机械制造基础之先进制造技术课件.ppt

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1、本章内容,先进制造技术的内涵典型先进制造系统的内涵先进制造技术的发展趋势,一、先进制造技术概述,制造业处于国家工业的中心地位，是工业化、现代化建设的发动机和动力源，是国际竞争中取胜的法宝、技术进步的舞台、国防安全的保障、发展现代文明的物质基础。,1、现代制造企业环境的变化,产品生命周期缩短；交货期成为主要竞争因素；大市场和大竞争，竞争的知识化；顾客需求个性化；Internet 产生了巨大的 影响。,时间作为竞争的决定性因素,Prof.Dr.-Ing Bullinger,78,80,82,84,86,88,90,92,94 96,2,时间,4,6,8,10,平均产品寿命 TL,平均开发时间 TD

2、,TD TL,年数,1、现代制造企业环境的变化,产品生命周期缩短；交货期成为主要竞争因素；大市场和大竞争，竞争的知识化；顾客需求个性化；Internet 产生了巨大的 影响。,产品开发周期,产品上市,时间,产品市场寿命 = 10 年,X,构想,Siemens AG,产品上市时间对企业利润的重要性,假设： 5 年的产品寿命; 20%的市场增长率; 每年 2% 的价格降低。,利润减少,4 %,22 %,33 %,原因,开发成本 增加 50%,制造成本 增加 10%,产品上市 延迟6个月,1、现代制造企业环境的变化,产品生命周期缩短；交货期成为主要竞争因素；大市场和大竞争，竞争的知识化；顾客需求个性

3、化；Internet 产生了巨大的 影响。,21世纪的“无国界经济”,跨国公司的生产总值占资本主义世界生产总值的 40%；跨国公司的贸易额占世界贸易总值的 50%；跨国公司的工业研制费占世界总值的 80%；跨国公司操纵了世界技术转让的 75%；跨国公司操纵了对发展中国家技术贸易的 90%。,跨国公司的规模,跨国公司中最大的200家“巨头” 的年销售总额（7万多亿美元），比全世界除了美、日、德、法、意、英、中国、加拿大、巴西 9个经济大国之外的180多个国家的GDP总和（6.9万亿美元）还多。,“基于知识的经济”,知识经济是建立在知识和信息的生产、分配和使用之上的经济。,黄金与知识,0,200,

4、400,600,800,1000,1200,1400,单位：10亿美元,Lucent,Cisco,Microsoft,Nokia,Intel,人类社会6000年挖掘的黄金（1998年价）,现代制造企业环境的变化,产品生命周期缩短；交货期成为主要竞争因素；大市场和大竞争，竞争的知识化；顾客需求个性化；Internet 产生了巨大的 影响。,0,25,50,75,100,低,高,扰动程度,80年代,90年代,54,50,30,27,25,22,36,54,60,45,38,28,36,55,46,51,41,53,63,53,52,51,63,64,41,54,62,76,40,55,56,74,

5、/,/,/,市场影响因素的变化,“中心”的变化,以产品为中心,以顾客为中心,以市场为中心,1、现代制造企业环境的变化,产品生命周期缩短；交货期成为主要竞争因素；大市场和大竞争，竞争的知识化；顾客需求个性化；Internet 产生了巨大的影响。,2、现代制造系统的模式和哲理,成组技术 (相似性) CIM (集成) 并行工程 (同步) JIT (准确) 智能制造系统 (智能) 敏捷制造 (灵活) 精益生产 (简化) CIPE (重组、标准化) 业务过程重组BPR(重组) 大规模定制生产 MC (简化、灵活) 电子商务 EC 网络化制造,TQCSEK,3、先进制造技术的内涵,先进制造技术包括： 1）

6、先进设计技术 2）先进制造工艺技术 3）制造自动化技术 4）先进制造系统,1）先进设计技术设计方法现代化产品动态分析和设计产品可靠性可维护性及安全设计产品优化设计快速响应设计创新设计智能设计仿真与虚拟设计价值工程设计模块化设计,设计手段计算机化有限元法优化设计计算机辅助设计反求工程技术CAD/CAM一体化技术工程数据库向全寿命周期设计发展由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素,3、先进制造技术的内涵,2）先进制造工艺技术精密、超精密加工技术精密加工：精度为30.3m Ra0.30.03 m超精密加工：精度为0.30.03m Ra0.30.005 m纳米加工：精度高于0.03m Ra

