现代制造技术的发展.ppt

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1、第一章 现代制造技术的发展,主要内容,1.1 现代制造技术的主要特点 1.2 现代制造技术的研究内容1.3 现代制造技术的发展现状1.4 现代制造技术的发展趋势1.5 现代制造技术的发展战略,人类社会发展所依赖的物质文明支柱除了材料、能源、信息外，还应包括“制造”。,直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。恩格斯 自然辩证法,1.1 现代制造技术的特点,1 制造工程是系统工程 机械制造过程是一种离散的生产过程，用系统论观点分析和研究制造过程，就出现了制造系统的概念，并形成现代制造系统工程学。制造系统是由物质流(材料流)、能量流和信息流三个基本要素组成的，而信息流的引入是形成制造系统最关

2、键的要素。-管理流，价值流2 从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变 实例：设计与工艺一体化 1）制造工程的主要内容可分为设计和工艺两大部分。2）设计和工艺的脱离，源于大生产的分工；3）产品设计往往受到制造可行性限制，两者必须 密切结合。,现代制造技术的特点,3 精密加工技术是关键 1）精密和超精密加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标。2）当前，纳米加工技术代表了制造技术的最高精度水平。4 产品生命周期的全过程 1）现代制造技术是一个从产品概念开始，到产品形成、使用，一直到处理报废的集成活动和系统，是一个功能系统和信息系统。2）它包括了产品生命周期的全过程。从产品制造的角度来分析，就包含了

3、产品技术、生产技术、拆卸技术和再循环技术4个方面。,现代制造技术的特点,5 人、组织、技术三结合 近几十年，制造技术有了长足的进步和迅速的发展：1）人机协同的观点：自动化，人的创造性；2）技术支撑转变为人、组织、技术的集成：经营管理、战略决策；3）市场驱动、需求牵引：用户是核心；4）快速响应市场需求。6 制造形成了科学 制造科学是由机械、计算机、信息、材料、自动化等学科有机结合而发展起来的一门跨学科的综合科学。正在不断充实、完善和发展，形成了一门真正的科学。,现代制造技术的主要研究内容,1 制造系统自动化 发展阶段：单机自动化、自动线、数控机床、加工中心、柔性制造系统、计算机集成制造系统和并行

4、工程等几个阶段，并进一步向柔性化、集成化、智能化发展。自动化的目的：提高生产效率和改善劳动条件；保证产品质量；提高市场响应速度和竞争能力。并行工程的应用：集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程(包括制造过程的支持过程)的系统方法，要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品全生命周期。,并联机床,现代制造技术的主要研究内容,2 精密工程和微型机械 精密工程包括精密加工和超精密加工技术、微细加工和超微细加工技术、纳米技术等方面。以纳米技术为代表的超精密加工技术和以微细加工为手段的微型机械技术代表了当前精密工程的方向。由于原子晶格间距是0.20.4nm，因此纳米加工技术是当今的极限工艺。,1）超精密加

5、工设备及其新型结构的研究四面体结构立轴超精密磨床，它由6个柱连接4个支持球构成一个罐状的四面体，静刚度为10Nnm，加工精度可达1nm以上。图示是英国国立物理学实验室(NPL)开发的磨床。,图 四面体结构立轴超精密磨床,现代制造技术的主要研究内容,2)金刚石砂轮超精密磨削 是超精密加工的重要研究方向之一：主要加工方式：外圆磨、无心磨、沟槽磨和切割等，被加工材料：陶瓷、半导体等难加工材料。研究的关键问题：金刚石砂轮的修整、微粉金刚石砂轮超精密磨削等。,3)先进超精密研磨抛光加工 近年来出现了油石研磨、磁性研抛、滚动研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中抛光、磁流体抛光、挤压研抛、砂带研抛、超精研

6、抛、机械化学抛光、化学机械抛光等众多有成效的加工方法。几个发展动向：（1）采用软质磨粒，甚至比工件硬度还要软的磨粒，抛光时不易造成 被加工表面的机械损伤，如微裂纹、磨粒嵌入、麻点等。（2）非接触抛光，或称浮动抛光（一薄层磨料流）（3）恒温液中抛光（4）复合加工,现代制造技术的主要研究内容,4)纳米加工和微型机械 精密和超精密加工正向着纳米级精度发展，向着去除、附着、变形加工等原子级、分子级加工方向发展。这种加工已深入到物质微观领域，某些物理量的转变是以最小单位量子跳跃式进行，而不是连续的，因此，今后超精密加工将以量子为基础，以量子力学为指导进行发展。微型机械是近年来发展起来的新型学科，具有很强

