先进制造技术复习资料

前言由于全球经济发展需求的快速增长，资源能源价格不断攀升，且在高位波动生态环境压力逐渐加大，全球气候变化备受关注，ICT技术突飞猛进(InformationandCommunicationsTechnology，简称ICT，信息通信技术)信息化、网络化、知识化快速发展，经济全球化和全球绿色、智能制造的发展趋势不可逆转。我国经济总量已跃居全球第二位，已经成为全球制造大国，但是，也付出了巨大的资源和环境为代价。新世纪下，资源环境“瓶颈”约束明显加大，关键核心技术的自主创新能力较弱，机械电子装备的关键材料和核心部件仍受制于人。我国制造业及其产品的物耗、能耗、排放强度较高，信息化、智能化水平较低，仍然处于全球制造业产业链的中低端。中国制造业亟需实现由大转强的历史跨越，绿色、智能制造应成为中国制造业发展的方向。（1）地球上有限的不可再生资源决定了人类必须走一条资源节约型的发展之路未来20年，我国制造业如果单纯依靠数量增长，将是能源资源和环境所不能承受的。因此，我们必须依靠科技进步，采用绿色制造技术，在提高产品质量和附加值的同时努力降低能源资源的消耗和排放。我国的能源资源需求快速增长，总量巨大，结构不合理，对外依存度上升，能源利用效率较低，单位GDP能耗强度高，其中制造业耗能占据较大比重。2009年，我国的总体能源利用效率为33%，较发达国家低10%左右，我国原油的对外依存度已达54.42%。从各国的经验看，对外依存度50%是一条安全警戒线，预计10年后将达到64.5%。（2）地球上有限的生态环境承载能力决定了人类必须走一条生态环境友好、绿色低碳、无公害、可再生循环的制造发展之路可以说，中国制造业总体上仍处于高消耗、高排放、低综合利用率的粗放发展阶段。我国二氧化硫排放量居世界第一，制造业是目前我国污染物排放大国，二氧化硫和二氧化碳排放分别占86%和37%。改善生态环境必须减少排放、实施源头治理，依靠科技创新，发展绿色制造业。（3）ICT技术的发展为智能制造提供了技术基础传感技术、计算机技术、现场总线、因特网、软件技术等已成为机械电子产品、数控技术、CAD/CAE/CAM/CIMS的技术基础，也为基于计算机和网络的ERP、PDM提供了基础。提高产品和制造过程的资源能源利用效率，减少排放，改善环境友好，提升绿色制造水平使按小批量订单要求、乃至个性化制造与服务成为可能，满足全球市场多样性、个性化需求国外制造企业对智能制造普遍给予高度重视，智能制造已经成为企业赢得竞争优势的重要途径智能制造在汽车能源的深度应用，正在推动汽车产业发生革命性的变化。汽车的燃油系统、控制系统、地盘系统、车载系统及汽车行驶的调度系统等都依靠信息集成技术(ICT)来实现智能化。全球信息化、网络化为智能制造和营销服务提供了空前的信息、知识和市场空间基于无线传感网、Internet、物联网、云计算、全球知识与技术创新，创造了一种全新的全球网络智能制造和服务模式制造业的市场信息、知识技术、材料装备、资金人才、管理服务等要素，能在全球范围内更自由、更便捷地流动和更有效地优化配置5）绿色、智能制造是进一步提高中国制造的全球竞争力、实现由“制造大国”向“制造强国”跨越的必由之路到2010年5月，我国已超越德国成为全球第一制造出口大国。能源、炼油、核电等成套设备的制造集成能力已有很大提升，但与国际先进水平仍有明显差距。主要表现在关键核心技术创新能力、产品能耗物耗与排放水平、产品精度效率与全球服务的信息化、智能化水平、自主知识产权与全球著名品牌。未来5-10年，全球制造业竞争的关键将集中在产品的性能和效率、智能化程度、环保与低碳性能等。目前，我国制造业总体仍处于全球制造业产业链的中低端，关键核心技术和部件仍依赖进口。因此，进一步提高中国制造的全球竞争力，提升我国制造业在全球制造业价值链中的地位，实现我国制造业由大变强的历史跨越，也必须走绿色、智能制造之路。绿色、智能制造将为传统产业链和战略性新兴产业提供资源节约、节能减排、环境友好、提升信息化水平的先进技术和先进装备支持。（1）绿色、智能制造是战略性新兴产业的重要组成环境友好材料，节能减排绿色工艺，绿色智能产品等组成了一条宏大的创新制造产业链，而且还可带动包括研发设计、信息物流、咨询服务等在内的相关产业。产品的绿色智能设计和研发将减少物耗和能耗，围绕产品的全价值链进行绿色管理实现从原材料到废弃物回收的资源能源节约、可再生循环、绿色低碳的循环经济（2）绿色、智能制造将为战略性新兴产业的发展提供先进装备绿色、智能制造将为七大战略性新兴产业（节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车等）提供先进的装备支持。绿色、智能制造几乎覆盖了战略性新兴产业的各个领域，是现代装备产业中最核心、最先进的部分。为战略性新兴产业和高端制造业提供先进智能设备。废水处理；风力发电机并网。生物技术产品的规模化、高效率生产。新材料的制备；信息网络产业。新能源汽车的能量控制和管理。第一章制造业与先进制造技术在国民经济产业结构中通常有三大产业：第一产业为农业；第二产业为工业；第三产业为服务业。在工业中，又分制造业、建筑业、采掘业以及电力、煤气、水的生产供应业。目前，我国工业在国民经济中所占比例为52％、其中的制造业产值又占工业总产值的约45％。1、快速响应市场竞争的挑战――实现制造环节并行2、全球化竞争的挑战――技术资源的集成有三个主要的因素促使技术资源的集成：（1）为满足市场需求，企业必须快速响应那些具有不同期望和多种选择的顾客。（2）快速响应环境要求在组织的各个层次上进行高效的通信，特别是与顾客、供应者和合作者的通信。（3）新技术的快速吸收要求整个企业具有快速的学习能力。二十一世纪制造业的产品特征个性化和多样化，产品制造智能化，包括产品自身智能和生产定制化、模块化，满足不同消费者喜好；寿命周期不断缩短，智能化包括产品自身智能和生产设施工具的智能；绿色产品，全寿命周期无污染、低资源消耗和可回收利用。制造业生产方式：小批量→少品种大批量→多品种变批制造业资源配置：劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集制造技术：手工→机械化→单机自动化→刚性自动化→柔性自动化→智能自动化1.2.2先进制造技术产生背景1）社会经济发展背景消费需求：主题化、个性化和多样化，产品寿命周期缩短全球性产业结构调整：制造商之间既有激烈竞争，又有基于实力的合作。