先進制造技術課件

第一章緒論1.1先進制造技術及其主要特點1.2先進制造技術的構成及分類1.3先進制造技術的現狀及發(fā)展趨勢復習思考題1.1先進制造技術及其主要特點

1.1.1制造、制造技術、制造業(yè)與現代制造業(yè)背景制造(Manufacturing)是利用制造資源(設計方法、工藝、設備和人力等)將材料“轉變”為有用的物品的過程。制造是一個很大的概念，按制造的連續(xù)性可分為連續(xù)制造(如化工產品的制造)和離散制造(如家電產品的制造)；按行業(yè)又可分為機械制造、食品制造、化工制造、IT產品制造，等等。當今，人們對制造的概念又加以擴充，將體系管理和服務等也納入其中。制造是人類所有經濟活動的基石，是人類歷史發(fā)展和文明進步的動力。

制造技術(ManufacturingTechnology)是制造活動所涉及到的一系列技術的總稱，是提高產品競爭力的關鍵，也是制造業(yè)賴以生存和發(fā)展的主體技術。傳統(tǒng)的制造技術僅強調工藝方法和加工設備?，F代的制造技術不僅重視工藝方法和設備，還注重設計方法、生產組織模式、制造與環(huán)境和諧統(tǒng)一、制造的可持續(xù)性以及制造技術與其它科學技術的交叉和融合，甚至還涉及制造技術與制造全球化、貿易自由化、軍備競爭等內容。

制造技術發(fā)展的三階段

——用機器代替手工，從作坊形成工廠

——從單件生產方式發(fā)展成大量生產方式

——柔性化、集成化、智能化和網絡化的現代制造

技術制造業(yè)是以制造技術為主導技術進行產品制造的企業(yè)群體的總稱，是工業(yè)的主體。根據我國現行統(tǒng)計劃分，工業(yè)由制造業(yè)、采掘業(yè)以及電力、燃氣和水的生產供應業(yè)構成，制造系指第二產業(yè)中除采掘業(yè)、電力和燃氣及其生產供應業(yè)、建筑業(yè)以外的所有行業(yè)，包括30個大類、169個中類、482個小類。

制造業(yè)我國經濟發(fā)展的戰(zhàn)略重點“十一五”重點發(fā)展方向之一工業(yè)化國家：60-80%的物質財富來源。

***世界經濟發(fā)展的趨勢表明

制造業(yè)——一個國家經濟發(fā)展的基石

增強國家競爭力的基礎

——解決就業(yè)矛盾的重要領域

提高國家整體就業(yè)水平的重要基礎

——新技術的載體

世界高新技術發(fā)展的動力1、傳統(tǒng)制造業(yè)生產和技術的特點

1）單件：小作坊式生產+高度的個人制造技巧，大量：機械化剛性規(guī)模生產+一體化的組織生產模式，再加細化的專業(yè)分工。

2）制造技術的界限分明及其專業(yè)的相互獨立。

3）制造技術一般僅指加工制造的工藝方法，即制造

全過程中某一段環(huán)節(jié)的技術方法。

4）制造技術一般只能控制生產過程中的物質流和能量流。

5）制造技術與制造生產管理的分離

2、現代制造業(yè)及其技術的發(fā)展

1）在制造的生產規(guī)模上，少品種大批量→單件小批量→多品種變批量的發(fā)展。

2）生產方式上，勞動密集型→設備密集型→信息密集型→知識密集型變化。

3）制造裝備的發(fā)展過程，手工→機械化→單機自動化→剛性自動線→柔性自動線→智能自動化。4）在制造技術和工藝方法上，現代制造在發(fā)展中，其特征表現為：——重視必不可少的輔助工序，如加工前后處理?！匾暪に囇b備，使制造技術成為集工藝方法、工藝裝備和工藝材料為一體的成套技術?！匾曃锪?、檢驗、包裝及儲藏，使制造技術成為覆蓋加工全過程的綜合技術?！粩辔瘴㈦娮?、計算機和自動化等高新技術成果，形成CAD、CAM、CAPP、CAE、NC、CNC、MIS、

FMS、CIMS、IMT、IMS等一系列現代制造技術，并實現上述技術的局部或系統(tǒng)集成，形成從單機到自動生產線等不同檔次的自動化制造系統(tǒng)。5）引入工業(yè)工程和并行工程概念，引入先進的管理模式?！?21世紀的制造業(yè)

一、傳統(tǒng)制造業(yè)

企業(yè)規(guī)模在規(guī)模經濟的理念下， 生產批量強調資源的有效利用，產品結構

重復性

機器的非柔性以低成本，獲得高質標準的產品設計量、高效率高產出。 機器取代人力復雜的專業(yè)加工取代人的技能

加工制造技術與工業(yè)先進國家相比還有不少差距:

切削速度低,加工精度和表面粗糙度比國外差一個精度級左右,總體呈現出制造生產能力總量過剩而制造加工技術水平偏低的特征。

新型刀具應用不夠廣泛，刀具壽命偏低、切削性能不夠穩(wěn)定。制造自動化方面，機床數控率僅為百分之幾，機床和刀具工況在線檢測、監(jiān)控技術水平有待提高。

在精密和超精密加工方面，一般工廠能穩(wěn)定掌握的加工精度為5μm（工業(yè)發(fā)達國家為3μm），超精密加工效率和自動化水平還較低。

當前著重發(fā)展0.3-3μm的精密加工、0.03-0.3μm的超精密加工，并逐步發(fā)展精度高于0.03μm的納米加工技術。

我國在激光表面處理研究領域取得了不少成就，但在激光切割、焊接的工業(yè)應用方面與工業(yè)化國家尚有較大差距。二、制造業(yè)的變革時代生產要素組成核心

農業(yè)經濟勞動力勞動力

工業(yè)經濟資本、勞動力資本

知識經濟資本、勞動力、知識知識1、變革因素

——

社會消費的多樣化、科學技術進步

——

政治國際關系的多極化

——

經濟經濟全球化、貿易自由化

2、變革的主要特點

1）生產能力（包括資本、信息）在世界范圍內迅速提高和擴散，已形成全球市場激烈競爭格局。

2）先進生產技術的出現正在急劇地改變著現代制造業(yè)的產品結構和生產過程。

3）傳統(tǒng)的管理、勞動方式、組織結構和決策準則都在經歷新的變化。

3、制造技術給制造業(yè)帶來的變革1）常規(guī)制造工藝的優(yōu)化2）新型（非常規(guī)）加工方法的發(fā)展3）專業(yè)、學科間的界限逐漸淡化、消失4）工藝設計由經驗走向定量分析加工工藝由技藝發(fā)展為工程科學。5）信息技術、管理技術與工藝技術緊密結合

三、21世紀面臨的挑戰(zhàn)

1、快速響應市場競爭的挑戰(zhàn)――實現制造環(huán)節(jié)并行2、全球化競爭的挑戰(zhàn)――技術資源的集成有三個主要的因素促使技術資源的集成：（1）為滿足市場需求，企業(yè)必須快速響應那些具有不同期望和多種選擇的顧客。（2）快速響應環(huán)境要求在組織的各個層次上進行高效的通信，特別是與顧客、供應者和合作者的通信。（3）新技術的快速吸收要求整個企業(yè)具有快速的學習能力。3、信息時代的挑戰(zhàn)――信息向知識的轉變4、環(huán)境保護壓力的挑戰(zhàn)――可持續(xù)發(fā)展5、制造全球化和貿易自由化的挑戰(zhàn)――可重組工程6、技術創(chuàng)新的挑戰(zhàn)――全新制造工藝及產品的開發(fā)

