先进制造技术及其发展趋势.ppt

1、先进制造技术,机械工程系 王怀明教授,先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，AMT） 在制造全过程以及制造理念上融入信息科学、电子科学，计算机科学、材料科学、环境科学等新的知识和技术，产生出与传统的面向制造的生产技术有本质区别的，面向市场、面向用户的涵盖从设计、制造、生产管理、产品维护以至到报废的整个生产周期的集成制造技术，以实现快速、灵 活、高效、清洁的生产模式。 先进制造技术是一个大制造的概念，涵盖了市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、监控检测、质量保证、生产管理、售后服务等整个生产过程。,1现代设计理论和方法 市场竞争对产品设计的要求是要面

2、向市场、面向用户的、并行工程（CE）的设计方法，以及由此派生出的一系列新的设计理念，如面向制造的设计 、面向装配的设计、面向检测的设计、可负担性设计、绿色设计等，使设计与制造系统的全过程相结合，产品开发的重点向产品设计过程转移，使设计涵盖了从产品概念设计到产品报废 处理的整个生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户需求，并通过CAD/CAPP/CAM、快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）、虚拟制造技术（Virtual Manufacturing，VM）等在设计的初期对产品的结构、工艺进行优化，对产品的性能进行预测。,2先进的加工制造

3、技术 （1）精密成形技术 包括精密铸造、精密锻造、精密焊接以及精密超精密机加工。 （2）特种加工技术 如激光、电子、离子束、高压水束、电化学及电火花加工技术。 （3）快速原型制造技术（4）CAD/CAE/CAM/PDM集成的制造系统。 （5）柔性快速制造系统FMS。 （6）微米/纳米加工技术。 （7）少无污染制造与报废产品的可拆卸重组技术。 （8）制造过程自动化 如数控（NC）技术、CIMS，虚拟制造、全能制造、智能制造、敏捷制造、智能4M技术等,3先进的生产资源管理模式 从60年代初的物料需求计划到制造资源计划，以至准时化生产，到企业资源计划（ERP），形成以MRP/ERP为代表的，以信息技

4、术为基础的，包含先进管理哲理、理论和方法的，进行企业资源计划与控制的高度集成的管理信息系统，成为对企业影响深远的战略工具。 产品的质量已经成为企业生存的命脉，对制造全过程进行质量管理，把形成产品质量的设计试制过程、制造过程、辅助生产过程、使用过程都管起来的全面质量管理应运而生，把质量管理从原来的生产制造过程扩展到市场调研、质量发展规划、研究 开发、设计、试制、试验、工艺技术、原材料供应、检测仪表、生产、工序控制、成品检验、包装、销售、用户服务等各个环节。,我国先进制造技术发展及关键,未来先进制造技术发展趋势,国际先进制造技术发展现状,“先进制造技术”是“制造技术”加“信息技术”和“管理科学”，

5、再加上有关的科学技术交融而形成的制造技术。 先进制造技术以提高产品对动态市场的适应能力和竞争力为目标，覆盖了市场分析、产品设计、加工和装配、销售、维修、服务、回收的全过程。 强调技术、人、管理和信息的四维集成，涉及到物质流和能量流，信息流和知识流，四维集成和四流交汇是先进制造技术的重要特点。 先进制造技术更加重视制造过程组成和管理的合理化和革新，它是硬件、软件、脑件(人)与组织的系统集成。,一 先进制造技术的特点,新世纪的产品开发过程的特征是与制造业市场、制造业企业自身的特征和机械制造业，特别是装备制造业的巨大变化习习相关的。,二 新世纪的产品开发过程特征,1 现代制造业市场的特征,买方市场。

6、这是科学技术与生产力发展的必然结果，“卖方市场”已成为过去。 多变性市场。由于科技发展快，技术更新快，产品换代快，产品非大量化、分散化、个性化的生产越来越强，市场越来越大，市场变化很快。 国际化市场。市场打破国界，走向区域化、国际化，WTO与各种区域经济组织应运而生而兴。 新兴产品市场。对传统产品用高新技术加以改造与发展而成的产品及前所未有的新类型的“产品”，从而导致技术、软件、环保等产业的出现，特别在第三产业中更是如此。 虚拟市场。信息化的进一步是网络化，网上的产品广告、商品展示、商品交易、客户关系等均属于虚拟市场。,2 现代企业的特征,1 满足“客户化”要求，这是最根本的，这是“买方市场”