7、的生命力，已逐渐应用于机械工程、生物工程、海洋工程、宇宙工程。医疗技术等方面。图1微型电机，图2为微型齿轮。,现代制造技术的主要研究内容,3 特种加工 定义：指一些利用声、光、电、磁、原子等能源的物理的、化学的非传统加工方法，如：电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等。加工对象：难加工材料。高能束流加工：主要指激光束加工、电子束加工和离子束加工，是极有前途的特种加工方法。不少特种加工方法同时又是精密和超精密加工方法。复合加工：传统加工和特种加工相结合的复合加工方法有较大的发展前途。,4 表面工程技术 指表面功能性覆层技术，通过附着(电镀、涂层、氧化膜)、注入(多元

8、共渗、渗氯、离子溅射)、热处理(激光表面处理)等手段，能赋予工件表面耐磨、耐蚀、耐疲劳、耐热、耐辐射以及光、磁、电等特殊功能，这是近年来发展的新技术，对制造技术的发展有重要意义。激光改性处理方法：1）固态相变：利用激光进行热处理；2)激光上光：通过激光使工件表层金属快速熔化和凝固而达到光亮，并可弥补表面的气孔、砂眼等缺陷；3)激光合金化：通过激光加热进行表面涂敷，使工件表面覆盖一层合金；4)激光镀膜：在真空中通入一定的气体元素，如氮等，作为靶材，通过激光激发使靶材与工件表面产生化学作用形成镀膜。,现代制造技术的主要研究内容,5快速成形制造(rapid prototype manufacturi

9、ng,RPM)快速成形(零件)制造的基本原理:零件是三维空间实体，它可由在某个坐标方向上的若干个“面”叠加而成，因此，利用离散、堆集成形概念，可以将一个三维实体分解为若干二维实体制造出来，再经堆积而构成三维实体。制造方法:分层实体制造、立体印刷、选择性激光烧结、熔丝沉积制造、粘接成形等。,6智能制造技术 智能制造：是指将专家系统、模糊推理、人工神经网络等人工智能技术应用在制造中，解决多种复杂的决策问题，提高制造系统的实用性和水平。专家系统：采集领域专家的知识，分解为事实与规则，存储于知识库中，通过推理机进行推理和作出决策。主要适于解决一些比较简单的确定性问题；在过程控制中，推理判断有一段延迟过

10、程，不易满足实时性要求。,现代制造技术的主要研究内容,模糊推理：1 又称模糊逻辑，它是依靠模糊集和模糊逻辑模型进行多个因素的综合考虑，采用关系矩阵算法模型、隶属度函数、加权、约束等方法，处理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。2 主要解决不确定现象和模糊现象，需要多年经验的感知判断问题。神经网络：1 是人脑部分功能的某些抽象、简化与模拟。2 通过神经元的相互作用来实现大规模并行信息处理。3 具有自学、学习联想、自适应等能力和高度的鲁棒性。4 在智能控制、模式识别、非线性优化等方面有良好的应用前景。,现代制造技术的主要研究内容,7制造单元和生产单元制造单元(Manufacturing Cell，

11、MC):现代制造系统常用形式。特点：1 结构和功能上有并行性、独立性和灵活性特点 2 通过信息流来协调各制造单元工作的整体效益，非线性结构 3 制造单元是制造系统的基础，制造系统是制造单元的集成，4 可分为装配、加工、传输、检测、储存、控制等单元，5 各单元独立运行、并行决策、综合功能、分布控制、快速响应和适应调整等。生产单元：强调生产是一个系统工程，企业的功能为销售一设计一工艺设计一制造一装配。可以认为制造系统是一个生产单元。,现代制造技术的主要研究内容,8精良生产（精益生产，Lean Production）核心：JIT 即时生产好处：精良生产综合了单件生产和大批大量生产方式的优点，使工人、

12、设备投资以及开发新产品的时间等一切投入都大为减少，而生产出的产品品种和质量却又多又好。举例：分析表明，当今世界汽车制造业的生产水平相差甚为悬殊的根本原因是生产方式不同。日本汽车业。精良生产的主导思想：以“人”为中心，以“简化”为手段，以“尽善尽美”为最终目标。,精良生产的特点：1)强调人的作用，以人为中心，工人是企业的主人，要充分发挥职工的创造性。2)以“简化”为手段，去除生产中一切不增值的工作。3)以“尽善尽美”为最终目标。持续不断地改进生产，降低成本，力争无废品，无库存和产品品种多样化。推广：精良生产不仅是一种生产方式，而且是一种现代制造企业组织管理方法。,精益研发核心：创新、优化、质量、

