第7章-現代制造技術與新型制造業(yè)的發(fā)展趨勢

現代制造技術2010年9月電子課件第七章現代制造技術與新型制造業(yè)的發(fā)展趨勢7.1現代制造技術的發(fā)展趨勢7.2新型制造業(yè)的發(fā)展趨勢7.1現代制造技術的發(fā)展趨勢1.全球化世界經濟一體化和市場全球化決定了制造業(yè)的全球化發(fā)展趨勢，包括制造市場、制造企業(yè)和制造資源的全球化。未來制造產品的競爭力主要取決于六大因素：綠色度、成本、質量、服務、及時性與個性化（G-C-Q-T-S-P），產品的綠色度將上升為首要因素。擁有上述綜合優(yōu)勢的產品必將沖破國界、占領市場，其制造企業(yè)也可成為跨國企業(yè)。這是國際跨國公司的發(fā)展史，也將是中國企業(yè)成為跨國企業(yè)的必由之路。7.1現代制造技術的發(fā)展趨勢2.知識化計算機芯片、精密儀器、飛機、轎車等高知識含量的產品，因其科技水平高、市場價格高、利潤豐厚而成為制造業(yè)競爭的高地。中國要想在這些高知識含量的產品競爭中占有一席之地，就必須在這些高技術領域大力開展基礎性研究，創(chuàng)造更多的擁有自主知識產權的高知識含量的產品。7.1現代制造技術的發(fā)展趨勢3.信息化信息化是數字化、智能化和網絡化制造的總稱。它包含機電產品設計及其生產過程的數字化、智能化和網絡化的高度集成。智能數字網絡多功能集成產品將會越來越多、越來越普遍，而且更新?lián)Q代會越來越快。7.1現代制造技術的發(fā)展趨勢4.綠色化綠色化即基于資源節(jié)約和環(huán)境友好的綠色可持續(xù)性制造，是一項戰(zhàn)略性的制造理念，也是一種制造模式和制造技術。綠色可持續(xù)制造包含無污染無廢棄物制造、綠色產品的設計與制造、廢舊機電產品的再制造、節(jié)能節(jié)材制造以及新能源裝備制造五個方面。耗能耗材多、污染環(huán)境的機電產品和生產過程將會受到市場和法規(guī)的制約而逐漸消失或消亡。相反，新能源、節(jié)能節(jié)材和無污染的機電產品及其生產過程將得到更大發(fā)展。同時，由于廢棄產品的劇增，再制造業(yè)將得到迅速發(fā)展。7.1現代制造技術的發(fā)展趨勢

5.極端化指極大或極小幾何尺度或極端環(huán)境下服役的機電產品的制造。由于人類認識和改造世界的欲望及能力的提高，例如觀察宇宙星球需要超大超遠望遠鏡、征服太空需要制造更大更快的宇宙飛船、制造大飛機需要大型制造裝備；交通、水利水電、礦業(yè)、深海工程等需要制造更大更先進的機械裝備。另一方面，物理學家觀察微觀粒子需要超大超高倍顯微鏡、下一代計算機集成電路的發(fā)展要求尋找新的納米制造方法、機電產品的微型化發(fā)展要求制造出更微小的結構及零件。7.1.1高速高效加工領域發(fā)展趨勢隨著工具材料、驅動、控制和機床等技術的不斷進步，高速高效加工不僅獲得普遍應用，并且向著超高速方向發(fā)展?，F代高速加工中心替代柔性自動線已經成為明顯的發(fā)展趨勢。復合加工在一次安裝中能完成車、銑、鉆、攻絲甚至磨削等不同的工序，高速高效復合加工機床在多品種、單件生產場合將有廣闊的應用前景。汽車制造業(yè)是全球機床消費的最大用戶，2007年占機床消費總量的42.78%。汽車制造業(yè)未來所需的加工技術如圖7-1所示。7.1.1高速高效加工領域發(fā)展趨勢7.1.1高速高效加工領域發(fā)展趨勢汽車生產系統(tǒng)從20世紀70年代的機床專機流水線發(fā)展到2010年由高速加工中心組成的可變（可重構）加工線，能夠生產不同品種和不同數量的產品。在可以預見的未來，預計汽車動力系統(tǒng)零部件加工技術的發(fā)展趨勢將是高速度、高效率和超高精度。分析汽車制造行業(yè)所用中型加工中心的高速化與高精化的發(fā)展歷程，可以預見2015年、2025年的國內、外的性能指標對比數值（表7-1）。7.1.1高速高效加工領域發(fā)展趨勢7.1.2超精密加工領域發(fā)展趨勢

