先进制造技术1141

第一章先进制造技术概论制造（manufacturing）是利用制造资源（设计方法、工艺、设备和人力等）将材料“转变”为有用物品的过程。当今，人们对制造的概念又加以扩充，将体系管理和服务等也纳入其中。制造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。制造业是指以制造技术为主导技术进行产品制造的行业。制造业已成为国家经济和综合国力的基础，成为社会财富的主要创造者和国民经济收入的重要来源，它为国民经济各部门，包括国防和科学技术的进步及发展提供先进的手段和装备。制造业的发达与先进程度是国家工业化的表征。1.1先进制造技术概论先进制造技术概论制造技术（ManufacturingTechnology）现代的制造技术不仅重视工艺方法和设备，还要强调设计方法、生产组织模式、制造与环境和谐统一、制造的可持续性及制造技术与其他科学技术的交叉和融合。先进制造技术之概念在20世纪80年代来被提出来，比较被人们接受的定义是：“先进制造技术是以人为主体，以计算机为重要工具，不断吸收机械、光学、电子、信息（计算机和通信、控制理论、人工智能等）、材料、环保、生物以及现代系统管理等最新科技成果，涵盖产品生产的整个生命周期的各个环节的先进工程技术的总称”，它以提高对动态多变的产品市场的适应能力为中心，以实现优质、灵活、高效、清洁生产和提供优质、快捷服务，取得理想经济效益为目标。制造业是国家的战略性产业高度发达的制造业，是实现工业化的必备条件高度发达的制造业，是衡量国家国际竞争力的重要标志高度发达的制造业，是决定国家在经济全球化进程中国际分工地位的关键因素1.2战略意义物质财富是人类社会生存和发展的基础，制造是人类创造物质财富最基本、最重要的手段2001年，制造业对国民经济的贡献直接创造国民生产总值的1/3占整个工业生产的4/5为国家财政提供1/3以上的收入对出口总额的贡献率90%战略意义（续一）战略意义（续二）制造业是全面建设小康社会第一位的支柱产业2001年制造业占中国社会经济活动门类的比例大类的33%中类的46%小类的64%全部就业人数的11.1%工业就业人数的90.5%2001年制造业就业人数所占的比例工业税收的78.93%总税收的28.74%2001年全国制造业的税收01020平均GDP增长制造业增长平均GDP增长率工业增加值年均增长率制造业增加值年均增长率7.8%11.9%17.6%1953至1998年战略意义（续三）制造业是国家高技术产业的基础和载体宇航生物工程微电子光电子信息技术核技术空间技术制造业战略意义（续四）制造业是国家安全的重要保障现代武器装备是先进制造技术的载体；尖端制造技术和装备一直是西方国家技术封锁和限制的重点；保证就业率稳定，缓解就业压力，保障社会稳定。集成电路成本占总成本的比例军舰22%战车24%飞机33%导弹45%航天器66%1.3发展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)发展现状（续一）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%“”是发展的核心“”是发展的关键“”是发展的焦点“”是发展的条件“”是发展的道路“”是发展的方法“”是发展的前景“”是发展的必然数精极自网集智绿1.4先进制造技术发展趋势先进制造技术发展趋势（续一）“数”是发展的核心——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、数字化制造以及贯穿始终的“虚拟”技术；数字制造技术是先进制造技术发展的核心。先进制造技术发展趋势（续二)“精”是发展的关键——精密化加工精度精密化人造卫星的仪表轴承，其圆度、园柱度、表面粗糙度等均达纳米级；加工尺度细微化基因操作机械，其移动距离为纳米级；控制要求纳米化先进制造技术发展趋势（续三）“极”是发展的焦点——极端、极限高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀条件；有高硬度、大弹性等要求；在几何形体上极大、极小、极厚、极薄、极复杂；MEMS技术和产品是典型极端、极限技术和产品。先进制造技术发展趋势（续四）“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的技术或手段。自动化是先进制造技术发展的前提条件；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。先进制造技术发展趋势（续五）“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，企业信息化又是、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。先进制造技术发展趋势（续六）“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”。先进制造技术发展趋势（续七）“智”是发展的前景——智能化智能——企业、制造系统、制造单元（装备）适应环境变化的能力、海量信息和不完整信息处理能力、主动地协调和协同能力；柔性化——企业组织结构扁平化，组织体系开放性、可伸缩性，管理控制方式分布化，生产资源、过程可重构；敏捷化——使制造企业（组织）具有对动态快速多变、不可预测的市场变化的应变能力；运作的柔性、响应的快速性和结构的可重组性是现代企业智能化运行的典型特征。先进制造技术发展趋势(续八）“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。