先进制造技术课件第1章.ppt

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1、先进制造技术,教学内容安排,第一章 概述第二章 制造自动化技术第三章 先进制造工艺技术第四章 先进制造技术系统管理技术,本书共有四章节,本课程的有关说明 1.学时 本课程教材总学时40学时，课堂讲授40学时。2.特点 本门课程的特点可归纳为：新、多、杂、变几个字。新是指本课程的内容大都是近10余年发展起来的技术。多和杂是指本课程内容多而且庞杂，结构不是十分清晰。变是指随着制造技术的发展，本教材中的一些内容，甚至是概念都有可能发生变化。,第一章 概 述,1.1 制造系统的基本概念和发展 1.2 先进制造技术的发展背景 1.3 先进制造技术的概念与特点 复习思考题,1.1 制造系统的基本概念和发展

2、,1.1.1 制造系统的基本概念,包括市场分析、经营决策、产品设计、工艺设计、加工装配、质量保证、生产管理、市场营销、维修服务，以及产品报废后的回收处理等整个产品周期,原材料,产品,工艺 能源,知识 技能 工具,制造,生产车间的加工和装配过程,狭义制造,广义制造,制造过程,产品从设计、生产、使用、维修、报废、回收等的全过程、也称为产品的生命周期,制造业,将可用资源与能源通过制造过程，转化为可供人和社会利用的工业产品或生活消费品的行业。,制造系统,构成的有机整体,软件,硬件,硬件,人、生产设备、生产工具和物料传输设备、辅助装置等。,软件,生产信息、决策信息、生产方法、工艺手段和管理模式等。,目标

3、,制造资源转变成财富或产品,我国制造分类和构成,（1）制造业的地位和作用,三大产业,农林牧业,工业，服务业,工业（52%）,制造业（45%）、建筑业、采掘业以及电力、煤气、水的生产供应业,农林牧业,农业、林业、蓄禽业、水产业,服务业,商业、金融、房地产、经贸等,一个国家经济发展的支柱国民经济收入的重要来源工业经济年代经济增长的“发动机”一个国家经济强大、经济腾飞的重要基础,制造业地位,1）在发达国家中,制造业创造了约60%的社会财富、约 45%的国民经济收入。2）据统计，美国68%的社会财富来自于制造业。3）CIRP在1999年的报告中指出：在国家生产力的构成中，制造技术的作用一般占55%-6

4、5%。4）在许多国家的科技发展计划中，先进制造技术都被列为优先发展的科技。,提供人们衣、食、住、行物质消费决定全社会的长远效益和经济的持续增长国际商品贸易的保证（美国78%，日本96%，我国81%-1995年）农业基础地位的物质保障，服务业发展的重要条件信息产业发展的物质基础；农业劳动力转移和就业的重要途径为科技和教育发展提供经费支持和实验装备实现军事现代化和国家安全的保障,制造业的作用,1）人从猿进化而来,人猿分离,是由于人学会双足行走和用手制造并使用工具。2）中国的元谋人（170万年前的南方古猿）、非洲人早在160万年前即开始用火，石料开采和加工，形成了原始制造业。饮食改善促进了脑的发展。

5、200万年前的猿人 脑容量约为700毫升，100万年前的直立人脑容量约为1000毫升，50万年前增加到1200毫升，1929年发现的57万年前的北京（直立）猿人为1050毫升，而现代人的脑容量平均为1450毫升，现代人的大脑皮层褶皱面积为 1700-2200平方厘米，是黑猩猩的3倍。3）恩格斯指出：“直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。动物所做到的最多是收集,而人则从事生产。”,1.1.2 制造系统的发展,制造业创造了人类,1）用机器代替手工，从作坊形成工厂 19世纪机器在英国诞生，先后传人法国、德国和美国。2）从单件生产方式发展成大量生产方式 泰勒：以劳动分工和计件工资制为基础的

