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1、先进制造技术与系统前言.1第一章先进制造技术概述.2第一节制造技术的基本概念与发展概况.2第二节面向知识经济的制造业.7第三节21 世纪制造业的主要特点.12第四节21 世纪对制造业的挑战.14第五节先进制造技术的基本内容与体系结构.16第六节先进制造技术的发展趋势.22第三章 先进制造系统工程设计技术.74第一节并行工程.74第二节面向“X”的设计（Design for X）.88第三节反求工程技术(Revese Engineering).94第四章 制造自动化技术.98第一节计算机辅助制造(CAM).99第二节数控编程技术.101第三节CAPP 技术计算机辅助工艺过程设计.107第四节CA
2、D/CAPP/CAM 集成技术.116第五节柔 性 制 造 系 统.129第六节计算机集成制造系统.138第五章 先进制造系统管理技术.151第一节概述.151第二节成组技术（Group Technology）.153第三节准时生产(JIT)管理方式.162第四节精益生产.172第五节敏捷制造.181前言本课程将带领你到一个神奇的领域中去游览。这个领域与你的关系是如此之密切，以致于你每时每刻都在与它打交道。你目之所及、身之所用多是这一领域的劳动成果可是，对于这一领域，你可能又知之甚少，感到十分陌生。在新的世纪即将来临的今天，对于这一领域的突飞猛进的发展，对它所创造的令人惊异的奇迹与辉煌，你应该
3、有所了解。这个领域就是制造领域。本课程将向您讲述当代先进制造技术的各方面知识,这些内容，将会令你惊叹，让你着迷，鼓励你开拓新的知识疆界，帮助你提高适应新世纪的能力。制造业创造了人类的物质文明，而今天的先进制造技术又是人类物质文明所创造的最伟大的奇迹之一。第一章先进制造技术概述先进制造技术(Advance Manufacturing Technology，AMT)定义:是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与管理科学等多学科先进技术的综合，并应用于制造工程之中所形成的一个学科体系。第一节第一节制造技术的基本概念与发展概况制造技术的基本概念与发展概况制造业的主要任务-制造人类社会在生产和
4、生活中所需的一切产品。即：一方面创造价值，产生物质财富和新的知识。另一方面为国民经济各个部门，包括国防和科学技术的进步和发展提供先进的手段和装备。据估计，工业化国家约 70-80的物质财富来自制造业，因此，很多国家特别是美国把制定制造业发展战略列为重中之重，原因是世界经济发展的趋势表明，制造业是一个国家经济发展的基石，也是增强国家竞争力的基础；制造业是解决就业矛盾的一个重要领域，也是 21 世纪提高一个国家整体就业水平的重要基础；制造业不仅是高新技术的载体，而且也是高新技术发展的动力。一、制造系统与制造技术“制造”定义：(Manufacturing is series ofinterrelat
5、ed activities and operationsinvolving the design，materials selection，planning，production，quality assurance，management and marketing of the productsof themanufacturing industries)。制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。国际生产工程学会 1990 年制造系统(Manufacturing Systern)定义：制造系统是制造过程及其所
6、涉及的硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置以及有关软件包括制造理论、制造技术(制造工艺和制造方法等)和制造信息等组成的一个具有特定功能的有机整体。制造技术(Manufacturing Technology)定义：制造技术是按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物质工具，使原材料转变为产品的技术总称。先进制造技术的提出和发展只是近 20 年间的事情。二、传统制造业及其技术的发展制造技术发展，从蒸汽机出现到今天，经历三个发展阶段：1用机器代替手工，从作坊形成工厂在 19 世纪及 20 世纪初，各种金属切削加工工艺方法陆续形成，近代制造技术已成体系。机器(包括汽车)的生产方式是作坊
7、式的单件生产。它产生于英国，先后传到法国、德国和美国，并在美国首先形成了小型的机械工厂，使这些国家的经济得到了发展，国力大大增强。2从单件生产方式发展成大量生产方式推动这种根本变革的是两位美国人：泰勒和福特。泰勒首先提出以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理，成为制造工程科学的奠基人。福特首先推行所在零件都按照一定的公差要求来加工(零件互换技术)，1913 年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线，实现了以刚性自动化为特征的大量生产方式，它对社会结构、劳动分工、教育制度和经济发展，都产生了重大的作用。20世纪 50 年代发展到了顶峰，产生了工业技术的革命和创新，传统制造业及其大工业体系也随之建立