2020年，技術創(chuàng)新的單元將在以下諸方面發(fā)巨大的能力：（——制造單元工藝）

1）多單元工藝技術集成為單一工藝將顯著減少投資、檢驗時間、搬運和加工時間。

2）全部可編程、不需要硬工裝的工藝，將使產品的制造、迅速轉產成為可能。

3）自我導引工藝的創(chuàng)建將簡化工裝和編程的要求，并提供更大的加工柔性。

4）對分子或原子級的處理將導致新材料的產生，取消分散件聯(lián)接與裝配操作，允許在一個零件中材料成份產生變化。四、21世紀制造業(yè)的主要特點

1.產品生命周期縮短

2.用戶需求多樣化

3.大市場和大競爭

4.交貨期成為競爭的第一要素

5.信息化和智能化

6.人的知識、素質和需求的變化

7.環(huán)境保護意識的增強與可持續(xù)發(fā)展

五、發(fā)展趨勢

制造業(yè)在新世紀、新技術革命的沖擊下，面臨嚴峻的挑戰(zhàn)和機遇，其發(fā)展的重要特征：

1）全球化全球經濟一體化的程度不斷提高

2）網絡化

3）虛擬化

未來制造技術發(fā)展的總趨勢：

1）精密化

2）柔性化

3）智能化

4）集成化（5）全球化1.1.2先進制造技術的定義先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnology，AMT)是一個相對的、動態(tài)的概念，是為了適應時代要求，提高競爭能力，對制造技術不斷優(yōu)化所形成的。雖然目前對先進制造技術仍沒有一個明確的、一致的定義，但經過對其內涵和特征的分析研究，可以將其定義為：“先進制造技術是制造業(yè)不斷吸收機械、電子、信息(計算機與通信、控制理論、人工智能等)、能源及現代系統(tǒng)管理等方面的成果，并將其綜合應用于產品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務乃至回收的全過程，以實現優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活生產，提高對動態(tài)多變的產品市場的適應能力和競爭能力并取得理想經濟效果的制造技術總稱?！?.1.3先進制造技術的特點1.系統(tǒng)性

2.集成性

3.廣泛性

4.高精度

5.實現優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活的生產

1.2先進制造技術的構成及分類

1.2.1先進制造技術的構成先進制造技術在不同發(fā)展水平的國家和同一國家的不同發(fā)展階段，有著不同的技術內涵。對我國而言，它是一個多層次的技術群。先進制造技術的內涵、層次及其技術構成如圖1-1所示。圖中從內層到外層分別為基礎技術、新型單元技術和集成技術，下面將分別論述。

圖1-1先進制造技術的內涵、層次及其技術構成

1.基礎技術圖1-1的最內層是優(yōu)質、高效、低耗、少或無污染(清潔)的基礎制造技術。鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、表面保護、機械加工等基礎工藝至今仍是生產中大量采用、經濟適用的技術，這些基礎工藝經過優(yōu)化而形成的基礎制造技術是先進制造技術的核心及重要組成部分。這些基礎技術主要有精密下料、精密成型、精密加工、精密測量、毛坯強韌化、無氧化熱處理、氣體保護焊及埋弧焊、功能性防護涂層等。

2.新型單元技術中間層是新型的先進制造單元技術。它是在市場需求及新興產業(yè)的帶動下，將制造技術與電子、信息、新材料、新能源、環(huán)境科學、系統(tǒng)工程、現代管理等高新技術結合而形成的嶄新的制造技術，如制造業(yè)自動化單元技術、極限加工技術、質量與可靠性技術、系統(tǒng)管理技術、先進技術基礎方法、清潔生產技術、新材料成型與加工技術、激光等特種加工技術、工藝模擬及工藝設計優(yōu)化技術等。

3.集成技術最外層是先進制造集成技術。它是應用信息、計算機和系統(tǒng)管理技術對上述兩個層次的技術局部或系統(tǒng)集成而形成的先進制造技術的高級階段，如FMS、CIMS、IMS等。國際上，美國聯(lián)邦科學、工程和技術協(xié)調委員會(FCCSET)下屬的工業(yè)和技術委員會先進制造技術工作組在1994年提出將先進制造技術分為三個技術群：①主體技術群；②支撐技術群；③制造技術環(huán)境。這三個技術群相互聯(lián)系、相互促進，組成一個完整的體系。表1-1給出了先進制造技術的體系結構。

表1-1先進制造技術體系結構

1.2.2先進制造技術的分類

1.現代設計技術現代設計技術是根據產品功能要求，應用現代技術和科學知識，制定方案并使方案付諸實施的技術。它是一門多學科、多專業(yè)相互交叉的綜合性很強的基礎技術?，F代設計技術所包含的內容有：

(1)現代設計方法?，F代設計方法包括產品動態(tài)分析和設計、摩擦學設計、防蝕設計、可靠性和可維護性及安全設計、優(yōu)化設計及智能設計等。

(2)設計自動化技術。設計自動化技術指應用計算機技術進行產品造型和工藝設計、工程分析計算與模擬仿真、多變量動態(tài)優(yōu)化，從而達到整體最優(yōu)功能目標，實現設計自動化。

(3)工業(yè)設計技術。工業(yè)設計技術指開展機械產品色彩設計和中國民族特色與世界流派相結合的造型設計，增強產品的國際競爭力。

2.先進制造工藝現代制造工藝技術包括精密和超精密加工技術、精密成型技術以及特種加工技術等。

(1)精密和超精密加工技術。精密、超精密加工技術采用去除加工(精密切削、磨削、研磨等)、結合加工(離子鍍、晶體生長、激光焊接、快速成型等)、變形加工(精鍛、精鑄等)等加工方法，使工件的尺寸、表面性能達到極高的精度?，F在的精密、超精密加工已經向納米技術發(fā)展。

(2)精密成型技術。精密成型技術是生產局部或全部、無余量或少余量半成品的工藝方法的統(tǒng)稱，包括精密凝聚成型技術、精密塑性加工技術、粉末材料構件精密成型技術、精密焊接技術及復合成型技術等。其目的在于使成型的制品達到或接近成品形狀的尺寸，并達到提高質量、縮短制造周期和降低成本的效果；其發(fā)展方向是精密化、高效化、強韌化和輕量化。

(3)特種加工技術。特種加工技術是指那些不屬于常規(guī)加工范疇的加工，如高能束流(電子束、離子束、激光束)加工、電加工(電解和電火花加工)、超聲波加工、高壓水加工以及多種能源的組合加工等。特種加工技術因其各自的獨特性能而在機械、電子、化工、輕工、航空、建筑、國防等行業(yè)以及材料、能源和信息等領域得到了廣泛的應用。

(4)表面改性、制膜和涂層技術。表面改性、制膜和涂層技術是采用物理、化學、金屬學、高分子化學、電學、光學和機械學等技術及其組合技術對產品表面進行改性、制膜和涂層，賦予產品耐磨、耐蝕、耐(隔)熱、抗疲勞、耐輻射以及光、熱、磁、電等特殊功能，從而提高產品質量、延長使用壽命和賦予新性能的新技術的統(tǒng)稱，是表面工程的重要組成部分。

3.自動化技術制造自動化是指用機電設備取代或放大人的體力，甚至取代和延伸人的部分智力，自動完成特定的作業(yè)，包括物料的存儲、運輸、加工、裝配和檢驗等各個生產環(huán)節(jié)的自動化。其目的在于減輕勞動強度，提高生產效率，減少在制品數量，節(jié)省能源消耗以及降低生產成本。自動化技術主要包括數控技術、工業(yè)機器人技術、柔性制造技術、計算機集成制造技術、傳感技術、自動檢測及信號識別技術和過程設備工況監(jiān)測與控制技術等。

4.系統(tǒng)管理技術系統(tǒng)管理技術是指企業(yè)在市場開發(fā)、產品設計、生產制造、質量控制到銷售服務等一系列的生產經營活動中，為了使制造資源(材料、設備、能源、技術、信息以及人力)得到總體配置優(yōu)化和充分利用，使企業(yè)的綜合效益(質量、成本、交貨期)得到提高而采取的各種計劃、組織、控制及協(xié)調的方法和技術的總稱。它是現代制造技術體系中的重要組成部分，對企業(yè)的最終效益提高起著重要的作用。系統(tǒng)管理技術包括工程管理、質量管理、管理信息系統(tǒng)等，以及現代制造模式(如精益生產、CIMS、敏捷制造、智能制造等)、集成化的管理技術、企業(yè)組織結構與虛擬公司等生產組織方法。

1.3先進制造技術的現狀及發(fā)展趨勢

1.3.1世界制造業(yè)現狀

1.美國制造業(yè)的競爭策略制造業(yè)是美國經濟的主要支柱，美國財富的68%來源于制造業(yè)。1991年9月，在由美國總統(tǒng)辦公廳指定的國家關鍵技術委員會向總統(tǒng)提出的雙年度報告中，認定制造領域的國家關鍵技術包括：(1)柔性計算機集成制造；(2)智能加工設備；(3)微米級和毫微米級制造；(4)系統(tǒng)管理技術。