超精密加工技術的總的發(fā)展趨勢是：①大型化、微小型化、數控化、智能化的加工裝備；②復合化、無損傷加工工藝；③超精密、高效率、低成本批量加工；④在生產車間大量應用的高精度、低成本檢測裝置。超精密加工技術未來的發(fā)展趨勢如表7-2所示。7.1.2超精密加工領域發(fā)展趨勢7.1.3微納制造領域發(fā)展趨勢

1.微納設計技術隨著微納米技術的深入發(fā)展，MEMS在功能上向集成化方向擴展，更加追求與IC技術的集成與融合。在應用領域，由慣性器件逐漸向光、射頻、流體、生物等器件發(fā)展，特別是隨著尺寸的縮小和功能集成度的增加，MEMS在BIO-CHEMICAL領域的優(yōu)勢越來越明顯，逐漸在國際上形成了MEMS的主流，應用前景廣闊。7.1.3微納制造領域發(fā)展趨勢

2.微納加工技術1）硅與非硅材料混合集成加工技術目前有很多問題尚未得到解決，主要是非硅微加工技術中的LIGA/準LIGA技術、精密機械加工、電化學加工、激光加工等工藝與IC工藝不兼容。通過硅與非硅材料混合集成加工技術的研究和開發(fā)，將制備出含有金屬、塑料、陶瓷或硅微結構，并與集成電路一體化的微傳感器和執(zhí)行器，到2020年將在信息、汽車、生物醫(yī)藥、傳統(tǒng)產業(yè)改造等領域得到實際應用。

7.1.3微納制造領域發(fā)展趨勢2）微納制造的集成度方面目前集成加工技術正由二維向準三維過渡，未來的三維集成加工技術將使系統(tǒng)的體積和重量減少一到兩個數量級，提高互聯(lián)效率及帶寬，提高制造效率和可靠性。預計到2020年，三維多功能微系統(tǒng)集成加工技術將得到廣泛應用。3）微機械加工技術微機械加工工藝技術可加工尺度越來越小，已發(fā)展到微米級尺度，未來有可能在若干加工領域加工尺度達到亞微米級；可達到的加工精度也越來越高。微機械加工技術與超精密加工技術融合，未來向著超精密微加工方向發(fā)展，可達到的表面質量越來越高。7.1.3微納制造領域發(fā)展趨勢4）納米壓印技術在非主流半導體生產工藝中，特別是陶瓷、高分子和玻璃等材料為基板生產器件時，納米壓印技術因其成本低、工藝簡單和可靠性高而成為取代傳統(tǒng)光刻工藝的良好選擇。預計未來15年內，納米壓印技術將在主流半導體、納機電系統(tǒng)等納米制造中得到廣泛應用。5）納米結構的可控自組裝技術未來可能在以下領域實現突破和應用：具有分子識別功能的新型非共價鍵中間分子體的設計、合成及納米結構單元聚集體行為和自組織排列體系的構建上取得突破；實現以生物分子馬達為基礎的微納機器人、功能材料的應用。在納米結構模塊化組裝領域實現突破，特別是利用生命過程中已經存在的機理進行的生物分子納米結構可控自組裝在生物傳感器、仿生、疾病診斷與治療等領域取得進展。7.1.3微納制造領域發(fā)展趨勢6）原子級別分辨率納米加工技術

2D納米加工的分辨率將在2025年達到原子級，3D納米加工的分辨率則在2035年或以后達到原子級，2D和3D納米制造技術在全彩色精細電子能、超薄監(jiān)視器、TB級存儲單元、超高效汽車和小型燃料電池制造中有很好的應用前景。7.1.4特種加工技術領域發(fā)展趨勢