8、和逐渐成熟。近代传统制造工业技术体系的形成，其特点是以机械一电力技术为核心的各类技术相互联结和依存的制造工业技术体系。3.柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术20 世纪 80 年代以来所产生的现代制造技术沿着 4 个方向发展;传统制造技术的革新、拓展；精密工程；非传统加工方法；制造系统的柔性化、集成化、智能化和网络化。传统制造业的生产和技术的特点:(1)单件小作坊式生产加高度的个人制造技巧，大量的机械化刚性规模生产加一体化的组织生产模式，再加细化的专业分工。(2)制造技术的界限分明及其专业的相互独立。(3)制造技术一般仅指加工制造的工艺方法，即制造全过程中某一段环节的技术方法。(4)制
9、造技术一般只能控制生产过程中的物质流和能量流(原材料到产品的物质流运过程，能量的投入、转换和消耗过程)。(5)制造技术与制造生产管理的分离。三、现代制造及其技术的发展新技术的发展和传统技术的革新、发展及完善：新兴材料技术(新冶炼技术、新合金材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料等)；新切削加工技术(数控机床、新刀具、超高速和精密加工)；大型发电和传输技术；核能技术；微电子技术(集成电路、计算机、电视、广播和雷达)；自动化技术；激光技术；生物技术和系统工程技术。传统制造业在 20 世纪开始的新的革命性的变化和进步，传统制造开始向现代制造发展。现代制造及其技术的形成和发展特点是：(1)生产规模
10、：从少品种大批量，发展到单件小批量、多品种变批量。(2)生产方式：从劳动密集型，发展到设备密集型、信息密集型、知识密集型。(3)制造装备：从手工，发展到机械化、单机自动化、刚性自动线、柔性自动线+智能自动化。(4)制造技术和工艺方法：发展中现代制造特征表现为：重视必不可少的辅助工序，如加工前后处理；重视工艺装备，使制造技术成为集工艺方法、工艺装备和工艺材料为一体的成套技术；重视物流、检验、包装及储藏，使制造技术成为覆盖加工全过程的综合技术，发展优质高效低耗的工艺，取代落后 吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果，形成 CAD、CAM、CAPP、CAT、CAE、NC、CNC、MIS、FMS、C
11、IMS、IMT、IMS 等一系列现代制造技术。实现上述技术的局部或系统集成，形成从单机到自动生产线等不同档次的自动化制造系统；(5)引人工业工程和并行工程概念：强调系统化及其技术和管理的集成，将技术和管理有机地结合在一起；引入先进的管理模式，使制造技术及制造过程成为覆盖整个产品生命周期，包含物质流、能量流和信息流的系统工程。四、制造业发展过程中竞争的焦点和策略市场竞争是制造业永恒的话题。从 100 多年前福特(Ford)汽车的生产线开始，产生和应用不同的技术和管理模式(见表 11)。20 世纪是制造业空前发展的重要时期；制造系统的集成活动异常活跃，制造模式不断更新。制造技术广泛吸收高新技术的优
12、秀成果，并相互渗透、融合和衍生，产生急剧的变化，其目的是使所制造的产品(Product)达到：功能(Function)、交货期(Time to Market)、质量(Quality)、价格(Cost)、服务(Service)均为优良。五、先进制造技术与制造模式的发展历程20 世纪末，以微电子、信息、新材料、系统科学等为代表的新一代科学与技术的迅猛发展及其在控制领域中的广泛渗透、应用和衍生，极大地拓展了制造活动的深度和广度，急剧地改变了现代制造业的产品设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产生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
13、集和知识密集的部门。为适应这种情况的变化，美国、日本等国开展了大量的对策研究。提出了许多新观点，新思想、新概念，先后诞生了许多先进制造技术、模式与系统，例如 柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)计算机集成制造系统 CIMS 并行工程(Concurrent Engineering，CE)精良生产(Lean Production，LP)智能制造系统(Intelligent Manufacturing System，IMS)敏捷制造系统(Agile Manufacturing System，AMS)全能制造系统(Holonic manufacturing
