先进制造技术概论47

现代制造技术第一讲现代制造技术概论现代制造技术第一讲现代制造技术概论学习内容•先进制造技术相关概念•先进制造技术的发展和趋势•先进制造技术内涵和体系结构一、概念制造制造技术制造过程制造系统制造业1.1制造、制造系统和制造业制造是一种有特定目标的技术经济活动；是人们从市场需求出发，运用主观掌握的科学知识、实践经验和技能，在遵循自然规律的基础上，综合技术、经济、环境和人的因素，借助于可以利用的物质工具或手工，采用有效的技能、手段和方法，耗费一定的能源、资源和时间，将原材料转化为最终物质产品并投放市场以适应和满足社会需要的复杂过程。•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，将原材料转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。制造系统是指由制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员组成的一个具有特定功能的有机整体。生产企业通常分为三大类别：•第一产业：直接利用自然资源的种植业、养殖业和采矿业。•第二产业：将第一产业生产的原料转化为产品的企业。制造业属于第二产业除了能源工业和建筑业以外的其他行业均视为制造业（将原材料转化为产品的过程，即生产车间的加工和装配过程。）•第三产业：金融、服务行业。•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。二、制造业的地位机械制造业是国民经济的基础产业,它的发展直接影响到国民经济各部门的发展,也影响到国计民生和国防力量的加强,因此,各国都把机械制造业的发展放在首要位置。随着机械产品国际市场竞争的日益加剧,各大公司都把高新技术注入机械产品的开发中,作为竞争取胜的重要手段。制造业是现代国民经济的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国民生产总值的20％～55％，在一个国家的工业生产力构成中制造技术的作用一般占60％左右。制造业吸纳的劳动力比例很高，尤其在工业化国家中，从事各种形式的制造活动的人口约占总人口的l／4。我国从事制造业的人数预计到2050年将增加到1．7亿。制造业为国民经济各部门提供所需的各种装备，为科学事业和教育事业的发展提供重要的财力、物力支撑。世界上各个国家经济的竞争，主要是制造业的竞争。一个国家如果制造业发达，它的经济就强大。1.2先进制造技术发展史纵观近两百年制造业的发展历程，影响其发展最主要的因素是技术的推动和人类需求的牵引。科学技术的每次重大进展都推动了制造技术的发展，而人类的需求不断增长和变化，也促进了制造技术的不断进步。自18世纪以来，制造技术的发展经历了以下5个阶段：(1)18世纪后半叶，以蒸汽机和工具机的发明为特征的产业革命促成了工场式生产方式的出现，标志着制造业从手工业作坊生产到以机械加工和分工原则为中心的工厂生产转变的完成。(2)19世纪电气技术的发展开辟了电气化的新时代，实现了制造技术的批量化生产和工业化规范生产的新局面，制造业得到了飞速发展。(3)20世纪初、内燃机的发明，引起了制造业的革命，流水生产线和泰勒式工作制及其科学管理方法得到了应用。特别是第二次世界大战期间，以降低成本为目的的刚性、大批量自动化制造技术和科学管理方式得到很大发展。•(4)自第二次世界大战之后到20世纪70年代，计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速发展推动了生产方式由大、中批量生产自动化向多品种小批量柔性生产自动化转变。在此期间，形成了一系列新型的柔性制造技术，如数控技术(NC)、计算机数控(CNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)等。同时一些现代生产管理模式，如准时制生产(JIT)、全面质量管理(TQM)开始应用于生产，以提高企业的效益。•(5)自20世纪80年代以来，随着计算机及其应用技术的迅速发展，促进了制造业中各种单元自动化技术逐渐成熟和完善，如计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助检测(CAT)；在经营管理领域内的物料需求计划(MRP)、制造资源规划(MRPⅡ)、企业资源规划(ERP))等；在加工制造领域内的直接或分布式数控(DNC)、计算机数控(CNC)、柔性制造单元／系统(FMC／FMS)、工业机器人(ROBET)等。同时，体现新的制造模式的计算机集成制造系统(CIMS)、并行工程(CE)以及精益生产(LP)得到了应用和推广，通过各项单元技术资源的集成应用，获取综合效益，并引发了企业组织机构和运行模式的显著变革，使得制造业在资源配置、生产效益等方面都获得了极大的进展。各种先进的集成化、智能化加工技术和装备也有较大发展，如虚拟轴机床、可重构机床；精密铸造、精密锻造、精密焊接技术与装备；微制造技术与设备，快速成型技术与系统；激光加工技术与装备等。现代制造及其技术的形成和发展特点是：在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量一少品种大批量－多品种变批量”的方向发展；在科技高速发展的推动下，制造业的资源配置沿着“劳动密集一设备密集一信息密集一知识密集”的方向发展；与之相适应，制造技术的生产方式沿着“手工一机械化一单机自动化一柔性自动化－智能自动化”“精”是关键，“极”是焦点，“文”是新义，“数”是核心，“自”是条件，“集”是方法，“网”是道路，“智”是前景，“绿”是必然，“快”是动力，“省”是原则，“效”是追求。这12点实质上指的就是产品、制造方法、制造过程3个不同的方面：“精”的精确化，“极”的极端条件，“文”的人文化，是对产品本身而言；“数”的数字化，“自”的自动化，“集”的集成化，“网”的网络化，“智”的智能化，是对所采用的制造方法而言；而“绿”的绿色，“快”的速度，“省”的节省，“效”的高效，是对制造过程而言。当然，源头决定了活水，活水决定了清渠，而制造方法、制造过程与产品彼此之间是有相互影响的。1.2.2先进制造技术的发展趋势•“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，其移动距离为纳米级，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）“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；•MEMS（Micro-Electro-Mechanical_System)技术和产品是典型极端、极限技术和产品。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•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•将一个铁原子与一个氧化碳分子结合形成一个铁羟基分子的过程。美国波士顿大学的化学家制备出世界上最小的马达，该分子马达由78个原子构成纳米发电机“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。•“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。《纲要》制造业发展思路有三，其一就是“积极发展绿色制造”.•“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•“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“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•“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•“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•1990-2000：•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CNC的重大基础作用。•“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。•“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“智”是发展的前景——智能化“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、不确定信息、错误信息的能力，自诊断、自修复能力，自组织、自重构能力，主动协调和协同能力，非逻辑处理能力等。智能化——各行各业发展的趋向，如：智能计算机、智能车辆、智能机器、智能仪表、智能控制、智能材料，甚至智能大厦等。网络化的实质是走向智能化1.3先进制造技术的内涵和体系结构先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology，AMT)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。”1.3.2先进制造技术的特点1）先进性先进制造技术的核心和基础是经过优化的先进工艺（优质、高效、低耗、清洁工艺），它们从传统制造工艺发展起来，并与代表着时代发展水平的新技术相结合，两者实现局部或系统的集成，即保留了过去制造技术中的有效要素，又吸收了各种高新技术的最新成果。2）广泛性（1）先进制造技术是由制造技术、信息技术、计算机技术、设计技术、自动化技术、系统管理技术等各方面的技术组成；（2）先进制