先進(jìn)制造技術(shù)課件

第一章緒論1.1先進(jìn)製造技術(shù)及其主要特點(diǎn)1.2先進(jìn)製造技術(shù)的構(gòu)成及分類1.3先進(jìn)製造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢復(fù)習(xí)思考題1.1先進(jìn)製造技術(shù)及其主要特點(diǎn)

1.1.1製造、製造技術(shù)、製造業(yè)與現(xiàn)代製造業(yè)背景製造(Manufacturing)是利用製造資源(設(shè)計方法、工藝、設(shè)備和人力等)將材料“轉(zhuǎn)變”為有用的物品的過程。製造是一個很大的概念，按製造的連續(xù)性可分為連續(xù)製造(如化工產(chǎn)品的製造)和離散製造(如家電產(chǎn)品的製造)；按行業(yè)又可分為機(jī)械製造、食品製造、化工製造、IT產(chǎn)品製造，等等。當(dāng)今，人們對製造的概念又加以擴(kuò)充，將體系管理和服務(wù)等也納入其中。製造是人類所有經(jīng)濟(jì)活動的基石，是人類歷史發(fā)展和文明進(jìn)步的動力。

製造技術(shù)(ManufacturingTechnology)是製造活動所涉及到的一系列技術(shù)的總稱，是提高產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵，也是製造業(yè)賴以生存和發(fā)展的主體技術(shù)。傳統(tǒng)的製造技術(shù)僅強(qiáng)調(diào)工藝方法和加工設(shè)備?，F(xiàn)代的製造技術(shù)不僅重視工藝方法和設(shè)備，還注重設(shè)計方法、生產(chǎn)組織模式、製造與環(huán)境和諧統(tǒng)一、製造的可持續(xù)性以及製造技術(shù)與其它科學(xué)技術(shù)的交叉和融合，甚至還涉及製造技術(shù)與製造全球化、貿(mào)易自由化、軍備競爭等內(nèi)容。

製造技術(shù)發(fā)展的三階段

——用機(jī)器代替手工，從作坊形成工廠

——從單件生產(chǎn)方式發(fā)展成大量生產(chǎn)方式

——柔性化、集成化、智能化和網(wǎng)路化的現(xiàn)代製造

技術(shù)製造業(yè)是以製造技術(shù)為主導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品製造的企業(yè)群體的總稱，是工業(yè)的主體。根據(jù)我國現(xiàn)行統(tǒng)計劃分，工業(yè)由製造業(yè)、採掘業(yè)以及電力、燃?xì)夂退纳a(chǎn)供應(yīng)業(yè)構(gòu)成，製造系指第二產(chǎn)業(yè)中除採掘業(yè)、電力和燃?xì)饧捌渖a(chǎn)供應(yīng)業(yè)、建築業(yè)以外的所有行業(yè)，包括30個大類、169個中類、482個小類。

製造業(yè)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)“十一五”重點(diǎn)發(fā)展方向之一工業(yè)化國家：60-80%的物質(zhì)財富來源。

***世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢表明

制造業(yè)——一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石

增強(qiáng)國家競爭力的基礎(chǔ)

——解決就業(yè)矛盾的重要領(lǐng)域

提高國家整體就業(yè)水準(zhǔn)的重要基礎(chǔ)

——新技術(shù)的載體

世界高新技術(shù)發(fā)展的動力1、傳統(tǒng)製造業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)的特點(diǎn)

1）單件：小作坊式生產(chǎn)+高度的個人製造技巧，大量：機(jī)械化剛性規(guī)模生產(chǎn)+一體化的組織生產(chǎn)模式，再加細(xì)化的專業(yè)分工。

2）製造技術(shù)的界限分明及其專業(yè)的相互獨(dú)立。

3）製造技術(shù)一般僅指加工製造的工藝方法，即製造

全過程中某一段環(huán)節(jié)的技術(shù)方法。

4）製造技術(shù)一般只能控制生產(chǎn)過程中的物質(zhì)流和能量流。

5）製造技術(shù)與製造生產(chǎn)管理的分離

2、現(xiàn)代製造業(yè)及其技術(shù)的發(fā)展

1）在製造的生產(chǎn)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(chǎn)方式上，勞動密集型→設(shè)備密集型→資訊密集型→知識密集型變化。

3）製造裝備的發(fā)展過程，手工→機(jī)械化→單機(jī)自動化→剛性自動線→柔性自動線→智能自動化。4）在製造技術(shù)和工藝方法上，現(xiàn)代製造在發(fā)展中，其特徵表現(xiàn)為：——重視必不可少的輔助工序，如加工前後處理?！匾暪に囇b備，使製造技術(shù)成為集工藝方法、工藝裝備和工藝材料為一體的成套技術(shù)?！匾曃锪?、檢驗(yàn)、包裝及儲藏，使製造技術(shù)成為覆蓋加工全過程的綜合技術(shù)?！粩辔瘴㈦娮?、電腦和自動化等高新技術(shù)成果，形成CAD、CAM、CAPP、CAE、NC、CNC、MIS、

FMS、CIMS、IMT、IMS等一系列現(xiàn)代製造技術(shù)，並實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的局部或系統(tǒng)集成，形成從單機(jī)到自動生產(chǎn)線等不同檔次的自動化製造系統(tǒng)。5）引入工業(yè)工程和並行工程概念，引入先進(jìn)的管理模式。§221世紀(jì)的製造業(yè)

一、傳統(tǒng)製造業(yè)

企業(yè)規(guī)模在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的理念下， 生產(chǎn)批量強(qiáng)調(diào)資源的有效利用，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

重複性

機(jī)器的非柔性以低成本，獲得高質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品設(shè)計量、高效率高產(chǎn)出。 機(jī)器取代人力複雜的專業(yè)加工取代人的技能

加工製造技術(shù)與工業(yè)先進(jìn)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(xiàn)出製造生產(chǎn)能力總量過剩而製造加工技術(shù)水準(zhǔn)偏低的特徵。

新型刀具應(yīng)用不夠廣泛，刀具壽命偏低、切削性能不夠穩(wěn)定。製造自動化方面，機(jī)床數(shù)控率僅為百分之幾，機(jī)床和刀具工況線上檢測、監(jiān)控技術(shù)水準(zhǔn)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(dá)國家為3μm），超精密加工效率和自動化水準(zhǔn)還較低。

當(dāng)前著重發(fā)展0.3-3μm的精密加工、0.03-0.3μm的超精密加工，並逐步發(fā)展精度高於0.03μm的納米加工技術(shù)。

我國在鐳射表面處理研究領(lǐng)域取得了不少成就，但在鐳射切割、焊接的工業(yè)應(yīng)用方面與工業(yè)化國家尚有較大差距。二、製造業(yè)的變革時代生產(chǎn)要素組成核心

農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)勞動力勞動力

工業(yè)經(jīng)濟(jì)資本、勞動力資本

知識經(jīng)濟(jì)資本、勞動力、知識知識1、變革因素

——

社會消費(fèi)的多樣化、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步

——

政治國際關(guān)係的多極化

——

經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)全球化、貿(mào)易自由化

2、變革的主要特點(diǎn)

1）生產(chǎn)能力（包括資本、資訊）在世界範(fàn)圍內(nèi)迅速提高和擴(kuò)散，已形成全球市場激烈競爭格局。

2）先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的出現(xiàn)正在急劇地改變著現(xiàn)代制造業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程。

3）傳統(tǒng)的管理、勞動方式、組織結(jié)構(gòu)和決策準(zhǔn)則都在經(jīng)歷新的變化。

3、製造技術(shù)給製造業(yè)帶來的變革1）常規(guī)製造工藝的優(yōu)化2）新型（非常規(guī)）加工方法的發(fā)展3）專業(yè)、學(xué)科間的界限逐漸淡化、消失4）工藝設(shè)計由經(jīng)驗(yàn)走向定量分析加工工藝由技藝發(fā)展為工程科學(xué)。5）資訊技術(shù)、管理技術(shù)與工藝技術(shù)緊密結(jié)合

三、21世紀(jì)面臨的挑戰(zhàn)

1、快速回應(yīng)市場競爭的挑戰(zhàn)――實(shí)現(xiàn)製造環(huán)節(jié)並行2、全球化競爭的挑戰(zhàn)――技術(shù)資源的集成有三個主要的因素促使技術(shù)資源的集成：（1）為滿足市場需求，企業(yè)必須快速回應(yīng)那些具有不同期望和多種選擇的顧客。（2）快速回應(yīng)環(huán)境要求在組織的各個層次上進(jìn)行高效的通信，特別是與顧客、供應(yīng)者和合作者的通信。（3）新技術(shù)的快速吸收要求整個企業(yè)具有快速的學(xué)習(xí)能力。3、資訊時代的挑戰(zhàn)――資訊向知識的轉(zhuǎn)變4、環(huán)境保護(hù)壓力的挑戰(zhàn)――可持續(xù)發(fā)展5、製造全球化和貿(mào)易自由化的挑戰(zhàn)――可重組工程6、技術(shù)創(chuàng)新的挑戰(zhàn)――全新製造工藝及產(chǎn)品的開發(fā)

