先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)

先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)§1.1先進(jìn)制造技術(shù)的提出和發(fā)展§1.2先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵及體系結(jié)構(gòu)

§1.3先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

第1章緒論教學(xué)時數(shù)：1學(xué)時教學(xué)目標(biāo)：了解先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展背景、相關(guān)工業(yè)發(fā)達(dá)國家制造業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，以及我國先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域在國際上的地位與發(fā)達(dá)國家之間的差距。解學(xué)生掌握先進(jìn)制造技術(shù)中的現(xiàn)代設(shè)計方法，先進(jìn)制造工藝和制造自動化等知識；掌握先進(jìn)制造技術(shù)的定義、特點(diǎn)、內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)及其分類；通過本章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得先進(jìn)制造技術(shù)的基本知識，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)課程打下堅實的基礎(chǔ)。教學(xué)要求：了解先進(jìn)制造技術(shù)產(chǎn)生的背景。掌握主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展歷程和特點(diǎn)。掌握先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵和特點(diǎn)。了解先進(jìn)制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)及其分類。了解先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。了解我國機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展與差距。數(shù)控技術(shù)：技術(shù)用計算機(jī)按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設(shè)備的控制功能。利用數(shù)控技術(shù)加工的精密零件§1.1先進(jìn)制造技術(shù)的提出和發(fā)展1.1.1提出和發(fā)展舊石器時代到新石器時代：利用自然界中天然的石塊，經(jīng)過簡單的加工，作為謀生的重要工具。青銅器和鐵器時代：制作一些簡單的機(jī)械代替一部分的人工勞動，但機(jī)械的動力依靠還是靠人力提供。蒸汽機(jī)時代：手工勞動逐漸被機(jī)器生產(chǎn)所代替，這是人類進(jìn)步的一個重要標(biāo)志，并由此引發(fā)了第一次工業(yè)革命。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明：引發(fā)了制造業(yè)的又—次新革命，并得到了更迅猛的發(fā)展，逐漸在國民生產(chǎn)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。二戰(zhàn)后：計算機(jī)、微電子、信息和自動化技術(shù)在制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。使得制造業(yè)正經(jīng)歷著一場新的技術(shù)革命。產(chǎn)生的背景先進(jìn)制造技術(shù)作為概念有美國人在20世紀(jì)80年代提出。世界各國尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分注重其基礎(chǔ)理論的研究及其應(yīng)用推廣。先進(jìn)制造技術(shù)作為一門新興的高新技術(shù)，在傳統(tǒng)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷吸收現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在機(jī)械、電子、信息、材料、計算機(jī)、控制、能源、加工工藝、自動化以及現(xiàn)代管理等領(lǐng)域的最新科研成果，將其優(yōu)化集成綜合應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計、制造、檢測、銷售、使用、管理和服務(wù)的環(huán)節(jié)。實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、精益、敏捷、靈活的生產(chǎn)目標(biāo)。先進(jìn)制造技術(shù)作為一個多學(xué)科的綜合體系，其內(nèi)涵已超越了傳統(tǒng)制造技術(shù)和企業(yè)及車間，甚至國家界限。目前，先進(jìn)制造技術(shù)已成為當(dāng)代國際間科技競爭的重點(diǎn)，其技術(shù)水平在很大程度上反映了一個國家工業(yè)的發(fā)展程度?！?.1先進(jìn)制造技術(shù)的提出和發(fā)展§1.1先進(jìn)制造技術(shù)的提出和發(fā)展1.1.2

發(fā)展概括工業(yè)發(fā)達(dá)國家制造業(yè)在在GDP中所占的下降呈現(xiàn)趨勢的減緩，但在制造業(yè)中先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展迅速，所占的份額呈現(xiàn)上升的趨勢。為了提高本國的競爭力和振興國家經(jīng)濟(jì)，先進(jìn)制造技術(shù)被放在了戰(zhàn)略的高度，先進(jìn)制造技術(shù)已經(jīng)與一個國家的經(jīng)濟(jì)密不可分。

機(jī)械、電子、信息、材料和管理技術(shù)為一體的新型交叉學(xué)科包括了設(shè)計技術(shù)、自動化技術(shù)和系統(tǒng)管理技術(shù)等1.2.1內(nèi)涵和特點(diǎn)

§1.2先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵及體系結(jié)構(gòu)

動態(tài)性

廣泛性系統(tǒng)性

集成性

實用性

高效靈活性

先進(jìn)性

針對一定的應(yīng)用目標(biāo)，不斷地吸收各種高新技術(shù)。面向工業(yè)應(yīng)用

考慮到制造的全過程核心是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔多項高新技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，代表著制造技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向1.2.2

體系結(jié)構(gòu)及其分類

§1.2先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵及體系結(jié)構(gòu)

目前，對于先進(jìn)制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，主要有兩種觀點(diǎn)：

AMST多層次先進(jìn)制造技術(shù)體系FCCSET先進(jìn)制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)§1.3先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢集成化

智能化

數(shù)字化

自動化

信息化虛擬化

綠色制造

網(wǎng)絡(luò)化

柔性化

極端制造

精密化

現(xiàn)代技術(shù)，加工及企業(yè)的集成智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化制造管理信息化

自動化已成為先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的前提條件剛性自動化發(fā)展到可編程自動化，再發(fā)展到綜合自動化數(shù)字化技術(shù)是將實現(xiàn)CAD/CAM/CAE/CAPP的一體化，使產(chǎn)品向無圖紙制造方向發(fā)展。

實體數(shù)字模型極端尺度或極高功能的器件和功能系統(tǒng)包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特種加工和復(fù)合加工清潔生產(chǎn)和面向環(huán)境的制造§1.4我國機(jī)械制造業(yè)的概況管理方面

多數(shù)小型企業(yè)仍處于經(jīng)驗管理階段；設(shè)計方面

缺乏創(chuàng)造性設(shè)計；制造工藝方面

尚處于起步階段；自動化技術(shù)方面

尚處在單機(jī)自動化、剛性自動化階段；

創(chuàng)新能力方面

經(jīng)費(fèi)投入和技術(shù)水平等都遠(yuǎn)低于工業(yè)發(fā)達(dá)國家；成套設(shè)計方面裝備制造業(yè)基礎(chǔ)共性產(chǎn)品研制能力較弱；完整的體系方面

絕大多數(shù)企業(yè)技術(shù)開發(fā)能力薄弱。簡述制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用；試分析制造業(yè)在新世紀(jì)所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)；敘述主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家制造技術(shù)發(fā)展歷程；敘述先進(jìn)制造技術(shù)提出的背景，各國和我國對先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略；分析先進(jìn)制造技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的比較，先進(jìn)制造技術(shù)有何特點(diǎn)；如何理解制造的概念？簡述制造、加工與生產(chǎn)的區(qū)別與聯(lián)系；先進(jìn)制造技術(shù)的定義，簡述先進(jìn)制造技術(shù)的特征；簡述先進(jìn)制造技術(shù)包括哪些技術(shù)；簡述先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢；先進(jìn)制造技術(shù)的定義；先進(jìn)制造技術(shù)的特點(diǎn)。本章思考題§2.1

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)概論§2.2

創(chuàng)新設(shè)計§2.3

模糊設(shè)計第2章現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)§2.4

綠色設(shè)計§2.5人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)§2.6反求工程技術(shù)

教學(xué)時數(shù)：10學(xué)時教學(xué)目標(biāo)：現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的一個組成部分，是制造技術(shù)的第一個環(huán)節(jié)

。通過本章的學(xué)習(xí)，了解現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的基本特征及發(fā)展趨勢；掌握現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)中創(chuàng)新設(shè)計、模糊設(shè)計、綠色設(shè)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及反求工程技術(shù)的基本概念、主要內(nèi)容及發(fā)展應(yīng)用；通過實例分析了解這些先進(jìn)技術(shù)手段在日常生活以及現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品中的實際應(yīng)用。教學(xué)要求：了解現(xiàn)代設(shè)計相關(guān)知識，掌握其與傳統(tǒng)設(shè)計的關(guān)系。掌握創(chuàng)新設(shè)計相關(guān)的基礎(chǔ)知識，了解其應(yīng)用。掌握模糊優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型、模糊可靠性設(shè)計內(nèi)容，了解模糊設(shè)計的應(yīng)用

。了解綠色設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，掌握綠色設(shè)計原則及關(guān)鍵技術(shù)。了解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、應(yīng)用，掌握人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理及補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。了解反求工程技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，掌握反求工程關(guān)鍵技術(shù)。推薦閱讀資料張維剛,鐘志華．現(xiàn)代設(shè)計方法．機(jī)械工業(yè)出版社，2005．芮延年．現(xiàn)代設(shè)計方法及其應(yīng)用．蘇州大學(xué)出版社，2005．王鳳岐,張連洪,邵宏宇．現(xiàn)代設(shè)計方法．天津大學(xué)出版社，2004．陳屹,謝華．現(xiàn)代設(shè)計方法及其應(yīng)用．國防工業(yè)出版社，2004王啟廣，葉平．現(xiàn)代設(shè)計理論．中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005．陳鴻俊．現(xiàn)代設(shè)計史．中南大學(xué)出版社，2005．王鳳岐．現(xiàn)代設(shè)計方法及其應(yīng)用．天津大學(xué)出版社，2008．顏永年．先進(jìn)制造技術(shù)．化學(xué)工業(yè)出版社，2002．2.1現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)概論2.1.1現(xiàn)代設(shè)計概念及特征

