先进制造技术的发展状况.doc

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1、毕业设计（论文）任 务 书拟题单位 泉州轻工学院/自拟/指导教师课题 审题人 季建华（指导教师） 题目名称 先进制造技术应用分析 题目性质 真实题目 虚拟题目学生学号 11033105 指导教师 季建华 学生姓名 施家强 专业名称 机电一体化 技术职称 学生院系 学生层次 大学专科 所在单位 泉州轻工学院/（其它） 2013年7月7日1毕业设计（论文）的内容与要求：一、论文的内容第一章 先进制造技术的发展状况（1）先进制造技术的未来发展状况（2）现代设计技术第二章 先进制造工艺技术的现状与发展趋势（1）精密成形技术发展前沿（2）超高速加工（3）微细加工技术第三章 谈谈我国目前先进制造技术的现状

2、及发展途径第四章 总结谢辞二、论文的写作要求（一）总体要求1. 选题符合专业培养目标，难易度适当，具有理论意义或实际价值。 2. 论文必须文题相符，概念清楚，思路清晰，层次分明，论据充分、可靠，引用正确，论证有力。3. 论文符合写作规范。4. 论文的字数要求在0.9万字以上。5. 论文必须清楚反映自己的学术观点和学术水平，严禁抄袭。（二）进度要求2013年7月1日7月4日，初步查阅资料和调查研究，拟定题目2013年7月6日7月10日，指导教师下达毕业论文任务书2013年7月20日8月10日，进行毕业实习，同时查阅资料，调查研究，拟定论文写作大纲；2013年9月1日9月14日，学生完成毕业论文初

3、稿；2013年9月15日9月25日，修改论文初稿；2013年9月25日9月30日，毕业论文定稿和装订；2013年10月13日10月16日，毕业论文答辩；（三）需要阅读的主要参考文献1 孙燕华 先进制造技术2应锦春 现代设计方法3数控技术4制造技术及发展 学院负责人： （签字）2013年 7 月 7 日先进制造技术的发展状况摘要： 本文介绍了当今制造技术面临的问题，论述了先进制造的前沿科学，并展望了先进制造技术的发展前景。关键词：问题； 先进制造技术； 前沿科学； 应用前景论文制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%55%。在一个国家的企业生产力构成

4、中，制造技术的作用一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。1 当前制造科学要解决的问题当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主

5、要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。 （2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CADCAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-Real Space)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在

6、C-空间(配置空间Configuration Space)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(Screw Space)进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科-计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。 （4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包

7、括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。2 现代机械工程的前沿科学不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域

8、和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改

9、变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。21 制造科学与信息科学的交叉-制造信息科学机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，研

10、究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。 与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和内容：(1) 制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。(2) 非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支-制造信息学。22 微机械及其制造技术研究微型电子机械系统(MEMS)，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处

11、理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。 微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60120m的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结

12、构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微机械的发展令人瞩目。其特点如下：相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微

13、小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。23 材料制备零件制造一体化和加工新技术基础材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、

14、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机

15、械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。 24 机械仿生制造21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。地球上的生物在漫长的进化中所积累的优良品性为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、

16、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，仿生制造则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。仿生制造所涉及的科学问题是生物的自组织机制及其在制造系统中的应用问题。所谓自组织是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的自组织机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。仿生制造属于制造科学和生命科学的远缘杂交，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。仿生制

17、造的研究内容目前有两个方面：241 面向生命的仿生制造 研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；242 面向制造的仿生制造 研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生

18、机械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。 3 现代制造技术的发展趋势20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级现代技术国家计划(G-7)、德国的制造2000计划和欧共体的ESPRIT和BRITE-EURAM计划。随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需

19、求个性化与多样化，未来现代制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。当前现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面：(2) 设计技术与手段更现代化。(3) 成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。(4) 新型特种加工方法的形成。(5) 开发新一代超精密、超高速制造装备。(6) 加工工艺由技艺发展为工程科学。(7) 实施无污染绿色制造。(8) 制造业中广泛应用虚拟现实技术。(9) 制造以人为本。先进制造技术的未来发展状况先进制造技术的发展可以用8个字来概括：“数”是核心，“精”是关键，“极”是焦点，“自”是条件，“集”是方法，“网”是道路，“智