14、 System，HMS)虚拟制造系统(Virtual Manufacturing System，VMS)全球制造(Globalization Manufacturing)系统等。见下图第二节第二节面向知识经济的制造业面向知识经济的制造业信息技术和计算机网络技术的发展各国的经济离不开与国际市场的信息、技术、资源和产品的交换。由此，一方面开阔了企业的市场，另一方面也给企业带来了全球范围的竞争压力。新经济也是全球性经济，生产过程不再局限于一国范围，而是形成“无国界的经济实体”。企业间竞争与合作、开放与限制并存的局面，必将引起世界经济结构与组织结构的重大变化，从而带来制造业的一场革命。一、知识经济的特
15、征与对制造业的影响知识经济对制造工业的影响：对产品和消费观念的改变 产品设计和制造过程的数字化和智能化 经营和制造活动的全球化等。制造技术质的飞跃：制造技术已成为一个涵盖整个生产过程、跨多个学科、高度集成的高新技术。支撑制造技术的电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光及管理科学等逐步成为制造业的新兴技术与新兴工业的综合体。问题：在知识经济条件下，制造业的地位是否降低了在知识经济条件下，制造业是参与市场竞争的主体。世界经济发展规律告诉人们：一个没有工业基础和制造业的城市是没有根基的城市。制造业能极大地推动金融、贸易、保险、房地产和服务业的发展。没有制造业作为基础，无论哪一个产业都将失去存
16、在和发展的条件。案例说明制造技术的水平和制造工业的发达程度突出地反映了一个国家、一个地区的经济实力，人民的生活质量、国防能力和社会的发展程度。一个国家如果不重视发展先进制造技术和制造工业，必然要吃亏、上当、挨打。以下仅举两个比较突出的事例来说明。美国在二战以前一直是制造大国轿车工业为支柱，在全球制造业中居于执牛耳的地位。20 世纪 50 年 代以后，因军备需要，偏重高新技术和军用技术发展，放松一般制造业。进入 70 年代后期，“第三次浪潮论在美国流传开来，认为美国进入“后工业社会”。劳动力将从工业转移到信息行业和服务行业。认为制造业已成为正在走向没落的“夕阳工业”，制造技术的发展受到冷遇。大学
17、里不再开设制造技术和制造科学课程，也少有相关研究课题。放弃了关于制造工程和制造科学方面的教育和研究工作。所谓“第三次浪潮即信息革命，“后工业社会”就是知识经济社会。这些都是正确的论断。劳动力的第二次大转移也是正在发生的事实。问题出在将制造业视为正在走向没落的“夕阳工业”，过于简单和轻率，不符合其后经济发展的事实。事实证明，知识经济的发展，不是要放弃制造业，而是要按照知识经济的特点和要求来改造制造业，使传统的制造业发展成为先进制造业，为现代社会经济的发展发挥不可替代的作用。“夕阳工业论对于美国制造业和美国经济的负面影响20 世纪的 70-80 年代在微电子工业、汽车工业的国际市场竞争日本的高质量
18、和高技术含量的产品，如汽车、摩托车、机床、录相机、照相机、电视机等产品以及亚洲和拉美国家的一些廉价产品夺走了相当一部分原属美国产品的国际市场，乃至于部分美国的国内市场。美国机床工业放弃了原已占领的 53 的市场，其年产值在 12 年间从 57 亿美元跌落到 38 亿美元。1986 年，该国仍有一半机床需要进口。1973 年石油危机，日本的节能型轿车大举进入美国，占领了相当一部分美国国内市场。直到 90 年代初，美国仍有 14 以上的国内汽车市场被日本汽车占领。在那一段时期，美国的制造业在国际市场竞争中节节败退，物资生产基础遭到严重的削弱，第二、第三产业的比例严重失调，国际贸易逆差剧增，经济空前
19、滑坡，美国公众和舆论界惊呼这种情况“危及美国国家的安全!”“帝国反击战”美国的补救行动美国政府和企业界重新审视其科学技术政策和产业政策，重新认识和评价制造技术和制造业在国民经济中的重要地位和作用。总统委员会的报告指出：“美国在重要的、高速增长的技术市场上失利的个重要原因是美国没有把自已的技术应用到制造业上。”美国开始加强对制造技术的研究与开发，相继实施了一系列振兴制造业的计划，力图夺回昔日的优势，重建新的辉煌。政府、公司与大学联手开展关于制造科学和制造技术的研究、开发与教育工作，建立了一系列工业大学联合研究中心。1991 年美国总统布什公布了“国家关键技术计划”，将“制造技术”列入六项关键技术
20、(材料、制造、电子信息、生物工程与生命科学、能源与环境以及航空、航天与地面交通)之中。1994 年被定为美国的“制造技术年”，年初，美国商务部提出：制造是工业的基础。美国政府一反过去不介入制造业的惯例，积极支持与推动制造业的发展。将制造技术列为美国财政重点扶植的唯一的领域。美国的“三大汽车公司”(通用、福特和克莱斯勒)以日本汽车公司为对手，研究赶超的主要措施和对策。例如，在 20 世纪 90 年代初，三大汽车公司与密西根大学合作，在政府的支持下，开展了一项提高轿车车身点焊总成的精度、降低车门门缝的平均宽度的研究，即所谓“两毫米工程”。对这一项研究所投入的经费达 1300 多万美元。克林顿总统上