7、小于0.30.005 m,精密成型制造技术从制造工件的毛坯、从接近零件形状向直接制成工件的方向发展特种加工技术高能束流加工（电子束、离子束、激光束）电加工（电解和电火花)超声波加工高亚水加工多种能源的组合加工,3、先进制造技术的内涵,3）制造自动化技术数控技术数控装置进给系统主轴系统NC程序编制工业机器人机器人操作机控制系统传感器生产线总线控制,柔性制造系统加工系统物流系统调度与控制故障诊断自动检测与信号识别技术信号识别数据获取数据处理特征提取与识别过程设备工况监测与控制过程监视系统在线反馈质量控制,3、先进制造技术的内涵,4）先进制造系统先进制造生产模式计算机集成制造系统CIMS敏捷制造系统

8、AMS智能制造系统IMS精良生产LP并行工程CE集成管理技术企业资源管理ERP基于作业的成本管理ABC现代质量保障体系生产率工程制造资源快速有效集成,生产组织方法虚拟公司理论与组织企业组织结构的变革以人为本的团队建设企业重组工程,3、先进制造技术的内涵,二、典型的先进制造技术,1、物料需求计划MRP （Manufacture Resource Planning） MRP是60年代美国创立的一种将库存管理和生产作业计划的制定结合在一起的计算机辅助生产管理系统。 1965年，美国奥里奇提出了独立需求和相关需求的概念，并提出定货点法只适用于独立需求，基于这一理论随后出现了按时间段确定物料的相关需求的

9、方法，即物料需求计划。,1、物料需求计划MRP,独立需求： 指对某种库存的需求与其它种类的需求无关，其本质是需求具有随机性、不确定性，是企业自身不能控制的需求。相关需求： 指某种需求与其它需求具有内在的相关性。如对最终产品的需求是独立需求，但对其零部件的需求却是非独立的。,1、物料需求计划MRP,结论： 最终产品生产计划一经确定，有关时间内所有零部件、原材料的需求即可确定 由于最终产品的需求往往是不连续、不均衡的，所以对零部件和原材料的需求属波动需求 计算机为零部件、原材料的需求计算提供了方便,1、物料需求计划MRP,采购计划,生产计划,1、物料需求计划MRP,物 料 号：10000 计量单位

10、： 件 批量： 10 现 有 量： 8 物料名称： X 分 类 码： 08 提前期： 2 累计提前期：28,物料清单(BOM)基本内容,1、物料需求计划MRP,主生产计划,MRP计算：一 生产哪些零部件、数量多少二 何时下达零部件的生产任务、 何时发货,计划下达的任务（订购/生产）,零部件和材料的库存文件,在制品文件,产品结构文件即物料清单BOM,订购余额文件,1、物料需求计划MRP,闭环MRP在以下方面有所发展：（1）编制能力需求计划并对生产能力进行规划与调整（2）扩大和延伸了MRP的功能 在编制零件进度计划的基础上把系统的功能进一步向车间作业管理和物料采购计划延伸（3）加强对计划执行情况的

11、监控 通过对计划完成情况的信息反馈和用工派工、调度等手段来控制计划的执行，以保证MRP计划的实现,MRP,执行结果反馈,进行能力的负荷平衡,N,N,Y,Y,经营计划,生产计划大纲,主生产计划,粗能力计划,物料需求计划能力需求计划,采购,生产活动控制派工 输入/输出控制,财务及成本管理,是否可行,是否可行,闭环MRP,闭环MRP与MRP,1、物料需求计划MRP,70年代末随着闭环MRP的应用和发展，系统的功能和范围进一步扩展。把生产、库存、采购、销售、财务、成本等子系统都联系起来，逐渐成为一个覆盖企业全部生产资源的管理信息系统。它不仅编制产品和零部件的生产进度计划、物料采购计划，而且还可以直接从