設(shè)計是人類運(yùn)用已有知識和技術(shù)解決問題或創(chuàng)造新事物以滿足社會需要的活動。產(chǎn)品設(shè)計過程可分成四個設(shè)計域：用戶域、功能域、物理域、過程域，而設(shè)計過程實際上就是求解這四個設(shè)計域之間的映射關(guān)系，如圖2.1所示。其中，顧客域和功能域之間的映射關(guān)系建立即為產(chǎn)品定義階段；功能域和物理域之間的映射關(guān)系建立即為產(chǎn)品設(shè)計階段；物理域和過程域之間的映射關(guān)系建立即為過程設(shè)計階段。圖2.1產(chǎn)品設(shè)計過程

與傳統(tǒng)設(shè)計相比，現(xiàn)代設(shè)計是傳統(tǒng)設(shè)計的深入、豐富和完善，而非獨(dú)立于傳統(tǒng)設(shè)計的全新設(shè)計?？蓮囊韵绿卣鱽砝斫?。

1.以計算機(jī)技術(shù)為核心這是現(xiàn)代設(shè)計的主要特征。具體表現(xiàn)為以下幾方面：（1）設(shè)計手段的更新：計算機(jī)技術(shù)推動了設(shè)計手段從“手工”向“自動”的轉(zhuǎn)變。（2）產(chǎn)品表示的改變：計算機(jī)技術(shù)推動了產(chǎn)品表示從“二維”向“三維”的轉(zhuǎn)變。

（3）設(shè)計方法的發(fā)展：促進(jìn)了一些新的設(shè)計方法的出現(xiàn)，高性能的計算機(jī)硬件和先進(jìn)的軟件技術(shù)是這些方法實施的保證。（4）工作方式的變化：計算機(jī)技術(shù)促進(jìn)了設(shè)計方式從“串行”到“并行”的變化。（5）設(shè)計與制造一體化：產(chǎn)品模型加強(qiáng)了設(shè)計與制造兩個環(huán)節(jié)的連接，提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。（6）管理水平的提高：產(chǎn)品設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計過程中涉及大量設(shè)計數(shù)據(jù)和設(shè)計行為的管理。

（7）組織模式的開放：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展加快了數(shù)據(jù)通訊速度，縮短了企業(yè)之間的距離。

2.以設(shè)計理論為指導(dǎo)

現(xiàn)代設(shè)計方法是基于理論形成的方法，利用這種方法指導(dǎo)設(shè)計可減小經(jīng)驗設(shè)計的盲目性和隨意性，提高設(shè)計的主動性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性。因此，現(xiàn)代設(shè)計是以理論指導(dǎo)為主、經(jīng)驗為輔的一種設(shè)計?！咎貏e提示】

實際生活中，在許多情況下，一個設(shè)計方案不可能同時滿足所有用戶要求，并且設(shè)計也不可能一次性完成后就不再修改或不在新的條件下重新進(jìn)行。為此，設(shè)計有必要在基于系統(tǒng)工程的現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)的指導(dǎo)下來進(jìn)行。2.1.2傳統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計

傳統(tǒng)設(shè)計是一種經(jīng)歷了直覺設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計、半理論經(jīng)驗設(shè)計3個發(fā)展階段并于20世紀(jì)50年代后期形成的，是以經(jīng)驗總結(jié)為基礎(chǔ)，運(yùn)用長期設(shè)計實踐和理論計算而形成的經(jīng)驗、公式、圖表、設(shè)計手冊等作為設(shè)計依據(jù)，通過經(jīng)驗公式、近似系數(shù)或類比等方法進(jìn)行設(shè)計。隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，設(shè)計工作包括機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計過程產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。另外，許多現(xiàn)

設(shè)計技術(shù)與方法是在吸取了傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)中的思想、觀點(diǎn)、方法之精華而發(fā)展起來的，如系統(tǒng)設(shè)計、功能設(shè)計、模塊化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、并行設(shè)計等。因此，可以說現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是在傳統(tǒng)設(shè)計方法基礎(chǔ)上繼承和發(fā)展起來的，是一門多專業(yè)和多學(xué)科交叉綜合性很強(qiáng)的基礎(chǔ)技術(shù)科學(xué)?，F(xiàn)代設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計關(guān)系：１．繼承關(guān)系?，F(xiàn)代設(shè)計是在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它繼承了傳統(tǒng)設(shè)計的精華之處，克服了傳統(tǒng)設(shè)計的一些不足，是傳統(tǒng)設(shè)計的繼承、延伸和發(fā)展。

２．共存與突破的關(guān)系。設(shè)計方法的發(fā)展，從直覺設(shè)計到經(jīng)驗設(shè)計以至現(xiàn)代設(shè)計，都有時序性、繼承性和兩種方法在一定時期內(nèi)共存性的關(guān)系?！咎貏e提示】

就目前現(xiàn)代設(shè)計所涉及的理論、方法的范疇來看，可以認(rèn)為它是由現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)、計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)、可信性設(shè)計技術(shù)、試驗設(shè)計技術(shù)等多種學(xué)科的交叉與融合。是傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的繼承、延伸與發(fā)展，是隨著設(shè)計實踐經(jīng)驗的積累，由個別到一般、具體到抽象、感性到理性，逐步歸納、演繹、綜合而發(fā)展起來的。2.1.3現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)原則與技術(shù)體系

現(xiàn)代設(shè)計原則是傳統(tǒng)設(shè)計原則的擴(kuò)充和完善，兩者并無本質(zhì)區(qū)別?？蓺w納為以下幾類。1．功能保證原則：產(chǎn)品設(shè)計的目的是構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定功能的產(chǎn)品，如果產(chǎn)品不具備要求的功能，設(shè)計就失去價值。因此滿足功能是各類產(chǎn)品設(shè)計的必要原則。

2．質(zhì)量保障原則：保證質(zhì)量是產(chǎn)品設(shè)計的重要原則，產(chǎn)品質(zhì)量主要由性能和可靠性決定,設(shè)計力求技術(shù)上先進(jìn)，但更要保證使用中的可靠性。

3．工藝優(yōu)良原則：指設(shè)計能夠且容易通過生產(chǎn)過程實現(xiàn),它包括:(1)可制造性.(2)可裝配性.(3)可測試性.4.經(jīng)濟(jì)合理原則：要求產(chǎn)品具有較低的開發(fā)成本和使用費(fèi)用，力求做到經(jīng)濟(jì)合理，也就是說，在滿足用戶提出的功能要求下，有效地節(jié)約能源，降低成本。

5.社會使用原則：考慮產(chǎn)品投放市場后的表現(xiàn)行為,包括:(1)環(huán)境友好性.(2)環(huán)境適應(yīng)性.(3)人機(jī)友好性.(4)可維修性.(5)安全性.(6)可安裝性.(7)可拆卸性.(8)可回收性。

6.創(chuàng)新設(shè)計原則：設(shè)計本身就是創(chuàng)造性思維活動，只有大膽創(chuàng)新才能有所發(fā)明，有所創(chuàng)造。下面對現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要的分析，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的整個體系好比一棵大樹，由基礎(chǔ)技術(shù)、主體技術(shù)、支撐技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)四個層次組成。用圖2.2所示框圖描述，并予以說明。圖2.2現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的體系及與其他學(xué)科的關(guān)系基礎(chǔ)技術(shù)

基礎(chǔ)技術(shù)是指傳統(tǒng)的設(shè)計理論與方法，特別是運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)與動力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、工程數(shù)學(xué)的基本原理與方法等方面。主體技術(shù)

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的誕生和發(fā)展與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)、相輔相成。支撐技術(shù)

設(shè)計方法學(xué)、可信性設(shè)計技術(shù)及試驗設(shè)計技術(shù)所包含的種種內(nèi)容，可視為現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)群體的支撐技術(shù)。應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)是針對實用目的解決各類具體產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)，可以看作是現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)派生出來的豐富多彩的具體技術(shù)群。【特別提示】

這里需要特別指出的是，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)體系框架的劃分只是相對的，而不是絕對的；主體技術(shù)、支撐技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)之間并不存在截然的界限。主體技術(shù)所包含的計算機(jī)輔助設(shè)計的有關(guān)技術(shù)本身往往就是應(yīng)用技術(shù)。在特定情況下，某些支撐技術(shù)也可以成為主體技術(shù)。2.1.4現(xiàn)代設(shè)計發(fā)展趨勢展望

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的主體技術(shù)之一，也是先進(jìn)制造技術(shù)的核心與靈魂，必將伴隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)和信息技術(shù)的進(jìn)步，制造業(yè)生產(chǎn)模式的變革，競爭與合作的全球化，人們對生態(tài)環(huán)境、資源的關(guān)切和對產(chǎn)品品質(zhì)多樣化等方面的要求，而發(fā)生著深刻的變化。展望現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢，大致有以下幾方面：

1．設(shè)計過程的數(shù)字化

2．設(shè)計過程的自動化和智能化研究

3．智能性產(chǎn)品設(shè)計思想進(jìn)一步深化

4．虛擬設(shè)計和仿真虛擬試驗及快速成形等技術(shù)的深入研究

5．微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計理論及方法研究

6．綠色設(shè)計思想更加重要

7．基礎(chǔ)性設(shè)計理論及共性設(shè)計技術(shù)的深層次研究

8．對設(shè)計人員的要求不斷提高

9．面向集成制造和分布式經(jīng)營管理的設(shè)計方法、人員組織及規(guī)劃的研究【特別提示】

近年來出現(xiàn)的并行工程（ConcurrentEngineering

——CE）、精益生產(chǎn)（LeanProduction——LP）、靈捷制造（AgileManufacturing——AM）、準(zhǔn)時生產(chǎn)（Just－in－Time）、質(zhì)量功能配置（QualityFunctionDeployment——QFD）等生產(chǎn)管理中的設(shè)計技術(shù)，應(yīng)依據(jù)國情和市場的動態(tài)變化研究將這些技術(shù)貫徹到生產(chǎn)過程中。2.2創(chuàng)新設(shè)計

