第十六講+現(xiàn)代先進制造技術(shù)

2023/2/51工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)概論主講蔣亞南副教授第八講金屬材料概述2013年9月工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)概論主講蔣亞南副教授第十六講現(xiàn)代先進制造技術(shù)介紹2015年8月寧波市數(shù)字圖書館第二批高校網(wǎng)絡(luò)（MOOC）課程2023/2/5講次內(nèi)容內(nèi)容體系第一講了解工業(yè)產(chǎn)品介紹及其開發(fā)流程第一篇工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)第二講結(jié)合實例介紹硬件產(chǎn)品開發(fā)步驟和方法第三講結(jié)合實例介紹服務(wù)產(chǎn)品的開發(fā)步驟和方法第四講工業(yè)產(chǎn)品工程設(shè)計第二篇產(chǎn)品設(shè)計方法基礎(chǔ)第五講工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計第六講

工業(yè)產(chǎn)品選材—金屬材料第七講工業(yè)產(chǎn)品選材—非金屬材料第八講產(chǎn)品表達圖示技術(shù)基礎(chǔ)第三篇產(chǎn)品工程表達基礎(chǔ)第九講

產(chǎn)品圖樣表達方法—基本視圖第十講產(chǎn)品圖樣表達方法—剖視斷面第十一講產(chǎn)品圖紙表達—零件圖第十二講產(chǎn)品圖紙表達—裝配圖第十三講工業(yè)產(chǎn)品加工方法—熱加工第四篇工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)加工第十四講工業(yè)產(chǎn)品加工方法—金屬切削加工第十五講工業(yè)產(chǎn)品加工方法—非金屬加工第十六講先進制造技術(shù)介紹2023/2/5制造業(yè)的社會功能制造業(yè)建筑機械交通工具環(huán)保設(shè)備軍事裝備醫(yī)療設(shè)備機器制造農(nóng)業(yè)機械化工設(shè)備家用電器通訊設(shè)備出版印刷網(wǎng)絡(luò)媒體文化娛樂冶金機械動力機械紡織服裝2023/2/5從生產(chǎn)靈活性看制造模式的變遷生產(chǎn)靈活性年份手工生產(chǎn)英式系統(tǒng)美式系統(tǒng)大批量制造泰勒制造統(tǒng)計過程控制數(shù)控柔性制造計算機集成制造未來制造系統(tǒng)18001831190019501970198719912023/2/5制造業(yè)近代的三個發(fā)展階段1、機器代替手工，從作坊形成工廠

18世紀后半葉，以蒸汽機和工具機的發(fā)明為特征的產(chǎn)業(yè)革命，揭開了近代工業(yè)的歷史，促成了制造企業(yè)的雛形——工場式生產(chǎn)的出現(xiàn)。標志著制造業(yè)已完成從手工業(yè)作坊式生產(chǎn)到以機械加工廠和分工原則為中心的工廠生產(chǎn)的艱難轉(zhuǎn)變。

20世紀初，各種金屬切削加工工藝方法逐漸形成，近代制造技術(shù)已成體系。但是機器的生產(chǎn)方式是作坊式的單件生產(chǎn)，它產(chǎn)生于英國，在19世紀先后傳到德國和美國，并在美國首先形成了小型的機械加工廠。2023/2/52、從單件生產(chǎn)方式發(fā)展成大量生產(chǎn)方式泰勒首先提出了以勞動分工和計件工資制為基礎(chǔ)的科學管理，成為制造工程科學的奠基人。福特首先推行所有零件都按照一定的公差要求來加工（零件互換技術(shù)），實現(xiàn)了以剛性自動化為特征的大量生產(chǎn)方式，它對社會結(jié)構(gòu)、勞動分工、教育制度和經(jīng)濟發(fā)展，都產(chǎn)生了重大的作用。20世紀50年代，零件互換技術(shù)發(fā)展到了頂峰。2023/2/53、柔性化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代制造技術(shù)：（1）單件小作坊式生產(chǎn)加高度的個人制造技巧，大量的機械化剛性規(guī)模生產(chǎn)加一體化的組織生產(chǎn)模式，再加細化的專業(yè)分工。（2）制造技術(shù)的界限分明及其專業(yè)的相互獨立。（3）制造技術(shù)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(shù)方法。（4）制造技術(shù)一般只能控制生產(chǎn)過程中的物料流和能量流。（5）制造技術(shù)與制造生產(chǎn)管理的分離。2023/2/5先進制造技術(shù)在我國的發(fā)展狀況具體表現(xiàn)在以下10個方面：