1992年國家關鍵技術委員會又提出將先進制造技術作為國家關鍵技術。近幾年來，美國政府所采取的主要措施有：

(1)1994年從財政年度預算中撥款14億美元支持先進制造技術研究開發(fā)；

(2)先進技術計劃(ATP)1992年已有60個項目獲得資助；

(3)實施小企業(yè)革新研究計劃(SBTR)；

(4)實施工程研究中心建設計劃(ERC)；

(5)實施戰(zhàn)略制造計劃(STRATMAN)；

(6)實施有益于環(huán)境的制造計劃；

(7)實施制造科學與技術計劃；

(8)建立航空航天、電子、機床等領域的敏捷制造研究中心；

(9)在一些大學設置制造工程系、專業(yè)、研究中心或實驗室；

(10)在美國科學基金會中，制造工程與科學在工程領域列為獨立學科，以強化對其的支持。

分析美國在先進制造技術基礎領域的研究現狀，其發(fā)展趨勢大致如下：

(1)面對大制造業(yè)，用戶需求啟動研究。

(2)在制造業(yè)和制造技術較為發(fā)達的基礎上，注重制造模式的研究。

(3)CAD普及率達60%以上。

(4)在傳統(tǒng)冷、熱成型工藝基礎上，發(fā)展精度較高的成型工藝技術。

(5)發(fā)展特種與復合加工工藝，如高能束加工工藝等。

(6)利用應用軟件、傳感器和控制系統(tǒng)建造新一代智能化機床和智能化加工單元，通過建模、仿真來優(yōu)化車、鉆、銑、磨、模和注塑成型工藝過程。

(7)生產準備工作柔性化和柔性工裝卡具，近幾年成為制造領域的研究熱點。

(8)發(fā)展少或無污染和可拆卸回收的產品及其制造技術。

(9)不少大學工學院多年來設置有技術與管理相結合的工業(yè)工程科系。近些年，在大學工學院設置制造工程學科、中心、實驗室的數目不斷增加。

(10)國家科學基金資助指南中，制造工程與科學在工程領域列為獨立學科，與機械和結構學科分立，強化對制造技術基礎與應用基礎研究的支持。

2.日本制造業(yè)的發(fā)展對策美國曾以福特方法贏得全世界制造技術的優(yōu)勢。而日本人卻在福特方法的基礎上，不斷更新技術以適應市場需求。在20世紀70年代，日本汽車大舉進入美國市場，以其價廉質優(yōu)和多品種將美國三大汽車公司推向倒閉的邊緣。在1990年，僅日本FANUC公司生產的數控系統(tǒng)裝置數量就占世界市場的一半。

總體來講，IMS的研究包括三個方面：

(1)將目前各國、各企業(yè)掌握的制造技術系統(tǒng)化，包括產品設計技術和產品加工、裝配技術等。

(2)將現有技術及將要開發(fā)的技術標準化，包括制造數據的壓縮、傳遞與儲存的標準化以及物流管理技術的標準化。

(3)面向21世紀的先進制造系統(tǒng)的研究開發(fā)，包括系統(tǒng)管理技術，設計、加工和裝配技術以及制造系統(tǒng)體系結構。

3.前歐共體ESPRIT計劃和BRITE-EURAM計劃前歐共體支持先進制造技術開發(fā)的主要有關計劃是ESPRIT計劃和BRITE-EURAM計劃。ESPRIT計劃主要資助微電子、軟件工程和信息處理系統(tǒng)、計算機集成制造等方面的研究。BRITE-EURAM計劃主要資助材料、制造加工和設計以及復雜工廠系統(tǒng)等方面的研究。上述前歐共體的這種大型國家級研究項目參加者除大企業(yè)外還有小企業(yè)和大學，參加單位多，研究工作顯得分散。

4.韓國G7計劃韓國于1991年提出實施“高級先進技術國家計劃”，即G7計劃。G7計劃中的“先進制造系統(tǒng)”項目是一個將市場需求、設計、制造和分銷集成在一起的系統(tǒng)，旨在改進產品質量，提高生產率，增加國際競爭力，使韓國制造技術達到世界先進水平。該項目由韓國國家機構科技部負責，總投資額為5.95億美元，其中政府資助2.77億美元。

上述“先進制造系統(tǒng)”項目的內涵為

(1)共性基礎技術：開放式集成系統(tǒng)(包括設計自動化、并行工程等）；標準和性能評估。

(2)下一代加工系統(tǒng)：加工設備開發(fā)(包括5軸加工中心、超精非球面加工中心等）；機械技術(包括高性能主軸、高精度加工和測量等)；運營技術；集成技術。

(3)電子產品的裝配和檢驗系統(tǒng)：下一代印刷線路裝配和檢驗系統(tǒng)；用于裝配和制造系統(tǒng)的高性能機械機構；先進裝配用基礎技術(包括精密裝配、無焊料結合等）。

1.3.2先進制造技術在我國的發(fā)展

1.我國制造業(yè)相對優(yōu)勢與先進制造技術的發(fā)展

(1)我國制造技術經建國以來50余年的發(fā)展已形成較完整的技術體系，為國民經濟發(fā)展所需各類機械產品的制造提供基本的工藝技術，已能生產機床、汽車、輪船、飛機、大型發(fā)電機組等工業(yè)裝備及民用消費類制造產品。

(2)通過對引進技術的消化吸收和對企業(yè)現有技術的深化改造，不少企業(yè)已經掌握了一批相對先進的制造技術和管理方法，不少產品已成功地打入國際市場。

(3)在制造技術基礎研究的許多方面我國已具有很高水平，制造學科已發(fā)展成為一個重要的支柱學科。近百所高等工科院校設有機械制造、機電一體化等相關專業(yè)；國家有關部委也設有制造工藝與技術研究所；20世紀80年代中期，國家設立了國家自然科學基金委員會，建立了機械強度與振動、摩擦學、流體傳動與控制、激光、模具、焊接、測試與精密儀器、精密成型、汽車、超精密加工等國家重點實驗室或工程中心。

(4)在“九五”計劃的實施中，國家科學技術部的“國家科技攻關計劃”、“國家高新技術研究發(fā)展計劃”、“國家基礎研究重大項目計劃(攀登計劃預選項目)”都列入有關項目并付諸實施，其中“精密成型與加工研究開發(fā)和應用示范”、“金屬材料熱成型過程動態(tài)模擬及組織性能質量優(yōu)化控制”、“CIMS”

以及“智能機器人”等項目已全面實施。

(5)國家計委也十分重視先進制造技術的發(fā)展，在“九五”期間實施了一批發(fā)展先進制造技術的項目，如數控系統(tǒng)及裝備研究、自動測試系統(tǒng)及設備技術研究、現場總線研究、智能化儀表研究、傳感器技術研究、30萬輛轎車規(guī)模生產關鍵技術及裝備研究等。

(6)先進制造技術應用情況。①1993年國家科委組織實施“CAD應用工程”，原機械部又將1997年定為CAD推廣年，現在機械工業(yè)系統(tǒng)的骨干企業(yè)中CAD應用的普及率達到35％，但絕大多數只是“甩圖板”。②

1958年開始研制數控機床，到20世紀80年代通過引進、消化、吸收國外成熟技術開發(fā)出具有自主知識產權的數控系統(tǒng)；到80年代中期，已開始引進和自行研制柔性制造系統(tǒng)，數控機床的生產也實現了產業(yè)化。但在金屬切削機床總產量中，數控化率只有5%左右。

③

我國在20世紀70年代中期研制成功了直接數控(群控)系統(tǒng)并應用于生產，現在已擁有柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元等自動化制造系統(tǒng)。北京第一機床廠的CIMS工程于1994年初步建成，并于1995年獲得美國制造工程師學會和計算機與自動化系統(tǒng)專業(yè)學會(CASA/SME)的CIMS應用工業(yè)的稱號。在此之前，1994年清華大學獲得CASA/SME的CIMS大學領先獎。

④

我國在20世紀80年代末就注意引進先進管理模式。沈陽鼓風機廠很早就采用了國際商用機器公司(IBM)的“面向通信的生產信息和控制系統(tǒng)”(CommunicationOrientedProductionInformationandControlSystem，COPICS)，第一汽車集團公司在生產管理中引進了日本的“準時生產”(JIT)模式。據有關資料報導，我國企業(yè)已先后投入大約80億元購買了MRPⅡ軟件來建立現代生產管理系統(tǒng)或MIS系統(tǒng)。

