先进制造技术(第2章)
先进制造技术知识点总结
概述第一章先进制造技术的特点：先进性、广泛性、实用性、集成性、系统性、动态性。
1、先进制造技术分为三个技术群：主体技术群、支撑技术群、制造技术环境。
2、主体技术：面向制造的设计技术群（1）产品、工艺设计、 3 （2）快速成形技术（3）并行工程制造工艺技术群：（1）材料生产工艺（2）加工工艺（3）连接与装配（4）测试和检测（5）环保技术（6）维修技术（7）其他支撑技术：（1）信息技术（2）标准和框架（3）机床和工具技术（4）传感器和控制技术4、先进制造技术研究的四大领域：（1）现代设计技术（2）先进制造工艺技术（3）制造自动化技术（4）系统管理技术4、美国的先进制造技术发展概况P10美国先进制造技术发展概况：美国政府在20 世纪90 年代初提出了一系列制造业的振兴计划，其中包括“先进制造技术计划”和“制造技术中心计划”。
先进制造技术计划美国的发展目标：1、为美国人创造更过高技术、高工资的就业机会，促进美国经济增长。
不断提高能源效益，减少污染，创造更加清洁的环境。
、2．3、使美国的私人制造业在世界市场上更具有竞争力，保持美国的竞争地位。
4、使教育系统对每位学生进行更有挑战性的教育。
5、鼓励科技界把确保国家安全以及提高全民生活质量作为核心目标三个重点领域的研究：1、成为下一代的“智能”制造系统2、为产品、工艺过程和整个企业的设计提供集成的工具3、基础设施建设第二章柔性制造系统（FMS）技术1、柔性制造系统（FMS）的特点：（1）主要特点：柔性和自动化（2）设备利用率高，占地面积小（3）减少直接劳动工人数（4）产品质量高而稳定（5）减少在制品库存量（6）投资高、风险大，开发周期长，管理水平要求高2、FMS与传统的单一品种自动生产线（即刚性自动生产线，其物流设备和加工工艺是相对固定的，只能加工一个零件，或加工几个相互类似的零件）缺点：改变加工产品的品种，刚性自动线做较大改动，投资和时间方面耗资大，难以男足市场要求。
先进制造技术-先进制造技术包括哪些内容
CIRP的定义：“制造系统是制造业中形成制造生产的 有机整体，在机电工程生产中，制造系统具有设计、生产、 发运和销售的一体化功能”。
（3）制造技术(ManufacturingБайду номын сангаасTechnology) 制造技术则 是按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物质工 具，使原材料转变为产品的技术总称。也可以说是完成制造 活动所需的一切手段的总和。
2021/8/11
第一章 绪论
学习目标：通过本章的学习，应对制造业的发展进程有一个初步的了解。
对先进制造技术的特点、发展历程、现状及其今后的发展趋势有所认识。
第一节 制造业的发展概况
一、概念 （1）制造(Manufacturing) 制造是一种将物料、能量、资金、 人力资源、信息等有关资源，按照社会的需求转变为新的、有更 高应用价值的有形物质产品和无形软件、服务等产品资源的行为 和过程。 国际生产工程研究学会(CIRP)的定义：“制造是一个涉及制造工 业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经 营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称”。 （2）制造系统(Manufacturing System) 制造过程及其所涉及 的硬件（包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置）以 及有关的软件（包括制造理论、制造工艺、制造方法和制造信息 等)，组成了一个具有特定功能的有机整体，称为制造系统。
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先进制造技术 目录
第一章 绪论 第二章 先进设计技术 第三章 先进制造工艺技术 第四章 制造自动化技术 第五章 先进制造模式 第六章 先进管理技术
2021/8/11
课程总体简介
课程简介
本书是根据现阶段模具、数控专业培养方案的指导思想 和最新的教学计划编写的。
AMT(2)
先进制造技术
Advanced Manufacturing Technology
Henan University of Science & Technology
