先进制造技术与系统(doc124)-工艺技术(编辑修改稿)

先进制造技术与系统(doc124)-工艺技术(编辑修改稿)内容摘要：

拓展制造活动的深度和广度。 现代制造业的设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构已经改变。 产生了一大批新的制造技术和制造模式。 现代制造业已成为发展速度快、技术创新能力强、技术密集甚至是知识密集的部门。 许多产品的技术含量和附加值增大，进入了高技术产品的行列。 环境保护意识的增强与可持续发展。 可持续发展 (Sustainable Development)思想在深入 制造业及其产品受到的环境方面制约： 社会压力 (整个社会和每一个公民都不会容忍浪费资源和污染环境的行为 )。 国家政策或立法以及经济手段： 如安全标准、对废弃物的排放标准、能源使用、劳动者和公共健康保护、 ―绿色 ‖产品标志许可制度、废物污染记帐制度等等。 企业的环境适应性决定其竞争能力、应变能力、生存能力。 生态安全型和资源节约型制造技术是制造领域亟待解决的一个重要课题。 10 第四节 21 世纪对制造业的挑战 人类进入 21 世纪，社会与政治环境、市场需求、技术创新预示着制造业将发生巨大变化。 美国国家科学研究委员会工程技术委员会、制造与工程设计院 制造业挑战展望委员会 ‖，对 2020 年制造业所面临的形势提出了如下六大挑战或 基本目标： 一、快速响应市场竞争的挑战 ——实现制造环节并行 效果 1：并行制造将显著缩短产品从概念到实现的时间。 效果 2：在合作企业中，各外围企业不同区段的核心能力和知识将动态组合，通过精确估算、优化以及对产品成本利润的跟踪，将大大减小投资风险。 挑战性：在通信和数据处理方面需要重要的新技术，需要制造企业有新的社会与文化氛围。 二．全球化竞争的挑战 ——技术资源的集成 制造企业必须具有敏捷性，以承受巨大的全球竞争压力。 制造企业必须保持对时间和技术的控制，把时间和技术视为对生产率的挑战， 具有强大竞争力的制造企 业将需要集成系统和自动运动的功能。 三．信息时代的挑战 ——信息向知识的转变 制造业依赖于信息技术，并更趋强烈。 按计算机和信息技术 (硬件和软件 )目前的指数增长速率，到 2020 年将能满足制造业的需求。 两个挑战： ①及时 ‖捕获 ―、贮存数据和信息，转化为有用的知识； ②在任何地点、时间需要时 , 用户能用熟悉的语言和格式 ―及时 ‖得到有用的知识。 要点：从各种资源中，将信息及时地转变为有用的知识，作出有效决策是 21 世纪的重大挑战。 四 .环境保护压力的挑战 ——可持续发展 2020 年世界人口将从今天的 56 亿增至 80 亿。 人口增长及技术不断开发，全球生态系统将受到严重的制约。 挑战：把生产废弃物及产品 对环境的影响减少到 ―接受于零 ‖。 即开发不受影响环境、成本低有竞争力的产品和工艺，尽可能利用回收材料作原料，在能源、材料或人才资源各方面不造成大的浪费。 五．制造全球化和贸易自由化的挑战 ——可重组工程 随着世界自由贸易体制的进一步完善及全球通信网络的建立，国际经济技术合作交往日趋紧密。 全球产业界进入了结构大调整的重要时期，世界正在形成一个统一的大市场。 全球范围内基于柔性、临时合作模式的格局正在逐步形成。 六．技术创新的挑战 ——全新制造工艺及产品的开发 这一挑战采用制造单元工艺这一全新的概念，它将导致生产能力的急剧变化。 由于设计和制造的产品的尺寸愈来愈小 (最终可达分子级和原子级的水平 )，制造工艺可能取得巨大的进步。 11 2020 年，技术创新的单元将在以下诸方面发挥巨大的能力： 多单元工艺技术集成为单一工艺将显著减少投资、检验时间、搬运和加工时间。 全部可编程的、不需要硬工装的工艺，将使产品的制造迅速转产成为可能。 自我导引工艺的创建将简化工装和编程的要求，并提供更大的加工柔性。 对分子或原子级的处理将导致新材料的 产生，取消分散件联接与装配操作，允许在一个零件中材料成分产生变化。 