創(chuàng)新學(xué)是研究人類創(chuàng)造發(fā)明及其一般規(guī)律的科學(xué)，其宗旨在于通過對人們創(chuàng)新活動和創(chuàng)新發(fā)明方法的研究，揭示人類創(chuàng)新發(fā)明的一般規(guī)律，并用以有效促進(jìn)人們的各種創(chuàng)造和發(fā)明，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和社會生產(chǎn)力的發(fā)展。【知識連接】

胡錦濤總書記曾指出“自主創(chuàng)新能力是國家競爭的核心，是我國應(yīng)對未來挑戰(zhàn)的重大選擇，是統(tǒng)領(lǐng)我國未來科技發(fā)展的戰(zhàn)略主線，是實現(xiàn)建設(shè)創(chuàng)新型國家目標(biāo)的根本途徑。”

2.2.1創(chuàng)新設(shè)計基本概念

創(chuàng)新設(shè)計屬于技術(shù)創(chuàng)新范疇，其要求比對設(shè)計的要求提高了許多，不僅是一種創(chuàng)造性的主活動，還是一個具有經(jīng)濟(jì)性、時效性的活動。歸納起來創(chuàng)新設(shè)計具有如下特點(diǎn)：

1．創(chuàng)新設(shè)計是涉及到多種學(xué)科，包括設(shè)計學(xué)、創(chuàng)造學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)、心理學(xué)等的復(fù)合型工作，其結(jié)果的評價也是多指標(biāo)、多角度的。

2．創(chuàng)新設(shè)計中相當(dāng)一部分工作是非數(shù)據(jù)性、非計算機(jī)性的，而是要依靠對各學(xué)科知識的綜合理解與交融，對已有經(jīng)驗的歸納與分析，運(yùn)用創(chuàng)造性的思維方法與創(chuàng)造學(xué)的基本原理開展工作。

3．創(chuàng)新設(shè)計不只是因為問題而設(shè)計，更重要的是提出問題，解決問題。

4．創(chuàng)新設(shè)計是多種層次的，不在乎規(guī)模的大小，也不在乎理論的深淺，注重的是新穎、獨(dú)創(chuàng)、及時。

5．創(chuàng)新設(shè)計的最終目的在于應(yīng)用。

現(xiàn)在的創(chuàng)新學(xué)主要是從行為學(xué)角度來認(rèn)識人類創(chuàng)造性思維德特點(diǎn)、創(chuàng)新性思維的思維形式、思維方式、思維模式及其思維的規(guī)律，同時也研究如何對一般人進(jìn)行更有效的創(chuàng)新性思維培養(yǎng)和訓(xùn)練。

1、創(chuàng)新思維特點(diǎn)

由于人們對于自身的創(chuàng)造性思維往往了解不多，研究得不夠深入，因而對于創(chuàng)造性思維特點(diǎn)的看法也極不一致?？偟膩碚f，創(chuàng)造性思維具有如下特點(diǎn)：（1）創(chuàng)新思維具有開放性特點(diǎn)2.2.2創(chuàng)新思維

（2）創(chuàng)新思維具有求異性特點(diǎn)（3）創(chuàng)新思維具有突發(fā)性特點(diǎn)（4）創(chuàng)新思維是邏輯與非邏輯思維的有機(jī)結(jié)合

2、創(chuàng)新思維類型創(chuàng)新思維是多種成對的辯證思維類型的綜合，認(rèn)識成對的辯證思維類型，特別是其中對創(chuàng)新影響較大的思維類型，有助于鍛煉發(fā)展自己的創(chuàng)新思維。（1）形象思維和抽象思維（2）發(fā)散思維和收束思維（3）邏輯思維和非邏輯思維

（4）定向思維和逆向思維【知識鏈接】

托馬斯?曼說過：“一條偉大的真理在于它的對立面也是一條偉大的真理?！蹦嫦蛩季S包括反向思維、辯證邏輯和雅努斯式思維。因此，要在逆向思維中有所創(chuàng)新，必須從學(xué)習(xí)科學(xué)更新知識入手。在其他條件相同的情況下，知識基礎(chǔ)越豐厚牢固、科學(xué)創(chuàng)新的可能性就越大，獨(dú)創(chuàng)的見解就更深刻，就能對眼前的一系列“異端”作出準(zhǔn)確的判斷，使創(chuàng)新更富準(zhǔn)確性、科學(xué)性和創(chuàng)造性。

2.2.3創(chuàng)新技法

創(chuàng)新技法源于創(chuàng)造學(xué)的理論與規(guī)則，是以創(chuàng)新思維為基礎(chǔ)，通過實踐總結(jié)出一些創(chuàng)造發(fā)明的技巧和方法。

1．組合法組合創(chuàng)新是很重要的創(chuàng)新方法，是任意的，各種各樣的事物要素都可以進(jìn)行組合。（1）同物組合同物組合是指把若干同類事物組合在一起，用以創(chuàng)新。

（2）異物組合異物組合指把兩種不同類事物組合在一起從而得到創(chuàng)新，異物組合設(shè)計法的運(yùn)用也非常廣泛。

【應(yīng)用案例】

例如帶電子表的圓珠筆、帶收音機(jī)的應(yīng)急燈、可拍照的手機(jī)、可當(dāng)U盤使用的MP3等等。

（3）輻射組合輻射組合是以一種新技術(shù)或令人感興趣的技術(shù)為中心，同多方面的傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來，形成技術(shù)輻射，從而導(dǎo)致多種技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)明創(chuàng)造方法。

2．類比法

所謂類比發(fā)明法，就是一種確定二個以上事物間同異關(guān)系的思維過程和方法?！緫?yīng)用案例】

物理學(xué)家歐姆在研究電流流動時，將電與熱進(jìn)行類比，把通過導(dǎo)體的電勢比作溫度、把電流總量比作一定的熱量，運(yùn)用傅里葉熱傳導(dǎo)理論的基本思想再引入電阻概念進(jìn)行研究，終于在世界上首先提出了著名的歐姆定律。

3．移植法

移植法是發(fā)明者把某一技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)手段和方法，移植應(yīng)用到另一技術(shù)領(lǐng)域，用以變革和創(chuàng)新，從而搞出新發(fā)明。移植法常與類比思維相結(jié)合，主要包括以下幾種方法。

（1）技術(shù)手段移植（2）原理移植（3）技術(shù)功能移植（4）材料移植（5）結(jié)構(gòu)移植

4．聯(lián)想法

聯(lián)想發(fā)明是依據(jù)人的心理聯(lián)想發(fā)明的一種創(chuàng)造方法。由聯(lián)想捕獲設(shè)計構(gòu)思的方法就是聯(lián)想設(shè)計法，它是易于操作且易出效果的設(shè)計方法。聯(lián)想設(shè)計法可分為以下三大類。（1）自由聯(lián)想設(shè)計法（2）相似聯(lián)想設(shè)計法（3）對比聯(lián)想設(shè)計法

5．換元法換元法是指對不能直接解決的問題采用"替代"手段，使問題得到以解決或使創(chuàng)新活動深入開展。

換元法在運(yùn)用中有以下特點(diǎn)：應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。成果一般是產(chǎn)生解決問題的新方法。關(guān)鍵是尋找可以替代的事物。換元事物之間客觀上存在著某方面的等值關(guān)系。

6．模仿法

模仿法是指以某一模仿原型為參照，在此基礎(chǔ)上加以變化產(chǎn)生新事物的方法。

7．創(chuàng)造需求法這里介紹幾種解決這個問題的方法。

（1）觀察生活法

（2）順應(yīng)潮流法

（3）藝術(shù)升格法

（4）引伸需求鏈條法

（5）預(yù)測需求法

8.三思法

三思法是對某一具體方案從積極、消極、和興趣感觸等三個方面思考后再作出決策的方法。三思法將使方案更趨完善，執(zhí)行中更具穩(wěn)健。三思法的內(nèi)容是：從正方向思考，即從積極的一面，有益的一面思考。從反方向思考，即從消極的一面，有利的一面或產(chǎn)生副作用的一面思考。從有興趣的、有感觸的一面去思考。

9．聰明十二法

（1）加一加

（2）減一減

（3）擴(kuò)一擴(kuò)

（4）縮一縮

（5）變一變

（6）改一改

（7）聯(lián)一聯(lián)

（8）學(xué)一學(xué)

（9）代一代

（10）搬一搬

（11）反一反

（12）定一定

創(chuàng)造的技法很多，仁者見仁，智者見智，這些方法互相交叉、互相滲透。如果青少年能理解和運(yùn)用這些發(fā)明創(chuàng)造的技法，那么必將大大開發(fā)他們的潛力，使每個學(xué)生都有可能成為一個具有創(chuàng)造性的人才。2.2.4創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)前沿研究1．認(rèn)知科學(xué)對創(chuàng)新設(shè)計本質(zhì)的研究

創(chuàng)新性思維具有主動性、目的性、預(yù)見性、求異性、發(fā)散性、獨(dú)創(chuàng)性和突變性等特征。對于這些特征的研究和闡述，有助于我們對創(chuàng)新設(shè)計本質(zhì)的認(rèn)識。2．原理方案設(shè)計目錄

PCDC文檔是設(shè)計原理方案解的集合，根據(jù)設(shè)計方法學(xué)對設(shè)計本質(zhì)和設(shè)計過程的闡述，以圖文表格的方式進(jìn)行有條理地組織，是建立智能系統(tǒng)知識庫結(jié)構(gòu)的依據(jù)。3．創(chuàng)新問題求解理論