6、科学管理。福特：零件互换技术，1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术 柔性制造系统、计算机集成制造系统、网络化制造、智能制造系统、及时生产、精良生产、敏捷制造,制造业发展的历程,一、美国的教训1)上个世纪70年代,美国不重视制造业,把制造业称为“夕阳工业”,结果导致美国80年代的经济衰退。2)80年代后期，美国的一些国会议员、政府要员纷纷要求政府出面，协调和支持制造产业的发展，1991年，布什政府期间，美国白宫科学技术政策办公室发表了总数为22项的美国国家关键技术，其中制造技术占4项，标志着美国科技政策的转变。3)克林顿上台后，对制造业大

7、力支持，他把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展，使美国的经济连续8年取得了2-3%的增长率，而且还同时保持低通胀率和低失业率。这就是克林顿虽发生丑闻而未被弹劾的主要原因。,制造业发展的教训,二、日本的经验1）在上个世纪70-80年代，日本非常重视制业，特别大抓了汽车制造和微电子制造，结果日本的汽车和家用电器占领了全世界的市场，特别是大举进入了美国市场。2）日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件。1991年海湾战争结束后，日本人说美国赢得这场战争是依靠的日本的芯片，是“日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。,三、东南亚经济

8、危机的启示1）1998年爆发的东南亚经济危机，从另一个侧面反映了一个国家发展制造业的重要。一个国家，如果把经济的基础放在股票、旅游、金融、房地产、服务业上，而无自己的制造业，这个国家的经济就容易形成泡沫经济，一有风吹草动就会产生经济危机。2）新加坡、台湾都有自己的制造业，因此受经济危机的影响小一些。,四、瑞士依靠什么使人均产值居世界第一？1）瑞士是一个仅700万人口的小国，但瑞士的制造业十分发达，瑞士的精密机械产品的出口量是我国的8倍，瑞士的手表世界第一，连小小的军刀，也风靡全世界。2）现在瑞士的年人均国民生产总值达到4.3万美元以上,居世界第一。,1.1.3 21世纪的企业特征,1、快速响应

9、市场竞争的挑战实现制造环节并行2、全球化竞争的挑战技术资源的集成 有三个主要的因素促使技术资源的集成：（1）为满足市场需求，企业必须快速响应那些具有不 同期望和多种选择的顾客。（2）快速响应环境要求在组织的各个层次上进行高效 的通信，特别是与顾客、供应者和合作者的通信。（3）新技术的快速吸收要求整个企业具有快速的学 习能力。,3、信息时代的挑战信息向知识的转变4、环境保护压力的挑战可持续发展5、制造全球化和贸易自由化的挑战可重组工程6、技术创新的挑战全新制造工艺及产品的开发 2020年，技术创新的单元将在以下诸方面发巨大的能力：（制造单元工艺）1）多单元工艺技术集成为单一工艺将显著减少投资、检

10、验时间、搬运和加工时间。2）全部可编程、不需要硬工装的工艺，将使产品的 制造、迅速转产成为可能。,个性化和多样化 产品制造智能化 包括产品自身智能和生产定制化、模块化，满足不同消费者喜好寿命周期不断缩短 摩尔定律-芯片性能每18个月提高1倍，价格却保持不变智能化 包括产品自身智能和生产设施工具的智能绿色产品 全寿命周期无污染、低资源消耗和可回收利用,21世纪制造业的产品特征,1.2 先进制造技术的提出和进展 1.2.1 制造技术的进步和发展,手工机械化单机自动化刚性自动化柔性自动化智能自动化,制造业生产方式,制造业资源配置,劳动密集设备密集信息密集知识密集,制造技术,小批量少品种大批量多品种变

11、批量,制造技术的发展阶段,工场式生产时期-18世纪后半叶，完成手工作坊到以分 工原则的工厂生产的转变工业化规模生产时期-19世纪，实现了批量工业化规范 生产刚性自动化发展时期-20世纪初，以大批量生产为模式 的刚性自动化柔性自动化发展时期-二战之后，多品种小批量柔性自 动化生产模式，包括NC、CNC、FMC、FMS等。综合自动化发展时期-自80年代,CAD/CAM/CAP/CAE/CAT；MRP,MRP,ERP,TQM；DNC,CNC,FMC/FMS,ROBOT；CIMS,CE,LP,1.2.2 先进制造技术产生背景1）社会经济发展背景消费需求：主题化、个性化和多样化，产品寿命周期缩短全球性产

