现代制造技术(1)

null现代制造技术现代制造技术第1章 现代制造技术导论 1.1.1 制造技术的演进制造技术概念制造技术，概括说：指实现设计技术原理的方法和手段。在产品生产中，具体指使原材料转化为产品的过程中所施行的各种手段的总和。 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。狭义理解为机电产品的机械制造技术。广义的概念已为越来越多的人所接受。1.1.1 制造技术的演进1.1.1 制造技术的演进1.1.1 制造技术的演进 17世纪60年代，瓦特改进蒸汽机，标志第一次工业革命兴起，工业化 大生产从此开始； 18世纪中,麦克斯韦尔建立电磁场理论,开启电气化时代； 19世纪机器在英国诞生，先后传入法国、德国和美国。用机器代替手 工，从作坊形成工厂； 20世纪初，福特汽车生产线、泰勒以劳动分工和计件工资制为基础的 科学管理方法，标志着自动化时代到来（以大量生产为特征—Mass Production）； 二战后，随着计算机、微电子技术，信息技术、自动控制技术的发展 及市场需求的多样性趋势，出现了中小批量生产的自动化系统，并产生 了综合自动化和许多新的制造哲理与生产模式。例如：NC、FMS、 CAD/CAM等； 进入21世纪，制造技术向自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化 和清洁化的方向发展。制造技术的演进1.1.2 制造业发展的教训1.1.2 制造业发展的教训 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。 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。 克林顿上台后，对制造业大力支持，他把现代制造技术列为 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。美国的教训1.1.2 制造业发展的教训1.1.2 制造业发展的教训 在上个世纪70-80年代，日本非常重视制造业，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。 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依靠的是日本的芯片，是“日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。日本的经验1.1.2 制造业发展的教训1.1.2 制造业发展的教训 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。 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。东南亚经济危机的启示1.1.2 制造业发展的教训1.1.2 制造业发展的教训 瑞士依靠什么使人均产值居世界第一？ 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。 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。 1.1.3 制造业在国民经济中的地位 1.1.3 制造业在国民经济中的地位 国民经济的支柱产业，国民经济总收入的60%以上来自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。机械制造业是制造业的基础, 是重中之重。 美国：约1/4人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关。 日本由于重视制造业，二次大战后30年时间，发展成为世界经济强国。与此相反，美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果导致经济衰退，竞争力下降，出现了家电、汽车等行业不敌日本的局面。直至上世纪80年代初，美国才开始清醒，重新关注制造业的发展，至1994年美国汽车产量重新超过日本。1.2.3 制造业在国民经济中的地位 1.2.3 制造业在国民经济中的地位 ◆ 下图显示了当今制造业的社会功能。 1.1.4 我国制造业面临的机遇和挑战1.1.4 我国制造业面临的机遇和挑战 改革开放以来中国制造业发展迅速，成绩瞩目： （1）引进国外先进技术5000多项。近几年发展的新产品，50%达到或接 近世界先进水平。 （2）一些重要产品的年生产能力已跃居世界前列，如汽车年产1000万辆 以上，数控机床年产15万台以上。 （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）成功开发生产了多种运输机和新舟60、AR21等支线飞机，大飞机研 发正在进行；神州七号发射后，中国载人航天将转向第三部战略计 划：发射自己的空间站。 （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，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，清华 大学制造工程研究所研制开发的并联构型机床等产品。1.1.4 我国制造业面临的机遇和挑战1.1.4 我国制造业面临的机遇和挑战（1)总体规模仍然偏小，仅为美国的1/5、日本的1/4。 （2)制造业的人均劳动生产率低，仅为美国的1/25、日本 的1/26、德国的1/20。 （3)产业结构不合理，产品低端、利润微薄。表现在： 1）我国装备制造业占整个制造业的比重不到30％，比发达 国家的平均水平低５％以上，远低于美国的41.9％、日 本的43.6％、德国的46.4％。 2）我国装备制造业至今依然处于国际产业链的低端，装备 制造业出口商品的80％~90％是贴牌加工。 3）在成套设备生产中缺乏具有系统设计、系统成套等能力 的制造企业，导致我国仅具备生产设备的部分零件能 力，使得企业在装备制造业只能赚“小头”。 1.1.4 我国制造业面临的机遇和挑战1.1.4 我国制造业面临的机遇和挑战（4) 技术创新能力和自主开发能力薄弱，突出表现为： 1）进口的各种基础设备价值大致占我国进口总值的50％， 其中光纤制造设备的100％，发电设备的90％，集成电 路芯片制造设备的85％，石油化工设备的80％，轿车工 业设备、数控机床、纺织机械、胶印设备的70％来自于 进口产品。