先 进 制 造 技 术.docx
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先进制造技术
先进制造技术
AdvancedManufacturingTechnology
（本科生课程）
机械工程学院
赵砚江
目录
1．绪论
2．先进制造技术及内容
3．CAD模拟仿真、虚拟设计
4．现代设计方法学
5．优化设计（OptimalDesign）
6．健壮设计（RobustDesign）
7．先进加工技术
8．精密加工和超精密加工
9．高速切削与高速磨削
10．现代特种加工工艺
11．MEMS与微细加工（MicroElectro-MechanicalSystems）
12．快速成型制造技术（RapidPrototypingManufacturing--RPM）
13．数控机床技术
14．柔性制造系统（FMS）
15．工业机器人
16．精益生产（LP）与准时生产（JIT）
17．集成制造技术
18．MRP、MRP||和ERP----生产计划和管理
绪论
一、制造业与制造技术的发展
1.概念：
Manufacturingisasetofcorrelatedoperationsandactivities,whichincludesproductdesignmaterialselection,planning,production,inspection,management,andmarketingoftheproducts,forthemanufacturingindustries.
制造：
将原材料转化（物化）为产品的全过程。
制造业：
从事这种生产活动的群体（企业、集团、机构等）的统称。
制造技术：
完成制造产品所采用的一切手段的总称。
制造业对国民经济的贡献率：
美国：
68%日本：
49%中国：
40%
机械制造技术：
所有用来生产制造各种机器设备的技术总称。
如：
切削技工技术、焊接技术、热处理技术
2.发展：
1石器时代：
2万年前
手工劳动工具手工动力以采集和生活品为主
2青铜、铁器时代（1000.B.C）：
2—3千年前，夏代（B.C2070—1600）
劳动工具及艺术品自然动力农业工具（铜器制造）
3第一次工业革命（1760—1830）：
蒸汽机的发明（1765年）
工厂出现单件小批生产集中驱动纺织、运输
4第二次工业革命：
电动机的使用（19世纪后半—20世纪初）
电力革命分散驱动照明动力传输方便
5大批大量生产：
20—30年代开始1913Assemblyline
HenryFordModelT汽车刚性生产线低成本
6JIT（准时生产）日本丰田模式：
70年代
生产过程管理的改善（TQC）：
ContinuousImproving不断改善
精益生产（LeanProductionLP）提高质量，降低成本
7多品种少批量生产：
80年代以来
“柔性”FlexibleCNCMCFMSCMS
TQCSE
8大规模定制生产（面向客户的定制）
精益—敏捷—柔性（LAF）生产系统：
新一代制造模式
3.研究对象：
制造技术已从单工序的研究发展到制造系统的研究。
制造系统：
覆盖全部产品生命周期的制造活动所形成的系统。
涵括：
设计、制造、装配、市场营销至回收。
构成：
“三流”
物质流：
原材料、零部件、产品。
信息流：
设计、制造指令、控制、检测等。
资金流（价值流）：
增值过程，成本利润，费用流动。
二、课程内容及要求：
1.技术基础课：
为后续的装备设计、数控技术大基础；任选课的平台基础；生产实习，课程设计的主线。
主要内容：
金属切削原理、机械制造工艺学
2.要求：
1．了解制造活动的有关构成元素
2．掌握金属切削过程的基本规律
3．掌握金属加工的基本知识，能选择加工方法与机床、刀具、夹具及加工参数。
3.制造（Manufacturing）：
是利用制造资源（设计方法、工艺、设备和人力等）将材料“转变”为有用的物品的过程。
分类：
连续型制造Continuousprocess：
化工、炼油。
离散型制造Discreteproduct：
机械，家电
混合型：
钢铁，窑炉
4.制造技术：
指制造活动所设计到的技术总称。
狭义、传统：
工艺方法和加工设备
广义、现代：
外加设计方法、生产组织模式、制造与环境、可持续性、经济、贸易。
5.制造业：
指的是制造技术为主导技术进行产品制造的行业。
制造业的地位：