12、业结构调整：制造商之间既有激烈竞争，又有基于实力的合作。快速响应市场：满足已有和潜在顾客需求，主动适应市场，引导市场，是赢得竞争，获取最大利润的关键,3)可持续发展战略 资源匮泛，污染严重 环境问题不能以牺牲今后几代人的利益为代价 由粗放经营、掠夺式开发向集约型、可持续发展转变,2)科学技术发展背景 制造技术在向宏观(制造系统)和微观(超精密加工)两个方向发展 现代制造业成为技术密集、知识密集型产业 信息成为制造业决定性因素，Intranet/Internet对制造业产生重大影响,先进制造技术计划：1994年预算14亿美元，围绕“智能制造系统”、“集成工具”、“基础设施建设”三个重点领域开展研

13、究；制造技术中心计划：在一个地区设立一个制造技术中心，建立技术拥有者与需要者之间的桥梁，为中小企业展示新制造技术和装备、组织培训、帮助企业了解和选用最新技术和装备。,美 国,1.2.3 各国先进制造技术的发展,1990年提出了智能制造计划，由美国、欧共体、加拿大、澳大利亚等国参加，投资10亿美元实施智能制造计划目的：通过国际共同研究，使制造业在接受订货、开发、设计、生产、物流直至经营管理的全过程中，做到生产设备自律化生产设备自律化：能够根据环境变化自主判断并及时决策变更作业过程,日 本,尤里卡计划（EREKA）：1988年用5亿美元资助16个欧洲国家、600家公司的165个合作性高科技研究开发

14、项目。欧洲信息技术研究发展战略计划（ESPRIT）：在13个成员国向5500名研究人员提供了资助，明确设计原理、工厂自动化、生产过程管理三大课题。欧洲工业技术基础研究计划（BRITE）：重点资助材料、制造加工、设计以及工厂系统运作方式等研究。,欧 共 体,1.3 先进制造技术的定义先进制造技术是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、能源、材料以及现代管理技术等方面的成果，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，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力并取得理想经济效果的制造

15、技术总称。,AT这一全新概念的提出，立即受到世界各国政府、企业界和学术界的高度重视，并将其称之为面向21世纪的技术。因为先进制造技术的主要特征是强调实用性，它以提高企业综合经济效益为目的，所以被认为是提高制造业竞争能力的主要手段，对促进整个国民经济的发展有着不可估量的影响。,1.3 先进制造技术的特点,（1）先进制造技术不是一成不变的，而是个动态技术。它是一个相对的、动态的概念，是为了适应时代要求，提高竞争能力，对制造技术不断优化所形成的。它要不断吸收各种高新技术成果（机械、电子、计算机与通信、控制理论、人工智能等、能源及现代系统管理），将其渗透到产品的设计、制造、生产管理及市场营销的所有领域

16、及其全部过程，并且实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。,（2）.先进制造技术是面向新世纪的技术系统，它的目的很明确，即提高制造业的综合效益（包括经济效益、社会效益和环境生态效益），赢得激烈的国际市场竞争。（3）.先进制造技术并不抛弃传统技术，而是不断用科技新手段去研究它，并运用科技新成果去改造它，充实它。特别是利用先进技术研究传统工艺的成形原理，建立数学模型，并利用优化设计技术进行传统工艺方法的优化。,1.3 先进制造技术的特点,1.3 先进制造技术的特点,（4）.先进制造技术并不仅限于制造过程本身，它涉及到产品从市场调研、产品设计、工艺设计、加工制造、售后售前服务等产品寿命周期的所有内容

17、，并将它们结合成一个有机的整体。（5）.先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术和现代系统管理技术，在产品设计、制造和生产组织管理等方面的应用。（6）.先进制造技术特别强调人的主体作用，强调人、技术、管理三者的有机结合。,（7）.先进制造技术不是一项具体技术，它是利用系统工程技术将各种相关技术集成的一个有机整体。（8）.先进制造技术特别强调环境保护，既要求其产品是所谓的“绿色商品”，又要求产品的生产过程是环保型的。,1.3 先进制造技术的特点,3.先进制造技术特点的具体体现（1）.高效率在提高生产效率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方向。近些年来，计算机数控（CNC）、计算机辅助设计与制造

