现代制造技术第1章绪论.ppt

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1、第1章 绪 论1.1、制造业 制造技术制造业是国民经济的基础产业。据对20个工业化国家制造业所创造的财富的统计，其平均数额约占国民生产总值的22.15%，工业化强国的经济总产值大约50%（日本）到60%（美国）是由制造业创造的，我国大约40%的经济总产值是由制造业创造的。,可以说制造业是一个国家的立国之本。制造业发展水平的高低，将直接影响到国家各产品技术水平和经济效益的提高。没有现代化的制造业就不可能有现代化的工业、农业、国防和科学技术。从世界各国的工业化发展历程来看，制造业的优先发展是经济腾飞的必要条件。制造技术的不断创新则是制造业发展的技术基础和动力。,也是一个国家科学技术水平的重要标志之

2、一，它对信息技术、新材料技术、海洋工程、生物工程、能源工程和空间技术等新学科及新技术的发展有着至关重要的作用。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。制造是一个很大的概念，按制造的连续性可分为连续制造(如化工产品的制造)和离散制造,(如家电产品的制造)；按行业又可分为机械制造、食品制造、化工制造、IT产品制造，等等。当今，人们对制造的概念又加以扩充，将体系管理和服务等也纳入其中。制造是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。制造技术(Manufacturing Technology)是制造活动所涉及到的一

3、系列技术的总称，,是提高产品竞争力的关键，也是制造业赖以生存和发展的主体技术。传统的制造技术仅强调工艺方法和加工设备。现代的制造技术不仅重视工艺方法和设备，还注重设计方法、生产组织模式、制造与环境和谐统一、制造的可持续性以及制造技术与其它科学技术的交叉和融合，甚至还涉及制造技术与制造全球化、贸易自由化、军备竞争等内容。,制造业是以制造技术为主导技术进行产品制造的企业群体的总称，是工业的主体。根据我国现行统计划分，工业由制造业、采掘业以及电力、燃气和水的生产供应业构成，制造业系指第二产业中除采掘业、电力和燃气及其生产供应业、建筑业以外的所有行业，包括30个大类、169个中类、482个小类。,1.

4、2 制造业的发展历程制造业的发展历程，是一个不断提高产品的质量、不断应用最新科技成果,提高和完善制造过程的自动化水平、信息化水平、应用先进的制造理念和管理理念和不断提高劳动生产率、降低制造成本，实现制造最优化的过程。因此，制造业的一个基本出发点就是：在充分利用现有的科学技术最新成果的基础上,优质、高产、低耗地生产出所需要的产品来。制造业发展至今，按其生产方式的变化进行划分，大致经历了以下几个阶段：1.2.1 劳动密集型生产方式。人类最早的制造活动可以追溯到新石器时代。(1.8万年前开始，结束时间从距今5000多年至2000多年不等)。开始制造和使用磨制石器；发明了陶器；出现了农业和养畜业,是新

5、石器时代的主要特征。,到了青铜器(公元前2000年左右)和铁器时代(公元前年左右)，才出现了纺织、冶炼、和锻造等较原始的制造活动。,18世纪中叶蒸汽机的发明,才出现了以动力驱动为特征的制造方式。劳动密集型生产方式一般是指劳动力多资本需求量少和技术装备水平低的产业如农业、纺织业、传统手工业等这类产业的发展主要依赖于劳动力投入量的增长。这是一种落后的生产方式。劳动生产率较低，工人劳动强度大，对工人技术水平要求高，产品精度一致性差，产品质量往往取决于工人的技艺。,铁 铲,手工制作及早期的工业生产均属于这种方式。目前，这种生产方式正逐渐被淘汰。,1.2.2 设备密集型生产方式。19世纪初-20世纪末出

6、现的生产方式。这是一种随着内燃机发明、运输机械、施工机械和机床等大规模工业化生产的出现而产生的生产方式。1931年建立了具有划时代意义的汽车装配线(福特模式)，也首先提出了劳动分工和计件工资为基础的科学管理理论。这种生产方式劳动生产率较高，对工人的技术水平要求较低，产品的精度一致性较好，,产品质量主要取决于机械加工设备本身的精度。但其生产率的提高来自于众多设备的投入，对多品种的中小批量生产适应性较差。汽车、拖拉机、轴承等大批量生产中的刚性生产流水线均属于这种生产方式。,气冲击造型线,3信息密集型生产方式。1949年出现了数字控制(NC)技术，并开发了能执行多种加工工作的、复杂的机床控制器。随着