在大型飞机、大型医疗等领域，我国主要靠 全盘进口。 2）产品开发周期较长，企业对市场的快速反应能力差。我 国机械新产品的平均开发周期为18个月，而美国新产品 设计周期为3个星期，试制周期3个月。 3）先进制造技术在国内尚处于初级开发阶段，普及率较低， 与发达国家存在着阶段性差距。 中国是制造业大国---但不是制造业强国1.1.4 我国制造业面临的机遇和挑战1.1.4 我国制造业面临的机遇和挑战 困难：技术上落后，资金不足，资源短缺，管理体制、周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机…） 机遇：中国已加入WTO；制造业的世界格局正在发生重大变化，欧、亚、美三分天下局面正在形成，世界经济重心开始出现向亚洲转移的征兆，制造业的产品结构、生产模式也在迅速变革之中。挑战与机遇并存。 1.1.5 现代制造技术的提出1.1.5 现代制造技术的提出 （Modern Manufacturing Technology） MMT首先由美国于20世纪80年代末提出。也可称先进制造技术（AMT）。 长期以来，美国政府只对基础研究、卫生健康、国防技术等给予经费支持，而对产业技术不予支持，主张产业技术通过市场竞争，由企业自主发展 。 20世纪70年代，一批美国学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”，认为制造业是“夕阳工业”，主张经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业。 结果：导致美国在经济上竞争力下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。（20世纪60年代美国汽车产量占世界汽车总产量的2/3，而到了80年代下降到不足1/3）。1.1.5 现代制造技术的提出1.1.5 现代制造技术的提出 20世纪80年代,美国政府开始认识到问题的严重性。 白宫的一份报告称“美国经济衰退已威胁到国家安全”。 MIT(美国麻省理工学院) 的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争”，“一个国家要生活好，必须生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识。 1988年,美国政府投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究,并于其后不久提出了“先进制造技术”发展目标，制定并实施了“先进制造技术 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 （ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）”。 1991年，白宫科学技术政策办公室发表“美国国家关键技术”报告，重新确立了制造业的地位。1.1.5 现代制造技术的提出1.1.5 现代制造技术的提出 为美国人提供更多高技术、高工资就业机会，促进美国经济增长； 提高能源效益，减少污染，创造更加清洁的环境； 使美国私人制造业在世界市场上更具有竞争力，保持美国的竞争地位； 使教育系统对每个学生进行更富有挑战性的教育； 鼓励科技界把确保国家安全和提高全民生活质量作为核心目标。 由美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）提出，1994年年度预算为14亿美元。 ATP 目标:1.1.5 现代制造技术的提出1.1.5 现代制造技术的提出 又称“合作伙伴计划”，由美国国家标准与技术研究院（NIST）牵头。 目标：面向 35 万家中小企业(他们不像大企业有自己的开发能力，且资金不足)，在技术拥有者（通常为政府的研究机构、国家实验室、大学）与需要这些技术的中小企业之间建立合作的桥梁，使中小企业掌握先进制造技术，或使他们具有识别、选择适用于自己企业的先进制造技术的能力。 方法：一个地区设立一个中心（至 95 年已建立了 30 个中心），为中小企业展示新的制造技术和设备，并进行培训，帮助他们选用。 经费：国会拨款。1.1.5 现代制造技术的提出1.1.5 现代制造技术的提出 汽车 2mm 工程，使轿车车身精度达到丰田水平； 1994 年,美国汽车产量重新超过日本,重新占领欧美市场； 美国Inter公司成为世界最大的芯片制造商（在此之前芯片生产也不敌日本，包括海湾战争中大出风头的“爱国者”导弹上使用的芯片也是日本制造的）； 20世纪90年代，美国经济持续增长，失业率降低到历史最低水平； 提出了一系列先进制造技术的新理论、新思想，如：并行工程，精益生产，敏捷制造，…1.1.5 现代制造技术的提出1.1.5 现代制造技术的提出 现代制造技术一经提出，立即引起了世界各国的积极响应，纷纷制定了多种发展计划，以支持发展现代制造技术。 美国：先进制造技术计划(ATP)和制造技术中心计划(MTC) 日本：智能制造技术计划，即IMS计划 韩国：高级先进技术国家计划，即G-7计划 欧共体：欧洲工业技术基础研究计划和欧洲信息技术研 究发展战略计划 我国：“九五” 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 和“863计划”的重点发展内容。在“九 五”期间，实施了一批发展现代制造技术的项目。 例如：数控系统及装备研究，自动测试系统及设 备技术研究，现场总线、智能化仪器仪表研究， 传感器技术研究，“CIMS”等。 1.1.6 现代制造技术的内涵1.1.6 现代制造技术的内涵 至今尚无明确的和一致公认的定义，通过对其特征的分析和多年的实践，可以认为： ◆ MMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。 ◆ 要点： 目标是提高制造企业对市场的适应能力和竞争力； 强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合； 是信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用；1.1.7 MMT的特点1.1.7 MMT的特点 ◆ MMT 是一项综合性技术 MMT不是一项具体的技术，而是利用系统工程思想和方法将各种相关技术集合成一个整体，它特别强调计算机技术、信息技术和现代管理技术在整个制造过程中的综合应用，特别强调人的主体作用，强调人、技术、管理的有机结合。◆ MMT 是一项动态技术 MMT 没有一个固定的模式，它要与企业的具体情况相结合。同时MMT 也不是一成不变的，而是动态发展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，并将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程，使其不断趋于完善。 1.1.7 MMT的特点1.1.7 MMT的特点 ◆ MMT 是面向全球竞争的技术 通过提高企业综合效益和对市场的快速反应能力，达到提高竞争力的目标。◆ MMT 是面向21世纪的技术 MMT是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造技术中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技术，使其产生了质的飞跃。 ◆ MMT强调环保技术，符合可持续发展的战略◆ MMT 是面向工业应用的技术 MMT 有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度 为目的，重在实际效果。现代制造技术现代制造技术第1章 现代制造技术导论 1.2.1 AMST多层次现代制造技术体系1.2.1 AMST多层次现代制造技术体系 ◆第二个层次是新型的制造单元技术。如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、CAD／CAM、清洁生产技术、新材料成形加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。◆第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。包括精密下料、精密塑性成形、精密铸造、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、精密热处理、优质高效连接技术、功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术、各种现代管理技术。◆第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的。1.2.2 FCCSET现代制造技术体系 1.2.2 FCCSET现代制造技术体系 null1.2.2 FCCSET现代制造技术体系面向制造的设计技术群 产品/工艺设计 计算机辅助设计 工艺过程建模和仿真 工艺规程设计 系统工程基础 快速成型技术 并行工程制造工艺技术群 材料生产工艺 加工工艺 联接与装配 测试和检测 环保技术 维修技术 其他 信息技术 接口技术 集成技术 人工智能 数据库 软件工程 决策支持 标准和框架 数据标准 工艺标准 接口框架 产品定义和标准 检验标准 机床和工具技术 传感器和控制技术 质量管理 用户/供应商交互作用 工作人员培训和教育 全国监督和基准评测 技术获取和利用 主 体 技 术 群支撑 技术群制造基础 设施环境使先进制造技术适用于具体企业应用环境，充分发挥其功能，取得最佳效益的一系列措施，是先进制造技术生长的机制和土壤。其内容主要包括：1.2.3 现代制造技术的分类 1.2.3 现代制造技术的分类 现代制造技术的研究可分为四大领域，并形成一个有机整体：◆ 先进制造生产模式 敏捷制造、精益生产、并行工程、精良生产、智能制造、 虚拟制造等。◆ 现代设计技术 计算机辅助设计技术、仿真与虚拟设计、优化设计、绿 色设计、可靠性设计等。◆ 先进制造工艺技术 特种加工技术、快速原型制造技术、超高速超精密加工、 微型机械加工技术等。◆ 制造自动化技术 数控技术、工业机器人、计算机集成制造系统、柔性制造 系统等。现代制造技术现代制造技术第1章 现代制造技术导论 1.3 MMT的发展趋势1.3 MMT的发展趋势 ◆ 信息技术对MMT发展起着越来越重要的作用 信息技术是各种先进制造技术的重要支撑，信息技术向制造技术的注入与融合，必将促进MMT的不断发展。 ◆ 现代设计技术将迅速发展和不断完善 包括CAD，CAE，DFX，健壮设计，优化设计，智能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。 ◆ 材料成形向精密、低耗、清洁方向发展 材料成形技术将使毛坯从接近零件形状向直接制成工件精密成形或称净成形的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，本世纪初，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。运用改性技术，将获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时减少能耗并消除污染。 1.3 MMT的发展趋势1.3 MMT的发展趋势 ◆ 加工技术向超精密、超高速方向发展 ◆ 绿色制造将成为21世纪制造业重要特征 包括：绿色产品设计技术（产品在全生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求）；绿色制造技术（在整个制造过程，对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高）；产品的回收和循环再制造（例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术等）。 ◆ 虚拟制造将获得广泛应用 首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低成本，提高系统快速响应市场变化的能力。 null