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11先进制造技术AdvancedManufacturingTechnologyAMT石运序2011.2.27课程“先进制造技术”杨叔子2•“问渠哪得清如许？为有源头活水来！”一般认为，人类文明有三大物质支柱：材料、能源与信息。其实，应是四而非三，“制造”也应是一大支柱。可以说，没有“制造”，就没有人类。形象地讲，人是从制造第一把石刀开始的。•制造业是“永远不落的太阳”，是现代文明的支柱之一；它既占有基础地位，又处于前沿和关键，既古老，又年轻；它是工业的主体，是国民经济持续发展的基础；它是生产工具、生活资料、科技手段、国防装备等及其进步的依托，是现代化的动力源之一。杨叔子1933年出生。教授，中国科学院院士。1956年毕业于华中工学院机械系。1981年赴美国Wisconsin大学（Madison）作访问学者。1991年获政府特殊津贴。1993年至1997年任华中理工大学校长。现任华中科技大学学术委员会主任委员。出版论著5部，教材5种。发表论文400余篇。曾获国家自然科学奖、国家发明奖、国家图书奖和省部级科技进步奖共18项。3•没有制造业，就没有工业；而没有机械制造业，就没有独立的工业，即使制造业再大再多再好，也受制于人。我国这么一个大国，如果没有强大的装备制造业，特别是同高科技相应的机床制造业，我国就不可能有独立自主的制造业与工业。如在信息化日益发展的今天，计算机、微电子产品在信息化中起着特别重大的作用，芯片的重要性不言而喻，而我国可说是一个无“芯”国家；预计2005年我国需要芯片365亿块，目前自给率小于20％，自主开发率约5％，关键就是我国制造不出生产芯片的装备。我们所谓的“先进制造技术”，其实就是“制造技术”加“信息技术”加“管理科学”，再加上有关的科学技术交融而形成的制造技术。“先进制造技术”就是这么一个交融的技术，它生机勃勃地适应与占领现代制造业市场。回顾4/88回顾：20世纪是一个伟大的世纪发明和发展了汽车、机床、机器人、飞机、火箭、芯片、计算机、电视机等成千上万的机电产品，极大地改变了人类的生产方式和生活方式。展望4700万亿次Flops持续速度为2566万亿次Flops（LINPACK实测值），在2010年11月世界超级计算机排名中列第一5/88展望：制造业在21世纪将出现奇迹汽车:会跑，会飞，水路两用；飞机:更快、更安全；高速列车和磁悬浮列车；智能仪器装备和智能机器人:按照人们的要求高效率、高质量地制造产品；微型机器人:能进人血管清理垃圾、修补心脏；分子组装技术:组装出理想性能的微器件；掌上工具:计算机、可视电话、电视、音响和网络的集成。6/887/88会飞的汽车8/88该交通工具能以超过时速169公里的速度在空中航行至少788公里的距离，也能以一般车辆的速度行驶在高速公路上，只要不到30秒的时间，就能从飞机变身汽车。目前Terrafugia收取的预订金为1万美元。一旦Transition投放市场，其售价将在20万-25万美元之间。9/88水路两用汽车10/8811/88超豪华空中巴士12/88超豪华空中巴士13/882010年12月世界高铁大会在北京召开之际，铁道部领导宣布，12月3日，京沪高铁在先导段的运行试验中，最高时速达到了486.1公里。14/8815/88微型机器人16/88微型机器人战队17/8818/88机器人大赛机器狗19/88（1）1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所的D.M.Eigler等在液氦温度（4.2K）和超真空环境中用STM将Ni(110)nie表面吸附的Xe（氙xian）原子逐一搬迁，最终以35个Xe原子排成IBM三个字母。20/88（2）1991年日本S.Hosoki等用STM在MoS2表面用硫空位写成“PEACE’91HCRL”（其中HCRL为日立中央研究所的英文缩写）的字样。21/88（3）美国的D.M.Eigler等在实现了Xe氙原子搬迁后，又实现了分子的搬迁排列。在铂单晶的表面上，将吸附的一氧化碳分子（CO）用STM搬迁排列起来，构成了一个身高仅为5nm的世界上最小的人的图样。用来构成这图样的（CO）分子间距离仅为0.5nm，人们称它为“一氧化碳小人”。22/88（4）1993年美国的PhysicsToday杂志封面上刊登了一个圆形的像美丽的皇冠样的图形，它由周边的48个小图形组成。从中心到周围荡着水波一样的装饰。在单晶的表面用48个铁原子围成了一个14.3nm的圆圈，相邻两个铁原子间距离仅为1nm。23/88（5）IBM公司又用铁原子在单晶铜的表面排成了体育场等图形。中国科学院在1993年也利用原子排列成“原子”字样。24/88（7）北京真空物理所用扫描隧道显微镜成功地进行单个原子操纵和纳米加工。用超高真空扫描隧道显微镜在国内最先开展了原子操纵和纳米加工的研究，得到了当时国际上最细的线条，线宽10nm。用扫描隧道显微镜在Si(111)表面进行的原子操纵和纳米加工,组成100字样25/88（8）图是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。如果把这幅图放大到一张1m见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。summary2626第1章概述本章要点制造技术的概念先进制造技术的特点先进制造技术的体系结构制造系统2727第1章概述Introduction1.1制造技术与制造系统ManufacturingTechnologyandManufacturingSystem课程“先进制造技术”制造与制造技术2828广义制造：不仅包括了具体的工艺过程，还包括市场分析、产品设计、质量控制、生产过程管理、营销、售后服务直至产品报废处理等在内的整个产品寿命周期的全过程。狭义制造：生产过程从原材料→成品直接起作用的那部分工作内容。制造业是将制造资源，包括物料、设备、工具、资金、技术、信息和人力等，通过制造过程转化为可供人和社会使用和利用的工业产品或生活消费品的行业。