先进制造技术概述203

第一章绪论1.1制造业与制造技术制造业是现代社会经济的支柱产业，包括机械装备制造、电子产品制造、非金属制品制造、服装、食品、玩具等等。制造业是将有关的制造资源（原材料、设备、工具、能源、资金、人才、技术以及信息）转化为有价值的、可供人们利用和消费的产品与服务的行业。制造业的水平反映了一个国家的经济实力、科技和生活水平。工业化国家60％－80％的社会财富靠制造业制造，制造业占国际贸易总额75％。所以制造业的水平代表一个国家的综合实力。制造的定义：制造企业中所涉及产品设计、物料选择、生产计划、生产质量保证、经营管理、市场营销和服务等一系列相关活动的总称。制造技术：与制造业相关的一系列技术的总和。先进制造技术是在传统制造技术的基础上发展起来的。分界线大体可划在20世纪50年代。主要标志：电子计算机、数控机床、工业机器人的出现。1.2制造技术的发展过程19世纪：手工制造20世纪初：批量生产20世纪30年代：刚性自动化20世纪60－80年代：CAD/CAM/CAE、FMS、JIT20世纪80年代：集成制造、并行工程20世纪90年代：敏捷制造、虚拟制造、智能制造、绿色制造1.3先进制造技术1.3.1先进制造技术的主要领域（5大领域）1.系统总体技术柔性制造（FMS）、计算机集成制造（CIMS）、敏捷制造(AM）、智能制造（IM）。2.设计制造一体化技术CAD/CAM/CAE、数控技术（NC）、并行工程（CE）、虚拟制造（VM）。3.制造工艺与装备材料生产工艺与装备、热加工工艺与装备、高速切削工艺与装备、精密/超精密与纳米加工工艺与装备、特种加工工艺与装备。4.管理技术计算机辅助生产管理、物料需求计划、制造资源规划、企业资源规划、供应链管理、质量管理、准时生产（JIT）、精益生产（LP）、企业业务流程再造等。5.支撑技术标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、通讯技术、人工智能、多媒体、虚拟现实、人机工程学、环境科学。1.3.2先进制造技术分类先进制造技术涉及范围广、技术领域复杂，为了便于掌握其基本体系和主要内容，从制造技术的功能的角度，分成5大类：1.现代设计技术现代设计技术是先进制造技术的基础。随着微电子技术、信息技术、材料科学、机械制造、优化理论、人机工程等学科的发展，现代设计技术的深度、广度大大拓展，出现了优化设计、有限元分析、CAD、CAPP、CAA（计算机辅助装配）、计算机辅助夹具设计、反求工程、产品生命全周期设计、基于网络的异地设计、智能设计、虚拟设计、绿色设计。2.现代加工技术先进切削加工技术、成形加工技术、表面工程技术、特种加工技术和快速原型制造技术。3.自动化技术数控加工技术、工业机器人技术、FMS、CIMS。4.制造管理技术成组技术（grouptechnologyGT）、全面质量管理（totalqualitymanagementTQM）、物料需求规划(materialrequirementplanningMRP)、即时生产（JIT）、企业资源规划（ERP）等管理方法。5.先进制造技术CIMS、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）、虚拟制造（VM）、绿色制造（GM），是制造技术、计算机技术、通信技术、自动化技术和管理科学的各学科交叉。正朝着柔性化、集成化、网络化、虚拟化和清洁化的方向发展。第二章现代设计技术大连理工大学现代制造研究所赵福令教授2.1概述2.1.1现代设计技术的概念是根据产品功能要求及市场竞争要素（质量、成本、服务、环保）的要求，综合现代科学技术，通过设计人员科学、规范和创造性的工作产生载有相应文字、数据、图形等信息的技术条件，制定用于产品制造的设计方案。现代设计技术使产品设计开发建立在科学技术基础之上。随着微电子信息、材料、系统科学的发展，现代设计技术日新月异，新的设计理念不断涌现、新设计方法不断诞生。特点：1.