极为重要！
国家的命脉，国民经济的支柱，经济增长的发动机。
美国的教训：
80年代90年代的东山再起
我国：
2001年：
国民生产总值的39.21%
工业生产总值的77.61%
国家税收总额的30%
财政收入的27%
先进制造技术
一、概念：
先进制造技术AMT（AdvancedManufacturingTechnology）：
指在制造过程和制造系统中融合电子、信息和管理以及新工艺、新材料等现代科学技术，使材料转换为产品的过程更有效、成本更低、更及时满足市场需求的先进工程技术的总称。
大体分为三个部分：
先进成形加工技术
计算机辅助和综合自动化
现代制造系统：
生产组织方式，组织的创新和人的因素。
先进制造技术AMT定义：
先进制造技术是以提高综合效益为目的，以人为主体，以计算机技术为支柱，综合应用信息，材料，能源，环保等高新技术以及现代系统管理技术，研究并改造传统制造过程作用于产品整个寿命周期的所有适用技术的总称。
特点：
1.动态性，前沿性
2.立足于传统技术
3.广泛性：
全生命周期
4.继承性：
人，管理，技术
5.绿色化
制造业：
是一切生产和装配制成品的企业群体的总称，是工业的主体，包括17个行业。
工业：
是由制造业，采掘业以及电力，煤气和水的生产与供应业构成。
制造业的分类：
一般机械：
普通机械，专用设备制造
运输机械：
汽车，火车，轮船，飞机
电器设备：
电动机，变压器，电路设备
电子设备：
仪器仪表：
食品工业：
食品加工，食品制造，饮料，烟草
纺织：
服装：
服装加工，皮革制品
家具：
木材加工和家具制造
文教用品：
造纸，印刷，文体用品
油加工：
化工：
化学制品，医药制造，化纤，橡胶，塑料制品业
建材：
黑色冶金：
有色冶金：
其它制造：
先进制造技术的内涵：
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适应能力和竞争能力的制造技术的总称。
先进制造技术的特点：
1.实用性：
注重实践效果，不断追求技术的高新为目的，以提高效益为中心，提高企业的竞争力，促进国家经济增长。
2.广泛性（应用广泛性）：
整个生命周期，系统考虑。
产品设计—生产准备—加工与装配—销售使用—维修服务—回收再生
3.动态性：
不断吸收各种高新技术逐渐而成，不断发展。
4.集成性：
多学科渗透，交叉，融合。
趋于系统化，集成化。
集机械、电子、信息、材料和管理技术于一体。
5.系统性：
驾驭生产过程的物质流，能量流和信息流的系统工程。
二、先进制造技术的发展
制造技术发展的主要阶段：
阶段
年代
生产模式
制造策略
装备特点
组织管理
1
10~40
福特制
工时定额（泰勒制）
机械化装备
专业化部门
2
40~50
大批量自动化
生产过程动态统计
组合机床刚性自动线
以质量为核心的部门间协调
3
50~60
中小批量自动化
柔性自动化
数控机床加工中心
成组技术应用
4
60~80
多品种小批量自动化
CAX
工业机器人
CAE、CADCAM、CAPP
按用户订单组织生产
5
80~90
CIMS
设计、制造和管理集成信息系统
FMC/FMS
CAD/CAM/CAPP
JIT
6
90~
快速响应的智能化制造系统
并行工程、精益生产、敏捷制造
柔性制造设备
技术管理和人员集成为一个系统
全球全球互联网全球制造
社会信息高速公路敏捷制造
公司广域网智能制造
企业工厂子网CIMS
车间柔性制造系统
单元数控机床
设备刚性自动化
三、AMT的体系结构
三大主体技术群：
系统管理技术群
工程设计技术群
物料处理和设备技术群
相关支撑技术群：
理论基础
1.系统管理技术群：
成组技术GT
独立制造岛AMI
计算机集成制造系统CIMS
并行工程CE
智能制造系统IMS
系统集成技术SIT
计算机集成制造CIM
精益生产LP
敏捷制造AM
全面质量管理TQM
管理信息系统MIS
准时生产JIT
制造资源计划MRPⅡ
2.工程设计技术群：
包括所有与产品和工艺过程设计有关的各种技术：
4CP（CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM）
可靠性设计
健壮设计（RobustDesign）
优化设计
三次设计（功能、参数、精度）
模块化设计
反求工程
工业设计（包装设计）
系统建模与仿真
DFX（面向制造，装配，质量，维修，回收，环保......的设计）