12、系统获得销售收入、库存占用资金、产品成本等财务信息；除此，还包含经营计划，把经营管理的全部内容包括在系统之内。形成了MRP系统，在此基础上进一步形成ERP（Enterprise Resource Planning）系统。,1、物料需求计划MRP,MRP II,物料 / 资金信息集成,面向企业,Manufacturing Resource Planning,MRP - MRP II - ERP 功能扩展,法制条例控制流程工业管理运输管理仓库管理设备维修管理质量管理产品数据管理,MRP MRP II ERP 70年代 80年代 90年代,销售管理财务管理成本管理,物流资金流 信息集成,多行业、多地

13、区、多业务 供需链信息集成,（不断扩展)客户关系管理Internet/Intranet,MPS，MRP，CRP库存管理工艺路线工作中心 BOM,MPS，MRP，CRP库存管理工艺路线工作中心BOM,销售管理财务管理成本管理,库存计划物料信息集成,MPS，MRP，CRP库存管理工艺路线工作中心BOM,2、 CIMS,CIM是一种组织、管理与运行企业的哲理。它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机（硬、软件），使企业产品全生命周期市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）以及产品最后报废、环境处理等各阶段

14、活动中有关人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，实现企业制造活动的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。 CIMS （computer integrated manufacturing system）是一种基于CIM哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成优化的制造系统。,2、 CIMS,2、 CIMS,销售部门,制造部门,技术部门,传统的组织结构 面向功能的组织结构,现代的组织结构 面向过程的组织结构,Teamwork,2、 CIMS,2、 CIMS,2、

15、 CIMS,CIMS实现的关键技术：并行工程产品数据管理 PDM项目管理快速原型技术拟实制造大规模定制生产,3、并行工程,并行工程（ Concurrent Engineering，CE ）是指：集成、并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从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。,3、并行工程,3、并行工程, CE依赖于产品开发中各学科、各职能部门人员相互合作，相互信任和共享信息，通过彼此间有效地通讯和交流，尽早考虑产品全生命周期中的各种因素，尽早发现和解决问题，以达到各项

16、工作协调一致。 CE方法有别于传统的强调“分工”的管理方式，是一种在更深层次上的集成（人、技术、管理的集成；产品设计及其相关过程设计的集成）。, CE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配、检测、质量控制、销售、售后服务）设计的集成。, CE 效益缩短新产品开发周期4060%；提高设计质量（早期生产中工程变更次数减小一半以上，产品报废及反复工作减小75%）；制造成本下降3040%,3、并行工程,4、精益生产,精益生产方式起源于日本丰田汽车公司，因此被称为“丰田生产方式”。1984年，美国麻省理工学院集中了一批各国的高级专家，研究了日本汽车工业的做法。1990年，美国MIT发表了一个“国际汽车

17、共同研究报告”，将丰田生产方式命名为LP（Lean Product）。,4、精益生产,将LP与欧美传统的大量生产方式MP（Mass Product ）进行比较，对LP的优越性表述如下： 所需要的人力资源无论是产品开发、生产系统和其他部门比大量生产（MP）均能减少至1/2 新产品开发周期可减少至1/2到1/3 生产过程中的在制品库存可减少至MP一般水平的1/10 工厂占用空间可减少至MP的1/2 成品库存可减少至平均库存水平的1/4 产品质量可提高三倍,4、精益生产,1990年该报告编写成为改变世界的机器著作。LP逐渐被世界制造业所认识并掀起一股变革方式的热潮。 精益生产既是一种原理、一种新的管

18、理理念，又是一个新的生产方式，它是继MP之后，对人类社会和人们的生活方式影响最大的一种生产方式。美国人认为：精益生产会真正改变世界的生产和经营形势，它将改变整个世界，对人类社会产生深远的影响。,1）精益生产方式的起源,（1）手工生产方式工厂组织机构分散工人的培养方式是师傅带徒弟、工人操作技能高、手工操作进行生产采用通用机械、实行单件生产产量低、质量差、成本高,1）精益生产方式的起源,（2）大量生产方式的兴起 1908年，世界著名的T型汽车诞生。福特设想像生产别针和火柴那样生产T型车。因此为生产技术进行了一系列的改型,并将改进后的生产方式称为大量生产方式。其特点： 产品、零部件标准化，装配的简单