7、计算机技术、控制技术的发展及在制造领域中的应用，从二十纪初期开始出现了数控机床、加工中心等新型机电一体化加工设备。它实现了人与机器设备之间的信息交流，机器设备可通过获得的信息，快速、准确地实现加工。,继而产生了以使用这些典型设备的生产方式。这种生产方式的自动化程度和适应性较强，这是一种较为先进的生产方式。4知识密集型生产方式。1964年-1968年出现了制造系统多级计算机控制（DNC），也就是后来的柔性制造系统。这是一种继信息密集型生产方式之后产生的新的生产方式。,是制造理念的飞跃，把单向的产品制造链，有机的组成为制造系统。制造系统中的物流系统、信息流系统、能量流系统等相互依赖、相互作用、相互

8、协调。这种制造系统不单能与人进行信息交流，而且本身具有专家系统、数据库等必要的解决问题的知识，使其能在获取较少信息的情况下完成加工要求。,柔性制造系统,因此，这种生产方式的自动化水平和适应性进一步提高。柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（1974年CIMS）是这种生产方式的典型代表。,5智能密集型生产方式这是一种目前正在研究和实施的全新的生产方式。它试图使用制造系统本身具有人工智能，而不是只具有对某一问题专一的、有限的知识；并引入了新的制造哲理和组织形式。因此，这种制造技术能够快速响应市场的变化，超前地开发产品，实现多品种产品的全过程管理。,这种制造技术的实施，将使人们梦寐以求的“无图

9、纸加工”、“无人化加工”、“无害化加工”成为可能。目前正在研究的智能制造系统（IMS）、智能型计算机集成制造系统（I-CIMS）等就属于这种生产方式。上述生产方式中的前两种就是所谓的传统制造技术，而后三种则属于现代制造技术。,现代制造技术的涵义相当广泛。一般认为，现代制造技术是以传统制造技术与计算机技术、信息技术、自动控制技术等现代高新技术交叉融合的结果，是一个集机械、电子、信息、材料与管理技术于一体的新型交叉学科，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，,提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力并取得理想经济效

10、果的制造技术总称。因此，凡是那些能够融合当代科学进步的最新成果，最能发挥人和设备的潜力，最能体现现代制造水平的制造技术均称为现代制造技术。制造技术发展阶段：,19世纪:手工制造20世纪初:批量制造20世纪30年代:刚性自动化生产20世纪60-80年代:CAD/CAM/CAE,FMS,JIT20世纪80年代:集成化制造,并行工程20世纪90年代:敏捷制造、虚拟制造、智能制造、绿色制造。,1.3 现代制造技术分类1.3.1 现代制造技术的构成及特点现代制造技术所涉及的领域和内容非常广泛,国际上通常采用“技术群”的概念来描述现代制造技术的基本体系结构,一般认为,现代制造技术主要包含5大技术群:1、系

11、统总体技术群主要包括柔性制造、计算机集成制造、敏捷,制造、智能制造等先进制造技术；2、设计-制造一体化技术群主要包括计算机辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅助工程、数控技术、自动化工厂、并行工程、虚拟制造等；3、制造工艺与装备技术群主要包括材料生产工艺与装备、常规加热工艺与装备、高速/超高速加工工艺与装备、精密/超精密与纳米加工工艺与装备、特种加工,工艺与装备；4、管理技术群主要包括计算机辅助生产管理、物料需求规划/制造资源规划/企业资源规划、供应链管理、全面质量管理、准时生产、精益生产、企业业务流程再造等；5、支撑技术群主要包括标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、多媒体技术、通信技

12、术、,人工智能、虚拟现实技术、人机工程学、环境科学等。美国机械科学研究院AMST提出了一种多层次技术群构成体系，如下图所示：,第一层次为优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术。铸造、锻造、焊接、热处理、表面保护、机械加工等传统基础加工工艺仍然是生产中大量采用的经济适用的技术。从基础加工工艺中优化而成的优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术，是现代制造技术的核心及重要的组成部分。第二层次为新型制造单元技术。这是在市场需求及新兴产业带动下，制造技术与电子、,信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等技术相结合而形成的新的制造技术层。第三层次为现代制造集成技术。这是计算机技术、信息技术和管理技

13、术与制造技术相互融合，对上述两个层次的技术集成而形成的。现代制造技术的特点：1、现代制造技术的研究范围更加广泛，传统制造技术一般是指制造过程的工艺和方法，,而现代制造技术则覆盖了从产品设计、加工制造到产品销售、使用、维修和回收的整个生命周期。2、现代制造过程呈多学科、多技术交叉及系统优化集成的发展态势。传统制造技术的学科单一，界线分明，而现代制造技术的学科交叉、技术融合，形成了集成化的新技术。3、现代制造技术的基础是优质、高效、低耗,无污染或少污染的加工工艺，在此基础上形成了新的先进加工工艺与技术。4、现代制造技术从单一目标向多元目标转变，强调优化制造系统的产品上市时间、质量、成本、服务、环保