计算机辅助装配工艺设计
虚拟设计，虚拟制造
并行设计（CE）（并行工程）
快速原型技术
工程数据库技术
3.物料处理方法和设备技术群：
材料生产工艺（冶炼、轧钢......）
加工工艺（铸造、冲压、锻压、焊接、热处理、切削加工……）
少元切削加工（精铸、精锻、精冲）
精密、超精密、纳米加工技术
MEMS（微机电系统）
高速、超高速加工技术
特种加工技术
制造自动化（NC/CNC/DNC/FMC/FMS）
质量控制系统
传感器技术
物流设备（机器人、运输小车、立体仓库）
4.相关支撑技术群：
信息科学：
计算机、自动化、软件工程、数据库、网络、专家系统、人工智能、虚拟决策
基础科学：
系统工程、运筹学、法律、人文社会科学
其它技术：
材料科学、微电子技术、人机工程学、市场学、技术经济学、标准化技术
先进制造技术内容
一、现代设计技术：
1.现代设计方法学：
并行设计
系统设计
功能设计
模块化设计
价值工程
质量功能配置
反求工程
绿色设计
模糊设计
可靠性设计
动态设计
健壮设计
减磨耐磨设计
2.计算机辅助设计技术：
有限元法
优化设计
计算机辅助设计
模拟仿真与虚拟设计
智能计算机辅助设计
工程数据库
二、先进制造工艺
1.精密洁净铸造成形工艺
2.精确高效塑性成形技术
3.优质、高效焊接与切割技术
4.优质低耗洁净热处理技术
5.高效、高精机械加工工艺
精密加工和超精密加工
高速切削与高速磨削
复杂型面的数控加工
6.现代特种加工工艺
激光加工
复合加工
超声加工
微细加工和纳米技术：
MEMS
水喷射加工
快速原型制造RPM
三、自动化技术
机床数控技术：
工业机器人：
柔性制造系统：
传感技术：
自动监测与信号识别技术：
过程与设备工况的检测：
四、系统管理技术：
1.先进制造模式
精益生产
计算机集成制造和智能制造
灵捷制造（敏捷制造）
可重物制造（高效快速重组生产模式）
2.先进管理技术
并行工程
物流工程
现代管理信息系统
动态联盟（虚拟企业）
企业再造（物流重组）
CAD模拟仿真、虚拟设计
是现代的，先进的，以计算机为主要工具和手段的现代设计方法。
一、计算机辅助设计（CAD）
1.基本概念和特点：
是指在设计活动中利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行设计的一切适用技术的总和。
任何计算机相结合，各尽所长的设计方法，一个完整的CAD系统应具备的三个条件：
1）建立完备的产品设计数据库
2）建立完备的应用程序库
3）建立多功能交互式图形程序库
CAD的优点：
1）提高设计质量：
科学基础，优化设计，数据一致性
2）节约时间，提高生产率
3）较大幅度降低成本
4）人可以有更多的时间从事创造性劳动
2.CAD系统的硬件：
70年代：
大中型机价格很高
80年代末90年代初：
图形工作站：
SGISUNDECHPIBM等
目前：
微机数，网络Pro/EIDEASUGSolidworksMDT等
与普通计算机系统不同点：
较强的人机交互设备及图形输入，输出设备系统构成：
1）主机：
CPU内存
2）存储器：
光盘，硬盘，软盘，U盘
3）图形显示器：
17寸以上1024*768以上
4）
图形输入设备：
输入产品设计思想结构及图形
交互式绘图，进行修改和变换
鼠标数字化仪图形扫描仪
5）图形输出设备：
绘图机：
平板式
滚筒式
6）计算机网络：
一般为局域网：
作用：
传递数据
数据共享
程序、软件共享
硬件资源共享
互为后备，提高系统可靠性
3.CAD系统的软件：
1）操作系统
2）图形软件：
图形显示，几何构型二维三维
3）数据库管理系统
4）设计方法程序库
常用数学方法程序库：
矩阵运算，方程求根，现行方程组求解等。
有限元结构分析软件
优化设计软件
5）应用程序：
VBVCDelphi等
4.发展及展望：
1）参数化设计：
将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。
结构约束：
元素间拓扑约束关系，平行、相切等。
参数化模型：
几何约束：
尺寸约束：
距离、角度，半径等。
工程约束：
尺寸之间的约束关系，数值、逻辑等。
参数：
可变参数：
各种尺寸值。
不变参数：
几何元素之间的各种连接几何信息。
参数化设计的本质：
在可变参数的作用下，系统能够自动维护不变参数。
2）智能CAD