21、台后，对制造工业给予了实质性的支持。提出并实施了振兴美国制造业的六点措施：第一，对先进制造技术的研究和开发提供更多资助，特别是新汽车技术、智能控制和传感器、快速原型设计等制造技术的研究开发计划将得到赞助；第二，支持敏捷制造技术；第三，建立全国制造技术推广中心网；第四，建立各地区的技术促进联盟；第五，促进制造工程教育的发展；第六，促进考虑环境的制造技术的发展。经过了一段时期的努力奋斗，收到良好的效果，在制造技术基础研究、技术创新、企业重组与协作等方面有了重大改观。一些欧洲报纸称：“由于采用了先进的设计技术手段，美国新设计的汽车在技术上已超过日本和欧洲。”美国的汽车产量于 1994 年重新超过日本
22、，夺回了部分失去的市场。美国机床的设计和制造水平得到了很大的提高。1994 年美国电子行业重新占据领先地位，并总结出有关制造技术的一系列先进的理论、技术和方法，如并行工程、精益生产、敏捷制造和虚拟制造等。故事思考、结论从美国这个超级大国在制造技术和制造工业的发展中所走过的弯路和所经历的波折中，我们可以看到：一个现代国家如果忽视了制造技术和制造工业，放松了对于制造技术的研究、开发和对于制造工业的促进，其后果将是何等严重!像美国这样的实力雄厚的经济大国尚且不能承受由此而引起的严重后果，更何况像我国这样的发展中国家。另一个事例(微观层面)日本东芝公司买给前苏联巨型数控加工机床，该机床加工出来的螺旋桨
23、提高了前苏联航空母舰的速度，大幅度地降低了前苏联潜艇的螺旋桨推进器在水下发出的噪声，大大提高了苏方潜艇的隐密性，增加近距离对美方舰艇发动突然袭击的可能性。美国对日本东芝公司十分恼火。1987 年 6 月 30 日美国参议院通过一项“制裁东芝机械公司的法案”，禁止这家公司在五年内向美国出口任何产品。在美国的压力下，东芝公司董事长和总经理被迫辞职。当时的日本首相及防卫厅厅长还向美国政府道歉，表明日本将加强对各公司出口的检查，保证不再发生类似事件。这就是曾经轰动一时的所谓“东芝事件”。这个事例从微观上突出地表明了制造技术的具体的成果所具有的重大意义和举足轻重的影响。二、知识经济条件下制造业面临的机遇
24、和挑战1.传统制造业特点（1）建立在规模经济基础上，靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势。（2）强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率。（3）生产赢利是靠机器取代人力、复杂的专业加工取代人的技能来获取。（4）机器的非柔性、要求标准的产品设计以获得高产出。（5）难以满足市场对产品花色品种和交货期的要求。2.制造业面临的发展机遇和严峻挑战：(1)产品生命周期缩短现代科技以日新月异的速度发展，新产品层出不穷。产品的生命周期(一个产品从开发设计到被市场淘汰所经历的时间)大大缩短。(2)用户需求多样化用户追求多样化和个性化已逐渐成为世界的潮流。(3)大市场和大竞争世界市场的开放程
25、度越来越大。计算机通信技术和信息高速公路，使全球集成制造有可能实现。使资源更充分地利用，原料和产品的运输距离显著地缩短，交货期进一步缩短，产业分工的国际化已成为发展潮流。(4)交货期成为竞争的第一要素根据客户对产品需求的变化，要求迅速作出反应，已经成为压倒一切的竞争要素。(5)信息化和智能化随着计算机技术广泛的应用，企业的控制进一步信息化和智能化，企业的工作内容、对象和方法发生根本的改变。(6)人的知识、素质和需求的变化企业职工的知识、素质有较大提高，对工作内容和环境有更高要求。(7)环境保护意识的增强与可持续发展人类发展与环境的矛盾日益加深和尖锐。人类经济活动反思重大成果:1992 年确立了
26、21 世纪议程，一致提出要遵循可持续发展模式。第三节第三节21 世纪制造业的主要特点世纪制造业的主要特点一、背景市场竞争是推动制造业不断采用先进制造技术和制造模式的因素二十多年来，世界制造业已进入了一个巨大变革时期，这一变革主要特点是：1、生产能力(包括资本、信息)在世界范围内迅速提高和扩散，已形成全球市场激烈竞争格局。2、先进生产技术的出现正在急剧地改变着现代制造业的产品结构和生产过程。3、传统的管理、劳动方式、组织结构和决策准则都在经历新的变化。这些既为制造业带来了市场竞争的压力，同时也带来了机遇。二、21 世纪制造业的主要特点是1、产品生命周期缩短，产品更新加快美国制造业的经营策略变革示
27、意图2、具备赢得竞争，提高市场占有率的四种基本能力：（1）时间竞争能力，产品上市快、生产周期短、交货及时；（2）质量竞争能力，产品不仅可靠性高，而且使用户在各方面都满意；（3）价格竞争能力，产品生成成本低，销售价格适中；（4）创新竞争能力。四种能力中最重要的是创新竞争能力3、制造全球化和贸易自由化随着世界自由贸易体制的完善、全球交通运输体系和通信网络建立，国际经济合作和交往日趋紧密，世界正在成为一个统一的大市场。制造产业、制造产品和制造技术走向国际化，导致制造业格局在全球的重新分布和组合，并使得经济竞争在国际范围内愈演愈烈。4、人类正迈向信息社会迅猛发展微电子、信息、新材料、为代表的新一代科学