14、等要素，以满足日益激烈地市场竞争的要求。5、现代制造技术正在从以物质流和能量流为要素的传统制造观向着以信息流、物质流和能量流为要素的现代制造观转变，信息流在,制造系统中地位已经超越了物质流和能量流。6、现代制造技术特别强调以人为本，强调组织、技术与管理的集成，制造技术与生产管理相互融合、相互促进，制造技术的改进带动了管理模式的提高，而先进的管理模式又推动了制造技术的发展。1.3.2 现代制造技术的分类1.现代设计技术现代设计技术是根据产品功能要求，应用现,代技术和科学知识，制定方案并使方案付诸实施的技术。它是一门多学科、多专业相互交叉的综合性很强的基础技术。现代设计技术所包含的内容有：(1)现

15、代设计方法 现代设计方法包括产品动态分析和设计、摩擦学设计、防蚀设计、可靠性和可维护性及安全设计、优化设计及智能设计等。,(2)设计自动化技术设计自动化技术指应用计算机技术进行产品造型和工艺设计、工程分析计算与模拟仿真、多变量动态优化，从而达到整体最优功能目标，实现设计自动化。(3)工业设计技术工业设计技术指开展机械产品色彩设计和中国民族特色与世界流派相结合的造型设计，增强产品的国际竞争力。,2.先进制造工艺现代制造工艺技术包括精密成型技术、精密和超精密加工技术以及特种加工技术等。(1)精密成型技术 精密成型技术是生产局部或全部、无余量或少余量半成品的工艺方法的统称，包括精密凝聚成型技术、精密

16、塑性加工技术、粉末材料构件精密成型技术、精密焊接技术及复合成型技术等。,其目的在于使成型的制品达到或接近成品形状的尺寸，并达到提高质量、缩短制造周期和降低成本的效果；其发展方向是精密化、高效化、强韧化和轻量化。(2)特种加工技术 特种加工技术是指那些不属于常规加工范畴的加工，如高能束流(电子束、离子束、激光束)加工、电加工(电解和电火花加工)、,超声波加工、高压水加工以及多种能源的组合加工等。特种加工技术因其各自的独特性能而在机械、电子、化工、轻工、航空、建筑、国防等行业以及材料、能源和信息等领域得到了广泛的应用。,(3)精密和超精密加工技术精密、超精密加工技术采用去除加工(精密切削、磨削、研

17、磨等)、结合加工(离子镀、晶体生长、激光焊接、快速成型等)、变形加工(精锻、精铸等)等加工方法，使工件的尺寸、表面性能达到极高的精度。现在的精密、超精密加工已经向纳米技术发展。,(4)表面改性、制膜和涂层技术 表面改性、制膜和涂层技术是采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合技术对产品表面进行改性、制膜和涂层，赋予产品耐磨、耐蚀、耐(隔)热、抗疲劳、耐辐射以及光、热、磁、电等特殊功能，从而提高产品质量、延长使 用寿命和赋予新性能的新技术的统称，,是表面工程的重要组成部分。3.自动化技术制造自动化是指用机电设备取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特

18、定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。其目的在于减轻劳动强度，提高生产效率，减少在制品数量，节省能源消耗以及降低生产成本。,自动化技术主要包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技术、传感技术、自动检测及信号识别技术和过程设备工况监测与控制技术等。4.系统管理技术系统管理技术是指企业在市场开发、产品设计、生产制造、质量控制到销售服务等一系列的生产经营活动中，为了使制造资源,(材料、设备、能源、技术、信息以及人力)得到总体配置优化和充分利用，使企业的综合效益(质量、成本、交货期)得到提高而采取的各种计划、组织、控制及协调的方法和技术的总称。它是

19、现代制造技术体系中的重要组成部分，对企业的最终效益提高起着重要的作用。,系统管理技术包括工程管理、质量管理、管理信息系统等，以及现代制造模式(如精益生产、CIMS、敏捷制造、智能制造等)、集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。1.4 现代制造技术现状及发展趋势 1.4.1 世界制造业现状 1.美国制造业的竞争策略 制造业是美国经济的主要支柱，美国财富的68%,来源于制造业。1991年9月，在由美国总统办公厅指定的国家关键技术委员会向总统提出的双年度报告中，认定制造领域的国家关键技术包括：(1)柔性计算机集成制造；(2)智能加工设备；(3)微米级和毫微米级制造；(4)系统管理技

