先进制造技术概论

先进制造技术概论——讲述人：赵炳明1.1先进制造技术及其主要特点•1.1.1制造、制造技术、制造业与现代制造业背景•制造(Manufacturing)是利用制造资源（设计方法、工艺、设备和人力等）将材料“转变”为有用的物品的过程。制造是一个很大的概念。按制造的连续性可分为连续制造（如化工产品的制造）和离散制造（如家电产品的制造）；按行业又可分为机械制造、食品制造、化工制造、IT产品制造等。当今，人们对制造的概念又加以扩充，将体系管理和服务等也纳入其中。制造是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。制造技术(ManufacturingTechnology)•制造技术是指制造活动所涉及的一系列技术总称，是提高产品竞争力的关键，也是制造业赖以生存和发展的主体技术。传统的制造技术仅强调工艺方法和加工设备。现代的制造技术不仅重视工艺方法和设备，还注重设计方法、生产组织模式、制造与环境和谐统一、制造的可持续性，以及制造技术与其他科学技术的交叉和融合，甚至还涉及制造技术与制造全球化、贸易自由化、军备竞争等。制造业•制造业是将可用资源（包括能源）通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业品或生活消费品的产业。它涉及国民经济的大量行业，如机械、电子、化工、食品、军工，等等。制造业已成为创造人类财富的支柱产业，是人类社会物质文明和精神文明的基础。制造能力也是人类区别于其他生物的一个重要特征。•根据国际通行的产业分类原则和我国的具体国情，2002年中国国家统计局公布的《国民经济行业分类》，将我国制造业划分为29个行业。它们分别是：1食品加工业；2食品制造业；3饮料制造业；4烟草制造业；5纺织业；6服装及其他纤维制品制造业；7皮革毛皮羽绒及其制品业；8木材加工及竹藤棕草制品业；9家具制造业；10造纸及纸制品业；11印刷业记录媒介的复制；12文教体育用品制造业；13石油加工及炼焦业；14化学原料及化学制品制造业；15医药制造业；16化学纤维制造业；17橡胶制品业；18塑料制品业；19非金属矿物制品业；20黑色金属矿物制品业；21有色金属冶炼及压延加工业；22金属制品业；23普通机械制造业；24专业设备制造业；25交通运输设备制造业；26电气机械及器材制造业；27电子及通信设备制造业；28仪器仪表及文化办公用机械；29其他制造业。而这只是大的行业分类，如果再细分的话，制造业小的行业类别有300多个，而真正细分的行业超过1000个。时代背景•自第一台计算机的诞生至今的半个世纪，特别是近20年中，科学技术以前所未有的速度突飞猛进，世界进入了一个以信息科学为主导的全球化经济发展时代。特别是国际信息互联网的发展和广泛应用，给世界制造业带来了翻天覆地的变化。在强大的因特网(Internet)的支持下，国际合作已成为科技发展和推动各国制造业前进的强大动力。如果说以前是一个对抗性的竞争时代，现在则正在形成一个既竞争又合作的新时代。这就是现代制造业所面临的时代背景。1.1.2先进制造技术的定义•先进制造技术ATM(AdvancedManufacturingTechnology)•先进制造技术一词出现于20世纪80年代末，它是美国的学者根据当时国内制造业面临的挑战和机遇，对其制造业中存在的问题进行深刻的反省，重新认识到制造业在国民经济中的地位和作用后提出的一个新概念。由于以计算机为主体的信息技术迅速发展，全面推动了制造技术的飞跃提升，使现代制造技术与传统制造技术有了本质上的区别，先进制造技术的思想正是在这种背景下一步步形成的。先进制造技术的概念提出以后，就得到了日本和欧洲各国的普遍认同和响应，纷纷制定了多种发展计划，以支持发展先进制造技术。而我国近几年才充分认识到发展、应用先进制造技术的重要性和必要性。•先进制造技术是一个相对的、动态的概念，是为了适应时代要求，提高竞争能力，对制造技术不断优化所形成的。虽然目前对先进制造技术仍没有一个明确的、一致公认的定义，但经过对其内涵和特征的分析研究，可以定义为：“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竟争能力并取得理想经济效果的制造技术总称。”1.1.3先进制造技术的特点•与传统制造技术比较，先进制造技术有以下特点•1．系统性•2．集成性•3．广泛性•4．高精度•5．实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产系统性•传统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流，先进制造技术由于微电子、信息技术的引入，使制造技术成为一个能驾驭生产过程的物质流、信息流和能量流的系统工程。例如，柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)是先进制造技术全过程控制物质流、信息流和能量流的典型应用案例。集成性•传统制造技术的学科，专业单一、界限分明，而现代制造技术使各专业、学科间不断交叉、融合，其界限逐渐淡化甚至消失，发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科。例如，加工中引入声、光、电、磁等特种切削工艺，并与机械加工复合组成复合加工工艺（超声磨削、激光辅助切削等）。还有，生产技术与管理模式相结合产生新的生产方式：敏捷制造(AgileManufacturing，AM)、并行工程(ConcurrentEngineering，CE)、精益生产(LeanProduction，LP)等。集成技术显示出高效率、多样化、柔性化、自动化、资源共享等特点。广泛性•传统制造技术一般单指加工制造过程的工艺方法，而现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及用户服务等整个产品生命周期全过程，成为“市场--产品设计--制造--市场”的大系统。高精度•现代制造对产品、零件的精度要求越来越高，在飞机、潜艇等军事设施中使用的精密陀螺、大型天文望远镜及大规模集成电路的硅片等高新技术产品都需要超精密加工技术的支持。这些需求使激光加工、电子束加工、离子束加工、纳米制造、微机械制造等新方法迅速发展。