先進(jìn)制造技術(shù)導(dǎo)論

1、先先 進(jìn)進(jìn) 制制 造造 技技 術(shù)術(shù)Advanced manufacturing technology 1.制造業(yè)的起源與發(fā)展n制造業(yè)的發(fā)展可以分為三個(gè)時(shí)代:古代、近代和現(xiàn)代。 1) 古代制造業(yè)的發(fā)展n古希臘的阿基米德螺旋泵造紙與印刷術(shù)2）近代制造業(yè)的發(fā)展n18世紀(jì)中葉，瓦特發(fā)明蒸氣機(jī)。n19世紀(jì)末20世紀(jì)初，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明3）.現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展n1948年數(shù)字式計(jì)算機(jī)融入制造領(lǐng)域n1952年美國推出數(shù)控車床n1985年我國引進(jìn)了第一條柔性制造系統(tǒng)n20世紀(jì)80年代，提出了TQCS，單元制造技術(shù)主要包括： 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer aided design） 計(jì)算機(jī)輔助工藝

2、規(guī)劃（計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Computer aided process planning，CAPP） 計(jì)算機(jī)輔助工程（計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer aided engineering，CAE） 計(jì)算機(jī)輔助制造（計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer aided manufacturing，CAMCAM） 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)（現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)（Flexible manufacturing system，F(xiàn)MS）等）等 n20世紀(jì)90年代是信息時(shí)代，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給世界帶來了巨大變化，產(chǎn)生了如：并行工程（CE)；敏捷制造(AM)、虛擬制造（VM）等制造系統(tǒng)模式。2. 國內(nèi)外制

3、造業(yè)的現(xiàn)狀國內(nèi)外制造業(yè)的現(xiàn)狀n幾個(gè)問題的提出：n什么是世界制造中心？n中國是不是世界的制造中心？1、什么是世界的制造中心n一個(gè)世界制造中心，無論是一個(gè)國家還是一個(gè)地區(qū)，應(yīng)當(dāng)是面向全球市場最重要、最大的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)到高技術(shù)產(chǎn)業(yè)（尤其是后者） 擁有一批優(yōu)秀企業(yè)，其制成品在品牌、技術(shù)、質(zhì)量、價(jià)格，以及生產(chǎn)效率和經(jīng)營管理，應(yīng)當(dāng)在總體上代表著某個(gè)時(shí)代世界制造業(yè)最高水平，并在全球主要市場占有重要地位。 n 在世界經(jīng)濟(jì)史上，英國是第一個(gè)被稱為“世界制造中心”的國家，從1760年至1830年工業(yè)革命期間，英國制造業(yè)在全世界的比重從1.9%上升到9.5%，后來又達(dá)到19.9%，英國以占世界2%的

4、人口控制了全世界工業(yè)生產(chǎn)的30%50%和接近五成的制成品貿(mào)易。當(dāng)時(shí)，英國無論在貿(mào)易、商業(yè)、金融、技術(shù)和管理等方面在世界經(jīng)濟(jì)上都是第一位。特別是在1820年，英國的工業(yè)比重占全世界工業(yè)的50%，其進(jìn)出口占世界貿(mào)易總量的27%。 n第二個(gè)世界制造中心是美國。它是世界第二次工業(yè)革命的產(chǎn)物，兩次世界大戰(zhàn)使世界上的其它國家均受到了嚴(yán)重的破壞，而唯有美國的經(jīng)濟(jì)得到了空前的發(fā)展。1860年美國制成品在世界上占第四位，在1894年后長期保持世界第一的位置，到1913年，美國工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量相當(dāng)于歐洲主要國家的總和，占全世界的1/3以上。1914年的工業(yè)生產(chǎn)總值為240億美元，比南北戰(zhàn)爭爆發(fā)前1859年的不足20億

