先進制造技術 課件全套 王磊 第1-6章 緒論-現代制造管理技術

先進制造技術1.制造業(yè)與先進制造技術1.1

新時代的先進制造技術及特點；1.2先進制造技術的內涵與體系結構；1.3

先進制造系統(tǒng)的關鍵技術及發(fā)展趨勢；1.4國內外先進制造技術發(fā)展概況；

1.1

制造技術的基礎概念與發(fā)展制造(Manufacturing)制造系統(tǒng)(ManufacturingSystem)

制造技術(manufacturyTechnology)

制造業(yè)先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnology-AMT)

1.1.1制造、制造系統(tǒng)和制造業(yè)先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnology-AMT)是傳統(tǒng)制造技術、信息技術、計算機技術、自動化技術與管理技術等多個學科的綜合，并應用于制造工程之中所形成的一個學科體系。

1制造的定義制造的含義是通過人的生產活動，將原材料或半成品經加工和裝配后形成最終產品的過程，把其看成是一個輸入輸出系統(tǒng)，其輸入是生產要素，輸出是具有使用價值的產品；傳統(tǒng)上，制造和制造過程包括毛坯制作、零件加工、檢驗、裝配、包裝、運輸等，是制造概念的狹義理解；核心是通過制造技術使物料形態(tài)按照預先設定和預期的目標發(fā)生改變；在信息時代，廣義制造的概念已逐漸被大眾和學士界接受，即包括市場分析、經營決策、工程設計、加工裝配、質量控制、生產管理、市場營銷直至產品報廢的產品生命周期的全過程；

2制造系統(tǒng)的定義制造系統(tǒng)是制造過程及其所涉及的硬件、軟件和人員所組成的一個將制造資源轉變?yōu)楫a品或半成品的輸入/輸出系統(tǒng)，它涉及產品生命周期(包括市場分析、產品設計、工藝規(guī)劃、加工過程、裝配、運輸、產品銷售、售后服務及回收處理等)的全過程或部分環(huán)節(jié)制造系統(tǒng)的結構定義：制造系統(tǒng)是制造過程所涉及的硬件(包括人員、設備、物料流等)及其相關軟件所組成的一個統(tǒng)一整體；制造系統(tǒng)的功能定義：制造系統(tǒng)是一個將制造資源(原材料、能源等)轉變?yōu)楫a品或半成品的輸入輸出系統(tǒng)；制造系統(tǒng)的過程定義：制造可看成是制造生產的運行過程，包括市場分析、產品設計、工藝規(guī)劃、制造實施、檢驗出廠、產品銷售等各個環(huán)節(jié)的制造全過程；3

制造業(yè)的定義制造業(yè)是所有與制造活動有關的實體或企業(yè)機構的總稱，是將可用資源與能源通過制造過程，轉化為可供人和社會使用和利用的工業(yè)產品或生活消費品的行業(yè)，它涉及國民經濟的各個領域；制造業(yè)是滿足人類及各經濟主體物質需要的支柱產業(yè)，是一個國家經濟發(fā)展的主要動力和重要支柱。在工業(yè)文明時代，決定國家命運的是工業(yè)化水平，其核心是制造業(yè)水平；制造業(yè)門類涉及設備，電氣，機械、儀器儀表、食品，飲料、醫(yī)藥、金屬等。指經物理變化或化學變化后成為了新的產品，不論是動力機械制造，還是手工制作；也不論產品是批發(fā)銷售，還是零售，均視為制造；1.1.2

新時代全球制造業(yè)進步與發(fā)展美國依托國家制造業(yè)創(chuàng)新網絡夯實先進制造業(yè)創(chuàng)新的基礎，更加強調制造業(yè)為美國軍事工業(yè)服務，重視制造業(yè)供應鏈的安全性；英國瞄準重點產業(yè)和關鍵領域實施高價值制造戰(zhàn)略，強調制造業(yè)的創(chuàng)新能力以及最終的獲利能力；德國強調制造業(yè)在國民經濟中的比重，強調制造業(yè)的先進性和全行業(yè)；日本政府重視對制造業(yè)智能化和信息化轉型的引導和支持；1.1.2