13、性能、知识。1）工程仿真，通过定量分析手段，可以优化产品性能2）创新设计，通过定性分析手段，突破研发瓶颈；3）质量设计，通过统计分析技术，改善产品质量基因。4）知识管理，通过知识工程的方法，积累和重用研发知识 5）性能：按照QFD（质量功能展开）方法逐步分解，最终 形成产品性能指标树 比较：PDM中的产品结构树：管理产品的整机和零部件 产品性能指标树：管理产品功能、性能与质量指标,现代制造技术的主要研究内容,9敏捷制造（Agile Manufacturing）美国1994在21世纪制造企业战略报告中提出的一种新的制造模式，即敏捷制造，并将它作为制造企业战略。敏捷制造特点：1)市场响应速度快。2

14、)形成可重构并可不断改变的生产系统。3)生产成本与批量无关：大规模定制概念。4)产品整个生命周期内使用户感到满意，与用户和商界建立长远关系。5)采用动态组织结构：选用不同公司的组织资源，靠电子手段联系的经营实体，即虚拟公司。6)通过人、管理、技术三种资源集成为一个协调的、相互关联的系统来实现敏捷性。充分调动人的积极性和创造性。,现代制造技术的主要研究内容,10 虚拟制造(Virtual Manufacturing Technology，VMT):内容：以仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品设计阶段，模拟产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造技术、产

15、品的可制造性。目的：从而更有效、更经济、柔性灵活地组织生产，使工厂和车间的设计和布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本最小，产品设计质量最优，生产效率最高(Unit cost,quality,lead time)。,虚拟制造技术(Virtual Manufacturing Technology，VMT):应用：是敏捷制造发展的关键技术之一。对敏捷制造中的虚拟公司进行有效分析和评估，就必须把虚拟公司映射为虚拟制造系统，通过运行虚拟制造系统进行实验。虚拟制造系统：是基于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系统在虚拟环境下的映射，它不消耗现实资源和能量，所生产的产品是可视的虚拟产品，具有真

16、实产品所必须具有的特征，它是一个数字产品。,现代制造技术的主要研究内容,11 产品的生命周期和清洁生产产品生命周期：指产品从设计开始，考虑满足：1 使用要求 2 生产过程要求：清洁生产 3 终结要求：减少污染，重复利用。生命周期设计：基于并行工程，同时考虑了从产品概念设计阶段到详细设计阶段的全部循环过程，包括：需求认可、设计和开发、生产、销售、使用、处理和再循环。,1.3 现代制造技术的发展现状,制造科学已成为多学科交叉的学科制造技艺制造技术制造科学；制造活动的社会性、制造系统的开放性制造科学综合性；制造科学已不可能在孤立、封闭的状态下发展，必然走兼采百家之长、交叉融合的道路；现代物理、数学、

17、化学、生命、信息、材料、管理和系统等科学的发展，为制造科学不断提供新的推动力，也不断丰富着现代制造科学的内涵和外延。,现代制造技术的发展现状,2 先进制造技术是工业发达国家的优先发展领域,先进制造技术的定义：传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。,现代制造技术的发展现状,3 我国的发展现状,是制造大国，不是制造强国,发电设备、机床、汽车、电子制造等产品产量居世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界500强

18、,关键装备大多依赖进口光电子制造设备的100%IC制造装备的85%高档数控机床的70%,原创性的技术和成果缺乏，企业的核心竞争力不足，制造科学基础研究相对薄弱,微笑曲线理论(Smiling Curve),微笑曲线的形成，源于国际分工模式由产品分工向要素分工的转变，也就是参与国际分工合作的世界各国企业，由生产最终产品转变为依据各自的要素禀赋，只完成最终产品形成过程中某个环节的工作,1.4 现代制造技术的发展趋势,先进制造技术 制造技术+信息技术+管理科学+有关科学技术先进制造技术发展的总趋势 制造产品：“精”“极”“文”制造过程：“绿”“快”“省”“效”制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,

19、发展趋势制造产品：“精”“极”“文”,“精”是发展的关键精确化 加工精度精密化人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级；操作尺度细微化基因操作机械，其移动距离为纳米级，移动精度为0.1纳米级 物理性能精确化物理性能、力学性能、化学性能、生化性能等等控制要求纳米化,发展趋势制造产品：“精”“极”“文”,20世纪初：超精密 10微米30年代：1微米 50年代：0.1微米70-80年代：0.01微米 目前：0.001微米（纳米加工）,发展趋势制造产品：“精”“极”“文”,电子制造中 高精度：控制趋于纳米级 加工趋于亚纳米级 超微细：芯片线宽100nm 运动副间隙12nm 高加速度：

