机械前沿科学动态.docx
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机械前沿科学动态
机械工程
学科前沿动态
讲义
授课对象：
授课时间：
授课教师：
第一章概述
一、机械工程学科的研究范围
机械制造及其自动化以工艺流程、工装夹具、制造系统为主；
机械电子工程以信息处理、自动控制为主；
机械设计及理论以设计理论、结构设计为主；
车辆工程以汽车技术、设计理论为主。
二、机械制造及其自动化（080201）
机械制造及其自动化是一门研究机械制造理论、制造技术、自动化制造系统和先进制造模式的学科。
该学科融合了各相关学科的最新发展，使制造技术、制造系统和制造模式呈现出全新的面貌。
研究方向：
将机械设备及自动化通过计算机的方式结合起来，形成一系列先进的制造技术，包括：
精密加工及细微加工、特种加工、绿色制造、CAM（计算机辅助制造）、FMS（柔性制造系统）等等，最终形成大规模计算机集成制造系统（CIMS），使传统的机械加工得到质的飞跃。
●柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）：
在成组技术的基础上，以多台（种）数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。
●计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）、现代集成制造系统（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem）：
由一个多级计算机控制硬件结构，配合一套订货、销售、设计、制造和管理综合为一体的软件系统所构成的全盘自动化制造系统。
三、机械电子工程（080202）
机械电子工程是将机械学、电子学、信息技术、计算机技术、控制技术等有机融合而形成的一门综合性学科，广泛应用于交通、电力、冶金、化工、建材等各领域机电一体化设备及生产自动化过程。
主要研究对象是机电一体化系统，包括执行机构、控制器、检测装置、动力装置和传动装置。
涉及现代控制理论、现代检测技术、故障诊断技术、微计算机技术等基础知识。
研究方向：
有机电控制及自动化、机器人技术、机械系统动态测试及故障诊断、现代传感器及测控技术、机电产品设计及控制。
四、机械设计及理论（080203）
机械设计及理论是对机械进行功能分析及综合定量描述及控制的基础技术学科。
专业基础：
力学、机构学、强度理论、流体力学、CAD技术、计算机编程、机械参量测量、信号处理、微处理器应用
研究方向：
现代机械设计理论及方法、机械摩擦学、机械机构学及系统动力学、机械强度分析、人机工程学、计算机集成设计及制造、智能机械系统设计、产品生命周期管理（ProductLifecycleManagement，PLM）、计算机图形学等。
五、车辆工程（080204）
车辆工程是研究汽车、拖拉机、机车车辆、军用车辆及其他工程车辆等陆上移动机械的理论、设计及制造技术的工程技术领域。
初期涉及到力学、机械设计、材料、流体力学、化工
今天拓展至及机械电子工程、机械设计及理论、计算机、电子技术、测试计量技术、控制技术等学科相互渗透、相互联系
并进一步触及医学、生理学及心理学等广泛的领域，形成了一门涵盖多种高新技术的综合性学科和工程技术领域。
研究方向：
车辆的研究、开发；车辆的制造、加工；车辆的性能检测、试验、分析；车辆的使用、管理、保养、维修；及生产检测车辆有关的设备、检测仪器的开发等。
第二章机械制造及其自动化
要点：
一、柔性制造系统FMS
二、计算机集成制造系统CIMS
三、绿色集成制造系统GIMS
四、几种先进制造工艺技术
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1.刘忠伟主编.先进制造技术.北京：
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2.李长河等编著.先进制造工艺技术.北京：
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3.朱胜等编著.再制造技术及工艺.北京：
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4.宾鸿赞等编著.先进加工过程技术.武汉：
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5.盛晓敏主编.先进制造技术.北京：
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6.刘飞主编.先进制造系统.北京：
中国科学技术出版社,2001.6
7.芮延年等编著.协同设计.北京：
机械工业出版社,2003.7
8.来可伟等编著.并行设计.北京：
机械工业出版社,2003.4
一、柔性制造系统FMS
柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统（FlexibleManufacturingSystem，英文缩写为FMS）。
柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化及高柔性化之间的矛盾。
●发展历程
1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。
其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。
1967年，美国的怀特·森斯特兰公司建成OmnilineI系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。
这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上及传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。
日本、前苏联、德国等也都，先后开展了FMS的研制工作。
1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell,简称FMC），为发展FMS提供了重要的设备形式。
FMC一般由12台数控机床及物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。