实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产•先进制造技术的核心是优质、高效、低耗、清洁、灵活生产等基础制造技术，它是从传统的制造技术发展起来的，并与新技术实现了局部或系统集成。先进制造技术除了通常追求的优质、高效外，还要针对21世纪人类面临的有限资源与环保压力，实现低耗、清洁。此外，还要应对人类消费观念的改变，满足多样化市场需求，实现灵活生产。1.2先进制造技术的构成及分类•1.2.1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，对我国而言，它是一个多层次的技术群。先进制造技术的内涵和层次及其技术构成如图1—1所示。图中从内层到外层分别为基础技术、新型单元技术、集成技术，下面将分别论述。1．基础技术•第一层次是优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术。铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术，这些基础工艺经过优化而形成的基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分。这些基础技术主要有精密下料、精密成型、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、无氧化热处理、气体保护焊、埋弧焊及功能性防护涂层等。2．新型单元技术•第二个层次是新型的先进制造单元技术。它是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新的制造技术。例如，制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、现代设计基础与方法、清洁生产技术、新材料成型与加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及设计优化技术等。3．集成技术•第三个层次是先进制造集成技术。它是应用信息、计算机和系统管理技术对上述两个层次的技术局部或系统集成而形成的先进制造技术的高级阶段，如FMS、CIMS、IMS等。•国际上，美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组在1994年提出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制造技术环境。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。1.2.2先进制造技术的分类•将目前各国掌握的制造技术系统化，对先进制造技术的研究分为下述四大领域，它们横跨多个学科，并组成一个有机整体。•1．现代设计技术•2．先进制造工艺技术•3．自动化技术•4．系统管理技术1．现代设计技术•现代设计技术是根据产品功能要求，应用现代技术和科学知识，制定方案并使方案付诸实施的技术。它是一门多学科、多专业相互交叉的综合性很强的基础技术。现代设计技术所包含的内容有：•(1)现代设计方法。现代设计方法包括产品动态分析和设计、摩擦学设计、防蚀设计、可靠性和可维护性及安全设计、优化设计及智能设计等。•(2)设计自动化技术。设计自动化技术指应用计算机技术，进行产品造型和工艺设计、工程分析计算与模拟仿真、多变量动态优化，从而达到整体最优功能目标，实现设计自动化。•(3)工业设计技术。工业设计技术指开展机械产品色彩设计和中国民族特色与世界流派相结合的造型设计，增强产品的国际竞争力。2．先进制造工艺技术•现代制造工艺技术包括精密和超精密加工技术、精密成型技术及特种加工技术等。•(1)精密和超精密加工技术。精密和超精密加工技术是采用去除加工（精密切削、磨削、研磨等）、结合加工（离子镀、晶体生长、激光焊接、快速成型等）、变形加工（精锻、精铸等）的加工方法使工件的尺寸、表面性能达到极高的精度。现在的精密和超精密加工已经向纳米技术发展。•（2）精密成型技术。精密成型技术是生产局部或全部无余量或少余量半成品的工艺方法的统称。包括精密凝聚成型技术、精密塑性加工技术、粉末材料构件精密成型技术、精密焊接技术及复合成型技术等。其目的在于使成型的制品达到或接近成品形状的尺寸，并达到提高质量、缩短制造周期和降低成本的效果，其发展方向是精密化、高效化、强韧化和轻量化。•（3）特种加工技术。特种加工技术是指那些不属于常规加工范畴的加工，如高能束流（电子束、离子束、激光束）加工、电加工（电解和电火花加工）、超声波加工、高压水加工，以及多种能源的组合加工。特种加工技术由于其各自的独特性能，在机械、电子、化工、轻工、航空、建筑、国防等行业，以及材料、能源和信息等领域得到了广泛的应用。•（4）表面改性、制膜和涂层技术。表面改性、制膜和涂层技术是采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合技术对产品表面进行改性、制膜和涂层，赋予产品耐磨、耐蚀、耐（隔）热、抗疲劳、耐辐射，以及光、热、磁、电等特殊功能，从而达到提高产品质量、延长使用寿命和赋予新性能的新技术统称，是表面工程的重要组成部分。3．自动化技术•制造自动化是指用机电设备取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。其目的在于减轻劳动强度、提高生产效率、减少在制品数量、节省能源消耗及降低生产成本。•自动化技术主要包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技术、传感技术、自动检测及信号识别技术、过程设备工况监测与控制技术等。4．系统管理技术•系统管理技术是指企业在市场开发、产品设计、生产制造、质量控制、销售服务等一系列的生产经营活动中，为了使制造资源（材料、设备、能源、技术、信息及人力）得到总体配置优化和充分利用，使企业的综合效益（质量、成本、交货期）得到提高而采取的各种计划、组织、控制及协调的方法和技术的总称。它是现代制造技术体系中的重要组成部分，对企业的最终效益提高起着重要的作用。•系统管理技术包括工程管理、质量管理、管理信息系统等，以及现代制造模式（如精益生产、CIMS、敏捷制造、智能制造等）、集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。1.