先进制造技术与创新设计

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1、先进制造技术与创新设计,彭必友 2011-11-14,东芝事件,二十世纪70年代, 美国不重视制造业的发展, 导致美国80 年代的经济衰退。80 年代后期, 一些国会议员、政府要员纷纷要求政府支持制造产业, 1991年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, 把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果使美国经济连续年取得了23%的增长率, 而且还同时保持低通胀率和低失业率。,美国,上个世纪70至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, 结果汽车和家用电器占领了全世界的市场, 特别是

2、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是依靠日本的芯片, 是日本的芯片打败了伊拉克的钢片。,瑞士的年人均国民生产总值居世界第一,达到4.3万美元以上。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, 小小的军刀也风靡全球。,日本,瑞士,1998年爆发的东南亚经济危机, 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。一个国家如果未发展自己的制造业,而把经济的基础放在旅游、金融、房地产、服务业上, 经

3、济就容易形成泡沫, 一有风吹草动就易产生经济危机。,东南亚经济危机,装备制造业是国民经济发展的基础，担负着为国民经济各行业提供装备的重要任务 ！,现代武器装备是先进制造技术的载体； 尖端制造技术和装备一直是西方国家技术封锁和限制的重点; 保证就业率稳定，缓解就业压力，保障社会稳定。,制造技术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

4、化为供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业。,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。 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。,中国制造业目前取得的成就,统计数字显示，简单的“拿来主义”在市场换技术非常盛

5、行。在钢铁、石化、电力、纺织、建筑等15个行业，中国装备技术水平落后于世界先进水平5-10年，有的甚至落后20-30年。光纤制造设备和60万千瓦发电机的控制设备几乎百分之百靠进口；集成电路芯片制造设备的85%、石油化工设备的80%、轿车制造装备、数控机床和其他数字化机械（如纺织机械、多色胶印设备）70%以上依靠进口。直到今天，国内高技术难度的大型化工装置仍是国外产品的天下。,制造技艺制造技术制造科学； 制造科学已不可能在孤立、封闭的状态下发展，必然走兼采百家之长、交叉融合的道路； 现代物理、数学、化学、生命、信息、材料、管理和系统等科学的发展，为制造科学不断提供新的推动力，也不断丰富着现代制造

6、科学的内涵和外延。,制造科学已成为多学科交叉的学科,许多高技术我国尚未掌握，许多重大装备我国不能自主制造，缺乏自主创新能力!,是制造大国，不是制造强国,发电设备、机床、汽车、电子制造等产品产量居世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界500强,关键装备大多依赖进口 光电子制造设备的100% IC制造装备的85% 高档数控机床的70%,原创性的技术和成果缺乏，企业的核心竞争力不足，制造科学基础研究相对薄弱,综上所述,制造业是国家的战略性产业,高度发达的制造业，是实现工业化的必备条件,高度发达的制造业，是衡量国家国际竞争力的重要标志,高度发达的制造业，是决定国家在经济全球化进程中国际分工地位的关

7、键因素,主要内容,1 先进制造技术 2 数控机床关键技术 3 非传统制造技术 4 我国制造技术的优先发展方向 5 在大学期间如何实现创新设计,1 先进制造技术,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,吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果, 综合应用于产品设计、制造全过程, 以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产, 提高对市场的适应和竞争能力的制造技术总称。也就是说，它不再是传统意义上的机械加工，而是以计算机技术为平台，集机械、电子、光学、信息、材料、能源、环境、现代管理等于一体，贯穿于产品全寿命周期，并以取得理想的经济效益为目标的有机整体。,主体技术,相关技

8、术,数控技术 成组技术,计算机技术 微电子技术,信息技术 激光技术,人机工程 传感技术,人工智能 其它,CAD/CAE 并行工程 RE（反求工程） 虚拟产品设计 绿色产品设计,高速/超高速切削加工技术 少/无切削制造技术 快速原型制造技术 CAM 虚拟制造,分布式数控系统 柔性制造系统 CIMS 智能制造系统,物料需求计划 制造资源计划 企业资源计划 准时、精益、敏捷、 全球化制造,现代设计技术,先进制造工艺技术,制造系统综合 自动化技术,现代生产经营和 管理技术,基础技术,机械科学 材料科学,系统工程 控制工程,管理科学 人文/社会科学,市场经济学 优化理论,其它,主体技术,数字化设计制造技