随着时间的推移，FMS在技术上和数量上都有较大发展，实用阶段，以由3－5台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。
1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。
这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。
及此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。
●工艺基础
FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产（即具有“柔性”），并能及时地改变产品以满足市场需求。
FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。
FMS的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。
投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。
●系统组成（加工设备、储存和搬运、信息控制）
加工设备
加工设备主要采用加工中心和数控车床，前者用于加工箱体类和板类零件，后者则用于加工轴类和盘类零件。
中、大批量少品种生产中所用的FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。
储存和搬运
储存和搬运系统搬运的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的桁道式立体仓库。
毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。
固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则及设备排列位置无关，具有较大灵活性。
工业机器人可在有限的范围内为1－4台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置（简称APC）来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。
磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。
车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。
切屑运送和处理系统是保证FMS连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。
信息控制
FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用群控方式的递阶系统。
第一级为各个工艺设备的计算机数控装置（CNC），实现各的口工过程的控制；第二级为群控计算机，负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息，分配给第一级中有关设备的数控装置，同时把它们的运转状况信息上报给上级计算机；第三级是FMS的主计算机（控制计算机），其功能是制订生产作业计划，实施FMS运行状态的管理，及各种数据的管理；第四级是全厂的管理计算机。
性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括控制软件（控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统）、计划管理软件（调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等）和数据管理软件（仿真、检索和各种数据库）等。
为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有：
测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。
此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。
●系统类型
柔性制造系统有以下三种类型：
1、柔性制造单元
柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。
该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。
柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。
它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。
2、柔性制造系统
柔性制造系统是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。
该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。
柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。
其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。
3、柔性自动生产线
柔性自动生产线是把多台可以调整的机床（多为专用机床）联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。
该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。
柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。
●系统优点
柔性制造系统的优点：
1、设备利用率高。
一组机床编入柔性制造系统后，产量比这组机床在分散单机作业时的产量提高数倍。
2、在制品减少80%左右。
3、生产能力相对稳定。
自动加工系统由一自或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障机床的能力。
4、产品质量高。
零件在加工过程中，装卸一次完成，加工精度高，加工形式稳定。
5、运行灵活。
有些柔性制造系统的检验、装卡和维护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。