7、必然导致的结果。 2 对市场的快速响应，对生产的快速重组，从而要求生产模式必需有高度柔性，有足够敏捷性。 3 既竞争、又合作地参与市场，走向“双赢”、“多赢”，网络化为此提供了更有利的条件。 4 本土化与国际化交互，走向全球化，既竞争，又合作，自然导致朝这一方向发展。 5 应用虚拟技术，以加快企业有关活动的节奏，提高产品质量，节约成本。 6 “以人为本”，加强企业人文文化建设，应该说，这是现代企业成败要害之所在。,3 装备制造业的变化,装备制造业的变化,产品本身的变化，“质”与“量”均如此。信息感知功能、信息处理功能、信息存储与显示功能以及功能整体的整合。机械产品在数量、种类与品种上日益繁多。

8、 增产方式的变化。过去以加大资金，资源消费，人力使用的“粗放”方式增产，现在主要以开发“知识”资源这种“集约”方式作为主要增产方式增产。 产品要求的变化。由的开始“物美”、“价廉”，后来“交货期短”、“服务好”，现在还要加上“文化含量高”，产品不仅是一个工业产品，还应是一个艺术产品。 学科基础的变化。过去的基础在理论上是靠力学，在实践上是凭经验，而现在是以多学科、新成就作为基础，以利于制造技术进一步高质、高速、高效地发展。,三 现代制造系统的管理模式和哲理,成功企业的关键因素在以往是比较单纯的上市时间，或者质量，或者成本。今天，一个企业想在国内外激烈的市场竞争中获胜，则需要从以下多个方面努力，

9、才能够达到目的，即上市时间T，质量Q、产品成本c、服务s、环境E、灵活性F，缺一不可。 现代制造系统的模式和哲理有了根本性的转变，需要应用成组技术来回答相似性设计制造的问题；通过 CIM(Computer Integration System)来实现系统的集成；开展并行工程更好解决同步或者协同设计/制造的问题；实现准确、智能、灵活、精益生产；通过业务过程重组、大批量定制生产、电子商务、虚拟设计/虚拟制造和网络化制造，来完成现代制造系统的彻底变革。,四 发达国家21世纪制造业发展战略,工业发达国家都把先进制造技术作为国家级关键技术和优先发展领域。尽管决定国家综合竞争力的因素有多种，但制造业的基础

10、地位不能忽视。 20世纪90年代以来，各发达国家，如美国、日本、欧共体、德国等都针对先进制造技术的研发提出了网络化制造作为未来的重要的制造模式，已经引起各国政府、研究机构和企业界的广泛重视。,20世纪90年代初，美国政府提出“先进制造技术”计划，将基于信息高速公路的敏捷制造作为美国21世纪的制造战略。1991年美国里海大学(LehighUnivemity)提出“美国企业网 ”(FAN,FactoryAmericanNet)计划，该计划的目的是研究如何利用信息高速公路，把美国的制造企业联系在一起。随后，美国相继开展了 “敏捷制造使能技术”(TechnologiesEnablingAgileMan

11、ufacturing，TEAM)的研究(1994一1999)，以敏捷制造和虚拟企业为核心内容的“下一代的制造”模式的研究(1995年)、计算机辅助制造网(CAMNet)的研究(1996年)、俄罗斯一美国虚拟企业 网(Rus-sign一AmericanVirtualEnterpriseNetwork，RA-VEN)的研究(1997年)等。,总之，工业化国家大都把先进制造技术作为本国的科技优先发展领域和高技术的实施重点；发展中国家也十分重视制造业信息化，都把信息技术作为改造传统企业和产业结构调整的主要战略. 新兴工业化国家希望通过加快制造业信息化，跻身世界先进行列，众多发展中国家也希望以信息化推进