制造业是所有与制造有关的企业群体的总称。制造制造业1.1.1制造与制造技术制造一词来源于拉丁语词根manu(手)和facer(做)。29291.1.1制造与制造技术表1.1我国制造业的分类序号行业名称序号行业名称13农副食品加工业28化学纤维制造业14食品制造业29橡胶制品业15饮料制造业30塑料制品业16烟草制造业31非金属矿物制品业17纺织业32黑色金属冶炼及压延加工业18纺织服装、鞋、帽制造业33有色金属冶炼及压延加工业19皮革、毛皮、羽毛（绒）制造业34金属制品业20木材加工及木、竹、藤、棕、草制造业35通用设备制造业21家具制造业36专用设备制造业22造纸及纸制品业37交通运输设备制造业23印刷业和记录媒介的复制38电气机械及器材制造业24文教体育用品制造业39通信设备、计算机及其它电子设备制造业25石油加工、炼焦及核燃料加工业40仪器仪表及文化、办公用机械制造业26化学原料及化学制品制造业41工艺品及其它制造业27医药制造业42废弃资源和废旧材料回收加工业指经物理变化或化学变化后成为了新的产品，不论是动力机械制造，还是手工制做；也不论产品是批发销售，还是零售，均视为制造。建筑物中的各种制成品零部件的生产应视为制造。但在建筑预制品工地，把主要部件组装成桥梁、仓库设备、铁路与高架公路、升降机与电梯、管道设备、喷水设备、暖气设备、通风设备与空调设备，照明与安装电线等组装活动，以及建筑物的装置，均列为建筑活动。3030第一产业农业林业渔业畜牧业矿业采石业石油业第二产业航天航空纺织、服装汽车、装备、重型机械冶金、钢铁、金属制品食品、饮料化工、石油精炼计算机、半导体、电器建筑、建材日用消费品玻璃、陶瓷、造纸制药橡胶、塑料制品能源、电力出版第三产业银行、金融服务、保险通讯、资讯教育、医疗、保健娱乐、旅馆、餐饮、旅游政府法律机构房地产修理与维护商业（零售、批发）交通、运输表1.2第一、二、三产业的划分1.1.1制造与制造技术通常的三大产业是联合国使用的分类方法：第一产业包括农业、林业、牧业和渔业；第二产业包括制造业、采掘业、建筑业和公共工程、上下水道、煤气、卫生部门；第三产业包括商业、金融、保险、不动产业、运输、通讯业、服务业及其他非物质生产部门。制造技术3131制造技术在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术。运用一定的知识、技能操纵可以利用的物质、工具采取有效的方法……手段包括与大、小制造概念相对应，对于制造技术的理解也有广义和狭义之分。广义理解制造技术涉及生产活动的各个方面和生产的全过程，制造技术被认为是一个从产品概念到最终产品的集成活动，是一个功能体系和信息处理系统。1.1.1制造与制造技术制造系统结构3232制造系统结构图1-2制造系统功能结构经营管理信息流生产管理信息流技术信息流物质流用户、市场与外部环境经营管理市场与销售研究与开发资源管理财务生产管理工程设计采购车间制造（加工、装配、检验、输送、存储…）质量控制1.1.2制造系统制造系统特性3333制造系统特性软件硬件图1-3制造系统结构特性结构特性制造系统可视为若干硬件的集合体。为使硬件充分发挥效能，必须有软件支持。1.1.2制造系统3434转变特性主要从技术角度出发，如何使转变过程更有效进行。获取阶段转变阶段分配阶段图1-4制造系统的物质流原材料供应者原材料库存零件加工零件库存装配成品库存最终用户1.1.2制造系统汽车生产物流示意图3535压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配车身安装最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理图1-5汽车生产物流示意图1.1.2制造系统程序特性3636需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段图1-6制造系统的程序特性程序特性程序——一系列按时间和逻辑安排的步骤制造系统可视为生产离散型产品的工作程序（图1-6）研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使生产活动达到最佳化。1.1.2制造系统制造系统的物质流与信息流3737制造系统的物质流与信息流误差流物流资金流规划控制需求信息流实施（车间或现场）原材料产品与服务能源能量流图1-7制造系统的五种流1.1.2制造系统1.2制造技术的发展及其在国民经济中的地位3838第1章概述Introduction1.2制造技术的发展及其在国民经济中的地位DevelopmentofManufacturingIndustryandit’sPositioninNationalEconomy课程“先进制造技术”制造技术的发展39/88391.2.1制造技术的发展制造技术的进步和发展制造技术是制造业所使用的一切生产技术的总称，是将原材料和其他生产要素经济合理地转化为可直接使用的具有较高附加值的成品/半成品和技术服务的技术群。影响其发展的最主要因素是技术的推动和市场的牵引。人类科学技术的每次革命必然引起制造技术的不断发展，因而也推动了制造业的不断发展和进步。近百年来，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→少品种大批量→多品种变批量”的方向发展。在科学技术高速发展的推动下，制造业的资源配置沿着“劳动密集→设备密集→信息密集→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→机械化→单机自动化→刚性流水自动化→柔性自动化→智能自动化”的方向发展。40/88401.2.1制造技术的发展制造技术发展的五个时期1工场式生产时期18世纪七十年代，以蒸汽机和纺纱机的诞生，引发第一次工业革命，从手工业作坊式生产到以机械加工和分工原则为中心的工厂生产，机器代替手工。2工业化规模生产时期19世纪电气技术得到发展，由于电气技术与其他制造技术的融合，开辟了崭新的电气化新时代，制造业得到了飞速发展，制