新時代全球制造業(yè)進步與發(fā)展第一群體以美國為核心，包括日本、德國、法國、英國、瑞典、瑞士等，制造業(yè)增加值率平均水平為40%左右，總體制造業(yè)產能約占全球四分之一，增加值占全球三分之一；第二群體以中國為核心，包括印度、巴西、馬來西亞、越南，新加坡等，總體生產能力占全球40%左右，但增加值率平均約為25%左右，比第一群體國家低15個百分點，增加值占全球比重約為32%，總體處于制造業(yè)全球價值鏈的低端制造環(huán)節(jié)；第三群體包括韓國、意大利、墨西哥、俄羅斯、西班牙、加拿大等，產業(yè)規(guī)模較小，總體占全球比重不足15%，增加值率介于前兩個群體之間，在制造業(yè)全球價值鏈上處于鏈接第一群體和第二群體的過渡地帶，并依托相對先進的制造能力，發(fā)揮著承上啟下的關鍵作用；美德英三國工業(yè)戰(zhàn)略總體目標項目美國德國英國總目標實現美國在各工業(yè)行業(yè)保持先進制造業(yè)的領導力，確保國家安全和經濟繁榮第一，維持和獲得在歐洲和全球相關領域的經濟和技術能力、競爭力和工業(yè)領導力；第二、增強德國的整體經濟力量、工作崗位和經濟繁榮不斷提升英國的勞動生產率和盈利能力，到2030年發(fā)展成世界上最具創(chuàng)新力的國家實施途徑第一,發(fā)展和推廣新制造技術，使美國在未來的新技術領域獲得領先地位；第二,培育先進制造業(yè)所需要的勞動力；第三,擴展國內制造業(yè)供應鏈的能力，實現美國在制造業(yè)和國防工業(yè)中全產業(yè)鏈模式，實現在美國生產和在美國購買在美國本土擁有完整的供應鏈第一，提高制造業(yè)比重，到2030年德國和歐盟工業(yè)在各自總附加值中的比例分別提高到25%和20%；第二，遵守市場經濟原則；第三.在全球范圍捍衛(wèi)多邊主義的全球貿易體系和社會市場經濟原則第一，使英國成為世界最具創(chuàng)新力的經濟體；第二，成為能提供大量高質量和高收入崗位的經濟體；第三，提升英國的基礎設施；第四，成為企業(yè)創(chuàng)業(yè)和發(fā)展的最佳場所美英德三國政策措施政策領域共同點差異點技術領域三國都將顛覆性技術作為突破重點，并強調全方位、全覆蓋、無短板的技術突破美國強調制定技術標準,數據安全、網絡安全和保護知識產權等軟性措施；德國更多地從維護市場條件入手；英國更多地側重于初創(chuàng)企業(yè)的融投資領域產業(yè)領域三國都重視提升制造業(yè)在國民經濟中的比重、再工業(yè)化；三國都重視在本國或本地區(qū)構建封閉的制造業(yè)或先進制造業(yè)領域的產業(yè)鏈、價值鏈、服務鏈和供應鏈；三國都重視國家對制造業(yè)的投入和扶持英國主要利用國家資金,贊助成立各類研究中心、孵化中心和中小企業(yè)發(fā)展中心等；美國主要采取政府采購,國家實驗室的科技成果轉移給中小企業(yè)方式；德國通過國家參股和國家參與制的方式打造巨型企業(yè)基礎設施領域三國都強調智慧基礎設施建設美國主要強調智慧基礎設施中的軟件因素；德國主要強調構建智慧基礎設施中的平臺建設；英國主要強調構建智慧基礎設施需要的硬件設施,包括5G和全光纖鋪設等1.1.3中國制造業(yè)的現狀、發(fā)展與挑戰(zhàn)改革開放40年來，中國制造在國際市場上占有獨特的地位，中國制造業(yè)取得了長足進步。至今，我國已經成為世界制造大國，我國制造業(yè)的工業(yè)增加值在2019年約為美國、日本、德國三國的總和；從裝備來看，我國的一些制造裝備已經處于世界領先或者先進水平，高端裝備在重點領域取得了全面突破，實現了從主要依賴進口到基本自主化的跨越。然而，中國只能算是制造業(yè)大國而非制造業(yè)強國；與先進制造強國相比，我國工業(yè)既不具備德國工業(yè)的雄厚基礎，也沒有美國領先的信息技術，工業(yè)發(fā)展還處于2.0和3.0并行的階段；2019-2022各國每萬人擁有工業(yè)機器人數量對比2019-2022各國每萬人擁有工業(yè)機器人數量增長率中國制造業(yè)有以下特點中國已經擁有完整的制造體系。傳統(tǒng)制造業(yè)、高技術制造業(yè)均得到了迅速發(fā)展，能夠適應低端、中端、高端不同的需求。各個細分行業(yè)的產業(yè)鏈已經形成，抗風險的韌性很強。中國勞動力成本的優(yōu)勢仍將長期保持，中國勞動力成本還有一定的優(yōu)勢，而且中國的勞動力性價比較高，吃苦耐勞、素質高。中國有超大規(guī)模的國內市場需求。2019年中國人均GDP超過1萬美元，進入到中等收入國家的上層，并且有4億多的中產階級，因此，國內市場需求在不斷升級。中國已經形成低、中、高端需求并舉的局面，這就為“世界工廠”提供了超大規(guī)模、多元化的市場需求。中國對全球產業(yè)鏈有影響力的特大企業(yè)將會越來越多，在世界500強中的占比也會越來越大。2019年，世界500強企業(yè)中，中國首次超過美國的121家，達到129家。中國企業(yè)越來越重視創(chuàng)新能力的提高，中國的制造業(yè)正在從過去的技術引進、消化吸收再創(chuàng)新，即跟隨式的創(chuàng)新，開始向自主創(chuàng)新、原始創(chuàng)新轉變?，F在中國制造業(yè)已經在通信設備、軌道交通裝備、輸變電裝備、紡織、家電五個產業(yè)居于世界領先地位，這是體現中國創(chuàng)新能力不斷提高的重要標志。我國的智能制造發(fā)展第一階段是數字化制造階段。企業(yè)大量采用數字化裝備，制造過程采用傳感器大量采集信息，并進行信息分析。目前，數字化制造在我國制造業(yè)已經得到普及。第二階段是數字化網絡化制造階段。第一階段是在企業(yè)內部實現數字化，而第二階段則是利用互聯網實現企業(yè)間的互聯。中國的互聯網應用水平位于世界前列，中國的制造業(yè)企業(yè)已經普遍使用互聯網，但還沒能達到萬物互聯的程度。目前，數字化網絡化制造已進入從試點示范向推廣過渡的階段。第三階段是少數數字化網絡化基礎好的企業(yè)已經能夠向更高層面的智能化制造邁進。比如石化、汽車等行業(yè)中已經有企業(yè)應用人工智能技術，向真正的智能制造發(fā)展。預計到2025年能夠涌現幾十家示范智能工廠。1.2先進制造技術的內涵與體系結構先進制造技術是在吸收機械、電子、信息、自動化、能源、材料以及管理等眾多技術成果，并將其綜合應用于產品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務的制造全過程，以實現優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活的生產；提高對動態(tài)多變的市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱；1.依賴于信息技術、自動化技術、計算機、軟件、傳感器和網絡技術的使用和合作。2.使用尖端材料和基于納米技術、化學實驗、生物科技等帶來的新興能力。3.先進制造包括了生產制造的方方面面，包括通過生產工序的創(chuàng)新和供應鏈管理的創(chuàng)新，以快速響應消費者的需求；在經濟全球化背景下，先進制造業(yè)被譽為“人類首席產業(yè)”，先進制造業(yè)的實質就是通過信息化、智能化和數字化創(chuàng)新改造，打造制造業(yè)未來競爭力。1.2.1先進制造技術的內涵和特點1.2.2先進制造技術的體系結構FCCSET先進制造技術體系結構AMST先進制造技術體系結構1.3先進制造系統(tǒng)的關鍵技術及發(fā)展趨勢全球工業(yè)革命先后經歷了以蒸汽機、電力和信息技術為代表的三次變革，目前正邁入以人工智能、機器人技術、虛擬現實、量子信息技術、可控核聚變、清潔能源以及生物技術等先進制造技術為代表的第四次工業(yè)革命時代1.3.1先進制造系統(tǒng)的關鍵技術縱觀美國，德國，英國等世界的先進制造強國，在技術領域，緊緊抓住第四次工業(yè)革命先機，實現顛覆性技術的全領域、全方位、全覆蓋、無短板式的突破，而不是局部性或單一性技術的突破國家技術領域突破途徑美國重點發(fā)展的顛覆性技術領域包括智慧和數字制造、工業(yè)機器人、人工智能、高性能材料、增材制造(3D打印)、電子器件、生物、醫(yī)療、農業(yè)、食品等強調企業(yè)應圍繞技術標準、數據安全、網絡安全等領域進行技術研發(fā)和創(chuàng)新德國強調將平臺經濟、人工智能、自動駕駛、醫(yī)療診斷、云計算、生物技術、輕型建筑、物聯網(“工業(yè)4.0”)等確定為需要重點扶持和發(fā)展的顛覆性技術從維護市場條件入手，降低電力和能源價格、公司稅稅率和社會保險的上交比率，幫助企業(yè)減少創(chuàng)新成本英國重點開發(fā)的新技術確定為四大領域：人工智能與數據經濟，新能源和低碳經濟，電動汽車、無人駕駛和智慧交通，生物制藥和健康醫(yī)療技術側重于改善融投資條件，構建了獨特的“國家基金銀行孵化私人資金入股”的融投資模式“美德日中”先進制造技術生命周期1.3.2制造業(yè)與先進制造技術的發(fā)展近年來，以新一代信息技術、新材料、新能源、生命科學等領域的科技爆發(fā)為主要特點的新一輪科技革命和產業(yè)變革正在全球興起。制造業(yè)發(fā)展呈現出綠色化、智能化、服務化和定制化的趨勢綠色化是新工業(yè)化區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)化的價值觀，制造業(yè)發(fā)展的綠色化是指制造業(yè)向能源和資源節(jié)約、環(huán)境友好和低溫室氣體排放方向的轉變；智能化是邁向新工業(yè)化階段的關鍵變量。新一代信息技術的發(fā)展使制造業(yè)向數據驅動、實時在線、智能主導的智能化方向發(fā)展；服務化是新工業(yè)化的主要業(yè)態(tài)。信息網絡技術為制造企業(yè)在生產分工的基礎上向客戶端延伸創(chuàng)造了條件。制造業(yè)正在由以產品為中心向以客戶為中心、由加工組裝為主向以產品服務包集成；定制化是新工業(yè)化重要的價值創(chuàng)造。標準化、批量化生產是傳統(tǒng)工業(yè)化提高效率的主要途徑，新工業(yè)革命使得企業(yè)同時具備低成本、大規(guī)模和極端個性化的定制化制造的兩個條件。先進制造技術發(fā)展趨勢在社會、經濟、科技快速發(fā)展的今天，產品市場需求更趨向多元化與個性化發(fā)展，以企業(yè)為主導的市場運營模式逐漸轉向以客戶為中心，中國與世界的聯系原來越緊密，先進制造技術必然會朝著全球化、綠色化、網絡化、智能化的方向發(fā)展全球化是一個包含政治、經濟、文化、科技、生活等多方面、多層次的概念，生產力發(fā)展和科技進步是推動全球化的主要動力，而制造業(yè)是生產力發(fā)展水平的根本驅動，在“互聯網+”時代，全球制造一體化成為必然趨勢；綠色制造也稱環(huán)境意識制造。近年來盲目的工業(yè)發(fā)展造成大氣污染和工業(yè)排放全面升級，生態(tài)與環(huán)境危機加劇，傳統(tǒng)發(fā)展模式給人類帶來的生產危機，逐漸被世界各國所意識；網絡化是在信息通信和計算機技術的基礎上，通過指定的網絡協(xié)議，將位于不同空間位置的設備終端互相連通，從而實現用戶軟件、硬件和資源共享的技術；智能化20個世紀80年代以來，隨著人們對產品個性化要求的提高，對產品的精密度也提出了更高的要求，產品結構和功能越來越多樣化，隨著大數據、互聯網、無線射頻識別、激光技術、微型機電系統(tǒng)等的日益成熟，人們對制造技術的認識和掌握逐漸趨向“泛在感知”的多維時空與透明化方向發(fā)展。1.4國內外先進制造技術發(fā)展概況1.4.1美國的先進制造計劃美國技術領域產業(yè)領域突破途徑與具體措施強調企業(yè)應圍繞技術標準、數據安全、網絡安全等領域進行技術研發(fā)和創(chuàng)新，并通過保護知識產權以及國家實驗室與企業(yè)合作來鼓勵企業(yè)創(chuàng)新美國將把國防部掌握的軍民兩用技術轉移給企業(yè)，包括復合材料、微電子、雷達、全球定位系統(tǒng)(GPS)、互聯網、生命探測器等

美國在未來的新技術領域獲得領先地位，未來新技術領域包括智慧和數字制造、工業(yè)機器人、人工智能、新材料、電子、生物、醫(yī)療等。美國更加強調制造業(yè)為美國軍事工業(yè)服務，重視制造業(yè)供應鏈的安全性。2010-2014年美國制造業(yè)分產業(yè)平均增長率及出口情況產業(yè)技術層次分類行業(yè)增加值年均增長率（%）行業(yè)年均出口增長率（%）低技術產業(yè)1.877.06中低技術產業(yè)5.5814.05中高技術產業(yè)7.148.67高技術產業(yè)0.854.69制造業(yè)總體3.928.371.4.2英國的先進制造業(yè)英國在工業(yè)戰(zhàn)略中強調發(fā)展先進制造業(yè)，重點發(fā)展人工智能、綠色能源、智慧交通和生物醫(yī)療等先進制造業(yè)；英國的“高價值制造”（HVM）是指應用前沿和尖端的技術及專業(yè)知識，創(chuàng)造能帶來持續(xù)增長和高經濟價值的產品、生產過程和相關服務；提出了高價值制造的部分關鍵技術領域，如材料、納米技術、生物科學、信息交互技術（ICT）等；

