先进制造技术导论复习题题库.docx
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先进制造技术导论复习题题库
概述
1.6先进制造技术发展趋势
1制造自动化经历了刚性自动化、可编程自动化和综合自动化的发展过程。
制造自动化几个有代表性的发展方向；
（1）集成化
集成是综合自动化的一个重要特征。
他的发展将使制造企业各部门之间以及制造活动各阶段之间的界限逐渐淡化，并最终向一体化的目标迈进。
如CAD／CAPP／CAM系统的出现，使设计、制造不再是截然分开的两个阶段；计算机集成制造（CIM）的核心是通过信息集成，使一个个自动化孤岛有机地联系在一起，以发挥更大的效益；制造自动化为集成化提供了有利条件，而集成化是制造自动化深入发展的必然结果。
（2）柔性化
能够快速实现制造系统的重组。
模块化技术是提高制造自动化系统柔性的重要策略和方法。
硬件和软件的模块化设计，不仅可以有效地降低生产成本，而正可以大大提高自动化系统的柔性。
模块化产品设计可以有效改善设计工作的柔性，从而可以显著缩短新产品研制与开发周期，迅速实现制造系统的重组
（３）网络化
计算机网络的问世和发展为制造全球化奠定了基础。
计算机集成制造系统通常采用局域网，以实现企业内部的信息传输与信息集成。
Internet的出现，使企业之间的信息传输与信息集成以及异地制造成为可能。
电子商务目前已经得到实际应用，网络化制造正在成为制造自动化技术的研究热点。
（4）虚拟化
虚拟制造（VM）是一项由多学科知识形成的综合系统技术。
虚拟制造将现实制造环境及制造过程，通过建立系统模型映射到计算机及相关技术所支持的虚拟环境中，在虚拟环境中模拟现实制造环境及制造过程从而对产品设计、制造过程及制造系统进行预测和评价。
虚拟制造技术可以缩短产品的设计与制造周期，提高产品设计成功率，降低产品开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力
2传统制技术改进表现在产品设计和零件制造两个方面
（1）产品设计
传统产品设计方法的改进主要是CAD和CAE技术的应用
近年来，由于计算机辅助技术的迅速发展，不断出现了许多新的设计思想和设计方法，包括并行设计健壮设计、优化设计、反求工程技术等，并已得到实际应用。
现代设计思想和设计方法的提出与发展，将会使传统产品设计方法产生深刻的变革。
（2）零件制造
毛坯成形技术的改进主要集中在提高成形精度上。
近年来出现的近净成形和净成形技术，使毛坯逐渐向最终零件形状和尺寸迈进。
零件机械加工技术的改进主要表现在强力切削与高速切削技术的迅速发展。
特别是高速切削与超高速切削技术的发展可以实现“以切代磨”，这不仅可以极大地提高生产效率，而且可以获得较高加工精度，还可以实现难加工材料的切削加工。
根据近年来的发展推测，每10年切削速度大约提高一倍，因此亚音速乃至超声速加工的出现不会太远了。
新型零件制造方法，又称特种加工方法，是二次世界大战后发展起来的，有别于传统切削与磨削的加工方法总称。
这种新型加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合，直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。
由于加工效率和加工成本的制约，特种加工方法主要用于—些特殊场合的加工，如难加工材料的加工，复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件的加工等。
3精密制造技术
精密与超精密加工：
在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高与最高程度的加工工艺。
精密加工与超精密加工技术是一个国家制造业水平的重要标志。
目前超精密加工的尺寸精度已达到0．025um，表面粗糙度达到0.005um，所用机床定位精度达到0.01um，
纳米级加工技术已接近实现。
进一步的发展趋势是：
向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展。
微细、超微细加工：
通常指1mm以下微小尺寸零件的加工，超微细加工通常指1um以下超微细尺寸零件的加工。
目前，微细与超微细加工的精度已达到纳米级（0.1nm-100nm）。
在达到纳米层次后，决非几何上的“相似细小”，而是出现一系列新的现象和规律。
量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽赂，甚至成为主导因素。