2.我國機械制造業(yè)的差距與發(fā)展目標我國機械制造業(yè)的差距(1)產品品種少、檔次低。(2)制造工藝落后，裝備陳舊。

(3)生產專業(yè)化水平低。

(4)管理技術落后。

鑒于目前機械工業(yè)的狀況，圍繞發(fā)展先進制造技術，我國制定了機械工業(yè)發(fā)展目標：

(1)2000年，產品設計、精密和超精密加工、激光加工、表面改性、制膜和涂層、制造業(yè)和過程工業(yè)綜合自動化以及系統(tǒng)管理技術，總體上達到工業(yè)先進國家20世紀80年代末90年代初的水平。

(2)我國的優(yōu)質、高效、低耗、少或無污染的現代制造技術普及率在2000年由目前的不足10%提高到20%，預計在2010年提高到50%。

(3)形成一批高科技產業(yè)：四個加工產業(yè)（精密成型加工、精密加工、激光加工、表面處理加工）；三個自動化硬件產業(yè)(數控系統(tǒng)、工業(yè)機器人、傳感器和測試設備）；三個軟件產業(yè)(CAD、CAM、MIS）。到2000年，大型企業(yè)普遍采用CAD技術和計算機輔助管理技術；預計到2010年，大、中型企業(yè)普遍采用CAD，25%的大、中型企業(yè)采用CAM，大、中型企業(yè)主要產品的關鍵工序實現柔性化生產。

1.3.3先進制造技術的發(fā)展趨勢

當前先進制造技術的發(fā)展方向大致有以下九個方面：(1)信息技術、管理技術與工藝技術緊密結合，現代制造生產模式將得到不斷發(fā)展；(2)設計技術與手段更現代化；(3)成型及制造技術精密化，制造過程實現低消耗；(4)形成新型特種加工方法；(5)開發(fā)新一代超精密、超高速制造裝備；(6)加工工藝由技藝型發(fā)展為工程科學型；(7)實施無污染綠色制造；(8)虛擬現實技術將在制造業(yè)中廣泛應用；(9)制造過程中將貫徹以人為本的概念。

三、發(fā)展趨勢1、集合多學科成果形成一個完整的制造體2、先進制造技術的動態(tài)發(fā)展過程3、信息技術對先進制造技術的發(fā)展起著越來越重要的作用4、先進制造技術向超精微細領域擴展5、制造過程的集成化6、制造科學與制造技術、生產管理的融合7、綠色制造將成為21世紀制造業(yè)的重要特征（1）綠色產品設計技術（2）綠色制造技術。（3）產品的回收和循環(huán)再制造8、虛擬現實技術在制造業(yè)中獲得越來越多的應用（VirtualRealityTechnology）9、制造全球化

（ManufacturingGlobalization）

四、技術前沿――關鍵技術

1、可重組制造系統(tǒng)

五個方面：（1）制造工藝與工裝。（2）基礎理論（3）新的制造系統(tǒng)。（4）建模與仿真。（5）控制和通信。

2、無浪費工藝

兩個重要領域進行研究：（1）廢棄物的減少和利用。（2）產品設計和分析。

3.新的材料工藝三大領域展開：（1）創(chuàng)新的工藝過程。（2）設計和分析方法。（3）理論基礎4、生物制造技術5、企業(yè)建模和仿真兩大領域：（1）通信與信息技術。（2）建模工具6、信息技術7、滿足多層次用戶需求的產品及工藝設計方法

8、增強型人－機界面9、勞動力教育和培訓10、智能協(xié)作系統(tǒng)軟件§4先進制造工藝一、分類

1、行業(yè)標準“JB/T5992-92”機械制造工藝方法分類的代碼0-鑄造

1－壓力加工

2－焊接

3－培訓加工

4－特種加工

5－熱處理6－覆蓋層

7－裝配與包裝8—其他2、主要的新型加工方法類型

——

精密加工和超精密加工

——

超高速加工

——

微納加工

——

特種加工及密度高能加工

——

快速原型制造

——

新型材料加工

——

大件及超大件加工

——

表面功能性覆層技術二、工藝技術發(fā)展現狀

1、

加工精度不斷提高

2、加工速度得到提高

3、材料科學促進制造工藝變革

4、重大技術裝備促進加工制造技術的發(fā)展

5、優(yōu)質清潔表面工程技術獲得進一步發(fā)展

6、精密成形技術取得較大進展

7、熱成形過程的計算機模擬技術研究有一定發(fā)展三、發(fā)展特點1、常規(guī)工藝不斷優(yōu)化并得到普及2、工藝界限趨于淡化下料與加工；毛坯制造與零件加工；粗、精加工；冷、熱加工；成形與改性3、在功能上趨于交叉四、發(fā)展趨勢

****總體發(fā)展趨勢：

優(yōu)質、高效、低耗、敏捷、潔凈

****成形工藝發(fā)展趨勢：

---鑄造:輕量化、精確化、強韌化、復合化無環(huán)境污染

---壓力加工:凈成形、工藝變量的定量分析與控制

---焊接：高能密度焊接、柔性化、智能化、自動化焊接系統(tǒng)****非傳統(tǒng)加工工藝發(fā)展趨勢：

柔性化、智能化、自動化、精密化、低成本

****加工制造技術的熱點：

—

先進精密、超精密加工技術

—

特種加工技術

—

超高速切削和超高速磨削技術

—

微型機械加工技術

—

新一代制造裝備技術

—

虛擬制造技術復

習

思

考

題

1-1論述先進制造技術及其主要特點。1-2敘述先進制造技術的分類及主要技術。1-3描述我國機械制造業(yè)的發(fā)展目標。

第二章現代設計技術2.1概述

2.2計算機輔助設計(CAD)技術

2.3有限元分析

2.4并行設計

2.5反求工程

2.6綠色產品設計

復習思考題

2.1概述工程設計的最終目的是創(chuàng)造滿足用戶需求的產品。產品所達到的質量、性能、時間、成本、壽命等綜合指標主要是在設計階段決定的。傳統(tǒng)的工程設計，根據工作性質與內容不同，將設計過程劃分為方案設計、技術設計和工藝設計?，F代工程設計技術已擴展到產品規(guī)劃、制造、檢測、實驗、營銷、運行、維護、報廢、回收等全過程的設計。2.1概

述

2.1.1現代設計技術定義與特點

1.現代設計技術的定義現代設計技術是以滿足市場產品的質量、性能、時間、成本、價格綜合效益最優(yōu)為目的，以計算機輔助設計技術為主體，以知識為依托，以多種科學方法及技術為手段，研究、改進、創(chuàng)造產品活動過程所用到的技術群體的總稱。

2.現代設計技術的特點(1)系統(tǒng)性。(2)動態(tài)性。

(3)創(chuàng)造性。

(4)計算機化。

(5)并行化、最優(yōu)化、虛擬化和自動化。

(6)主動性。

2.1.2現代設計技術體系現代設計技術的整個體系好比一棵大樹，由基礎技術、主體技術、支撐技術和應用技術四個層次組成，如圖2-1所示。

圖2-1現代設計技術的體系及與其它學科的關系

1.基礎技術基礎技術是指傳統(tǒng)的設計理論與方法，特別是運動學、靜力學與動力學、材料力學、結構力學、熱力學、電磁學、工程數學的基本原理與方法等。

2.主體技術現代設計技術的誕生和發(fā)展與計算機技術的發(fā)展息息相關、相輔相成。計算機科學與設計技術結合產生計算機輔助設計、智能CAD(IntelligentCAD，ICAD)、優(yōu)化設計、有限元分析程序、模擬仿真、虛擬設計和工程數據庫等技術。運用現代設計技術的多種理論與方法如優(yōu)化設計、可靠性設計、模糊設計等理論構造的數學模型，來編制計算機應用程序，可以更廣泛、更深入地模擬人的推理與思維，從而提高計算機的“智力”。而計算機輔助設計技術正是以它對數值計算和對信息與知識的獨特處理能力，成為現代設計技術群體的主干，即主體技術。