1、計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)普及化

2、快速原型制造技術(shù)由起步邁向成熟，應(yīng)用初具規(guī)模

3、精密成形與加工技術(shù)水平顯著提高，在汽車零部件、重大裝配制造中獲得廣泛應(yīng)用。

4、熱加工工藝模擬優(yōu)化技術(shù)取得重要進展，使材料熱加工由“技藝”走向“科學”。5、激光加工在基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)方面有實質(zhì)性進展，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用獲得經(jīng)濟效益。2023/2/56、數(shù)控技術(shù)取得重要進展，國內(nèi)市場占有率有所提高。

7、現(xiàn)場總線智能儀表研究開發(fā)獲重要進展，應(yīng)用已有一定的基礎(chǔ)。

8、微型機械研究進展迅速，標志著先進制造技術(shù)正向微觀領(lǐng)域擴展。

9、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)研究和應(yīng)用取得突破，在國際上占有一席之地。10、新生產(chǎn)模式的研究和實踐具有特色，推動了中國制造業(yè)的技術(shù)進步和管理現(xiàn)代化。

2023/2/5先進制造技術(shù)的分類現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)先進制造工藝技術(shù)制造自動化技術(shù)系統(tǒng)管理技術(shù)2023/2/5現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)計算機輔助設(shè)計技術(shù)有限元法、優(yōu)化設(shè)計、反求工程、模糊智能CAD、工程數(shù)據(jù)庫等。性能優(yōu)良設(shè)計基礎(chǔ)技術(shù)可靠性設(shè)計；安全性設(shè)計；動態(tài)分析與設(shè)計；防斷裂設(shè)計；疲勞設(shè)計；防腐蝕設(shè)計；減摩和耐磨損設(shè)計；健壯設(shè)計；耐環(huán)境設(shè)計；維修性設(shè)計和維修性保障設(shè)計；測試性設(shè)計；人機工程設(shè)計等。

2023/2/5競爭優(yōu)勢創(chuàng)建技術(shù)

快速響應(yīng)設(shè)計；智能設(shè)計；仿真與虛擬設(shè)計；工業(yè)設(shè)計；價值工程設(shè)計；模塊化設(shè)計等。全壽命周期設(shè)計技術(shù)

并行設(shè)計；面向制造的設(shè)計；全壽命周期設(shè)計。可持續(xù)性發(fā)展產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)

主要有綠色設(shè)計設(shè)計試驗技術(shù)

產(chǎn)品可靠性試驗；產(chǎn)品環(huán)保性能試驗與控制、仿真試驗與虛擬試驗2023/2/5先進制造工藝技術(shù)（1）精密潔凈鑄造成形工藝外熱沖天爐熔煉、處理、保護成套技術(shù)；鋼液精煉與保護技術(shù)；近代化學固化砂鑄造工藝；高效金屬型鑄造工藝與設(shè)備；氣化膜鑄造工藝與設(shè)備：鑄造成形工藝模擬和工藝CAD。（2）精確高效塑性成形工藝熱鍛生產(chǎn)線成套技術(shù)；精密輥鍛和楔橫軋技術(shù)；大型覆蓋件沖壓成套技術(shù)；精密沖裁工藝；超塑和等溫成形工藝；鍛造成形模擬和工藝CAD等。（3）優(yōu)質(zhì)高效焊接及切割技術(shù)新型焊接電源及控制技術(shù)；激光焊接技術(shù)；優(yōu)質(zhì)高效低稀釋率堆焊技術(shù)；精密焊接技術(shù)；焊接機器人；現(xiàn)代切割技術(shù)；焊接過程的模擬仿真與專家系統(tǒng)。2023/2/5先進制造工藝技術(shù)（續(xù)）（4）優(yōu)質(zhì)低耗潔凈熱處理技術(shù)可控氣氛熱處理；真空熱處理；離子熱處理；激光表面合金化；可控冷卻。

