1、第10章先进制造技术,第10章先进制造技术,10.1 概述,10.1.1 先进制造技术的特点10.1.2 先进制造技术的发展趋势,10.1.1 先进制造技术的特点,1.先进制造技术的实用性 从先进制造技术的发展过程及制造全过程的应用范围，特别是达到的目标与效果，无不反映这是一项应用于制造业，对制造业、国民经济的发展起重大作用的实用技术。2.先进制造技术应用的广泛性 由于其组成中包括了设计技术、自动化技术、系统管理技术，因而其综合应用于制造的全过程，已经覆盖了产品设计、生产准备、加工与装配、销售使用、维修服务甚至回收再生的整个过程。,10.1.1 先进制造技术的特点,3.先进制造技术的动态特征
2、先进制造技术本身是针对一定应用目标，不断地吸收各种高新技术逐渐形成、不断发展的新技术。 4.先进制造技术的集成性 先进制造技术由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，界线逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科，因此可以称其为“制造工程”。,10.1.1 先进制造技术的特点,5.先进制造技术的系统性 传统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流，随着微电子、信息技术的引入，先进制造技术还能驾驭信息生成、采集、传递、反馈、调整的信息流动过程。 6.先进制造技术强调的是实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产,10.1.1 先进
3、制造技术的特点,7.先进制造技术最终的目标 提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力，为确保生产和经济效益持续稳步的提高，能对市场变化做出更灵捷的反应，以及对最佳技术效益的追求，提高企业的竞争能力。,10.1.2先进制造技术的发展趋势,“中心”的变化,以技术为中心以产品为中心,以顾客为中心,以市场为中心,1企业生产方式面临重大变革,金字塔式多层组织,企业生产组织形式变化,顺序工作方式,并行工作方式,企业生产工作方式变化,“快鱼”吃“慢鱼”,企业生产竞争策略转变,10.1.2先进制造技术的发展趋势,2设计技术不断现代化(1)设计方法和手段现代化（2）新设计思想和方法不断出现（3）向全寿命周期
4、设计发展。（4）由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素。3绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征（1）绿色产品设计技术 达到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 主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品三方面的内容。（3）产品的回收和循环再制造 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。（4）ISO14000环保管理标准 ISO14000环境管理体系的国际标准，是规范企业和社会团体等所有组织的环境行为，以达到节省资源、减少环境污染、改善环境质量、促进经
5、济持续、健康发展。,10.1.2先进制造技术的发展趋势,4成形制造技术向精密成形或净成形的方向发展 21世纪成形制造技术正在从制造工件的毛坯、从接近零件形状（Near Net Shape Proccess）向直接制成工件精密成形或称净成形（Net Shape Proccess）的方向发展。5加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展（1）超精密加工技术 加工精度达到0.025m，表面粗糙度达0.0045m，已进入纳米级加工时代。（2）超高速切削 铝合金超高速切削速度已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金为300m/min，钛合金200m/min。超