產業(yè)領域技術領域英國通過創(chuàng)新來促進產業(yè)升級或創(chuàng)造新的高技術產業(yè)；先進制造業(yè)產業(yè)鏈和附加值鏈構建生產領域，前端研發(fā)和后端服務業(yè)重點開發(fā)的新技術確定為四大領域：人工智能與數據經濟，新能源和低碳經濟，電動汽車、無人駕駛和智慧交通，生物制藥和健康醫(yī)療技術具體措施重點發(fā)展人工智能、綠色能源、智慧交通和生物醫(yī)療等先進制造業(yè)；設立由國家直接贊助的研究中心、創(chuàng)新基地、孵化基地、中小企業(yè)發(fā)展中心、產學研一體化網絡側重于改善融投資條件，構建了獨特的“國家基金銀行孵化私人資金入股”的融投資模式1.4.3德國的工業(yè)4.0計劃德國是發(fā)達國家和制造強國的典型代表，長期以來，占據全球價值鏈高端，運用本國高技術為他國提供中間品，其間接增加值出口占比也會顯著高于國外增加值,德國在其制造業(yè)已然處于領先地位的基礎上，絲毫沒有放松對其制造業(yè)的進一步重視和發(fā)展；“工業(yè)4.0”包括三個方面的含義：它是第三次工業(yè)革命的重要組成部分，德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略的核心是構建信息物理系統(tǒng)(CPS)；德國工業(yè)4.0的兩大主題是“智能工廠”和“智能生產”，德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略將實現制造業(yè)全方位的系統(tǒng)整合；工業(yè)4.0指什么？電氣化蒸汽時代智能化信息化ABCD提交單選題3分工業(yè)4.0三大主題“智能工廠”，重點研究智能化生產系統(tǒng)及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現；“智能生產”，主要涉及整個企業(yè)的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產過程中的應用等。“智能物流”，主要通過互聯網、物聯網、物流網，整合物流資源，充分發(fā)揮現有物流資源供應方的效率，而需求方，則能夠快速獲得服務匹配，得到物流支持?！吧壈妗惫I(yè)4.0平臺領導組德國經濟能源部長加布里爾，教育部長萬卡；德國信息經濟、電信和新媒體協(xié)會（BITKOM），德國機械設備制造業(yè)聯合會(VDMA)，德國電氣電子行業(yè)總會協(xié)會(ZVEI)，德國工業(yè)聯合會(BDI)，德國汽車工業(yè)聯合會(VDA)，德國能源水力經濟聯盟(BDEW)，德國冶金工業(yè)工會(IGMetall)，弗勞思霍夫應用研究促進會指導委員會德國經濟能源部、德國教育研究部：德國電信、ABB、德國INM、FESTO、西門子、蒂森克虜伯等大企業(yè)德國指導委員會：指導委員會，德國總理辦公室，德國經濟能源部，聯邦各州政府，德國信息經濟、電信和新媒體協(xié)會，德國機械設備制造業(yè)聯合會，德國電氣電子行業(yè)總會協(xié)會，德國工業(yè)聯合會，德國汽車工業(yè)聯合會，德國能源水力經濟鏈噩夢代表行業(yè)聯盟和行動組重點工作領域德國經濟能源部、德國教育研究部、德國內政部、德國司法部、德國勞動和社會事務部科學技術咨詢委員會：高校及專業(yè)機構的金20名制造、自動化、信息技術和勞動社會學領域的教授及專家國際標準化工作組：相關聯盟和協(xié)會，如德國電氣電子與信息技術委員會等辦事處：日常工作德國產業(yè)生態(tài)和支撐體系建設序號產業(yè)生態(tài)和支撐體系建設具體內容1大中小企業(yè)間緊密的分工合作體系造就了整個產業(yè)生態(tài)鏈的競爭力極具競爭力的產業(yè)鏈條中，不僅有諸如奔馳、寶馬、大眾、巴斯夫、西門子這樣的國際巨頭，還有很多技術領先的中小型配套企業(yè)；2多元主體創(chuàng)新體系奠定了制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的技術基礎聯邦和州政府、公共研究機構、大學、基金會以及企業(yè)等主體3“雙元制”職業(yè)教育體系為制造業(yè)發(fā)展提供了人才保障“雙元制”職業(yè)教育指的是學生的職業(yè)教育由企業(yè)與非全日制職業(yè)學校合作進行的模式；職業(yè)教育面向企業(yè)的實際需求，注重實踐，突出技能培訓4行業(yè)協(xié)會支撐體系在政府和市場之間充分發(fā)揮了服務協(xié)調作用德國政府高度重視行業(yè)協(xié)會或商會的作用，專門制定《德國工商會法》，要求德國企業(yè)必須加入本地商會，各地商會再縱向相連形成工商聯合會1.4.4日本的互聯工業(yè)日本政府2016年發(fā)布的第五期《科學技術基本計劃》中首次提出的“社會5.0”概念，即超越“工業(yè)4.0”的“超智慧社會”概念，將其作為日本今后科技創(chuàng)新的一個主要目標和任務；“新層次日本創(chuàng)造”體現在智慧化、系統(tǒng)化和全球化三個方面；智慧化著眼于各個產業(yè)的知識產業(yè)化。通過在各個產業(yè)領域引入和應用信息技術，提高國民生活的便利性和經濟活動的效率和生產率，促進開拓新業(yè)態(tài)、新模式和新領域系統(tǒng)化著眼于集成優(yōu)勢，放大附加價值，促進這些優(yōu)勢產品和技術集成，使其系統(tǒng)化，提升其附加價值，能夠助力日本提高產業(yè)國際競爭力，從而獲得更多的國際市場份額；全球化著眼于全方位的國際化視野，全面實行開放式創(chuàng)新。不僅在國家層面，從個人到企業(yè)、大學以及區(qū)域的所有創(chuàng)新主體都將參與全球化的“知識”競爭，開拓國際視野。社會5.0形成過程的工業(yè)互聯演化發(fā)展階段社會2.0社會3.0社會4.0社會5.0社會形態(tài)工業(yè)社會工業(yè)社會信息社會超智能社會驅動因素第一次產業(yè)革命第二次產業(yè)革命第三次產業(yè)革命第四次產業(yè)革命工業(yè)特征獲取動力動力創(chuàng)新自動化發(fā)展信息集成標志性技術蒸汽汽車電力電機計算機人工智能產業(yè)關聯產業(yè)各自發(fā)展產業(yè)融合“東京倡議”提出推進互聯工業(yè)的五個重點領域重點領域數據共享與使用基礎設施建設國內外合作與推廣無人駕駛技術創(chuàng)新數據合作模式開發(fā)應對物流等的服務方案強化人才培養(yǎng)機器人技術數據格式等的國際化標準面向中小企業(yè)的物聯網工具基礎建設加強網絡安全等領域的企業(yè)合作新材料技術協(xié)調領域的數據合作構建實用化AI技術平臺提高社會認可度基礎設施安全企業(yè)間數據協(xié)調有效利用物聯網設施的自主安保技術推進規(guī)章制度改革智慧生活通過企業(yè)聯盟開展數據合作智能制造的融合應用發(fā)掘需求服務具體化1.4.5中國的先進制造與智能制造1.中國的先進制造現狀中國已成為全球制造業(yè)規(guī)模最大的國家，中國制造業(yè)現狀可以總結為：大而強卻不是全球最強；在2012-2016年間，中國中高端科技產品產量穩(wěn)居全球首位，中國高科技產品產量居全球第二位，并一直保持高速增長，按照現有增速，幾年后更有望超過美國，成為全球最大高科技產品出產國；在通信、航空航天、智能手機、軌道交通、核電等領域，中國先進制造的實力全球領先；在家電、半導體、汽車等領域，中國制造也擁有強大競爭力；綜合來看，中國在先進制造領域的綜合實力僅次于美國、日本、德國等少數先進國家，處于全球第三梯隊；中國先進制造業(yè)生產運營情況比較2.中國智能制造智能制造已正式邁入了智能化的發(fā)展階段機器人、數字化制造、3D打印等技術的重大突破和廣泛應用正在重構制造業(yè)技術體系；基于信息物理系統(tǒng)(cyber-physicalsystem,CPS)的智能工廠正在引領制造方式向智能化方向發(fā)展；云制造、網絡眾包、異地協(xié)同設計、大規(guī)模個性化定制、精準供應鏈、電子商務等網絡協(xié)同制造模式正在重塑產業(yè)價值鏈體全球制造業(yè)孕育著制造技術體系、制造模式、產業(yè)形態(tài)和價值鏈的巨大變革系；智能制造以信息的泛在感知、自