（5）高效高精機械加工工藝精密加工和超精密加工；高速磨削；變速切削；復(fù)雜型面的數(shù)控加工；游離磨料的高效加工等。

（6）現(xiàn)代特種加工工藝包括：激光加工；復(fù)合加工；微細加工和納米技術(shù)；水力加工等。2023/2/5先進制造工藝技術(shù)（續(xù)）（7）新型材料成形與加工工藝新型材料的鑄造成形；新型材料的塑性成形；新型材料的焊接；新型材料的熱處理；新型材料的機械加工。（8）優(yōu)質(zhì)清潔表面工程新技術(shù)化學鍍非晶態(tài)技術(shù)；新型節(jié)能表面涂裝技術(shù)；鋁及鋁合金表面強化處理技術(shù)；超聲速噴涂技術(shù)；熱噴涂激光表面重熔復(fù)合處理技術(shù)；等離子化學氣相沉積技術(shù)；離子輔助沉積技術(shù)（9）快速模具制造技術(shù)鍛模CAD／CAM一體化技術(shù)；快速原型制造技術(shù)等。2023/2/5制造自動化技術(shù)制造自動化是指用機電設(shè)備工具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(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化。是機械制造業(yè)最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。包括：（1）數(shù)控技術(shù)數(shù)控裝置；送給系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)；數(shù)控機床的程序編制。（2）工業(yè)機器人機器人操作機；機器人控制系統(tǒng)；機器人傳感器；機器人生產(chǎn)線總體控制。2023/2/5制造自動化技術(shù)（續(xù)）（3）柔性制造系統(tǒng)（FMS）FMS的加工系統(tǒng)；FMS的物流系統(tǒng)；FMS的調(diào)度與控制，F(xiàn)MS的故障診斷。（4）自動檢測及信號識別技術(shù)自動檢測CAT；信號識別系統(tǒng)；數(shù)據(jù)獲??；數(shù)據(jù)處理；特征提??；識別。（5）過程設(shè)備工況監(jiān)測與控制過程監(jiān)視控制系統(tǒng)；在線反饋質(zhì)量控制。2023/2/5系統(tǒng)管理技術(shù)（1）先進制造生產(chǎn)模式現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)CIMS、敏捷制造系統(tǒng)AMS、智能制造系統(tǒng)IMS、精良生產(chǎn)LP以及并行工程CE等先進的生產(chǎn)組織管理和控制方法。（2）集成管理技術(shù)并行工程CE；物料需求計劃MRP與準時制生產(chǎn)JIT的集成—生產(chǎn)組織方法；基于作業(yè)的成本管理ABC；現(xiàn)代質(zhì)量保障體系；現(xiàn)代管理信息系統(tǒng)；生產(chǎn)率工程；制造資源的快速有效集成。（3）生產(chǎn)組織方法虛擬公司理論與組織；企業(yè)組織結(jié)構(gòu)的變革；以人為本的團隊建設(shè)；企業(yè)重組工程。2023/2/516.1先進制造工藝技術(shù)

1、精密加工精密加工一般指加工精度在10～0.1μm（相當于IT5級精度和IT5級以上精度），表面粗糙度Ra值在0.1μm以下的加工方法，如金剛車、金剛鏜、研磨、珩磨、超精研、砂帶磨、鏡面磨削和冷壓加工等。用于精密機床、精密測量儀器等制造業(yè)中的關(guān)鍵零件加工，如精密絲杠、精密齒輪、精密蝸輪、精密導軌、精密滾動軸承等，在當前制造工業(yè)中占有極重要的地位。

超精密加工是指被加工零件的尺寸公差為0.1～0.01μm數(shù)量級，表面粗糙度Ra值為0.001μm數(shù)量級的加工方法。16.1.1精密加工與特種加工2023/2/52、特種加工

特種加工是指直接利用電能、聲能、光能、電化學能、熱能以及特殊機械能對材料進行加工。它與傳統(tǒng)的切削加工方法相比具有許多特點：在加工過程中工具與工件之間沒有顯著的切削力；加工用的工具材料硬度可以低于被加工材料的硬度；能用簡單的運動加工出復(fù)雜的型面。1）電火花加工

電火花加工是指在一定介質(zhì)中，通過工具電極和工件電極之間脈沖放電的電蝕作用對工件進行的加工。能對任何導電材料加工而不受被加工材料強度和硬度的限制。2023/2/5圖14－4電火花加工原理1－工件2－脈沖電源3－自動進給裝置4－工具電極5－工作液6－過濾器7－泵2023/2/5２）電解加工

電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的電化學腐蝕將工件加工成形，又稱電化學加工。

電解加工的工具（陰極）不發(fā)生溶解，可長期使用?？稍谝粋€工序內(nèi)完成復(fù)雜形狀的加工。2023/2/5３）超聲波加工

超聲波加工是利用超聲頻振動的工具，使磨料撞擊和拋磨工件，進行成形的一種加工方法。超聲波加工主要靠磨粒作用去除工件材料，加工設(shè)備較簡單，操作及維護方便。加工精度可達0.02μm，表面粗糙度Ra值達1.25～0.1μm。超聲波加工廣泛用于各種超硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料的加工。2023/2/5圖14－7超聲波加工原理圖1－超聲波發(fā)生器2－冷卻水入口3－換能器4－外罩5－循環(huán)冷卻水6－變幅桿7＝冷卻水出口8－工具9－磨料懸浮液10－工件11－工作槽2023/2/5４）激光加工

