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第1章绪论一．本课程研究对象：应用系统的观点和理论方法对制造系统进行综合性的研究。先进制造技术是集制造技术、电子技术、信息技术、自动化技术、能源技术、材料科学及现代管理技术等多技术的交叉、融合、渗透而发展起来的。二．先进制造技术的定义：先进制造技术是制造与其他学科交叉、融合、渗透而形成的一门技术学科。可以通过对其内涵和特征的理解，给出定义：“先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，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的制造技术的总称”。先进制造技术概念的出现,适应了时代要求，它是一个相对的、动态的概念。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，有不同的技术内涵和构成，对我国而言，它是一个多层次的技术群。三．加工、制造、生产的概念加工：零件的形成过程。machining制造：产品的形成过程。manufacturing生产：包括商务在内的全过程。制造和生产的概念已经很模糊了。Production四．先进制造技术的基本问题1．加工工序的最佳化加工工序的最佳化是一个优化过程，包括选定优化准则，确定目标函数，找出约束条件，求最优解。优化准则包括1）最高生产率准则,2）最低成本准则,3）最大利润率准则。约束条件包括1）刀具使用寿命约束,2）主电机功率结束,3）进给电机转矩约束,4）机床进给范约束,5）表面精糙度约束。2．工艺过程最佳化同一零件的工艺过程可能有多种，根据最高生产率或最低成本原则可从中优化一个最优的方案。其实质是一个决策过程，其方法有动态规划法（属线性规划）和智能化方法（如CAPP专家系统等）。3．企业运行最优化（生产系统运行最佳化）随着市场的发展变化，制造业全球化的趋势更加明显，要求企业具有极强的市场适应性，要快速反应。在竞争中求得最大经济效益和社会效益。方法和模式很多，如敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）、虚拟制造（VM）和智能制造系统（IMS）等。五．先进制造技术的特点1．先进性。作为制造技术的基础——制造工艺，必须是经过优化的先进工艺，先进制造技术的核心和基础必须是优质、高效、低耗、清洁工艺，它从传统制造工艺发展起来，并与新技术实现了局部或系统集成。2．广泛性。先进制造技术不是单独分割在制造过程的某一环节，而是将其综合运用于制造的全过程，它覆盖了产品设计、生产设备、加工制造、销售使用、维修服务，甚至回收再生的整个过程。3．实用性。先进制造技术的发展是针对某一“具体的制造目标(如汽车制造、电子工业)的需求，而发展起来的先进、适用技术，有明确的需求导向；先进制造技术不是以追求技术的高新度为目的，而是注重产生最好的实践效果，以提高企业竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。4．系统性。随着微电子、信息技术的引入，先进制造技术能驾驭信息生成、传递、反馈、调整的信息流动过程。先进制造技术是可以驾驭生产过程的物质流、和信息流的系统工程。5．集成性。先进制造技术由于专业、学科间的不断渗透、交叉、融合，技术趋于系统化、集成化，己发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新兴交叉学科，因此有人称其为“制造工程”。6．动态性。先进制造技术不是一成不变的，而是一门动态技术。它要不断地吸收各种高新技术，将其渗透到企业生产的所有领域和产品寿命循环的全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。同时反映在不同时期和不同的国家地区，先进制造技术就有其自身不同的特点、目标和内容等。7．技术与管理的更紧密结合。对市场变化作出更敏捷的反应及对最佳技术经济效益的追求，使先进制造技术十分重视生产过程组织管理体制的合理化和最佳化，它是技术与管理、自然科学与社会科学紧密结合的产物。8．先进制造技术是面向21世纪的技术系统，其目的是提高制造业的综合经济效益，适应激烈的市场竞争。六．先进制造技术的发展趋势1．企业生产方式面临重大变革随着需求的个性化及制造的全球化、信息化，改变了制造业的传统观念和生产组织方式。精益生产、敏捷制造、智能制造、虚拟制造、分散网络化制造系统等新的生产方式不断出现。其特点是：①以技术为中心向以人为中心转变；②以金字培式的多层次生产管理结构向扁平的网络结构转变；②从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变；④从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变；⑥快速响应市场的竞争策略是制胜的法宝。2．绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征日趋严格的环境与资源的约束，使绿色制造越来越重要。中国的资源、环境问题尤为突出，制造业不仅要解决生产过程的污染和资源浪费问题，更重要的是要为社会提供在全寿命周期内没有污染、节约资源的产品。主要技术包括：（1）绿色设计技术。在产品设计阶段就考虑在其生命周期全过程的无污染、资源低耗和回收。（2）拆卸回收技术。（3）生态工厂的循环制造技术。(4)环保管理标准。3．设计技术不断现代化产品设计是制造业的灵魂。现代设计技术的主要发展趋势是：(1)设计方法和手段的现代化，它突出反映在数值仿真或虚拟现实技术的发展，现代产品建模理论的发展等。(2)新的设计思想和方法不断出现。如并行设计，面向“x”的设计DFx(DesignForx)，健壮设计，优化设计，反求工程技术等。(3)由简单的、具体的、细节的设计转向复杂的总体设计和决策，要通盘考虑包括设计、制造、检测、销售、使用、维修、报废等阶段的产品的整个生命周期。(4)从单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素。设计不是单纯追求某项性能指标的先进和高低，而注意考虑市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。4．成形制造技术向精密成形或净成形的方向发展展望21世纪，成形制造技术正在从制造工件的毛坯、从接近零件形状向直接制成工件即精密成形或称净成形的方向发展。主要技术包括，(1)精密铸造技术。(2)精密塑性成形技术。