20、术。,1992年国家关键技术委员会又提出将先进制造技术作为国家关键技术。近几年来，美国政府所采取的主要措施有：(1)1994年从财政年度预算中拨款14亿美元支持先进制造技术研究开发；(2)先进技术计划(ATP)1992年已有60个项目获得资助；(3)实施小企业革新研究计划(SBTR)；,(4)实施工程研究中心建设计划(ERC)；(5)实施战略制造计划(STRATMAN)；(6)实施有益于环境的制造计划；(7)实施制造科学与技术计划；(8)建立航空航天、电子、机床等领域的敏捷制造研究中心；(9)在一些大学设置制造工程系、专业、研究中心或实验室；,(10)在美国科学基金会中，制造工程与科学在工程领

21、域列为独立学科，以强化对其的支持。分析美国在先进制造技术基础领域的研究现状，其发展趋势大致如下：(1)面对大制造业，用户需求启动研究。(2)在制造业和制造技术较为发达的基础上，注重制造模式的研究。,(3)CAD普及率达60%以上。(4)在传统冷、热成型工艺基础上，发展精度较高的成型工艺技术。(5)发展特种与复合加工工艺，如高能束加工工艺等。(6)利用应用软件、传感器和控制系统建造新一代智能化机床和智能化加工单元，通过建模、仿真来优化车、钻、铣、磨、模压和注塑成型工艺过程。,(7)生产准备工作柔性化和柔性工装卡具，近几年成为制造领域的研究热点。(8)发展少或无污染和可拆卸回收的产品及其制造技术。

22、(9)不少大学工学院多年来设置有技术与管理相结合的工业工程科系。近些年，在大学工学院设置制造工程学科、中心、实验室的数目不断增加。,(10)国家科学基金资助指南中，制造工程与科学在工程领域列为独立学科，与机械和结构学科分立，强化对制造技术基础与应用基础研究的支持。2.日本制造业的发展对策美国曾以福特方法赢得全世界制造技术的优势。而日本人却在福特方法的基础上，不断更新技术以适应市场需求。,在20世纪70年代，日本汽车大举进入美国市场，以其价廉质优和多品种将美国三大汽车公司推向倒闭的边缘。在1990年，仅日本FANUC公司生产的数控系统装置数量就占世界市场的一半。总体来讲，IMS(智能制造系统)的

23、研究包括三个方面：(1)将目前各国、各企业掌握的制造技术系统化，包括产品设计技术和产品加工、装配技术等。,(2)将现有技术及将要开发的技术标准化，包括制造数据的压缩、传递与储存的标准化以及物流管理技术的标准化。(3)面向21世纪的先进制造系统的研究开发，包括系统管理技术，设计、加工和装配技术以及制造系统体系结构。3.前欧共体ESPRIT计划和BRITE-EURAM计划前欧共体支持先进制造技术开发的主要有关计划是ESPRIT计划和BRITE-EURAM计划。,ESPRIT计划主要资助微电子、软件工程和信息处理系统、计算机集成制造等方面的研究。BRITE-EURAM计划主要资助材料、制造加工和设计

24、以及复杂工厂系统等方面的研究。上述前欧共体的这种大型国家级研究项目参加者除大企业外还有小企业和大学，参加单位多，研究工作显得分散。4.韩国G7计划韩国于1991年提出实施“高级先进技术国家,计划”，即G7计划。G7计划中的“先进制造系统”项目是一个将市场需求、设计、制造和分销集成在一起的系统，旨在改进产品质量，提高生产率，增加国际竞争力，使韩国制造技术达到世界先进水平。该项目由韩国国家机构科技部负责，总投资额为5.95亿美元，其中政府资助2.77亿美元。上述“先进制造系统”项目的内涵为：,(1)共性基础技术：开放式集成系统(包括设计自动化、并行工程等）；标准和性能评估。(2)下一代加工系统：加

25、工设备开发(包括5轴加工中心、超精非球面加工中心等）；机械技术(包括高性能主轴、高精度加工和测量等)；运营技术；集成技术。(3)电子产品的装配和检验系统：下一代印刷线路装配和检验系统；用于装配和制造系统的高性能机械机构；,先进装配用基础技术(包括精密装配、无焊料结合等）。1.4.2 先进制造技术在我国的发展1.我国制造业相对优势与先进制造技术的发展(1)我国制造技术经建国以来50余年的发展已形成较完整的技术体系，为国民经济发展所需各类机械产品的制造提供基本的工艺技术，已能生产机床、汽车、轮船、飞机、大型发电机组等工业装备及民用消费类制造产品。,(2)通过对引进技术的消化吸收和对企业现有技术的深