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

1）多單元工藝技術(shù)集成為單一工藝將顯著減少投資、檢驗(yàn)時間、搬運(yùn)和加工時間。

2）全部可編程、不需要硬工裝的工藝，將使產(chǎn)品的製造、迅速轉(zhuǎn)產(chǎn)成為可能。

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

4）對分子或原子級的處理將導(dǎo)致新材料的產(chǎn)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(chǎn)生變化。四、21世紀(jì)製造業(yè)的主要特點(diǎn)

1.產(chǎn)品生命週期縮短

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.資訊化和智能化

6.人的知識、素質(zhì)和需求的變化

7.環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)與可持續(xù)發(fā)展

五、發(fā)展趨勢

製造業(yè)在新世紀(jì)、新技術(shù)革命的衝擊下，面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，其發(fā)展的重要特徵：

1）全球化全球經(jīng)濟(jì)一體化的程度不斷提高

2）網(wǎng)路化

3）虛擬化

未來製造技術(shù)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(jìn)製造技術(shù)的定義先進(jìn)製造技術(shù)(AdvancedManufacturingTechnology，AMT)是一個相對的、動態(tài)的概念，是為了適應(yīng)時代要求，提高競爭能力，對製造技術(shù)不斷優(yōu)化所形成的。雖然目前對先進(jìn)製造技術(shù)仍沒有一個明確的、一致的定義，但經(jīng)過對其內(nèi)涵和特徵的分析研究，可以將其定義為：“先進(jìn)製造技術(shù)是製造業(yè)不斷吸收機(jī)械、電子、資訊(電腦與通信、控制理論、人工智慧等)、能源及現(xiàn)代系統(tǒng)管理等方面的成果，並將其綜合應(yīng)用於產(chǎn)品設(shè)計、製造、檢測、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的全過程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高對動態(tài)多變的產(chǎn)品市場的適應(yīng)能力和競爭能力並取得理想經(jīng)濟(jì)效果的製造技術(shù)總稱?！?.1.3先進(jìn)製造技術(shù)的特點(diǎn)1.系統(tǒng)性

2.集成性

3.廣泛性

4.高精度

5.實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)

1.2先進(jìn)製造技術(shù)的構(gòu)成及分類

1.2.1先進(jìn)製造技術(shù)的構(gòu)成先進(jìn)製造技術(shù)在不同發(fā)展水準(zhǔn)的國家和同一國家的不同發(fā)展階段，有著不同的技術(shù)內(nèi)涵。對我國而言，它是一個多層次的技術(shù)群。先進(jìn)製造技術(shù)的內(nèi)涵、層次及其技術(shù)構(gòu)成如圖1-1所示。圖中從內(nèi)層到外層分別為基礎(chǔ)技術(shù)、新型單元技術(shù)和集成技術(shù)，下麵將分別論述。

圖1-1先進(jìn)製造技術(shù)的內(nèi)涵、層次及其技術(shù)構(gòu)成

1.基礎(chǔ)技術(shù)圖1-1的最內(nèi)層是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、少或無污染(清潔)的基礎(chǔ)製造技術(shù)。鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、表面保護(hù)、機(jī)械加工等基礎(chǔ)工藝至今仍是生產(chǎn)中大量採用、經(jīng)濟(jì)適用的技術(shù)，這些基礎(chǔ)工藝經(jīng)過優(yōu)化而形成的基礎(chǔ)製造技術(shù)是先進(jìn)製造技術(shù)的核心及重要組成部分。這些基礎(chǔ)技術(shù)主要有精密下料、精密成型、精密加工、精密測量、毛坯強(qiáng)韌化、無氧化熱處理、氣體保護(hù)焊及埋弧焊、功能性防護(hù)塗層等。

2.新型單元技術(shù)中間層是新型的先進(jìn)製造單元技術(shù)。它是在市場需求及新興產(chǎn)業(yè)的帶動下，將製造技術(shù)與電子、資訊、新材料、新能源、環(huán)境科學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代管理等高新技術(shù)結(jié)合而形成的嶄新的製造技術(shù)，如製造業(yè)自動化單元技術(shù)、極限加工技術(shù)、品質(zhì)與可靠性技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)、先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)方法、清潔生產(chǎn)技術(shù)、新材料成型與加工技術(shù)、鐳射等特種加工技術(shù)、工藝模擬及工藝設(shè)計優(yōu)化技術(shù)等。

3.集成技術(shù)最外層是先進(jìn)製造集成技術(shù)。它是應(yīng)用資訊、電腦和系統(tǒng)管理技術(shù)對上述兩個層次的技術(shù)局部或系統(tǒng)集成而形成的先進(jìn)製造技術(shù)的高級階段，如FMS、CIMS、IMS等。國際上，美國聯(lián)邦科學(xué)、工程和技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(FCCSET)下屬的工業(yè)和技術(shù)委員會先進(jìn)製造技術(shù)工作組在1994年提出將先進(jìn)製造技術(shù)分為三個技術(shù)群：①主體技術(shù)群；②支撐技術(shù)群；③製造技術(shù)環(huán)境。這三個技術(shù)群相互聯(lián)繫、相互促進(jìn)，組成一個完整的體系。表1-1給出了先進(jìn)製造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)。

表1-1先進(jìn)製造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

1.2.2先進(jìn)製造技術(shù)的分類

1.現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是根據(jù)產(chǎn)品功能要求，應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)和科學(xué)知識，制定方案並使方案付諸實(shí)施的技術(shù)。它是一門多學(xué)科、多專業(yè)相互交叉的綜合性很強(qiáng)的基礎(chǔ)技術(shù)。現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)所包含的內(nèi)容有：

(1)現(xiàn)代設(shè)計方法?，F(xiàn)代設(shè)計方法包括產(chǎn)品動態(tài)分析和設(shè)計、摩擦學(xué)設(shè)計、防蝕設(shè)計、可靠性和可維護(hù)性及安全設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計及智能設(shè)計等。

(2)設(shè)計自動化技術(shù)。設(shè)計自動化技術(shù)指應(yīng)用電腦技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品造型和工藝設(shè)計、工程分析計算與模擬仿真、多變量動態(tài)優(yōu)化，從而達(dá)到整體最優(yōu)功能目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計自動化。

(3)工業(yè)設(shè)計技術(shù)。工業(yè)設(shè)計技術(shù)指開展機(jī)械產(chǎn)品色彩設(shè)計和中國民族特色與世界流派相結(jié)合的造型設(shè)計，增強(qiáng)產(chǎn)品的國際競爭力。

2.先進(jìn)製造工藝現(xiàn)代製造工藝技術(shù)包括精密和超精密加工技術(shù)、精密成型技術(shù)以及特種加工技術(shù)等。

(1)精密和超精密加工技術(shù)。精密、超精密加工技術(shù)採用去除加工(精密切削、磨削、研磨等)、結(jié)合加工(離子鍍、晶體生長、鐳射焊接、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(dá)到極高的精度?，F(xiàn)在的精密、超精密加工已經(jīng)向納米技術(shù)發(fā)展。

(2)精密成型技術(shù)。精密成型技術(shù)是生產(chǎn)局部或全部、無餘量或少餘量半成品的工藝方法的統(tǒng)稱，包括精密凝聚成型技術(shù)、精密塑性加工技術(shù)、粉末材料構(gòu)件精密成型技術(shù)、精密焊接技術(shù)及複合成型技術(shù)等。其目的在於使成型的製品達(dá)到或接近成品形狀的尺寸，並達(dá)到提高品質(zhì)、縮短製造週期和降低成本的效果；其發(fā)展方向是精密化、高效化、強(qiáng)韌化和輕量化。

(3)特種加工技術(shù)。特種加工技術(shù)是指那些不屬於常規(guī)加工範(fàn)疇的加工，如高能束流(電子束、離子束、雷射光束)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(shù)因其各自的獨(dú)特性能而在機(jī)械、電子、化工、輕工、航空、建築、國防等行業(yè)以及材料、能源和資訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

(4)表面改性、制膜和塗層技術(shù)。表面改性、制膜和塗層技術(shù)是採用物理、化學(xué)、金屬學(xué)、高分子化學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械學(xué)等技術(shù)及其組合技術(shù)對產(chǎn)品表面進(jìn)行改性、制膜和塗層，賦予產(chǎn)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(chǎn)品品質(zhì)、延長使用壽命和賦予新性能的新技術(shù)的統(tǒng)稱，是表面工程的重要組成部分。

3.自動化技術(shù)製造自動化是指用機(jī)電設(shè)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(yùn)輸、加工、裝配和檢驗(yàn)等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化。其目的在於減輕勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，減少在製品數(shù)量，節(jié)省能源消耗以及降低生產(chǎn)成本。自動化技術(shù)主要包括數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、柔性製造技術(shù)、電腦集成製造技術(shù)、傳感技術(shù)、自動檢測及信號識別技術(shù)和過程設(shè)備工況監(jiān)測與控制技術(shù)等。

