学科前沿专题先进制造技术.docx
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学科前沿专题先进制造技术
学科前沿专题
一、阐述机械制造业的变革及挑战。
（10分）
机械制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了不少理论和实践经验，但随着社会的发展，人们的生活水平日益提高，各个方面的个性化需求越加强烈。
作为已经深入到各行各业并已成为基础工业的机械制造业面临着严峻的挑战。
机械制造技术的发展趋势可以概括为：
（1）机械制造自动化。
（2）精密工程。
（3）传统加工方法的改进与非传统加工方法的发展。
机械制造自动化技术始终是机械制造中最活跃的一个研究领域。
也是制造企业提高生产率和赢得市场竞争的主要手段。
机械制造自动化技术自本世纪20年代出现以来，经历了三个阶段，即刚性自动化、柔性自动化和综合自动化。
综合自动化常常与计算机辅助制造、计算集成制造等概念相联系，它是制造技术、控制技术、现代管理技术和信息技术的综合，旨在全面提高制造企业的劳动生产率和对市场的响应速度。
一、集成化
计算机集成制造（CIMS）被认为是21世纪制造企业的主要生产方式。
CIMS作为一个由若干个相互联系的部分（分系统）组成，通常可划分为5部分：
1．工程技术信息分系统
2．管理信息分系统（MIS）
3．制造自动化分系统（MAS）
4．质量信息分系统
5．计算机网络和数据库分系统（Network & DB）
二、智能化
智能制造系统可被理解为由智能机械和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，该系统在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、判断、构思、决策等。
在智能系统中，“智能”主要体现在系统具有极好的“软”特性（适应性和友好性）。
在设计和制造过程中，采用模块化方法，使之具有较大的柔性；对于人，智能制造强调安全性和友好性；对于环境，要求作到无污染，省能源和资源充分回收；对于社会，提倡合理协作与竞争。
三、敏捷化
敏捷制造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。
为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。
敏捷制造是现代集成制造系统从信息集成发展到企业集成的必由之路，它的发展水平代表了现代集成制造系统的发展水平，是现代集成制造系统的发展方向。
实现敏捷制造的技术基础包括：
1．大范围的通讯基础结构，要求在全国范围内建立工厂信息网络和准时信息系统（Just-In-Time-Information）。
2．柔性化、模块化的产品设计方法。
3．高柔性、模块化、可伸缩的制造系统。
4．为定单而设计、制造的生产方式。
5．基于任务的组织与管理。
6．基于信任的雇佣关系。
四、虚拟化
“虚拟制造”的概念于20世纪90年代初期提出。
虚拟制造以系统建模和计算机仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、信息技术、并行工程、人工智能、多媒体技术等高新技术为一体，是一项由多学科知识形成的综合系统技术。
虚拟制造利用信息技术、仿真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的措施，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。
五、清洁化
清洁生产是指：
将综合预防的环境战略，持续应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险。
清洁生产的两个基本目标是资源的综合利用和环境保护。
对生产过程而言，清洁生产要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过程，包括节约原材料和能源，替代有毒的原材料和短缺资源，二次能源和再生资源的利用，改进工艺及设备，并将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。
对于产品而言，清洁生产覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，即从原材料的提取到产品的最终处理，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、销售及报废等，合理利用资源，并最大限度地减少对人类和环境的不利影响。
综上所述，机械制造业的发展方向是将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术是企业产品在全生命周期
中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化达到产品上市快、服务好、质量优成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，是企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。
二、阐述先进制造技术的定义、特点和发展趋势。
（10分）
先进制造技术（AdvancedManufacturingTechnology），人们往往用AMT来概括由于微电子技术、自动化技术、信息技术等给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。
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。
先进制造技术特点：
（1）先进制造技术涉及到产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，它的目的是提高制造业的综合经济效益和社会效益，是面向工业应用的技术。