在这种情况下，必须从机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多方面进行综合研究，故又称为纳米技术
4绿色制造
绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的一种现代制造模式。
对于制造过程而言，绿色制造要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过没包括节约原材料和能源，替代有毒原材料，将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。
5信息技术、管理技术与工艺技术
先进制造技术的思想和结构体系提出以后，信息技术、现代管理技术，制造工艺技术合得更加紧密，出现了一系列新的制造哲理和生产模式，如CIMS、CE、LP、AM、IMS等。
先进生产模式的实现与现代管理技术密切相关，主要体现了以下几个基本转变：
1组织形式从按功能划分部门的固定形式向动态的、自治的多功能小组形式转变
2②管理结构从金字塔式的多层次结构向扁平式网络结构转变；
3工作方式从传统的顺序方式向并行方式转变；
4管理工作重点从以技术为中心向以人为中心转变；
5竞争策赂从单一追求生产率指标向生产率与快速响应市场能力并重转变；
6企业间关系从单纯竞争关系向竞争与合作关系转变。
并行设计：
思路：
并行地、集成地开展设计产品设计、开发及加工制造
产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、成本、进度、用户要求…，最大限度地提高产品开发效率及一次成功率，面向产品全生命周期的设计是一种具备高度预见性和预防性的设计
特征
1.强调团队工作，团队精神和工作方式（将产品整个生命周期中各个方面的专家，甚至包括潜在的用户都集中起来，形成专门的工作小组，共同工作，随时对设计出的产品和零件从各个方面进行审查，力求设计出的产品便于加工，便于装配，便于维修，便于运送，外观美、成本低、便于使用）2.强调设计过程的并行性两方面的含义：
设计过程中通过专家把关，同时考虑产品寿命循环的各个方面； 设计阶段同时进行工艺（包括加工工艺、装配工艺和检验工艺）过程设计，并对工艺设计的结果进行计算机仿真，甚至用快速原型法产生出产品的样件3.强调设计过程的系统性设计、制造、管理等过程不再是一个个相互独立的单元，而是纳入一个整体系统考虑，设计过程不仅出图纸和其他设计资料，还要进行质量控制、成本核算，也要产生进度计划4.强调设计过程的快速反馈；强调对设计结果及时审查，并及时反馈给设计人员。
这样可以大大缩短设计时间，保证将错误消灭在“萌芽”状态
并行工程的体系结构
各分系统中主要工作逐层分解，分工明确，使不同地区、工厂、车间生产通过人，用计算机手段有机地连结起来形成“闭环”工程
并行工程的关键技术
一个完整的公共数据库：
集成并行设计所需要的诸方面的知识、信息和数据，并且以统一的形式加以表达
支持各方面人员并行工作的计算机网络系统：
该系统可以实时、在线地在各个设计人员之间沟通信息、发现并调解冲突
一套切合实际的计算机仿真模型和软件：
可以由一个设计方案预测、推断产品的制造及使用过程，发现所隐藏的问题，此问题是实施并行工程的“瓶颈
并行工程的主要实现方法
1信息系统方法：
将及时、相关和准确的信息流作为并行工程的构造单元，创建数据库、软件和专家系统促进整个设计过程的各种数据的可利用性和可访问性
2CAD/CAM集成方法：
将并行工程考虑为制造系统中CAD和CAM工具的集成，同时设计产品及其工艺
2面向制造和装配设计的方法：
使产品有更好的结构，零件有更好的可加工性
反求工程
1正设计与反设计：
人们通称的设计，一般指正设计，它是一个从无到有的产品设计过程。
设计人员首先根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，创造新方案，经过‘系列的设计活动变为产品。
概括地说，正设计是由未知到己知、由想像到现实的过程。
2反设计是从己知事物的有关信息（包括硬件、软件、照片、广告、情报等）去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性和改进的可能性等。
要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，进而在此基础上进行改进、挖掘和再创造
正设计：
设计任务提出后，怎样实现和达到预定目标。
解答“怎么做?