6、高速切削已从金属材料转移到一些难加工材料的切削加工。（3）新一代制造装备的发展 市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发。,10.1.2先进制造技术的发展趋势,6、新型加工方法以及复合工艺不断发展（1）新能源或能源载体的引入，形成了多种崭新的特种加工及高密度能束切割、焊接、熔炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺。（2）超硬材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶微晶合金、功能材料等新型材料的应用，扩展了加工对象，导致某些崭新加工技术的产生。7、应用快速原型制造技术得到快速发展和应用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
7、面几何信息逐层加工堆积原材料生成实体模型加工产品。,10.1.2先进制造技术的发展趋势,8虚拟现实技术在制造业中将广泛应用虚拟制造技术是以计算机支持的仿真技术为前提，形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品。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异地联系起来，进行异地开发、网上讨论，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。9工艺由技艺发展为工程科学，工艺模拟技术得到迅速发展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。工艺模拟也发展并应用于金属切削加工过程、产品设计过程。最新的进展是在并行工程环境下，
8、开展虚拟成形制造，使得在产品的设计完成时，成形制造的准备工作（如铸造）也同时完成。,10.1.2先进制造技术的发展趋势,10专业、学科间的界限逐渐淡化、消失先进制造技术的不断发展，在冷热加工之间，加工、检测、物流、装配过程之间，设计、材料应用、加工制造之间，其界限均逐渐淡化，逐步走向一体化。这种趋势表现生产专业车间的概念逐渐淡化，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。11技术创新将成为21世纪企业竞争的焦点随着市场的动态多变性，迫使企业必须及时调整经营策略。重视生产技术的开发和应用，企业视质量为生命，质量管理持之以恒，以人为本，高度重视激发员工的积极
9、性。美国制造业的经营策略变化历程如下：60年代规模效益第一：70年代价格第一；80年代质量第一；90年代市场响应速度第一；预计21世纪将是技术创新第一。,10.2 特种加工技术,10.2.1 特种加工的概念 10.2.2 特种加工的特点 10.2.3 特种加工的分类,10.2.1 特种加工的概念,特种加工是指不仅用机械能，而且主要还采用电、声、光、热以及化学能来切除金属或非金属层的一种新型加工方法。,10.2.2 特种加工的特点,(1) 不是依靠机械能，而是用其他能量(如电、化学、光、声、热等)去除金属材料。(2) 加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，故加工的难易与工件硬度无关。(
10、3) 各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。,10.2.3 特种加工的分类,10.2.3 特种加工的分类,10.3 成组技术,10.3.1 成组技术产生的背景10.3.2 成组技术的基本概念、原理及其发展10.3.3 成组技术的零件编码,10.3.1 成组技术产生的背景,“成组技术”被公认为是解决多品种、小批量生产的有效途径。在生产领域, 由于社会需求的多样化，机械制造所面临的任务是：迅速更新和发展产品品种，不断提高生产率。为了提高生产效率，就要用大批量生产的组织形式并以高效的生产设备、高效的工艺技术去制造单件小批的零件，降低生产成本，成组技术
11、(Group Technology简称GT)就应运而生。,10.3.2成组技术基本概念、原理及其发展,基本概念：成组技术就是用科学的方法将企业生产的多种产品、部（组）件和零件，按照特定的相似性准则（分类系统）分类归组，并按零件族的工艺要求配备相应的工装设备，采用适当的布置形式组织成组加工的方法。,成组技术的基本原理,1.成组技术将成组工艺与计算机技术、数控技术、相似理论和方法论的有机结合。 2.成组加工是将某一工序中加工方法、安装方式和机床调整相近的零件组成零件组，放在一起加工，以减少机床调整工作量和提高加工效率。 3.在零件设计过程中，许多零件也具有相似的形状，那些零件可以归并成设计族，在设