1.激光加工領域激光加工領域的重點發(fā)展方向為：①激光加工基礎理論：重點研究激光與材料的相互作用，尤其是強激光誘導的光聲光力效應；②激光加工光的傳輸、變換、檢測與控制理論及其關鍵技術；③激光三維微納制造技術；④面向節(jié)能減排的激光先進制造技術。7.1.4特種加工技術領域發(fā)展趨勢

2.磨粒射流加工領域其重點發(fā)展方向是：①硬脆材料復雜曲面零件的高效磨料水射流加工基礎理論及方法；②精密微細磨料水（氣）射流加工基礎理論及方法；③精密微細磨料射流復合加工基礎理論及方法；④高端射流加工裝備基礎技術；⑤磨料射流加工廢料回收和再利用技術。7.1.4特種加工技術領域發(fā)展趨勢

3.聚焦離子束加工領域聚焦離子束加工技術的重點發(fā)展方向：①聚焦離子束加工基礎理論研究；②精密穩(wěn)定的聚焦離子束加工母機開發(fā)；③提高聚焦離子束的加工面積和速度；④離子束加工的無環(huán)境污染或低環(huán)境污染的綠色加工；⑤聚焦離子束微納加工技術的應用領域拓展。7.1.4特種加工技術領域發(fā)展趨勢

4.電加工技術領域電加工技術的重點發(fā)展方向是：①深入揭示電加工過程機理，在機床裝備關鍵技術方面不斷突破；②在微細電加工機理、過程控制、電源形式、工作液循環(huán)系統(tǒng)、電極制備等方面要持續(xù)開展研究；③綠色電加工技術；④新型復合電加工技術。7.1.4特種加工技術領域發(fā)展趨勢

5.超聲波加工領域超聲波加工技術領域的重點發(fā)展方向是：①超聲換能器的研發(fā)、設計和生產，未來超聲換能器向大功率、低壓驅動、高頻、薄膜化、微型化、集成化方向發(fā)展；②超聲振動輔助微細孔加工技術及其設備；③超精密超聲振動研磨加工技術及其設備；④超聲橢圓振動車削技術及其設備；⑤超聲輔助氣質電火花銑削加工技術及其設備；⑥超聲復合加工技術及其設備；⑦旋轉超聲加工方法及其設備。7.1.5未來制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢未來制造系統(tǒng)在5～20年，其發(fā)展趨勢也將是“精確化”、“服務化”、“綠色化”，發(fā)展過程如圖7-2所示。

7.1.5未來制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1.制造系統(tǒng)工程的新理論未來越來越復雜的制造系統(tǒng)亟需有效的分析工具，但目前已有的分析工具在理論和實踐方面有著巨大的差距，新的理論，諸如無尺度網格、誤差流等方法展現出一定的發(fā)展?jié)摿?。其中誤差流控制的主要發(fā)展趨勢包括：提高設計階段“首次正確率”控制誤差流；通過誤差源的診斷控制誤差流；充分利用多工序間復雜的相關性控制誤差流。7.1.5未來制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2.制造智能具體發(fā)展趨勢包括以下幾個方面：1）智能計算隨著基于智能技術的數字化制造過程研究的深入，必然會進一步與生產實踐相結合，向著系統(tǒng)化、集成化、規(guī)范化、智能化和實用化方向發(fā)展。2）先進生產計劃和調度①生產網格結構化；②生產模型網絡化；③智能算法專業(yè)化；④仿真技術的使用。7.1.5未來制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

3）計劃執(zhí)行與生產控制①生產系統(tǒng)定制化；②看板系統(tǒng)動態(tài)化；③瓶頸資源動態(tài)排程。4）質量控制質量控制的焦點從過程的輸出（產品/服務等）轉向對過程本身的控制。5）可靠性與設備性能維護①維護工程系統(tǒng)化；②設備維護行業(yè)化；③設備維護流程化；④設備維護信息化；⑤設備維護智能化。7.1.5未來制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢3.數字化制造具體發(fā)展趨勢有：1）傳感網絡研究發(fā)展趨勢傳感網絡基礎理論與關鍵方法研究、高效的無線傳感器網絡結構、面向數字化制造的智能傳感網絡。2）數字化制造過程建模發(fā)展趨勢