動實時處理、智能優(yōu)化決策為核心，驅動各種制造業(yè)業(yè)務活動的執(zhí)行,實現跨企業(yè)產品價值網絡的橫向集成,貫穿企業(yè)設備層、控制層、管理層的縱向集成,以及從產品設計開發(fā)、生產計劃到售后服務的全生命周期集成；“智能制造”主題關鍵詞類別關鍵詞宏觀政策中國制造2025；工業(yè)4.0；互聯網+范式特征自動化；信息化管理應用、數字化；網絡化、集成化、虛擬化；智能化使能技術物聯網：虛擬現實：3D打?。蝗斯ぶ悄?，生物識別、模式識別、神經網絡；云計算、云平臺、云服務、云技術；；大數據、海量數據、數據中心、數據存儲、數據分析、數據挖掘；互聯網、移動互聯網、互聯關鍵裝備及工具機器人、工業(yè)機器人；數控機床；數控系統(tǒng)；傳感器輻射領域智能物流；智能服務；智能終端；綠色制造；高端裝備制造；軍民融合；智能電網；能源互聯網、智慧能源；智能家具；智慧城市、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧社區(qū)、電子政務；新能源汽車、電動汽車、電動車、動力電池、充電樁普通制造到智能制造的落地過程先進制造技術第2章現代設計技術2.1現代設計方法概述2.2優(yōu)化設計2.3計算機輔助設計技術2.4逆向工程2.5可靠性設計2.6綠色設計2.1.1現代設計特征與內涵2.1.2現代設計的體系結構2.1現代設計方法概述2.1.1現代設計技術內涵

現代設計就是以滿足應市產品的質量、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。1.設計方法現代化2.設計手段計算機化3.現代設計技術是多種設計技術、理論與方法的交叉與綜合4.向全壽命周期設計發(fā)展5.現代設計技術實現了設計過程的并行化、智能化6.由單純考慮技術因素轉向綜合考慮技術、經濟和社會因素，注意考慮市場、價格、安全、美學、資源、環(huán)境等方面的影響7.管理水平的提高8組織模式的開放1.主要技術特征2.1.2現代設計的體系結構2.2.1優(yōu)化設計流程與建模2.2.2優(yōu)化計算方法2.2.3優(yōu)化設計方法典型實例2.2優(yōu)化設計2.2優(yōu)化設計優(yōu)化設計（OptimalDesign）是20世紀60年代隨著計算機的廣泛使用而迅速發(fā)展起來的一種現代設計方法，它是最優(yōu)化技術和計算機技術在計算領域中應用的結果。優(yōu)化設計能為工程及產品設計提供一種重要的科學設計方法，使得在解決復雜設計問題時，能從眾多的設計方案中尋得盡可能完善的或最適宜的設計方案，因而采用這種設計方法能大大提高設計質量和設計效率。2.2.1優(yōu)化設計流程與建模2.2.1優(yōu)化計算方法優(yōu)化計算方法算法名稱原理與優(yōu)缺點一維優(yōu)化算法黃金分割法(0.618法)區(qū)間消減法原理簡單、有效、成熟的一維直接搜索方法，應用廣泛二次插值算法函數逼近二次插值法不需要導數三次插值算法函數逼近需要導數無約束優(yōu)化方法坐標輪換法(降維法)-直接法它將一個多維無約束優(yōu)化問題轉化為一系列一維優(yōu)化問題來求解，即依次沿著坐標軸的方向進行一維搜索，求得極小點計算穩(wěn)定，可靠性好，變成容易，收斂速度較慢，不用導數牛頓法此法為梯度法的進一步發(fā)展，它的搜索方向是根據目標函數的負梯度和二階偏導數矩陣來構造的使用導數，利用多元函數的極值原理，尋求合理搜索方向，迭代次數較少；當用差分法求近似導數值時，存在誤差干擾，計算的可靠性和穩(wěn)定性較差約束優(yōu)化方法遺傳算法模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局優(yōu)化概率搜索算法

懲罰函數法(間接解法)是將一個約束的優(yōu)化問題轉化為一系列的無約束優(yōu)化問題來求解構造無約束極值子問題的解法，方法比較簡單，計算效率較低復合形法(直接解法)是求解約束優(yōu)化問題的一種重要的直接解法，在可行域構造初始復合形，對該復合形各頂點的目標函數值進行比較，構成新復合形，逼近最優(yōu)點方法直觀易懂，計算效率較低

多目標優(yōu)化方法主要目標法假設按照設計準則建立了多個分目標函數，根據這些準則的重要程度，構成一個新的單目標優(yōu)化問題單目標問題的最優(yōu)解作為所求多目標問題的相對最優(yōu)解；目標函數較多時，計算量大，確定有效解復雜統(tǒng)一目標法將各個分目標函數按照某種關系建立一個統(tǒng)一的目標函數，包括目標規(guī)劃、乘數法、加權線性組合法等通過單目標函數的最優(yōu)解確定有效解集1）單級直齒圓柱齒輪傳動減速器的優(yōu)化設計

假設單級直齒圓柱齒輪減速器的傳動比i=5，輸入扭矩T1=2674Nm，在保證承載能力的條件下，要求確定該減速器的結構參數，使減速器的自重最輕。大齒輪選用四孔輻板式結構，小齒輪選用實心輪結構，其結構尺寸如圖2.3所示，圖中△1=280mm，△2=320mm。2.2.3優(yōu)化設計方法典型實例(a)傳動圖

(b)小齒輪

(c)大齒輪步驟1：數學模型的建立

由上可得，減速器的齒輪與軸的體積之和為步驟2：設計變量的確定

步驟3：目標函數的建立

步驟4：約束條件的確定

傳遞動力的齒輪，要求齒輪模數一般應大于2mm，故得步驟5：優(yōu)化問題的數學模型

綜上所述，可得該優(yōu)化問題的數學模型為2.3計算機輔助設計技術2.3.1計算機輔助設計的系統(tǒng)組成與技術優(yōu)勢2.3.2計算機輔助設計技術的關鍵技術2.3.3計算機輔助設計與其他技術集成2.3.4計算機輔助設計的發(fā)展趨勢2.3.5計算機輔助設計的工程舉例2.3.1計算機輔助設計內涵與發(fā)展機械產品CAD技術可以在面向機械產品的整個設計過程中，將設計經驗、知識形式化、數字化并以顯示的方式保存下來并且采用符合設計思維的知識模型和知識處理技術以延伸、啟發(fā)和提高設計者的設計能力。計算機輔助設計優(yōu)勢具體體現優(yōu)勢具體實現提升機械設計制造效率將計算機輔助技術運用到機械設計制造過程中,能很好的互補了以往機械設計制造相應的缺點，實現對于設計、制造以及計算等三者的改善優(yōu)化機械設計制造工藝實現對機械特定性質與運作條件進行充分的衡量，采取行業(yè)產品對應的專業(yè)化軟件對產品設計及制造流程進行優(yōu)化，進而達到彌補其存在問題的效果，促進了機械設計能夠快速并且高效率實現提升機械設計制造質量能夠大幅度的增加機械設計制造效能和品質,保障了制造的機械產品具有優(yōu)質的特性2.3.2計算機輔助設計技術的關鍵技術1.參數化與變量化設計

所謂參數化設計，就是在工程設計中，用可變參數而不是固定尺寸表達零件形狀或部件裝配關系，可以完成零件的形狀或裝配關系的修改。2.

特征分析與建模技術

(1)特征分類；(2)特征描述；(3)特征建模參數化設計原理圖

特征分類圖特征建模分類分類具體描述交互式特征定義(InteractiveFeatureDifinition)

首先利用現有的幾何造型系統(tǒng)建立產品的幾何模型；用戶直接通過圖形來提取定義特征的幾何要素；將特征參數或精度、技術要求、材料熱處理等信息作為屬性添加到幾何模型中，建立產品的數據結構特征識別(FeatureRecognition)

建立幾何模型后，通過專門的程序，利用實體建模信息，自動處理幾何數據庫，搜索并提取特征信息從而產生特征模型；基于特征的設計(DesignbyFeature)

利用預定義的標準特征或用戶自定義的特征存儲到特征庫；以它為基本建模單元建立特征模型從而完成產品設計；此方法使用范圍廣，數據易于共享，應用范圍大；2.3.3計算機輔助設計與其他技術集成1.CAD設計結果建立了所設計對象的基本三維數字化模型。

