先进制造技术概述64

先进制造技术机械与运载工程学院先进成形与表面工程研究所主讲教师：刘继常教授课程目的接受一个理念——与时俱进的技术系统开拓视野——多种技术及其交叉立足新的高度——把握本学科最前沿、最有前景的技术融会贯通——善于借鉴多学科知识，碰撞出新的火花课程要点何谓先进制造技术？其内涵与外延是什么？如何学习、掌握、应用先进制造技术？上述问题将贯穿整个课程学习过程和同学们今后的学习工作过程。根据课程特点，确定本课程的学习探讨方式和考核方式。课程主要内容第一章概述——制造业与先进制造技术第二章现代设计技术第三章先进制造工艺技术第四章先进制造自动化技术第五章先进制造模式概述先进制造技术是制造业为了适应现代生产环境及市场的动态变化，在传统制造技术基础上通过不断吸收科学技术的最新成果而逐渐发展起来的，是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与管理科学等多学科先进技术的综合，并应用于制造工程之中所形成的一个学科体系。第一节制造业的发展概况制造（Manufacturing）：一种将物料、能量、资金、人力资源、信息等有关资源，按照社会的需求，转变为新的、有更高应用价值的有形物质产品和无形软件、服务等产品资源的行为和过程。制造系统（MS）：制造过程及其所涉及的硬件（包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置）以及有关的软件（包括制造理论、制造工艺、制造方法和制造信息等），组成了一个具有特定功能的有机整体，称之为制造系统。一、几个基本概念国际生产工程研究学会（CIRP）定义：“制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。”制造系统是制造业中形成制造生产的有机整体，在机电工程生产中，制造系统具有设计、生产、发运和销售的一体化功能。可以从人在系统中的作用、零件品种和批量、零件及其工艺类型、系统的柔性、系统的自动化程度及系统的智能程度等方面对制造系统进行分类。分类标准类别特征人在制造系统中的作用人机一体化制造系统人机结合，充分发挥人的主导作用；系统容易实现，容易受人的情绪影响无人化制造系统追求无人化生产，系统结构复杂，可靠性差，难于实现品种和批量多品种小批量制造系统适合形势发展需要，但要求系统的柔性很大少品种大批量制造系统曾对提高生产率、降低成本、提高质量发挥过重要作用，正在被多品种小批量制造系统所替代工艺类型连续型制造系统制造对象是“连绵不断”状态离散型制造系统制造对象相互分离，制造过程按单个对象进行分类标准类别特征系统柔性刚性制造系统难于适应制造对象的改变，适合少品种大批量生产柔性制造系统有较宽的制造对象变化范围，适合多品种小批量生产自动化程度手动制造系统以普通机床为主，设计和制造过程主要靠手工，很少自动化成分半自动制造系统一部分工作由人完成，一部分工作由机器完成，但在系统的设计和运行方式上与以人为中心的制造系统有本质区别自动制造系统可以是刚性自动化，也可以是人机一体化，也可以是无人化制造系统智能程度智能制造系统将人工智能与自动化集成制造相结合的人机一体化系统常规制造系统与智能制造系统相对而言，常需要人类专家的大量干预制造技术（ManufacturingTechnology）：按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物质工具，使原材料转变为产品的技术总称。也可以说是完成制造活动所需的一切手段的总和。制造业（Manufactury）：是所有与制造活动有关的实体或企业机构的总称。制造业的作用：一方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步提供先进的手段和装备。既是国民经济和综合国力的支柱产业，又是一个国家经济增长的“发动机”。制造业产值占工业总产值的约45％。第一产业农业、林业、渔业、畜牧业、矿业、采石业、石油业第二产业航天航空；纺织、服装；汽车；冶金、钢铁；食品、饮料；建材、家具；化工、石油精炼；计算机、半导体；建筑；日用消费品；电器；装备、重型机械；金属制品；玻璃、陶瓷；造纸；制药；塑料制品；能源、电力；出版；橡胶。第三产业银行、通信、教育、娱乐、金融服务、政府、医疗保健、旅馆、咨询、保险、法律机构、房地产、修理与维护、餐饮、商业（零售业和批发业）、旅游、交通运输。第一、二、三产业的划分制造业的社会功能制造业建筑机械交通工具环保设备军事装备医疗设备机器制造农业机械化工设备家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械动力机械纺织服装二、整个制造业及其技术的发展时期工具制造特征对象制造模式农业社会石器铜器铁器自然界地表层的天然物质资源手工制造工业社会机器地下的石油、矿产资源、生活生产用品机器制造、机械化流水线制造、自动化制造信息社会计算机新技术有形资源：分子、原子、纳米级；无形资源：信息、知识现代制造、柔性制造、集成制造、敏捷制造、智能制造、纳米制造、生物制造一）从生产灵活性看制造模式的变迁生产灵活性年份手工生产英式系统美式系统大批量制造泰勒制造统计过程控制数控柔性制造计算机集成制造未来制造系统180018311900195019701987199121世纪初云制造二）制造业近代的三个发展阶段1、机器代替手工，从作坊形成工厂18世纪后半叶，以蒸汽机和工具机的发明为特征的产业革命，揭开了近代工业的历史，促成了制造企业的雏形——工场式生产的出现。标志着制造业已完成从手工业作坊式生产到以机械加工厂和分工原则为中心的工厂生产的艰难转变。20世纪初，各种金属切削加工工艺方法逐渐形成，近代制造技术已成体系。但是机器的生产方式是作坊式的单件生产，它产生于英国，在19世纪先后传到德国和美国，并在美国首先形成了小型的机械加工厂。2、从单件生产方式发展成大量生产方式泰勒首先提出了以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理，成为制造工程科学的奠基人。福特首先推行所有零件都按照一定的公差要求来加工（零件互换技术），实现了以刚性自动化为特征的大量生产方式，它对社会结构、劳动分工、教育制度和经济发展，都产生了重大的作用。20世纪50年代，零件互换技术发展到了顶峰。