4.系統(tǒng)管理技術(shù)系統(tǒng)管理技術(shù)是指企業(yè)在市場開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)製造、品質(zhì)控制到銷售服務(wù)等一系列的生產(chǎn)經(jīng)營活動中，為了使製造資源(材料、設(shè)備、能源、技術(shù)、資訊以及人力)得到總體配置優(yōu)化和充分利用，使企業(yè)的綜合效益(品質(zhì)、成本、交貨期)得到提高而採取的各種計畫、組織、控制及協(xié)調(diào)的方法和技術(shù)的總稱。它是現(xiàn)代製造技術(shù)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(shù)包括工程管理、品質(zhì)管理、管理資訊系統(tǒng)等，以及現(xiàn)代製造模式(如精益生產(chǎn)、CIMS、敏捷製造、智能製造等)、集成化的管理技術(shù)、企業(yè)組織結(jié)構(gòu)與虛擬公司等生產(chǎn)組織方法。

1.3先進(jìn)製造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.3.1世界製造業(yè)現(xiàn)狀

1.美國製造業(yè)的競爭策略製造業(yè)是美國經(jīng)濟(jì)的主要支柱，美國財富的68%來源於製造業(yè)。1991年9月，在由美國總統(tǒng)辦公廳指定的國家關(guān)鍵技術(shù)委員會向總統(tǒng)提出的雙年度報告中，認(rèn)定製造領(lǐng)域的國家關(guān)鍵技術(shù)包括：(1)柔性電腦集成製造；(2)智能加工設(shè)備；(3)微米級和毫微米級製造；(4)系統(tǒng)管理技術(shù)。

1992年國家關(guān)鍵技術(shù)委員會又提出將先進(jìn)製造技術(shù)作為國家關(guān)鍵技術(shù)。近幾年來，美國政府所採取的主要措施有：

(1)1994年從財政年度預(yù)算中撥款14億美元支持先進(jìn)製造技術(shù)研究開發(fā)；

(2)先進(jìn)技術(shù)計畫(ATP)1992年已有60個專案獲得資助；

(3)實(shí)施小企業(yè)革新研究計畫(SBTR)；

(4)實(shí)施工程研究中心建設(shè)計畫(ERC)；

(5)實(shí)施戰(zhàn)略製造計畫(STRATMAN)；

(6)實(shí)施有益於環(huán)境的製造計畫；

(7)實(shí)施製造科學(xué)與技術(shù)計畫；

(8)建立航空航太、電子、機(jī)床等領(lǐng)域的敏捷製造研究中心；

(9)在一些大學(xué)設(shè)置製造工程系、專業(yè)、研究中心或?qū)嶒?yàn)室；

(10)在美國科學(xué)基金會中，製造工程與科學(xué)在工程領(lǐng)域列為獨(dú)立學(xué)科，以強(qiáng)化對其的支持。

分析美國在先進(jìn)製造技術(shù)基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，其發(fā)展趨勢大致如下：

(1)面對大製造業(yè)，用戶需求啟動研究。

(2)在製造業(yè)和製造技術(shù)較為發(fā)達(dá)的基礎(chǔ)上，注重製造模式的研究。

(3)CAD普及率達(dá)60%以上。

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

(5)發(fā)展特種與複合加工工藝，如高能束加工工藝等。

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

(7)生產(chǎn)準(zhǔn)備工作柔性化和柔性工裝卡具，近幾年成為製造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

(8)發(fā)展少或無污染和可拆卸回收的產(chǎn)品及其製造技術(shù)。

(9)不少大學(xué)工學(xué)院多年來設(shè)置有技術(shù)與管理相結(jié)合的工業(yè)工程科系。近些年，在大學(xué)工學(xué)院設(shè)置製造工程學(xué)科、中心、實(shí)驗(yàn)室的數(shù)目不斷增加。

(10)國家科學(xué)基金資助指南中，製造工程與科學(xué)在工程領(lǐng)域列為獨(dú)立學(xué)科，與機(jī)械和結(jié)構(gòu)學(xué)科分立，強(qiáng)化對製造技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究的支持。

2.日本製造業(yè)的發(fā)展對策美國曾以福特方法贏得全世界製造技術(shù)的優(yōu)勢。而日本人卻在福特方法的基礎(chǔ)上，不斷更新技術(shù)以適應(yīng)市場需求。在20世紀(jì)70年代，日本汽車大舉進(jìn)入美國市場，以其價廉質(zhì)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(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)裝置數(shù)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)掌握的製造技術(shù)系統(tǒng)化，包括產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)和產(chǎn)品加工、裝配技術(shù)等。

(2)將現(xiàn)有技術(shù)及將要開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，包括製造數(shù)據(jù)的壓縮、傳遞與儲存的標(biāo)準(zhǔn)化以及物流管理技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

(3)面向21世紀(jì)的先進(jìn)製造系統(tǒng)的研究開發(fā)，包括系統(tǒng)管理技術(shù)，設(shè)計、加工和裝配技術(shù)以及製造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

3.前歐共體ESPRIT計畫和BRITE-EURAM計畫前歐共體支持先進(jìn)製造技術(shù)開發(fā)的主要有關(guān)計畫是ESPRIT計畫和BRITE-EURAM計畫。ESPRIT計畫主要資助微電子、軟體工程和資訊處理系統(tǒng)、電腦集成製造等方面的研究。BRITE-EURAM計畫主要資助材料、製造加工和設(shè)計以及複雜工廠系統(tǒng)等方面的研究。上述前歐共體的這種大型國家級研究專案參加者除大企業(yè)外還有小企業(yè)和大學(xué)，參加單位多，研究工作顯得分散。

4.韓國G7計畫韓國於1991年提出實(shí)施“高級先進(jìn)技術(shù)國家計畫”，即G7計畫。G7計畫中的“先進(jìn)製造系統(tǒng)”專案是一個將市場需求、設(shè)計、製造和分銷集成在一起的系統(tǒng)，旨在改進(jìn)產(chǎn)品品質(zhì)，提高生產(chǎn)率，增加國際競爭力，使韓國製造技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水準(zhǔn)。該專案由韓國國家機(jī)構(gòu)科技部負(fù)責(zé)，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(jìn)製造系統(tǒng)”專案的內(nèi)涵為

(1)共性基礎(chǔ)技術(shù)：開放式集成系統(tǒng)(包括設(shè)計自動化、並行工程等）；標(biāo)準(zhǔn)和性能評估。

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

(3)電子產(chǎn)品的裝配和檢驗(yàn)系統(tǒng)：下一代印刷線路裝配和檢驗(yàn)系統(tǒng)；用於裝配和製造系統(tǒng)的高性能機(jī)械機(jī)構(gòu)；先進(jìn)裝配用基礎(chǔ)技術(shù)(包括精密裝配、無焊料結(jié)合等）。

1.3.2先進(jìn)製造技術(shù)在我國的發(fā)展

1.我國製造業(yè)相對優(yōu)勢與先進(jìn)製造技術(shù)的發(fā)展

(1)我國製造技術(shù)經(jīng)建國以來50餘年的發(fā)展已形成較完整的技術(shù)體系，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需各類機(jī)械產(chǎn)品的製造提供基本的工藝技術(shù)，已能生產(chǎn)機(jī)床、汽車、輪船、飛機(jī)、大型發(fā)電機(jī)組等工業(yè)裝備及民用消費(fèi)類製造產(chǎn)品。

(2)通過對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和對企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)的深化改造，不少企業(yè)已經(jīng)掌握了一批相對先進(jìn)的製造技術(shù)和管理方法，不少產(chǎn)品已成功地打入國際市場。

(3)在製造技術(shù)基礎(chǔ)研究的許多方面我國已具有很高水準(zhǔn)，製造學(xué)科已發(fā)展成為一個重要的支柱學(xué)科。近百所高等工科院校設(shè)有機(jī)械製造、機(jī)電一體化等相關(guān)專業(yè)；國家有關(guān)部委也設(shè)有製造工藝與技術(shù)研究所；20世紀(jì)80年代中期，國家設(shè)立了國家自然科學(xué)基金委員會，建立了機(jī)械強(qiáng)度與振動、摩擦學(xué)、流體傳動與控制、鐳射、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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室或工程中心。

(4)在“九五”計畫的實(shí)施中，國家科學(xué)技術(shù)部的“國家科技攻關(guān)計畫”、“國家高新技術(shù)研究發(fā)展計畫”、“國家基礎(chǔ)研究重大專案計畫(攀登計畫預(yù)選專案)”都列入有關(guān)專案並付諸實(shí)施，其中“精密成型與加工研究開發(fā)和應(yīng)用示範(fàn)”、“金屬材料熱成型過程動態(tài)模擬及組織性能品質(zhì)優(yōu)化控制”、“CIMS”