”主动的创造
反求：
已有确定目标后，去探索和掌握这个目标的设计者是如何一步一步实现的，要摸清设计者的意图和所采用的关键技术以及相应的设计理论与方法。
解答“为什么要这样做?
”先被动后主动的创造，仿制与反求工程；仿制：
简单、低级的模仿，无创造性，其产品质量和生命周期没有竞争力。
反求工程技术：
其开发的产品复杂，通常由一些复杂曲面构成，精度要求高，若采用常规仿制方法难以实现，必须借助于如CAD/CAE/CAM等计算机辅助技术手段。
1．实物反求
v以产品实物为依据，对产品的设计原理、结构、材料、精度、制造工艺、包装、使用等方面进行分析研究和再创造，最终研制出与原型产品相近或更佳的新产品。
v实物反求对象：
整个产品，也可以是部件、组件
或零件。
v反求内容：
功能反求，性能反求，方案、结构、材质、
精度、使用规范等众多方面的反求。
2．软件反求
以技术软件为主要研究对象的反求工程称为软件反求
技术软件包括：
产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等。
软件反求的目标：
通过对已有技术软件的分析和研究，提高对相关产品设计和制造能力。
基本组成：
产品规划反求、原理方案反求和结构方案反求
3．影像反求
既无实物，又无技术软件，而仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从中去构思、想像来反求，称为影像反求。
影像反求难度最大，其本身就是创新过程，目前还未形成成熟的技术。
一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。
绿色设计技术………
2.5.1绿色设计产生的背景
在生产力高度发展和物质产品极大丰富的今天，世界面临着一些令人困扰的问题：
越来越短的产品使用寿命，造成数量越来越多的废弃物；资源过快开发和过量消耗，造成资源短缺和面临衰竭；环境污染和自然生态破坏已严重威胁到人类的生存条件。
20世纪90年代德国主要废弃工业品的统计数据。
其中，汽车的废弃率高居榜首。
2.5.2绿色产品
1.绿色产品的定义
v绿色产品就是在其生命周期全程中，符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高，能源消耗最低的产品。
绿色产品的内涵，表现在以下几个方面：
①优良的环境友好性产品从生产到使用乃至废弃、回收、处理处置的各个环节都对环境无害或危害甚小。
②最大限度地利用材料资源绿色产品应尽量减少材料使用量，减少使用材料的种类，特别是稀有昂贵材料及有毒、有害材料。
③最大限度地节约能源绿色产品在其生命周期的各个环节所消耗的能源应最少。
资源及能源的节约利用本身也是很好的环境保护手段
普通产品生命周期，产品从“摇篮到坟墓”的过程。
从产品设计、制造、销售、使用乃至废弃的所有阶段，而产品废弃后的一系列问题则一般很少考虑，不能满足绿色产品的要求。
绿色产品生命周期，产品从“摇篮到再现”的过程。
①绿色产品规划及设计开发过程；②绿色产品制造与生产过程；③产品使用过程；④产品维护与服务过程；⑤废弃淘汰产品的回收、重用及处理处置过程。
2.绿色产品的评价标准，由于发展历史不长，绿色产品至今尚无严格准确
的行业标准，目前得到公认的绿色标准包括以下三条：
①产品在生产过程中少用资源和能源，并且不污染环境。
②产品在使用过程中能耗低，不会对使用者造成危害，也不会产生环境污染物。
③产品使用后可以和易于拆卸、回收、翻新或能够安全废置并长期无虑。
2.5.3绿色设计
绿色设计就是以绿色技术为原则所进行的产品设计。
所谓绿色技术（GreenTechnology—GT）或西方称之为“环境友善技术”（EnvironmentalSoundTechnology—EST），是减轻环境污染或减少原材料、自然资源使用的技术、工艺或产品的总称。
绿色设计要求，在设计产品时必须按环境保护的指标选用合理的原材料、结构和工艺，在制造和使用过程中降低能耗、不产生毒副作用，其产品易于拆卸和回收，回收的材料可用于再生产。
2.绿色设计的基本目标
绿色设计的目标除传统设计的基本目标外，还有两个:
一是防止影响环境的废弃物产生；二是良好的材料管理。
避免废弃物产生，用再造加工技术或废弃物管理方法协调产品设计，使零件或材料在产品达到寿命周期时，以最高的附加值回收并重复利用。
绿色设计必须遵循一定的系统化设计程序，其中包括：
环境规章评价，环境污染鉴别，环境问题的提出，减少污染、满足用户要求的替代方案，替代方案的技术与商业评估等。
绿色设计人员应该考虑哪些问题？
制造过程中可能产生的废弃物是什么？
有毒成分的可能替代物是什么？
报废产品如何管理？
设计对产品回收性有什么影响？
零件材料对环境有何影响，用户怎样使用产品？
3.绿色设计的三个阶段
①跟踪材料流，确定材料输入与输出之间的平衡；
②对特殊产品或产品种类分配环境费用，并确定相应的产品价值；
③对设计过程进行系统性研究，而不是将注意力集中在产品本身。
从产品的整体质量考虑，设计人员不应只根据物理目标设计产品，而应以产品为用户提供的服务或损害为主要依据。
4.绿色设计与传统设计的区别
绿色设计要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。
2.5.4绿色设计的主要内容和关键技术
①绿色产品的描述与建模；②绿色设计的材料选择与管理；③产品的可拆卸性设计；④产品的可回收性设计；⑤绿色产品的成本分析；⑥绿色设计数据库等。
1.绿色产品的描述与建模
准确全面地描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型是绿色设计的关键。
例如针对冰箱产品，已提出了绿色产品的评价指标体系、评价标准制定原则，利用模糊评价法对冰箱的“绿色程度”进行了评价，并开发了相应的评价工