2.為了使產品生產的后續(xù)環(huán)節(jié)也能有效地利用CAD設計結果，充分利用已有的信息資源，提高綜合生產效率，須3.將CAD技術與其他CAX技術（X指產品設計、工藝設計、數控編程、工裝設計等）、優(yōu)化設計、有限元分析、模擬仿真、虛擬設計、工程數據庫等）進行有效的集成，包括CAD/CAM技術的集成、CAD與CIMS等其他功能系統(tǒng)的集成。序號其他CAX技術要點1CAD/CAE1)CAD用于幾何建模，而CAE技術用于性能分析；進行三維建模和裝配，利用計算機有限元方法進行設計計算，并進行后續(xù)的運動仿真和模擬計算以及虛擬樣機制造與虛擬裝配設計，可以在設計階段通過極小的代價和時間，進行產品的優(yōu)化和改進設計；2)各種商業(yè)化CAD軟件（Pro/E、UG、Solidworks、Catia等）與CAE軟件（ANSYS、Nastran、Fluent和ABAQUS等）己經在機械行業(yè)中得到廣泛應用；3)利用數據交換接口將CAD幾何模型輸入CAE系統(tǒng)（如ANSYS、NASTRON等）、對模型進行必要的數據修復、對模型中局部細小特征進行簡化、定義載前與添加邊界約束條件、進行單元網格剖分等前處理過程；方程求解及可視化后處理；2CAD/CAM1)曲面建模技術、曲面與實體集成技術、實體建模技術、大型組件設計技術等；2)PDM與CAD/CAPP的技術集成技術：當前和今后一個時期，主要集中在封裝、接口和集成技術；3）數字化設計與虛擬制造的無縫連接：基于CAD技術和以計算機支持的仿真技術，形成虛擬環(huán)境，虛擬制造過程、虛擬產品、虛擬企業(yè)，大大縮短產品開發(fā)周期，提高一次成功率；4)數字化設計的網絡化3CAD/CAPP1）產品設計、工藝規(guī)劃、加工制造和管理的整個過程，各過程之間的關聯性要求越來越高，因此對系統(tǒng)集成化程度的要求也越高；2)加工工藝設計系統(tǒng)；3)可視化裝配工藝設計系統(tǒng):提供可視化的裝配工藝設計工具，解決設計與裝配對象在研發(fā)過程中難以；4)基于PDM平臺的工藝設計系統(tǒng)4CAFD計算機輔助夾具設計(CAFixtureDesign-CAFD)包含的4個研究方面(安裝規(guī)劃，裝夾規(guī)劃，夾具構形設計，夾具性能評價)；基于人工智能包括知識和專家系統(tǒng)的應用，算法，推理及功能分析方法等的應用)的計算機輔助夾具設計研究

CAD與其他技術集成應用舉例1汽車產品的數字化開發(fā)建立在CAD技術的基礎之上，CAD技術的發(fā)展使三維設計和虛擬裝配成為現實；逆向工程技術(RE)極大地縮短了從造型到產品的轉換周期；CAE技術使結構分析和運動校核可以在設計階段完成，避免了反復試驗和試制；CAM技術使設計數據直接用于加工，大大縮短了產品的制造周期。這些技術的廣泛采用使汽車產品開發(fā)發(fā)生了根本性的變革，使汽車產品也可以按照不斷變化的客戶需求進行及時響應，開發(fā)一個全新車型的周期已經從4～5年縮短到18個月左右。數字樣車(DMU)安全測試應用舉例2電動汽車創(chuàng)新先行者蔚來汽車選擇了3DEXPERIENCE平臺及其提供的電動交通運輸加速器行業(yè)解決方案，作為其企業(yè)級研發(fā)（R&D）工作的基礎平臺；工程師能夠在任何時間、任何地點快速訪問完整的車輛數據，并驗證車輛的數字工程樣機，僅靠一個系統(tǒng)就能完成所有工作；通過中國、美國和歐洲的地區(qū)團隊之間的協(xié)作，以更快的速度設計和推出新車型；通過3DEXPERIENCE系統(tǒng)，能夠在3D環(huán)境下直觀地開展設計和審核工作，可以采用直接、簡單、快速的方式與其他團隊進行協(xié)作；從概念設計到ES8的推出，蔚來汽車僅用了三年時間；三維環(huán)境下快速定位、優(yōu)化設計方案整車級的空間瀏覽、刨切、測量及DMU2.4.1逆向工程概念2.4.2逆向工程研究內容2.4.3逆向工程工作流程與關鍵技術2.4.4逆向工程應用舉例2.4逆向工程2.4.1逆向工程概念逆向工程是以產品設計方法學為指導，以現代設計理論、方法和技術為基礎，運用各種領域工程技術人員的設計經驗、知識和創(chuàng)新思維，通過對已有產品進行測量和重構模型，在探索和熟悉設計圖紙的基礎上，運用產品設計的關鍵技術，實現對產品的修復和再設計，達到設計創(chuàng)新、產品更新及產品開發(fā)的目的。正向工程逆向工程2.4.2逆向工程研究內容逆向工程應考慮零部件和產品的數量、大小、復雜性、材料、表面處理、幾何形狀等方面的要求。逆向工程的一般過程分三個階段，分別是零部件和產品數據采集、點處理和模型開發(fā)。數據采集-接觸式掃描、非接觸式掃描；數據處理與模型重建；模型開發(fā)；數據采集方式接觸式掃描是采用帶有接觸探針的掃描設備自動跟蹤零部件和產品表面的輪廓，見圖2.15。目前的市場上，接觸探針掃描設備基于三坐標測量機技術，其公差范圍為+0.01～0.02mm；非接觸式掃描是在不接觸零部件和產品表面的情況下采集數據，見圖2.16。非接觸式設備通過激光、光學和電荷耦合器件(CCD)傳感器來采集零部件和產品表面點數據。非接觸式掃描設備可在較短的時間內獲取大量點數據，其公差可以控制在±0.025～0.2mm以內接觸式掃描非接觸式掃描2.4.3逆向工程的工作流程與關鍵技術1.逆向工程對象的分析(1)逆向工程對象的功能原理分析；(2)逆向工程對象的材料分析；

(3)逆向工程對象的加工裝配工藝分析；(4)逆向工程對象的精度分析(5)逆向工程對象的造型分析

(6)逆向工程對象的系列化和模塊化分析2.逆向工程數據處理技術(1)點云簡化；(2)點云分離；(3)點云的補缺；(4)點云的多視圖對齊3.模型曲面構建技術(1)特征曲線構建；(2)輪廓描摹構建；(3)結構線提煉法構建；4.曲面光順技術(1)平均值過濾法；(2)中間值過濾法；(3)高斯過濾法；應用舉例1.首先采用非接觸激光掃描儀等數據采集設備對零件樣本模型進行表面幾何參數采集，獲取零件表面點云數據；2.對采集的點云數據進行預處理，包括噪聲清除、缺陷修補、坐標校正、數據拼合等；3.構建曲面型面，包括截面剖分、截面數據點獲取、截面曲線擬合、構建曲面型面、曲面型面平滑光順、構建型面邊界曲線等；4.建立零件三維實體模型，包括曲面型面及其他表面；5.將三維實體模型轉換為STL格式文件，供給快速原型機加工，得到零件實體模型，以供模具開發(fā)等其他應用2.5.1可靠性的定義2.5.2可靠性設計主要內容2.5.3系統(tǒng)的可靠性設計2.5.4可靠性設計在機械工程的應用2.5可靠性設計2.5.1可靠性的定義1.可靠性定義

在“可靠性維修性保障性術語”中對可靠性進行了定義：“產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力”。

產品的可靠性，是與規(guī)定的條件有關的。

規(guī)定的條件是指產品所處的環(huán)境條件、負荷條件及工作方式等。環(huán)境條件包括氣候環(huán)境（溫度、濕度、氣壓、輻射、霉菌、霧、風、沙、工業(yè)氣體等）和機械環(huán)境（沖擊、碰撞、振動、離心、、跌落、搖擺、引線疲勞、變頻振動等)。

負荷條件包括所加電壓、電流的大小和它所處的電場條件等。工作方式可分為連續(xù)工作和間斷工作等。2.可靠性分類(1)基本可靠性和任務可靠性；(2)固有可靠性與使用可靠性；(3)工作可靠性與不工作可靠性；(4)軟件可靠性；(5)儲存可靠性；2.5.2可靠性的研究內容1.系統(tǒng)可靠性指標2.系統(tǒng)可靠性模型3.系統(tǒng)可靠性預測4.系統(tǒng)可靠性分配5.系統(tǒng)可靠性設計6.系統(tǒng)故障模式影響及危害性分析7.系統(tǒng)故障樹分析8.人機系統(tǒng)可靠性1）系統(tǒng)可靠性指標：根據系統(tǒng)的區(qū)別，選取適合系統(tǒng)的可靠性指標。2）系統(tǒng)可靠性模型：用統(tǒng)計分析的方法使故障(失效)機理模型化，

建立計算用的可靠度模型或故障模型。3）系統(tǒng)可靠性預測：在設計開始時，通過合適手段所獲得的數據得

出比較確切的可靠性指標，并加以驗證。4）系統(tǒng)可靠性分配：可采用優(yōu)化設計方法將系統(tǒng)可靠性指標值分配

給各個零部件，以求得到最大經濟效益下的各零部件可靠性指標

值的最合理匹配。5）系統(tǒng)可靠性設計：必須通過各種具體的可靠性設計有效地消除隱

患和薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)和設備的可靠性。6）系統(tǒng)故障模式影響及危害性分析：通過對各個零件的分析，找出

系統(tǒng)中潛在的薄弱環(huán)節(jié)和關鍵的零部件，采取必要的措施，以避

免不必要的損失和傷亡。7）系統(tǒng)故障樹分析：以故障事件作為頂事件，找到發(fā)生故障的所有

直接因素和原因，逐級排查，找到最原始的直接因素。8）人機系統(tǒng)可靠性：研究人與機器的功能分配，盡量防止產生人的

不安全行為和機器的不安全狀態(tài)，做到安全生產。可靠性設計常用指標：（1）可靠度：產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的概率稱為可靠度。假定規(guī)定時間為??，產品壽命為??，如果某產品壽命??比規(guī)定時間??長(??>??)，則稱此產品在規(guī)定時間??內能夠實現規(guī)定功能?？煽慷群瘮礡(t)