(3)精密连接技术。5．加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展(1)超精密加工技术。目前世界己进入纳米级加工的时代。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。(2)超高速切削。目前超高速切削的发展已从金属材料转移到一些难加工材料的切削加工上。(3)新一代制造装备的发展。市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发，其中典型的例子是“并联式结构数控机床”的发展。它突破了传统机床结构方案，采用通过六个轴长短的变化以实现刀具相对于工件的位姿的变化。6．新型加工方法以及复合工艺不断发展(1)激光、电子束、离子束、分子束、等离子体、微波、超声波、电液、电磁、高压水束流等新能源或能源载体的引入，形成了多种崭新的特种加工及高密度能束切割、焊接、熔炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺。其中以多种形式的激光加工发展最为迅速。(2)超硬材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶微晶合金、功能材料等新型材料的应用，扩展了加工对象，导致某些崭新加工技术的产生，如：超塑成形、等温锻造、扩散焊接及其复合工艺(超塑成形／扩散连接)；加工陶瓷材料的热等静压、粉浆决注、注射成形；超硬材料的高能束加工；高分子材料、复合材料的水束流切割等。7．虚拟技术将广泛应用虚拟制造技术是以计算机支持的仿真技术为前提，形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品。主要包括：(1)虚拟设计。(2)虚拟制造。(3)虚拟研究开发中心。将异地联系起来，进行异地开发、网上讨论。(4)虚拟企业。为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，使产品制造得到一个不同公司临时组建成的没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作组织实体。8．技术创新将成为21世纪企业竞争的焦点随着市场的动态多变性，迫使企业必须及时调整经营策略。美国制造业的经营策略变化历程如下：60年代——规模效益第一：70年代——价格第一；80年代——质量第一；90年代——市场响应速度第一；预计21世纪将是技术创新第一。第一章习题:1.如何理解先进制造技术的定义?2.什么是加工\制造\生产?3.简述先进制造技术的基本问题是什么?4.了解先进制造技术的发展趋势.第2章制造自动化技术NC2.1引言制造自动化是人类在长期的生产活动中不断追求的主要目标，制造自动化技术是先进制造技术中的重要组成部分，也是当今制造工程领域中涉及面广、研究十分活跃的技术。制造自动化是在“大制造概念”的制造过程的所有环节采用自动化技术，实现制造全过程的自动化。制造自动化的任务就是研究对制造过程的规划、管理、组织、控制与协调优化等的自动化，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时和洁净的日标。制造自动化技术的发展历程有如下几个阶段：第一阶段：刚性自动化，包括自动单机和刚性自动线。本阶段在20世纪40—50年代已相当成熟。应用传统的机械设计与制造工艺方法，采用专用机床和组合机床、自动单机或自动化生产线进行大批量生产。其特征是高生产率和刚性结构第二阶段：数控加工，包括数控(NC)和计算机数控(CNC)。数控加工设备包括数控机床、加工中心等。第三阶段：柔性制造。本阶段特征是强调制造过程的柔性和高效率，适应于多品种、中小批量的生产。第四阶段：计算机集成制造(CIM)。其特征是强调制造全过程的系统性和集成性，以解决现代企业生存与竞争的TQCS问题。第五阶段：新的制造自动化模式，如智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造、绿色制造等。2.2数控加工技术数字控制（NumericalControl）是用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种技术，简称数控（NC）。在机械制造工业中谈及的数控技术，一般指数控机床的加工。数控机床就是采用数控技术装备了控制系统的机床。一、机床数控系统1．机床数控系统的组成CNC（ComputerNumericalControl）系统是由数控程序、输入输出设备、计算机数控装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动和伺服驱动装置等组成，其核心是CNC装置。图2-1为CNC系统的结构框图。2．机床数控系统的硬件结构单CPUCNC多CPUCNC基于PC机的CNC3．机床数控系统的软件组成CNC由软件实现部分或全部数控功能。其软件组成如图2-2所示。零件程序的输入输出管理软件显示诊断系统软件—译码刀具补偿控制软件—速度控制插补运算位置控制图2-2CNC装置软件的组成4．开放式数控系统PC机+专用数控模板PC机+运动控制卡二．数控加工编程技术1．数控加工编程一般步骤（手工编程）工艺处理；数值计算；编制零件加工程序单；输入数控程序；程序校验。2．手工编程手工编程使用一般的计算工具以各种数学方法人工进行运算和编制指令，速度慢。手工编程方法比较简单，容易掌握，适应性较大，但手续比较繁琐，需要特别细心，否则易于出错。适合于简单及中等复杂程度，计算量不大的数控编程。3．计算机辅助编程（自动编程）计算机辅助数控编程有两方式：数控语言自动编程、CAD/CAM系统数控编程。（1）数控语言自动编程。为实现自动编程，数控自动编程语言和数控程序系统是两个重要的组成部分。如图：数控语言数控程序系统接口零件图形零件图样定和工工艺艺过参程数零件源程序源程序介质电子计算机零件加工程序单数控介质修改ATP语言是一种典型的数控编程语言。APT(AutomaticallyProgrammedTools)是50年代中期由美国麻省理工学院研究开发的数控自动编程系统。目前使用的APT系统有APTⅡ、APTⅢ、APTⅣ。其中APTⅡ适用于曲线自动编程，APTⅢ适用于3～5坐标立体曲面自动编程，APTⅣ适用于自由曲面自动编程。经过数控程序系统处理后输出的程序就是控制数控机床的零件加工程序。（2）CAD/CAM系统数控编程。它直接利用CAD造型所生成的三维几何实体，采用人机交互的，指定被加工的部位，输入切削参数和刀具参数，最后由系统自动进行刀具轨迹的计算和处理