5、美元增長了12倍以上。1929年美國占全球制造業(yè)的比重達(dá)到了43.3%的最高值。n第三個(gè)世界制造中心是日本。二戰(zhàn)后，日本僅用30多年時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了從發(fā)展中國家到發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)飛躍，被稱為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的奇跡之一。1950至1973年，日本經(jīng)濟(jì)增值達(dá)到難以置信的715%，在這二三十年中，日本工業(yè)總產(chǎn)量占世界總量從過去2%3%上升到10%左右。日本的鋼鐵、汽車、半導(dǎo)體、家用電器、機(jī)械設(shè)備、電子信息產(chǎn)品以及機(jī)器人等高技術(shù)產(chǎn)品，在制造技術(shù)、產(chǎn)量、質(zhì)量方面都列入世界先進(jìn)水平，并引導(dǎo)著世界潮流，在國際市場上展現(xiàn)出極強(qiáng)的競爭力。到20世紀(jì)80年代中期日本的總體科技水平已經(jīng)接近美國并超過了西歐，許多工業(yè)制成品的產(chǎn)量都

6、在世界前三名之列，在國際市場上具有很強(qiáng)的競爭力和很高的市場占有率，成為世界上家用電器、汽車、船舶和半導(dǎo)體的主要生產(chǎn)國。n根據(jù)以上對英、美、日三國分析可知，一國或地區(qū)作為世界制造中心至少應(yīng)符合以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：n （1）國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）及出口量與產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)。一國或地區(qū)的GDP在世界的比重應(yīng)超過10%，它的制造業(yè)產(chǎn)值占世界GDP的比重應(yīng)在15%以上，制造業(yè)出口在世界的比重應(yīng)超過10%。n （2）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一國或地區(qū)應(yīng)具有較高的科技水平和較高的科研投入，其裝備制造業(yè)應(yīng)在12個(gè)主導(dǎo)制造領(lǐng)域形成較大的比較優(yōu)勢。n （3）跨國公司標(biāo)準(zhǔn)。在這一行業(yè)中存在一批技術(shù)開發(fā)能力強(qiáng)、核心業(yè)務(wù)突出的可以進(jìn)入世界500強(qiáng)

7、的大型企業(yè)或跨國公司，且應(yīng)具有自己的世界品牌。2、中國還不是世界制造業(yè)的中心n1）中國的GDP、產(chǎn)出和出口水平nGDP是反映一國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要水平，也是一國能否為世界制造中心的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。2003年全球總的GDP已經(jīng)達(dá)到36萬億美元。其中有7個(gè)國家的GDP超過了1萬億美元：美國居首位，GDP達(dá)到了10.9萬億美元；日本4.3萬億美元；德國2.4萬億美元；英國1.8萬億美元；中國只有1.4萬億美元，只占世界總額的3.9%。 3. 先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)涵和結(jié)構(gòu)體系先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)涵和結(jié)構(gòu)體系n技術(shù)內(nèi)涵：n先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、檢測、管理

8、、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程，以優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高對動態(tài)多變的市場的適應(yīng)能力和競爭能力的制造技術(shù)總稱。n先進(jìn)制造技術(shù)的核心是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔等基礎(chǔ)制造技術(shù)，它是從傳統(tǒng)的制造工藝發(fā)展起來的，并與新技術(shù)實(shí)現(xiàn)局部或系統(tǒng)的集成，其重要特征是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、靈活、清潔生產(chǎn)。n先進(jìn)制造技術(shù)最終的目標(biāo)是要提高對動態(tài)多變的產(chǎn)品市場的適應(yīng)能力和競爭能力。 先進(jìn)制造技術(shù)的分類n第一個(gè)層次是基礎(chǔ)技術(shù)。n第二個(gè)層次是新型單元技術(shù)。n第三個(gè)層次是系統(tǒng)集成技術(shù)n第一個(gè)層次是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔基礎(chǔ)制造技術(shù)。鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、表面保護(hù)、機(jī)械加工等基礎(chǔ)工藝至今仍是生產(chǎn)中大量