多場耦合下的切削加工過程建模、制造過程復雜性建模與分析、自適應過程建模新方法、多學科建模與仿真平臺開發(fā)。7.1.5未來制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

3）MES系統(tǒng)在現代信息技術、控制技術、制造技術以及管理技術等的推動下，正在向標準化、集成化、敏捷化、智能化、可視化、專業(yè)化等方向發(fā)展。4）系統(tǒng)集成技術

PLM作為系統(tǒng)集成技術的主流技術，今后的發(fā)展重點包括：企業(yè)基礎信息框架、統(tǒng)一產品模型、單一數據源、基于WEB的產品入口，以及PLM標準與規(guī)范體系。

7.1.5未來制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

5）E制造與電子商務領域各類信息的集成與本地化處理；先進的預測檢測方法和技術；各種非接觸式的信息技術如無線信息技術、無線傳感技術、可視化系統(tǒng)等；無線通信和網絡結構技術；確定和發(fā)展新的通信協(xié)議標準；先進的遠程智能維護與智能診斷系統(tǒng)、質量信息跟蹤技術。

4.新興制造模式其中綠色制造、服務型生產等將是今后發(fā)展的趨勢。作為正在發(fā)生的生產方式變革，迫切需要對服務型制造的基礎理論進行探索，主要包括：服務型制造系統(tǒng)與復雜網格分析；服務型制造質量與主動健康維護；普適計算環(huán)境下的工作研究。7.2新型制造業(yè)的發(fā)展趨勢7.2.1新型制造業(yè)的內涵和外延

所謂新型制造業(yè)是指依靠科技創(chuàng)新、降低能源消耗、減少環(huán)境污染、增加就業(yè)、提高經濟效益、提升競爭能力、能夠實現可持續(xù)發(fā)展的制造業(yè)。新型制造業(yè)的發(fā)展必須符合和諧社會建設的需要，應當是資源、環(huán)境、經濟與科技和諧發(fā)展的制造業(yè)；新型制造業(yè)是建設創(chuàng)新型國家的核心產業(yè)，必須強化自主創(chuàng)新能力，依靠科技創(chuàng)新的支撐和引領；新型制造業(yè)是社會主義新農村建設的重要載體和推動力量，是全面提升農民生活水平和幸福指數的客觀基礎。7.2.1新型制造業(yè)的內涵和外延1.新型制造業(yè)堅持科學發(fā)展新型制造業(yè)強調科學發(fā)展：①新型制造業(yè)強調以人為本，關注制造業(yè)發(fā)展過程中參與者的利益，重視經濟與社會的同步發(fā)展，重視人的全面發(fā)展。②新型制造業(yè)強調環(huán)境友好，重視減少資源消耗和環(huán)境污染，注重提高產業(yè)和產品的科技含量，注重發(fā)揮人力資源優(yōu)勢，倡導資源節(jié)約型的可持續(xù)發(fā)展的制造業(yè)發(fā)展道路。③新型制造業(yè)強調創(chuàng)新能力，評價制造業(yè)發(fā)展的水平和程度，必須充分考慮經濟創(chuàng)新能力、科技創(chuàng)新能力和能源消耗及環(huán)境影響程度（即注重可持續(xù)發(fā)展），④新型制造業(yè)強調面向未來，要求正確處理好制造業(yè)發(fā)展當前與長遠的關系，按照科學發(fā)展觀的要求，從前瞻性、戰(zhàn)略性和全局性的角度放眼未來，穩(wěn)步推進中國制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展。⑤新型制造業(yè)強調通過科技創(chuàng)新支撐和引領中國制造業(yè)的發(fā)展。7.2.1新型制造業(yè)的內涵和外延2.新型制造業(yè)強化自主創(chuàng)新新型制造業(yè)的發(fā)展必須依靠科技創(chuàng)新來支撐和引領：①制造業(yè)的發(fā)展逐步轉變到以知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新為基礎的軌道上來，改變以往那種主要依靠資本、勞動力和物質資源的投入來帶動的制造業(yè)增長方式。②新型制造強調通過科技創(chuàng)新提高制造業(yè)的水平和促進產品的更新?lián)Q代，通過科技創(chuàng)新提高資源和能源的利用效率與效益，進而提高經濟效益。③新型制造業(yè)倡導由要素驅動向創(chuàng)新驅動發(fā)展轉變，強調發(fā)揮知識和技術創(chuàng)新的優(yōu)勢促進產業(yè)發(fā)展。④新型制造業(yè)重視資源節(jié)約和環(huán)境友好，鋼鐵、汽車、石化產業(yè)和紡織業(yè)等傳統(tǒng)制造業(yè)，面對日益激烈的競爭態(tài)勢必須運用科技創(chuàng)新成果改造傳統(tǒng)工藝、設備、技術和方法，不斷提升經濟效益，走新型制造業(yè)發(fā)展道路。7.2.1新型制造業(yè)的內涵和外延3.新型制造業(yè)創(chuàng)造新的商業(yè)文化隨著技術革命和全球經濟一體化進程加快，新型制造業(yè)必將培育和形成具有鮮明時代特征的新型商業(yè)文化：1）開放型文化發(fā)展新型制造業(yè)，必然要求重視發(fā)展商業(yè)文化，而商業(yè)文化由于行業(yè)特點決定它注重開放性，不僅國內市場統(tǒng)一開放，地球村也將不是夢想，統(tǒng)一開放的國際市場的形成只是時間問題。7.2.1新型制造業(yè)的內涵和外延