28、与技术，在制造领域中广泛渗透、应用和衍生，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。5、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
29、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。第四节第四节21 世纪对制造业的挑战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
30、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：及时”捕获“、贮存数据和信息，转化为有用的知识；在任何地点、
31、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
32、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。2020 年，技术创新的单元将在以下诸方面发挥巨大的能力：1、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。2、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。3、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。4、对分子或原子级
33、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、
34、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：主体技术，包括面向制造的设计技术群和制造工艺技术群；支撑技术群；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
35、、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 Desi
36、gn)、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、CADCAM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
37、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。(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：精密加工，精度为 303m，表面粗糙度值为：Ra03003m；超精密加工精度为03003 m，表面粗糙度值为Ra03 0005m，又称亚微米加工；（1 微米=0.001mm）纳米加工精度高于 003 m，表面粗糙度值小于Ra 0.005 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
38、 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
39、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：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
40、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（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
41、程第六节第六节先进制造技术的发展趋势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
42、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。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
43、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。具体地说信息技术促进着设计技术的现代化；加工制造的精密化、快速化；自动化技术的柔性化、智能化；整个制造过程的网络化、全球化。各种先进生产模式的发展，如 CIMS、并行工程、敏捷制造、虚拟企业与虚拟制造，也以信息技术的发展为支撑。四先进制造技术向超精微细领域扩展微型机械纳米量测发展微米纳米加工制造使制造工程科学的内容和范围进一步扩大必须
