01-先进制造技术.ppt

1、先进制造技术Advanced Manufacturing Technology,穆瑞 厦门大学机电工程系 E-mail: iris_,Class Meetings: Lecture: 14:30pm-16:10am, Friday; 嘉五105 Office hour: 16:30pm-18:00pm, Friday; 335, Science Building,Related To The Course,机械设计基础,计算机基础,机械制造基础,CAD,AMT,Class Schedule,Text books and References,Text Book 任小中 主编，先进制造技术，华中

2、科技大学出版社，2009 References 王润孝 主编，先进制造技术导论，科学出版社，2004 郁鼎文，陈恳 编著，现代制造技术，清华大学出版社，2006 何涛等 编著, 先进制造技术, 北京大学出版社， 2006 张世琪等 编著, 现代制造引论, 科学出版社，2003 Others： 快速原型、CIMS、QFD,Grading,10% experiments 30% homework and participation 60% final exam,制 造,先进制造技术,本节课的主要内容,制造业及其发展,直立和劳动创造了人类， 而劳动是从制造工具开始的。 恩格斯,制造,人类文明,材料,

3、信息,能源,制造,什么是制造？,Manufacture来源于拉丁语 manu（手）+facere（做） 机器生产 此时的制造被理解为：将原材料转化为产品的过程 Now 包含市场分析、经营决策、产品设计、工艺设计、加工装配、质量 控制、市场营销、维修服务以及产品报废后的回收处理等整个产品全生 命周期内一系列相互联系的生产活动。,Manufacturing Industry (I),制造资源,物料,设备,工具,资 金,技术,Process Efficiency,Converter,生产财富,产品 服务,Input,Output,信息,人力,国内生产总值产业部门分类,第一产业,第三产业,第二产业,农

4、林牧鱼业,建筑业,工业,金融保险业等 12个产业部门,制造业,电力、煤气和水 的生产和供应业,采掘业,Manufacturing Industry (II),Manufacturing Industry (II),制造过程：市场分析、经营决策、工程设计、加工装配、质量控制、销售运输、售后服务、报废处理,农业、林业、渔业、畜牧业、矿业、采石业、石油业,航空航天、纺织与服装、汽车、钢铁冶金、食品饮料、建材家具、石油化工、半导体与计算机、建筑、日用消费、电器、装备、金属制品、玻璃与陶瓷、造纸与印刷、制药、塑料橡胶制品、电力与电源、出版,第二产业,第一产业,第三产业,银行、通信、教育、娱乐、金融服务、

5、政府、医疗保健、旅馆、资讯、保险、法律机构、房地产、修理与维护、餐饮、商业、旅游、交通运输,CIRP (International Institution for Production Engineering Research): Manufacturing is series of interrelated activities and operations involving the design, materials selection, planning, production, quality assurance, management and marketing of the pr

6、oducts of the manufacturing industries,Manufacturing Industry,中国制造业的分类与构成,制造业的发展,18世纪70年代，蒸汽机和纺纱机的诞生引发了第一次工业革命，工业化大生产从此开始； 19世纪中，电气技术的发展开辟了电气化的新时代，实现了批量化生产和工业化规范生产的新局面； 20世纪初，福特汽车采用泰勒科学管理方法，标志自动化时代到来； 二战后，计算机、微电子技术，信息技术及软科学的发展，以及市场竞争的加剧和市场需求多样性的趋势，使中小批量生产自动化成为可能，并产生了综合自动化和许多新的制造哲理与生产模式； 进入21世纪，制造技术向

7、自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化和清洁化的方向发展。,Manufacturing Industry,制造业的地位 60GDP 来源于制造业（工业化国家） 25从事制造业,物质基础 就业主要渠道 国家安全,制造业在国民经济中的地位,东芝事件,多轴数控机床改进核潜艇性能,制造业在国民经济中的地位,国民经济的支柱产业，国民经济总收入的60%以上来自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。 美国：约1/4人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关。,日本由于重视制造业，二次大战后30年时间，发展成为世界经济大国。,与此相反，美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果导

8、致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不敌日本的局面。直至上世纪80年代初，美国才开始清醒，重新关注制造业的发展，至1994年美国汽车产量重新超过日本。,机械制造业是制造业的基础, 是重中之重。,1.2.2 制造业在国民经济中的地位,1963年,1983年,美日两国汽车产量在世界市场所占份额,美日两国汽车产量变化,我国机械制造业面临的机遇和挑战,困难：技术上落后，资金不足，资源短缺，管理体制、周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机） 机遇：中国已加入WTO；制造业的世界格局已经和正在发生重大变化，欧、亚、美三分天下局面正在形成，世界经济重心开始向亚洲转移已出现征兆，制造业的产品结构