3.支撐技術支撐技術主要有現代設計方法學、可信性設計技術、試驗設計技術?，F代設計方法學涉及的內容很廣，如并行設計、系統(tǒng)設計、功能設計、模塊化設計、價值工程、質量功能配制、反求工程、綠色設計、模糊設計、面向對象設計、工業(yè)造型設計等?？尚判栽O計是廣義的可靠性設計的擴展，主要指可靠性與安全性設計、動態(tài)分析與設計、防斷裂設計、健壯設計、耐環(huán)境設計等。設計試驗技術包括可靠性試驗、環(huán)保性能試驗與控制，以及運用計算機技術的數字仿真試驗和虛擬試驗等。

4.應用技術應用技術是針對實用目的解決各類具體產品設計問題的技術，如機床、汽車、工程機械、精密機械的現代設計內容可以看作是現代設計技術派生出來的具體技術群?，F代設計已擴展到產品規(guī)劃、制造、營銷、運行、回收等各個方面，除了必要的傳統(tǒng)設計理論與方法的基礎知識外，相關的學科與技術，尤其是制造工藝、自動化技術、系統(tǒng)管理技術、材料知識與經驗及廣泛的自然科學知識等也是十分必要的。此外，設計產品總是以滿足社會需求為目的的，因此，設計人員還應具備政治、經濟、法律、人文社會、藝術等方面的知識與素養(yǎng)。

2.2計算機輔助設計(CAD)技術

2.1.1計算機輔助設計技術的產生及發(fā)展(1)20世紀50年代——CAD技術的萌芽期。(2)20世紀60年代——CAD技術的成長期。

(3)20世紀70年代——CAD技術的發(fā)展期。

(4)20世紀80年代——CAD技術的普及期。

(5)20世紀90年代——CAD技術集成化期。

2.2.2計算機輔助設計的關鍵技術

1.產品的幾何造型技術

CAD的幾何造型過程也就是對被設計對象進行描述，并用合適的數據結構存儲在計算機內，以建立計算機內部模型的過程。被設計對象的造型建模技術的發(fā)展，經歷了線框模型、表面(曲面)模型、實體建模、特征造型、特征參數模型、產品數據模型的演變過程，主要模型類型如圖2-2所示。

圖2-2三維幾何模型類型(a)線框模型；(b)表面模型；(c)實體模型

1)線框模型線框模型由一系列空間直線、圓弧和點組合而成，用來描述產品的輪廓外形(見圖2-2(a))。這種模型曾廣泛應用于工廠或車間布局、三視圖生成、運動機構的模擬和有限元網絡的自動生成等方面，但它無法產生剖面圖、消除隱藏線以及求解兩個形體間的交線，也無法根據線框模型進行物性計算和數控加工指令的編制等作業(yè)。

2)表面模型表面模型的數據結構在線框模型的基礎上，增加了有關面的信息和棱邊的連接方向等內容。表面造型又分為“多邊平面造型”和“曲面造型”兩種。多邊平面造型只能構建平面主體，描述能力不強，故較少采用(見圖2-2(b))。曲面造型則發(fā)展非常迅速，它可以用于構建具有復雜自由曲面和雕塑曲面的物體模型(見圖2-3)，因此廣泛應用于汽車、飛機、船舶等制造工業(yè)中。常用的建模方法有貝塞爾(Beizer)曲面技術和B樣條(B－spline)曲面技術。表面模型能求解兩個形體的交線、消除隱藏線等，但無法定義厚度及內部幾何體，故無法生成形體的剖面圖以及進行物性的計算。

圖2-3曲面造型典型模型

3)實體模型實體模型較完整地反映了三維實體的幾何信息(見圖2-2(c))，它既能消除隱藏線，產生有明暗效應的立體圖像，又能進行物性計算，進行裝配體或運動系統(tǒng)的空間干涉檢查，進行有限元分析的前后處理以及多至五軸的數控編程等作業(yè)。常用的實體造型方法有“邊界表示”(BoundaryRepresentation，B-rep)法和“構造實體幾何”(ConstructiveSolidGeometry，CSG)法。邊界表示法把一個物體被看作是由有界的平面或曲面片子集構成的，每個面又由它的邊界邊和頂點組成(見圖2-4)，經過各種幾何運算和操作，最后達到構成物體的目的。

圖2-4邊界表示法實體模型

CSG法的基本思想認為任何幾何形體都是由簡單的“實體細胞”組成的，這種實體細胞可稱為“體素”。CAD系統(tǒng)中常用的體素有：長方體、圓柱、圓錐、球、圓臺、楔、橢圓錐等。系統(tǒng)通過布爾運算可以將這些幾何體素組成所需要的物體。高檔的CAD系統(tǒng)還允許用戶根據需要自己定義一些參數化的幾何體素。復雜的幾何物體是由體素組成的，通過正實體、負實體的定義，二維多邊形的掃描、移動、旋轉、挖切和鏡像等操作來實現物體的創(chuàng)建。圖2-5就是用此方法生成的復雜零件圖。

圖2-5CSG法實體模型

4)特征造型所謂特征，就是描述產品信息的集合，也是構成零、部件設計與制造的基本幾何體，它既反映了零件的幾何信息，又反映了零件的加工工藝信息。常用的零件特征包括：形狀特征、精度特征、技術特征、材料特征、裝配特征等。與實體模型相比較，特征造型能更好地表達統(tǒng)一、完整的產品信息；能更好地體現設計意圖，使產品模型便于理解和組織生產；有助于加強產品設計、分析、加工制造、檢驗等各個部門之間的聯(lián)系。因此，基于特征的建模技術更適合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。

2.單一數據庫與相關性設計單一數據庫是指與設計相關的全部數據信息來自同一個數據庫。所謂相關性設計，是指任何設計改動都將及時地反映到設計過程的其他相關環(huán)節(jié)上。例如，修改二維零件工程圖樣中的某個尺寸，則與該零件工程圖樣相關聯(lián)的產品裝配圖、加工該零件的數控程序等也將會自動跟隨更新；修改二維圖樣左視圖中的某個尺寸，其主視圖、俯視圖以及三維實體模型中相應的尺寸和形狀也會隨之變化。建立在單一數據庫基礎上的產品開發(fā)，可以實現產品的相關性設計。單一數據庫和相關性設計技術的應用有利于減少設計中的差錯，提高設計質量，縮短開發(fā)周期。

3.CAD與其他CAX系統(tǒng)的集成技術

CAD技術為產品的設計開發(fā)提供了基本的數據化模型，然而，它只是計算機參與產品生產制造的一個環(huán)節(jié)。為了使產品生產后續(xù)的作業(yè)環(huán)節(jié)有效地利用CAD作業(yè)所構造的產品信息模型，充分利用已有的信息資源，提高綜合生產效率，必須將CAD技術與其他CAX技術進行有效的集成，包括CAD/CAM技術的集成、CAD與CIMS其他功能系統(tǒng)的集成等。CAD技術的主要功能是進行產品的設計造型，為其他功能系統(tǒng)提供共享的產品數據模型，它已成為CIMS或其他制造系統(tǒng)的基礎和關鍵。

CAD技術的集成體現在以下幾個方面：

(1)CAD與CAE集成、CAD與CAPP/CAM集成、CAD與PDM集成、CAD與ERP等軟件模塊集成。CAD與這些系統(tǒng)模塊的集成為企業(yè)提供了產品生產制造一體化解決方案，推動了企業(yè)的信息化進程。

(2)將CAD技術的算法、功能模塊以至整個系統(tǒng)以專用芯片的形式加以固化，這樣一方面可以提高CAD系統(tǒng)的運行效率，另一方面可以供其他系統(tǒng)直接調用。

(3)CAD在網絡計算環(huán)境下實現異地、異構系統(tǒng)的企業(yè)間集成，如全球化設計、虛擬設計、虛擬制造以及虛擬企業(yè)就是該集成層次的具體體現。

4.標準化技術由于CAD軟件產品眾多，為實現信息共享，相關軟件必須支持異構、跨平臺的工作環(huán)境。該問題的解決主要依靠CAD技術的標準化。國際標準化組織(ISO)制定了“產品數據模型交換標準”(StandardfortheExchangeofProductModelData，STEP)。STEP采用統(tǒng)一的數字化定義方法，涵蓋了產品的整個生命周期，是CAD技術最新的國際標準。目前，主流的CAD軟件系統(tǒng)都支持ISO標準及其他工業(yè)標準，面向應用的標準構件及零部件庫的標準化也成為CAD系統(tǒng)的必備內容，為實現信息共享創(chuàng)造了條件。