19、化 在劳动组织上，最大限度地采用分工的原则 采用流水生产线生产方式，总装每辆轿车的工时由750分下降到93分，减少88；每台发 动机所需要的工时由750分下降到226分，减少62。 在组织结构上，追求纵向一体化,1）精益生产方式的起源,大幅度地降低汽车成本（T型车刚出现的1908年，价格是850$，1926年为290$）社会需求的猛增，又进一步刺激了汽车工业的飞速发展 1903年第一年生产汽车产量1700辆 1908年T型车投产上升到一万辆 1914年装配线满负荷时猛增到30万辆 1923年本国总产量达190万辆，占世界汽车总产量 44 劳动生产率大幅度提高 1908年514分钟（8.56小时

20、）/每辆车 1913年2.3分钟/每辆车 1914年流水生产线1.19分钟/每辆车推动了世界汽车工业的进步,1）精益生产方式的起源,大量生产方式的衰落缺乏柔性是MP致命的缺陷纵向一体化的组织结构形成了臃肿官僚的“大而全”体制以过量的库存、过多的供应厂家、过多的工人和过大的生产场地作为连续生产所必须的缓冲,1989年世界汽车装配厂比较（平均值）,1）精益生产方式的起源,精益生产方式的产生 第二次世界大战后，日本汽车工业开始起步。1950年春，丰田汽车公司的新一代领导人丰田喜一郎一行到世界最大而且效率最高的福特公司鲁奇工厂进行了为期三个月的认真考察。回国后，经研究，得出了结论MP不适合于日本。 丰

21、田的管理者将精力集中于生产过程的整体优化改进技术、理顺物流、杜绝超量生产、消除无效劳动和浪费、有效利用资源、降低成本、改善质量，达到以最少的投入实现最大产出的目的。,三种生产方式的比较,2）精益生产方式的传播及对现代制造业的重大影响,给世界汽车工业带来了巨大变革 （1）对日本汽车工业的发展起到了不容忽视的作用 （2）带给世界汽车工业一场深刻的变革 对现代制造业具有重大的影响和意义，丰富和发展了现代生产管理理论,2）精益生产方式的传播及对现代制造业的重大影响,日本公司采用LP效果表,2）精益生产方式的传播及对现代制造业的重大影响,美国防部20002004财年制造技术五年计划投资战略把“精良”的概

22、念集成到所有的采办与延长使用寿命项目中，战斗机的精良生产是9项国防技术目标之一。 波音公司 “V22飞机零部件和其它有关国防直升机项目的精益生产”项目（19932002年投资210万$），计划在两年内，缩短研制周期50，改善计划准时率50，提高库存周转率40。 美国人认为：不能保持世界水平的制造能力必将危及国家在国内外市场竞争能力，制造业是一个国家国民经济的支柱，美国在世界各国中的威望不仅取决于强大的国防势力，而且取决于强大的制造能力。 美国已提出敏捷制造一种新的制造方式。它将使美国在2006年以前重新恢复其在制造业中的领导地位，并将在21世纪的竞争中占主导地位。,3）精益生产的概念,指运用多

23、种现代管理方法和手段，以社会需求为依据、以充分发挥人的作用为根本，有效配置和合理使用企业资源，最大限度地为企业谋求经济效益的一种新型生产方式。它是重新塑造一个企业，使之成为精干的、高度柔性的、低成本的、世界级竞争者的战略武器。 精益生产方式是企业资源的配置方式LP的资源配置是以社会需求为依据，最大限度满足市场多元化需求LP的资源配置以彻底消除无效劳动和浪费为目标，最大限度地为企业谋求经济效益LP的资源配置自始至终把人力资源的开发放在首位LP的资源配置要综合运用各种现代管理技术和手段,4）精益生产的特点,（1）强调人的作用，推行“以人为中心”的管理赋予工人一定的作业管理决策权企业把雇员看作比机器