20、”是前景，“绿”是必然。现分述如下： “数”是发展的核心“数”就是“数字化”。“数字化”不仅是“信息化”发展的核心，而且也是先进制造技术发展的核心。信息的“数字化”处理同“模拟化”处理相比，有着3个不可比拟的优点：信息精确，信息安全，信息容量大。数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。它包含了3大部分：以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心数字制造。对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。对制造企业而言，各种信息(如图形、数据、知识、

21、技能等等)均以数字形式，通过网络，在企业内传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真，或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户化要求。“精”是发展的关键“精”是“精密化”。它一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高，一方面是指对产品、零件的加工精度要求越来越高。显然，这两方面是一回事。有了前者，才要求有后者;有了后者，才促使前者得以发展。“精”可以说，是指加工精度及其发展，精密加工，细微加

22、工，纳米加工，如此等等。20世纪初，超精密加工的误差是10微米，30年代达1微米，50年代达0.1微米，70至80年代达0.O1微米，至今达0.001微米，即1纳米。由一组数据，可以看到微电子产品对加工精度的依赖程度，电子元件制造误差为，一般晶体管50微米，一般磁盘5微米，一般磁头磁鼓0.5微米，集成电路0.O5微米，超大型集成电路达0.005微米，而合成半导体为1纳米。在现代超精密机械中，对精度要求极高，如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;基因操作机械，其移动距离为纳米级，移动精度为0.1纳米。细微加工、纳米加工技术可达纳米以下的要求，如离子束加工可达纳米级，借助于

23、扫描隧道显微镜与原子力显微镜的加工，则可达0.1纳米。实际上，纳米级的加工就是移动原子级的加工。(STM)“极”是发展的焦点“极”就是极端条件，就是指在极端条件下工作的或者有极端要求的产品，从而也是指这类产品的制造技术有“极”的要求。在高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等等条件下工作的，或有高硬度、大弹性等等要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的。显然，这些产品都是科技前沿的产品。其中之一就是“微机电系统(MEMS)”，这是工业发达国家与有关国家所高度关注的项前沿科技。甚至可以说，“极”是前沿科技或前沿科技产品发展的一个焦点。例如，在信息领域中，分子存储器、原子存储器、量子阱光

24、电子器件、芯片加工设备;军事武器中，精确制导技术，精确打击技术，微型惯性平台，微光学设备;航空航天领域中，微型飞机，微型卫星，“纳米”卫星(0.lkg以内)。MEMS可以完成特种动作与实现特种功能，乃至可以沟通微观世界与宏观世界，其深远意义难于估量。“自”是发展的条件“自”就是自动化。它就是减轻人的劳动，强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段。显然，自动化是重要的，自动化总是伴随有关机械或工具来实现的。可以说，机械是一切技术的载体，也是自动化技术的载体。第一次工业革命，以机械化这种形式的自动化来减轻、延伸或取代人的有关体力劳动;第二次工业革命，电气化进一步促进了自动化的发展。据统计，从187

25、0年至1980年，加工过程的效率提高到20倍，即体力劳动得到了有效的解放;但管理效率只提高为1.8至2.2倍，设计效率只1.2倍，这表明脑力劳动远没有得到有效的解放。即使在美国，1984年，CAD在福特公司只占40%，通用公司34% , Chrysler也不过67%;此后，CAD发展极为迅速。今天在我国大量设计单位已“甩图板”了，CAD已十分普及了。信息化、计算机化与网络化，不但极大地解放了人的体力劳动，而且更为关键的是有效地提高了脑力劳动自动化的水平，解放了人的部分的脑力劳动。“集”是发展的方法“集”就是集成化。它一是技术的集成，一是管理的集成，一是技术与管理的集成;归根结底，其本质就是知识