12、工业 化，以缩小与先进国家的差距。旨在提高本国制造业的国际竞争能力。,日本政府出台了信息化社会基本法，计划在21世纪前5年建成全国超高速信息通信网，最大限度地普及因特网，争取成为世界上最先进的信息化国家之一。 欧洲联盟在1998年12月公布了“第五框架计划(1998-2002)”，将虚拟网络企业列入研究主题。2002年，欧盟提出了 “第六框架计划”，选定了需要重点攻关的7大领域，其中包括信息和网络技术。欧盟第六框架计划的目的是，通过各种方法刺激信息技术的快速发展，加强信息的 产业化，使所有欧洲公民从以信息和网络为主体的知识社会和发展中获益。,随着市场需求个性化与多样化，未来先进制造技术发展的总

13、趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。 在21世纪中，随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。,发展趋势,1、信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用 信息技术正在向制造技术注入和融合，促进着制造技术的不断发展。先进制造技术的形成与发展，无不与信息技术的应用与注入有关。信息技术对制造技术发展的作用目前已占第一位。在21世纪对先进制造技术的各方面发展将起着更重要的作用。 信息技术促进着设计技术的现代化，加工制造的精密

14、化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。各种先进生产模式的发展，如CIMS、并行工程、精益生产、灵捷制造、虚拟企业与虚拟制造，也无不以信息技术的发展为支撑。,2、设计技术不断现代化 （1）设计手段的计算机化 在实现了计算机计算、绘图的基础上，当前突出反映在数值仿真或虚拟现实技术在设计中的应用，以及现代产品建模理论的发展上，并且向智能化设计方向发展。 （2）新的设计思想和方法不断出现 如并行设计、面向“X”的设计（Design For XDFX）、健壮设计（Robust Design）、优化设计Optimal Design）、反求工程技术（Revese Engine

15、ering）等。,（3）向全寿命周期设计发展 传统的设计只限于产品设计，全寿命周期设计则由简单的、具体的、细节的设计转向复杂的总体的设计和决策，要通盘考虑包括设计、制造、检测、销售、使用、维修、报废等阶段的产品的整个生命周期。 （4）设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素 设计不只是单纯追求某项性能指标的先进和高低、而是注意考虑市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。,3、成形及改进制造技术向精密、精确、少能耗、无污染方向发展 成形制造技术是铸造、塑性加工、连接、粉末冶金等单元技术的总称。展望21世纪，成形制造技术正在从制造工件的毛坯、从接近零件形状向直接制成工件精

16、密成形或称净成形的方向发展。到下世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。改性技术主要包括热处理及表面工程各项技 术。主要发展趋势是通过各种新型精密热处理和复全处理达到零件性能精确、形状尺寸精密以及获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时大大减少能耗及完全消 除对环境的污染。,4、加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展 （1）超精密加工技术 目前加工精度达到0.025m，表面粗糙度达0.0045m，已进入纳米级加工时代。超精切削厚度由目前的红外波段向可见光波段甚至更短波段近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工材料由金属扩大到非金属。 （

17、2）超高速切削 目前铝合金超高速切削的切削速度已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金为300m/min，钛合金200m/min。超高速切削的发展已转移到一些难加工材料的切削加工。 （3）新一代制造装备的发展 市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发。,5、工艺由技艺发展为工程科学，工艺模拟技术得到迅速发展 先进制造技术的一个重要发展趋势是，工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技艺发展为工程科学。 采用科学的模拟技术并与少量的实验验证结合，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，节省大量的人和物力，通过数值模拟来解决一些目前无法在实验

18、室进行直接研究的复杂问题。 工艺模拟也发展并应用于金属切削加工过程、产品设计过程。最新的进展是在并行工程环境下，开展虚拟成形制造，使得在产品的设计完成时，成形制造的准备工作（如铸造）也同时完成。,6、专业、学科间的界限逐渐淡化、消失 先进制造技术的不断发展，在冷热加工之间，加工、检测、物流、装配过程之间，设计、材料应用、加工制造之间，其界限均逐渐淡化，逐步走向一体化。CAD、CAPP、CAM的出现，使设计、制造成为一体；快速原型零件制造（Rapid Prototyping/Parts ManufacturingRPM）技术可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或 直接制造零件