18、（CADCAM）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）发展非常迅速。各种新理论层出不穷，如敏捷制造、快速原型制造、并行工程、及时生产、虚拟制造，集成相关信息和资源，其本质均是实现高效率、自动化生产的思想。就应用于实践的CNC、FNC、FMS来看，已有力地显示出其有柔性化、自动化、资源共享和高效率的强大生命力。,2、高精度 在提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这出是世界各主要工业发达国家致力发展的方向。例如，超大规模集成电路、导弹火控系统、惯导陀螺、精密仪器、精密雷达、精密机床等都需要采用超精密加工技术。众所周知，在飞机、潜艇等军事设施中使用的精密陀螺、复印机的磁鼓、大

19、型天文望远镜以及大规模集成电路的硅片等高新技术产品都需要超精密加工技术的支持。精密加工是指加工精度在0.1-1m之间，表面粗糙度Ra在0.1m以下的加工方法；而加工精度控制在0.1m以下，表面粗糙度Ra在0.02m以下的加工方法则称为超精密加工。,3、多样化 随着难加工材料（高强度、高韧性、高脆性、耐高温及磁性材料）及精密、细小、形状复杂的零件需求迅速啬，与此相适应的制造技术出日新月异并多样化。许多产品要求具备很高的强度重量比；有些产品在精度、工作速度、功率及小型化方面要求很高；有些产品则要求在高温、高压和腐蚀环境中能可靠地进行工作。为了适应上述要求，新结构、新材料和复杂形状的精密零件不断出现

20、，其结构形状愈来愈复杂，材料韧性愈来愈强，零件精度愈来愈高。这些需求使激光加工、电子束和离子束加工等新方法应运而生，并得到迅速发展,4、综合化 当前，制造技术正沿着综合化方向发展。例如，在切削区引入声、光、电、磁等能量之后，可以形成超声振动切削、激光辅助切削、带电切削、磁化切削等组合化特种切削工艺。对最基本的切削工艺加以复合，可以组成诸如电化学与机械加工的复合、电火花与机械加工复合、电化学与超声波加工复合、电化学与电火花加工复合等。不同的特种工艺出可能相互复合。复合工艺的特点在于发挥各自的优势，不仅提高了质量，而且提高了工效，并求得加工能力和经济效益的统一。大力研究和应用特种工艺，尤其是复合工

21、艺，对于航空、航天、精密仪器材料加工难度越来越大，零件形状越来越复杂，质量要求越来越高的待业有着十分重要的意义。,1.3 先进制造技术的构成 先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有着不同的技术内涵。1994年美国联邦科学、工程和技术协调委员会将先进制造技术分为三个技术群：主体技术群；支撑技术群；管理技术群。这三个技术群相互联系、相互促进，组成一个完整的体系。表1-1给出了先进制造技术的体系结构。,表1-1 先进制造技术体系结构,国内学者对先进制造技术的划分,现代制造工程设计技术群现代制造系统管理技术群物料处理和设备技术群支撑技术群,现代设计技术:现代设计方法、产品可信性设

22、计、设计自动化技术先进制造工艺:高效精密成形技术、高效高精度切削加工工艺、现代特种加工工艺、现代表面工程技术。加工自动化技术:数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术现代生产管理技术:MRPIIERPPDMJIM先进制造生产模式:CIM、CE、AM、IM、LP,先进制造技术的分类,本章小结介绍了制造、制造系统与制造业基本概念，阐述了制造业在国民经济中作用地位，分析了制造业在新世纪所面临的6大机遇与挑战以及市场特征；制造技术从18世纪至今经历了5个发展时期。20世纪80年代末，在市场激烈竞争背景下首先由美国提出了先进制造技术策略，迅速得到各工业国家的响应。先进制造技术与传统制造技术比较具有系统性、广泛性、集成性、动态性、实用性特征。先进制造技术被分为：现代设计技术、先进制造工艺、工自动化技术、现代生产管理技术、先进制造生产模式。,