快速响应市场：满足已有和潜在顾客需求，主动适应市场，引导市场，是赢得竞争，获取最大利润的关键2)科学技术发展背景制造技术在向宏观(制造系统)和微观(超精密加工)两个方向发展现代制造业成为技术密集、知识密集型产业信息成为制造业决定性因素，Intranet/Internet对制造业产生重大影响3)可持续发展战略资源匮泛，污染严重；环境问题不能以牺牲今后几代人的利益为代价；由粗放经营、掠夺式开发向集约型、可持续发展转变1.3先进制造技术的定义先进制造技术是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、能源、材料以及现代管理技术等方面的成果，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，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力并取得理想经济效果的制造技术总称。1.3.2先进制造技术的构成先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有着不同的技术内涵。1994年美国联邦科学、工程和技术协调委员会将先进制造技术分为三个技术群：①主体技术群；②支撑技术群；③管理技术群。这三个技术群相互联系、相互促进，组成一个完整的体系。表1-1给出了先进制造技术的体系结构。先进制造技术与传统制造技术比较具有系统性、广泛性、集成性、动态性、实用性特征。先进制造技术被分为：现代设计技术、先进制造工艺、工自动化技术、现代生产管理技术、先进制造生产模式。第二章现代设计技术市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现以及相关科学及技术的发展；尤其是计算机科学及应用技术的发展，推动了设计方法和技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入现代设计。现代设计技术的时间维产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、总体参数、制约条件和设计要求；方案设计--功能原理设计，确定原理方案；技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构；施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说明书编写等。现代设计技术的逻辑维分析--明确设计任务本质；综合--综合各种因素，探求解决方案；评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进；决策--确定最佳的设计方案方法维现代设计的特征现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。⑴以计算机技术为核心①设计手段的更新，计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。②产品表示的改变，计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。③设计方法的发展促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证。新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。④工作方式的变化，计算机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。受设计手段限制，传统设计过程采用串行方式进行，即设计任务按时序从一个环节传入下一环节。现代设计技术要求设计小组(Team)同时地、并行地参与设计，并最大限度地交流信息，以缩短设计周期及有助于将各种新思想、新技术、新方法融入到产品设计中。⑤设计与制造一体化⑥管理水平的提高⑦组织模式的开放网络技术的发展加快了数据通讯速度，缩短了企业之间的距离。传统的局限于企业内部的封闭设计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和水平。⑵以设计理论为指导传统设计是以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手册等为依据进行。现代设计方法是基于理论(如摩擦学理论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、润滑理论等)形成的方法；⑵以设计理论为指导利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。现代设计的内涵通过对其特征的分析，认为：“现代设计”就是以满足应市产品的质量、性能、时间、成本／价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。现代设计的内涵简单的说，现代设计的内涵就是以市场为驱动，以知识为依托，以知识获取为中心，以产品全生命周期为对象，人、机、环境相容的设计理念。基础技术指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面。主体技术计算机辅助设计技术以其对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术的主干。可以毫不夸张地说，没有如CAD技术、优化设计、有限元分析、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等这些计算机辅助技术，就没有现代设计技术；而其他的现代设计技术的理论与方法，是从另一侧面提高了计算机的“能力”和“智能”。支撑技术设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的种种内容，可视为现代设计技术群体的支撑技术。应用技术应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术。如机床、汽车、工程机械、精密机械等设计的知识和技术。值得一提的是，现代设计技术体系框架的划分只是相对的，而不是绝对的；主体技术、支撑技术、应用技术、基础技术之间并不存在绝对的界限。CAD的技术特征计算机的支持和参与利用计算机信息存储、逻辑推理、长时间重复工作、快速精确的计算等能力和特长，提高产品设计效率和质量；设计者的主导作用计算机不可能完全取代人进行设计作业；主要辅助完成技术设计不可能也没有必要涉及产品设计的所有环节。特征就是描述产品信息的集合，也是构成零、部件设计与制造的基本几何体，它既能反