2）創(chuàng)新型文化新型制造業(yè)的發(fā)展，離不開創(chuàng)新社會意識的孕育和形成，離不開創(chuàng)新理念的發(fā)展和壯大，主要是由于產業(yè)發(fā)展必須適應市場的激烈競爭。高度重視知識經濟條件下科技創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、組織創(chuàng)新等社會各方面的創(chuàng)新的作用和意義，以創(chuàng)新求生存，以創(chuàng)新謀求發(fā)展，已經成為個人、企業(yè)、產業(yè)、社會良性發(fā)展的根本動力。3）契約型文化新型制造業(yè)強調在法律的框架下開展一切商業(yè)活動，通過簽訂契約保護商業(yè)關系當事人的權利，減少商業(yè)往來的風險，確保商業(yè)關系能夠長期順利地開展下去，從而為整個新型制造業(yè)的發(fā)展保駕護航。7.2.1新型制造業(yè)的內涵和外延

4）平等型文化從某種意義上來說，平等型文化是從契約型商業(yè)文化中派生出來的，因為從本質上來說契約簽訂的前提條件是雙方的法律地位平等，區(qū)別于傳統(tǒng)的農耕文化中注重權威、等級觀念森嚴的內在特征。此外，網絡化、信息化的沖擊和發(fā)展，新型制造業(yè)產品的生產、銷售、售后服務、消費、分配強調平等交易，注重利益相關者之間的合作共贏，這也將極有力地推動社會平等型文化的發(fā)展。7.2.2新型制造業(yè)的發(fā)展理念1.以人為本以人為本是在對片面追求經濟增長所付出巨大代價反思的基礎上發(fā)展起來的，重視現代社會發(fā)展中人的主體地位。新型制造業(yè)講究以人為本，就是要以人的生存權、工作權、發(fā)展權、享受權為本，要使新型制造業(yè)發(fā)展過程中的參與者都能享受到發(fā)展所帶來的利益，就是要實現經濟與社會的同步發(fā)展，實現人的全面發(fā)展。7.2.2新型制造業(yè)的發(fā)展理念

（1）新型制造業(yè)重視人的生存權，既注重經濟價值的創(chuàng)造，又重視科技創(chuàng)新，還強調環(huán)境保護和資源節(jié)約；不僅考慮當代人的生存問題，還關注子孫后代的生存環(huán)境。

（2）新型制造業(yè)可