20、封装运动12g 高可靠性：芯片千小时失效率1/10g,发展趋势制造产品：“精”“极”“文”,“极”是发展的焦点极端、极限,几何形体上，极大、极小、极厚、极薄、极平、极柔、极圆、极方，奇形怪状；在物理性能上，极高硬度、极高塑性、极大弹性、极大脆性、极强磁性、极强辐射性、极强腐蚀性，奇性怪能；MEMS技术和产品是典型极端、极限技术和产品。,发展趋势制造产品：“精”“极”“文”,2002年原子级纳米“晶体管”（电极相距1nm）2003年世界最小的纳米电动机（直径500nm）量子计算机基本电路（1/500mm，近k工作）2004年 能停或暂停的分子马达用核磁共振观测到单个电子,发展趋势制造产品：“精”

21、“极”“文”,“文”是发展的新义人文化、文化含量 工业产品，“实用”，物质层面；艺术产品，（人文）文化含量高，“物美”，精神层面，环境协调，爽心悦目，经得起“看”，经得起“想”“工业设计”制造过程、制造方法“文明化”生产。,发展趋势制造过程：“绿”“快”“省”“效”,“绿”是发展的必然绿色 制造各阶段都必须充分计及环境保护：自然环境，社会环境、生产环境、生产者的身心健康；制造必然要走向“绿色”制造，这是实现国民经济可持续发展的重要条件。,发展趋势制造过程：“绿”“快”“省”“效”,“快”是发展的动力快速对市场的快速响应对生产的快速重组生产模式：高度柔性与高度敏捷性 推动着制造技术的进步与制造方

22、法的发展,发展趋势制造过程：“绿”“快”“省”“效”,“省”是发展的原则节省,市场经济必然的要求 制造过程必须节省、节约、节俭 制造过程环节的优化配置 制造资源的优化配置,发展趋势制造过程：“绿”“快”“省”“效”,“效”是发展的追求 高效、高生产率,个性化大生产、大规模定制快速响应市场需求的应有推论与含义生产效率提高生产力发展社会进步高效、低耗、无污染,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,“数”是发展的核心数字化“信息化”的核心是“数字化”数字制造是制造技术与信息技术（包含计算机技术、网络技术）等交叉、发展与应用的结果数字化设计、数字化控制、数字化管理以及贯穿始终的“虚拟”技术

23、数字化技术必将导致制造技术的重大发展与变革,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,“自”是发展的条件自动化 自动化是强化、延伸甚至取代人劳动（体力、脑力）的技术或手段自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高水平的自动化,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,“集”是发展的方法集成化 技术集成、管理集成、技术与管理集成本质：知识和信息集成，集成也包含了“交叉”现代制造科学技术的发展离不开“集成”和“交叉”,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,“网”是发展的道路网络化 现代新型制造模式实施的基础设施，现代制造企业生产活

24、动必不可少运行环境网络化既是制造企业信息化、集成化的基础，又是企业信息化、集成化的进一步发展网络化将制造业走向全球化、整体化、有序化,发展趋势制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”,“智”是发展的前景智能化,制造智能制造系统/单元/装备适应环境变化的能力，处理海量信息、不完整信息、不确定信息、错误信息的能力，自诊断、自修复能力，自组织、自重构能力，主动协调和协同能力，非逻辑处理能力等智能化各行各业发展的趋向，如：智能车辆、智能机器、智能仪表、智能控制、智能材料，智能大厦、智能交通、人机一体化智能系统,新概念：云制造：1 一种面向服务的高效、低耗，基于知识的网络化的新模式。2 融合现在信息化制

25、造技术，云技术、物联网等等技术，把各类制造之间和制造能力集虚拟化、服务化，并且进行统一的集中的智能化管理。3 通过网络和一个云制造平台中间件，为制造全生命周期的前期的、中期的、后期的提供给用户，提供随时获取按需使用的优质廉价的服务。,1.5 现代制造技术的发展战略,1综合运用现代物理学、力学、数学、化学以及生命、纳米、材料、信息、管理等科学技术，研究现代制造科学技术的新概念、新原理、新方法，促进制造学科与上述学科的交叉和融合，并在交叉和融合中使制造科学不断发展和完善，促进制造科学理论体系的不断完善，提高我国制造业的源头创新力与竞争力。,现代制造技术的发展战略,2针对国家未来高技术发展、国家安全和全面建设小康社会的需求，研究国家未来的重大建设工程和国防安全所需共性制造科学问题和关键制造技术，为国民经济可持续发展和国防建设提供理论和技术储备，以支持建立起拥有核心技术的我国完整的先进制造体系。,现代制造技术的发展战略,3通过一系列基础研究项目的实施，力争建立具有我国特色的制造学科的理论与技术创新体系，支持、稳定和培养一批具有创新意识、思维活跃、立足国内的从事先进制造基础研究的高层次人才和研究梯队。,The End,