26、的集成，当然亦即知识表现形式的集成。已如前述，先进制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。“集成”就是“交叉”，就是“杂交”，就是取人之长，补己之短，这是发展的一大方法。目前，“集”主要指：、现代技术的集成，机电一体化是个典型，它是高技术装备的基础，如微电子制造装备，信息化、网络化产品及配套设备，仪器、仪表、医疗、生物、环保等高技术设备。显然，在机电一体化技术中，关键往往是;a检测传感技术;b信息处理技术;c自动控制技术;d伺服传动技术;e精密机械技术;f系统总体技术，而这些技术又同许多学科有关，又是一个“集”。、加工技术的集成，特种加工技术及其装备是个典型，如增材制造(

27、即快速原型)、激光加工、高能束加工、电加工等等。、企业集成，即管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成;包括生产过程的集成、全寿命周期过程的集成;也包括企业内部的集成，企业外部的集成。当然，管理的集成不可能不包含管理与技术的集成。还有一点值得注意，即由生物技术与制造技术集成而成的“微制造的生物方法”，或所谓的“生物制造”;即依据生物是由内部生长而成“器件”，而非同一般制造技术那样由外加作用以增减材料而成“器件”。可以预期，这是一个崭新的充满着活力的领域。“网”是发展的道路“网”就是网络化。制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路，是制造业走向整体化、有序化，这同人类社会发展是同步的。制造

28、技术的网络化由两个因素决定：一是生产组织变革的需要，一是生产技术发展的可能。这是因为制造业在市场竞争中，面临多方的压力;采购成本不断提高，产品更新速度加快，市场需求不断变化，客户定单生产方式迅速发展，全球制造所带来的冲击日益加强等等;企业要避免传统生产组织所带来的一系列问题，必须在生产组织上实行某种深刻的变革。这个变革体现在两方面：一方面利用网络，在产品设计、制造与生产管理等活动乃至企业整个业务流程中充分享用有关资源，即快速调集、有机整合与高效利用有关制造资源;与此同时，这必然导致制造过程与组织的分散化网络化，企业要抛弃传统的“小而全”与“大而全”这类“夕阳技术”，而集中力量在自己最有竞争力的

29、核心业务上。在制造技术网络化中，电子商务应用值得关注。电子商务将业务数据数字化，并将数字信息使用和计算机业务处理同Internet进行集成，成为一种全新的业务操作模式。在电子商务下的网络化制造中，供应链管理、客户关系管理、产品生命周期管理共同构成了制造的增殖链。它具有两大优点：商务的直接化与透明化，这对降低成本、加决流通、提高效率、增加商业机会大有好处，从而对企业内部重组、经营战略与竞争模式有着深刻影响。“智”是发展的前景“智”就是智能化。制造技术的智能化是制造技术发展的前景。近20年来，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出某种智能，以

30、便应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，因此，智能制造越来越受到高度的重视。智能化制造模式的基础是智能制造系统，智能制造系统既是智能和技术的集成而形成的应用环境，也是智能制造模式的载体。与传统的制造相比，智能制造系统具有以下特点：人机一体化;自律能力;自组织与超柔性;学习能力与自我维护能力;在未来，具有更高级的类人思维的能力。由此出发，可以说智能制造作为一种模式，是集自动化、集成化和智能化于一身，并具有不断向纵深发展的高技术含量和高技术水平的先进制造系统，也是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。它突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算

31、机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能;当然，目前还只能算初步，但潜力极大，前景广阔。随着知识经济时代的初露端倪，知识将作为发展生产力主要的源泉，并导致以知识生产率取代劳动生产率，从而智能化制造的价值日益攀升。目前，特别是分布式数据库技术、智能代理技术和网络技术等发展，将突出知识在制造活动中的价值地位。“绿”是发展的必然“绿”就是“绿色”，“绿色”是从环境保护领域中引用来的。人类社会的发展必将走向人类社会与自然界的和谐，就是走向“天人合一”。人与人类社会本质上也是自然世