9、、生产模式也在迅速变革之中,存在阶段性的差距:产品质量和水平不高，技术开发能力不强，基础元器件和基础工艺不过关，生产率低下，科技投入严重不足。 机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一。,1.3.3 我国机械制造业面临的机遇和挑战,神州5号,神州5号宇宙飞船,中国制造业令人瞩目！,神气 神奇 神七,2008年9月25日 2005年10月12日 2003年10月15日,重大装备制造,大型发电设备,批量产品制造能力,中国制造业的现状(I),2001年，日本通产省的白皮书首次提到，中国已成为“世界的工厂”。 2000年，我国制造业的增加值为30700亿元，占GDP值89403亿元的34%，占工业的

10、77%；上交的税金4525亿元，占国家税收总额12581亿元的36%；制成品出口约2237亿美元，占全国外贸出口的90%。制造业特别是装备制造业始终以高于GDP的增长速度增长 （增长25.8%，占工业增加值22.5%)。,区域明星结构,珠江三角洲、长江三角洲、环渤海湾已经形成三个世界级制造区域。 这三个区域的制造比重占全国的66%以上，出口占总额的比重超过85%，可以说主要制造产品的生产基地大多位于这三个区域。 此外，东北重大成套设备制造和川陕军事 装备制造已形成聚集地。,区域明星结构,中国制造业的现状(II),2003年我国GDP占世界份额仅为4%，但物耗所占份额却远大于该比例：钢铁消耗占世

11、界份额的27%，原煤占31%，氧化铝占25%，水泥占40%，石油占7.4%。制造业产品耗能和产值能耗约占全国一次能耗的63，单位产品能耗平均高出国际先进水平20%30% 。,中国制造业的现状(III),2001年世界500强企业排名中，中国有11家，2009年，有35家，2010年有54家企业上榜。一些大型的出口企业目前还只是加工车间或加工厂，只是跨国公司生产链的最后一个低端环节。技术含量高的装备制造业产品在世界市场中还远未形成主流。,产业价值链,技术研发,产品研发,生产,品牌,分销,服务,MADE IN CHINA,从硅谷新竹东莞之间， 按产业分工其利润率 依25%15%5%递减。,有个说法

12、是，三流企业售卖劳力，二流企业售卖产品，一流企业售卖的是知识和脑力。,从硅谷新竹东莞之间，按产业分工其利润率依25%15%5%递减，这充分说明知识的作用，也说明了中国制造更多地是处于一个世界制造业加工车间（世界工厂）的位置，而不是制造强国。,新时期制造强国的关键性标志,缺一不可！,三大类制造能力,19972010年中国国际竞争力排名,注：瑞士洛桑管理学院统计世界55个主要国家和地区；2002年排名31,2004年24，2005年27，2006年17，2007年15 ，2008年17 ，2009年20，2010年18。,技术创新能力比较,创新！,TRIZ,TIPS: Theory of Inve

13、ntive Problem Solving Genrich S. Altshuller 1946 2million patent,Think,两个自行车车手从两地出发，每人的速度均为15km/h，。有一只蜜蜂落在了车手的身上，在两车手相距300km时，蜜蜂开始飞向另一个车手。但它不喜欢他，又返回到第一个车手身上，来回往返，直到车手相遇。现在知道蜜蜂的飞行速度是20km/h，问蜜蜂共飞行了多长距离？,Question,在航天飞机即将发射升空去月球的时候，工作人员突然发现航天飞机的灯不能抵御发射时所产生的巨大压力，灯罩极容易坏掉，而现在时间紧急并无其他物品可以替代，你有什么好办法吗？,创新是海尔持

14、续发展的不竭动力,海尔发展 有缺陷的产品就是废品 每天比昨天做得更好 斜坡论 市场链,创新产品,六门冰箱,不用洗衣粉的洗衣机,科研创新的三点心得,大胆的假设，小心的求证 创新不重要，有用的创新才重要 每天进步一点点（读文献一定要做笔记）,Motivations of AMT,技术 推动,手工机器 作坊工厂 单件批量,市场拉动,需求个性化、多样化 生命周期缩短 竞争全球化 TQCSE如何保证？,机械、材料、电子、信息、管理,可持续发展战略,AMT,先进制造技术产生的背景,夕阳产业 20世纪80年代末，美国研究者提出了“先进制造技术” 振兴美国的出路在于振兴美国的制造业 日本、欧洲以及亚洲各新兴工

15、业国家相继作出了响应，纷纷将先进制造技术列为国家的高新技术和优先发展项目 2mm工程美国汽车产业重振雄风,Definition of AMT,先进制造技术 是制造业不断吸收机械、电子、信息（计算机与通信、控制理论、人工智能等）、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、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，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。,AMT Projects,美国ATP计划 美国 TEAM计划 美国 NGM计划 美国国家关键技术 欧共体尤里卡计划（EUREKA） 欧共体信息技术研究发展战略