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第2章 先进工程设计技术
本章要点
现代设计技术的基本内容 CAD的关键技术 模块化设计的关键技术 创新设计 逆向工程
静态的设计原理向动态的延伸，经验、类比的设计方法 向精确的、优化的方法延伸，而且设计范畴也在不断扩大。
多种设计技术、 多种设计技术、理论与方法的交叉与综合
现代的机械产品，如数控机床、加工中心、工业机器人 等，正朝着机电一体化，物质、能量、信息一体化，集成 化，模块化方向发展，从而对产品的质量、可靠性、稳定 性、稳健性及效益等均提出更为严格的要求。
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2.2.3 CAD的研究热点 CAD的研究热点
计算机辅助产品的概念设计
概念设计涉及产品的基本功能、 概念设计涉及产品的基本功能 、 动作原理和结构要素 需要考虑产品的价格、性能、可靠性、 ， 需要考虑产品的价格、 性能 、 可靠性、 安全性等目标 ； 概念设计所涉及的设计需求和各种约束往往是不精确 的或未知的。概念设计的上述特征和要求， CAD技术 的或未知的 。概念设计的上述特征和要求，给CAD技术 在该领域的应用带来很大难度和挑战。 在该领域的应用带来很大难度和挑战。 为使CAD技术有效地支持概念设计， 为使 CAD 技术有效地支持概念设计 ， 需要解决建模和 CAD技术有效地支持概念设计 推理两大技术难题。 推理两大技术难题。 建模技术， 是需要对产品的功能、 建模技术 ， 是需要对产品的功能 、 动作和结构等要素 及其相互间的关系进行完整、 及其相互间的关系进行完整、清晰描述 推理就是根据用户的需求和给定的条件进行产品的功 能设计， 能设计，生成和选择合适的产品设计方案。
先进制造系统一、二章要点
先进制造系统1・2章要点1、制造：1990年国际生产工程学会定义“制造是一个涉及制造企业的产品设计，物料选择，生产计划，生产过程，质量保证，经营管理，市场销售和服务的一系列相关活动的总称。
2、狭义制造：制造的原义是“手工业”，在20世纪50年代之前指机械制造，既小制造。
3、广义制造：是指产品全生命周期的过程。
4、广义制造的三个特点分别是：全过程(设计一一再制造)、大范围、高技术；5、制造与加工的区别？答：(1 )、制造：原指通过人工或机器使原材料变为可供使用的物品。
现指产品的全生命周期过程的全部活动；(2)、加工：是指把原材料变成产品的直接物理过程。
(3)、从狭义制造的含义可知，制造包含加工和装配，加工是制造中的关键活动之一。
加工系统是制造系统中一个主要的子系统。
6、什么是制造与生产？二者的区别？答：制造：原指通过人工或机器使原材料变为可供使用的物品。
现指产品的全生命周期过程的全部活动。
生产：原指人们使用工具来创造各种生产资料和生活资料的活动，现指把各种生产要素的输入转变为产品的输出过程。
生产过程四要素：生产对象、生产劳动、生产资料、生产信息；制造与生产的区别；制造与生产一直没有严格的界定，中英文也含混不清，但从广义制造的概念上，制造包含生产，生产系统是制造系统的一个子系统。
当采用狭义制造概念时，制造是指加工与装配，是生产系统的一个组成部分；制造系统是一个生产单元。
从词语的使用范围来看，生产系统在使用范围上比制造系统大。
因为制造系统是相对于制造企业而言，而生产是相对所有企业而言的，包插制造业和服务业。
总之，因为制造较多的被用于工程技术领域，生产通常被用于经济管理领域。
二者的区别应根据具体场合去判断其含义。
7、我国制造业而对的问题和挑战？(论述题)答：(1 )、我国是制造大国，但不是制造强国；(2 )、劳动生产率及工业增加值率低；(3 )、技术创新能力比较薄弱；(4 )、企业体制的不适应；(5 )、经营理念的不适应；a生产计划对变化不能及时响应；b、采购、库存与生产配合不密切；c、生产管理手段的不适应，管理落后；d、组织结构的不适应，庞大、臃肿，不是以人、技术为中心；(6)、决策者能力、信息不及时等。
先进制造技术(第3版)习题参考答案
思考题第一章1．说明制造、制造系统与制造业概念，比较广义制造与狭义制造的区别。
答：制造（manufacturing）是人类按照市场需求，运用主观掌握的知识和技能，借助于手工或可以利用的客观物质工具，采用有效的工艺方法和必要的能源，将原材料转化为最终物质产品并投放市场的全过程。
制造系统是指由制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员组成的一个具有特定功能的有机整体。