24、更重要的固定资产充分发挥职工的创造性、主动性，不断提高职工素质 强调协同工作与沟通协力工作使协调工作简化、机构简化,集中不同职业和专长人员的意见，提高工作质量和工作效率组成产品开发项目组、缩短产品开发时间与供应厂家、顾客协力工作对市场做出快速响应加强沟通重视培养和发扬集体主义的团队精神,4）精益生产的特点,（2）改变传统观念，永无休止地、无情地消除浪费，以尽善尽美做为追求目标 消除浪费 企业现有生产能力产出浪费 其中浪费包括：材料库存和在制品库存 长距离运输在制品作业更换时间废品及窝工 一切不增加产品价值的活动一切治标不治本的措施和活动多余的人员,4）精益生产的特点,追求完美目标：零废品零库存

25、零准结（订货）时间生产批量极小化提前期最短 要缩短提前期，首先要减少批量 从产品设计、工艺设计入手 认真分析提前期的组成减少零件的搬运消除多余的人员 维修人员过剩 等待上的浪费 冗员造成超量生产无效劳动 无效动作的浪费冗员消除,4）精益生产的特点,（3）实现生产过程的同步化缩短作业更换时间（快换工装）生产过程同步化（同步节拍生产） 发现和克服瓶颈环节 使生产同步化就要稳定日产出率 采用成组加工中心和成组流水线 采用“拉动式”的管理方法：“看板管理”,4）精益生产的特点,（4）将“推动式”生产控制系统变为“拉动式”生产控制系统,传统的生产方式：由生产计划部门计算每种零部件的需要量和各生产阶段的生

26、产提前期，确定每个零部件的投入生产计划，按计划发出生产和订货指令，每个车间按指令进行生产，并将实际完成反馈到计划部门，不管后车间和后工序是否需要，均将生产完的零部件送到后车间和后工序。MRP生产控制机制：一切生产活动按中央作业计划的指令进行，所有的零部件和材料项目均通过中央库存系统控制和转换：材料按计划被送到零件加工工序；零件按计划送到总装，以计划触发和推动生产活动。JIT：实现将必要的材料和零件，以必要的数量，在必要的时间，送达必要的地点，即一切生产活动包括制造、搬运、交货、供应，只有在需要产生时才发生，是用需求触发和推动生产活动。,“推动式”,“拉动式”或“牵引式”,5） JIT的战略优势

27、,现代企业经营战略强调建立一种持久的竞争优势。LP是能最好的体现和最能实现这一思想的生产方式。LP要求生产过程不断改进，从根本上改进和完善产品质量持续地消除浪费，使成本不断降低，取得价格竞争优势降低库存成本降低且缩短生产周期，比竞争对手更迅速地响应顾客需求的变化长期投资于工人培训和教育，极大地提高工人责任心和技能，提高工作质量,5、成组技术,成组技术为改变多品种小批量生产的传统生产方式开辟了一条重要的途径，并在工业生产中推广应用，取得了良好的经济效益。,1）成组技术的原理,成组技术将具有相似性的零件汇集成组，实现成组加工、成组工艺编制，以扩大批量、减少调整时间，使工序间的搬运和等待时间接近大量

28、生产的效果,从而大幅度的提高生产效率的一种合理化组织生产的科学方法。如图所示。,1）成组技术的原理,2）成组技术的应用,简化了生产技术准备工作。为中小批量生产广泛采用高效率设备，为实现自动化创造了条件。缩短了产品生产周期，提高了按期交货率。促进产品结构及零部件的标准化。简化了生产管理。通往CIMS的必由之路。,3）零件分类编码系统,用数字或符号对零件的有关特性如产品、零件、工艺、设备、材料等，按照一定的规律进行描述与识别的一套规则和依据。,奥匹兹(OPITZ)零件分类编码系统,日本KK3零件分类编码系统,中国JLBM1零件分类编码系统,图4-3 奥匹兹(OPITZ)编码系统,6、柔性制造系统,

29、柔性制造系统（FMS, flexible manufacturing system）是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数控加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。,6、柔性制造系统,柔性制造系统的特点 : ）生产自动化：可实现生产过程的自动管理、信息的自动收集传输、制造质量自动控制和故障自动诊断处理。 ）物流自动化：可实现刀具、工装、工件等生产资源的自动供给、运输和存储。 ）生产能力柔性化：仅通过更改软件或系统参数就可以生产某类型多种不同的零件。 ）工艺柔性化：能以多种方法加工某零件，实现对零件的多机床混流加工。 ）生产调度优化：能实现对生产资源的优化调度和配置管理，实现