9、术,CAD:是由计算机硬件和硬件系统构成的人机交互系统，辅助工程技术人员根据产品功能和性能需求进行结构设计，建立产品的三维几何模型，输出二维工程图。典型的CAD系统有AUTOCAD,CATIA,UGS和PRO/E等。,数字化设计制造技术,CAE:是对产品的静态强度、动态性能等在计算机上进行分析、模拟仿真的计算机系统。典型的CAE系统如ANSYS,NASTRAM,ADMAMS等。,数字化设计制造技术,CAM:是指辅助完成从产品设计到加工制造之间生产准备活动的计算机应用系统，包括NC编程、工时定额计算，加工过程仿真等。在CATIA,UG和PRO/E等CAD/CAM系统中，均包含专门的CAM模块。,

10、20世纪90年代制造业的标志性进展 波音777的设计和制造,全数字化定义无纸生产数字化预装配无金属样机的生产 （虚拟制造的一部分）广域网上的异地设计、异地制造基于STEP的数据交换 协同工作小组Team work 238个 设计制造周期大大缩短：4年 （而波音757、767约9-10年） 更大的利润，每架777，$1.4亿,基于分布式CAD/CAM系统在 8台IBM大型计算机ES/9000 和IBM50805086图形终端， 发现零件干涉2500处，减少 工程更改50以上,设计、工艺、制造、供应商、 潜在用户的工作小组，7000人 参加，采用并行工程的模式。,Internet将发动机供应商GE

11、、 HP和诺依斯罗斯联在一起。,63M长的波音777，装配准误差 仅0.58mm.,数字化设计制造技术,是基于虚拟现实技术（VR）的新一代计算机辅助设计,是基于多媒体的、交互的渗入式或侵入式的三维计算机辅助设计环境中，设计者不但能够直接在三维空间中通过三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，并且最终生成精确的系统模型，以支持详细设计与变型设计，同时能在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用需要。,虚拟产品设计与制造,机械制造中用精确成形方法制造零件的工艺，也称少无切屑加工。传统的生产工艺最终多应用切削加工方法来制造有精确的尺寸和形状要求的零件，生产过程中

12、坯料质量的30以上变成切屑。这不仅浪费大量的材料和能源，而且占用大量的机床和人力。采用精确成形工艺，工件不需要或只需要少量切削加工即可成为机械零件，可大大节约材料、设备和人力。少无切削加工工艺包括精密锻造、冲压、精密铸造、粉末冶金、工程塑料的压塑和注塑等。型材改制，如型材、板材的焊接成形，有时也被归入少无切削加工。,少无切削加工,快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：产品三维CAD模型分层离散按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料生成实体模型。 该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信

13、息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。,快速原型,快速原型技术突破了“毛坯切削加工成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：,快速原型技术的特点,(1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。 (2)属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。 (3)无振动、噪声和切削废料。 (4)可实现夜间完全自

14、动化生产。 (5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。,智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能以一种高度柔性与击沉不高的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、构思和决策等，从而取代或者延伸制造环境中人的部分脑力劳动。同时，收集、存贮、完善、共享、集成和发展人类专家的智能。,智能制造系统,特征：自组织能力；自律能力；自学习和自维护能力；整个制造环境中智能继承。,简称(Flexible Manufacturing System) ，是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。

15、柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。 FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。,柔性制造系统,综合性技术 将各种相关技术集合成一个整体, 强调人、技术、管理的有机结合; 动态技术 要不断地吸收和利用各种高新技术成果, 将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程; 面向工业应用全球竞争的技术 有明显的需求导向特征,不以追求技术高新为目的, 重在实际效果; 面向21 世纪的技术 它保留了传统有

16、效要素,吸收高新技术, 强调环保、符合可持续发展。,先进制造技术的特征,2 数控机床关键技术,数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是体现机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资， 是我国经济发展的重要动力。现在工业发达国家都把生产高速、高精、复合加工机床作为其重要的发展目标，其生产能力和技术水平已经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志。,我国政府也已将机床行业提高到了战略位置， 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年) 确定了涉及信息、生物等战略产业领域， 能源资源环境和人民健康等重大紧迫问题，以及军民两用技术和国防技术领域的1 6个国家科技重大专项，其中包含“高档数控机床与基础制造装备” 专项。2008年8月，国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备” 论证启动会在北京隆重召开， 审议并原则通过高档数控机床与基础制造装备科技重大专项实施方案。会议认为： 实施高档数控机床与基础制造装备科技重大专项，对于提升我国数控机床和基础制造装备产业的自主创新能力和核心竞争力，带动装备制造业结构调整和相关产业发展， 扩大内需，具有重要意义。,