激光加工是利用能量密度很高的激光束使工件材料熔化、蒸發(fā)和氣化而予以去除的高能束加工。2023/2/516.2計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)

16.2.1計算機輔助設(shè)計與制造

2023/2/51.計算機輔助設(shè)計（CAD）計算機輔助設(shè)計（CAD）是指工程技術(shù)人員以計算機為工具，用各自的專業(yè)知識對產(chǎn)品進行總體設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱。1、二維設(shè)計2、線框造型3、曲面造型4、實體造型1、幾何建模功能2、工程分析和計算功能3、機構(gòu)設(shè)計與分析功能1、有限元分析2、優(yōu)化設(shè)計3、可靠性設(shè)計4、自動繪圖功能2023/2/52.計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計（CAPP）計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計方法1、派生式2、創(chuàng)成式3、綜合式派生式計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計原理1、零件編碼矩陣化2、零件組特征的矩陣化3、主樣件設(shè)計4、零件上各種形面的數(shù)字化5、工序工步名稱編碼6、綜合加工工藝路線的數(shù)字化7、工序工步內(nèi)容矩陣1、工藝信息數(shù)字化2、CAPP數(shù)據(jù)庫特征矩陣文件綜合工藝路線工序、工步文件工藝數(shù)據(jù)文件2023/2/5

從廣義的角度講，CAM指利用計算機輔助從毛坯到產(chǎn)品制造過程中的直接和間接的活動，包括計算機輔助生產(chǎn)計劃、計算機輔助工藝設(shè)計、計算機數(shù)控編程、計算機控制加工過程等內(nèi)容。而從狹義的角度講，CAM僅指數(shù)控程序的編制，包括刀具路徑的確定、刀位文件的生成、刀具軌跡仿真以及NC代碼的生成等3.計算機輔助制造（CAM）在市場上比較成熟的CAD/CAM系統(tǒng)有Pro/engineer系統(tǒng)和MasterCAM系統(tǒng)。前者是一體化的CAD/CAM系統(tǒng)，其內(nèi)部是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，能直接調(diào)用CAD系統(tǒng)中的圖形數(shù)據(jù)。后者是CAD模塊與CAM模塊的無縫集成，其系統(tǒng)內(nèi)部通過中性文件獲取其它CAD系統(tǒng)的圖形信息。

2023/2/516.2.2快速成形技術(shù)1.快速成形技術(shù)的概念

快速成形技術(shù)（RP,RapidPrototyping）是運用堆積成形法，由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實體的技術(shù)總稱。

RP技術(shù)的成形原理不同于常規(guī)制造的去除法（切削加工、電火花加工等）和變形法（鑄造、鍛造等），而是利用光、電、熱等手段，通過固化、燒結(jié)、粘結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學等方式，有選擇地固化（或粘結(jié)）液體材料，實現(xiàn)材料的遷移和堆積，形成所需要的原型零件。

快速成形技術(shù)是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)實現(xiàn)從零件設(shè)計到三維實體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。2023/2/52.快速成形技術(shù)的工藝方法

RP技術(shù)的具體工藝有很多種，根據(jù)采用的材料和對材料的處理方式不同，選擇其中3種方法的工藝原理進行介紹。(1)選擇性液體固化又稱光固化法，光固化法是目前應(yīng)用最廣的快速成形制造方法。其主要特點是：制造精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率接近100%；能制造形狀復(fù)雜及特別精細的零件；能使用成形材料較脆、材料固化伴隨一定收縮率的材料制造所需零件。2023/2/5(2)選擇性層片粘結(jié)

選擇性層片粘結(jié)又稱分層實體制造、疊層制造法疊層法的主要特點是：不需要制作支撐；激光只作輪廓掃描，而不需填充掃描，成形率高；運行成本低；成形過程中無相變且殘余應(yīng)力小，適合于加工較大尺寸零件；但材料利用率較低，表面質(zhì)量差。(3)選擇性粉末熔結(jié)/粘結(jié)選擇性粉末熔結(jié)/粘結(jié)又稱燒結(jié)法激光選區(qū)燒結(jié)法的主要特點是：不需要制作支撐；成形零件的機械性能好，強度高；粉末較松散，燒結(jié)后精度不高，Z軸精度難以控制。2023/2/53.