以及“智能機(jī)器人”等專案已全面實(shí)施。

(5)國家計委也十分重視先進(jìn)製造技術(shù)的發(fā)展，在“九五”期間實(shí)施了一批發(fā)展先進(jìn)製造技術(shù)的專案，如數(shù)控系統(tǒng)及裝備研究、自動測試系統(tǒng)及設(shè)備技術(shù)研究、現(xiàn)場匯流排研究、智能化儀錶研究、感測器技術(shù)研究、30萬輛轎車規(guī)模生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究等。

(6)先進(jìn)製造技術(shù)應(yīng)用情況。①1993年國家科委組織實(shí)施“CAD應(yīng)用工程”，原機(jī)械部又將1997年定為CAD推廣年，現(xiàn)在機(jī)械工業(yè)系統(tǒng)的骨幹企業(yè)中CAD應(yīng)用的普及率達(dá)到35％，但絕大多數(shù)只是“甩圖板”。②

1958年開始研製數(shù)控機(jī)床，到20世紀(jì)80年代通過引進(jìn)、消化、吸收國外成熟技術(shù)開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)；到80年代中期，已開始引進(jìn)和自行研製柔性製造系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。但在金屬切削機(jī)床總產(chǎn)量中，數(shù)控化率只有5%左右。

③

我國在20世紀(jì)70年代中期研製成功了直接數(shù)控(群控)系統(tǒng)並應(yīng)用於生產(chǎn)，現(xiàn)在已擁有柔性製造系統(tǒng)和柔性製造單元等自動化製造系統(tǒng)。北京第一機(jī)床廠的CIMS工程於1994年初步建成，並於1995年獲得美國製造工程師學(xué)會和電腦與自動化系統(tǒng)專業(yè)學(xué)會(CASA/SME)的CIMS應(yīng)用工業(yè)的稱號。在此之前，1994年清華大學(xué)獲得CASA/SME的CIMS大學(xué)領(lǐng)先獎。

④

我國在20世紀(jì)80年代末就注意引進(jìn)先進(jìn)管理模式。瀋陽鼓風(fēng)機(jī)廠很早就採用了國際商用機(jī)器公司(IBM)的“面向通信的生產(chǎn)資訊和控制系統(tǒng)”(CommunicationOrientedProductionInformationandControlSystem，COPICS)，第一汽車集團(tuán)公司在生產(chǎn)管理中引進(jìn)了日本的“準(zhǔn)時生產(chǎn)”(JIT)模式。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo)，我國企業(yè)已先後投入大約80億元購買了MRPⅡ軟體來建立現(xiàn)代生產(chǎn)管理系統(tǒng)或MIS系統(tǒng)。

2.我國機(jī)械製造業(yè)的差距與發(fā)展目標(biāo)我國機(jī)械製造業(yè)的差距(1)產(chǎn)品品種少、檔次低。(2)製造工藝落後，裝備陳舊。

(3)生產(chǎn)專業(yè)化水準(zhǔn)低。

(4)管理技術(shù)落後。

鑒於目前機(jī)械工業(yè)的狀況，圍繞發(fā)展先進(jìn)製造技術(shù)，我國制定了機(jī)械工業(yè)發(fā)展目標(biāo)：

(1)2000年，產(chǎn)品設(shè)計、精密和超精密加工、鐳射加工、表面改性、制膜和塗層、製造業(yè)和過程工業(yè)綜合自動化以及系統(tǒng)管理技術(shù)，總體上達(dá)到工業(yè)先進(jìn)國家20世紀(jì)80年代末90年代初的水準(zhǔn)。

(2)我國的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、少或無污染的現(xiàn)代製造技術(shù)普及率在2000年由目前的不足10%提高到20%，預(yù)計在2010年提高到50%。

(3)形成一批高科技產(chǎn)業(yè)：四個加工產(chǎn)業(yè)（精密成型加工、精密加工、鐳射加工、表面處理加工）；三個自動化硬體產(chǎn)業(yè)(數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、感測器和測試設(shè)備）；三個軟體產(chǎn)業(yè)(CAD、CAM、MIS）。到2000年，大型企業(yè)普遍採用CAD技術(shù)和電腦輔助管理技術(shù)；預(yù)計到2010年，大、中型企業(yè)普遍採用CAD，25%的大、中型企業(yè)採用CAM，大、中型企業(yè)主要產(chǎn)品的關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

1.3.3先進(jìn)製造技術(shù)的發(fā)展趨勢

當(dāng)前先進(jìn)製造技術(shù)的發(fā)展方向大致有以下九個方面：(1)資訊技術(shù)、管理技術(shù)與工藝技術(shù)緊密結(jié)合，現(xiàn)代製造生產(chǎn)模式將得到不斷發(fā)展；(2)設(shè)計技術(shù)與手段更現(xiàn)代化；(3)成型及製造技術(shù)精密化，製造過程實(shí)現(xiàn)低消耗；(4)形成新型特種加工方法；(5)開發(fā)新一代超精密、超高速製造裝備；(6)加工工藝由技藝型發(fā)展為工程科學(xué)型；(7)實(shí)施無污染綠色製造；(8)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在製造業(yè)中廣泛應(yīng)用；(9)製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(xué)科成果形成一個完整的製造體2、先進(jìn)製造技術(shù)的動態(tài)發(fā)展過程3、資訊技術(shù)對先進(jìn)製造技術(shù)的發(fā)展起著越來越重要的作用4、先進(jìn)製造技術(shù)向超精微細(xì)領(lǐng)域擴(kuò)展5、製造過程的集成化6、製造科學(xué)與製造技術(shù)、生產(chǎn)管理的融合7、綠色製造將成為21世紀(jì)製造業(yè)的重要特徵（1）綠色產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)（2）綠色製造技術(shù)。（3）產(chǎn)品的回收和迴圈再製造8、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在製造業(yè)中獲得越來越多的應(yīng)用（VirtualRealityTechnology）9、製造全球化

（ManufacturingGlobalization）

四、技術(shù)前沿――關(guān)鍵技術(shù)

1、可重組製造系統(tǒng)

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

2、無浪費(fèi)工藝

兩個重要領(lǐng)域進(jìn)行研究：（1）廢棄物的減少和利用。（2）產(chǎn)品設(shè)計和分析。

3.新的材料工藝三大領(lǐng)域展開：（1）創(chuàng)新的工藝過程。（2）設(shè)計和分析方法。（3）理論基礎(chǔ)4、生物製造技術(shù)5、企業(yè)建模和仿真兩大領(lǐng)域：（1）通信與資訊技術(shù)。（2）建模工具6、資訊技術(shù)7、滿足多層次用戶需求的產(chǎn)品及工藝設(shè)計方法

8、增強(qiáng)型人－機(jī)介面9、勞動力教育和培訓(xùn)10、智能協(xié)作系統(tǒng)軟體§4先進(jìn)製造工藝一、分類

1、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“JB/T5992-92”機(jī)械製造工藝方法分類的代碼0-鑄造

1－壓力加工

2－焊接

3－培訓(xùn)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

——

快速原型製造

——

新型材料加工

——

大件及超大件加工

——

表面功能性覆層技術(shù)二、工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、

加工精度不斷提高

2、加工速度得到提高

3、材料科學(xué)促進(jìn)製造工藝變革

4、重大技術(shù)裝備促進(jìn)加工製造技術(shù)的發(fā)展

5、優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)獲得進(jìn)一步發(fā)展

6、精密成形技術(shù)取得較大進(jìn)展

7、熱成形過程的電腦模擬技術(shù)研究有一定發(fā)展三、發(fā)展特點(diǎn)1、常規(guī)工藝不斷優(yōu)化並得到普及2、工藝界限趨於淡化下料與加工；毛坯製造與零件加工；粗、精加工；冷、熱加工；成形與改性3、在功能上趨於交叉四、發(fā)展趨勢

****總體發(fā)展趨勢：

優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、敏捷、潔淨(jìng)

****成形工藝發(fā)展趨勢：

---鑄造:輕量化、精確化、強(qiáng)韌化、複合化無環(huán)境污染

---壓力加工:淨(jìng)成形、工藝變數(shù)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

****加工製造技術(shù)的熱點(diǎn)：

—

先進(jìn)精密、超精密加工技術(shù)

—

特種加工技術(shù)

—

超高速切削和超高速磨削技術(shù)

—

微型機(jī)械加工技術(shù)

—

新一代製造裝備技術(shù)

—

虛擬製造技術(shù)複

習(xí)

思

考

題

1-1論述先進(jìn)製造技術(shù)及其主要特點(diǎn)。1-2敘述先進(jìn)製造技術(shù)的分類及主要技術(shù)。1-3描述我國機(jī)械製造業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。

第二章現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)2.1概述

2.2電腦輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)