在一批產品中，各個產品壽命有可能??>??，也可能??≤??，這是一個隨機事件，產品可靠性的定義可近似用下式表示：

??(??)=??(??>??)(2)失效率：是指工作到某時刻尚未失效的產品，在該時刻后單位時間內發(fā)生失效的概率。

(3)平均壽命：對于不可修復的產品和可修復的產品的含義是不同的。

失效前平均工作時間:對于不可修復產品來說，平均壽命是指產品從開始工作到發(fā)生失效前的平均工作時間，稱為失效前平均工作時間，記為MTTF(MeanTimeToFailure)。

平均無故障工作時間:對于可修復產品來說，平均壽命是指兩次故障之間的平均工作時間，稱為平均無故障工作時間，記為MTBF(MeanTimeBe-tweenFailure)。將MTTF和MTBF統(tǒng)稱為平均壽命，記??。其計算公式為

系統(tǒng)的可靠性設計系統(tǒng)的可靠度：機械系統(tǒng)的可靠度取決于機械零部件本身的可靠

度和機械零部件組合成系統(tǒng)的組合方式；系統(tǒng)可靠性預測：根據系統(tǒng)、部件、零件的功能、工作環(huán)境及有

關資料，推測該系統(tǒng)將具有的可靠度；系統(tǒng)可靠性分配：將工程設計規(guī)定的系統(tǒng)可靠度指標合理地分配

給系統(tǒng)的各個單元，確定系統(tǒng)各組成單元的可靠性定量要求，使

整個系統(tǒng)可靠性指標得到保證。

（系統(tǒng)中占有重要位置的單元，應優(yōu)先保證其可靠度）；系統(tǒng)可靠性最優(yōu)化：在滿足系統(tǒng)最低限度可靠性要求的同時使系

統(tǒng)的“費用”最?。?)花費最少的最優(yōu)化分配方法：即盡可能地提高可靠度，又要使

其花費最少。2)拉格朗日乘子法：將約束最優(yōu)化問題轉化為無約束最優(yōu)化問題

的求優(yōu)方法。3)動態(tài)規(guī)劃法：將多個變量的決策問題分解為只包含一個變量的

一系列子問題，通過解這一系列子問題而求得最優(yōu)解。2.5.4可靠性設計在機械工程中的應用1.產品設計了解整個生產過程分析產品的可靠性分配組件性能繪制設計指標2.產品制造（1）產品制造需要充分考慮機械產品的制造連接；（2）產品制造需要選擇相對較高的技術水平并提高技術指標；（3）產品制造需要考慮到材料和設備的加工；（4）產品制造需要對產品進行全面分析。3.使用和維護階段（1）維護可以有效地延長設備的使用壽命，顯著增加資源使用效能；（2）依據自己的考慮因素和邏輯從實際情況出發(fā)，以確定要維修的產品

的位置和特定的維修方法。4.設計結合了傳統(tǒng)的設計方法和可靠性（1）不建議將可靠性概率設計用于簡單零件；（2）使用概率設計方法改進安全系數方法，使用各種復雜的設計方法進行產品設計計算；（3）將理論計算值與實際測試結果進行比較，總結相關的設計經驗以供未來參考。2.6.1綠色設計的概念與內涵2.6.2綠色設計的設計原則及其主要內容2.6.3綠色設計的工程舉例2.6綠色設計2.6.1

綠色設計的概念和內涵綠色設計最初是出自于“綠色思潮”，《生存之路》中有句話：人類應該通過面對環(huán)境資源，從而調整自己的生存方式，讓人類去適應環(huán)境，而不是環(huán)境適應人。人們希望可以借助于設計來改善人、環(huán)境、社會之間的關系，從而達到三者之間可持續(xù)發(fā)展的目的。在這個時期以前，人類的生活方式受益于工業(yè)設計，但卻加重了能源方面的消耗，破壞了地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡；綠色設計指的是在設計過程中，環(huán)境因素被視為設計目標或者機會而不是約束，要點是結合環(huán)境問題的同時，使產品性能、使用壽命、功能等損失最小，兩個基本目標是廢物的防止和材料管理；在產品從設計到報廢的整個生命周期內，著重考慮產品各個環(huán)節(jié)的循環(huán)利用以及維護性，并將其作為設計目標，在滿足環(huán)境目標要求的同時，又不能有損產品的功能、質量、使用壽命。1）綠色產品定義

--可以拆卸、分解的產品；

--原材料使用合理化，并能處理回收的產品；

--從生產、使用、回收過程對生態(tài)環(huán)境無害或危害小的產品；

--可翻新和重新利用的產品；綜合定義：在產品全生命周期內，節(jié)約資源和能源，對生態(tài)環(huán)境無危害或少危害，對生產者及使用者具有良好保護性的產品。2）綠色設計定義

--綠色設計是由綠色產品引申的一種設計技術；

--綠色設計是使產品及其制造過程對環(huán)境負面影響最小，各項指標符合綠色環(huán)保要求。

--綠色設計為低消耗、可回收、再利用、可降解。綠色產品及綠色設計定義傳統(tǒng)設計綠色設計設計目的為市場需求而設計為市場需求和環(huán)境而設計，滿足可持續(xù)發(fā)展要求設計依據以用戶對產品提出的功能、性能、質量、成本要求為設計依據以環(huán)境效率、生態(tài)環(huán)境指標以及產品功能、性能、質量、成本要求為設計依據設計技術在制造和使用過程中很少考慮產品回收，用完后就被放棄在產品制造和使用過程中要做到可拆卸、易回收，不產生有毒物質及最少廢棄物設計人員設計人員很少或沒有考慮到有效的資源再生利用及生態(tài)環(huán)境影響要求設計人員在產品構思及設計階段，必須考慮降低能源消耗、資源重復利用和保護生態(tài)環(huán)境綠色設計與傳統(tǒng)設計方法比較2.6.2綠色設計原則與主要內容1綠色設計的設計原則(1)資源最佳利用原則；(2)能源最佳利用原則；(3)污染最小化原則；(4)人性化原則；(5)綜合效益最佳原則；2

綠色設計的主要內容(1)綠色產品的描述與建模；(2)綠色材料選擇與管理；(3)產品的裝配與拆卸性設計；(4)產品的可回收性設計；(5)產品的包裝設計；(6)綠色產品的成本分析；(7)綠色產品設計數據庫1）綠色產品描述與建模

準確全面的描述，建立評價模型；2）綠色設計材料選擇

側重環(huán)境約束和材料對環(huán)境影響；3）面向拆卸的設計

能夠高效、不加破壞地拆卸，有利于材料的重新利用和循環(huán)再生；4）可回收性設計

包括可回收材料識別及標志、回收處理工藝、可回收性結構設計、可回收經濟分析與評價；5）綠色產品成本分析

包括污染物處理成本、拆卸成本、重復利用成本、環(huán)境成本等；6）綠色產品設計數據庫

包括材料成分、降解周期、費用、各種評價標準等3、綠色設計主要內容應用舉例可持續(xù)的牙膏包裝設計不僅對環(huán)境進行了物理改造，而且還刷新了產品的圖形元素，以反映項目的目標；在不影響牙膏完整性的情況下，紙盒被淘汰。這使得產品更輕，減少浪費；可持續(xù)的牙膏包裝設計作為一種產品被提出，它可以懸掛而不是堆疊，它的包裝不僅可以回收，而且可以生物降解，在運輸或堆放在貨架上時不會影響牙膏的耐用性；如果實施這一設計，將解決全球牙膏品牌的物流和環(huán)境問題；可持續(xù)的牙膏包裝復習思考題：1.現代設計技術的內涵與特征。

2.優(yōu)化設計的流程與步驟。

3.優(yōu)化設計中常用的優(yōu)化方法。4.計算機輔助設計的關鍵技術。

5.可靠性設計的基本原則與方法。

6.綠色設計中的關鍵技術有哪些。先進制造技術3.1機械制造工藝的內涵與發(fā)展3.2精密和超精密加工概述3.3高速加工技術3.4MEMS與微納制造技術目錄增材制造技術3.53.6生物制造技術第3章先進制造工藝技術機械制造工藝的內涵與發(fā)展3.1.1機械制造工藝的內涵3.13.1.2先進制造工藝技術的提出與產生3.1.3先進制造工藝技術特點3.1.4先進制造工藝技術的發(fā)展3.1.1機械制造工藝的內涵70%常見的機械制造工藝流程如圖3.1所示，包括原材料及能源供應、毛坯制備、機械加工、材料改性處理、裝配檢測等環(huán)節(jié)。毛坯準備:包括原材料切割、焊接、鑄造、鍛壓成形等工藝過程。機械加工成形:包括車削、鉆削、銑削、刨削、鏜削、磨削等不同的切削加工工藝。表面改性處理:包括熱處理、電鍍、化學鍍、熱噴涂、涂裝等工藝過程。材料去除成形:

材料去除成形是利用分離的方法，將一部分材料有序地從基體材料中分離出去的成形工藝方法，例如傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨切削加工，以及現代的電火花加工、激光切割、打孔等特種加工工藝方法。去除成型最先實現了數字化控制，目前仍是主要的制造形式。材料受迫成形:

材料受迫成形是利用材料的可成形性（塑性），在特定邊界和外力約束條件下的成形方法，例如鑄造、鍛壓和粉末冶金、高分子材料注射成形等均屬這類成形工藝。材料堆積成形:

又稱增材制造，是應用連接及合并等工藝手段，將材料有序地合并堆積起來的一種成形工藝方法，如快速原型制造、焊接、黏合等。材料生成成形:

材料生成成形是利用材料的活性進行成形的方法。自然系統(tǒng)中生物個體發(fā)育均屬生成成形。3.1.2先進制造工藝技術的提出與產生先進制造工藝是在傳統(tǒng)制造工藝基礎上，不斷改進和提高過程中形成的。先進制造技術的概念于20世紀末，由美國聯邦科學協(xié)會、工程與技術協(xié)調委員會（FCCSET）主持實施的先進制造技術（AdvancedManufacturingTechnology，AMT）計劃時提出，之后，歐洲、日本以及亞洲新興工業(yè)化國家相繼響應。制造業(yè)不斷吸收機械工程技術、電子信息技術、自動化控制理論技術、材料科學、能源技術、生命科學及現代管理科學等方面的成果，將其綜合應用于制造業(yè)中產品設計、制造、管理、銷售、使用、服務以及對報廢產品的回收處理的制造全過程，逐漸形成完備的現代制造工藝體系，為航空、航天、微電子、光電子、激光、分子生物學和核能等尖端技術的出現和發(fā)展奠定了基礎。先進制造工藝技術是一個國家制造業(yè)核心競爭力的集中體現，特別是對于我國這樣一個必須擁有獨立完整的現代化工業(yè)體系的大國，先進制造工藝技術水平的發(fā)展程度決定了制造業(yè)的現代化水平，是關系國防建設和國家發(fā)展的關鍵力量和核心技術。3.1.3先進制造工藝技術特點優(yōu)質以先進制造工藝加工的產品質量高、性能好、尺寸精確、表面光潔、組織致密、無缺陷雜質、使用性能好、使用壽命和可靠性高。高效與傳統(tǒng)制造工藝相比，先進制造工藝可極大地提高勞動生產率，大大降低了操作者的勞動強度和生產成本。低耗先進制造工藝可大大節(jié)省原材料和能源的消耗，提高了對日益枯竭的自然資源的利用率。潔凈應用先進制造工藝可做到零排放或少排放，生產過程不污染環(huán)境，符合日益增長的環(huán)境保護要求。靈活能快速地對市場和生產過程的變化以及產品設計內容的更改作岀反應，可進行多品種的柔性生產，適應多變的產品消費市場需求。3.1.4先進制造工藝技術的發(fā)展先進制造工藝的進步與發(fā)展具體表現為：機械加工向超精密、超高速方向發(fā)展。成形精度向近無余量方向發(fā)展。新材料及新能源推動制造工藝進步，提高了加工效率和質量。采用模擬技術，優(yōu)化工藝設計。采用清潔能源及原材料、實現清潔生產。加工與設計之間的界限逐漸淡化，并趨向集成及一體化。工藝技術與信息技術、管理技術緊密結合，生產模式不斷發(fā)展。精密和超精密加工技術3.2.1精密和超精密加工概述3.23.2.2超精密切削加工和金剛石道具3.2.3超精密加工的關鍵技術及發(fā)展方向3.2.4超精密磨削加工3.2.5超精密加工的應用3.2.6超精密加工應用案例-隱形眼鏡的模具超精密加工3.2.1精密和超精密加工概述1超精密加工的內涵在當今技術條件下，普通加工、精密加工、超精密加工的加工精度可作如下的劃分：

(1)普通加工加工精度在1μm，加工表面粗糙度在Ra值為0.1μm以上的加工方法稱為普通加工。(2)精密加工加工精度在0.1~1μm，加工表面粗糙度Ra在0.01~0.1μm之間的加工方法稱為精密加工，如金剛車、精鏜、精磨、研磨、珩磨等加工。(3)超精密加工加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度Ra值小于0.01μm的加工方法稱為超精密加工。從加工精度的具體數值來分析，精密加工又可分為微米加工、亞微米加工、納米加工等。2.超精密加工所涉及的技術范圍

(1)超精密加工機理：超精密加工是從被加工表面去除一層微量的表面層，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特種加工等。

(2)超精密加工刀具、磨具及其制備技術：包括金剛石刀具的制備與刃磨、超硬砂輪的修整等，這是超精密加工的重要關鍵技術。(3)超精密加工機床設備：超精密加工對機床設備有高精度、高剛度、高抗振性、高穩(wěn)定性和高自動化的要求，且應具有微量進給機構。(4)精密測量及誤差補償技術：超精密加工必須有相應級別的測量技術和測量裝置，具有在線測量和誤差補償功能。

(5)超穩(wěn)定的工作環(huán)境：超精密加工必須在超穩(wěn)定的工作環(huán)境下進行，加工環(huán)境極微小的變化都有可能影響加工精度。因而，超精密加工必須具備各種物理效應恒定的工作環(huán)境，如恒溫、凈化、防振和隔振等。3．國內外超精密加工技術的發(fā)展與現狀目前國際上生產超精密機床的廠家主要有：美國摩爾公司、普瑞泰克公司，德國奧普特公司等。大量生產的中小型超精密零件大多是感光鼓、磁盤、光盤、多面鏡以及平面球面或非球面的光學和激光透鏡、反射鏡等。材料多為銅、鋁及其合金、費電解鍍鎳層、進而擴展至塑料及硬脆材料。3.2.2超精密切削加工和金剛石刀具超精密切削加工主要是用高精度的機床和單晶金剛石刀具進行的加工，也稱“單點金剛石切削”；超精密切削加工主要用于加工軟金屬材料，主要加工對象為精度要求很高的鏡面零件；超精密切削技術采用微量切削就可以獲得光滑而加工變質層較少的表面，其最小切削厚度取決于金剛石刀具的刃口半徑。切削刃口半徑越小，則最小切削厚度越小。1．超精密切削對刀具的要求為實現超精密切削，刀具應具有如下的性能：（1）極高的硬度、耐用度和彈性模量，以保證刀具有很長的壽命。（2）刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑ρ值極小，能實現超薄的切削厚度。（3）切削刃無缺陷，避免切削時刃形復印在加工表面，而不能得到超光滑的鏡面。（4）與工件材料的抗黏結性能好、化學親和性小、摩擦因數低，能得到極好的加工表面完整性。2．金剛石刀具材料種類及性能對比金剛石刀具材料主要有單晶金剛石、聚晶金剛石(PCD)、聚晶金剛石復合片(PDC)、化學氣相沉積(CVD)涂層金剛石等。3.金剛石刀具性能特征其性能特征歸納如下：（1）具有極高的硬度，硬度達到6000?10000HV，而TiC僅為3200HV,WC為2400HV。（2）能磨出極其鋒銳的刃口，且切削刃沒有缺口、崩刃等現象。普通切削刀具的刃口圓弧半徑只能磨到5~30μm，而天然單晶金剛石刃口圓弧半徑可小到數納米，是其他任何材料無法達到的。（3）熱化學性能優(yōu)越，導熱性能好，與有色金屬間的摩擦因數低、親和力小。（4）耐磨性好，切削刃強度高。金剛石摩擦因數小，與鋁的摩擦因數僅為0.06~0.13,如切削條件正常，刀具磨損極慢，刀具壽命極高。

3.2.3超精密加工的關鍵技術及發(fā)展方向

精密和超精密加工技術的發(fā)展直接影響到一個國家尖端技術和國防工業(yè)的發(fā)展，因此世界各國對此都極為重視，投入很大精力研究開發(fā)，同時實行技術保密，并控制關鍵加工技術及設備出口。實現精密超精密加工急需突破的關鍵技術有：超精密加工設備和工藝裝備、超精密加工方法和機理、被加工材料、超精密測量技術和誤差補償技術以及超精密加工工作環(huán)境建造技術等。1．超精密加工機床設備和工藝裝備超精密加工機床以及相應的刀具、夾具等工藝裝備是實現超精密加工的首要基礎條件。超精密加工機床應具有高精度、高剛度、高加工穩(wěn)定性和高度自動化的要求，超精密加工機床的精度質量主要取決于機床的主軸部件、床身導軌以及驅動部件等關鍵部件。精密主軸部件是超精密加工機床的圓度基準，也是保證機床加工精度的核心。超精密導軌是超精密加工機床的關鍵部件，閉式液體靜壓導軌具有高抗振阻尼、高承載力優(yōu)勢，直線度可達0.1μm，國外主要超精密機床采用液體靜壓導軌。高精度微量進給裝置是超精密加工機床的又一個關鍵部件，對實現超薄切削、高精度尺寸加工和實現在線誤差補償有著十分重要的作用。床身是機床的基礎部件，應具有抗振衰減能力強、熱膨脹系數低、尺寸穩(wěn)定性好的要求。2．超精密加工方法和加工機理