30、生产的无人化或少人化。,6、柔性制造系统,6、柔性制造系统,FMS的组成,加工系统,镗、铣加工中心,车、削加工中心,装配作业系统,螺纹联接、压配联接、过盈联接、装销钉、铆接、折边联接、卷边、敛缝、压紧、弯曲、缠绕、粘接、塑料成形、焊接。,清洗、去毛刺、打标记、上油、分选、压入密封件。,装入零件是否有缺件、装入零件方向、位置识别；装入过程的误差，异物混入；装入后尺寸精度、密封质量、装配质量；装配过程故障诊断、预测报警。,物料储运系统 实现对物料的存取、运输和装卸。储运的物料有工件毛坯、半成品、成品、工夹具、刀具等。,物料储运系统是企业生产物流系统的重要环节,计算机管理与控制系统,7、产品数据管理

31、 PDM,PDM（Product Data Management）是一个方法论和一整套帮助企业管理产品数据和产品研发过程的工具。 PDM系统帮助组织产品设计，完善产品结构，确保设计、制造所需的大量的数据和信息清楚明了，从而构筑一个信息平台对产品进行支持和维护，保证有竞争力产品的及时交付。 PDM系统管理产品生命周期的整个过程，组织协调诸如开发过程中设计评审、批准、变更及产品发布等事件，并最终落实到工作流和流程管理。,7、产品数据管理 PDM,在开发和设计中，正确的文档应该在正确的时候送到正确的地方,7、产品数据管理 PDM,图纸管理,文档管理,零件分类,产品结构管理,BOM生成,2D / 3D

32、 - CAD,FEM,DTP,文档保存,基于PDM的系统解决方案,零件管理,利用PDM可以大大简化开发和设计工作,重要工作查找通知检查归档分类设计计算绘图建立零件表修改,1）PDM的原理,2）利用 PDM实现异地设计,3）PDM系统中工作流管理,8、快速原型制造技术（RPM）,快速原型制造（Rapid Photograph Manufacturing RPM），又称“快速成形技术”（ Rapid Photograph RP）或“分层制造”（Layer Manufacturing LM），是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。 它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM

33、）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。 RP 技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体模型或样件，这就是 RP 技术所具有的潜在的革命意义。,8、快速原型制造技术（RPM）,原型含义？ 用来建造未来模型或系统基础的一个初始模型或系统，它包括从概念设计到具有完整功能制品的有形和无形展示。 原型可分为物理原型和分析原型。 物理原型：近似或直接为产品的有形实体表示，物理原型是实际存在的，可以进行检测和实验，在视觉和触觉上都类似于产品。 分析原型：产

34、品的非有形表示，以仿真、视觉图像、方程或分析结果表示。 在大多数情况下，原型是指物理原型，即是物体在三维空间的实物表示。,8、快速原型制造技术（RPM）,原型的功能 用于实体观察、分析、试验、校核、展示、直接使用或间接制造模具，但不具备或不完全具备零部件的功能。原型产生方式 1利用自主技术按目的要求进行设计、加工，或利用CAD/CAM系统，建立原型的三维模型并加工成实物。 2利用反求工程技术，原封不动或经过局部修改后得到这个样品的复制品或仿制品。,8、快速原型制造技术（RPM）,快速原型(RapidPrototyping-RP)技术是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术，它根据零件或物体的三

35、维模型数据，快速、精确地制造出零件或物体的实体模型，无需任何专用工具。,1）RPM技术的原理,RP的基本原理 将计算机内的三维实体模型进行分层切片得到各层截面的轮廓，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地切割一层又一层的片状材料（或固化一层层的液态光敏树脂，烧结一层层的粉末材料，或喷射一层层的热熔材料或粘合剂等方法）形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，再采用粘接、聚合、熔结、焊接或化学反应等手段使其逐层堆积成一体制造出所设计的三维模型或样件。,1）RPM技术的原理,RP技术的基本原理图,快速成型基本原理图示,2）RPM的流程,喷粘结剂,喷热熔材料,三维产品（样品/模具）,表面处理,构造