TIPS是建立在對各工程領(lǐng)域大量專利的分析、綜合，并整理出一般規(guī)律的基礎(chǔ)上的。4．材料的選擇工程設(shè)計中，材料的不同常會導(dǎo)致完全創(chuàng)新的設(shè)計結(jié)果。5．機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計包含以下幾種：（1）新的驅(qū)動技術(shù)（超導(dǎo)、超聲等驅(qū)動）。（2）新的特種傳動技術(shù)（Tracition、五齒等傳動）。（3）新的無級變速技術(shù)（VST等無級變速傳動）。（4）新的制造工藝及其設(shè)備設(shè)計技術(shù)。【應(yīng)用案例】

例如中南大學(xué)葉紹勇等人設(shè)計的腳踏鍵盤（圖2.3）圖2.3腳踏式鍵盤2.3

模糊設(shè)計

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，需要人們研究的變量越來越多且變量之間的關(guān)系也越來越復(fù)雜，對系統(tǒng)的判別和推理的精確性也越來越高。為了適應(yīng)新要求，許多過去與數(shù)學(xué)毫無關(guān)系或關(guān)系不大的學(xué)科，現(xiàn)在也迫切要求定量化和數(shù)學(xué)化，而這些學(xué)科中有大量的模糊概念和模糊問題，這就需要具有處理模糊性的方法。2.3.1模糊集合與隸屬函數(shù)

模糊現(xiàn)象是邊界不清楚，在質(zhì)上沒有確切的含義，在量上沒有確切界限的某種事物的一種客觀屬性，是事物差異之間存在著中間過渡過程的結(jié)果?！緫?yīng)用案例】

例如，操作員進(jìn)行溫度控制過程中，“溫度偏高”中的“偏高”、“加入較多冷卻水”中的“較多”等。此外，在機(jī)械系統(tǒng)中大量發(fā)生的疲勞、磨損、振動失穩(wěn)等失效形式，均不是確定的“非此即彼”的二值[0,1]邏輯狀態(tài)，而是存在著從“正?！钡健笆А钡闹薪檫^渡過程，即模糊的“亦此亦彼”的邏輯狀態(tài)。2.3.2模糊優(yōu)化設(shè)計

模糊優(yōu)化設(shè)計是將模糊理論與普通優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的一種新的優(yōu)化理論與方法，是普通優(yōu)化設(shè)計的延伸與發(fā)展。

1.模糊優(yōu)化設(shè)計基本概念

模糊優(yōu)化設(shè)計包括建立數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用計算機(jī)優(yōu)化程序求解兩方面內(nèi)容。與常規(guī)優(yōu)化設(shè)計一樣，目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計變量是模糊優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的三要素。

（1）目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是衡量設(shè)計方案優(yōu)劣的某一指標(biāo)或某幾個指標(biāo)。尋找優(yōu)化設(shè)計方案的目的，就是追求可靠性最高，造價、維修費(fèi)用最小或其他性能指標(biāo)最優(yōu)。因此，一般地說，目標(biāo)函數(shù)是模糊的，記為

(2）約束條件

設(shè)計中的條件大致可分為三類：

1）幾何條件方面的約束

2）性能方面的約束

3）人文因素方面的約束

（3）設(shè)計變量

根據(jù)模糊目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)的關(guān)系，模糊優(yōu)化數(shù)學(xué)模型分為對稱與非對稱兩種。

2．模糊優(yōu)化問題求解基本思想

模糊優(yōu)化問題各種結(jié)法的核心就是從模糊到非模糊的轉(zhuǎn)化，不同的轉(zhuǎn)化方式產(chǎn)生不同的模糊優(yōu)化解法。模糊優(yōu)化問題的解是不唯一的，由所謂模糊判決給出的。解的不唯一性是模糊優(yōu)化的特點(diǎn)?；舅悸分饕缦?。

（1）最優(yōu)水平截集

在事物模糊性（模糊集合）的中間過渡狀態(tài)中，截取一系列水平截集，并從中獲取一最優(yōu)水平截集，得到一個確定性的解，這樣便把一個原來的模糊優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的普遍優(yōu)化問題?！咎貏e提示】

最優(yōu)水平截集法簡單且思路明確，考慮了事物中間過渡性質(zhì)，所以目前仍是模糊優(yōu)化中普遍采用的一種方法。

（2）近似模糊集合法

用一個普通集合法去近似一個模糊集合，并使兩者之差在允許的精度范圍之內(nèi)，從而把一個模糊優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為普通優(yōu)化問題。這既是一個工程及技術(shù)問題，更是一個模糊數(shù)學(xué)的理論問題，近似模糊集合法還有待于進(jìn)一步深入研究和探索。

3．對稱優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

對稱模糊優(yōu)化設(shè)計的基本思想是，在設(shè)計空間中尋求模糊優(yōu)越集的隸屬度取大值的x*，稱為模糊最優(yōu)解，它同時使目標(biāo)與約束得到最大的程度滿足于是，對稱模糊優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以表示為求x*使其中

——模糊優(yōu)越集的隸屬函數(shù)；

——模糊目標(biāo)集的隸屬函數(shù)；

——模糊約束集的隸屬函數(shù)。

上述模糊優(yōu)化問題求解思路是借助最優(yōu)水平截集法，將模糊優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為普通優(yōu)化問題。

由分解定理可證得，模糊優(yōu)越集的最大值為

由于

隨水平截集

的不同而變化，即隨值λ的不同而變化（圖2.4），在λ∈(0,1)范圍內(nèi)必存在一個λ通過A點(diǎn)使下式成立：

據(jù)此，就把模糊優(yōu)化問題歸結(jié)為求

的問題了

這是一個普遍化問題。將上式改寫為:通過迭代過程可獲得λ*，從而獲得最優(yōu)解x*。

圖2.4模糊優(yōu)化集的幾何意義4．非對稱優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

根據(jù)約束的模糊性，分為普通模糊約束和廣義模糊約束兩類。

（1）普通模糊約束

是指約束函數(shù)本身是確定性的，而約束的取值范圍是模糊的。

（2）廣義模糊約束

是指約束函數(shù)本身和約束函數(shù)的取值范圍兩者都是模糊的?！咎貏e提示】

最優(yōu)水平值λ*，可通過模糊綜合評判法加以確定。廣義模糊約束優(yōu)化問題，同樣按照上述思路，運(yùn)用最優(yōu)水平截集法，將其轉(zhuǎn)化為普通優(yōu)化問題而獲得最優(yōu)解。2.3.3模糊可靠性設(shè)計

有關(guān)這方面的內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn)。

1．模糊可靠性指標(biāo)的計算

根據(jù)模糊事件的概率定義，模糊可靠度與模糊概率有以下情況及相應(yīng)的計算公式：

（1）控制失效應(yīng)力為模糊變量，控制失效強(qiáng)度為隨機(jī)變量

（2）控制失效強(qiáng)度為模糊變量，控制失效應(yīng)力為隨機(jī)變量

（3）干涉變量為模糊變量

（4）壽命模糊地大于某時刻t

2．系統(tǒng)的模糊可靠度

（1）串聯(lián)系統(tǒng)的模糊可靠度（2）并聯(lián)系統(tǒng)的模糊可靠度

有關(guān)模糊可靠性設(shè)計的內(nèi)容，尚有多狀態(tài)系統(tǒng)的可靠性分析與評價、系統(tǒng)的可靠性模糊預(yù)測與模糊最優(yōu)分配，以及模糊失效模式和效應(yīng)分析、模糊故障樹分析（FTA）、模糊故障診斷、模糊壽命估計等。2.3.4模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊專家系統(tǒng)

1．模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

2．模糊專家系統(tǒng)

模糊專家系統(tǒng)主要需要解決的是如下兩個問題：

（1）模糊知識表示。

（2）模糊推理方法。

機(jī)械設(shè)計模糊知識的表示，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）設(shè)計數(shù)據(jù)的模糊性

1）設(shè)計載荷的模糊性

2）設(shè)計要求中概念的模糊性

3）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的模糊性（2）設(shè)計計算模型的模糊性

（3）設(shè)計決策的模糊性

1）選擇決策的模糊性

2）再設(shè)計決策的模糊性

3）可接受決策的模糊性2.3.5模糊設(shè)計展望1．模糊設(shè)計技術(shù)的關(guān)鍵是構(gòu)造符合實際的隸屬函數(shù)和隸屬度。2．模糊邏輯推理的關(guān)鍵是模糊規(guī)則與模糊關(guān)系的合成運(yùn)算。3．目前的模糊化解法只能得到一個確定性的點(diǎn)解。4．模糊設(shè)計技術(shù)從模糊控制方面的應(yīng)用成功，已發(fā)展到專家系統(tǒng)，機(jī)器人、工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可靠性設(shè)計等方面。2.4

綠色設(shè)計2.4.1綠色設(shè)計基本概念

綠色設(shè)計(GreenDesign)，又稱生態(tài)設(shè)計、面向環(huán)境的設(shè)計等，是指借助產(chǎn)品生命周期中與產(chǎn)品相關(guān)的各類信息(技術(shù)信息、環(huán)境協(xié)調(diào)性信息、經(jīng)濟(jì)信息)，利用并行設(shè)計等各種先進(jìn)的設(shè)計理論，使設(shè)計出的產(chǎn)品具有先進(jìn)的技術(shù)性、良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性以及合理的經(jīng)濟(jì)性的一種系統(tǒng)設(shè)計方法。

與現(xiàn)有設(shè)計相比，綠色設(shè)計的內(nèi)涵更加豐富，其目的就是獲得真正的綠色產(chǎn)品，綠色產(chǎn)品是綠色設(shè)計的最終體現(xiàn)。圖2.5表示了綠色產(chǎn)品設(shè)計框圖。圖2.5綠色產(chǎn)品設(shè)計框圖