1.5先进制造技术（AMT）的特征客户化生产：产品的质量、价格、服务与交货期成为市场制约的要素；快速重组：制造、信息、管理等学科的交叉与融合；智能化、精密化、集成化、并行式、分布式的潮流；“虚拟现实”技术的应用；先进制造技术（AMT）的特征(续）不摒弃传统技术，利用先进技术研究传统工艺的成形原理，建立数学模型，并利用优化设计进行传统工艺方法的优化。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。节能、环保的重视；既竞争，更合作，网络化，全球化；以人为本。1.6先进制造技术的体系结构先进制造技术可以概括为以下四个方面：先进制造技术的基础理论现代设计理论和方法成形加工制造自动化第二章2.1概述现代制造系统生产模式中的管理技术具有如下特点：重视人的作用重视发挥计算机的作用强调柔性化生产重视信息的集成强调技术、组织与管理的集成与配套强调以顾客为中心现代制造系统管理是以计算机为手段，以用户为上帝，调动企业的一切积极因素，实现柔性化生产，提高企业的市场竞争能力，取得尽可能高的经济效益。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)合理化工程(重组、标准化)业务过程重组BPR(重组)TQCSFE传统的组织结构面向功能的组织结构销售部门制造部门技术部门现代的组织结构面向过程的组织结构Teamwork发展方向1.产品结构先进、实用、高速、轻小、节能、环保型2.生产模式多品种、小批量、柔性化、生产周期短3.生产过程高速、精密、自动化、节能环保和少切削无切削先进制造技术目标1.产品功能适用(Function)2.交货期限短(TimetoMarket)3.质量好(Quality)4.价格低(Cost)5.服务优良(Service)2.2成组技术GT2.2.1成组技术的基本原理成组技术(GroupTechnology)是运用统计学的方法来统计事物的某些特征属性的出现率，从总体上定量地描述事物间客观存在的相似性，这一统计学中相似性原理是成组技术的基础。在制造业中成组技术正是充分发掘和利用生产活动中有关事物的相似性。在机械加工方面，将多种零件按其结构和工艺的相似性分类，以形成若干个零件组。这样就可将同一族零件中各分散的小生产量汇集成为大的成组生产量，从而可以使小批量获得接近大批大量的管理方式和经济效率。我国机械工业部于1984年颁布了JLBM-1零件编码系统，推动成组技术在我国开发应用。JLBM-1系统的结构是参照德国OPITZ系统而编制的(如下图2-1所示)JLBM-1系统的基本结构（图2-1）JLBM-1分类编码系统的分类编码结果721200302050753名称类别粗分：非回转体、板块类名称类别细分：支承板外部类别细分：由直线与曲线组成轮廓主要尺寸（宽度）：B160～440mm外部平面加工：侧平行平面外部曲面加工：无外部形状要素：无主孔加工：无螺纹、多轴线孔内部加工：无辅助加工：其它材料：灰铸铁毛坯原始形状：铸件热处理：无精度：内孔与平面主要尺寸（长度）：L250～500mm(a)非回转体类零件（表2-1）(b)回转体类零件名称类别粗分：回转体类、轮盘类名称类别细分：法兰盘外部基本形状：单向台阶外部功能要素：无内部基本形状：双向台阶通孔内部功能要素：有环槽外平面与端面：单一平面内平面：无轴线孔：均布轴向孔材料：普通钢毛坯原始形状：锻件热处理：无主要尺寸（直径）：D160~400mm主要尺寸（长度）：L50~120mm精度：内外圆与平面021051101260513（表2-2）(1)在设计方面用成组技术来指导设计，赋予各类零件更大的相似性，为实施成组技术奠定了良好的基础。以成组技术为指导的设计，其合理化和标准化将为实现计算机辅助设计(CAD)奠定良好的基础，并为设计信息的重复使用、加快设计速度、节约时间作出贡献。(2)在制造方面将加工方法、安装方式和机床调整相近似的零件归类成族，设计出这一族的零件的工序，称作成组工序。可使同属一族的零件采用同一种设备和同一种工艺装备来进行加工。这样不仅可以充分应用相同设备和成组工序的公用夹具(成组夹具)，还可以减少机床和夹具的调整时间。2.2.2成组技术的应用（3）生产组织管理方面由于成组技术是按零件工艺相似性分类成族。有利于按模块化原理组织成组生产单元的组织形式。在同一生产单元内可由一组工人操作一组设备完成一个零件族的加工工艺过程。成组生产单元是以零件族为对象的专业化生产单位，它是实现计算机辅助管理的技术基础。2.3计算机集成制造系统（CIMS)计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem)是1974年由美国人约瑟夫·哈林顿首先提出的。这一新概念的核心内容是以下两点：(1)企业内各个生产环节从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动是一个有机结合的整体，要作统一的全盘考虑。(2)整个生产过程是一个数据采集、传递和加工处理的过程，产品可看成是数据的物质表现。直到80年代初期，这一概念才被广泛接受，并把它作为制造工业新一代生产方式。这是因为，从70年代开始，世界市场发生了重大变化，科技飞速发展和市场需求多样化相互作用，相互促进，使传统的相对稳定的市场变成动态地多变地市场。具体表现如下:1）产品生命周期即产品更新换代的时间越来越短。2）加速了科技发展到科技应用地周期竞争。3）规格，品种，型号日益增多，大规模生产的汽车行业也不例外。如丰田。而对上述技术和经济的新形势，企业必须寻求一种技术和管理高度结合的新的生产组织方式才能与之相适应。CIMS正是这种生产方式。1987年