2.3有限元分析

2.4並行設(shè)計

2.5反求工程

2.6綠色產(chǎn)品設(shè)計

復(fù)習(xí)思考題

2.1概述工程設(shè)計的最終目的是創(chuàng)造滿足用戶需求的產(chǎn)品。產(chǎn)品所達(dá)到的品質(zhì)、性能、時間、成本、壽命等綜合指標(biāo)主要是在設(shè)計階段決定的。傳統(tǒng)的工程設(shè)計，根據(jù)工作性質(zhì)與內(nèi)容不同，將設(shè)計過程劃分為方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和工藝設(shè)計?，F(xiàn)代工程設(shè)計技術(shù)已擴(kuò)展到產(chǎn)品規(guī)劃、製造、檢測、實(shí)驗(yàn)、行銷、運(yùn)行、維護(hù)、報廢、回收等全過程的設(shè)計。2.1概

述

2.1.1現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)定義與特點(diǎn)

1.現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的定義現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是以滿足市場產(chǎn)品的品質(zhì)、性能、時間、成本、價格綜合效益最優(yōu)為目的，以電腦輔助設(shè)計技術(shù)為主體，以知識為依託，以多種科學(xué)方法及技術(shù)為手段，研究、改進(jìn)、創(chuàng)造產(chǎn)品活動過程所用到的技術(shù)群體的總稱。

2.現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的特點(diǎn)(1)系統(tǒng)性。(2)動態(tài)性。

(3)創(chuàng)造性。

(4)電腦化。

(5)並行化、最優(yōu)化、虛擬化和自動化。

(6)主動性。

2.1.2現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)體系現(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，如圖2-1所示。

圖2-1現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的體系及與其它學(xué)科的關(guān)係

1.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。

2.主體技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的誕生和發(fā)展與電腦技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)、相輔相成。電腦科學(xué)與設(shè)計技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生電腦輔助設(shè)計、智能CAD(IntelligentCAD，ICAD)、優(yōu)化設(shè)計、有限元分析程式、模擬仿真、虛擬設(shè)計和工程資料庫等技術(shù)。運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的多種理論與方法如優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、模糊設(shè)計等理論構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型，來編制電腦應(yīng)用程式，可以更廣泛、更深入地模擬人的推理與思維，從而提高電腦的“智力”。而電腦輔助設(shè)計技術(shù)正是以它對數(shù)值計算和對資訊與知識的獨(dú)特處理能力，成為現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)群體的主幹，即主體技術(shù)。

3.支撐技術(shù)支撐技術(shù)主要有現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)、可信性設(shè)計技術(shù)、試驗(yàn)設(shè)計技術(shù)?，F(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)涉及的內(nèi)容很廣，如並行設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、功能設(shè)計、模組化設(shè)計、價值工程、品質(zhì)功能配製、反求工程、綠色設(shè)計、模糊設(shè)計、面向?qū)ο笤O(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計等。可信性設(shè)計是廣義的可靠性設(shè)計的擴(kuò)展，主要指可靠性與安全性設(shè)計、動態(tài)分析與設(shè)計、防斷裂設(shè)計、健壯設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計等。設(shè)計試驗(yàn)技術(shù)包括可靠性試驗(yàn)、環(huán)保性能試驗(yàn)與控制，以及運(yùn)用電腦技術(shù)的數(shù)字仿真試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)等。

4.應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)是針對實(shí)用目的解決各類具體產(chǎn)品設(shè)計問題的技術(shù)，如機(jī)床、汽車、工程機(jī)械、精密機(jī)械的現(xiàn)代設(shè)計內(nèi)容可以看作是現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)派生出來的具體技術(shù)群?，F(xiàn)代設(shè)計已擴(kuò)展到產(chǎn)品規(guī)劃、製造、行銷、運(yùn)行、回收等各個方面，除了必要的傳統(tǒng)設(shè)計理論與方法的基礎(chǔ)知識外，相關(guān)的學(xué)科與技術(shù)，尤其是製造工藝、自動化技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)、材料知識與經(jīng)驗(yàn)及廣泛的自然科學(xué)知識等也是十分必要的。此外，設(shè)計產(chǎn)品總是以滿足社會需求為目的的，因此，設(shè)計人員還應(yīng)具備政治、經(jīng)濟(jì)、法律、人文社會、藝術(shù)等方面的知識與素養(yǎng)。

2.2電腦輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)

2.1.1電腦輔助設(shè)計技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展(1)20世紀(jì)50年代——CAD技術(shù)的萌芽期。(2)20世紀(jì)60年代——CAD技術(shù)的成長期。

(3)20世紀(jì)70年代——CAD技術(shù)的發(fā)展期。

(4)20世紀(jì)80年代——CAD技術(shù)的普及期。

(5)20世紀(jì)90年代——CAD技術(shù)集成化期。

2.2.2電腦輔助設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

1.產(chǎn)品的幾何造型技術(shù)

CAD的幾何造型過程也就是對被設(shè)計對象進(jìn)行描述，並用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲在電腦內(nèi)，以建立電腦內(nèi)部模型的過程。被設(shè)計對象的造型建模技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了線框模型、表面(曲面)模型、實(shí)體建模、特徵造型、特徵參數(shù)模型、產(chǎn)品數(shù)據(jù)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(shí)體模型

1)線框模型線框模型由一系列空間直線、圓弧和點(diǎn)組合而成，用來描述產(chǎn)品的輪廓外形(見圖2-2(a))。這種模型曾廣泛應(yīng)用於工廠或車間佈局、三視圖生成、運(yùn)動機(jī)構(gòu)的模擬和有限元網(wǎng)路的自動生成等方面，但它無法產(chǎn)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(jù)線框模型進(jìn)行物性計算和數(shù)控加工指令的編制等作業(yè)。

2)表面模型表面模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線上框模型的基礎(chǔ)上，增加了有關(guān)面的資訊和棱邊的連接方向等內(nèi)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(gòu)建平面主體，描述能力不強(qiáng)，故較少採用(見圖2-2(b))。曲面造型則發(fā)展非常迅速，它可以用於構(gòu)建具有複雜自由曲面和雕塑曲面的物體模型(見圖2-3)，因此廣泛應(yīng)用於汽車、飛機(jī)、船舶等製造工業(yè)中。常用的建模方法有貝塞爾(Beizer)曲面技術(shù)和B樣條(B－spline)曲面技術(shù)。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(nèi)部幾何體，故無法生成形體的剖面圖以及進(jìn)行物性的計算。

圖2-3曲面造型典型模型

3)實(shí)體模型實(shí)體模型較完整地反映了三維實(shí)體的幾何資訊(見圖2-2(c))，它既能消除隱藏線，產(chǎn)生有明暗效應(yīng)的立體圖像，又能進(jìn)行物性計算，進(jìn)行裝配體或運(yùn)動系統(tǒng)的空間干涉檢查，進(jìn)行有限元分析的前後處理以及多至五軸的數(shù)控編程等作業(yè)。常用的實(shí)體造型方法有“邊界表示”(BoundaryRepresentation，B-rep)法和“構(gòu)造實(shí)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(gòu)成的，每個面又由它的邊界邊和頂點(diǎn)組成(見圖2-4)，經(jīng)過各種幾何運(yùn)算和操作，最後達(dá)到構(gòu)成物體的目的。

圖2-4邊界表示法實(shí)體模型

CSG法的基本思想認(rèn)為任何幾何形體都是由簡單的“實(shí)體細(xì)胞”組成的，這種實(shí)體細(xì)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(yùn)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(jù)需要自己定義一些參數(shù)化的幾何體素。複雜的幾何物體是由體素組成的，通過正實(shí)體、負(fù)實(shí)體的定義，二維多邊形的掃描、移動、旋轉(zhuǎn)、挖切和鏡像等操作來實(shí)現(xiàn)物體的創(chuàng)建。圖2-5就是用此方法生成的複雜零件圖。

圖2-5CSG法實(shí)體模型

4)特徵造型所謂特徵，就是描述產(chǎn)品資訊的集合，也是構(gòu)成零、部件設(shè)計與製造的基本幾何體，它既反映了零件的幾何資訊，又反映了零件的加工工藝資訊。常用的零件特徵包括：形狀特徵、精度特徵、技術(shù)特徵、材料特徵、裝配特徵等。與實(shí)體模型相比較，特徵造型能更好地表達(dá)統(tǒng)一、完整的產(chǎn)品資訊；能更好地體現(xiàn)設(shè)計意圖，使產(chǎn)品模型便於理解和組織生產(chǎn)；有助於加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計、分析、加工製造、檢驗(yàn)等各個部門之間的聯(lián)繫。因此，基於特徵的建模技術(shù)更適合於CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。

2.單一資料庫與相關(guān)性設(shè)計單一資料庫是指與設(shè)計相關(guān)的全部數(shù)據(jù)資訊來自同一個數(shù)據(jù)庫。所謂相關(guān)性設(shè)計，是指任何設(shè)計改動都將及時地反映到設(shè)計過程的其他相關(guān)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(guān)聯(lián)的產(chǎn)品裝配圖、加工該零件的數(shù)控程式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(shí)體模型中相應(yīng)的尺寸和形狀也會隨之變化。建立在單一資料庫基礎(chǔ)上的產(chǎn)品開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的相關(guān)性設(shè)計。單一資料庫和相關(guān)性設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用有利於減少設(shè)計中的差錯，提高設(shè)計品質(zhì)，縮短開發(fā)週期。