制造业是指以制造技术为主导技术进行产品制造的行业。
广义制造与狭义制造的区别：狭义的制造，是指生产车间内与物流有关的加工和装配过程；而广义的制造，则包含市场分析、产品设计、工艺设计、生产准备、加工装配、质量保证、生产过程管理、市场营销、售前售后服务，以及报废后的回收处理等整个产品生命周期内一系列相互联系的生产活动。
2．制造业在国民经济中的地位与作用如何?答：（1）人们的物质消费水平的提高，有赖于制造技术和制造业的发展。
（2）制造业是实现经济增长的物质保证。
（3）提高制造技术是影响发展对外贸易的关键因素。
（4）制造业是加强农业基础地位的物质保障，是支持服务业更快发展的重要条件。
（5）制造业是加快信息产业发展的物质基础。
（6）制造业是加快农业劳动力转移和就业的重要途径。
（7）制造业是加快发展科学技术和教育事业的重要物质支撑，它不仅为科技发展和教育发展提供经费支持，还为研究开发提供许多重要的研究方向与课题及先进的实验装备。
（8）制造业也是实现军事现代化和保障国家基本安全的基本条件。
3．先进制造技术是在什么样的背景之下产生与发展起来的。
答：1．社会经济发展背景近20多年来，市场环境发生了巨大的变化，一方面表现为消费者需求日趋主题化、个性化和多样化，消费行为更具有选择性，产品的生命周期缩短，产品的质量和性能至关重要；另一方面全球性产业结构调整步伐加快，制造商着眼于全球市场激烈竞争的同时，着力于实力与信誉基础上的合作和协作。
制造业的核心要素是质量、成本和生产率。
先进制造技术 第2版 教学课件 ppt 作者 王隆太 第2章
巨大的信息存储及处理能力，弥补了人不足。 5）并行化、最优化、虚拟化和自动化
--并行化 在产品设计阶段综合考虑产品全生命周期中的所有因素。 --最优化 对产品进行方案优选、结构优选和参数优选，实现系统整体
性能最优化。 --虚拟化 利用虚拟现实技术，在虚拟环境下评估产品性能。 --自动化 应用CAD/CAM等工具，完成建模、分析、测试、评价任务。 6）主动性 对产品全生命周期各种性能作出准确预测，及早发现产品潜
--技术设计 将产品功能原理化为具体机械结构，决定产品最终形态 和性能。
--施工设计 指零部件和产品工程图绘制以及工艺文件和说明书编写。 2）逻辑维 设计过程中解决问题的逻辑步骤。
--分析 明确设计任务，是解决设计问题的前提； --综合 是探求解决方案的创新过程，可采用抽象、发散、逆向等思维
方法寻求尽可能多的方案解； --评价 对多种方案进行比较和评定，对方案不断进行调整和改进，直
3）支撑技术 为设计过程的信息处理、加工、推理与验证提供支撑。 --现代设计方法学：包括系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、 反求工程、绿色设计、模糊设计等； --可信性设计：包括可靠性设计、安全性设计、动态设计、疲劳设计、 耐腐蚀设计、耐环境设计等； --设计试验技术：包括性能试验、可靠性试验、仿真试验和虚拟试验等。
• 等式约束： hv ( X ) 0
v 1， 2， ， p n
x2
• 可行域：指设计变量所允许取值 的设计空间，即在该区域内满足 设计约束条件；
g（X）>0 非可行域
• 而非可行域：不允许设计变量取 值的空间。
g（X）<0
先进制造技术02章节
2. 光栅扫描法
对于任一层片，先沿Y方向扫描固化，再沿X方向扫描固化。 研究表明，固化期间扭曲变形的程度与零件内部未固化树脂所占体积有关。 光栅扫描的基本思想是尽可能地减少零件内部的未固化树脂。
第二章 加工域活动中的先进工艺
3. STAR-WEAVE扫描法
这种扫描法的扫描路线为分形曲线，故又称为分形扫描路径。 当分形曲线的维数为2时，曲线可充满平面，生成非自交、简单且自相似的 结构，具有递归性，易于计算机处理。 分形扫描路径都是小折线，扫描方向在不断改变，使得刚刚烧过的部分沿扫 描方向能够自由收缩。所以零件内部应力较小，变形也小。
优点：
SLA工艺 的特点
由于紫外激光波长短，可以得到很小的 聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。 缺点： 有时需要辅助支撑结构；翘曲变形大； 成本较高；材料有污染。
第二章 加工域活动中的先进工艺
第二章 加工域活动中的先进工艺
第二章 加工域活动中的先进工艺