12、计一个新零件可以通过修改一个现有的族的零件而形成。,10.3.3 成组技术的零件编码,1.零件分类编码的基本原理 在成组技术中，如何将一个零件分类为组是非常关键的。分类是根据事物的特征属性，把事物划分成不同组的过程 。2.编码的常用分类方法编码 在国外采用的常用分类方法有77种，主要分类方法其中较为著名的有捷克斯洛伐克的VUOSO（乌奥索）分类编码系统、德国的OPITZ（奥匹兹）和ZAFO，英国的Brisch，日本的KK-3和丰田分类法，苏联的BEPTH和我国的JLBM-1机械零件编码法则、BLBM兵器零件编码法则。,10.3.3 成组技术的零件编码,3.零件分组的方法（1）视检法 是根据零件
13、图样或实际零件及其加工工艺过程，直观地凭经验判断零件的相似性，对零件成组分类。 （2）编码分类法 按JLBM-1分类编码系统对零件在分类。 （3）生产流程分析法 是一种按零件的工艺相似特征进行分类的方法，通过相似的物料流找出相似的零件集合与加工设备集合之间的对应关系。,10.4 计算机辅助工艺过程设计,10.4.1计算机辅助工艺过程设计的基本概念10.4.2CAPP的设计方式10.4.3典型的CAPP系统,10.4 计算机辅助工艺过程设计,10.4.1计算机辅助工艺过程设计，简称CAPP (Computer Aided Process Planning)是根据产品设计所给出的信息进行产品的加工
14、方法和制造过程的设计。世界上最早研究CAPP的国家是挪威，1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS；1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统。,10.4.2 CAPP的设计方式,CAPP的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。1）可以将工艺设计人员从繁琐和重复性的劳动中解放出来，转而从事新产品及新工艺开发等创造性的工作；2）可以大缩短工艺设计周期，提高产品在市场上的竞争力；3）有助于
15、对工艺设计人员的宝贵经验进行总结和继承；4）为实现CIMS创造条件。,10.4.3 典型的CAPP系统,1.变异式CAPP系统 变异式CAPP系统是利用成组技术原理，将零件按几何形状及工艺相似性分类、归族，每一族有一个典型样件，根据此样件建立典型工艺文件，存入工艺文件库中。变异式CAPP系统又可称作派生型、修订型CAPP系统。 2.创成式CAPP系统 创成式CAPP系统可以定义为一个能综合加工信息、自动地为一个新零件制订出工艺过程的系统。 3.交互式CAPP系统 交互式CAPP系统采用以人机交互为主的工作方式，操作人员在系统的提示引导下，回答工艺设计中的问题，对工艺过程进行决策。 4.半创成式
16、CAPP系统 综合式CAPP系统将变异式与创成式结合起来，即采取变异与自动决策相结合的工作方式。 5.智能化CAPP 也称CAPP专家系统，它是将人工智能技术应用在CAPP系统中所形成的专家系统。与创成式CAPP系统相比，虽然二者都可自动生成工艺规程，但创成式CAPP是以“逻辑算法+决策表”特征，而CAPP专家系统是以“推理+知识”为特征。,10.5 数控技术,10.5.1概述 数控技术，简称NC，即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。 用数字化信息控制的自动控制技术称为数字控制技术。采用数控技术控制的机床称为数控机床。数控技术是典型的机电一体化技术，它将微电子设备（主要是微机
17、）信息处理功能和机械的几何运动结合于一体，微机通过数字量去控制机械运动。,10.5.2 数控加工的一般过程,图10-1数控机床加工过程,10.6 机械制造自动化与信息化,10.6.1柔性制造系统10.6.2、计算机集成制造系统（CIMS）,10.6.1 柔性制造系统,1概述 柔性制造系统(FMS-Flexible Manufacturing System)就是以数控机床，加工中心及辅助设备为基础，实现自动完成工件的加工、装卸、运输、管理的系统。 它的主要特点是： （1）高柔性 即具有较高的灵活性、多变性，能在不停机调整的情况下，实现多种不同工艺要求的零件加工和不同型号产品的装配，满足多品种、小
18、批量的个性化加工需求。 （2）高效率 合理控制设备的切削用量实现高效加工，同时使辅助时间和准备终结时间减小到最低的程度，从而提高生产效率。 （3）高度自动化 工件的加工、装配、检验、搬运、仓库存取完全由自动化程度高的设备来完成。 （4）经济效益好 柔性化生产大大减少机床数目、减少操作人员、降低产品成本，大大削减零件成品仓库的库存、大幅度地减少流动资金、缩短资金的流动周期。,10.6.1 柔性制造系统,2FMS系统的组成（1）控制系统是柔性制造系统FMS的核心。它管理和协调柔性制造系统内各项活动，以保证生产计划的完成，实现最大的生产效率。 （2）物料运载装置 FMS中的物流系统与传统的自动线或流