32、界的一个部分，部分不能脱离整体，更不能对抗与破环整体。老子讲的“无为”就是这个意思，即不去“为”违背客观规律之“为”。人类必须从各方面促使人与人类社会同自然界和谐一致，制造技术也不能例外。保护环境，就是保护生产力;改善环境，就是发展生产力。制造业的产品从构思开始，到设计阶段，制造阶段、销售阶段、使用与维修阶段，直到回收阶段、再制造各阶段，都必须充分计及环境保护。所谓环境保护是广义的，不仅要保护自然环境，还要保护社会环境、生产环境，还要保护生产者的身心健康。在此前提与内涵下，还必须制造出价廉、物美、供货期短、售后服务好的产品。作为“绿色”制造，产品还必须在一定程度上是艺术品，以与用户的生产、工作

33、、生活环境相适应，给人以高尚的精神享受，体现着物质文明、精神文明与环境文明的高度交融。每发展与采用一项新技术时，应站在哲学高度，慎思“塞翁得马，安知非祸”，即必须充分考虑可持续发展，计及环境文明。 现代设计技术先进制造技术（AMT）可以理解成是一个专业，也可以理解为是一个主干课程，在社会上的应用几乎遍及制造业所有角落，因AMT本身就是内容比较广泛，涉及到先进的加工技术（精密加工等）、先进的设计方法学（有限元法、逆向工程、模块化设计等）、交叉领域的技术（绿色制造、生物制造等）、先进的制造管理技术（创新管理法、现代管理方法）等等多个方面。具体例子如汽车行业的柔性制造技术和超精密加工技术，电脑等行业

34、的模块化设计技术，现代制造企业内部的“零库存”管理技术，生物行业的微电子技术和生物制造技术，能源行业的绿色制造技术等等。现代设计技术是先进制造技术的一个组成部分，是制造技术的第一个环节。根据德国工程师协会文件VDI2225 的调查分析，产品设计成本约占产品成本的5% 7%，但却决定了产品制造成本的75%- 80%。为此，世界各国都非常重视产品的设计问题。而现代设计技术在机械设计技术中的地位同样重要。机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述以人为制造依据的工作过程。机械设计是机械工

35、程的重要组成部分，是决定机械性能的最主要的因素。现代设计技术受产品功能需求和市场竞争的影响。又应用现代科学技术知识再加上设计人员的创造性思维过程。设计出可以制造的方案。并使这个可行的方案付诸于实践。现代设计技术是交叉性很强的技术具有创造性、优化性、和综合性、系统性特点。机械产品开发的现代设计技术是对传统设计技术的革新，传统设计方法中，有人工计算速度慢，产品开发周期长，设计的形象形比较差等缺点比如传统设计主要是在大量的经验数据的基础上使用直觉法、类比法设计。在现代设计技术领域将设计法提升到逻辑的。理性的高度。机械产品开发应用现代设计技术，是市场竞争的需要，可以提高产品质量，降低成本。常规设计技术

36、是以经验总结为基础，运用力学和数学形成的公式、图表、手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计，是一种直觉设计、经验设计和静态设计，它目前已经远远不能满足产品的功能和市场需求。现代设计技术是以电子计算机为手段，以网络为基础，建立在现代管理技术之上，运用工程设计的新理论和新方法，实现计算结果最优化，设计过程高效化和自动化的设计技术。它是一种定量的、动态的和科学的设计技术。现代制造技术的特点包括以下几点：（1）系统性 现代设计技术是逻辑系统的设计技术，强调用系统工程处理技术系统问题。同时考虑技术系统与外界的联系，即人- 机- 环境的大系统关系。（2）创造性 突出人的创造性，发

37、挥集体智慧，力求探寻更多突破性方案，开发创新产品。（3）社会性 现代设计技术开发新产品的整个过程，从产品的概念形成到报废处理的全生命周期的所有问题，都要以面向社会、面向市场为指导思想全面考虑解决。（4）最优化 现代设计技术重视综合集成，在性能、技术、经济、制造工艺、使用、环境等各种约束条件下，通过计算机以高效率寻求最优方案和参数。（5）动态化 现代设计技术在静态分析的基础上，考虑载荷谱、负载率等随机变量，根据概率论和统计学方法，进行动态多变量最优化设计。（6）宜人性 现代设计技术强调产品内在质量的实用性，外观质量的美观性、艺术性、时代性，在保证产品功能的前提下，要求对用户产生新颖、舒畅等精神功