36、三维模型,模型近似处理,切片处理,激光,喷射源,3）传统加工与快速原型比较,模具,模具,设计,铸造,焊接,锻压,毛坯,半成品,半成品,工件,去除加工,设计,快速原型,4）常用的RPM技术,根据采用材料及对材料处理方式的区别，常用的RPM技术主要分为四类1.光固化立体造型 (SL-Stereolithography)2.分层物件制造 (LOMLaminated Object Manufacturing) 3.选择性激光烧结 (SLSSelected Laser Sintering) 4.熔融沉积造型 (FDMFused Deposition Modeling),4）常用的RPM技术,光固化立体造

37、型的原理是：该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。SL法是第一个投入商业应用的RP技术。目前全球销售的SL设备约占RP设备总数的70左右。 这种方法的特点是精度高、表面质量好。原材料利用率将近100，能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如手饰、工艺品等）的零件。,4）常用的RPM技术,LOM工艺将单面

38、涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割一粘合一切割直至整个零件模型制作完成。,LOM的反求应用举例,实物 CT扫描计算机三维重建 LOM加工原型,4）常用的RPM技术,该法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄（100200）的粉未，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未，再进行打磨、烘干等处理

39、便获得零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺还正在实验研究阶段。,SLS的反求应用举例,4）常用的RPM技术,FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上（通常控制在比熔点高1左右）。FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料（丝材直径一般在1.5mm以上）从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在00250762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型。,RP系统的成形原理比较,RP工艺优缺点比较,5）RPM技术的特点,1.特别适合于形状复杂，精细的零件加工；2.减少了对熟练技术操作者的需求；3.成功地解决了CAD中三维造型“

40、看得见、摸不着”的问题；4.生产柔性高，只需改CAD数据就可生产不同形状的零件模型； 5.技术集成，设计制造一体化；6.不需专门的工装夹具和模具，大大缩短了新产品试制时间；7.零件的复杂程度和生产批量与制造成本基本无关.,6）RPM技术的应用,1、产品设计评估和功能检测；2、快速模具制造；3、医学上的仿生制造；4、艺术品的制造。,6）RPM技术的应用,工程应用概念模型视觉模型组装功能测试小批量制造快速模具,6）RPM技术的应用,科学应用古生物学模型生物模型考古研究模型,9、虚拟企业（VM）,虚拟企业（Virtual Manufacture ）两种含义： 1）多个自主企业由网络或合作协议联系起来

41、的动态联盟，能够充分发挥各自的优势，共同形成强大的市场竞争能力。包括“借鸡生蛋”的虚拟生产、“借网捕鱼”的虚拟营销及“借光照身”的虚拟技术开发。动态联盟、敏捷制造（Agile Manufacture）2）利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟企业运行环境和模型。虚拟技术,1）动态联盟,品牌型虚拟企业以商品和服务品牌资源为核心，虚拟掉生产等部分职能而组建的虚拟企业。,联盟型虚拟企业“战略联盟公司”，是由两个或两个以上的具有资源互补性的优势企业，为实现共同的战略目标，通过各种协议、契约结成的利益风险共享、经营权与所有权分开的松散型联合体。,管理型虚拟企业专门为管理由多个有资产关系的企业

42、组成的企业集团而构建的虚拟企业。,2）虚拟制造技术,（Virtual Manufacturing Technology, or VMT）产生于80年代后期。是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。,2）虚拟制造技术,虚拟制造技术研究内容,1）产品的虚拟设计技术。,2）产品的虚拟制造技术

43、。,3）虚拟制造系统虚拟企业。,虚拟制造技术是CADCAECAMCAPP和仿真技术的更高阶段。,映射的定义域是实际制造过程，值域是虚拟制造过程，直接结果是全数字化产品，映射介质是网络计算机环境。,该映射是非线性迭代过程，需要多次复合直到满足要求。,虚拟制造的结果千差万别，难以预测，可能是一个混沌的过程。,人是整个系统的主体，将人的智能以控制参数的形式复合进去，该映射在一定程度上也是可控的。,虚拟制造与实际制造的关系,综上，虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造是虚拟制造的实例。虚拟制造的最终目标是指导实际生产。,市场机遇,制造资源,制造过程,虚拟产品开发和制造,数字样机,仿真优化结果,完善制造过程

