先进制造技术概述

先进制造技术概述清华大学制造工程研究所郁鼎文先进制造技术—概述21世纪科学技术发展的总趋势中国制造业成就及其重大意义2134制造业面临的竞争和挑战制造技术的发展制造的概念5先进制造技术61.1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。(Manufacturingisseriesofinterrelatedactivitiesandoperationsinvolvingthedesign，planning，production，qualityassurance，managementandmarketingoftheproductsofthemanufacturingindustries。)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2.1制造创造了人类2.2制造业发展历程2.3制造业发展的教训2.4制造业产业革命的生力军2、制造技术的发展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。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。”2.1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……2.2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。2.3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”。2.3制造业发展的教训三、东南亚经济危机的启示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。2.3制造业发展的教训四、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。2.3制造业发展的教训2.4制造业是产业革命的主力军一、第一次产业革命：1733-18781）又称为：蒸汽革命。2）产业革命的标志：瓦特发明的蒸汽机。3）英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明4）制造业和瓦特的发明推动了热力学理论的诞生。2.4制造业是产业革命的主力军二、第二次产业革命：1879-19451）又称为：电气革命。2）产业革命的标志：电灯（爱迪生）、电话（贝尔）、电机（西门子）等电气化产品。3）制造业肇始了电的应用，而后才有麦克斯韦电动力学理论的诞生。4）麦克斯韦电动力学理论推动了20世纪初开始的无线电、微波、雷达、合成孔径、微波成像、卫星通信、宇宙微波探测等技术的发展。5）牛顿力学和电动力学又为量子力学的发展指引了道路，导致了量子场论的创立。2.4制造业是产业革命的主力军三、第三次产业革命：1945-19721）又称为：电子（原子）革命。2）产业革命的标志：原子弹（1945）、电子计算机（1946）、晶体管（1948）、集成电路、微电子技术等。3）微电子制造技术开创了全新的信息时代。2.4制造业是产业革命的主力军四、第四次产业革命：1973-1）又称为：高新技术产业革命。2）产业革命的标志：众多高新技术产品，如微电子产品、电脑、新一代通信产品、新一代汽车、磁悬浮列车、新一代飞机、机器人、生物工程产品、新一代药物、绿色食品、转基因产品等等。3）微器件制造工艺，如拉单晶、掺杂、扩散、离子注入、外延、溅射、化学沉积（CVD）、光刻、表面贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把高新技术产业革命推向顶峰。3、二十一世纪科学技术发展的总趋势3.1中心科学技术的转移1）信息科学技术目前是发展高峰期，预计其中心科学技术的地位还可持续四十年。2）生命科学技术现在已开始注重其发展与应用，预计21世纪30年代开始逐步转变为中心科学技术。3）认知科学技术智能化趋势现已显露，预计21世纪70年代开始将成为科学技术发展的中心3、二十一世纪科学技术发展的总趋势3.2世界科技中心（地区或国家）的转移中国（公元3世纪—公元13世纪)→意大利（1540年—1610年）→英国（1660年—1730年）→法国（1770年—1830年）→德国（1810年—1920年）→美国（1920年—）→可能转向东方（日本、中国）3.3高技术及其产业领域(1)信息科学技术（包括微电子、光电子科学技术）(2)生物科学技术（包括生命科学技术）(3)新能源科学技术（包括核能科学技术）(4)新材料科学技术（包括纳米科学技术）(5)环境科学技术（包括地球科学技术）(6)航空航天科学技术（包括军事科学技术）(7)海洋科学技术（包括地球科学技术）(8)先进制造科学技术（包括微机电系统科学技术）(9)管理科学技术（包括软科学技术）(10)认知科学技术（包括人脑和智能系统科学技术）3、二十一世纪科学技术发展的总趋势3、二十一世纪科学技术发展的总趋势科学物质科学生命科学技术信息技术生物技术纳米技术3.4二十一世纪改变人类的科学与技术从科学发现到技术发明科学发明年份技术发明年份孕育过程(年）电磁感应原理1831发电机187241内燃机原理1862汽油内燃机188321电磁波通讯原理1895公众广播电台192126喷气推进原理1906喷气发动机193529雷达原理1925制出雷达193510青霉素原理1928制出青霉素194315铀核裂变1938制出原子弹19457发现半导体1948半导体收音机19546集成电路设计思想1952单片集成电路19597光纤通信原理1966光纤电缆19704无线移动通信设想1974蜂窝移动电话19784多媒体设想1987多媒体电脑19914新一代设计芯片90年代新一代芯片90年代1.53、二十一世纪科学技术发展的总趋势20世纪改变世界的重要机电产品序产品发明时间（年）发明者1汽车1885/1903德国奔驰/美国福特2飞机1903美国莱特兄弟3火箭1903俄国齐奥尔科夫斯基4电冰箱1917美国5电影机1919/36德国福格特6电视机1927/40美国贝尔7喷气发动机1937英国惠特尔8原子弹1945美国日本9计算机1946美国莫切利埃克特10晶体管1948美国肖克利11核电站1951美国12数控机床1951美国MIT13氢弹1952美国特勒3、二十一世纪科学技术发展的总趋势20世纪改变世界的重要机电产品序产品发明时间（年）发明者14机器人1954美国戴沃尔15人造卫星1957苏联16宇宙飞船1961苏联加加林17飞船登月1969美国阿波罗18载人航天飞机1977美国19磁悬浮列车1965日本时速400～500公里/时20光纤通信设备1968美国21芯片1971/1999美国intel950万晶体管/片22扫描隧道显微镜1986日本工业技术院23掌上电脑1992美国APPLEnewton24手机90年代初美国25信息高速公路1993美国nationalinformationinfrastruture（Nii）3、二十一世纪科学技术发展的总趋势4、中国制造业的成就及其重大意义4.12001年中国工程院的调查结论:1）中国制造业占国民生产总值的1/32）占整个工业生产的4/53）为国家财政提供1/3以上的收入4）贡献出口总额的90%5）就业人员8043万4.2改革开放20年来中国制造业的进步：1）引进国外先进技术2500多项，占全国的1/3以上。近几年发展的新产品，50%达到80年代中后期的世界水平。2）一些重要产品的年生产能力已跃居世界前列，如汽车280万辆以上（其中轿车120万辆以上），大中型发电设备1200万千瓦以上（火电1000万千瓦，水电200万千瓦），大中型拖拉机11万台以上，金切机床10万台以上。3）我国已成为世界最大的服装纺织品出口国；与日本、马来西亚和韩国并称世界消费类电子产品四大生产国。4）成功开发生产了运七、运八、新舟60等支线飞机。5）一些新产品的技术水平已达世界领先或先进水平，如沈阳机床集团的电主轴高速卧式加工中心、激光切割机床，沈阳变压器厂的50万伏超高压变压器，黎明航发集团的中国第一台拥有完全知识产权的航空发动机、燃气轮机，沈阳新松机器人自动化有限公司的6000米水下机器人等产品，清华大学制造工程研究所研制开发的并联构型机床。4、中国制造业的成就及其重大意义4.3制造业的重大意义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%-65%。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。4、中国制造业的成就及其重大意义“十五”规划中确定的八个最具战略影响的领域:1)信息