运用专家系统，人工神经网络等人工智能技术使在作业过程中具有智能的CAD系统。
专家系统：
是一个能在某个特定领域内，用人类专家的知识，经验和能力去解决该领域中复杂困难问题的计算机程序系统。
专家系统有知识库，推理机，知识获取系统，解释机和一些界面组成。
神经网络也可成为某种专家系统。
3）基于特征的设计
用易于识别的，包含加工信息的几何单元，如：
孔、槽、倒角等来取代以往设计中所用的纯几何描述。
如：
直线、圆弧等。
特征是构造零件的最基本单元要素，它们能以较高的抽象级别，不需要解释的方式来标示一个产品。
它既反映零件的几何信息，又反映零件的加工工艺特征信息。
孔是一个特征，具有长度，公差，表面粗糙度，位置等属性，并包括它在装配图中的情况。
每一个特征基本上对应一种加工制造方法。
基于特征的设计适合于CAD/CAM集成和CIMS建模需要。
4）相关性设计
某个地方进行修改，系统能够自动更新与修改有关的内容。
“尺寸联动”
5）NURBS机和构型技术
Non-UniformRationalB-Splines非均匀有理B样条曲线。
CAD中用来定义复杂的几何曲面。
用NURBS技术构造的曲面易于生成、修改和存储。
6）装配设计和管理
系统能够同时完成产品的或装配部件的设计，而不是个别零件的设计。
装配管理能力包括以下方面：
装配的逻辑关系
装配件干涉检查
生成装配明细表
零件装配关系展开图
测算装配件运动学及动力学特性等
7）CAD系统的集成化
CAD/CAM集成化
8）面向对象的设计方法
尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。
9）CAD系统的网络化
互联、开放、协同、高效
10）智能计算机辅助设计
计算数值
工程设计：
数值计算性工作：
事物性，已基本解决：
图形绘制
方案设计：
创造性智能CADICAD（IntelligentCAD）
概念设计
基本组成（三个功能）
a）能够智能地支持设计者：
可行方案及结构，推理、决策、查找并修改设计错误
b）具备设计资料数据库、计算分析程序库、图形支撑系统和文件产生系统。
c）系统具有自学能力。
人工智能技术：
专家系统（ES）：
ExpertSystem
人工神经网络（ANN）：
ArtificialNeuralNetworks
复合智能：
Neural-ExpertHybrid
二、模拟仿真与虚拟设计
1.概念模拟（Simulation）是指选取一个物理或抽象的系统的某些行为特征，用另一个系统来表示他们的过程。
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，以至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。
通用Simulation
用模型（物理模型或数学模型）来模仿实际系统，代替实际系统来进行实验和研究，而模拟（Analog）却被用来仅指应用模拟计算机进行仿真。
风调试验水池试验
波音777飞机：
TestingWithoutFlying（模拟试飞）
2.优点：
1）提高产品开发质量：
通过模拟仿真试验及时发现问题。
2）缩短产品开发周期
3）
降低开发费用：
汽车：
18辆车5辆车
4）复杂产品的操作使用训练：
航天飞机、飞机、核电站等
3.模拟仿真技术的三大组成部分：
1）
建立模型：
归纳法
演绎法
模型的可信度
2）
实验求解：
仿真计算：
连续系统：
数值解法
离散事件系统：
数值实验
3）
结果分析：
结果数据
数据可视化
机械产品设计开发软件：
机构运动仿真软件
结构仿真软件
动力学仿真软件
加工过程仿真软件：
切削加工过程仿真软件
装配过程仿真软件
装造模具充填过程仿真
压力成型过程仿真软件
操作训练仿真软件
生产管理过程仿真软件
企业经营过程仿真软件
4.虚拟现实（VirtualReality）
80年代提出的新概念
所谓虚拟现实，就是用计算机和其它交互设备产生一个虚拟环境，使得参与者能与虚拟环境进行自然的交流，能用人类自然的技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行交互作用。
主要特点：
临界性：
身临其境
交互性：
人、境交互作用
1）系统的类型与组成
三大类：
桌面虚拟现实系统：
三维立体眼镜
三维操作维护
临境虚拟现实系统：