2.绿色设计的材料选择与管理
绿色设计要求产品设计人员改变传统的选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用条件和性能，而且应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料及易回收、可重用、易降解材料。
3.产品的可回收性设计
包括以下几方面的主要内容：
①可回收材料及其标志；②可回收工艺与方法；③可回收性经济评价；④可回收性结构设计。
4.产品的可拆卸性设计
现代机电产品使用多种不同材料，其拆卸就成为目前绿色设计研究的主要热点。
它要求在产品设计的初级阶段就将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使所设计的结构易于拆卸、维护方便，并在产品报废后可重用部分能充分有效地回收和重用。
可拆卸性要求在产品结构设计时改变传统的联接方式，代之以易于拆卸的联接方式
5.绿色产品的成本分析
绿色产品的成本分析与传统的成本分析不同。
由于在产品设计初期，就必须考虑产品的回收、再利用等性能，因此成本分析时，就必须考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。
对企业来说，是否支出环保费用，也会形成产品成本上的差异；同样的环境项目，在各国或地区间的实际费用，也会形成企业间成本的差异。
因此，在每一设计决策时都应进行绿色产品成本分析，以便设计出的产品“绿色程度”高且总体成本低。
6.绿色设计数据库
绿色设计数据库是一个庞大复杂的数据库。
它应包括产品寿命周期中与环境、经济等有关的一切数据，如材料成分、各种材料对环境的影响值、材料自然降解周期、人工降解时间、费用，制造、装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及对环境的影响值，环境评估准则所需的各种判断标准等。
~~~VR技术（计算机）虚拟现实
VR技术是计算机仿真技术在更高层次上延伸与扩展。
由于VR技术要为用户提供逼真的感觉，与虚拟世界进行交互作用，从而使人成为系统中集成的一部分，进入了沉浸——交互——构想，即三个“I”（Immersion－Interaction-Imagination）的信息环境。
因而，VR技术是在人机完善结合环境下的先进设计技术，它使设计者可以用各种方式表达和实现自己的设计意图、最大限度地充分发挥创造力和想象力。
模拟与仿真的概念
模拟（Simulation）是指选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一个系统来表示它们的过程。
仿真（Emulation）是指用另一数据处理系统，主要用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以致于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。
计算机模拟仿真技术
以计算机系统为工具，以相似原理、信息技术和控制论为基础，根据系统实验的目的，建立实际或联想的系统模型，并在不同条件下，对模型进行动态运行（实验）的一门综合性技术。
超精密加工
超精密加工的关键技术
加工机理：
近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。
被加工材料：
用于精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷。
加工工具：
用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：
金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。
磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。
工作环境：
环境温度可根据加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至达到±0.0005℃。
在恒温室内，一般湿度应保持在55%～60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。
洁净度要求1000～100级，100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个，依此类推
微细加工
从基本加工类型看，微细加工可大致分四类:
分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、破碎等；
接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、粘结等；
变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；
材料处理或改性，如一些热处理或表面改性等
高能束流加工的共同特点：
1.加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少，工件变形小。
2.束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、电子束加工可使任何坚硬、难熔的材料在瞬间熔融汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件表面，使材料变形、分离破坏。
3.工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。
4.束流控制方便，易实现加工过程自动化。