38、能。（7）智能化 现代设计技术坚持“ 以人为本”的指导思想，充分发挥人的主观能动性。同时通过计算机模仿人的智能活动，从而力求设计出高智能化的产品。（8）CA 化 现代设计技术广泛使用计算机，应用各种功能强大的软件，使设计-计算- 绘图- 制造- 改进一体化，从而提高了设计的精度、稳定性和效率。现代设计技术的前景依旧乐观。这主要是由于企业要在不断变化的产品需求和激烈的市场竞争中立于不败之地，就要不断的改进设计理念，使用先进设计制造技术，提高产品质量，降低成本，提高生产率，生产出符合用户需求的高科技产品，这也是现代设计技术的发展方向。具体来说现代设计技术的发展趋势主要有：设计将从作为企业产品质量成

39、本第一的竞争策略转向企业快速响应市场的竞争策略；从满足产品功能属性向同时满足生态与环境属性发展；从需求时面向制造和经营管理发展；从传统的串行向并行工作模式、协同工作方式发展；使人们从设计过程数字化中逐步确立主动地位，激发主动创造性。21 世纪是“设计的世纪”，这是著名华裔物理学家杨振宁博士和德国哲学家沃尔冈韦尔施不约而同对设计者的提醒。世界各国都十分清楚美国人所提出的“ 为竞争的优势而设计”的口号的重要意义。面对全球化的竞争，我国要想从一个制造业大国变成制造业强国，关键是要大力发展推广先进制造技术。而作为先进制造技术的核心环节现代设计技术更要快速超前发展。为此，深入研究现代设计技术，大力发展现

40、代设计技术，是制造业在市场中立于不败之地的关键所在，也是科技工作者当前最主要的工作。第二章先进制造工艺的技术发展趋势1.采用模拟技术，优化工艺设计 成形、改性与加工是机械制造工艺的主要工序，是将原材料（主要是金属材料）制造加工成毛坯或零部件的过程。这些工艺过程特别是热加工过程是极其复杂的高温、动态、瞬时过程，其间发生一系列复杂的物理、化学、冶金变化，这些变化不仅不能直接观察，间接测试也十分困难，因而多年来，热加工工艺设计只能凭“经验”。近年来，应用计算机技术及现代测试技术形成的热加工工艺模拟及优化设计技术风靡全球，成为热加工各个学科最为热门的研究热点和跨世纪的技术前沿。 应用模拟技术，可以虚拟

41、显示材料热加工（铸造、锻压、焊接、热处理、注塑等）的工艺过程，预测工艺结果（组织性能质量），并通过不同参数比较以优化工艺设计，确保大件一次制造成功；确保成批件一次试模成功。 模拟技术同样已开始应用于机械加工、特种加工及装配过程，并已向拟实制造成形的方向发展，成为分散网络化制造、数字化制造及制造全球化的技术基础。 2.成形精度向近无余量方向发展 毛坯和零件的成形是机械制造的第一道工序。金属毛坯和零件的成形一般有铸造、锻造、冲压、焊接和轧材下料五类方法。随着毛坯精密成形工艺的发展，零件成形的型成形的形状尺寸精度正从近净成形（Near Net Shape Forming）向净成形（Net Shape

42、Forming）即近无余量成形方向发展。“毛坯”与“零件”的界限越来越小。有的毛坯成形后，已接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可装配。主要方法有多种形式的精铸、精锻、精冲、冷温挤压、精密焊接及切割。如在汽车生产中，“接近零余量的敏捷及精密冲压系统”及“智能电阻焊系统”正在研究开发中。 3. 成形质量向近无“缺陷”方向发展 毛坯和零件成形质量高低的一另一指标是缺陷的多少、大小和危害程度。由于热加工过程十分复杂，因素多变，所以很难避免缺陷的产生。近年来热加工界提出了“向近无“缺陷”方向发展”的目标，这个“缺陷”是指不致引起早期失效的临界缺陷概念。采取的主要措施有：采用先进工艺，净化熔融金属薄

