先进制造技术的应用与发展Word格式.docx

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具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。

主要包括：

计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。

AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。

先进制造技术在传统制造技术的基础上融合了计算机技术、信息技术、自动控制技术及现代管理理念等，所涉及的内容非常广泛，学科跨度大。

本书围绕先进制造技术的各主题，系统地介绍了各先进制造技术的基本知识、关键技术及其在实际中的应用等。

制造技术是使原材料成为人们所需产品而使用的一系列技术和装备的总称，是涵盖整个生产制造过程的各种技术的集成。

从广义来讲，它包括设计技术、加工制造技术、管理技术等三大类。

其中设计技术是指开发、设计产品的方法；

加工制造技术是指将原材料加工成所设计产品而采用的生产设备及方法；

管理技术是指如何将产品生产制造所需的物料、设备、人力、资金、能源、信息等资源有效地组织起来，达到生产目的的方法。

具体地说,先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果,并将其综合应用于产品设计、加工、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,提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。

与传统的制造技术相比,当代的先进制造技术以其高效率、高品质和对于市场变化的快速响应能力为主要特征。

先进制造技术是生产力的主要构成因素,是国民经济的重要支柱。

它担负着为国民经济各部门和科学技术的各个学科提供装备、工具和检测仪器的重要任务,成为国民经济和科学技术赖以生存和发展的/土壤0。

尤其是一些尖端科技,如航空、航天、微电子、光电子、激光、分子生物学和核能等技术的出现和发展,如果没有先进制造技术作为基础,是根本不可能的.

2先进制造技术的现状

先进制造技术是现代技术和工业创新的集成和典X,是国家制造业水准的主要标志,是国家工业的基础和支柱。

目前,世界各工业发达国家已充分认识到发展先进制造技术的重要性和紧迫感,纷纷对此进行广泛深入的研究,展开了激烈的竞争。

各种创新成果和先进技术不断涌现。

CIMS是现代信息技术条件下的新一代制造系统。

它以计算机来辅助制造系统的集成,以充分的、及时的信息交流或信息共享将企业的设计、工艺、生产车间以及供销和管理部门集成为一个有机的整体,使他们相互协调地运作,以提高产品品质,缩短产品开发周期,提高生产效率,确保企业的整体效益,提高企业的竞争能力和生存能力。

CE是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。

在传统的串行开发过程中,设计中的问题或不足,要分别在加工、装配或售后服务中才能被发现,然后再修改设计,改进加工、装配或售后服务（包括维修服务）。

而CE就是将设计、工艺和制造结合在一起,利用计算机互联网并行作业,大大缩短生产周期。

AM是指企业实现敏捷生产经营的一种制造哲理和生产模式。

AM包括产品制造机械系统的柔性、员工授权、制造商和供应商关系、总体品质管理及企业重构。

AM是借助于计算机网络和信息集成基础结构,构造有多个企业参加的/VM0环境,以竞争合作的原则,在虚拟制造环境下动态选择合作伙伴,组成面向任务的虚拟公司,进行快速和最佳生产。

VM是虚拟现实（virtualreality,VR）技术在制造中的应用。

VM其本质是以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时地、并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可行制造等。

3先进制造技术的应用

先进制造技术已在我国得到了广泛的使用，下面介绍应用比较成熟的先进制造技术。

计算机辅助设计技术（CAD）。

进入20世纪90年代之后，CAD技术走上了商品化、产业化和全面推广应用的新阶段。

应用CAD技术已成为提高市场应变能力和技术创新能力的重要手段。

精密成型技术。

精密铸造技术重点发展了熔模精密制造、陶瓷型精密铸造、金属型铸造、消失模铸造等技术。

精密塑性成型技术重点发展了精冲技术、超塑成型技术、冷挤压技术和成型轧制等技术。

超精密压力表加工技术。

我国超精密加工技术起步较早，但直到20世纪80年代才取得了较大发展。

数控技术。

我国数控技术经过1981-1985年的技术引进、1986-1990年的消化吸收和1991-1995年开发自主的数控系统3个阶段的发展，已建立了2个具有自主的数控平台，即以PC机为基础的总线式、模块化、开放型中处理器平台和多处理器平台。

开发出了4个具有自主的基本系统：

中华Ⅰ型、航天Ⅰ型、Ⅰ型、华中Ⅰ型。

并在此基础上开发了数控车床和加工中心6个电信系统及针对数控磨齿机、电加工机床、三坐标测量机等特定功能要求的16种派生系列，这就为我国实现数控机床的产业化奠定了基础。