这些创新工艺的发展能够制造出新的产品，例如 由分子级的元器件组成的生物计算机； 能在分子或细胞级上进行手术且只有分子大小的外科工具； 高效且便宜的太阳能收集器等等。 第五节 先进制造技术的基本内容与体系结构 先进制造技术是： 信息时代工业规模生产的技术支柱； 世界高科技竞争在制造领域的最新体现； 制造技术的最新发展动向。 一、先进制造技术的定义 先进制造技术是在传统制造技术基础上不 断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称，也是取得理想技术经济效果的制造技术的总称。 二、先进制造技术体系结构 1994 年初，美国联邦科学、工程和技术协调委员会 (FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群： ①主体技术，包括面向制造的设计技术群和制造工艺技术群； ②支 撑技术群； ③制造基础设施 (制造技术环境 )。 FCCSET 先进制造技术的系统结构及主要内容如图 3 所示。 三、先进制造技术的学科内容 先进制造技术不是单指加工过程的工艺方法，而是横跨多个学科，包含了从产品设计、加工制造到产品销售、用户服务等整个产品生命周期全过程的所有相关技术，涉及到设计、工艺、加工自动化、管理以及特种加工等多个领域。 根据先进制造技术的功能和研究对象，可将先进制造技术归纳如下几个学科方面： 1．先进设计技术 12 产品设计是制造业的灵魂。 先进设计技术的主要内容和发展趋势是： (1)设计方法现代化 设计方法包括 : 产品动态分析和设计， 产品可靠性、可维护性及安全设计， 产品优化设计，快速响应设计，创新设计， 智能设计，仿真与虚拟设计， 价值工程设计，模块化设计等。 新的设计思想和方法不断出现，如 并行设计、 面向 ―X‖的设计 (Design For X， DFX)、 健壮设计 (Robust Design)、 优化设计 (Optimal Design)、 反求工程技术 (Reverse Engineering)等。 (2)设计手段计算机化。 表现在： 广泛应用有限元法、优化设计、计算机辅助设计、反求工程技术、 CAD／ CAM 一体化技术、工程数据库。 当前突出反映在： 数值仿真或虚拟现实技术在设计中的应用。 现代产品建模理论发展，向智能化设计方向发展。 (3)向全寿命周期设计发展 传统的设计只限于产品设计 全寿命周期设计则由简单的、具体的、细节的设计发展为复杂的总体设计和决策， 通盘考虑包括： 设计、制造、检测、销售、使用、维修、报废等阶段的产品的 整个生命周期。 (4)由单纯考虑技术因素转向 技术 综合考虑 经济 因素 社会 注意考虑： 市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。 2．先进制造工艺技术 先进制造工艺技术包括精密和超精密加工、精密成形与特种加工技术等几个方面。 13 (1)精密、超精密加工技术。 含义：指去除工件表面材料，使工件的尺寸、表面性能达到产品要求的技术措施。 三个档次： ①精密加工，精度为 3—0． 3μ m， 表面粗糙度值为： Ra0． 3—0． 03μ m； ②超精密加工 精度为 0． 3—0． 03μ m， 表面粗糙度值为 Ra0． 3 — 0． 005μ m， 又称亚微米加工；（ 1 微米 =） ③纳米加工 精度高于 0． 03 μ m， 表面粗糙度值小于 Ra m。 由此可见，人类已进入纳米级加工时代，超精加工材料由金属扩大到非金属。 (2)精密成形制造技术 指从制造工件的毛坯、从接近零件形状 (Near Net Shape Process)向： 直接制成工件即精密成形或称净成形 (N 用 Shape Process)的方向发展 国际机械加工技术协会预测： 到 21 世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。 (3)特种加工技术 指那些不属于常规加工范畴的加工，如 高能束流 (电子束、离子束、激光束 )加工、 电加工 (电解和电火花加工 ) 超声波加工 高压水加工 及多种能源的组合加工。 先进制造工艺技术的一个重要发展趋势是：工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技 艺发展为工程科学。 3．制造自动化技术 制造自动化是指 用机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。 制造自动化涉及技术： 14 数控技术、 工业机器人技术 柔性制造技术， 制造自动化涉及技术是机械制造业最重要的基础技术之一。 (1)数控技术 包括数控装置，进给系统和主轴系统，数控机床的程序编制。 (2)工业机器人 包括机器人操作机，机器人控制系统，机器人 传感器，机器人生产线总体控制。 (3)柔性制造系统 (FMS) 包括 FMS 的加工系统， FMS 的物流系统， FMS 的调度与控制， FMS 的故障诊断。 (4)自动检测及信号识别技术 包括自动检测 CAT，信号识别系统，数据获取，数据处理，特征提取，识别。 (5)过程设备工况监测与控制 包括过程监视控制系统，在线反馈质量控制。 4．先进生产制造模式和制造系统 先进生产制造模式和制造系统是 面向企业生产全过程，将现代信息技术与生产技术相结合的一种新思想、新哲理。 功能 覆盖 企业的预测、产品设计 加工制造、信息与资源管理 产品销售和售后服务等各项活动，是制造业的综合自动化的新模式。 (1)先进制造生产模式。 包括 现代集成制造系统 (CIMS) 敏捷制造系统（ AMS) 智能制造系统 (1MS) 精良生产 (LP) 并行工程 (CE)等先进的生产组织管理和控制方法。 （ 2)集成管理技术。 包括 并行工程 MRP 与 JIT 的集成一生产组织方法 成本管理 (ABC) 现代 质量保障体系 现代管理信息系统 15 （ 3)生产组织方法。 包括 虚拟公司理论与组织 企业组织结构的变革 以人为本的团队建设 企业重组工程 第六节 先进制造技术的发展趋势 新世纪新动态： 电子、信息等高新技术的迅猛发展 市场需求个性化与多样化 先进制造技术 ―8化 ‖ 发展： 精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化。 当前先进制造技术的发展趋势大致有以下几个方面： 一．集多学科成果成一个完整的制造体系 先进制造技术是传统制 造技术、信息技术、自动化技术与先进的管理科学的结合。 它不是若干独立学科的先进技术的简单组合和累加，而是按照新生产组织和管理哲理建立起的体系。 该体系保证： 正确的 信息或物料在正确的时间 , 以正确的方式流向正确的地点， 通过正确的人或设备对信息或物料进行正确地 处理或决策。 先进制造体系依靠 先进的信息技术 自动化技术 实现自身的先进性， 先进的管理科学 保证： ―时、空、人、物、信息、处理及决策 ‖的正确性。 结果： 必须将这些技术和科学应用于制造工程 之中，形成一个有机的完整体系。 二．先进制造技术的动态发展过程 先进制造技术本身是在针对一定的应用目标，不断地吸收各种高新技术逐渐形成，不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。 反映在不同的时期，先进制造技术有其自身的特点。 反映在不同的国家和地区，先进制造技术也有其本身重点发展的目标和内容。 通过重点内容的发展以实现这个国家和地区制造技术的跨越式发展。 16 三．信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用 信息化是当今社会发展的趋势，信息技术正在以人们想象不到的速度向前发展。 信息技术正在向 制造技术注入和融合，促进着制造技术的不断发展。 信息技术应用于先进制造技术，提高了制造技术的技术含量，使传统制造技术发生质的变化。 信息技术对制造技术发展，起第一促进作用。 在 21 世纪对先进制造技术的各方面发展将起着更重要的作用。