在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。
6、产品应变能力大。
刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要。
7、经济效果显著。
采用FMS的主要技术经济效果是：
能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；提高产品质量的一致性。
●发展趋势
两个方面。
一方面是及计算机辅助设计和辅助制造系统相结合，利用原有产品系列的典型工艺资料，组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统。
另一方面是实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化，特别是管理层次自动化的计算机集成制造系统。
在这个大系统中，柔性制造系统只是它的一个组成部分。
二、计算机集成制造系统CIMS
从1870－1970年的100年中：
加工过程的效率提高了2000%
生产管理的效率只提高了80%
产品设计的效率仅提高了20%
显然，后两种的效率已成为进一步发展生产的制约因素。
因此，制造技术的发展就不能局限在车间制造过程的自动化，而要全面实现从生产决策、产品设计到销售的整个生产过程的自动化，特别是管理层次工作的自动化。
这样集成的一个完整的生产系统就是计算机集成制造系统。
计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem简称CIMS）是随着计算机辅助设计及制造的发展而产生的。
它是在信息技术、自动化技术及制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。
●概述
当前，我国的CIMS已经改变为“现代集成制造（ContemporaryIntegratedManufacturing）”及“现代集成制造系统（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem）”。
它已在广度及深度上拓展了原CIM/CIMS的内涵。
“现代”的含义是计算机化、信息化、智能化。
“集成”包括信息集成、过程集成及企业间集成等三个阶段的集成优化；企业活动中三要素（人、技术、经营管理）及三流（能量流、材料流、信息流）的集成优化；CIMS有关技术的集成优化及各类人员的集成优化等。
CIMS不仅仅把技术系统和经营生产系统集成在一起，而且把人（人的思想、理念及智能）也集成在一起，使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机联系，所以，CIMS是人、经营和技术三者集成的产物。
实现T、Q、C、S、E。
●CIMS体系结构
CIMS体系结构是用来描述研究对象整个系统的各个部分和各个方面的相互关系和层次结构，从大系统理论角度研究，将整个研究对象分为几个子系统，各个子系统相对独立自治、分布存在、并发运行和驱动等。
●CIMS分类
从生产工艺分，离散型制造业、连续性制造业和混合型制造业；
从体系结构分，集中性、分散性和混合型。
●CIMS效益评价
CIMS是企业管理运作的一种手段，是一种战略思想的应用，其初期投资大，涉及面广，资金回笼周期长，短期内很难见到效益，因此在对CIMS作效益评价时不能单凭货币标准来衡量其效益，要多方面综合考虑其效益指标。
所谓综合效益指CIMS系统对企业和社会所能带来的各种效益。
可以从下面几个方面来理解：
（1）应用CIMS提高了劳动生产力为企业带来的利润，为国家增加国民收入所做出的贡献。
（2）应用CIMS提高了企业对市场的应变能力和抗风险能力，对企业实现经营战略所做出的贡献；提高企业市场竞争力，促进技术进步所作的贡献。
（3）为提高整个企业员工素质和技术水平作的贡献。
（4）为节约天然资源所做出的贡献。
（5）通过应用和推广CIMS技术，为国家优化产业结构，发展新产业，提高国际市场上的竞争力所作的贡献。
●CIMS的技术构成
1、先进制造技术
先进制造技术（AdvancedManufacturingTechnology，AMT）是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。
2、敏捷制造
敏捷制造（AgileManufacturing，AM）是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。
3、虚拟制造
虚拟制造（VirtualManufacturing，VM）利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。
4、并行工程
并行工程（ConcurrentEngineering，CE）是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。
它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求，并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术。
在探讨现代集成制造技术未来发展趋势之前，首先应该了解一下，当前现代制造业和制造企业的特征，它们是推动现代制造技术发展的内存动力。
●现代集成制造技术未来发展趋势（8个方面）
以信息技术的发展为支持，以满足制造业市场需求和增强企业竞争力为目的，现代集成制造技术未来将突出以下八个方面的发展趋势。
1、以“数字化”为发展核心
“数字化”不仅是“信息化”发展的核心，而且也是先进制造技术发展的核心。
信息的“数字化”处理同“模拟化”处理相比，有着3个不可比拟的优点：
信息精确，信息安全，信息容量大。
数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术及管理科学的交叉、融和、发展及应用的结果，也是制造企业、制造系统及生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。
它包含了三大部分：
以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。
对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。