3.CAD與其他CAX系統(tǒng)的集成技術(shù)

CAD技術(shù)為產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供了基本的數(shù)據(jù)化模型，然而，它只是電腦參與產(chǎn)品生產(chǎn)製造的一個環(huán)節(jié)。為了使產(chǎn)品生產(chǎn)後續(xù)的作業(yè)環(huán)節(jié)有效地利用CAD作業(yè)所構(gòu)造的產(chǎn)品資訊模型，充分利用已有的資訊資源，提高綜合生產(chǎn)效率，必須將CAD技術(shù)與其他CAX技術(shù)進(jìn)行有效的集成，包括CAD/CAM技術(shù)的集成、CAD與CIMS其他功能系統(tǒng)的集成等。CAD技術(shù)的主要功能是進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計造型，為其他功能系統(tǒng)提供共用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，它已成為CIMS或其他製造系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

CAD技術(shù)的集成體現(xiàn)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等軟體模組集成。CAD與這些系統(tǒng)模組的集成為企業(yè)提供了產(chǎn)品生產(chǎn)製造一體化解決方案，推動了企業(yè)的資訊化進(jìn)程。

(2)將CAD技術(shù)的演算法、功能模組以至整個系統(tǒng)以專用晶片的形式加以固化，這樣一方面可以提高CAD系統(tǒng)的運(yùn)行效率，另一方面可以供其他系統(tǒng)直接調(diào)用。

(3)CAD在網(wǎng)路計算環(huán)境下實(shí)現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)的企業(yè)間集成，如全球化設(shè)計、虛擬設(shè)計、虛擬製造以及虛擬企業(yè)就是該集成層次的具體體現(xiàn)。

4.標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)由於CAD軟體產(chǎn)品眾多，為實(shí)現(xiàn)資訊共用，相關(guān)軟體必須支持異構(gòu)、跨平臺的工作環(huán)境。該問題的解決主要依靠CAD技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定了“產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換標(biāo)準(zhǔn)”(StandardfortheExchangeofProductModelData，STEP)。STEP採用統(tǒng)一的數(shù)位化定義方法，涵蓋了產(chǎn)品的整個生命週期，是CAD技術(shù)最新的國際標(biāo)準(zhǔn)。目前，主流的CAD軟體系統(tǒng)都支持ISO標(biāo)準(zhǔn)及其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，面向應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件及零部件庫的標(biāo)準(zhǔn)化也成為CAD系統(tǒng)的必備內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)資訊共用創(chuàng)造了條件。

2.2.3CAD系統(tǒng)軟體與應(yīng)用

1.系統(tǒng)軟體系統(tǒng)軟體主要用於電腦管理、維護(hù)、控制、運(yùn)行以及電腦程式的翻譯和執(zhí)行，分為以下幾類：

(1)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的主要功能是管理檔及各種輸入輸出設(shè)備。微機(jī)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(wù)操作系統(tǒng)，提供了對多媒體和網(wǎng)路的軟體支持。工作站主要採用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式轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行指令的程式。我們所熟知的高級語言如FORTRAN、BASLC、PASCAL、COBOL、LISP，C/C++等，都有相應(yīng)的編譯程序或集成開發(fā)環(huán)境。

(3)圖形介面及介面標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)圖形向設(shè)備的輸出，必須向高級語言提供相應(yīng)的介面程式(函數(shù)庫)。Windows的CGI電腦圖形介面編碼面向應(yīng)用軟體開發(fā)，先後推出了GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OPENGL等圖形介面標(biāo)準(zhǔn)。利用這些標(biāo)準(zhǔn)所提供的介面函數(shù)，應(yīng)用程式可以方便地輸出二維和三維圖形。在各種以圖形為基礎(chǔ)的CAD軟體相繼推出後，為了滿足不同應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的交換、共用需要，又制定了IGES、DXF、STEP等圖形(產(chǎn)品)資訊交換標(biāo)準(zhǔn)。

2.支撐軟體

1)電腦分析軟體

(1)常用數(shù)學(xué)方法庫及其可視化軟體。

(2)有限元分析軟體。目前，有限元理論和方法已趨成熟，除應(yīng)用於彈性力學(xué)和流體力學(xué)外，也應(yīng)用於流動分析、電磁場分析等方面。商品化的有限元分析軟體很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些軟體還具有較強(qiáng)的前、後置處理功能。

(3)優(yōu)化設(shè)計軟體。優(yōu)化設(shè)計建立在最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論和現(xiàn)代計算技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過迭代尋求設(shè)計的最優(yōu)方案。目前已有不少成熟的優(yōu)化程式庫，如LBM公司的ODL，我國自主知識產(chǎn)權(quán)的“優(yōu)化方法程式庫OPB-2”等。

2)集成化CAD/CAM軟體集成化CAD/CAM軟體支持在二維和三維圖形方式下進(jìn)行產(chǎn)品及其零件的定義。早期的集成化CAD/CAM軟體主要致力於實(shí)現(xiàn)互動式繪圖，如CADAM、AutoCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二維互動式繪圖為主。20世紀(jì)80年代中期開始，實(shí)體造型技術(shù)日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向採用實(shí)體造型技術(shù)定義產(chǎn)品零件的幾何模型，進(jìn)行分析、數(shù)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(jī)公司的UG(Unigraphics)，Autodesk公司的AutoCAD及MDT；中國科學(xué)院北京軟體工程研製中心開發(fā)的參數(shù)智能化CAD系統(tǒng)PICAD，高華電腦有限公司開發(fā)研製的集成智能化CAD系統(tǒng)，清華大學(xué)和華中理工大學(xué)共同開發(fā)的CAD-MLS等。

3)資料庫管理系統(tǒng)(DBMS)資料庫管理系統(tǒng)用於管理龐大的數(shù)據(jù)資訊，提供數(shù)據(jù)的增刪、查詢、共用、安全維護(hù)等操作，是用戶與數(shù)據(jù)之間的介面。資料庫管理系統(tǒng)使用三種數(shù)據(jù)模型，即層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)係模型。目前流行的資料庫管理系統(tǒng)有DBASE、FOXBASE、FOXPRO、ORACI.E、SYBASE等。

4)網(wǎng)路軟體採用微機(jī)和工作站局域網(wǎng)形式的CAD系統(tǒng)已成為20世紀(jì)90年代CAD軟硬體配置的首選方案。網(wǎng)路服務(wù)軟體為這些系統(tǒng)在網(wǎng)路上的傳輸和共用檔提供了條件。最常用的網(wǎng)路軟體是Novell公司的NETWARE，它包括伺服器操作系統(tǒng)、檔伺服器軟體、通信軟體等。Microsoft的Windows95以上操作系統(tǒng)可直接支持絕大多數(shù)的網(wǎng)路互連服務(wù)。

3.應(yīng)用軟體應(yīng)用軟體是在系統(tǒng)軟體、支撐軟體的基礎(chǔ)上，針對某一專門應(yīng)用領(lǐng)域的需要而研製的軟體。這類軟體通常由用戶結(jié)合當(dāng)前設(shè)計工作需要自行開發(fā)，也稱“二次開發(fā)”。例如，模具設(shè)計軟體、電器設(shè)計軟體、機(jī)械零件設(shè)計軟體、飛機(jī)氣流分析軟體等均屬應(yīng)用軟體。專家系統(tǒng)也是一種應(yīng)用軟體。在設(shè)計過程中，有相當(dāng)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(lǐng)域?qū)＜邑S富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專門知識，經(jīng)過專家們的思考、推理和判斷才能夠完成。為使電腦模擬專家解決問題的工作過程而編制的智慧型電腦程式稱為專家系統(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。它不僅可用於計算靜力學(xué)模型，也可用於動力學(xué)模型求解；既可以計算穩(wěn)態(tài)溫度場的物體熱力學(xué)回應(yīng)，也可以用於非穩(wěn)態(tài)熱源下的時間回應(yīng)，還能用於電磁場的力學(xué)分析等；既可以用於分析剛件結(jié)構(gòu)的受載變形過程，也可以用於設(shè)計輪胎、橡膠零件等非剛性物體，找出它們結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，有限元法已成為工程結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)所規(guī)定，在求解離散成有限元的集合體時，其有限單元應(yīng)滿足連續(xù)體所遵循的規(guī)則。

有限元法的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型分解成數(shù)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(jié)點(diǎn)相互聯(lián)結(jié)，再在這些結(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效力代替作用到單元上的外力，通過計算這些單元陣點(diǎn)力和位移之間的關(guān)係來解決連續(xù)體的力學(xué)問題。有限元法實(shí)質(zhì)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，使複雜問題簡化為適合於數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。

圖2-6有限元實(shí)體模型

圖2-7受力彎曲有限元圖

2.4並

行

設(shè)