从单一目标规划向多目标规划转变目标2.从传统的手工设计向计算机辅助设计过渡手段3.从传统的顺序设计并行设计组织方式4.从单纯的产品设计全生命周期设计环节5.异地设计地域6.可持续发展的绿色设计功能现代设计技术十分重要。产品设计成本占产品成本的15％－20％，但决定了产品成本的70％到80％。设计水平是衡量一个国家创新能力和竞争力的主要因素。2.1.2现代设计方法1.优化设计方法用数学方法和系统工程方法对产品结构和性能进行分析、决策，以获取最优解的方法。近年来优化设计与可靠性设计、模糊设计等方法相结合形成了新的优化设计方法。2.有限元分析方法将零件看成是由有限个元素组成，通过对每一个元素求解（位移、应力）来获取零件整体的解。广泛用于零件和结构的分析和计算中。3.计算机辅助设计运用计算机强大的数据计算及信息处理功能来完成设计工作，应用最广泛。4.面向产品全生命周期的设计将并行工程思想用于产品设计中，在设计阶段便综合考虑产品的整个生命周期中的设计、加工、装配、测试、维修、销售及报废回收环节的影响因素，全面评价产品设计，达到开发周期短、成本低、质量高的目的。5.网络化异地设计随着网络和通讯技术的发展，实现远程、异地的设计开发资源的共享与整合，极大地拓展了设计工作的时空维度。6.反求工程以先进产品的实物或软件（程序、图样、文件资料）作为研究对象，综合运用现代工程设计的相关理论与方法，进行解剖、分析和研究，进而开发出同类产品。7.绿色设计将产品和环境作为一个系统，充分考虑产品及其制造系统与环境相容性，做到对环境影响最小。2.2计算机辅助设计（CAD）2.2.1概述1.CAD的发展过程1950年MIT研制出Whir/WindⅠ可以显示简单的图形。1958年美国Calcomp公司研制滚筒式绘图仪，Gerber公司平板绘图仪。1962年MIT的Sutherland提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构，为CAD技术发展打下了理论基础。1970年美国Applicon公司推出完整的CAD系统。上世纪80年代CAD/CAM技术用于工程设计，图形接口、图形功能日趋标准化，出现了由CAD/CAM/CAE构成的CIMS，提高了设计自动化。2.CAD的功能工程与产品设计借助于计算机辅助技术，工程技术人员可以方便的完成某一工程或产品的方案选型、评估、详细设计、优化等工作，实现从零件图到装配图、总装图、平面布置图、管道布置图的自动绘制。仿真模拟高性能的CAD系统可以真实地模拟产品的实际运动和变化过程，如机构的运动、零件的加工、柔性制造系统的运行，汽车、飞机的行驶过程等。帮助设计人员正确地进行方案论证、产品选型、性能评估等。事务管理实现设计文档的计算机管理，有利于产品设计的成组化、标准化和系列化，减少了设计人员的重复工作量。2.2.2通常CAD的工作1.信息管理提供丰富的设计需要的信息。可以为设计人员提供有关客户的需求和改进意见、组织生产特定结构零件的成本核算、外购件的成本、原材料信息、生产装备、生产状况等，有利于更好的设计零件和产品。2.智能CAD计算机辅助设计技术与人工智能相结合，用于产品概念设计，帮助设计人员进行决策、分析和推理，更高效地进行方案设计。3.计算机图形显示与几何造型利用CAD系统丰富多样的交互方法与造型工具，通过人机对话进行方案的构思与总体设计。在计算机系统中建立产品的几何模型，在显示器上展示产品的形状。4.分析计算对模型进行分析计算，包括工程计算、力学动态性能分析及物理特性分析，确定产品的几何、力学、物理等参数，评价设计的优劣，并迅速修改和完善，达到最佳效果。5.自动绘图自动绘制工程图纸（效率高、质量好）。6.工程数据管理管理产品设计过程中产生和使用的各种数据、文字和图形，保持其良好的数据独立性、一致性和完整性，并提供标准化的数据转换接口。2.2.3概念设计CAD概念设计是产品设计过程中最具创造性的工作，根据市场和用户的需求，完成设计方案的制定、分析和选择，需要设计人员凭借丰富的专业知识和经验进行构思、推理和判断。