先进制造技术概论47

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1、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 制造技术制造技术 制造过程制造过程 制造系统制造系统 制造业制造业 1.1 制造、制造系统和制造业 制造制造 是一种有特定目标的技术经济活动；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、环境和和技能，在遵循自然规律的基础上，综合技术、经济、环境和

2、 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。程。 制造技术（制造技术（Manufacturing Technology)Manufacturing Technology) 按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物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

3、术。即：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使原材料成为产品而使用的一系列技术的总称. . 制造过程制造过程 产品从设计、生产、使用、维修、报废、回收等的全产品从设计、生产、使用、维修、报废、回收等的全 过程，也称为产品生命周期。过程，也称为产品生命周期。 制造系统制造系统 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。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：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、养殖业和采矿业第一产业

4、：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（将原材料转化为产品的过程，即生产车间的加工和装配过 程程。）。） 第三产业：金融、服务行业。第三产业：金融、服务行业。 制造业制造业 将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、信将制造资源（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

5、为供息、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。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占一个国家国民生产总值的20205555，在一个国家的工，在

6、一个国家的工 业生产力构成中制造技术的作用一般占业生产力构成中制造技术的作用一般占6060左右。左右。 制造业吸纳的劳动力比例很高，尤其在工业化国家中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，从事各种形式的制造活动的人口约占总人口的l l4 4。 我国从事制造业的人数预计到我国从事制造业的人数预计到20502050年将增加到年将增加到1 17 7亿亿 。制造业为国民经济各部门提供所需的各种装备，为科学。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。事业和教育事业的发展提供重要的财力、物力支撑。

7、世界上各个国家经济的竞争，主要是制造业的竞争。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。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

8、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(

9、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(CADCAM)、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(MRP)、 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(

10、FMCFMS) 、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

11、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

12、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 “精精”是发展的关键是发展的关键精确化精确化 加工精度精密化加工精度精密化 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；度等均达纳米级； 操作尺度细微化操作尺度细微化 基因操作机械，其移动距离为纳米级，移动精度为基因操作机械，其移动距离为纳米级，移动精度为 0.10.1纳米级纳米

13、级 物理性能精确化物理性能精确化 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） “极极”是发展的焦点是发展的焦点极端、极限极端、极限 几何形体上，极大、极小、极厚、极薄、极平、极柔、几何形体上，极大、极小

14、、极厚、极薄、极平、极柔、 极圆、极方、奇形怪状；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；脆性、极强磁性、极强辐射性、极强腐蚀性； MEMSMEMS（Micro-Electro-Mechanical_System)Micro-Electro-Mechanical_System)技术和产品技术和产品 是典型极端、极限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关于微电子芯片制造 1. 1. 巨大的投资巨大的投资 建一座生产建一座生产10001000兆位存储器的芯

15、片制造厂，需要投资兆位存储器的芯片制造厂，需要投资150150亿美元亿美元 2. 2. 当前的芯片制造设备当前的芯片制造设备 （1 1）超净：尘埃颗粒直径）超净：尘埃颗粒直径0.10.1微米微米 颗粒数颗粒数0.10.1个个/ /立方英尺空气立方英尺空气 （2 2）超纯：有害杂质含量达到）超纯：有害杂质含量达到ppbppb（十亿分之一）十亿分之一） （3 3）超精加工：钠米级）超精加工：钠米级 我国的我国的“龙芯龙芯”。 日本日立公司（日本日立公司（20062006）报导：集成电路小如尘粒）报导：集成电路小如尘粒. . 长、宽长、宽150150m m， 厚厚7.57.5m m 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