計

關(guān)於並行工程的定義目前國際上有多種提法，被普遍採用的是美國防務(wù)研究所1988年12月在第一屆CE專題研討會上給出的定義：“並行工程是一種對產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括製造過程和支持過程)進(jìn)行並行的、一體化設(shè)計的工作模式。這種工作模式可使產(chǎn)品開發(fā)人員一開始就能考慮到從產(chǎn)品概念設(shè)計到消亡的整個產(chǎn)品生命週期中的所有因素，包括品質(zhì)、成本、進(jìn)度和用戶要求?！痹趥鹘y(tǒng)的製造系統(tǒng)中，新產(chǎn)品的開發(fā)從概念設(shè)計到產(chǎn)品出廠的整個過程是按順序(即串行)進(jìn)行的。在產(chǎn)品圖紙設(shè)計完成後，必須進(jìn)行樣機(jī)試製，再根據(jù)試製中發(fā)現(xiàn)的問題對圖紙進(jìn)行修改，同時整理試製工藝，設(shè)計製造工藝裝備，然後再進(jìn)行小批量生產(chǎn)，考核工藝規(guī)程和工裝的正確性，並進(jìn)行必要的修改。只有在小批量試製通過驗(yàn)證後，才能正式批量投產(chǎn)。

這種串行工程方式對批量較大和市場壽命較長的產(chǎn)品來說，不失為一種行之有效的方法。但是，許多不合理設(shè)計和錯誤設(shè)計只有通過試製過程才能發(fā)現(xiàn)，有時某些問題甚至是無法修改的，修改設(shè)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(fèi)，其缺點(diǎn)是顯而易見的。

因此，對於面向定單的單件及小批量生產(chǎn)，這種串行工作方式就完全不適用了。圖2-8(a)、(b)為產(chǎn)品設(shè)計及技術(shù)準(zhǔn)備階段串行工程與並行工程的基本概念示意圖。在串行工程中，前饋資訊隨著過程傳遞，回饋資訊總滯後於過程，返工浪費(fèi)很難避免。並行工程採用並行方式，在產(chǎn)品設(shè)計階段就集中產(chǎn)品研製週期中的各有關(guān)工程技術(shù)人員，同步地設(shè)計或考慮整個產(chǎn)品生命週期中的所有因素，對產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、裝配設(shè)計、檢驗(yàn)方式、售後服務(wù)方案等進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，協(xié)同進(jìn)行。經(jīng)系統(tǒng)的仿真和分析評估，對設(shè)計對象進(jìn)行反復(fù)修改和完善，力爭後續(xù)的製造過程一次成功(DoRightFirst)。這樣，設(shè)計階段完成後一般能保證後面階段如製造、裝配、檢驗(yàn)、銷售和維護(hù)等活動順利進(jìn)行，前饋資訊在過程傳遞之前即預(yù)發(fā)佈至各後續(xù)工作環(huán)節(jié)，回饋資訊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，並行工程中也需要對設(shè)計方案甚至產(chǎn)品模型進(jìn)行修改。

圖2-8串行工程與並行工程的基本概念示意圖(a)串行工程；(b)並行工程並行工程在實(shí)施中採用團(tuán)隊工作(TeamWork)方式(見圖2-9)，將各類專業(yè)人員在產(chǎn)品設(shè)計的開始時就組織在一起協(xié)同工作。初期人們採用集體辦公模式實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊工作，而在企業(yè)的電腦資訊網(wǎng)絡(luò)建立起來後，可以將各功能部門的電腦系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)並通過相應(yīng)的管理控制軟體，使團(tuán)隊成員在異地共用資訊，協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)更大範(fàn)圍內(nèi)的並行工程模式。

圖2-9企業(yè)範(fàn)圍內(nèi)的並行工程模式

在上述並行工程運(yùn)行模式下，每個設(shè)計者可以像在傳統(tǒng)的CAD工作站上一樣進(jìn)行自己的設(shè)計工作。借助於適當(dāng)?shù)耐ㄐ殴ぞ?，在公共資料庫、知識庫的支持下，設(shè)計者之間可以相互通信，根據(jù)目標(biāo)要求既可隨時應(yīng)其他設(shè)計人員要求修改自己的設(shè)計，也可要求其他設(shè)計人員回應(yīng)自己的要求。通過協(xié)調(diào)機(jī)制，設(shè)計小組的多種設(shè)計工作可以並行協(xié)調(diào)地進(jìn)行(見圖2-10)。

圖2-10並行工程設(shè)計網(wǎng)路

2.5反

求

工

程

1.零件反求零件反求實(shí)質(zhì)上是零件複製。對於結(jié)構(gòu)複雜和要求精確的關(guān)鍵零件，如果複製不精確，將直接影響所開發(fā)機(jī)器的性能。因此，精確測量擬複製零件，並在此基礎(chǔ)上逆向生成精確的零件CAD模型，這是反求工程的關(guān)鍵。在反求工程中採用的測量方法可歸納為兩類：一類為採用座標(biāo)測量機(jī)(CoordinateMeasuringMachine，CMM)的接觸式測量，另一類是採用鐳射或機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行圖像掃描的光學(xué)非接觸式測量。下麵以採用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(jī)反求整機(jī)反求的工作內(nèi)容如下：

(1)探索樣機(jī)的設(shè)計思想。事實(shí)上在選擇引進(jìn)樣機(jī)時就有一個指導(dǎo)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)境和模組化設(shè)計等)。根據(jù)這個指導(dǎo)思想去分析樣機(jī)的特點(diǎn)，判斷此指導(dǎo)思想是否與需求相吻合，這樣才能為反求以後的產(chǎn)品發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)，避免引進(jìn)錯誤。

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

(3)性能試驗(yàn)。對樣機(jī)的性能必須進(jìn)行全面的試驗(yàn)和測定，反復(fù)驗(yàn)算，深入分析，掌握它的運(yùn)動特性和動、靜態(tài)力學(xué)特性，找出它可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，以便於在自行設(shè)計開發(fā)時加以改進(jìn)，使反求產(chǎn)品優(yōu)於樣機(jī)。

(4)結(jié)構(gòu)分析。零部件的結(jié)構(gòu)與功能原理和機(jī)械性能直接有關(guān)，並同生產(chǎn)成本和使用性能關(guān)係密切，也影響產(chǎn)品的可製造性和可維護(hù)性。因此，必須充分瞭解功能零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其作用，精確反求，否則會危及產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，達(dá)不到樣機(jī)的使用性能。

(5)形體尺寸及精度測定。對於關(guān)鍵零件，必須採用先進(jìn)而精確的反求手段和儀器，精確測定樣件的形體和相關(guān)精度(尺寸、形狀和相互位置精度)，並分析它們的作用，否則，反求設(shè)計的產(chǎn)品將達(dá)不到樣機(jī)的品質(zhì)要求。

(6)工藝分析。這是反求工程中至關(guān)重要的一步。反求產(chǎn)品往往可以做到同樣機(jī)“形似”，但由於工藝問題沒有解決而達(dá)不到“神似”，即產(chǎn)品性能總達(dá)不到或不能超過樣機(jī)。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(dá)到反求工程的目標(biāo)。

(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(guān)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(xué)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(jī)的使用方便性和易維修性，充分理解和掌握樣機(jī)在這方面的設(shè)計思想。

(9)相關(guān)輔料分析。樣機(jī)中使用的冷卻液、潤滑劑、密封件等也會影響產(chǎn)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(jī)的造型設(shè)計、色彩配置、包裝技術(shù)等也不能忽視，這將影響用戶對產(chǎn)品的直覺印象和市場效應(yīng)。

圖2-12產(chǎn)品反求工程的工作流程

2.6綠色產(chǎn)品設(shè)計

1.綠色產(chǎn)品及特點(diǎn)綠色產(chǎn)品是指在產(chǎn)品全生命週期內(nèi)(包括原材料準(zhǔn)備、設(shè)計、製造、包裝、運(yùn)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，並對生產(chǎn)者及使用者具有良好保護(hù)性的產(chǎn)品。因此，綠色產(chǎn)品設(shè)計可定義為面向不損害產(chǎn)品品質(zhì)、功能及其製作過程的，能與環(huán)境相容的設(shè)計。

綠色產(chǎn)品的特點(diǎn)：

(1)優(yōu)良的環(huán)境友好性，即產(chǎn)品從生產(chǎn)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(chǎn)過程中選用清潔的原料、清潔的工藝過程，生產(chǎn)出清潔的產(chǎn)品；使用產(chǎn)品時不對使用者造成危害；報廢產(chǎn)品在回收處理過程中很少產(chǎn)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(chǎn)品設(shè)計的主要內(nèi)容

(1)綠色產(chǎn)品的描述與建模：準(zhǔn)確全面地描述綠色產(chǎn)品，建立系統(tǒng)的綠色產(chǎn)品評價模型是綠色產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。