9、采用、經(jīng)濟(jì)適用的技術(shù)，這些基礎(chǔ)工藝經(jīng)過優(yōu)化而形成的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔基礎(chǔ)制造技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心及重要組成部分。這些基礎(chǔ)技術(shù)主要有精密下料、精密塑性成形、精密鑄造、精密加工、精密測量、毛坯強(qiáng)韌化、精密熱處理、優(yōu)質(zhì)高效連接技術(shù)、功能性防護(hù)涂層及各種與設(shè)計(jì)有關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)、各種現(xiàn)代管理技術(shù)。n第二個(gè)層次是新型的制造單元技術(shù)。這是在市場需求及新興產(chǎn)業(yè)的帶動下，制造技術(shù)與電子、信息、新材料、新能源、環(huán)境科學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代管理等高新技術(shù)結(jié)合而形成的嶄新制造技術(shù)，如制造業(yè)自動化單元技術(shù)、極限加工技術(shù)、質(zhì)量與可靠性技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)、CADCAM、清潔生產(chǎn)技術(shù)、新材料成形加工技術(shù)、激光與高密度能源加

10、工技術(shù)、工藝模擬及工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)等。 n第三層是系統(tǒng)集成技術(shù)。是指應(yīng)用信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)管理技術(shù)對上述兩部分的技術(shù)局部或系統(tǒng)集成而形成的AMT的高級階段。這一部分內(nèi)容涉及制造企業(yè)的生產(chǎn)方式和生產(chǎn)組織方法，如FMS、CIMS、IMS等。n以上三層次都是先進(jìn)制造技術(shù)的組成部分，但其中每一個(gè)層次都不等于先進(jìn)制造技術(shù)的全部加工制造技術(shù)向著超精密、超高速以及發(fā)展新一加工制造技術(shù)向著超精密、超高速以及發(fā)展新一代制造裝備的方向發(fā)展代制造裝備的方向發(fā)展(1)(1)超精密加工技術(shù)超精密加工技術(shù) 目前加工精度達(dá)到目前加工精度達(dá)到0.025m0.025m，表面粗糙度達(dá)，表面粗糙度達(dá)0.0045m0.004

11、5m，已進(jìn)入，已進(jìn)入納米級加工時(shí)代。超精切削厚度由目前的紅外波段向可見光波納米級加工時(shí)代。超精切削厚度由目前的紅外波段向可見光波段甚至更短波段趨近；超精加工機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展段甚至更短波段趨近；超精加工機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展. . (2) (2)超高速切削超高速切削 目前鋁合金超高速切削的切削速度已超過目前鋁合金超高速切削的切削速度已超過1600m/min1600m/min，鑄鐵為，鑄鐵為1500m/min1500m/min，超耐熱鎳合金為，超耐熱鎳合金為300m/min300m/min，鈦合金，鈦合金200m/min200m/min。超高。超高速切削的發(fā)展已轉(zhuǎn)移到一些難加工材料的

12、切削加工。速切削的發(fā)展已轉(zhuǎn)移到一些難加工材料的切削加工。（3）新一代制造裝備的發(fā)展）新一代制造裝備的發(fā)展 市場競爭和新產(chǎn)品、新技術(shù)、新材料的發(fā)展推動著新型加工設(shè)市場競爭和新產(chǎn)品、新技術(shù)、新材料的發(fā)展推動著新型加工設(shè)備的研究與開發(fā)，其中典型的例子是備的研究與開發(fā)，其中典型的例子是“并聯(lián)桁架式結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)并聯(lián)桁架式結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床床”（或俗稱（或俗稱“六腿六腿”機(jī)床）的發(fā)展。它突破了傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)機(jī)床）的發(fā)展。它突破了傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)方案，采用六個(gè)軸長短的變化，以實(shí)現(xiàn)刀具相對于工件的加構(gòu)方案，采用六個(gè)軸長短的變化，以實(shí)現(xiàn)刀具相對于工件的加工位置的變化。工位置的變化。 第二部分第二部分 主要現(xiàn)代制造技術(shù)主要現(xiàn)