3、柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术→云制造云制造以实现敏捷化、服务化、绿色化和智能化为重要目标,是网络化制造的一种新发展,是面向服务制造理念的具体体现。信息集成过程集成企业间集成三）现代制造及其技术的发展特点1.在市场需求不断变化的驱动下，制造的生产规模沿着以下方向发展：小批量→少品种大批量→多品种变批量；2.在科技高速发展的推动下，制造业的资源配置呈现出从劳动密集型→设备密集型→信息密集型→知识密集型变化；3.生产方式上，其发展过程是：手工→机械化→单机自动化→刚性流水自动线→柔性自动线→智能自动化。三）现代制造及其技术的发展特点4.在制造技术和工艺方法上，现代制造在发展中，表现为：重视必不可少的辅助工序，如加工前后处理；重视工艺装备，使制造技术成为集工艺方法、工艺装备和工艺材料为一体的成套技术；重视物流、检验、包装及储藏，使制造技术成为覆盖加工全过程（设计、生产准备、加工制造、销售和维修，甚至再生回收）的综合技术，不断发展优质高效低耗的工艺及加工方法，以取代落后工艺；不断吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果，并实现上述技术的局部或系统集成。形成从单机到自动生产线等不同档次的自动化制造系统。三）现代制造及其技术的发展特点5.引入工业工程和并行工程（ConcurrentEngineering，CE）概念，强调系统化及其技术和管理的集成，将技术和管理有机地结合在一起，引入先进的管理模式，使制造技术及制造过程成为覆盖整个产品生命周期，包含物质流、能量流和信息流的系统工程。三、先进制造技术产生的背景1980年代末，国际上提出先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology，AMT）的新概念。AMT最早源于美国。由于美国长期受强调基础研究的影响，忽视制造技术发展，到1970年代日本和德国经济恢复时，美国制造业遇到了强有力的挑战。20世纪80年代初期，美国一批有识之士相继发表言论，对美国制造业的衰退进行了反思，强调了制造技术与国民经济及国力的至关重要的相依关系。克林顿政府制定了国家关键技术计划，并对其技术政策做了重大调整。先进制造技术也就是在这样一个社会经济背景下出台了。AMT在诸多国家和地区得到广泛的应用。四、先进制造技术在我国的发展状况具体表现在以下10个方面：1.计算机辅助设计（CAD）技术普及化；2.快速原型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模；3.精密成形与加工技术水平显著提高，在汽车零部件、重大装配制造中获得广泛应用；4.热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使材料热加工由“技艺”走向“科学”；5.激光加工在基础研究和技术开发方面有实质性进展，产业应用获得经济效益；6.数控技术取得重要进展，国内市场占有率有所提高；7.现场总线智能仪表研究开发获重要进展，应用已有一定的基础；8.微型机械研究进展迅速，标志着先进制造技术正向微观领域扩展；9.现代集成制造系统研究和应用取得突破，在国际上占有一席之地；10.新生产模式的研究和实践具有特色，推动了中国制造业的技术进步和管理现代化。第二节先进制造技术的内涵及特点一、先进制造技术的定义“先进制造技术是制造业不断吸收信息技术及现代化管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，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”。二、先进制造技术的内涵及技术构成内涵：“使原材料成为产品而采用的一系列先进技术”。外延：是一个不断发展更新的技术体系，不是固定模式，它具动态性和相对性，因此，不能简单地理解为就是CAD、CAM、FMS、CIMS等各项具体的技术。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，有不同的技术内涵和构成，对我国而言，它是一个多层次的技术群。其内涵和层次及其技术构成如图。先进制造技术的内涵及技术构成先进制造技术构成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。经过优化的基础工艺如铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等。2、新型的制造单元技术第二个层次是新型的先进制造单元技术。这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。3、集成技术第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息、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。以上三层次都是先进制造技术的组成部分，但其中每一个层次都不等于先进制造技术的全部。三、先进制造技术的特点1、先进性先进制造技术的核心和基础是经过优化的先进工艺（优质、高效、低耗、清洁工艺），它从传统制造工艺发展起来，并与新技术实现了局部或系统集成。2、广泛性先进制造技术不是单独分割在制造过程的某一环节，而是将其综合运用于制造的全过程，它覆盖了产品设计、生产设备、加工制造、销售使用、维修服务，甚至回收再生的整个过程。3、实用性先进制造技术的发展针对某一具体制造目标（如汽车制造、电子工业）的需求，而发展起来的先进、适用技术，有明确的需求导向；不以追求技术高新度为目的，注重最好的实践效果，提高企业竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。4、集成性先进制造技术由于专业、学科间的不断渗透、交叉、融合，界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新兴交叉学科，因此可以称其为“制造工程”。5、系统性随着微电子、信息技术的引入，先进制造技术能驾驭信息生成、采集、传递、反馈、调整的信息流动过程。先进制造技术是可以驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。6、动态性它不断地吸收各种高新技术成果，将其渗透到企业生产