激光加工的特点：
激光加工属非接触加工，无明显机械力，也无工具损耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可达高精度加工，易实现自动化。
因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材料限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。
激光加工可通过惰性气体、空气或透明介质对工件进行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真空管内的工件进行焊接。
激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节，常用于精密细微加工。
能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势。
LOM产品的特点
由于LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此工艺简单，成型速度快，易于制造大型零件；工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精度较高，激光切割为0.1mm，刀具切割为0.15mm；工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑；材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保；力学性能差，只适合做外形检查。
快速成型技术的理解：
在快速成形技术的发展过程中，各个研究机构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称谓，这些不同称谓即反映了快速成形技术不同方面的重要特征。
Ø离散堆积制造；离散堆积制造是现代成形学理论中在对成形技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料堆积性，体现了快速成形技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。
Ø实体自由成形制造；实体自由成形制造（SolidFreeformFabrication）表明快速成形技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束。
RP工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的大量成本。
Ø材料添加制造；将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。
Ø即时制造；即时制造（InstantManufacturing）反映该类技术的快速响应性。
由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，快速成形技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得快速成形技术尤其适合于新产品的开发，显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。
Ø分层制造；分层制造（LayeredManufacturing）将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。
Ø直接CAD制造；直接CAD制造（DirectCADManufacturing）反映了快速成形是CAD模型直接驱动，实现了设计与制造一体化，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动快速成形设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成形过程的工艺规划，成形设备则象打印机一样“打印”零件，完成三维输出。
快速成形由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，快速成形的工艺规划主要作用是对成形过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以快速成形可容易地实现设计制造一体化。
定义：
：
快速成形（RP—RapidPrototyping）是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术快速成形制造（RPM—RapidPrototypingManufacturing）是使用RP技术，由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。
@与快速成形制造相关的技术
Ø计算机辅助设计（CAD）利用三维实体产品模型，设计者在设计产品时，不需要将三维物体进行投影，想象各种角度的视图，用多个剖面表示内容结构，用多个视图解释投影的二义性。
而可以直接在计算机上构造三维物体，并赋以质量、颜色等特性，并从任意角度观察物体。
随着参数化特征造型技术的发展，设计人员还可以在零件上构造具有加工工艺特性的特征结构，修改原先设计的尺寸，使零件的形态按要求进行变化。
新的设计手段大大方便了设计人员。
一方面他们可以构造任意复杂的零件表面形状和内部结构，而无需考虑如何表达它们的二维投影；另一方面他们可以把头脑中的设计灵感直接映射到计算机构成的三维空间中，而无需经过二维平面手段作为媒介。
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