43、板，增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术，优化工艺设计，实现一次成形及试模成功；加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。 4.机械加工向超精密、超高速方向发展 超精密加工技术目前已进入纳米加工时代，加工精度达0.025m，表面粗糙度达0.0045m。精切削加工技术由目前的红处波段向加工可见光波段或不可见紫外线和X射线波段趋近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工材料由金属扩大到非金属。 目前起高速切削铝合金的切削已超过1600m/min；铸铁为1500m/min；超高速切削已成为解决一些难加工材料加

44、工问题的一条途径。 5.采用新型能源及复合加工。解决新型材料的加工和表面改性难题 激光、电子束、离子束、分子束、等离子体、微波、超声波、电液、电磁、高压水射流等新型能源或能源载体的引入，形成了多咱崭新的特种加工及高密度能切割、焊接、熔炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺或复合工艺。其中以多种形式的激光加工发展最为迅速。这些新工艺不仅提高了加工效率和质量，同时还解决了超硬材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等新型材料的加工难题。 6.采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制 微电子、计算机、自动化技术与工艺设备相结合，形成了从单机到系统，从刚性到柔性，从简单到复杂等不同档次的多种自动化成形加工技术

45、，使工艺过程控制方式发生质的变化，其发展历程及趋势为： 1）应用集成电路、可编程序控制器、微机等新型控制元件、装置实现工艺设备的单机、生产线或系统的自动化控制。 2）应用新型传感、无损检测、理化检验及计算机、微电子技术，实时测量并监控工艺过程的温度、压力、形状、尺寸、位移、应力、应变、振动、声、像、电、磁及合金与气体的成分、组织结构等参数，实现在线测量、测试技术的电子化、数字化、计算机及工艺参数的闭环控制，进而实现自适应控制。 3）将计算机辅助工艺编程（CAPP）、数控、CAD/CAM、机器人、自动化搬运仓储、管理信息系统（MIS）等自动化单元技术综合用于工艺设计、加工及物流过程，形成不同档次

46、的柔性自动化系统；数控加工、加工中心（MC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造岛（FMI）、柔性制造系统（FMS）和柔性生产线（FTL），及至形成计算机集成制造系统（CIMS）和智能制造系统（IMS）。 7.采用清洁能源及原材料、实现清洁生产 机械加工过程产生大量废水、废渣、废气、噪声、振动、热辐射等，劳动条件繁重危险，已不适应当代清洁生产的要求。近年来清洁生产成为加工过程的一个新的目标，除搞好三废治理外，重在从源头抓起，杜绝污染的产生。其途径之一为：一是采用清洁能源，如用电加热代替燃煤加热锻坯，用电熔化代替焦炭冲天炉熔化铁液；二是采用清洁的工艺材料开发新的工艺方法，如在锻造生产中采用非石墨型

47、润滑材料，在砂型铸造中采用非煤粉型砂；三是采用新结构，减少设备的噪声和振动。如在铸造生产中，噪声极大的震击式造型机已被射压、静压造型机所取代。在模锻生产中，噪声大且耗能多的模锻锤，已逐渐被电液传动的曲柄热模锻压力机、高能螺旋压力机所取代。在清洁生产基础上，满足产品从设计、生产到使用乃至回收和废弃处理的整个周期都符合特定的环境要求的“绿色制造”将成为21世纪制造业的重要特征。 8.加工与设计之间的界限逐渐淡化，并趋向集成及一体化。CAD/CAM、FMS、CIMS、并行工程、快速原型等先进制造技术及哲理的出现，使加工与设计之间的界限逐渐淡化，并走向一体化。同时冷热加工之间，加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限亦趋向谈化，、消失，而集成于统一的制造系统之中。 9.工艺技术与信息技术、管理技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展 先进制造技术系统是一个由技术、人