16、计划（ESPRIT） 欧共体第六届框架研究计划 德国生产2000”计划 德国微系统2000”计划 日本智能制造系统计划 韩国高级先进技术国家计划（G-7计划）,1991 1billion美金,1996 生产技术更新投资342 billion美金,1991-1994研究开发先进制造技术7.4 billion美金,先进制造技术的特点,先进性 广泛性 实用性 系统集成性 动态性,AMT Architecture,I. AMST,AMT Architecture,II. FCCSET,Content of AMT Researches,AMT,先进生产理念模式与系统,先进生产管理技术,现代设计技术,加

17、工自动化技术,先进制造工艺,集成技术,Trend of Advanced Manufacturing Technology,“数”数字化,“极”极端化,“集”集成化,“智”智能化,“精”精密化,“自”自动化,“网”网络化,“绿”绿色化,内涵：利用产品建模、优化设计、产品数据管理、虚拟现实、并行工程、多媒体和网络通信等技术和以4CP（CAD、CAM、CAE、CAPP、PDM）为代表的工具实现产品设计和过程设计信息化。 主要作用： 1、提高企业产品创新能力； 2、减少返工次数，缩短产品生产周期； 3、降低产品成本； 4、提高产品质量。,设计数字化,管理数字化,PDM (Product Data M

18、anagement)是一种面向制造企业，以软件技术为基础，以产品管理为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化的集成管理技术。,ERP：Enterprise Resource Planning建立在资讯技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。,生产过程控制智能化,PCS (Process Control System),MES (Manufacturing Execution System),ERP,Intelligent-Plant-Control (IPC),精度战,电子芯片的制造,超净 加工车间尘埃颗粒直径小于1微米，颗粒数少于 每立方英尺0.1

19、个 超纯 芯片材料有害杂质，其含量要小于十亿分之一 超精 加工精度达纳米级,Extreme manufacturing(极端制造),极端制造: 在极端条件下，制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统，集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造等方面。如汽车安全气囊、医疗用的微管道试剂测试设备等。 极小尺寸微纳制造，能够通过机械加工将硅片切成芯片并实现封装，完成如此高精度、如此小的线宽的制造任务。几万吨水压机所进行的极大尺寸制造，是制造大型飞机精密模锻框架这一高强度、超大构件的前提。 极高能量密度和极小时空制造、极高效高洁净制造与极多参变复杂巨系统制造这三个方面的“极端制造”。如以激光、电子束、离

20、子束刻蚀等强能束制造为代表的激光加工中心；生物矿石破碎、微生物冶金技术等生物制造；飞机制造与热连轧机组制造等复杂巨系统制造。极端制造的时代特征，就是在制造尺寸方面极大、极小；在制造环境方面极强、极弱；在制造系统方面实现新效应、新工艺、新装备、新技术，用多种技术极限，构造制造技术与能力极限。 “极端制造”的基础问题、制造技术突破的科学先导与突破的焦点：、强场制造的多维、多尺度演变与制造目标。超强加工能场与被加工系统之间能量的传递与转化，超强能场诱导下物质的多尺度演变与制造目标的实现。例如大型构件制造的能量传递与演变，芯片高密度倒装界面能量传递与转化。、微结构精密成形、选择性性能演变与制造目标。包

21、括微去除、微生长、微成形、微改性等制造界面处的物理、化学作用、能量与物质的输运等。、微系统的组装与功能形成，包括在微驱动、微操纵、微连接、微装配等过程中运用量子力学、微动力学规律与流体动力学、分子动力学规律等。、复杂功能系统创成与功能状态的确定性。例如大型水压机动态运行精度，其制造追求是高阶、多元运动的稳定性、惟一性。此外，还有“极端制造”环境的多场耦合、随机扰动与过程稳定问题，例如，高速切削的颤振与热位移、高速轧制的颤振与恶性发散等技术问题，至今仍是未决的难题。 一个新的“极端制造”前沿已经初现端倪：微射流光纤传输系统，约比现在的光纤传输速度快倍；科学家正在研制量子计算机，其运行秒的速度，相当于现在计算机运行上百亿年；还有超速飞机，每小时公里，等等。 信息技术等新技术与制造业的完美融合，使“极端制造”前沿的领地客观、神奇地展现在我们面前。哪个国家的制造科学家能够更多地抢占这个领地，他的国家就是制造强国。因此，制造科学家应在微尺度物质结构性态上挖掘与寻求制造技术的新突破；在极强的能量与物质的交互中探索与创造新结构、新功能产品。,纳米卫星,纳米卫星采用MEMS中的多重集成技术，利用大规模集成电路的设计思想和制造工艺，不仅把机械部件像电子电路一样集成起来，