19、，淡化了设计、制造的界限；机器人加工工作站及FMS的出现，使加工过程、检测过程、物流过程融为一体；现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分；很多新材料的配制与成型是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。,7、绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征 日趋严格的环境与资源的约束，使绿色制造业显得越来越重要，绿色制造技术也将获得快速的发展。主要体现在： （1）绿色产品设计技术 使产品在生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求。 （2）绿色制造技术 在整个制造过程，使得对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高。绿色制造技术主要包含了绿色资源、绿色生产过

20、程和绿色产品三方面的内容。 （3）产品的回收和循环再制造 例如，产品的拆卸和回收技术，生态工厂的循环式制造技术。,8、虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用 虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型代替传统的硬样品进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。 虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统 一指挥的合作经济实体。虚拟企业

21、的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。,9、信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展 制造业在经历了少品种小批量少品种大批量、多品种小批量生产模式的过渡后，70年代、80年代开始采用计算机集成制造系统（CIMS）进 行制造的柔性生产的模式，并逐步向智能制造技术（IMT）和智能制造系统（IMS）的方向发展。精益生产（LP）、灵捷制造（AM）等先进制造模式相继出 现，预计21世纪初，先进制造模式必将获得不断发展。,先进制造生产模式的进展，主要体现了以下五个转变： 1）从以技术为中心向以人为中心转变；

22、 2）从金字塔式的多层次生产向扁平的网络结构转变； 3）从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变； 4）从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变； 5）从质量第一的竞争策略向快速响市场的竞争策略转变,我国制造业产值占国民生产总值的40，预计未来15年内制造业的年平均增长率将高于国民生产总值的年平均增长率。随着市场的全球化、多样化以及信息时代的到来，振兴国家的经济、提高综合国力的根本动力在于制造业的振兴。 对于制造业而言，竞争的核心是创新工艺和创新产品。进入90年代以来，各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，面临着市场、信息、环境和资源的严峻挑战

23、，我国制造业的紧迫任务是要提高企业产品市场竞争力。而产品竞争力的关键在于创新，“设计是制造业的灵魂”，现代的设计理论和方法是我国制造业发展的首要问题。,一 我国发展先进制造技术的经验和教训,1产品的研究开发与生产制造过程脱节 制造业中广泛存在市场意识淡薄的问题。长期以来，产品品种单调，竞争力不强，特别是市场需求对企业的要求不能有效地反映在技术创新上，科研、教育机构对 企业的技术需求也认识不够，这也反映了国家科技政策中对技术服务于市场才能创造新的生产力的忽视，最终的结果表现为官、产、学、研的脱节。,2国外先进制造技术的引进与国产化弱的矛盾 1）是我国在引进先进制造技术的过程中，很多企业存在盲目引

24、进的状况，不注重引进后的消化吸收，而且在一些具体技术的引进中，买到的技术往往要有一定的滞后性，如果不能很好的消化吸收并进行提升的话，只能是“引进一代，落后一代”。 2）是在引进中“重硬轻软”，大型生产线、设备引进的巨大投资与对先进的管理机制、管理模式的忽视很不协调，这在汽车、船舶、机床等行业都普遍存在。以MRP为例，在引进上投入的巨资达80亿，但用得好的企业并不多。因为MRP并不单纯是一个硬件的先进程度和计算机用得好不好的问题，更重要的是其内涵的管理思想和模式。,3设计开发的方法和手段落后 当前世界上现代的设计理论和方法已经形成体系，如全寿命设计、绿色设计、可靠性设计等，将生产的全过程和环保等

25、要求贯穿于设计中。而我国的大多数企业还 是停留在经验设计阶段，缺乏自主开发能力，即使在开发成功的机电 产品中，也有相当一部分是要利用国外的技术。 从设计手段上来讲，以CAD技术为例，大多数企业还是局限在甩图板的水平。而目前的世界水平已经达到三维快速实体造型、结构强度分析以及工艺优化的整体设计。第一架无图纸、无样机上天的飞机波音777，开创了制造技术史上的新时代。当前工业发达国家的CAD技术普及率已达到60，而我们国家平均仅为5左右，无论从质上还是量上都亟待发展。,二 先进的设计理论、方法和手段是发展我国先进制造技术的关键,缺乏自主开发能力，产品缺乏市场竞争力是我国制造业的突出问题。如果没有好的

