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先进制造技术孙燕华著电子工业出版社北京·BEIJING全国高职高专规划教材·精品与示范系列第一章绪论第一节先进制造技术及其主要特点第二节先进制造技术的构成及分类第三节先进制造技术的应用及发展趋势第一节先进制造技术及其主要特点1.1概念制造（Manufacturing):是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。狭义：为机电产品的机械加工工艺过程广义：国际生产工程学会1990年：制造是涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。1、制造的概念•制造技术（ManufacturingTechnology)按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物资工具，将原材料物化为人类所需产品的工程技术。即：使原材料成为产品而使用的一系列技术的总称•制造过程产品从设计、生产、使用、维修、报废、回收等的全过程，也称为产品生命周期。•制造业将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、信息、人力等）利用制造技术，通过制造过程，转化为供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业。1、制造的概念1.2制造系统制造系统是制造业的基本组成实体。结构：是制造过程所涉及的硬件（物料、设备、工具、能源等）、软件（制造理论、工艺、信息等）、人员所组成的具有特定功能的有机整体。功能：输入制造系统的资源（原材料、能源、信息、人力...）通过制造过程输出产品过程：制造生产的运行过程，包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售、售后服务、报废、回收、再利用等。1、制造的概念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……制造业发展的历程工业由制造业、采掘业以及电力、燃气、和水的生产供应业构成，制造指第二产业中除采掘业、电力、燃气及其生产和供应业、建筑业以外的所有行业。工业的概念先进制造技术定义制造业不断吸收机械、电子、信息、能源及现代系统管理等方面的成果，并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，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力并取得理想经济效果的制造技术总称。三、先进制造技术的特点系统性集成性广泛性高精度实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产第二节先进制造技术的构成及分类先进制造技术的构成（我国）现代制造技术体系结构（美国）二、先进制造技术的分类现代设计技术先进制造工艺自动化技术系统管理技术现代设计技术现代设计方法设计自动化技术工业设计技术先进制造工艺精密和超精密加工技术精密成型技术特种加工技术表面改性、制膜和涂层技术自动化技术数控技术工业机器人技术柔性制造技术计算机集成制造技术传感技术自动检测及信号识别技术过程设备工况监测与控制技术等系统管理技术工程管理质量管理管理信息系统现代制造模式（如精益生产、CIMS、敏捷制造、智能制造等）集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。先进制造技术的特点产品开发周期短、上市时间快；提高市场竞争力；柔性化（快速重组）；质量保证；组织形式：跨地区、跨国家的虚拟公司、动态联盟；生产过程精良；人员素质提高；智能化；环保；分布、并行、集成并存。先进制造领域的关键技术集成化技术；智能化技术；网络技术；分布式并行处理技术；多学科、多功能综合产品开发技术；虚拟现实技术；人——机——环境系统技术。第三节先进制造技术的现状及发展趋势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、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。发展现状世界制造业的现状：先进制造技术是工业发达国家的国家级关键技术和优先发展领域国别/地区科技计划美国先进制造技术计划关键技术(制造)计划敏捷制造使能技术计划日本智能制造技术国际合作计划欧共体尤里卡计划信息技术研究发展战略计划德国制造2000年计划韩国高级先进技术国家计划(G-7)世界制造业的现状：数控NC计算机数控CNC直接数控DNC柔性制造单元FMC柔性制造系统FMS计算机辅助设计与制造CAD/CAM世界制造业的现状：计算机集成制造系统CIMS准时JIT生产制造资源规划MRPⅡ精良生产LP敏捷制造AM许多高技术我国尚未掌握，许多重大装备我国不能自主制造，缺乏自主创新能力是制造大国，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%我国制造业现状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我国机械工业发展目标2000年，制造技术水平总体上达到工业先进国家80年代末90年代初的水平。优质、高效、低耗、少或无污染的现代制造技术普及率，由目前的不足10%提高到2000年20%，2010年提高到50%。形成一批高科技产业：★四个加工产业——精密成型加工、精密加工、激光加工、表面处理加工；★三个自动化硬件产业——数控系统、工业机器人、传感器和测试设备；★三个软件产业——CAD、CAM、MIS。先进制造技术的发展趋势精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化发展趋势（1）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”发展趋势（2）“精”是发展的关键“极”是发展的焦点“文”是发展的新义“绿”是发展的必然“快”是发展的动力“省”是发展的原则“效”是发展的追求“数”是发展的核心“自”是发展的条件“集”是发展的方法“网”是发展的道路“智”是发展的前景制造产品：制造过程：制造方法：“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，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”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：封装运动＞12g高可靠性：芯片千小时失效率＜1/109发展趋势——制造产品：“精”“极”“文”超精密加工20世纪初：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”“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（Micro-Electro-Mechanical_System)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”关于微电子芯片制造1.巨大的投资建一座生产1000兆位存储器的芯片制造厂，需要投资150亿美元2.当前的芯片制造设备（1）超净：尘埃颗粒直径0.1微米颗粒数0.1个/立方英尺空气（2）超纯：有害杂质含量达到ppb（十亿分之一）（3）超精加工：钠米级我国的“龙芯”。日本日立公司（2006）报导：集成电路小如尘粒：长、宽150μm，厚7.5μm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年世界最小的电动机——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2005年超大容量纳米级信息存储材料2006年世界最小的发电机——纳米发电机发展趋势——制造产品：“精”“极”“文”“文”是发展的新义——人文化工业产品，“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——制造产品：“精”“极”“文”“绿”是发展的必然——绿色“天人合一”与“无为”；“保护环境，就是保护生产力；改善环境，就是发展生产力”——江泽民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、节俭制造过程的优化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——制造过程：“绿”“快”“省”“效”“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”1870-1980：加工过程效率20倍管理效率1.8-2.2倍设计效率1.2倍CAX技术——脑力劳动自动化。制造业中NC的重大基础作用。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”CIMS，从实际情况与发展前景来看，整个产品的生产确系一个计算机集成生产系统，而且与网络化不可分割。发展趋势——制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”传感技术信号处理技术控制技术随动技术精密机械技术系统集成技术发展趋势——制造方法：“数”“自”“集”“网”“智”机电一体化“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”“知识经济”的本质是“智力经济”本世纪核心学科发展的趋势：从信息科学到生命科学（21世纪中叶）转向认知科学（21世纪70年代）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、