從設(shè)計過程來看，綠色設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計比較類似，包括產(chǎn)品定義階段、產(chǎn)品設(shè)計階段以及工藝設(shè)計階段三個步驟。結(jié)合綠色設(shè)計的特點(diǎn)和設(shè)計流程可以將綠色設(shè)計流程細(xì)分為如圖2.6所示的六個步驟：需求分析、概念設(shè)計、方案評審、詳細(xì)設(shè)計、方案評審以及改進(jìn)分析六個階段，這六個階段構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)，并不斷地與產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、知識庫交換信息，為后續(xù)的設(shè)計提供知識儲備。圖2.6綠色設(shè)計過程

綠色設(shè)計具有以下特點(diǎn)：擴(kuò)大了產(chǎn)品的生命周期。綠色設(shè)計是并行閉環(huán)設(shè)計。綠色設(shè)計有利于保護(hù)環(huán)境，維護(hù)生命系統(tǒng)平衡。綠色設(shè)計可以防止地球上礦物資源財富的枯竭。綠色設(shè)計的結(jié)果是大大減少了廢棄物數(shù)量及對其處理的棘手問題。2.4.2.綠色設(shè)計主要內(nèi)容

綠色設(shè)計研究的主要內(nèi)容包括以下五個方面

1．綠色產(chǎn)品的描述與建模

2．綠色設(shè)計的材料選擇與管理

按照綠色設(shè)計的設(shè)計原則歸納起來主要有三條，即材料的技術(shù)性、環(huán)境協(xié)調(diào)性以及經(jīng)濟(jì)性。(1)材料的技術(shù)性原則

(2)材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性原則

(3)材料的經(jīng)濟(jì)性原則【相關(guān)案例】

例如寶馬（BMW）公司生產(chǎn)的Z1型汽車，其車身全部由塑料制成，可在20分鐘內(nèi)從金屬底盤上拆除。車上的門、保險杠和前、后、側(cè)面的操作板都由通用公司生產(chǎn)的可回收利用的熱塑性塑料制成。

3．產(chǎn)品的可拆卸性設(shè)計

現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品要具有良好的拆卸性能，拆卸性設(shè)計已成為目前綠色設(shè)計研究的重點(diǎn)之一。如圖2.7所示。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗及技術(shù)資料，應(yīng)考慮以下幾方面內(nèi)容：圖2.7可拆卸性的主要指標(biāo)

主要考慮的指標(biāo)為：

明確拆卸對象盡量減少拆卸工作量在結(jié)構(gòu)上盡量簡化設(shè)計，減小拆卸難度易于拆卸易于分離產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可預(yù)估性準(zhǔn)則

4．產(chǎn)品的可回收性設(shè)計

可回收性設(shè)計主要包括以下幾方面的內(nèi)容：（1）可回收材料及其標(biāo)志；（2）可回收工藝與方法；（3）可回收性經(jīng)濟(jì)評價；（4）可回收性結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5．綠色產(chǎn)品的成本分析

綠色產(chǎn)品的成本分析與傳統(tǒng)的成本分析不同，包括了生產(chǎn)成本、使用成本以及回收處置成本。

6．綠色產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)庫綠色設(shè)計數(shù)據(jù)庫是一個龐大復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫對綠色產(chǎn)品的設(shè)計過程起著舉足輕重的作用，它應(yīng)包括產(chǎn)品壽命周期中與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、對策等有關(guān)的一切數(shù)據(jù)與知識。2.4.3綠色設(shè)計分析方法

1．系統(tǒng)論的設(shè)計思想與方法

系統(tǒng)論作為一種方法論，它研究的是如何認(rèn)識和創(chuàng)造事物，并非一種設(shè)計技術(shù)，但它卻是綠色設(shè)計的基礎(chǔ)，對指導(dǎo)設(shè)計具有重要的意義。

2．并行工程并行工程是集成和并行地設(shè)計產(chǎn)品及相關(guān)過程的系統(tǒng)化方法，被認(rèn)為是綠色設(shè)計的核心，如圖2.8所示。有助于將綠色設(shè)計中產(chǎn)品生命周期各階段的技術(shù)信息、經(jīng)濟(jì)信息、環(huán)境信息、能源資源信息以及勞保信息有機(jī)集成起來，從全生命周期的角度實現(xiàn)綠色產(chǎn)品，圖2.8并行工程示意圖

3．生命周期分析

生命周期分析(LifeCycleAnalysis)，簡稱LCA，是綠色設(shè)計的分析基礎(chǔ)。其評價框圖如圖2.9所示。圖2.9生命周期評價框架

綠色設(shè)計的生命周期評價過程主要包括：

1．確定評價目標(biāo)

2．確定評價范圍

3．確定輸入輸出初步選擇準(zhǔn)則

4．確定數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求

5．確定影響類型和影響評價方法在產(chǎn)品生命周期評價范圍界定時，必須弄清楚產(chǎn)品的制造、使用和廢棄后的處理全過程以及用戶的需求，同時結(jié)合基準(zhǔn)產(chǎn)品的分析信息，并以此為依據(jù)進(jìn)行確定。2.4.4綠色設(shè)計的原則

與傳統(tǒng)設(shè)計相比，綠色設(shè)計的設(shè)計原則如下：

1．技術(shù)先進(jìn)性原則

2．技術(shù)創(chuàng)新性原則

3．功能先進(jìn)實用原則

4．環(huán)境協(xié)調(diào)性原則

5．資源最佳利用原則

6．能量最佳利用原則

7．污染極小化原則

8．安全宜人性原則

9．綜合效益最佳原則2.4.5綠色設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)1．面向環(huán)境的設(shè)計

面向環(huán)境的產(chǎn)品設(shè)計其關(guān)鍵技術(shù)主要有以下9個方面：（1）、綠色產(chǎn)品的描述和建模；（2）、綠色產(chǎn)品評價體系和方法研究；（3）、綠色產(chǎn)品集成設(shè)計理論與方法的研究；（4）、適合綠色產(chǎn)品設(shè)計的環(huán)境指標(biāo)的建立及其規(guī)則化和量化；（5）、綠色產(chǎn)品設(shè)計的材料數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫的建立；（6）、面向回收的產(chǎn)品可拆卸性設(shè)計及評價方法和評價指標(biāo)體系的建立；（7）、可拆卸結(jié)構(gòu)的模塊劃分及接口設(shè)計；（8）、可回收零件及材料的識別與分類系統(tǒng)；（9）、開發(fā)針對具體產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計工具平臺。2．面向能源的設(shè)計面向能源設(shè)計技術(shù)應(yīng)用的最終目的是控制能源消耗和無效排放，從而達(dá)到節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的目的，其關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）、新能源基礎(chǔ)理論和技術(shù)實現(xiàn)的可行性研究；（2）、新能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析和成本控制技術(shù)研究；（3）、主能源結(jié)合輔助能源的相關(guān)性和成本控制研究；（4）、產(chǎn)品能源消耗關(guān)系模型研究；（5）、減少能源消耗關(guān)節(jié)直接驅(qū)動機(jī)理和應(yīng)用研究；（6）、能源回收機(jī)理的基礎(chǔ)性研究；（7）、能源回收重用轉(zhuǎn)換機(jī)制和結(jié)構(gòu)體系的研究；（8）、能源回收利用的經(jīng)濟(jì)性研究；（9）、能源使用最佳控制方式的研究；（10）、能源先進(jìn)控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究。

3．面向材料的設(shè)計綠色產(chǎn)品的材料選擇關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）、新材料的開發(fā)和研制技術(shù)；（2）、新材料使用化設(shè)計技術(shù)；（3）現(xiàn)有材料的環(huán)境性能改進(jìn)技術(shù)；（4）材料的回收、處理和再利用技術(shù)；（5）綠色材料的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)；（6）綠色材料的評價技術(shù)；（7）基于材料選擇的CAD技術(shù)。

4．面向再生的設(shè)計面向再生的設(shè)計策略關(guān)鍵技術(shù)主要有兩方面：（1）零部件的再使用。（2）材料的再利用。限制材料的種類數(shù)，特別是塑料，考慮材料的兼容性，并盡可能使用再生材料，形成一個有效使用資源的良性循環(huán)。2.4.6綠色設(shè)計發(fā)展及未來趨勢1．國外綠色設(shè)計研究進(jìn)展

綠色設(shè)計已成為現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，是近幾年重要國際會議探討的主要內(nèi)容。2．國內(nèi)綠色設(shè)計研究進(jìn)展

我國也對綠色設(shè)計和綠色制造進(jìn)行了一些研究，并在一些綠色產(chǎn)品的設(shè)計中得到應(yīng)用，但與發(fā)達(dá)國家相比，無論是在范圍還是數(shù)量上都有很大差距，尚處于初步的萌芽階段。3．綠色設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)設(shè)計是綠色設(shè)計的基礎(chǔ)，綠色設(shè)計是傳統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展補(bǔ)充和完善，二者在設(shè)計依據(jù)、設(shè)計人員、設(shè)計工藝、設(shè)計目的等方面都存在極大不同。4．綠色設(shè)計工具軟件由于綠色設(shè)計方法涉及的內(nèi)容很復(fù)雜，因而必須有相應(yīng)的工具軟件借助于計算機(jī)的支持才能完成其工作。5．綠色設(shè)計未來趨勢產(chǎn)品綠色設(shè)計與制造的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為：（1）全球化

（2）社會化

（3）集成化

（4）并行化

（5）智能化

（6）產(chǎn)業(yè)化2.5

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2.5.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展

1．20世紀(jì)50年代——20世紀(jì)60年代：第一次

研究高潮

2．20世紀(jì)60年代——20世紀(jì)70年代：低潮時

期

3．20世紀(jì)80年代——至今：第二次研究高潮2.5.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