26、化改造，不少企业已经掌握了一批相对先进的制造技术和管理方法，不少产品已成功地打入国际市场。(3)在制造技术基础研究的许多方面我国已具有很高水平，制造学科已发展成为一个重要的支柱学科。近百所高等工科院校设有机械制造、机电一体化等相关专业；,国家有关部委也设有制造工艺与技术研究所；20世纪80年代中期，国家设立了国家自然科学基金委员会，建立了机械强度与振动、摩擦学、流体传动与控制、激光、模具、焊接、测试与精密仪器、精密成型、汽车、超精密加工等国家重点实验室或工程中心。(4)在“九五”计划的实施中，国家科学技术部的“国家科技攻关计划”、“国家高新技术研究发展计划”、“国家基础研究重大项目计划,(攀登

27、计划预选项目)”都列入有关项目并付诸实施，其中“精密成型与加工研究开发和应用示范”、“金属材料热成型过程动态模拟及组织性能质量优化控制”、“CIMS”以及“智能机器人”等项目已全面实施。(5)国家计委也十分重视先进制造技术的发展，在“九五”期间实施了一批发展先进制造技术的项目，如数控系统及装备研究、自动测试系统及设备技术研究、现场总线研究、,智能化仪表研究、传感器技术研究、30万辆轿车规模生产关键技术及装备研究等。(6)先进制造技术应用情况。1993年国家科委组织实施“CAD应用工程”，原机械部又将1997年定为CAD推广年，现在机械工业系统的骨干企业中CAD应用的普及率达到35，但绝大多数只

28、是“甩图板”。1958年开始研制数控机床，到20世纪80年代通过引进、消化、吸收国外成熟技术开发出,具有自主知识产权的数控系统；到80年代中期，已开始引进和自行研制柔性制造系统，数控机床的生产也实现了产业化。但在金属切削机床总产量中，数控化率只有5%左右。我国在20世纪70年代中期研制成功了直接数控(群控)系统并应用于生产，现在已拥有柔性制造系统和柔性制造单元等自动化制造系统。,北京第一机床厂的CIMS工程于1994年初步建成，并于1995年获得美国制造工程师学会和计算机与自动化系统专业学会(CASA/SME)的CIMS应用工业的称号。在此之前，1994年清华大学获得CASA/SME的CIMS

29、大学领先奖。我国在20世纪80年代末就注意引进先进管理模式。沈阳鼓风机厂很早就采用了国际商用机器公司(IBM)的“面向通信的生产信息和控制系统”,(Communication Oriented Production Information and Control System，COPICS)，第一汽车集团公司在生产管理中引进了日本的“准时生产”(JIT)模式。据有关资料报导，我国企业已先后投入大约80亿元购买了MRP软件来建立现代生产管理系统或MIS(管理信息系统)。2.我国机械制造业的差距与发展目标,我国机械制造业的差距(1)产品品种少、档次低。(2)制造工艺落后，装备陈旧。(3)生产专业化

30、水平低。(4)管理技术落后。鉴于目前机械工业的状况，围绕发展先进制造技术，我国制定了机械工业发展目标：,(1)2000年，产品设计、精密和超精密加工、激光加工、表面改性、制膜和涂层、制造业和过程工业综合自动化以及系统管理技术，总体上达到工业先进国家20世纪80年代末90年代初的水平。(2)我国的优质、高效、低耗、少或无污染的现代制造技术普及率在2000年由目前的不足10%提高到20%，预计在2010年提高到50%。,(3)形成一批高科技产业：四个加工产业（精密成型加工、精密切削加工、激光加工、表面处理加工）；三个自动化硬件产业(数控系统、工业机器人、传感器和测试设备）；三个软件产业(CAD、C

31、AM、MIS）。到2000年，大型企业普遍采用CAD技术和计算机辅助管理技术；预计到2010年，大、中型,企业普遍采用CAD，25%的大、中型企业采用CAM，大、中型企业主要产品的关键工序实现柔性化生产。1.4.3 现代制造技术的发展趋势(1)信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式将得到不断发展；(2)设计技术与手段更现代化；(3)成型及制造技术精密化，制造过程实现低消耗；,(4)形成新型特种加工方法；(5)开发新一代超精密、超高速制造装备；(6)加工工艺由技艺型发展为工程科学型；(7)实施无污染绿色制造；(8)虚拟现实技术将在制造业中广泛应用；(9)制造过程中将贯彻以人为本的概念。,复 习 思 考 题1-1 论述现代制造技术及其主要特点。1-2 叙述现代制造技术的分类及主要技术。1-3 描述我国机械制造业的发展目标。,