头盔显示器视觉，听觉
数据手套头部跟踪器
分布式虚拟显示系统：
在临境基础上。
多用户
2）临境交互技术与装置
技术：
实时的三维计算机图形，大视角的立体显示。
头部跟踪、手及姿势跟踪、三维声音、触觉反馈、力反馈等
设备：
①.头盔显示器：
连个CRT，两副图细微差别，上有头部位置跟踪设备。
②.数据手套：
每个关节上有光纤传感器，感知各个关节的弯曲程度，三维位置传感器有关来测定手的位置。
③.三维位置传感器：
磁性波和超声波两大类
磁场技术发射器，接收器和电子部件
④.三维声音交互技术：
人耳对时间差，强度差和相位差来确定声源位置，听觉的真实感，头部的移动与转动。
3）虚拟现实系统的三维建模技术。
核心所在：
几何建模：
形状，外表（纹理，颜色等）
运动建模：
平移、旋转、缩放、碰撞
三维视觉：
物理建模：
质量、惯性、硬度、形状改变
对象特征建模：
三维建模模型切分建模：
三维听觉：
4）虚拟现实系统软件：
VRMLOpenGL
PC机：
Dimonsion公司的SuperscapeVRT3软件
工作站：
MulitGen公司的MultiGenⅡ软件
5）应用领域
医疗和康复：
虚拟解剖，外科手术模拟
娱乐，艺术和教育：
网络游戏、虚拟实验、虚拟博物馆、虚拟碰撞
军事和航空航天：
虚拟军事演习，航空训练的虚拟座舱
商业应用：
体验广告宣传，室内装潢设计
自动控制和制造业：
虚拟制造
现代设计方法学
并行设计（ConcurrentEngineering）
“大吃小”“快吃慢”
缩短产品开发周期：
飞机：
7年——〉2年
汽车：
2年——〉1年（GM车身覆盖件模具）
手机：
2小时（摩托罗拉）
泰罗制：
“过墙工程”串行
制造
工艺
设计
并行设计：
缩短开发周期，提高产品质量，降低设计制造成本
技术特征：
1.产品开发过程的并行重组
2.支持并行设计的群组工作方式
3.统一的产品信息模型
4.分布式软硬件环境
关键技术：
1.产品并行开发过程建模及优化：
四种集成计算机辅助制造定义方法：
IDEFICAMDefinitionTechnology
2.支持并行设计的计算机信息系统：
通讯和协调
3.模拟仿真技术：
虚拟制造，虚拟装配，结构有限元计算，产品静动态性能仿真，虚拟现实技术
4.产品性能综合评价和决策系统：
“最优化”
并行设计的优点：
1.提高企业对市场需求的响应速度
2.提高产品开发的一次成功率
3.降低产品的开发成本
设计阶段决定了制造成本的75%~80%
典型实例：
克莱斯勒：
开发工作群组：
设计、制造、销售等部门专家
工程技术人员较少63%
开发时间减少28%
制造中人工投入减少42%
壳体冲压模具由597——〉370个
螺钉、螺母数量530——〉358个
同类车比本车便宜4000美元打入市场。
并行工程：
●批量较大，市场寿命较长的产品，传统的固定模式：
市场调研—〉产品计划—〉产品设计—〉试制样机—〉修改设计—〉工艺准备—〉正式投产
●多品种，小批量：
丰田公司：
一种型号最多17辆，最少6辆，平均11辆
●并行设计：
指在新产品设计阶段，就引进生产准备工作，并行地进行产品设计，工艺和生产准备（也可包括后续过程）
●并行设计的支撑技术：
1.计算机技术和网络通讯技术
2.管理技术
3.TeamWork工作方式
●并行工程定义：
集成地，并行地设计产品及其零部件和相关过程的一种系统方法。
这种方法要求产品开发人员和其他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中以概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。
●主要特征：
强调团队工作（TeamWork）精神和工作方式：
✧定时碰头
✧网络通讯
✧专家咨询
强调设计过程的并行性
并行性的量程含义：
1.同时考虑产品生命周期全过程
2.设计与工艺阶段同时进行
强调设计过程的系统性
不仅为图纸等，还考虑质量控制，成本核算，生产进度计划等。
强调设计过程的快速“短”反馈
及时监察，及时反馈，错误消失在“萌芽”状态
●并行工程的效益：
1.缩短产品投放市场的时间
错误限制在设计阶段
2.降低成本：
一次达到目的：
仿真
诸环节已提前考虑，优化
3.提高质量：
“零缺陷”质量是设计出来的，其次才是制造出来的，不是检验出来的
4.保证了功能的实用性
5.增强市场竞争能力
升级会员 