13、代制造技術(shù) 一、一、CAD/CAE/CAM技術(shù)技術(shù) 二、虛擬設(shè)計(jì)制造技術(shù)二、虛擬設(shè)計(jì)制造技術(shù) 三、柔性制造三、柔性制造 四、其它先進(jìn)制造技術(shù)四、其它先進(jìn)制造技術(shù)一、一、CAD/CAE/CAM技術(shù)技術(shù)1、CAD技術(shù)技術(shù) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，簡稱，簡稱CAD）是從）是從 上上世紀(jì)世紀(jì)50年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及其外圍設(shè)備的發(fā)展而形成年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及其外圍設(shè)備的發(fā)展而形成的一門新技術(shù)。如今，的一門新技術(shù)。如今，CAD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、航技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、航空、汽車、建筑以及環(huán)境工程等領(lǐng)域?？?、汽車、建筑以及環(huán)境工

14、程等領(lǐng)域。 今后今后CAD技術(shù)主要從以下方面發(fā)展：技術(shù)主要從以下方面發(fā)展： (1) CAD技術(shù)智能化技術(shù)智能化 (2) 實(shí)體造型與仿真實(shí)體造型與仿真 (3) CAD系統(tǒng)的集成化系統(tǒng)的集成化減速機(jī)三維數(shù)字化模型減速機(jī)三維數(shù)字化模型2、CAE技術(shù)技術(shù) 計(jì)算機(jī)輔助工程分析（計(jì)算機(jī)輔助工程分析（Computer Aided Engineering ,CAE）技）技術(shù)，是指在零件或整機(jī)的數(shù)字化特征建模完成之后，運(yùn)用有限術(shù)，是指在零件或整機(jī)的數(shù)字化特征建模完成之后，運(yùn)用有限元及邊界元等數(shù)值分析方法，對零件或整機(jī)對其未來的工作狀元及邊界元等數(shù)值分析方法，對零件或整機(jī)對其未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行結(jié)構(gòu)、動力

15、、運(yùn)動及各種物理場耦合等一系態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行結(jié)構(gòu)、動力、運(yùn)動及各種物理場耦合等一系列分析、模擬的計(jì)算機(jī)輔助分析方法列分析、模擬的計(jì)算機(jī)輔助分析方法,其目的是及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺其目的是及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷、優(yōu)化結(jié)構(gòu)并證實(shí)未來的產(chǎn)品功能和性能的可用性和可靠性。陷、優(yōu)化結(jié)構(gòu)并證實(shí)未來的產(chǎn)品功能和性能的可用性和可靠性。它與它與CAD和和CAM技術(shù)構(gòu)成了當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)及制造技術(shù)構(gòu)成了當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域最重要的三大支撐技術(shù)。領(lǐng)域最重要的三大支撐技術(shù)。托輪軸在載荷作用下的應(yīng)力云圖托輪軸在載荷作用下的應(yīng)力云圖3、CAM技術(shù)技術(shù) 計(jì)算機(jī)輔助制造（計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided M

16、anufacturingComputer Aided Manufacturing）是指利用）是指利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)設(shè)備直接的或間接的聯(lián)系，進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)設(shè)備直接的或間接的聯(lián)系，進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和控制產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程。行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和控制產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程。 關(guān)于關(guān)于CAMCAM的概念，有兩種理解，一種是狹義的的概念，有兩種理解，一種是狹義的CAMCAM，指數(shù)控自動，指數(shù)控自動編程（編程（NCPNCP）, ,包括包括NCNC代碼生成、與數(shù)控機(jī)床數(shù)控裝置的軟件接代碼生成、與數(shù)控機(jī)床數(shù)控裝置的軟件接口等。另一種是廣義的口等。另一種是廣義的CAMCAM，除自動編