1．模式識別和圖像處理

2．信號處理

3．系統(tǒng)辨識

4．神經(jīng)控制器

5．智能檢測

6．控制和優(yōu)化

7．預(yù)報與職能信息管理

8．通訊

9．空間科學(xué)2.5.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理

1．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生物基礎(chǔ)

2．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)（1）人工神經(jīng)元模型

1)一組連接權(quán)（對應(yīng)于生物神經(jīng)元的突觸）

2)一個求和單元

3)一個非線性激勵函數(shù)（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式

一般情況下，學(xué)習(xí)的方式分為以下三種:

1）監(jiān)督學(xué)習(xí)（有教師學(xué)習(xí)）

如圖2.10所示，學(xué)習(xí)系統(tǒng)可根據(jù)已知的輸出與實際輸出間的差值（誤差信號）來調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。圖2.10有教師指導(dǎo)的學(xué)習(xí)框圖2）非監(jiān)督學(xué)習(xí)（無教師學(xué)習(xí)）圖2.11無教師指導(dǎo)的學(xué)習(xí)框圖3）再勵學(xué)習(xí)（強(qiáng)化學(xué)習(xí)）

如圖2.12所示圖2.12再勵學(xué)習(xí)框圖

（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計內(nèi)容

1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2）網(wǎng)絡(luò)權(quán)值確定

（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)可歸納為：

1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量的神經(jīng)元互相聯(lián)結(jié)而成。

2）大量神經(jīng)元按不同方式聯(lián)接，構(gòu)成不同類型的神經(jīng)元網(wǎng)格。

3）各神經(jīng)元間聯(lián)接強(qiáng)度由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部權(quán)值決定。2.5.4補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個補(bǔ)償神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有五層結(jié)構(gòu)：輸入層、模糊化層、模糊推理層、模糊運(yùn)算層、反模糊化層。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.13所示。第一層每個神經(jīng)元結(jié)點(diǎn)直接與每個輸入分量相連；第二層每個神經(jīng)元結(jié)點(diǎn)代表一個模糊語言變量，第三層每個神經(jīng)元結(jié)點(diǎn)表示一條模糊規(guī)則，第四層神經(jīng)元進(jìn)行補(bǔ)償模糊運(yùn)算；第五層神經(jīng)元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行反模糊化計算。圖2.13補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2．網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法

補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法分為兩個過程：正向的補(bǔ)償模糊推理過程和逆向的誤差傳播過程。

對n維輸入和一維輸出數(shù)據(jù)設(shè)計一個訓(xùn)練算法區(qū)，目標(biāo)函數(shù)定義為：

根據(jù)梯度下降法，有

（1）訓(xùn)練輸出隸屬函數(shù)的中心;（2）訓(xùn)練輸出隸屬函數(shù)的寬度:（3）訓(xùn)練輸入隸屬函數(shù)的中心：（4）訓(xùn)練輸入隸屬函數(shù)的寬度：（5）訓(xùn)練補(bǔ)償度：定義于是

其中是學(xué)習(xí)率，t=0,1,2,…。2.6

反求工程技術(shù)2.6.1反求工程基本概念1．反求工程含義

反求工程含義廣泛，包括設(shè)計反求、工藝反求、管理反求等。

（1）正設(shè)計與反設(shè)計圖2.14正設(shè)計過程示意圖【特別提示】

如果說正設(shè)計的關(guān)鍵是“怎么做？”，那么反求的關(guān)鍵要解答“為什么要這么做？”，即已有確定目標(biāo)后，去探索和掌握這個目標(biāo)設(shè)計者如何一步一步實現(xiàn)。因此，正設(shè)計是主動的創(chuàng)造，而反求是先被動后主動的創(chuàng)造。圖2.15反設(shè)計過程示意圖

（2）仿制與反求工程2．反求工程步驟

（1）引進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用過程

（2）引進(jìn)技術(shù)的消化過程

（3）引進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新過程

在實施反求工程的過程中應(yīng)注意以下幾個問題：（1）綜合考慮反求對象的結(jié)構(gòu)、測量及制造工藝，有效地控制制造過程引起的各種誤差；

（2）充分了解反求對象的工作環(huán)境及性能要求，合理確定仿制改進(jìn)零件的規(guī)格和精度；

（3）從應(yīng)用角度出發(fā)，綜合考慮樣本零件的參數(shù)舍取及再設(shè)計過程，盡可能提高所獲取參數(shù)精度和處理效率。2.6.2反求工程技術(shù)的研究對象及研究內(nèi)容1．反求工程技術(shù)的研究對象

(1)實物類反求與軟件反求和影像反求相比，實物反求有如下特點(diǎn)：1）具有直觀、形象的實物；2）對產(chǎn)品功能、性能、材料等均可進(jìn)行直接試驗分析，求得詳細(xì)的設(shè)計參數(shù)；

3）對機(jī)器設(shè)備能進(jìn)行直接測繪，以求得尺寸參數(shù)；

4）仿制產(chǎn)品起點(diǎn)高，設(shè)計周期可大大縮短；5）引進(jìn)的樣品即為所設(shè)計產(chǎn)品的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

實物反求設(shè)計的一般過程如圖2.16所示。具有如下特點(diǎn)：

①具有形象直觀的實物；

②可對產(chǎn)品的性能、功能、材料等直接進(jìn)行測

試分析、獲得詳細(xì)的產(chǎn)品技術(shù)資料；

③可對產(chǎn)品各組成部分的尺寸直接進(jìn)行測試分

析。圖2.16實物反求設(shè)計過程（2）軟件類反求圖2.17軟件反求設(shè)計內(nèi)容

軟件反求的設(shè)計步驟為：

1)分析需求，明確反求設(shè)計的目的；2）對所進(jìn)行分析的產(chǎn)品進(jìn)行功能上和結(jié)構(gòu)上的分析；3）分析并驗證產(chǎn)品的性能參數(shù)；4）調(diào)研國內(nèi)外同類產(chǎn)品，并從中吸收有益的成分；5）撰寫反求設(shè)計論證書。（3）影像類反求

影像反求的基本步驟如下：

1）收集相關(guān)資料，同類產(chǎn)品的資料，用于設(shè)計時進(jìn)行對比與參照；2）對參考資料進(jìn)行多方面的分析、研究；3）產(chǎn)品的方案設(shè)計，評價；

4）利用產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、透視變換原理、三維信息技術(shù)、圖像掃描技術(shù)、色彩判斷等手段，反求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、工作原理以及材料。

圖2.18示意了影像反求設(shè)計的主要內(nèi)容。圖2.18影像反求基本內(nèi)容2．反求工程研究內(nèi)容（1）反求對象指導(dǎo)思想、功能原理方案分析（2）反求對象材料的分析（3）反求對象工藝、裝配分析

對反求對象進(jìn)行工藝分析通常采用以下幾種常用的方法：

l）采用反判法編制工藝規(guī)程

2）改進(jìn)工藝方案，保證引進(jìn)技術(shù)的原設(shè)計要求

3）曲線對應(yīng)法反求工藝參數(shù)

4）材料國產(chǎn)化，局部改進(jìn)原型結(jié)構(gòu)以適應(yīng)工藝水平（4）反求對象零部件形體尺寸分析（5）反求對象精度的分析

進(jìn)行精度的分配時，按以下步驟進(jìn)行：

1）明確產(chǎn)品的精度指標(biāo)；

2）綜合考慮理論誤差和原理誤差，進(jìn)行產(chǎn)品工作原理設(shè)計和安排總體布局；

3）在完成草圖設(shè)計后，找出全部的誤差源，進(jìn)行總的精度計算；

4）編寫技術(shù)設(shè)計說明書，確定精度；

5）在產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)的全過程中，根據(jù)實際的生產(chǎn)情況，對所作的精度分配進(jìn)行調(diào)整、修改。（6）反求對象造型的分析2.6.3反求工程技術(shù)的研究特點(diǎn)及設(shè)計程序

1．研究特點(diǎn)

2．反求工程的設(shè)計程序反求工程設(shè)計在反求分析的基礎(chǔ)上可進(jìn)行測繪仿制、變參數(shù)設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計或開發(fā)性設(shè)計，分為反求對象分析和設(shè)計兩階段。圖2.19所示為反求工程的程序設(shè)計流程圖圖2.19反求工程的設(shè)計程序2.6.4反求工程的關(guān)鍵技術(shù)1．反求工程中的測量技術(shù)（1）接觸式測量方法

1）坐標(biāo)測量機(jī)法

2）層析法（2）非接觸式測量方法2．反求工程中的模型重構(gòu)技術(shù)

通常，樣本模型重構(gòu)的基本步驟為：（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理（2）網(wǎng)格模型生成（3）網(wǎng)格模型后處理

經(jīng)過上述步驟，就可以在計算機(jī)中得到重構(gòu)的樣本零件模型。2.6.5實施反求工程應(yīng)注意的一些問題和建議

1．要注意反求與試驗相結(jié)合；

2．反求工程技術(shù)的應(yīng)用必須以反求對象為樣本，深入了解設(shè)計的技術(shù)內(nèi)涵和技術(shù)原理，要掌握問題的實質(zhì)；

3．應(yīng)用反求工程必須目標(biāo)明確；4．應(yīng)用反求工程時，必須綜合運(yùn)用各種現(xiàn)代設(shè)計理論、技術(shù)和手段；