计算机集成制造（CIMS）。

计算机集成制造研究X围覆盖了系统集成技术、CAD/CAM、管理决策信息系统、质量系统工程和数据库等，开展了系列关键技术的研究，包括复杂工业系统的模拟设计、异构环境的信息集成，基于STEP的CAD/CAM集成系统、并行工程构架和应用集成平台。

分散网络化制造（DNM）。

生产在地域上的分散性，要求分散网络化制造。

建立分散网络化制造系统，可以推出更高质量、更低成本的新产品，综合利用不同企业的现有设计能力和制造资源，把它们迅速组合成为一种没有围墙的、超越时空约束的、靠信息传输手段联系的、统一指挥的经营实体

4先进制造技术的应用举例

4.1在产品制造过程与工艺技术中的应用

国内主要发电设备制造厂家在90年代就开始采用数控加工技术加工主要零部件，并在复杂和典型零件加工方面研究开发CAM技术。

如开发出大型水轮机叶片的五轴联动数控加工技术、汽轮机叶片制造的FMS、汽轮机缸体数控加工技术、汽轮发电机风叶加工的FMS等。

数控加工技术已在不同层次上广泛应用于发电设备制造业。

针对发电设备制造业的特点，进一步推广应用FMS、CIMS、VM等在内的先进制造技术，对于我国发电设备制造业提高产品制造水平、优化生产工艺具有重要的意义。

可以应用的先进制造技术包括：

（1）计算机辅助制造（CAM）及仿真加工技术

利用数控机床，数控加工中心配以CAM技术，可以实现零件部分或全部加工过程的自动化。

充分利用CAD的产品三维模型，在CAM和仿真软件中定义和模拟机床，模拟加工刀具、夹具等加工工艺系统，制定零件的工艺路线和工序内容，进行刀位轨迹规划、刀位轨迹计算、刀具干涉计算、进行针对加工机床后置处理数控加工程序。

利用加工过程仿真软件在计算机仿真加工对象在加工过程中的运动和状态进行虚拟加工，检查NC代码和装夹等因素引起的碰撞干涉现象，优化加工方案和加工工艺，并具有动画功能。

（2）计算机辅助工艺设计规划（CAPP）

通过PDM传递各发电设备的零部件信息，通过CAPP建立各企业的工艺资源库，向计算机输入被加工零件加工工艺信息，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。

包括毛坯选择及毛坯图生成、定位夹具选择、加工方法选择、加工顺序选择、工艺设备选择、工艺参数选择等，可优化加工工艺，合理设备负荷，大大降低工艺准备周期。

（3）柔性制造系统（FMS）

FMS包含2台以上具有自动刀具交换和自动工件托盘交换装置的数控机床，以加工中心为核心设备，配有自动物料传递和管理系统，如有轨运输小车或自动导引运输小车，并在中央计算机统一控制和管理下，动态地平衡资源地有效利用，具有生产调度和对加工过程的实时监控能力，可动态地实现多种零件族的自动加工。