17、程外，還包括工藝過程設(shè)，除自動編程外，還包括工藝過程設(shè)計(jì)（計(jì)（CAPPCAPP）、制造過程仿真（）、制造過程仿真（MPSMPS）、自動化裝配（）、自動化裝配（FAFA）、車間）、車間生產(chǎn)計(jì)劃控制生產(chǎn)計(jì)劃控制(SFC),(SFC),制造過程檢測與故障診斷等，凡涉及到零制造過程檢測與故障診斷等，凡涉及到零件加工與檢驗(yàn)，產(chǎn)品裝配與檢驗(yàn)的環(huán)節(jié)都屬于廣義件加工與檢驗(yàn)，產(chǎn)品裝配與檢驗(yàn)的環(huán)節(jié)都屬于廣義CAMCAM的范疇。的范疇。圖形交互式自動編程的刀具選擇及加工模擬圖形交互式自動編程的刀具選擇及加工模擬二、虛擬設(shè)計(jì)制造技術(shù)二、虛擬設(shè)計(jì)制造技術(shù)1 1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)（虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtu

18、al RealityVirtual Reality）技術(shù)是）技術(shù)是2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代末末9090年代初崛起的一種實(shí)用技術(shù)。它是由計(jì)算機(jī)硬件、年代初崛起的一種實(shí)用技術(shù)。它是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境虛擬環(huán)境，可以真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)世界，可以實(shí)現(xiàn)的虛擬環(huán)境，可以真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)世界，可以實(shí)現(xiàn)的（甚至是不可實(shí)現(xiàn)的）物理上的、功能上的事物和環(huán)（甚至是不可實(shí)現(xiàn)的）物理上的、功能上的事物和環(huán)境。用戶投入到這種環(huán)境中，立即有境。用戶投入到這種環(huán)境中，立即有“親臨其境親臨其境”的的感覺，并可親自操作、實(shí)踐，與虛擬的環(huán)境交互作用。感

19、覺，并可親自操作、實(shí)踐，與虛擬的環(huán)境交互作用。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)重要的三個(gè)特征n沉浸感（沉浸感（Immersion） n交互性（交互性（Interaction） n想象性（想象性（Imagination） “VR三角形”虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是建立在三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、多功能虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是建立在三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、多功能傳感及交互接口技術(shù)、高清晰度顯示技術(shù)等一系列新技傳感及交互接口技術(shù)、高清晰度顯示技術(shù)等一系列新技術(shù)的基礎(chǔ)上。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、顯示設(shè)備、術(shù)的基礎(chǔ)上。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、顯示設(shè)備、位置跟蹤設(shè)備及其他交互設(shè)備等硬件及相關(guān)軟件構(gòu)成位置跟蹤設(shè)備及其他交互設(shè)備等硬件及相關(guān)軟件構(gòu)成。 頭

20、盔顯示器頭盔顯示器數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套位置跟蹤器位置跟蹤器VR技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域n工程應(yīng)用（如制造、航空、石化、核能、汽車）n視景娛樂、文化教育 n城市景觀規(guī)劃n醫(yī)療（如手術(shù)、心理治療、藥理學(xué)）n微觀/納米級工程n各種各樣的培訓(xùn)n戰(zhàn)爭防衛(wèi)系統(tǒng)n數(shù)據(jù)可視化等等 2 2、虛擬設(shè)計(jì)制造、虛擬設(shè)計(jì)制造 虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造系統(tǒng)(Virtual manufacturing system)(Virtual manufacturing system)由虛擬信息系統(tǒng)由虛擬信息系統(tǒng)(Virtual information system)(Virtual information system)和虛擬物理系統(tǒng)和虛擬物理系統(tǒng)(Virtual (Virtual physical system)physical system)組成。虛擬信息系統(tǒng)也叫虛擬邏輯系統(tǒng)，主組成。虛擬信息系統(tǒng)也叫虛擬邏輯系統(tǒng)，主要是用來模擬處理設(shè)計(jì)、管理、計(jì)劃調(diào)度等制造活動中的信息；要是用來模擬處理設(shè)計(jì)、管理、計(jì)劃調(diào)度等制造活動中的信息； 而虛擬物理系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)對實(shí)際的加工車間、包括機(jī)床、材料、而虛擬物理系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)對實(shí)際的加工車間、包括機(jī)床、材料、工人等進(jìn)行建模，并在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真實(shí)際制造的過工人等進(jìn)