44、,反复完善,真实产品的制造,在计算机上虚拟制造,虚拟数控加工中心,轿车齿轮变速箱,动力输入,变速齿轮,变速操纵杆,后桥大齿轮,3）虚拟现实技术,虚拟现实（ Virtual Reality，VR ）技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。,3）虚拟现实技术,虚拟的制造生产线,3）虚拟现实技术,空中商店,3）虚拟现实技术,头盔显示器,方位控制,立体音频,视频头盔,10、数控加工（CNC）,数控: 数字控制（NC Numerical Control）,以数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。NC已成为数控加工的专用

45、术语。 数控技术：用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一种技术，它综合应用了多种学科的知识。数控机床：是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生产系统的基本单元。 数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志,10、数控加工（CNC）,CNC广泛的应用于各种先进制造技术中。,10、数控加工（CNC）,数控技术产生的原因高精度、高效率；刚性自动化不能满足的要求（手工、小规模、大规模生产）；柔性自动化（多品种、变批量）、复杂零件的加工（多坐标加工）；计算机技术的发展。,10、数控加工（CNC）,数控技术的发展历史：1952年，第一代电子管数控系统

46、；1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、加工中心；1960年，第三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统（称为NC）； 1970年，第四代小型计算机数控（CNC ）；1974年，第五代微型计算机数控（MNC，统称CNC） ；1980年后，FMS、FMC、CIMS、开放式数控（open NC）系统、智能制造系统（IMS）大发展。1990年后，高速加工，纳米制造。,10、数控加工（CNC）,CNC构成：,10、数控加工（CNC）,机床数字控制的原理 将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程序的要求，经过信息处理，分配，使各

47、坐标以最小位移量为单位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。 最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理，即轨迹控制原理（插补原理）。,10、数控加工（CNC）,点位控制：严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。轮廓控制：加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。以平面（两维）的任意曲线L为例，要求刀具沿（逼近）曲线轨迹运动，进行切削加工。轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹 。插补：是用被加工轨迹的有限信息（如起点和终点之间），计算插进刀具运动的许

48、多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近。,10、数控加工（CNC）,数控机床的原理：,数控装置程序读入装置、CNC数字控制系统,程编机,辅 助 装 置排屑、润滑、监控、检测,驱 动 装 置 电机、主轴和进给驱动单元,机床主机床身、主轴、进给机构,数控程序（纸带、磁带、磁盘）,10、数控加工（CNC）,数控机床主机的特点 主运动，及进给坐标轴都由单独的伺服电机驱动； 传动链短、结构比较简单；运动关系由计算机来协调控制。 采用高效传动件：精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密齿条、蜗母条、静压、磁浮导轨等。 机械结构应具有较高的静态特性、动态刚度、阻尼精度、 耐磨性以及抗

49、热变形性能。 在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手。 配套设施齐全，如：冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、对刀仪等 。,10、数控加工（CNC）,数控机床的分类：,三、先进制造技术的发展趋势,1、集合多学科成果形成一个完整的制造体系 传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术、先进的管理科学2、先进制造技术的动态发展过程 不断地吸收各种高新技术逐渐形成，不同时期、不同区域有各自的重点和内容。3、信息技术对先进制造技术的发展作用 越来越重要。CIMS、CE、AM、虚拟企业、虚拟制造；4、向超精微细领域扩展 微型机械，纳米测量、微米/纳米加工制造；,三、先进制造技术的发展趋势,5、制

50、造过程集成化 产品的设计、加工、检测、物流、装配过程一体化。 CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM/ERP集成 精密成形工艺 6、制造科学与制造技术、生产管理的融合 制造科学是制造系统和制造过程知识的系统描述。 数字描述、仿真、优化、设计理论和方法、运动学、动力学、结构强度、摩擦学 制造技术包含在制造科学之中，制造科学体现在制造技术里，技术和管理由生产模式结合在一起。,三、先进制造技术的发展趋势,7、绿色制造 绿色产品设计技术。 绿色制造技术 产品的回收和循环再制造 8、虚拟现实技术 虚拟制造技术； 虚拟企业。 9、制造全球化 制造企业在世界范围内的重组与集成 制造技术信息和知识的协调、合