44、用更新、更广的知识来解决这一领域的新课题。五制造过程的集成化产品的加工、检测、物流、装配过程走向一体化。例如CAD、CAE、CAM 使设计、制造成为一体；精密成形技术的发展，使热加工零件接近最终形状、尺寸，它与磨削加工相结合，将覆盖大部分零件的加工，淡化了冷热加工的界限；机器人加工工作站及 FMS，使加工过程、检测过程、物流过程融为一体；现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分；很多新型材料的配制与成形是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。在生产上专业车间的概念逐渐淡化，将多种不同专业的技术集成在：一台设备一条生产线一个工段或车间里的生产方式逐渐增多。六制造科学与制造技术、生产管
45、理的融合制造科学是对制造系统和制造过程知识的系统描述。制造科学包括制造系统和制造过程的数学描述仿真和优化设计理论与方法相关的机构运动学和动力学结构强度摩擦学等。制造科学是从制造工艺、技术发展而来的，是以信息为代表的现代科技与制造结合的产物。制造科学是支撑制造技术理论体系的外在表现。制造技术包含在制造科学之中，制造科学体现在制造技术里。七绿色制造将成为 21 世纪制造业的重要特征绿色制造业显得越来越重要，是 21 世纪制造业的重要特征。绿色制造技术将获得快速的发展。主要体现在：(1)绿色产品设计技术使产品在生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求。(2)绿色制造技术制造过程对环境负
46、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。(3)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。它主要包括：生产系统工厂致力于产品设计和材料处理、加工及装配等阶段；恢复系统工厂主要对产品(材料使用)生命周期结束时的材料处理循环。八虚拟现实技术在制造业中越来越多的应用虚拟现实技术(Virtual Reality Technology)主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、组织生产的传统制造模式。做法：在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（SoftPrototype)代替传统
47、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。效果：缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。虚拟企业含义：虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点：企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。九制造全球化(Manufacturing Globalization)先进制造技术的竞争正在导致制造业在全球范围内的重新分布和组合。新的制造
48、模式将不断出现，更强调实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。制造产品、市场的国际化及全球通信网络的建立，形成国际竞争与协作氛围，21 世纪制造国际化是发展的必然趋势。它包含：制造企业在世界范围内的重组与集成，如虚拟公司；制造技术信息和知识的协调、合作与共享；全球制造的体系结构；制造产品及市场的分布及协调等。从飞机制造说起飞机制造从零件加工到装配都有不同于一般机器制造的特点。现代飞机上广泛应用的大型整体结构件，如机翼整体壁板等，它们形状复杂、切削加工量大、自身刚度差，需要在工作台面很大（有达数十米）的、带有多个高速铣削头的现代数控铣床上加工。加工立体形状复杂的大型框架，如座舱风挡骨架、舱门、窗
49、框等，还需要采用多坐标联动的数控铣床或立体靠模铣床。此外，为加工切削性能不好的材料和形状复杂的零件，还广泛采用电加工、化学铣切等特种加工工艺。1.制造工艺技术概述定义：制造工艺技术是指将原材料转化成具有一定几何形状、一定材料性能和精度要求可用零件的一切过程和方法的总称。划分：按对零件的作用效果可分为改变形态的工艺(如切削加工),改变性态的工艺(如热处理)及改变外观性能的工艺(如电镀)等；按零件的精密程度可分为普通工艺、精密工艺以及超精密工艺；按使用的工具及能量形式不同可分为常规工艺、特种工艺、复合工艺以及快速制造工艺等。制造工艺方法归结为下图分类(P162 图 5-1)2.种加工技术一、特种加
50、工的产生及发展背景：传统的机械加工已有很久的历史，它对人类的生产和物质文明起了极大的作用。例如 18 世纪 70 年代就发明了蒸汽机，但苦于制造不出高精度的蒸汽机汽缸，无法推广应用。直到有人创造出和改进了汽缸镗床，解决了蒸汽机主要部件的加工工艺，才使蒸汽机获得广泛应用，引起了世界性的第一次产业革命。事实说明加工方法对新产品的研制、推广和社会经济的发展等起着重大作用。从第一次产业革命以来，到第二次世界大战以前，长达 150 多年，都靠机械切削加工，没有产生对特种加工的迫切要求，也没有发展特种加工的充分条件。人们的思想一直还局限在 18 世纪以来传统的用机械能量和切削力来除去多余的金属，以达到加工