19、水线有很大的差别，运载装置主要完成工件、刀具以及其他物料的运输。（3）自动化仓库 自动化仓库不仅是储存和检索物料的场所，也是FMS物料系统的一个组成部分。（4）柔性制造单元 由多台数控机床或加工中心，并配备有某种形式的托盘交换装置，机械手或工业机器人等搬运装置，计算机系统实时控制和管理。（5）机床夹具 大量使用组合夹具或柔性夹具。（6）刀具管理系统 刀具管理系统是负责刀具的运输、存储和管理，适时地向加工单元提供所需的刀具，并监控刀具的使用，及时取走已报废的刀具。,10.6.2 计算机集成制造系统（CIMS）,1CIMS的概念 用计算机网络将产品生产全过程的各个子系统有机地集合成一个整体，以实现
20、生产的高度柔性化、自动化和集成化，达到高效率、高质量、低成本的生产目的，这种系统就是计算机集成制造系统（CIMS-computer integrated manufacturing system）。,10.6.2 计算机集成制造系统（CIMS）,2CIMS六大系统的组成1）集成化工程设计与制造系统CAD/CAE/CAPP/CAM；2）集成化生产管理信息系统（CAPM或MIS）；3）柔性制造系统（FMS/FMC）；4）数据库与网络（DB与NW）；5）质量保证系统（QCS）；6）物料储运和保障系统。,10.7 绿色制造技术,10.7.1绿色制造技术的基本理念10.7.2绿色设计10.7.3清洁生产
21、10.7.4绿色制造的发展趋势,10.7.1 绿色制造技术的基本理念,绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低。,1.绿色设计（GreenDesign）也称生态设计(EcologicalDesign),环境设计（DesignforEnvironment）,环境意识设计（EnvironmentConsciousDesign）。在产品及其寿命周期全过程的设计中，着重考虑产品
22、环境属性（可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等）并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。 2.绿色产品设计：绿色材料选择设计；绿色制造过程设计；产品可回收性设计；产品的可拆卸性设计：绿色包装设计；绿色物流设计；绿色服务设计；绿色回收利用设计等。,10.7.2 绿色设计,10.7.3 清洁生产,清洁生产（cleaner production）是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以增加生态效率和减少人类及环境的风险。在不同的发展阶段或者不同的国家有不同的叫法，例如“废物减量化”、“无废工艺”、“污染预防”等。但其基本内涵是
23、一致的，就是对生产过程与产品采取整体预防的环境策略，减少或者消除它们对人类及环境的可能危害，同时充分满足人类需要，使社会经济效益最大化的一种生产模式。,10.7.4绿色制造的发展趋势,1.全球化 绿色制造的研究和应用将越来越体现全球化的特征和趋势，制造业对环境的影响往往是超越空间的，近年来许多国家要求进口产品绿色性认定，要有“绿色标志”。 这也从另外一个角度说明了全球化的特点。2.社会化 绿色制造的社会支撑系统，绿色制造的研究和实施需要全社会的共同努力和参与，政府可制定绿色政策，用市场经济的机制对绿色制造实施导向。3.集成化 将更加注重系统技术和集成技术的研究，绿色制造的集成功能目标体系、产品
24、和工艺设计与材料选择系统的集成、用户需求与产品使用的集成、绿色制造的问题领域集成、绿色制造系统中的信息集成、绿色制造的过程集成等集成技术的研究将成为绿色制造的重要研究内容。,4.并行化 绿色并行工程将可能成为绿色产品开发的有效模式，绿色设计的一个重要趋势就是与并行工程的结合，从而形成一种新的产品设计和开发模式绿色并行工程。5.智能化 人口智能化和智能制造技术将在绿色制造研究中发挥重要作用，绿色制造的决策目标体系是现有制造系统TACS(即产品上市的时间T、产品质量Q、产品成本C和为用户提供的服务S)目标体系与环境影响E和资源消耗R的集成，形成了TQCSRE的决策目标体系。要优化这些目标，是一个难于用一般数学方法处理的十分复杂的多目标优化问题，需要用人工智能方法来支撑处理。6.产业化 绿色制造的实施将导致一批新兴产业的形成，除了大家已注意到的废弃物回收处理装备制造业和废弃物回收处理的服务产业外。,10.7.4绿色制造的发展趋势,