（2）先进制造技术强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。
它驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流，是生产过程的系统工程。
（3）80年代以来，随着全球市场竞争越来越激烈，先进制造技术要求具有世界先进水平，它的竞争已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的竞争，因此它是面向全球竞争的技术。
（4）先进制造技术的最新发展阶段保持了过去制造技术的有效要素，同时吸收各种高新技术成果，渗透到产品生产的所有领域及其全部过程，从而形成了一个完整的技术群，具有面向21世纪新的技术领域。
先进制造技术发展趋势：
（1）工业应用的技术，机械、电子、信息、材料及能源技术成果，综合应用于制造过程。
（二）制造业综合自动化，信息技术、自动化技术、现代企业管理技术的有机结合。
（三）系统管理技术，制造业综合自动化、过程工业综合自动化、系统技术等综合应用于制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，获得理想技术经济效果
三、现代设计技术的核心因素及发展特点有哪些？
列举一些主要设计技术方法。
（15分）
现代设计技术是先进制造技术中的首要关键技术，它是现代科技发展和全球市场竞争的产物。
现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。
⑴以计算机技术为核心。
⑵以设计理论为指导。
虽然目前对现代设计尚无确切定义，但可从以下特征来理解。
①设计手段更新
②产品表示改变
③设计方法进一步发展
④工作方式发生变化
⑤设计与制造一体化
⑥管理水平进一步提高
⑦组织模式更加开放
现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。
以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。
现代设计方法有:
并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计
一、并行设计
并行设计是一种对产品及其相关过程（包括设计制造过程和相关的支持过程）进行并行和集成设计的系统化工作模式。
强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。
二、虚拟设计
在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。
所谓的虚拟制造（也叫拟实制造）指的是利用仿真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，发现制造过程中可能出现的问题，在真实制造以前，解决这些问题，以缩减产品上市的时间，降低产品开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。
三、绿色设计
绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。
四、可靠性设计
机电产品的可靠性设计可定义为:
产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性（概率）之间的关系。
用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。
可靠性常用的数值标准有:
可靠度（Reliability）、失效率（FailureRate）平均寿命（MeanLife）。
机电系统的可靠性不仅与组成系统单元（机械单元、电气单元或混合单元）的可靠性有关，还与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。
五、智能优化设计
随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。
解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。
智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。
智能优化设计应该以计算机为实现手段，与控制论、信息论、决策论相结合，使现代机电产品具有自学习、自组织、自适应的能力，其创造性在于借助三维图形，智能化软件和多媒体工具等对产品进行开发设计。
六、计算机辅助设计
机械计算机辅助设计（机械CAD）技术，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。
七、动态设计
动态设计法是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工
中反馈的信息和监控资料完善设计，是一种客观求实、准确安全的设计方法。
传统的机械设计主要是依据静态条件下强度、刚度、稳定性及结构要求和材料选择来进行设计的，动态设计则以系统论，控制论为依据，在一定的位移，速度，力和力矩的干扰下对影响整机性能非常重要的战术指标（包括响应速度、跟踪精度和动态稳定性等）进行设计。
八、模块化设计
结构模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础，分解现有的产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本。
九、计算仿真设计
根据工程机械不同的作业功能，在计算机上模拟各种作业过程，以分析和确定各种状态下的作业参数，研究工程机械各系统主要部件的结构合理性，借助数学实验等方法预估工程机械的作业效果，从而可大大减少设计上的失误，避免或减少走弯路。
十、人机学设计
应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等.