推广FMS技术，以加工中心为基础，包括加工中心、立体仓库、物料运输系统和控制系统。

FMS可以实现加工高度柔性，有利于发电设备这种单件加工、小批量生产和增强对市场响应的敏捷性。

。

（4）特种加工和新兴制造技术

如将快速成型技术等特种加工应用于水轮机模型制造中，可大大缩短试制周期。

（5）三维测量及大尺寸测量技术

发电设备中有很多大型曲面零部件需要进行三维坐标测量，也有很多大部件需要进行尺寸测量。

采用计算机辅助非接触光电测量技术，结合反求工程可得以很好的解决。

5先进制造技术发展展望

与科学技术的发展和人类社会的进步相适应，先进制造技术的发展将具有以下三个特点：

1.制造科学理论体系不断完善

现代制造正从技艺、技术走向科学：

“数字化”将是建立制造科学理论体系的关键，它将贯穿包含设计、制造和控制等整个制造过程的数字化，如制造中从几何量、控制量的数字化到物理量、知识、经验的数字化等；

“虚拟化”将在产品制造、制造系统运行全过程中广泛应用，是使预测和评价科学化的重要手段；

“集成化”将使制造技术和管理更加深入和广泛地融合，其本质是知识与信息的集成；

“网络化”可为制造企业的设计、生产、管理与营销等提供跨地域的运行环境，使制造业走向全球化、整体化和有序化；

“智能化”将显著提高制造企业、系统和单元（装备）适应环境的能力，对海量和不完整信息的处理能力，相互间主动协调和协同能力。

运作的自律性、组织结构的柔性、响应的敏捷性是智能化的典型特征，也是制造科学理论的重要特色。

加工精度的“精密化”、加工尺度“细微化”、加工要求和条件的“极限化”都是当今制造科学与技术发展研究的焦点。

2.先进制造技术的内涵与外延将在与其他相关科学的交叉融合中不断丰富和发展

下一代航天、航空产品的制造将与材料科学、空间物理学等紧密结合；

制造科学与生命科学、生物学交叉的生物制造、仿生制造将得到较大的发展；

精微制造的机理和控制技术将得益于与量子力学、材料科学、微电子科学等的深度融合；

数字制造、智能制造的发展将更加依赖于与现代数学、系统科学、管理科学的综合。

可以说，未来10～15年将是制造科学与技术同其他相关学科交叉融合大发展的时期，尤其是制造基础科学可望一些新的突破。

3.绿色制造将是先进制造技术发展的重点

人类社会的发展必将走向与自然界的和谐。

制造必须充分保护自然环境，保护社会环境、生产环境和生产者的身心健康。

制造必然要走“绿色”之路，这是实现国民经济可持续发展的重要条件。

在未来10～15年先进制造技术将在以下10个方面得到优先发展。

（1）机电产品的创新设计和系统优化设计理论与方法

包括全生命周期的产品数字化建模、仿真评估理论及设计规X；

产品快速创新开发的设计、优化、规划和管理技术；

复杂机电系统创新设计、整体优化设计的理论、技术与方法

（2）网络协同制造策略理论和关键技术

主要包括制造系统的信息模型和约束描述；

支持并行及网络协同制造的理论和技术；

制造系统优化运行理论、策略与控制。

（3）新型成形制造原理和技术

包括基于新材料、新工艺的成形原理及技术；

精捷成形制造原理和技术；

高能束精密成形制造原理及技术。

（4）数字制造理论和数字制造装备技术

包括产品制造过程的数字化模型及多领域物理作用规律；

高速高效数字制造理论与技术，基于新原理、新工艺的新型数字化装备；

数字制造中多智能体协调和实时自律控制技术。

（5）制造中的量值溯源和测量的理论和技术

主要包括在多尺度空间上精密测量问题；

机械表面微观计量理论与技术；

超精密测量、量值溯源原理、新传感器技术等。

（6）纳米制造科学与技术

包括纳米材料制备及其性能测量；

纳米尺度加工、制造、测量和装配；

纳电子制造和分子原子制造原理与技术。

（7）生物制造与仿生机械的科学与技术

包括结构、功能、能源及运动机械仿生及仿生制造；

生物自生长成形制造；

机械超前反馈仿生与制造的科学与技术；

生物工程制造原理及技术、新一代生物芯片制造原理与技术。

（8）微系统与新一代电子制造科学与关键技术

主要包括微机械、微传感、微光器件的制造机理与技术；

纳米级光学光刻与非光学光刻、浅沟槽刻蚀、铜互连等机理及技术；

集成电路新型封装工艺原理与技术。

（9）绿色制造的科学与技术

包括产品与人类和自然的协调理论；

产品绿色制造工艺（如Near-ZeroWaste）；

产品的再制造与维修科学；

产品绿色使用以及废旧产品资源再利用的理论与方法。

（10）面向国家安全和国家重大工程的制造科学与技术

主要包括针对未来国家将实施的重大工程（宇宙探索、航天、航空、海洋、能源、交通和国防装备等）中的制造技术与科学问题，提前进行研究，以保证国家重大工程和国家安全有相应的技术储备。

6计算机集成制造系统

计算机集成制造系统（puterIntegratedManufacturingSystems,简称CIMS）,是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。

它借助

于计算机的硬件、软件技术,综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。

对企业的生产作业、管理、计划、调度、经营、销售等整个生产过程中的信息进行统一处理,并对分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统的功能进行有机地集成,并优化运行,从而缩短产品开发周期、提高质量、降低成本。

它是工厂自动化的发展方向,未来制造业工厂的模式,是当代生产自动化领域的前沿学科,也是集中多种高新技术为一体的现代化制造技术。

6.1CIMS系统的功能组成

一般CIMS有六部分组成

（1）管理信息系统（MIS）:

具有生产计划与控制、经营管理、销售管

理、采购管理、财务管理等功能,处理生产任务方面的信息。

（2）工程设计应用分系统（CAD&

CAPP）:

由计算机辅助设计、计算机

辅助工艺编制和数控程序编制等功能组成,用以支持产品的设计和工艺准备,处理有关产品结构方面的信息。

（3）车间管理与自动化应用分系统（CAM）:

也可以称为计算机辅助

制造分系统,它包括各种不同自动化程度的制造设备和子系统,用来实现信息流对物流的控制和完成物流的转换。

它是信息流和物流的接合部,用来支持企业的制造功能。

（4）计算机辅助质量保障分系统（CAQ）:

具有制订质量管理计划、实

施质量管理、处理质量方面信息、支持质量保证等功能。

（5）数据库存管理分系统:

用以管理整个CIMS的数据,实现数据

的集成与共享。

（6）计算机与网络分系统:

用以传递CIMS各分系统之间和分系统内部的信息,实现CIMS的数据传递和系统通信功能。

6.2CIMS系统的技术优势分析

6.2.1保障和提高了新产品开发的质量

CIMS（包括并行工程和虚拟制造技术等）使企业提高了产品创新

设计的深度,大大有利于提高企业产品的技术含量。

CIMS建立了企业从产品设计、生产制造、经营管理全方位的计算机集成制造环境,做到了企业信息流、物流、资金流的集成。

市场综合反馈信息在CIMS（MIS部分:

管理信息分系统）的支持下,迅速反馈到CIMS~程设计自动化分系统（CAD/CAPP/CAM/CAE）,产品设计人员在PDM（产品数据管理）、CAD等系统支持下,综合产品过去设计成果及各项信息（包括零部件明细、价格、供货质量、生产加工能力等）,在MIS过来的市场综合反馈信息地推动下,就能不断设计出更加满足市场需求的高争论、低成本、适销对路的产品

6.2.2缩短了新产品的上市周期

CIMS是一个集成化的生产模式,覆盖了市场分析、经营决策、新产品研制、工程设计、加工制造、库存供应、质量保证、销后服务等整个制造业的活动,并力图实现三流集成。

在这种环境支持下,通过企业信息的快速流动,加速了产品的设计周期。

同时,由于在设计时参考了产品的可制造性等特性,在MIS及制造自动化系统的支持下,也极大地提高了产品的生产及销售分派效率,这些都保证了企业新产品上市周期的显著改善。

7加工技术

超精密加工是在超精密机床设备上利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和极低表面粗糙度的加工过程，其精度从微米到亚微米，乃至纳米。

它与当代一些主要科学技术的发展有密切的关系，是当代科学发展的一个重要环节。

而且，超精密加工技术的发展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。

7.1超精密加工的技术X畴

由于加工技术水平的发展，超精密加工划分的界限逐渐向前推移，但在具体数值上没有固定的界定。

根据目前技术水平及国内外专家的看法，对中小型零件的加工形状误差△和表面粗糙度Ra的数量级可分为以下档次。

精密加工:

Δ=1.0~0.1μm，Ra=0.1~0.03μm；

超精密加工：

Δ=0.1~0.01μm，Ra=0.03~0.005μm；

纳微米加工：

Δ<

0.01μm，Ra<

0.005μm。

随着科学技术的飞速发展，超精密加工技术日趋成熟，已形成系列，它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微细加工、超精密计量等，并向更高层次发展。