2.2.3CAD系統(tǒng)軟件與應用

1.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件主要用于計算機管理、維護、控制、運行以及計算機程序的翻譯和執(zhí)行，分為以下幾類：

(1)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的主要功能是管理文件及各種輸入輸出設備。微機上常用的操作系統(tǒng)有DOS、Windows、UNIX、OS/2等。目前較為流行的操作系統(tǒng)是Windows，它是32位多窗口、多任務操作系統(tǒng)，提供了對多媒體和網絡的軟件支持。工作站主要采用UNIX操作系統(tǒng)，提供支持X協(xié)議的多窗口環(huán)境。

(2)編譯系統(tǒng)。編譯系統(tǒng)是將用高級語言編制的程序轉換成可執(zhí)行指令的程序。我們所熟知的高級語言如FORTRAN、BASLC、PASCAL、COBOL、LISP，C/C++等，都有相應的編譯程序或集成開發(fā)環(huán)境。

(3)圖形接口及接口標準。為實現圖形向設備的輸出，必須向高級語言提供相應的接口程序(函數庫)。Windows的CGI計算機圖形接口編碼面向應用軟件開發(fā)，先后推出了GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OPENGL等圖形接口標準。利用這些標準所提供的接口函數，應用程序可以方便地輸出二維和三維圖形。在各種以圖形為基礎的CAD軟件相繼推出后，為了滿足不同應用系統(tǒng)產品數據模型的交換、共享需要，又制定了IGES、DXF、STEP等圖形(產品)信息交換標準。

2.支撐軟件

1)計算機分析軟件

(1)常用數學方法庫及其可視化軟件。

(2)有限元分析軟件。目前，有限元理論和方法已趨成熟，除應用于彈性力學和流體力學外，也應用于流動分析、電磁場分析等方面。商品化的有限元分析軟件很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些軟件還具有較強的前、后置處理功能。

(3)優(yōu)化設計軟件。優(yōu)化設計建立在最優(yōu)化數學理論和現代計算技術的基礎上，通過迭代尋求設計的最優(yōu)方案。目前已有不少成熟的優(yōu)化程序庫，如LBM公司的ODL，我國自主知識產權的“優(yōu)化方法程序庫OPB-2”等。

2)集成化CAD/CAM軟件集成化CAD/CAM軟件支持在二維和三維圖形方式下進行產品及其零件的定義。早期的集成化CAD/CAM軟件主要致力于實現交互式繪圖，如CADAM、AutoCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二維交互式繪圖為主。20世紀80年代中期開始，實體造型技術日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉向采用實體造型技術定義產品零件的幾何模型，進行分析、數控加工、輸出工程圖等。目前較流行的CAD集成系統(tǒng)有：美國

PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司的Pro/Engineer，美國麥道飛機公司的UG(Unigraphics)，Autodesk公司的AutoCAD及MDT；中國科學院北京軟件工程研制中心開發(fā)的參數智能化CAD系統(tǒng)PICAD，高華計算機有限公司開發(fā)研制的集成智能化CAD系統(tǒng)，清華大學和華中理工大學共同開發(fā)的CAD-MLS等。

3)數據庫管理系統(tǒng)(DBMS)數據庫管理系統(tǒng)用于管理龐大的數據信息，提供數據的增刪、查詢、共享、安全維護等操作，是用戶與數據之間的接口。數據庫管理系統(tǒng)使用三種數據模型，即層次模型、網狀模型和關系模型。目前流行的數據庫管理系統(tǒng)有DBASE、FOXBASE、FOXPRO、ORACI.E、SYBASE等。

4)網絡軟件采用微機和工作站局域網形式的CAD系統(tǒng)已成為20世紀90年代CAD軟硬件配置的首選方案。網絡服務軟件為這些系統(tǒng)在網絡上的傳輸和共享文件提供了條件。最常用的網絡軟件是Novell公司的NETWARE，它包括服務器操作系統(tǒng)、文件服務器軟件、通信軟件等。Microsoft的Windows95以上操作系統(tǒng)可直接支持絕大多數的網絡互連服務。

3.應用軟件應用軟件是在系統(tǒng)軟件、支撐軟件的基礎上，針對某一專門應用領域的需要而研制的軟件。這類軟件通常由用戶結合當前設計工作需要自行開發(fā)，也稱“二次開發(fā)”。例如，模具設計軟件、電器設計軟件、機械零件設計軟件、飛機氣流分析軟件等均屬應用軟件。專家系統(tǒng)也是一種應用軟件。在設計過程中，有相當一部分工作不是僅通過計算或繪圖就可以完成的，而必須依賴該領域專家豐富的實踐經驗和專門知識，經過專家們的思考、推理和判斷才能夠完成。為使計算機模擬專家解決問題的工作過程而編制的智能型計算機程序稱為專家系統(tǒng)。

2.3有

限

元

分

析

1960年，克拉夫(Clough)首先提出“有限元法”這個概念。30多年來，有限元法得到了很大的發(fā)展。它不僅可用于計算靜力學模型，也可用于動力學模型求解；既可以計算穩(wěn)態(tài)溫度場的物體熱力學響應，也可以用于非穩(wěn)態(tài)熱源下的時間響應，還能用于電磁場的力學分析等；既可以用于分析剛件結構的受載變形過程，也可以用于設計輪胎、橡膠零件等非剛性物體，找出它們結構設計中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，有限元法已成為工程結構設計階段不可缺少的工具。

秦凱維奇(Ｏ.Ｃ.Zienkiewicz)教授在他的名著《有限元法》中給出的有限元法定義是：把連續(xù)體看成是有限個部分(有限元)的集合體，其性態(tài)由有限個參數所規(guī)定，在求解離散成有限元的集合體時，其有限單元應滿足連續(xù)體所遵循的規(guī)則。

有限元法的產品結構模型與CAD幾何造型的模型是有區(qū)別的。有限元法將連續(xù)體的結構模型分解成數目有限的小塊體(見圖2-6)，這些小塊體稱為有限元，它們彼此之間用有限個結點相互聯(lián)結，再在這些結點上引進等效力代替作用到單元上的外力，通過計算這些單元陣點力和位移之間的關系來解決連續(xù)體的力學問題。有限元法實質上就是把無限個自由度的連續(xù)體理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使復雜問題簡化為適合于數值解法的結構型問題。

圖2-6有限元實體模型

圖2-7受力彎曲有限元圖

2.4并

行

設

計

關于并行工程的定義目前國際上有多種提法，被普遍采用的是美國防務研究所1988年12月在第一屆CE專題研討會上給出的定義：“并行工程是一種對產品及其相關過程(包括制造過程和支持過程)進行并行的、一體化設計的工作模式。這種工作模式可使產品開發(fā)人員一開始就能考慮到從產品概念設計到消亡的整個產品生命周期中的所有因素，包括質量、成本、進度和用戶要求。”在傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)中，新產品的開發(fā)從概念設計到產品出廠的整個過程是按順序(即串行)進行的。在產品圖紙設計完成后，必須進行樣機試制，再根據試制中發(fā)現的問題對圖紙進行修改，同時整理試制工藝，設計制造工藝裝備，然后再進行小批量生產，考核工藝規(guī)程和工裝的正確性，并進行必要的修改。只有在小批量試制通過驗證后，才能正式批量投產。

這種串行工程方式對批量較大和市場壽命較長的產品來說，不失為一種行之有效的方法。但是，許多不合理設計和錯誤設計只有通過試制過程才能發(fā)現，有時某些問題甚至是無法修改的，修改設計就意味著部分或全部報廢，造成不必要的人力和物力浪費，其缺點是顯而易見的。

因此，對于面向定單的單件及小批量生產，這種串行工作方式就完全不適用了。圖2-8(a)、(b)為產品設計及技術準備階段串行工程與并行工程的基本概念示意圖。在串行工程中，前饋信息隨著過程傳遞，反饋信息總滯后于過程，返工浪費很難避免。并行工程采用并行方式，在產品設計階段就集中產品研制周期中的各有關工程技術人員，同步地設計或考慮整個產品生命周期中的所有因素，對產品設計、工藝設計、裝配設計、檢驗方式、售后服務方案等進行統(tǒng)籌考慮，協(xié)同進行。經系統(tǒng)的仿真和分析評估，對設計對象進行反復修改和完善，力爭后續(xù)的制造過程一次成功(DoRightFirst)。這樣，設計階段完成后一般能保證后面階段如制造、裝配、檢驗、銷售和維護等活動順利進行，前饋信息在過程傳遞之前即預發(fā)布至各后續(xù)工作環(huán)節(jié)，反饋信息能在過程傳遞之前送至前序環(huán)節(jié)，使之能及時修改。特殊情況下，并行工程中也需要對設計方案甚至產品模型進行修改。