5．應(yīng)用反求工程時要注意引進(jìn)和創(chuàng)新相結(jié)合。【應(yīng)用案例】

下圖所示應(yīng)用實例是由RE-SOFT與UGII軟件共同完成的吸塵器、整體葉輪復(fù)雜曲面的反求工程曲面建模結(jié)果，經(jīng)過“散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)三角Bézier曲面整體連續(xù)曲面插值基于特征保持的NURBS曲面重構(gòu)利用UG對輸出NURBS曲面進(jìn)行二次設(shè)計”這樣的過程最終得到整體光滑的NURBS曲面模型。應(yīng)用實例(2)和實例(3)是由RE-SOFT與UGII軟件經(jīng)過和實例(1)相似的反求工程設(shè)計過程，共同完成的摩托車輪軸蓋板、某型戰(zhàn)機(jī)整流罩模具型面復(fù)雜曲面的反求工程曲面模型。值得注意的是，這樣獲得的反求工程曲面模型可以利用商業(yè)CAD/CAE/CAM軟件功能進(jìn)一步完成CAE、CAM工作。（a）吸塵器外形反求工程曲面建模(b)反求工程應(yīng)用實例本章思考題分析現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的內(nèi)涵與特點(diǎn)?試述綠色技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系。簡述綠色產(chǎn)品的評價標(biāo)準(zhǔn)。具體評價綠色產(chǎn)品時，?？紤]哪幾個方面?綠色制造的定義與內(nèi)涵是什么？簡述綠色制造的特點(diǎn)。簡述綠色設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理及結(jié)構(gòu)是什么？人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式有哪些？補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系與區(qū)別在哪里？敘述反求工程的含義．分析反求工程作業(yè)的基本步驟。反求工程設(shè)計的基本設(shè)計方法有哪些？本章思考題簡述反求工程的設(shè)計過程，其中三維幾何測量方法有哪些？常用的反求工程軟件有哪些？各有何特點(diǎn)？實施反求工程過程中應(yīng)注意的問題是什么？§3-1先進(jìn)制造工藝技術(shù)概論§3-2超高速加工技術(shù)§3-3超精密加工技術(shù)

第3章先進(jìn)制造工藝技術(shù)§3-4快速原型制造技術(shù)

§3-5現(xiàn)代特種加工技術(shù)

§3-6微細(xì)加工技術(shù)

教學(xué)時數(shù)：14

學(xué)時教學(xué)目標(biāo)：通過本章的學(xué)習(xí)，了解先進(jìn)制造工藝技術(shù)的基本特征及發(fā)展趨勢;掌握先進(jìn)制造工藝技術(shù)中超高速加工技術(shù)、超精密加工技術(shù)、特種加工技術(shù)、快速原型制造技術(shù)以及微細(xì)加工技術(shù)的基本概念、關(guān)鍵支撐技術(shù)及發(fā)展應(yīng)用；通過實例分析了解這些先進(jìn)技術(shù)手段在日常生活以及現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品中的實際應(yīng)用。通過本章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得先進(jìn)制造工藝技術(shù)的基本知識，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)課程打下堅實的基礎(chǔ)。教學(xué)要求：了解先進(jìn)制造工藝技術(shù)的定義、內(nèi)涵及現(xiàn)狀。掌握超高速加工技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)知識，了解其現(xiàn)狀及應(yīng)用。掌握超精密加工技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)知識，了解其現(xiàn)狀及應(yīng)用。了解快速原型制造技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，掌握幾種典型的快速原型工藝方法。3.1.1機(jī)械制造工藝的定義和內(nèi)涵

機(jī)械制造工藝是將各種原材料通過改變其形狀、尺寸、性能或相對位置，使之成為成品或半成品的方法和過程。按其功能的不同，機(jī)械制造工藝分為三個階段：零件毛坯的成形準(zhǔn)備階段，包括原材料切割、焊接、鑄造、鍛壓加工成形等；機(jī)械切削加工階段，包括車削、鉆削、銑削、刨削、鏜削、磨削加工等；表面改性處理階段，包括熱處理、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂、涂裝等。圖3.1為機(jī)械制造工藝流程圖?！?-1先進(jìn)制造工藝技術(shù)概論圖3.1機(jī)械制造工藝流程圖3.1.2先進(jìn)制造工藝的發(fā)展趨勢

(1)加工精度和加工速度不斷提高

（2）材料科學(xué)促進(jìn)制造工藝變革

（3）自動化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展提高了機(jī)械加工的效率（4）優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)獲得進(jìn)一步發(fā)展

3.1.3先進(jìn)制造工藝的特點(diǎn)

（1）優(yōu)質(zhì)（2）高效（3）低耗（4）潔凈（5）靈活3.2.1超高速加工技術(shù)的內(nèi)涵和特點(diǎn)

超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具磨具和能可靠地實現(xiàn)高速運(yùn)動的高精度、高自動化、高柔性的制造設(shè)備，以極大地提高切削速度來達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量地現(xiàn)代制造加工技術(shù)。

2.超高速加工的特點(diǎn)（1）大幅度提高切削、磨削效率，減少設(shè)備使用臺數(shù)（2）切削力、磨削力小，工件加工精度高（3）加工能耗低，節(jié)省制造資源（4）簡化了工藝流程，降低生產(chǎn)成本1.超高速加工的定義§3-2超高速加工技術(shù)3.2.2超高速切削的關(guān)鍵技術(shù)1.刀具技術(shù)超高速切削對刀具的要求：高硬度、高強(qiáng)度和耐磨性；韌性高，抗沖擊能力強(qiáng)；高的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性；抗熱沖擊能力強(qiáng)等。常用的刀具材料有：涂層刀具：在刀具基體上涂覆金屬化合物薄膜，以獲得遠(yuǎn)高于基體的表面硬度和優(yōu)良的切削性能。

金屬陶瓷刀具：與硬質(zhì)合金刀具相比可承受更高的切削速度，陶瓷刀具與金屬材料的親和力小，熱擴(kuò)散磨損小，其高溫硬度優(yōu)于硬質(zhì)合金，故耐磨損、耐高溫

立方氮化硼（CBN）刀具：突出優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性大

聚晶金剛石（PCD）刀具：摩擦因數(shù)低，耐磨性極強(qiáng)，具有良好的導(dǎo)熱性刀柄結(jié)構(gòu)(1)BIG-PLUS刀柄系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)上采用7：24錐度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計可減小刀柄裝入主軸時（鎖緊前）與端面的間隙，鎖緊后可利用主軸內(nèi)孔的彈性膨脹對該間隙進(jìn)行補(bǔ)償，使刀柄與主軸端面貼緊，下半部為普通BT刀柄。(2)德國的HSK刀柄系統(tǒng)HSK：德·阿亨工業(yè)大學(xué)(90年代)雙面加緊1996德國DIN標(biāo)準(zhǔn)2001年ISO121642.超高速切削機(jī)床電主軸（內(nèi)裝式電機(jī)主軸）：無殼體電機(jī)轉(zhuǎn)子

空心套在主軸上

定子（帶冷卻套）主軸殼體=電機(jī)機(jī)座1，2，5－密封圈；3－定子；4－轉(zhuǎn)子；6－旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子；7－旋轉(zhuǎn)變壓器定子；8－螺母

高速精密軸承技術(shù)陶瓷軸承：日·東北大學(xué)30000r/min磁懸浮軸承：工作原理是利用電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間的一種新型高性能智能化軸承。德·GMN公司40000～70000r/min空氣軸承：日·東芝ASV4加工中心30000r/min國內(nèi)電主軸：洛陽軸承研究所

（加工中心銑車）快速進(jìn)給系統(tǒng)高速度進(jìn)給速度不低于20m/min高加速度1～2g或更高高精度高可靠性高安全性直線電動機(jī)傳動（昂貴應(yīng)用技術(shù)不完善）(10m/s2～10g)

直線電機(jī)從原理上就是將普通的旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿過軸線的平面剖開，并展成一直線而成。由定子演變而來的一側(cè)為直線電機(jī)的初級，有轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)為直線電機(jī)的次極。當(dāng)交流電通入繞組時，就會在直線電機(jī)的初、次極之間產(chǎn)生磁場，使其相對運(yùn)動。高速加工機(jī)床直線電機(jī)原理圖

支承制造技術(shù)指超高速加工機(jī)床的支承構(gòu)件，如床身、立柱、箱體、工作臺、底座、拖板和刀架等的制造技術(shù)。一:改革床身結(jié)構(gòu)

Gidding和Lewis公司在其RAM高速加工中心上將立柱與底座合為一個整體，使機(jī)床整體剛性得以提高；

二:使用高阻尼特性材料,如聚合物混凝土。日本牧野高速機(jī)床的主軸油溫與機(jī)床床身的溫度通過傳感控制保持一致，協(xié)調(diào)了主軸與床身的熱變形。

3.超高速切削機(jī)理4.超高速切削工藝傳統(tǒng)加工低轉(zhuǎn)速、大切深、緩進(jìn)給、單行程

高速加工

高轉(zhuǎn)速、中（?。┣猩?、快進(jìn)給、多行程※工藝特點(diǎn)3.2.3超高速磨削的相關(guān)技術(shù)

超高速磨削（V≥150m/s）是近年迅猛發(fā)展的一項先進(jìn)制造技術(shù)，被譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰”。1.超高速磨削用砂輪

硬度及其選擇普通磨具硬度低、磨粒易脫落超硬磨具無硬度項指標(biāo)。磨具的強(qiáng)度高速回轉(zhuǎn)時，抵抗因離心力的作用而自身破碎的能力。磨具的形狀和尺寸及其基體材料根據(jù)機(jī)床規(guī)格和加工情況選擇磨具的形狀和尺寸。基體材料：金屬結(jié)合劑鐵或銅合金；樹脂結(jié)合劑鋁及合金或電木；陶瓷結(jié)合劑多采用陶瓷。（a）電鍍CBN砂輪（b）MSLCBN砂輪普通電鍍砂輪與MSL砂輪MSLCBN砂輪鋒利，空屑空間大，不易堵塞，在于電鍍砂輪相同的加工條件下，磨削力、功率消耗、磨削溫度會更低，甚至可接近冷態(tài)切削。但其制造成本極高，仍處于實驗室研究階段。。高速砂輪的結(jié)構(gòu)和形狀優(yōu)化