超精密加工的影响因素很多，只有广泛研究和综合采用各种新技术，并在各方面精益求精，才能突破目前常规加工技术不能达到的精度界限。

实现超精密切削加工的条件主要包括超精密加工机床、超精密切削刀具、超精密加工环境、超精密加工的工件材质、超精密加工用夹具和超精密测控技术等多项技术。

超精密加工技术实际上就是这些技术的综合应用。

7.2超精密加工的关键技术

7.2.1主轴

机床的主轴在加工过程中直接带动工件或刀具运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。

现在超精密加工机床中精度最高的主轴采用的是空气静压轴承，其实用精度可达0.05μm，但还不能满足纳米级加工的要求。

近年来磁悬浮轴承的发展非常迅速，有望在未来有所突破，但目前还达不到空气静压轴承的精度。

而提高空气轴承主轴回转精度的途径之一是提高轴及轴套的圆度，因为理论上这两者是成正比的。

另外，还要想办法提高气孔供气的平稳性。

通过多孔粉末冶金材料的小孔供气是理想的供气形式，有待进一步研究。

此外，还可以利用控制技术以补偿的形式来减小或消除回转误差。

7.2.2直线导轨

总的来说，从精度角度看，空气导轨是现在最好的导轨。

虽然它没有液体静压导轨的刚性大，但气浮导轨优点也很明显，如无需进行油温控制，对环境没有污染。

此外，纳米级精度加工机床的负荷和行程没有那么大，所以应优先考虑空气导轨。

目前，空气导轨的直线度可达（0.1~0.2）μm/250mm，国内303所也可做到0.1μm/200mm的水平。

纳米水平的机床导轨行程比上述要短，通过补偿技术还可进一步提高导轨的直线度。

国防科技大学利用二维微进给装置补偿导轨直线度，取得了较好的效果，可补偿到0.1μm/300mm的精度水平。

在导轨的结构设计上还有潜力可挖，如采用多根导轨并联来加强气膜的误差匀化作用，加大气垫式导轨跨度来缩小直线度误差等。

由于空气导轨的气膜厚度大概只有10μm，在使用过程中防尘显得很重要，若不保证洁净的环境，导轨有可能因为灰尘而受损伤，这种损伤常常是难以修复的。

7.2.3传动系统

传统进给装置的主要任务之一是把旋转运动转化成直线运动，主要使用滚珠丝杠。

与轴承一样，为了克服摩擦引起的爬行和反向间隙现象，出现了静压丝杠。

由于介质膜的均化作用，目前的空气静压丝杠分辨率可达到0.01μm，进给精度比C0级滚珠丝杠高2个数量级，但刚度有所欠缺。

所以，又出现了传动原理类似齿轮齿条传动的摩擦传动，它能够实现无反向间隙的传动，同时因为结构非常简单，弹性变形因素较小。

目前，已有的摩擦传动分辨率能达到1.25nm，定位精度能达到0.1μm，而根据其原理，采用高分辨率的电机还可以使这两个数值进一步减小。

微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用，它一般被用作补偿工具。

用压电陶瓷驱动、弹性铰链支撑的微位移机构得到了广泛的应用。

7.3数控技术（NumericalControl（NC））

数控技术，简称“数控”。

英文：

NumericalControl（NC）。

是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。

1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；

19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；

1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。

数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。

1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。

由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。

7.3.1数控技术是应用制造技术的基础和核心

数控技术是数字化技术在机械制造行业应用的高新技术，是机械加工工业向现代化发展的关键技术。

数控技术是现代化工业的基础技术，数控技术的推广应用，为机械制造业由刚性自动化向柔性自动化的过渡发展做出了重要的贡献，揭开了机械制造业第三次历史性的技术改造的序幕。

随着微电子技术、计算机技术和自动控制技术的飞速发展，数控技术得到了新的发展。

特别是PC机进入数控系统后，使数控系统由封闭型向开放型的体系结构转化，数控技术已应用在各种各样的机床上，形成了数控车床、数控铣床、数控磨床等，并发展了工序集中的复合数控机床（加工中心），开发出了FMC，从而为FMS和CIMS奠定了基础。

数控技术广泛应用于制造业的各部门，已成为先进加工技术的基础。

7.3.2数控技术的推广应用给机械制造业带来了重大变革

（1）数控技术的推广应用带来了机床行业的重大变革。

数控技术的典型产品是数控机床。

数控机床是工厂自动化的基础，数控机床拥有量的多少是衡量一个国家制造业现代化水平的重要标志。

数控机床的发展直接影响到国民经济各部门制造技术水平的提高，是发展航空、航天等国防工业的重要装备，是实现国民经济各部门制造技术与国际接轨的关键设备。

数控技术的推广应用给机床行业带来的重大变革主要体现在以下两个方面：

a.数控技术促进了旧机床数控化的改造；

b.数控技术为数控机床发展奠定了基础。

（2）数控技术的推广应用促进了制造工艺的发展。

随着数控技术的发展，常规加工工艺条件得以变更，工艺参数的优化成为可能，从而为实现优质、低耗、洁净、灵活的目标奠定了基础。

数控技术的推广应用使得以优质、低耗、洁净、灵活为特征的先进制造工艺在国内得到高度重视及应用。

（3）数控技术的