(2)綠色產(chǎn)品設(shè)計的材料選擇：綠色產(chǎn)品設(shè)計要求設(shè)計人員改變傳統(tǒng)的選材程式和步驟，選材時不僅要考慮產(chǎn)品的使用要求和性能，還應(yīng)考慮環(huán)境約束準(zhǔn)則，同時必須瞭解材料對環(huán)境的影響，應(yīng)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(shè)計：傳統(tǒng)設(shè)計方法多考慮產(chǎn)品的裝配性，很少考慮產(chǎn)品的可拆卸性。綠色產(chǎn)品設(shè)計要求把可拆卸性作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項評價準(zhǔn)則，使產(chǎn)品在報廢以後其零部件能夠高效地、不加破壞地被拆卸，這有利於零部件的重新利用和材料的迴圈再生，達(dá)到節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境的目的。

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

實(shí)現(xiàn)零件的多功能性，減少應(yīng)拆卸零部件的數(shù)目，減少拆卸工作量；②

避免有相互影響的材料組合，避免零件的汙損；③

易於拆卸，易於分離；④

實(shí)現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模組化，減少零件的多樣性。

(4)產(chǎn)品的可回收性設(shè)計：在設(shè)計時要充分考慮產(chǎn)品各零部件回收再利用的可能性、回收處理方法、回收費(fèi)用等問題，達(dá)到節(jié)省材料、節(jié)約能源、儘量減小環(huán)境污染的目的?？苫厥招栽O(shè)計的內(nèi)容包括：①可回收材料的識別及標(biāo)誌；②回收處理工藝方法：③可回收性的結(jié)構(gòu)設(shè)計；④可回收性的經(jīng)濟(jì)分析與評價?？苫厥招栽O(shè)計的主要原則有：①

避免使用有害於環(huán)境及人體的材料；②

減少產(chǎn)品所使用的材料種類；③

避免使用與迴圈利用過程不相相容的材料或零件；④

使用便於重用的材料；⑤

使用可重用的零部件。

(5)綠色產(chǎn)品的成本分析：與傳統(tǒng)成本分析不同，綠色產(chǎn)品成本分析應(yīng)考慮污染物的處理成本、產(chǎn)品拆卸成本、重複利用成本、環(huán)境成本等，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境品質(zhì)雙贏的目的。

(6)綠色產(chǎn)品設(shè)計資料庫：這是一個龐大複雜的資料庫，該資料庫對綠色產(chǎn)品的設(shè)計過程起到舉足輕重的作用。資料庫包括產(chǎn)品全生命週期中環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等有關(guān)的一切數(shù)據(jù)，如材料成分、各種材料對環(huán)境的影響、材料自然降解週期、人工降解時間和費(fèi)用，以及製造、裝配、銷售、使用過程中所產(chǎn)生的附加物數(shù)量及其對環(huán)境的影響等環(huán)境評估準(zhǔn)則所需的各種判斷標(biāo)準(zhǔn)。

複

習(xí)

思

考

題

2-1試論述現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的內(nèi)涵及特點(diǎn)。

2-2描述現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)。為什麼說電腦輔助設(shè)計技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的主體？它與其它技術(shù)的關(guān)係如何？

2-3電腦輔助設(shè)計技術(shù)包括哪些主要內(nèi)容？分析其中的關(guān)鍵技術(shù)。

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、並行工程的工作方式與優(yōu)缺點(diǎn)。

2-6敘述綠色產(chǎn)品設(shè)計的主要內(nèi)容。

第三章先進(jìn)製造工藝技術(shù)3.1精密成型技術(shù)3.2精密與超精密加工技術(shù)

3.3超高速加工技術(shù)

3.4特種加工技術(shù)

3.5微細(xì)加工技術(shù)

復(fù)習(xí)思考題

3.1精密成型技術(shù)

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(dá)到相當(dāng)高的精度和表面粗糙度，可以不經(jīng)任何後續(xù)加工直接應(yīng)用，也可以進(jìn)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。裝於精密模具中的鬆散鐵粉，經(jīng)磁場徑向壓制可達(dá)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。衝擊波通過粉末即可將粉末壓制成坯。光學(xué)研究表明，對於柱形試樣，為使密度均勻，衝擊波的形狀應(yīng)該是錐形的。

(3)新的擠壓成型法。常規(guī)金屬擠壓僅限於鋁和銅一類延性材料，而高強(qiáng)度材料和高溫材料只能採用鍛造與機(jī)加工方法。新的擠壓法可通過調(diào)節(jié)金屬粉末/粘結(jié)劑混合系統(tǒng)的粘度來制取擠壓料，然後用擠壓塑性材料的常規(guī)擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓?？上窠饘僮⑸涑尚湍菢?，用溶劑萃取法去除粘結(jié)劑，而後經(jīng)燒結(jié)可制得棒、管等一類緻密型材。通過調(diào)節(jié)粉末坡度與燒結(jié)參數(shù)，也可制取壁上有開孔的管，由此製成篩檢程式及其他功能產(chǎn)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(xiàn)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緻密化的，其最終密度可達(dá)7.25～7.458g/cm3。各種溫壓工藝都有一定的溫度範(fàn)圍。溫壓工藝應(yīng)用於汽車零件等高強(qiáng)度、小型化的開發(fā)製造過程。

2.成型工藝特點(diǎn)及研究方向粉末冶金工藝一般具有以下特點(diǎn)：

(1)可以得到近淨(jìng)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製品；

(3)也適合於大批量生產(chǎn)。

粉末成型領(lǐng)域的主要研究方向是：

(1)粉末製造技術(shù)，例如急冷凝固粉末、機(jī)械合金化(MA)粉末、超微(1μm以下)粉末的製備等。

(2)成型及固化技術(shù)，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(shù)。另外，比較成熟的模具成型技術(shù)亦存在工藝優(yōu)化的需求。複雜零件的粉末精確成型(公差達(dá)±0.02mm)也需要高精度、智能化的成型和固化設(shè)備的支持。這些問題共同的特點(diǎn)是對技術(shù)訣竅或經(jīng)驗(yàn)的依賴程度很大。

3.1.2精密潔淨(jìng)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法採用冷芯盒砂芯疊箱造型，在低壓下進(jìn)行澆注。這種方法已成功地用於大量生產(chǎn)壁厚僅2.8mm的球墨鑄鐵排氣管。法國一鑄造廠已建成日產(chǎn)2500根排氣管的生產(chǎn)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法採用冷芯盒砂芯組芯造型，重力澆注。由於所用的工藝裝備(芯盒)製造得十分精確，因而可獲得尺寸十分精確的鋁鑄件，這種方法可以生產(chǎn)壁厚僅2.5mm的複雜鋁合金發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋。

(3)Cosworth法。Cosworth法(見圖3-2)採用冷芯盒砂芯組芯造型，但是它使用鋯砂(通常在鑄造生產(chǎn)中使用石英砂)，利用電磁泵來實(shí)現(xiàn)在可控壓力下使鋁合金液由下而上地充填鑄型。由於鋯砂的熱膨脹率很小而且恒定，因而有利於獲得尺寸精確度高的鑄件。但是，由於鋯砂導(dǎo)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於4mm的鋁鑄件。此外，砂芯採用機(jī)械組裝，組裝後砂型如同一個整體，也有利於確保鑄件尺寸精度。

圖3-2Cosworth法示意圖

2.消失模鑄造(ExpendablePatternCastingorLostFoamProcess)消失模鑄造採用遇液體金屬後即氣化的泡沫塑料作模樣，無分型面，也不用取模，不用砂芯，同時採用無水分、無粘結(jié)劑、無附加物的幹砂造型。這種方法可以生產(chǎn)出薄壁、零度拔模斜率的複雜鑄件，並可直接鑄出螺紋及曲折的通道。它可以減少機(jī)械加工工序。這種方法在大量生產(chǎn)中應(yīng)用後發(fā)現(xiàn)還有不少有待解決的技術(shù)問題，例如：用於製造消失模的模具成本高和製造週期長，消失模因剛度差在緊砂過程中易變形，鑄件表面品質(zhì)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、不捲進(jìn)空氣的條件下充填金屬鑄型，隨後又使鑄件在高壓下完成凝固過程，從而獲得優(yōu)質(zhì)可熱處理的鑄件的工藝方法。這種最初作為液態(tài)衝壓而開發(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(bǔ)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，並在整個凝固期間保持高壓的工藝方法，它能穩(wěn)定地製造進(jìn)行固熔熱處理的高度整體性的鑄件。汽車發(fā)動機(jī)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(yù)製件擠壓鑄造而成。該工藝方法將增強(qiáng)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(dá)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(xì)地加熱到其中含有一定的液態(tài)容積組分的溫度，這一粥狀坯料隨後被擠壓到一金屬型腔內(nèi)以形成一近終形、緻密的鑄件，然後可以通過熱處理來進(jìn)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(jī)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(nèi)，力求在壓力下快速凝固，以獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的高效率鑄造方法。在有色金屬的各種精密鑄造工藝中，壓力鑄造所占的比例最大。壓力鑄造件的線性尺寸