圖2-8串行工程與并行工程的基本概念示意圖(a)串行工程；(b)并行工程并行工程在實施中采用團隊工作(TeamWork)方式(見圖2-9)，將各類專業(yè)人員在產品設計的開始時就組織在一起協(xié)同工作。初期人們采用集體辦公模式實現團隊工作，而在企業(yè)的計算機信息網絡建立起來后，可以將各功能部門的計算機系統(tǒng)聯(lián)網并通過相應的管理控制軟件，使團隊成員在異地共享信息，協(xié)同工作，實現更大范圍內的并行工程模式。

圖2-9企業(yè)范圍內的并行工程模式

在上述并行工程運行模式下，每個設計者可以像在傳統(tǒng)的CAD工作站上一樣進行自己的設計工作。借助于適當的通信工具，在公共數據庫、知識庫的支持下，設計者之間可以相互通信，根據目標要求既可隨時應其它設計人員要求修改自己的設計，也可要求其它設計人員響應自己的要求。通過協(xié)調機制，設計小組的多種設計工作可以并行協(xié)調地進行(見圖2-10)。

圖2-10并行工程設計網絡

2.5反

求

工

程

1.零件反求零件反求實質上是零件復制。對于結構復雜和要求精確的關鍵零件，如果復制不精確，將直接影響所開發(fā)機器的性能。因此，精確測量擬復制零件，并在此基礎上逆向生成精確的零件CAD模型，這是反求工程的關鍵。在反求工程中采用的測量方法可歸納為兩類：一類為采用坐標測量機(CoordinateMeasuringMachine，CMM)的接觸式測量，另一類是采用激光或機器視覺系統(tǒng)進行圖像掃描的光學非接觸式測量。下面以采用CMM測量的反求工程為例說明零件反求的過程。零件反求工程系統(tǒng)原理圖如圖2-11所示。

圖2-11零件反求工程系統(tǒng)原理圖

2.整機反求整機反求的工作內容如下：

(1)探索樣機的設計思想。事實上在選擇引進樣機時就有一個指導思想，例如是選擇功能齊全的還是造價便宜的，是注重高科技含量還是可持續(xù)發(fā)展性(如節(jié)約資源、不污染環(huán)境和模塊化設計等)。根據這個指導思想去分析樣機的特點，判斷此指導思想是否與需求相吻合，這樣才能為反求以后的產品發(fā)展打下良好的基礎，避免引進錯誤。

(2)功能剖析。每種產品都有其特定功能，這是引進樣機和發(fā)展產品的核心問題。因此，必須對樣機的功能進行深入的研究剖析，特別是關鍵性的功能，必須掌握其基本原理，才能在此基礎上設計自己的產品。

(3)性能試驗。對樣機的性能必須進行全面的試驗和測定，反復驗算，深入分析，掌握它的運動特性和動、靜態(tài)力學特性，找出它可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，以便于在自行設計開發(fā)時加以改進，使反求產品優(yōu)于樣機。

(4)結構分析。零部件的結構與功能原理和機械性能直接有關，并同生產成本和使用性能關系密切，也影響產品的可制造性和可維護性。因此，必須充分了解功能零部件的結構特點及其作用，精確反求，否則會危及產品的穩(wěn)定性和可靠性，達不到樣機的使用性能。

(5)形體尺寸及精度測定。對于關鍵零件，必須采用先進而精確的反求手段和儀器，精確測定樣件的形體和相關精度(尺寸、形狀和相互位置精度)，并分析它們的作用，否則，反求設計的產品將達不到樣機的質量要求。

(6)工藝分析。這是反求工程中至關重要的一步。反求產品往往可以做到同樣機“形似”，但由于工藝問題沒有解決而達不到“神似”，即產品性能總達不到或不能超過樣機。因此，在工藝問題上必須特別重視分析和掌握其工藝訣竅，這樣才能真正達到反求工程的目標。

(7)材料分析。零件的材料及其處理方法是決定零件的功能和使用性能的關鍵因素之一。一般情況下，可通過外觀對比、密度確定、理化分析、硬度測定和光譜分析等各種方法來測定材料的物理性能、化學成分，分析對它的熱處理和表面處理方法及工藝方法。

(8)使用和維修分析。以用戶的目光審視樣機的使用方便性和易維修性，充分理解和掌握樣機在這方面的設計思想。

(9)相關輔料分析。樣機中使用的冷卻液、潤滑劑、密封件等也會影響產品的使用性能，在反求工程中同樣不能輕視。除上述反求工作外，樣機的造型設計、色彩配置、包裝技術等也不能忽視，這將影響用戶對產品的直覺印象和市場效應。

圖2-12產品反求工程的工作流程

2.6綠色產品設計

1.綠色產品及特點綠色產品是指在產品全生命周期內(包括原材料準備、設計、制造、包裝、運輸、使用、回收、再用或再生等過程)能節(jié)約資源和能源，對生態(tài)環(huán)境無危害或少危害，并對生產者及使用者具有良好保護性的產品。因此，綠色產品設計可定義為面向不損害產品質量、功能及其制作過程的，能與環(huán)境相容的設計。

綠色產品的特點：

(1)優(yōu)良的環(huán)境友好性，即產品從生產到使用乃至廢棄回收處理的各個環(huán)節(jié)都對環(huán)境無害或危害極小。這就要求企業(yè)在生產過程中選用清潔的原料、清潔的工藝過程，生產出清潔的產品；使用產品時不對使用者造成危害；報廢產品在回收處理過程中很少產生廢棄物。

(2)最大限度地利用材料資源。

(3)最大限度地節(jié)約能源。

2.綠色產品設計的主要內容

(1)綠色產品的描述與建模：準確全面地描述綠色產品，建立系統(tǒng)的綠色產品評價模型是綠色產品設計的關鍵。

(2)綠色產品設計的材料選擇：綠色產品設計要求設計人員改變傳統(tǒng)的選材程序和步驟，選材時不僅要考慮產品的使用要求和性能，還應考慮環(huán)境約束準則，同時必須了解材料對環(huán)境的影響，應選用無毒、無污染材料以及易回收、可重用、易降解材料。

(3)面向拆卸性設計：傳統(tǒng)設計方法多考慮產品的裝配性，很少考慮產品的可拆卸性。綠色產品設計要求把可拆卸性作為產品結構設計的一項評價準則，使產品在報廢以后其零部件能夠高效地、不加破壞地被拆卸，這有利于零部件的重新利用和材料的循環(huán)再生，達到節(jié)省資源、保護環(huán)境的目的。

產品類型千差萬別，不同產品的拆卸性設計不盡相同?？傮w上，可拆卸性設計的原則包括：①

實現零件的多功能性，減少應拆卸零部件的數目，減少拆卸工作量；②

避免有相互影響的材料組合，避免零件的污損；③

易于拆卸，易于分離；④

實現零部件的標準化、系列化、模塊化，減少零件的多樣性。

(4)產品的可回收性設計：在設計時要充分考慮產品各零部件回收再利用的可能性、回收處理方法、回收費用等問題，達到節(jié)省材料、節(jié)約能源、盡量減小環(huán)境污染的目的。可回收性設計的內容包括：①可回收材料的識別及標志；②回收處理工藝方法：③可回收性的結構設計；④可回收性的經濟分析與評價。可回收性設計的主要原則有：①

避免使用有害于環(huán)境及人體的材料；②

減少產品所使用的材料種類；③

避免使用與循環(huán)利用過程不相兼容的材料或零件；④

使用便于重用的材料；⑤

使用可重用的零部件。

(5)綠色產品的成本分析：與傳統(tǒng)成本分析不同，綠色產品成本分析應考慮污染物的處理成本、產品拆卸成本、重復利用成本、環(huán)境成本等，以達到經濟效益與環(huán)境質量雙贏的目的。