采用专家系统来进行。在概念设计阶段，专家系统主要协助设计人员进行评价、选择和决策，自动生成设计方案。下图是专家系统CAD求解设计方案的一般过程。此过程是一个“设计——评价——再设计”过程。由于设计的需求是多方面的、模糊的，有时是矛盾的可行性方案。一般有一定的范围，需要评价和选择，有时需要人工判断。开始确定设计要求指定设计方案分析设计方案评价设计方案决策结束修改设计要求再设计NY2.2.4详细设计CAD1.二维设计在机械制造中通常用一组工程图来表达产品的形状和尺寸，每个视图都是物体在某一平面上的投影，反映产品几何形状的一个侧面。因此需要二维设计，产生产品二维的几何轮廓。2.三维设计二维视图需要人们通过思维才能推测出视图与物体真实形象之间的关系，很不直观，因此需根据二维信息构造三维形体。2.2.5CAD技术的发展随着CAD自身和相关技术的发展，CAD技术正朝着集成化、网络化、智能化和可视化的方向发展。1.CAD系统的集成化CAD技术是CIMS的核心技术，而CIMS的概念是把设计、制造、生产和管理连成一体，不仅在设计和制造过程中用计算机辅助技术，而且在库存管理、生产计划、财务管理、销售等方面也使用计算机完成，通过计算机通信，控制实现信息共享和交换，使各部门协调一致，成为一个整体。2.CAD系统的网络化基于网络技术的CAD系统技术迅速发展，开放式、分布式计算机环境可以实现远程资源共享。网络化CAD系统可以全面统一考虑各个工作站的具体配置，从而用最低的成本获得最好的效果。例如，可以只在个别工作站上配备某些昂贵的软硬件，其它工作站可以通过网络调用，不需要每个工作站上都具备齐全的资源。3.CAD系统的可视化可视化技术将科学计算过程中以及计算结束后的数据和计算结果，借助计算机图形学和图像处理技术，以图形图像的形式表达出来，并进行交互处理。利用可视化技术可以处理大量复杂的数据，控制和干涉计算分析过程和设计过程。它与多媒体技术结合，能便捷、高效地处理信息。4.CAD系统的智能化传统的CAD系统缺乏综合和选择能力，用户使用时，需要具备较高的专业知识和丰富的经验，为此人们研制了人工智能专家系统。利用专家系统辅助设计，可以使知识信息处理与一般数值信息结合起来，利用专家知识来求解专门的问题，机器的智能可以通过知识的积累、存储、联想、类比、分析、计算、论证、比较、优化等信息处理过程，求得问题的解答。智能CAD系统还不成熟。2.3计算机辅助工艺规程（CAPP）通过计算机辅助技术，工艺人员采用系统化、标准化的方法确定零件或产品从毛坯到成品的制造方法的技术叫计算机辅助工艺规程设计（computeraidedprocessplanningCAPP）。CAPP的一般过程是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。1.CAPP系统的主要功能（1）接收或生成零件图上的几何及拓扑信息、工艺信息和测量信息；（2）检索标准工艺文件；（3）选择加工方法；（4）安排加工路线；（5）选择机床、刀具及夹具；（6）选择切削用量；（7）计算切削参数、加工时间和加工费用；（8）进行工艺流程的优化及多工序、单工序切削用量的优化；（9）确定工序尺寸和公差，选择毛坯；绘制工序；（10）产生刀具运动轨迹，自动进行数控加工编程；（11）模拟加工过程、显示刀具运动轨迹。2.CAPP系统的类型①．变异式方法变异式方法的工作原理建立成组技术（GT）基础上，利用零件的相似性，建立具有相似的工艺规程的一组零件的标准工艺，采用以成组技术（GT）为基础的编码系统，标准工艺规程存储在计算机内，一个新零件的工艺规程是通过GT码检索系统中已有的相似零件的标准工艺规程加以筛选、编辑而成。变异方法工作原理图输入零件GT编码及辅助信息零件族搜索和识别检索、编辑标准工艺路线检索、编辑标准加工路线输出工艺规程工艺过程结果信息的存储零件族矩阵文件工艺路线文件加工工序文件其它应用程序②．创成式方法依靠自身的决策逻辑以及相关的