26、产品，再好的CIMS系统、柔性加工系统，或者MRP、ERP以及 TQC、并行工程等用得再好，企业也无法生存。因此，发展先进制造技术的首要问题是更新传统的设计方式，建立基于知识、面向市场的设计。 现代的设计是基于知识的设计，知识信息以数字化的形式存在于设计制造过程。产品和工艺越来越复杂，包含越来越多的规则，要求多个远程的组织和个人进行协同设计。而且，对产品可靠性和安全性的进一步认识要求更安全的设计；对环境恶化与全球人口膨胀的认识要求更具有环境友好性的产品和工艺设计；对可持续性发 展的认识也要求对产品报废后的可回收性进行设计。,设计是一个建立在决策理论上的、基于规则的决策过程，决策理论包含三方面的

27、因素：决策目标选项的获取与识别、选项结果的预估或期望、优选项的确定过程中参数或取值的使用。对设计的评价需要各方面的分析，如有限元分析、传热分析、流体分析等，所使用的技术主要依赖计算机技术，而虚拟设计就是未来有潜力的进行设计决策评价的有效工具。 虚拟技术在虚拟现实的环境中，将安全性、人机工程学、易维护性和装配标准等多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑。,1设计决策的准确评价与虚拟技术,虚拟设计的其发展趋势有： （1） 产品及工艺建模，通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，建立将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来的，包括物理和数学模型、统计模型、计算机工艺仿真、制造数

28、据表和制造规则的工艺模型。 （2） 仿真技术，利用产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真，对设计结果进行评价，实现设计过程的早期反馈。 （3） 以互联网为基础，建立虚拟研究开发中心、虚拟企业，将异地的研究开发力量和经济实体联系起来，以联合设计和资源共享为制造提供全球性的技术支持。,2并行设计 并行工程的首要目的，就是通过各生产准备部门的并行工作，而使产品的生产技术准备时间显著缩短。其次，由于各部门的工作同步进行， 各种相关问题在生产准备阶段便能得到及时沟通和解决，不至于将问题拖到日后正式投产时才暴露，防止对生产可能造成的极大损失。从这一意义上说，CE还有保证并提高产品质

29、量的功能，而且缩短生产准备时间，有利于降低成本。,现行的CAD技术是一种顺序设计，往往不能排除实际生产中屡见不鲜的工程更改问题。这种工程更改往往导致在制品半途而废、已准备好的工艺装备不能使用， 从而造成不应有的生产中断、生产费用增加以及产品交货期的延迟。CE这种系统的集成方法，在现行CAD的基础上，根据企业的不同考虑，进一步发展DFX设 计方法，如面向制造的设计、面向装配的设计、面向检测的设计、可负担性设计等。目的是使设计人员在新产品的设计阶段便考虑到它们应该易于制造、装配和检测 维修，从而使新产品在制造与装配过程中的工程更改减少到最小程度。,如何有效地将产品仿真模型的几何信息转化为制造信息是

30、并行设计的关键，由CAD产生模型的几何信息通过处理、转换后，生成制造模型后直接用于可制造性评 价、数控编程，CAD/CAPP/CAM的一体化使设计和制造在制造模型辅助下并行地进行。并行工程的思想要求CAD将不再只是单纯的利用计算机软件绘 图，而是要利用先进的计算机技术，进行产品的三维实体造型、机构学分析、结构强度的校核、制造工艺的优化等全方位的设计，是C3P（CAD/CAE /CAM/PDM）以及CAPP技术的整合，并以RPM及VM等技术与制造过程相衔接。,3协同设计与设计信息管理 在设计过程中，设计数据及设计所需的各种文件需要方便快捷的数据库来管理和维护，而且现代的工程设计已经成为由多个远程的团队和个体进行协同工作的过 程，这些团队包括不同组织的设计人员，他们的设计