对制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式，通过网络，在企业内传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息及资源信息进行分析、规划及重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程及生产组织过程的仿真，或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组及对市场的快速响应，以满足客户化要求。
对全球制造业而言，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络，根据需求，应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计及制造出相应的产品。
这样，在数字制造环境下，在广泛领域乃至跨地区、跨国界形成一个数字化组成的网，企业、车间、设备、员工、经销商乃至有关市场均可成为网上的一个“结点”，在研究、设计、制造、销售、服务的过程中，彼此交互，围绕产品所赋予的数字信息，成为驱动制造业活动的最活跃的因素。
2、以“精密化”为发展的关键
所谓“精密化”，一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高，另一方面是指对产品、零件的加工精度要求越来越高。
“精”是指加工精度及其发展，精密加工，细微加工，纳米加工，如此等等。
3、突出“极”是发展的焦点
“极”就是极端条件，就是指在极端条件下工作的或者有极端要求的产品，从而也是指这类产品的制造技术有“极”的要求。
在高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等等条件下工作的，或有高硬度、大弹性等等要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的。
显然，这些产品都是科技前沿的产品。
其中之一就是“微机电系统（MEMS）”。
可以说，“极”是前沿科技或前沿科技产品发展的一个焦点。
4、以“自动化”技术为发展前提
这是所讲的“自动化”就是减轻人的劳动，强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段。
自动化总是伴随有关机械或工具来实现的。
可以说，机械是一切技术的载体，也是自动化技术的载体。
“自动化”从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平；而且今天自动控制的内涵及水平已远非昔比，从控制理论、控制技术、控制系统、控制元件，都有着极大的发展。
制造业发展的自动化不但极大地解放了人的体力劳动，而且更为关键的是有效地提高了脑力劳动，解放了人的部分的脑力劳动。
因此，自动化将是现代集成制造技术发展的前提条件。
5、以“集成化”为发展的方法
“集成化”，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术及管理的集成；其本质是知识的集成，亦即知识表现形式的集成。
如前所述，现代集成制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学及有关科学技术的集成。
“集成”就是“交叉”，就是“杂交”，就是取人之长，补己之短。
目前，“集成化”主要指：
（1）现代技术的集成。
机电一体化是个典型，它是高技术装备的基础，如微电子制造装备，信息化、网络化产品及配套设备，仪器、仪表、医疗、生物、环保等高技术设备。
（2）加工技术的集成、特种加工技术及其装备是个典型，如增材制造（即快速原型RapidPrototypingManufacturing,RPM）、激光加工、高能束加工、电加工等等。
（3）企业集成，即管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成；包括生产过程的集成。
全寿命周期过程的集成；也包括企业内部的集成，企业外部的集成。
6、以“网络化”为发展道路
“网络化”是现代集成制造技术发展的必由之路，制造业走向整体化、有序化，这同人类社会发展是同步的。
制造技术的网络化是由两个因素决定的：
一是生产组织变革的需要，二是生产技术发展的可能。
这是因为制造业在市场竞争中，面临多方的压力：
采购成本不断提高，产品更新速度加快，市场需求不断变化，客户定单生产方式迅速发展，全球制造所带来的冲击日益加强等等；企业要避免传统生产组织所带来的一系列问题，必须在生产组织上实行某种深刻的变革。
这种变革体现在两方面：
一方面利用网络，在产品设计、制造及生产管理等活动乃至企业整个业务流程中充分享用有关资源，即快速调集、有机整合及高效利用有关制造资源；及此同时，这必然导致制造过程及组织的分散化网络化，使企业必须集中力量在自己最有竞争力的核心业务上。
科学技术特别是计算机技术、网络技术的发展，使得生产技术发展到可以使这种变革的需要成为可能。
7、“智能化”是CIMS未来发展的美好前景
制造技术的智能化是制造技术发展的前景。
智能化制造模式的基础是智能制造系统，智能制造系统既是智能和技术的集成而形成的应用环境，也是智能制造模式的载体。
及传统的制造相比，智能制造系统具有以下特点：
1、人机一体化；2、自律能力；3、自组织及超柔性；4、学习能力及自我维护能力；5、在未来，具有更高级的类人思维的能力。
制造技术的智能化突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性及集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。
同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。
目前，尽管智能化制造道路还很漫长，但是必将成为未来制造业的主要生产模式之一。
8、“绿色”是CIMS未来发展的必然趋势
“绿色”是从环境保护领域中引用来的。
人类社会的发展必将走向人类社会及自然界的和谐。
人及人类社会本质上也是自然世界的一个部分，部分不能脱离整体，更不能对抗及破环整体。
因此，人类必须从各方面促使人及人类社会同自然界和谐一致，制造技术也不能例外。
制造业的产品从构思开始，到设计阶段、制造阶段、销售阶段、使用及维修阶段，直到回收阶段、再制造各阶段，都必须充分计及环境保护。
所谓环境保护是广义
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