十一、摩擦学设计
摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘摩擦学系统过程研究学科。
以减小摩擦为目的的设计，即为摩擦学设计。
十二、疲劳设计
疲劳材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
十三、反求设计
反求设计（也称逆向设计），是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理（数据采集、数据处理），并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的CAD模型（曲面模型重构），并进一步用CAD/CAE／CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。
十四、无障碍设计（barrierfreedesign）
这个概念名称始见于1974年，是联合国组织提出的设计新主张。
无障碍设计强调在科学技术高度发展的现代社会，一切有关人类衣食住行的公共空间环境以及各类建筑设施、设备的规划设计，都必须充分考虑具有不同程度生理伤残缺陷者和正常活动能力衰退者（如残疾人、老年人）群众的使用需求，配备能够应答、满足这些需求的服务功能与装置，营造一个充满爱与关怀、切实保障人类安全、方便、舒适的现代生活环境。
十五、共用性设计UD（UniversalDesign）是指，在商业利润的前提下河现有生产技术条件下，产品（广义的，包括器具﹑环境﹑系统和过程等）的设计尽可能使不同能力的使用者（例如残疾人﹑老年人等），在不同的外界条件下能够安全﹑舒适地使用的一种设计过程。
四、阐述超高速加工技术和超精密加工技术所涉及的主要关键技术问题有哪些？
（20分）
超高速加工技术主要包括：
超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。
（1）超高速切削、磨削机理研究。
对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。
（2）超高速主轴单元制造技术研究。
主轴材料、结构、轴承的研究与开发；主轴系统动态特性及热态性研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴系统的润滑与冷却技术研究；主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究；主轴换刀技术研究。
（3）超高速进给单元制造技术研究。
高速位置芯片环的研制；精密交流伺服系统及电机的研究；系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究；机械传动链静、动刚度研究；加减速控制技术研究；精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。
（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。
研究开发各种超高速加工（包括难加工材料）用刀具磨具材料及制备技术，使刀具的切削速度达到国外工业发达国家90年代末的水平，磨具的磨削速度达到150m/s以上。
（5）超高速加工测试技术研究。
对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术，对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。
超精密加工技术主要包括：
超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。
（1）超精密加工的加工机理研究。
“进化加工”及“超越性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。
（2）超精密加工设备制造技术研究。
纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。
（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术研究。
金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。
（4）精密测量技术及误差补偿技术研究。
纳米级基准与传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。
（5）超精密加工工作环境条件研究。
超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。
五、非传统加工技术主要有哪些种类？
非传统加工技术的主要特点有哪些？
（10分）
非传统加工亦称为“特种加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。
非传统加工技术主要有：
雷射加工（LaserBeamMachining,简称LBM）：
是以种高热的加工法，被加工之工件材料一部分是在液态下以高速除去，但主要是由於高热直截挥发成汽态离开工件。
加工法是激发红宝石中铬离子放出能量，加强加速光束。
切割、雕刻、打洞、焊接、钻孔、模板修补、标记、表面处理等，使用的雷射则分气体雷射及固体雷射两种。
气体雷射以二氧化碳為主，固体雷射则以加工用的YAG雷射為代表。
指传统车、钳、铣、鉋、磨等加工以外，新的机械加工方法之总称，主要是指不直接利用机械能，而利用电能、热能、光能、声能、化学能等，其他能量来对工件进行尺寸、形状变更或表面处理加工的方法。
除了这些单独的加工方法使用外，亦可结合两种或多种加工方法的应用而得到复合加工方法，来达到截长补短之功效。
电镀（electroplating）被定义為一种电沉积过程，是利用电极（electrode）通过电流，使金属附著於物体表面上，其目的是在改变物体表面之特性或尺寸。
电镀之目的：