高速磨削砂輪的基體設(shè)計必須考慮高轉(zhuǎn)速時離心力的作用。在圖3.9中，砂輪以鋁合金為基體，腹板為一個變截面等力矩體，優(yōu)化的基體沒有單獨(dú)大的法蘭孔，而是用多個小的螺孔代替，以充分降低基體在法蘭孔附近的應(yīng)力。基體外緣的尺寸，則主要根據(jù)應(yīng)用場合而定。3.2.4超高速加工技術(shù)的應(yīng)用1.超高速切削技術(shù)的應(yīng)用

（1）航空航天工業(yè)領(lǐng)域表3.2軍用飛機(jī)使用各種結(jié)構(gòu)材料的重量百分比

鋁合金鈦合金復(fù)合材料速度603m/min進(jìn)給速度9600mm/min

鋁合金薄壁件（厚0.2mm高20mm)7075鋁合金零件（毛坯1818kg零件14.5kg2388*2235*82.6)主軸18000r/min，進(jìn)給2.4～2.7m/min刀具直徑18～20mm（2）汽車、摩托車工業(yè)領(lǐng)域（3）模具工具工業(yè)領(lǐng)域※刀具PCDCBN金屬陶瓷※可切削硬度60HRC或更高的材料※德國44%模具公司、日本30%模具公司※優(yōu)勢：◎提高了加工速度（周期短）◎高質(zhì)量表面（小進(jìn)給），省去修光工序?！蚝喕ば颍ù慊鸷罂汕邢鳎蚰＞咝迯?fù)（可用原NC程序）（4）超精密微細(xì)切削加工領(lǐng)域(a)石墨電機(jī)（b）氣輪機(jī)葉片（c）薄壁銅電機(jī)幾種典型零件的超高速加工【應(yīng)用案例】

2.超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用

（1）高效深磨

高效深磨技術(shù)是一種集砂輪高速度、高進(jìn)給速度(0.5～10m/min)和大切深(0.1～30mm)為一體的高效率磨削技術(shù)。高效深磨的磨削速度范圍一般在60～250m/s之間。（2）超高速精密磨削

超高速精密磨削是采用超高速精密磨床，并通過精密修整微細(xì)磨料磨具，采用亞微米級以下的切深和潔凈的加工環(huán)境來獲得亞微米級以下的尺寸精度。（3）難磨材料的超高速磨削

§3-3超精密加工技術(shù)

3.3.1概述1.超精密加工技術(shù)的內(nèi)涵精密和超精密加工相對性：30年代1μm（超精密）

◎精密加工：精度0.1～1μm，表面粗糙度在Ra0.01～0.1μm之間

◎超精密加工：精度高于0.1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm◎納米加工：精度高于1nm，表面粗糙度小于Ra0.005μm四階段：◎一般加工（一般工廠穩(wěn)定達(dá)到）精度1μm以上，表面粗糙度在0.1μm以上2、精密和超精密加工技術(shù)的重要性

超精密加工所能達(dá)到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。

※金剛石刀具切削刃鈍圓半徑日本（聲稱）已達(dá)到2nm，我國亞微米水平※金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產(chǎn)，使制造水平有了大幅度提高，突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題。精密和超精密加工是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵

※計算機(jī)硬件

我國集成電路的制造水平約束了計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。※美國制造工程研究者提出的汽車制造業(yè)的

“兩毫米工程”使汽車質(zhì)量趕上歐、日水平

磁頭與磁盤間距離(飛行高度）：目前達(dá)到0.3μm—0.15μm(平坦、光滑基片加工）3.超精密加工技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

日本著名學(xué)者谷口紀(jì)男教授在所著《納米技術(shù)的應(yīng)用和基礎(chǔ)——超精密、超微細(xì)加工和能束加工》一書中，從綜合加工精度出發(fā)，將加工的發(fā)展分為普通加工、精密加工、高精密加工和超精密加工四個階段，并預(yù)計在2000年加工精度可達(dá)到納米級。超精密加工提出以后，首先受到了日本的重視。

整機(jī)采用了盒式結(jié)構(gòu)，加工區(qū)域形成封閉空間，自成系統(tǒng)，不受外界影響；采用熱對稱結(jié)構(gòu)、石材等低、熱變形復(fù)合材料，從結(jié)構(gòu)上使熱變形得到抑止；采用冷卻液沐浴、恒溫冷卻液循環(huán)、熱源隔離等措施，以保證整個機(jī)床處于恒溫狀態(tài)，形成局部恒溫環(huán)境，再將機(jī)床安裝在恒溫室內(nèi)，可達(dá)到更好的恒溫效果；整個機(jī)床本身采用隔振結(jié)構(gòu)，放在防震地基上，可獲得更好的防震效果。這臺機(jī)床放映了現(xiàn)代超精密設(shè)備的最好水平。大型光學(xué)金剛石車床LODTM

立式結(jié)構(gòu)，止推軸承，7路高分辨率雙頻激光測量系統(tǒng)，4路激光檢測橫梁上溜板的運(yùn)動，3路激光檢測刀架上下運(yùn)動位置在線測量和誤差補(bǔ)償，各發(fā)熱部件用大量恒溫水冷卻，用大的地基，地基周圍有防振溝，且整個機(jī)床用4個大空氣彈簧支承。

美國

我國的超精密加工技術(shù)在20世紀(jì)70年代末期有了長足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件，并向?qū)I(yè)化批量生產(chǎn)發(fā)展。已有多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究。但我國在超精密加工的效率、精度、可靠性，特別是規(guī)格（大尺寸）和技術(shù)配套性方面與國外比，與生產(chǎn)實際要求比，還有相當(dāng)大的差距。

未來超精密加工技術(shù)發(fā)展趨勢是向更高精度、更高效率方向發(fā)展；向大型化、微型化方向發(fā)展；向加工檢測一體化方向發(fā)展；機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。3.3.2超精密加工的主要方法1.超精密切削加工

超精密切削加工主要指金剛石刀具超精密車削，用于加工有色金屬材料及其合金，以及光學(xué)玻璃、石材和碳素纖維等非金屬材料，加工對象是精度要求很高的鏡面零件。（1）超精密切削對刀具的特殊要求◎有研磨的特別鋒利的刃口（1μm～0.1μm）的切除薄層◎不產(chǎn)生走刀痕跡（刀尖和高強(qiáng)度刃口）◎刀刃無缺陷（復(fù)映性好）◎和工件材料的抗粘結(jié)性好，摩擦系數(shù)小◎極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量

金剛石刀具的超精密加工技術(shù)主要應(yīng)用于單件大型超精密零件的切削加工和大量生產(chǎn)中的中小型超精密零件加工。（2）金剛石刀具※刀刃形式◎金剛石刀具的主切削刃和副切削刃之間采用過渡刃對加工表面起修光作用?！驀鴥?nèi)：多采用直線修光刃，修光刃長度一般取

0.1～0.2mm◎國外：多采用圓弧修光刃，修光刃長度0.2mm左右

（加工圓柱體或平面）2.超精密磨料加工

超精密磨料加工是指利用細(xì)粒度（80?！?00＃）的磨粒或微粉磨料進(jìn)行砂輪磨削、砂帶磨削、研磨、拋光等超精密加工的總稱，即利用磨料進(jìn)行的超精密加工。（1）超精密磨削砂輪磨料粒度及其選擇多選用180＃～240＃普通磨料、170/200～325/400超硬磨料的磨粒和各種粒度的微粉。結(jié)合劑及其選擇將磨料粘合在一起，形成一定的形狀，并有一定的強(qiáng)度。樹脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑硬度及其選擇普通磨具硬度低、磨粒易脫落超硬磨具無硬度項指標(biāo)。磨具的強(qiáng)度高速回轉(zhuǎn)時，抵抗因離心力的作用而自身破碎的能力。磨具的形狀和尺寸及其基體材料根據(jù)機(jī)床規(guī)格和加工情況選擇磨具的形狀和尺寸。基體材料：金屬結(jié)合劑鐵或銅合金；樹脂結(jié)合劑鋁及合金或電木；陶瓷結(jié)合劑多采用陶瓷。（2）砂輪修整整形對砂輪進(jìn)行微量切削，使砂輪達(dá)到所要求的幾何形狀精度，并使磨料尖端細(xì)微破碎，形成鋒利的磨削刃。修銳去除磨粒間的結(jié)合劑，使磨粒間有一定的容屑空間，并使磨刃突出于結(jié)合劑之外，形成切削刃。電解修整（銳）法※利用電化學(xué)個腐蝕作用蝕除金屬結(jié)合劑※用于金屬結(jié)合劑砂輪的修銳※砂輪接電源正極（3）磨削用量砂帶速度對閉式磨削，粗磨時為12～20m/s，精磨為25～30m/s.工件速度粗磨選20～30m/min，精磨選20m/min以下

接觸壓力一般選取50～300N3.2.3超精密加工機(jī)床精密機(jī)床是實現(xiàn)精密加工的首要基礎(chǔ)條件1、精密主軸◎回轉(zhuǎn)精度極高，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、無振動

關(guān)鍵是精密軸承在滑動軸承與軸頸表面之間輸入高壓潤滑劑以承受外載荷，使運(yùn)動副表面分離的潤滑方法成為流體靜壓潤滑。精度達(dá)到0.1μm※液體靜壓軸承主軸2、床身和精密導(dǎo)軌

床身和導(dǎo)軌的材料尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小、振動衰減能力強(qiáng)、