(6)綠色產品設計數據庫：這是一個龐大復雜的數據庫，該數據庫對綠色產品的設計過程起到舉足輕重的作用。數據庫包括產品全生命周期中環(huán)境、經濟等有關的一切數據，如材料成分、各種材料對環(huán)境的影響、材料自然降解周期、人工降解時間和費用，以及制造、裝配、銷售、使用過程中所產生的附加物數量及其對環(huán)境的影響等環(huán)境評估準則所需的各種判斷標準。

復

習

思

考

題

2-1試論述現代設計技術的內涵及特點。

2-2描述現代設計技術的體系結構。為什么說計算機輔助設計技術是現代設計技術的主體？它與其它技術的關系如何？

2-3計算機輔助設計技術包括哪些主要內容？分析其中的關鍵技術。

2-4敘述反求工程的含義，分析反求工程作業(yè)的基本步驟。

2-5試論述串行工程、并行工程的工作方式與優(yōu)缺點。

2-6敘述綠色產品設計的主要內容。

第三章先進制造工藝技術3.1精密成型技術3.2精密與超精密加工技術

3.3超高速加工技術

3.4特種加工技術

3.5微細加工技術

復習思考題

3.1精密成型技術

3.1.1粉末冶金粉末冶金是一種精密成型工藝，成品件可以達到相當高的精度和表面粗糙度，可以不經任何后續(xù)加工直接應用，也可以進行一定的精加工。圖3-1所示為粉末冶金工藝過程。

1.粉末成型方法

(1)磁動力壓制。裝于精密模具中的松散鐵粉，經磁場徑向壓制可達到很高的密度，同時克服了單軸模壓方法中限制軸向長度與密度梯度的局限性。

圖3-1粉末冶金工藝過程

(2)爆炸壓制。爆炸壓制是得到高密度坯料的好方法。沖擊波通過粉末即可將粉末壓制成坯。光學研究表明，對于柱形試樣，為使密度均勻，沖擊波的形狀應該是錐形的。

(3)新的擠壓成型法。常規(guī)金屬擠壓僅限于鋁和銅一類延性材料，而高強度材料和高溫材料只能采用鍛造與機加工方法。新的擠壓法可通過調節(jié)金屬粉末/粘結劑混合系統(tǒng)的粘度來制取擠壓料，然后用擠壓塑性材料的常規(guī)擠壓機進行擠壓?？上窠饘僮⑸涑尚湍菢?，用溶劑萃取法去除粘結劑，而后經燒結可制得棒、管等一類致密型材。通過調節(jié)粉末坡度與燒結參數，也可制取壁上有開孔的管，由此制成過濾器及其他功能產品。

(4)吹氣裝粉法。因粉末流動性差，故往往在壓模裝粉時出現粒度偏析。新開發(fā)出的吹氣裝粉法將少量氣體吹入裝粉靴中，因而改善了粉末的流動性，降低了粒度偏析，縮短了裝粉時間。

(5)溫壓。溫壓工藝是利用溫度與壓力使粉末致密化的，其最終密度可達7.25～7.458g/cm3。各種溫壓工藝都有一定的溫度范圍。溫壓工藝應用于汽車零件等高強度、小型化的開發(fā)制造過程。

2.成型工藝特點及研究方向粉末冶金工藝一般具有以下特點：

(1)可以得到近凈形零件；

(2)通過粉末合金成分的配合，可以得到符合零件性能要求的制品；

(3)也適合于大批量生產。

粉末成型領域的主要研究方向是：

(1)粉末制造技術，例如急冷凝固粉末、機械合金化(MA)粉末、超微(1μm以下)粉末的制備等。

(2)成型及固化技術，例如冷等靜壓成型(CIP)和熱等靜壓成型(HIP)、粉末鍛造、電磁成型、金屬粉末注射成型(MIM)等。新開發(fā)的粉末材料需配以優(yōu)化的固化及成型技術。另外，比較成熟的模具成型技術亦存在工藝優(yōu)化的需求。復雜零件的粉末精確成型(公差達±0.02mm)也需要高精度、智能化的成型和固化設備的支持。這些問題共同的特點是對技術訣竅或經驗的依賴程度很大。

3.1.2精密潔凈鑄造

1.精密砂型鑄造(PrecisionSandCasting)

(1)FM法。FM為法語FonteMince(薄壁鐵)的縮寫。FM法采用冷芯盒砂芯疊箱造型，在低壓下進行澆注。這種方法已成功地用于大量生產壁厚僅2.8mm的球墨鑄鐵排氣管。法國一鑄造廠已建成日產2500根排氣管的生產線(1992年)，其主要用戶為美國通用汽車公司Cadillac豪華型轎車部。

(2)Zeus法。Zeus法采用冷芯盒砂芯組芯造型，重力澆注。由于所用的工藝裝備(芯盒)制造得十分精確，因而可獲得尺寸十分精確的鋁鑄件，這種方法可以生產壁厚僅2.5mm的復雜鋁合金發(fā)動機缸體、缸蓋。

(3)Cosworth法。Cosworth法(見圖3-2)采用冷芯盒砂芯組芯造型，但是它使用鋯砂(通常在鑄造生產中使用石英砂)，利用電磁泵來實現在可控壓力下使鋁合金液由下而上地充填鑄型。由于鋯砂的熱膨脹率很小而且恒定，因而有利于獲得尺寸精確度高的鑄件。但是，由于鋯砂導熱性極好，比石英砂高出兩倍多，因而用它所造的砂型難以澆注出壁厚小于4mm的鋁鑄件。此外，砂芯采用機械組裝，組裝后砂型如同一個整體，也有利于確保鑄件尺寸精度。

圖3-2Cosworth法示意圖

2.消失模鑄造(ExpendablePatternCastingorLostFoamProcess)消失模鑄造采用遇液體金屬后即氣化的泡沫塑料作模樣，無分型面，也不用取模，不用砂芯，同時采用無水分、無粘結劑、無附加物的干砂造型。這種方法可以生產出薄壁、零度拔模斜率的復雜鑄件，并可直接鑄出螺紋及曲折的通道。它可以減少機械加工工序。這種方法在大量生產中應用后發(fā)現還有不少有待解決的技術問題，例如：用于制造消失模的模具成本高和制造周期長，消失模因剛度差在緊砂過程中易變形，鑄件表面質量不穩(wěn)定，等等。B）工藝過程（P104）

3.擠壓鑄造(SqueezeCasting)所謂“擠壓鑄造”，是指將液體金屬在不受擾動、不卷進空氣的條件下充填金屬鑄型，隨后又使鑄件在高壓下完成凝固過程，從而獲得優(yōu)質可熱處理的鑄件的工藝方法。這種最初作為液態(tài)沖壓而開發(fā)的“擠壓鑄造”，目前則一般是指一種由截面尺寸很大的澆道將液態(tài)金屬引入型腔的鑄造方法，這樣就能使鑄件在凝固過程中能得到充分的補縮。今天被普遍接受的“擠壓鑄造”定義是：一種具有低的充型速率，最低限度的擾動，并在整個凝固期間保持高壓的工藝方法，它能穩(wěn)定地制造進行固熔熱處理的高度整體性的鑄件。汽車發(fā)動機鋁合金活塞可以由加熱的含超過25%陶瓷或耐磨金屬纖維的預制件擠壓鑄造而成。該工藝方法將增強材料安放在需要的部位，如活塞圓頂或上活塞環(huán)槽處，以達到耐熱及耐磨等目的。

4.半固態(tài)鑄造(Semi-solidMetalCasting)半固態(tài)鑄造的過程是：將一專門的連續(xù)鑄造鋁合金的坯料仔細地加熱到其中含有一定的液態(tài)容積組分的溫度，這一粥狀坯料隨后被擠壓到一金屬型腔內以形成一近終形、致密的鑄件，然后可以通過熱處理來進一步改善其性能。半固態(tài)鑄造示意圖如圖3-3所示。

圖3-3半固態(tài)鑄造示意圖

圖3-4半固態(tài)鑄造及擠壓鑄造獲得的A1Si7Mg(A356/357)合金機械性能

5.壓力鑄造壓力鑄造是在高壓作用下，將金屬熔液以較高的速度壓入高精度的型腔內，力求在壓力下快速凝固，以獲得優(yōu)質鑄件的高效率鑄造方法。在有