在基材上镀上金属镀层（deposit），改变基材表面性质或尺寸。
電子束加工：
电子束是其物体受激振后所產生的眾多电子，若利用导引或约束装置将其集结成束后，然后高速撞击於工件上，将其动能转换為热能，即可进行切削或熔接，然而若是将电子撞击到工件材料后，依工件材料受激发出来的二次电子或波长等特徵，即可进行检验工件。
以执行所须的操作---如切削、熔接或检验。
优点:
1.精度高，适合需要高精度的细微切削。
2.电子束甚集中（直径0.0012mn），工件上的热影响区域或压力几乎难以发现，可得很精确的公差
缺点:
1.设备成本高。
2.须熟练的技术。
3.须在真空中操作，工件大小较受限制。
超音波加工：
超音波是一种频率超过可听到声音的振动波，视其应用而可分為超音波切削、超音波熔接与超音波检验等主要用途。
超音波的產生是利用一种介质，如石英晶体等，将电气信号转变為一种高频振动波而得者。
优点有:
1.没有热应力存在。
2.低工具模造成本。
3.可僱用较低技术工人从事高技术性的精密加工。
4.可穿出治夹具中的非圆孔或任何形状的内孔。
放电加工：
放电加工原理简单而言是利用电能转换成工件热能，使工件急速融熔的一种热性加工方法。
换言之，放电加工时，液中在电极与工作极微细的间隙中產生过渡电弧放电现象，进而对工件產生热作用，同时，加工中液体由於受到放电压力及热作用產生气化爆发现象，此时工件的融熔部份，将伴随液体气化现象熔入加工液中，工件因放电的作用產生放电痕，如此反覆进行，我们所希望的形状便可加工完成。
六、阐述快速原型制造技术工作原理、其优点是什么？
主要类型有哪些？
（15分）
快速原型制造技术工作原理：
快速原型制造技术（RP技术）是基于离散/堆积原理的直接加工原型或零件的制造过程。
将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具，简单描述就是“分层制造，逐层叠加”类似于积分过程。
与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：
（1）可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。
（2）属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。
（3）无振动、噪声和切削废料。
（4）可实现夜间完全自动化生产。
（5）加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。
优点：
RP技术不需要任何刀具、模具及工具卡具的情况下，直接接受产品基选集辅助设计（CAD）数据，可实现任意复杂形状新产品的快速制造，快速制造出新产品的样件、模具或模型，优越性显而易见。
用RP技术快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等，有利于优化产品设计，大大提高新产品开发的一次成功率，缩短研发周期，降低研发成本，提高产品的市场竞争力。
主要类型：
目前在市面上有近二十种不同的快速原型机系统，每一个系统的基本原理都相类似，不一样的只是在於堆叠材料的方法不同，以下仅介绍几种比较著名的技术：
1.雷射光合高分子成型（Stereolithography，SLA），以美国3D公司为代表。
2.雷射烧结技术（Selectivelasersintering，SLS），以美国DTM公司为代表。
3.叠层法（Laminatedobjectivemanufacturing，LOM），以美国Helisys公司为代表。
4.3-D印刷法（3Dprinting），以美国Soligen公司为代表。
5.溶解沈积法（Fuseddepositionmodeling，FDM），以美国Stratasys公司为代表。
6.固态基础熟化法（Solidgroundcuring，SGC），以以色列Cubital公司为代表。
七、先进制造生产模式有哪些主要特点？
主要的先进制造生产模式有哪些？
（10分）
制造模式是指制造企业在生产经营、管理体制、组织结构和技术系统等方面所表现出来的形态或运作方式。
先进制造模式则是指企业在生产过程中，依据环境因素通过有效地组织各种生产要素来达到良好制造效果的先进生产方法或样板，这种样板所蕴含的概念、哲理和结构对其他企业具有可仿效性。
先进制造模式的先进性表现在企业的组织结构合理、管理手段得当、制造技术领先、市场反应快、客户满意度高、单位产品成本低等诸多方面。
主要特点：
通过对现代各种先进制造模式的研究分析，可以总结出它们具有如下几个特点。
（1）综合性：
是技术、管理方法和人的有效综合和集成。
（2）普适性：
其概念、哲理和结构，适用于不同企业，其核心思想和观念具有普遍指导意义。
（3）协同性：
强调人一机协同、人一人协同因素的重要性，技术和管理是两个平行推进的车轮。
（4）动态性：
与社会及其生产力发展水平相适应的动态发展过程。
主要的先进制造生产模式有：
（1）柔性生产模式
柔性生产模式由英国莫林斯（Molins）公司首次提出的柔性生产模式，在20世纪70年代末得到推广应用。
该模式主要依靠有高度柔性的以计算机数控机床为主的制造设备来实现多品种小批量的生产，以增强制造业的灵活性和应变能力，可缩短产品生产周期，提高设备使用效率和员工劳动生产率且改进产品质量。
（2）智能制造模式
该模式是在制造生产的各个环节中，应用智能制造技术和系统，以一种高度柔性和高度集成的方式，通过计算机模拟专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，以便取代或延伸制造过程中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行了完善、继承和发展。
因智能制造可实现决策自动化，实现“制造智能”和制造技术的“智能化”，进而实现制造生产的信息化和自动化。
（3）精益生产模式
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