在傳統(tǒng)加工方法的技術和工藝體系下，通過對設備和工藝的完善，制造精度僅能得到有限的提升，研究采用新技術和新機理的非傳統(tǒng)加工方法才是實現精密、超精密加工的關鍵所在。3．被加工材料為了實現精密、超精密加工，對被加工材料有非常嚴格的要求，只有符合要求的被加工材料才能通過精密和超精密加工達到預期精度。因此，研究可以實現精密、超精密加工的材料以及相關的材料處理技術也是精密和超精密加工得以應用須解決的關鍵問題。4．超精密測量技術超精密加工的順利開展必須具備相應的檢測技術，形成加工和檢測一體化。目前超精密加工的檢測方法有三種方式：離線檢測、在位檢測和在線檢測。5．超精密加工工作環(huán)境

加工環(huán)境條件的極微小變化都可能影響加工精度，使超精密加工達不到預期目的，超精密加工必須在超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件下進行。為了適應精密和超精密加工要求，達到微米甚至納米級加工精度，必須對超精密加工的工作環(huán)境加以嚴格控制，包括空氣環(huán)境、熱環(huán)境、振動環(huán)境以及電磁環(huán)境等。（1）環(huán)境溫度變化的影響在超精密加工中，環(huán)境溫度變化是加工誤差的主要來源。加工過程中溫度的變化會造成機床設備和工件的熱變形，使機床加工精度下降，不能獲得理想的加工精度。（2）環(huán)境濕度變化的影響在要求納米級加工的超精密環(huán)境中，環(huán)境濕度稍有變化對加工精度都會造成極大的影響。環(huán)境濕度和溫度有密切的關系，對濕度和溫度均要進行嚴格控制。（3）外界和自身振動的影響

在超精密加工過程中，振動的干擾會引起切削刀具與被加工零件間的相對振動位移，直接影響工件的加工質量和表面精度。同時會降低金剛石刀具的使用壽命。必須采取有效措施以消除振動干擾，主要從防振和隔振兩方面實現。（4）凈化的空氣環(huán)境

凈化的空氣環(huán)境是超精密加工的基本保障。

對于普通精度的加工，這些塵埃和微粒不會有什么不良影響；

對于精密和超精密加工將會直接導致加工精度的下降，因為空氣中塵埃和微粒的尺寸大小與加工精度要求相比，已經成為不可忽視的數值。為了保證精密和超精密加工產品的質量，必須對周圍空氣環(huán)境進行凈化處理，減少空氣中塵埃含量，提高空氣的潔凈度。6.超精密加工未來發(fā)展方向對于目前國際上超精密加工機床未來研究的重點技術，主要有以下幾個方面：（1）超精密加工創(chuàng)新工藝技術及其相關機床裝備研究。（2）超精密加工機床設計理論與設計方法研究（3）超精密關鍵部件的制造、裝配（4）超精密加工機床的模塊化設計與制造（5）超精密機床制造標準的建立3.2.4超精密磨削加工內涵1.超精密磨削加工的內涵一般指加工精度達到或高于0.1μm、表面粗糙度小于Ra0.025μm的一種亞微米級加工方法，并正在向納米級發(fā)展。2.超精密磨削加工方法超精密磨削加工有砂輪磨削、砂帶磨削以及研磨、精密研磨、精密砂帶研拋等磨削加工方法。3.超精密磨床超精密磨床是超精密磨削的關鍵。超精密磨削是在超精密磨床上加工完成的，其加工精度主要取決于磨床，遵循“母性原則”的加工規(guī)律，不可能加工出比磨床精度更高的工件。超精密磨床的特點超精密磨床應具有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、微量進給裝置和計算機數控，以此滿足高精密加工要求。高精度目前國內外各種超精密磨床的磨削精度和表面粗超度可達到如下指標：尺寸精度:±0.25~±0.5μm；圓度:0.25~0.1μm；圓柱度:25000:0.25~50000:1；表面粗糙度:Ra0.006~0.01μm。高剛度其剛度值一般應在200N/μm以上。高穩(wěn)定性為了保證超精密磨質量，超精密磨床的傳動系統(tǒng)、主軸、導軌等結構以及溫度控制和工作環(huán)境均應有高穩(wěn)定性。微量進給裝置由于超精密磨床要進行微量切除，因此在橫向進給（切深）方向都配有微量進給裝置，使砂輪能獲得行程為2~50μm，位移精度0.02~0.2μm，分辨力達0.01~01μm的位移。實現微進給原理的裝置有精密絲杠、杠桿、彈性支承、電熱伸縮、磁致伸縮、電致伸縮、壓電陶瓷等，多為閉環(huán)控制系統(tǒng)計算機數控超精密磨削在生產上要求穩(wěn)定進行批量生產，因此，現代超精密磨床多為計算機數控磨床，它不僅能大大提高工效，減少了人工操作的影響，使磨床質量穩(wěn)定，一致性好。(2)超精密磨床結構超精密磨床在結構上的發(fā)展趨勢如下:主軸系統(tǒng)主軸支壓向動靜壓和靜壓發(fā)展，由液體靜壓向空氣靜壓發(fā)展?？諝忪o壓軸承精度高，發(fā)熱小，穩(wěn)定，工作環(huán)境易清潔。但要注意提高承載能力和剛度。導軌多用空氣靜壓導軌，有的也采用精密研磨配制的鑲鋼滑動導軌。石材部件床身、工作臺等大件逐漸采用穩(wěn)定性好的天然或人造花崗巖制造。熱穩(wěn)定性結構整個機床采用對稱結構，密封結構以及淋浴結構等熱穩(wěn)定性措施。4.超精密磨削工藝

有關超精密磨削的砂輪選擇、砂輪修整、砂輪動平衡、磨削液選擇等問題可參考有關精密磨削和超硬磨料砂輪磨削資料。通常超精密磨削用量如下所列：砂輪線速度:1860m/min；工件線速度:4~10m/min；工作臺縱向進給速度:50~100mm/min；磨削深度:0.5~1um；磨削橫向進給次數:2~4次；無火花磨削次數:3~5次；磨削余量:2~5μm超精密磨削用量與所用機床，被加工材料，砂輪的磨粒和結合劑材料、結構、修整、平衡，工件欲達精度和表面粗糙度等有關，比較復雜，應根據具體情況進行工藝實驗而決定。超精密磨削質量與操作工人的技藝關系十分密切，應由高技術水平的工人精心細致科學地操作機床，才能達到預期效果。5.影響超精密磨削加工的主要因素1）.超精密磨削是一種極薄切削，屬于超微量切除加工。2）.超精密磨削需要一個高穩(wěn)定性的工藝系統(tǒng)，對力、熱、振動、材料組織、工作環(huán)境的溫度和凈化等都有穩(wěn)定性的要求，并且要有較強的抗擊來自系統(tǒng)內外的各種干擾的能力。3）.影響超精密磨削加工的主要因素包括：被加工材料、超精密磨削機理、超精密磨床、人的技藝、工作環(huán)境、砂輪的修整、工件的夾緊定位、檢測及誤差補償技術等。3.2.5超精密加工的應用超精密加工技術已在航空、航天、半導體、能源、醫(yī)療器械等領域的高尖端技術產品制造中發(fā)揮重要作用。超精密加工技術推動了飛機、導彈等慣性器件迅速發(fā)展，超精密加工技術使導彈關鍵元器件的精度和質量產生了飛躍式進步，大大提高了導彈的命中率。超精密加工技術在民用光學行業(yè)等高尖端技術產品的精密零件加工領域中發(fā)揮重要作用。如：相機、復印機、投影儀、隱形眼鏡、計算機硬盤驅動器等。信息產業(yè)的發(fā)展推動了芯片、存儲器等的發(fā)展，隨著存儲密度越來越大，對磁盤的表面粗糙度、相應的讀寫設備的懸浮高度及磁頭的上下跳動量的要求大大提高，目前國外已經可以把磁頭、磁盤的相對間隙控制在最高lnm左右。超精密加工技術，無論在軍事工業(yè)、民用工業(yè)和醫(yī)療器械應用領域，都占有重要作用，是其中的尖端技術產品的關鍵加工手段。3.2.6超精密加工應用案例-隱形眼鏡的模具超精密加工

隱形眼鏡是一種戴在眼球角膜上，用以矯正視力或保護眼睛的鏡片.不僅從外觀和方便性方面給佩戴者帶來了很大的改善，同時也在控制各類視力缺陷方面發(fā)揮了特殊的功效。

目前絕大多數的隱形眼鏡都是通過模壓工藝進行生產，模壓成型法加工效率高、成本低以及佩戴舒適度佳等優(yōu)點。金屬模具(模具)的超精密加工與檢測是實現鏡片精密生產制造的技術關鍵