先进制造技术概论,我国制造业面临的问题,解决上 述问题,依靠制造业的技术创新,我国面临三大挑战：,知识经济的挑战 工科大学生知识半衰期5-7年 科学技术对经济增长的贡献率：美国80%、中国30% 全球化的挑战 包括资本、人才

25、、技术在内的生产要素在全球范围内进行配置 可持续发展的挑战 要求在基础理论与工艺技术方面进行突破性研究,可持续发展,21世纪和产业发展模式，应对人口、资源与环境三大难题 可持续发展主要指社会、经济、人口、资源、环境的协调发展和人的全面发展 可持续发展的原则： 发展的持续性 发展的整体性与协调性 目前的生产模式不符合可持续发展模式 环境意识淡薄，再生产意识差 重视降低成本，不重视产品的耐用性和易于修理性 环境立法、企业文化、环境生态系统教育不够,可持续发展为制造技术提供了创新空间,从基础理论与工艺技术两方面进行突破性研究 工业生态学 生态型制造技术 干式切削与磨削技术 汽车产品及其零配件的100

26、%回收技术 延长产品生命周期的设计制造技术 增量制造的实用化技术 文化主导型制造技术 生产模式的变化： 资源型发展模式-技术型发展模式-经济、社会、资源与环境相协调的新发展模式 物质短缺的大量生产模式-物质丰富的循环制造模式,国际水平制造工厂的指标体系,二、制造技术创新的基础 知识是制造技术创新的基础。,第一章 制造业与先进制造技术概论,计算机技术 信息技术 网络技术 激光技术 纳米技术 材料科学 控制理论 ,集成 融合 改进,新的制造技术,产品和工艺创新是实现了技术上新的产品和工艺，以及技术上有重大改进的产品和工艺 产品和工艺的技术（TPP）创新的实现是指它被引入市场（产品创新）或应用于生产

27、工艺（工艺创新） 实现不同领域的TPP创新，是以领域主导知识（使能知识）为主，而综合应用众多的领域辅助知识来完成的。,三、制造技术创新的手段 数字化是制造技术创新的主要手段。 数字化的核心是离散化，如何将自然界的连续物理现象、模糊的不确定现象，以及人的经验与技能等离散化，进而实现数字化。 继计算几何、计算力学问世之后，计算切削力学、计算制造、数字化制造、新型材料零件数字化设计与制造等陆续被提出，明显地看出数字化是技术创新的重要手段，前述的20世纪两大突破性创新，数字化也起到了重要的作用。 计算机网络为数字化信息的传递、为实现“光速贸易”提供了技术手段。计算机网络也为实现全球化制造，基于网络的制

28、造提供了物质保证，这不仅有利于参与市场竞争，促进设备资源的共享，更有利于快速获得制造技术信息，激发创新灵感，是实现数字化制造的重要保证。,第一章 制造业与先进制造技术概论,四、制造技术创新的模式 在技术创新中，模式主要是指技术创新过程中有关技术的产生、选择、组织、应用与扩散方式的总和。 长江三角洲地区是我国技术创新能力和创新水平最高的地区，其成功的创新模式有：,第一章 制造业与先进制造技术概论,产学研结合的技术创新型,引进消化吸收技术创新型,企业自主技术创新型,股份制技术创新型,五、制造技术创新的虚拟检验 在虚拟现实（VR）技术近年来获得了飞速发展。VR技术提供的可视化，不只是一般几何型体的空

29、间显示，也可以对某些物理量及其变化，予以可视化。 利用VR技术可对技术创新提供的虚拟原型和技术进行虚拟检验。 我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的CADCAECAM和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。 虚拟制造技术是各个单元技术在虚拟现实环境下的有机集成，产品的虚拟设计是其核心。围绕着产品的设计进行各种检验、模拟仿真、分析、评价和优化。,第一章 制造业与先进制造技术概论,第四节 自适应企业策略,如今企业所面临竞争的环境不确定性越来越高，传统的管理模式难以适应企业发展的需要。 可靠地严格地执行订货合同将不足以赢利和保持客户的忠诚。 制造业的成功将取决于该企业是否有能力给客户提供优势价值、这个优势价值不仅仅是通过产品和工艺提供的，而且还是通过服务与解决问题而提供的。 为了将这个附加值传递给客户，并用以吸引住客户，公司将不得不配置柔性协调的系统，缩短创新产品的商品化时间，且能降