快速成形技術(shù)的特點和用途

(1)主要特點

1）高度柔性；

2）技術(shù)的高度集成；

3）設(shè)計制造一體化；

4）快速性；

5）自由成形制造(FreeFormFabrication，F(xiàn)FF)；

6）材料的廣泛性。

(2)用途

1）產(chǎn)品設(shè)計評估與功能測驗；

2）快速模具制造；

3）醫(yī)學上的仿生制造；

4）藝術(shù)品的制造；

5）直接制造金屬型。

2023/2/52023/2/52023/2/516.3制造自動化技術(shù)

163.1工業(yè)機器人1.工業(yè)機器人的定義工業(yè)機器人（IndustrialRobot,簡稱Robot

）是一種可重復(fù)編程的、自動控制的、多自由度的、機體獨立的自動操作機械。

2.工業(yè)機器人的組成（1）執(zhí)行系統(tǒng)（2）驅(qū)動系統(tǒng)（3）控制系統(tǒng)（4）檢測系統(tǒng)（5）智能系統(tǒng)2023/2/511.4工業(yè)機器人3.工業(yè)機器人的分類按系統(tǒng)功能分類：專用機器人、通用機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人按結(jié)構(gòu)形式分類：直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、球坐標機器人、關(guān)節(jié)機器人。按驅(qū)動方式分類：氣壓傳動機器人、液壓傳動機器人、電力傳動機器人。按承擔工作任務(wù)性質(zhì)可分為：搬運機器人和作業(yè)機器人。雖然工業(yè)機器人品種繁多，但從設(shè)計與使用角度出發(fā)，工業(yè)機器人的主要技術(shù)性能參數(shù)包括：運動自由度、工作空間、工作負荷、運動速度、位置精度。2023/2/54.工業(yè)機器人的應(yīng)用

工業(yè)機器人的最初應(yīng)用主要是對人體有危險或危害的操作環(huán)境。今天，在現(xiàn)代制造業(yè)中，利用機器人能擴大機械制造系統(tǒng)的功能和范圍，以及提高自動化程度，是實現(xiàn)柔性自動化的基本設(shè)備。用于生產(chǎn)中的工業(yè)機器人有：鑄造機器人、焊接機器人、噴漆機器人、裝配機器人、搬運機器人等。此外，高壓作業(yè)線、服裝剪裁、管道作業(yè)、擦玻璃的機器人也發(fā)揮著巨大的作用。2023/2/516.3.2柔性制造系統(tǒng)

傳統(tǒng)的專用機床和“剛性”自動生產(chǎn)線雖然有很高的生產(chǎn)效率，但其加工的零件形狀和尺寸單一，難以改變，這對于大批大量生產(chǎn)是合適的。為滿足多品種、小批量、產(chǎn)品更新?lián)Q代周期短的要求，20世紀70年代以來，隨著微電子技術(shù)，特別是計算機技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展，一種以機械加工為主的柔性制造技術(shù)得到迅速發(fā)展，主要有柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)。1.柔性制造單元

FMC（FlexibleManufacturingCell）是在加工中心的基礎(chǔ)上，增加了貯存工件的自動料庫、輸送系統(tǒng)所構(gòu)成的自動加工系統(tǒng)。FMC適于多品種、小批量工件的生產(chǎn)。FMC具有規(guī)模小、成本低，便于擴展等優(yōu)點。但FMC的信息系統(tǒng)自動化程度較低，加工柔性不高，只能完成品種有限的零件加工。2023/2/52.柔性制造系統(tǒng)

（1）FMS（FlexibleManufacturingSystem）的定義和組成FMS是在FMC的基礎(chǔ)上擴展而成的一種高效率、高精度、高柔性的加工系統(tǒng)。對柔性制造系統(tǒng)直觀的定義：“柔性制造系統(tǒng)至少是由兩臺數(shù)控加工設(shè)備、一套物料儲運系統(tǒng)和一套計算機控制系統(tǒng)所組成的制造系統(tǒng)。從上述定義可以看出，F(xiàn)MS主要由以下三部組成：1）加工系統(tǒng)2）物料儲運系統(tǒng)3）信息系統(tǒng)除上述三個主要組成部分外，F(xiàn)MS還包括冷卻系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)、刀具監(jiān)控和管理等附屬系統(tǒng)。（2）FMS的優(yōu)點和效益1）能接受各種不同零件加工2）生產(chǎn)周期短、成本低3）使加工質(zhì)量得到保證4）對企業(yè)的競爭力和資金周轉(zhuǎn)十分有利2023/2/516.4現(xiàn)代制造系統(tǒng)

16.4.1計算機集成制造系統(tǒng)1.CIMS(ComouterIntegratedManufacturingSystem)的基本概念CIMS是