2. 选择性激光烧结（selective laser sintering, SLS）
第二章 加工域活动中的先进工艺
③LEAF格式 LEAF（layer exchange ASCII format）格式采用二叉树形式表示整个实体模 型的分层 。基于CSG（Constructive Solid Geometry ）模型的切片几乎都能直接 在LEAF中表达，但该数据格式十分复杂。
④SLC格式 SLC（stereo lithography contour）是一个二维半的实体轮廓模型，由Z方向 上一系列逐步上升的横截面组成。SLC算法比较复杂，所需时间长。
SLS技术是C.R.Deckard于1989年研制成功，1992年由DTM公司推出商品化 产品。SLS原理与SLA十分相似，其主要区别是SLS使用的是粉末状的材料。 目前，可用于SLS技术的材料有四类：金属类、陶瓷类、塑料类和复合材料 类。 SLS采用二氧化碳类红外激光对已预热（或未预热）的粉末一层层地扫描加 热，使其达到烧结温度，最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构。
第二章 金刚石刀具精密切削加工
复习晶体结构
晶格模型
面心结构
晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式.晶体结构不同， 其性能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子 或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多 假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为 晶格。
晶胞
Z
晶胞
c
b Y
a
X
晶格常数 a ， b， c
人造单晶金刚石刀具 金刚石刀具 PCD刀具
多晶金刚石刀具
CVD金刚石薄膜涂层刀具
CVD金刚石刀具 金刚石厚度膜焊接刀具
金刚石刀具的性能特点
极高的硬度和耐磨性：硬度达HV10000，是自然界最硬的物质， 具有极高的耐磨性，天然金刚石耐磨性为硬质合金80-120倍，人 造金刚石耐磨性为硬质合金60-80倍。 各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能 、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系 数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须进行 晶体定向。
二、典型机床简介
Pneumo 公司的MSG-325超精密车床
采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向 跳动均小于等于0.05μm。床身溜板用花岗岩制造，导 轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01μm的 双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪 精密检测位移。
DTM-3大型超精密车床
分为：液体静压和空气静压
供油压力恒定的液体静压轴承
主轴始终悬浮 在高压油膜上
液体静压轴承与气压轴承
1、液体静压轴承主轴
优点
回转稳定性好 刚度高 无振动
缺点
回转运动有温升 回油时有空气进入油源 注：空气静压轴承原理与静
先进制造技术 第2章 高速切削技术2-1
萨洛蒙在l924一1931年间，进行了一系列的高速切削实验： 在非黑色金属材料，如铝、铜和青铜上，用特大直径的刀 盘进行锯切，最高实验的切削速度曾达到14000m／min， 在各种进给速度下，使用了多达20齿的螺旋铣刀。l931年 申请了“超极限速度”专利，随后卖给了“Krupp钢与工 具制造厂”。 萨洛蒙和他的研究室实际上完成了大部分有色金属的切削 试验研究，并且推断出铸铁材料和钢材的相关曲线。 萨洛蒙理论提出了一个描述切削条件的区域或者是范围， 在这个区域内是不能进行切削的。萨洛蒙没有提出可靠的 理论解释，而且他的许多实验细节也没有人知道。
刀具磨损曲线
三、高速切削切屑形成
高速切削试验表明，工件材料及 性能对切屑形态 有决定性影响。
低硬度和高热物理性能的工件材料（铝合金、低碳钢、未 淬硬钢等）易形成连续带状切屑。 高硬度和低热物理性能的工件材料（钛合金钢、未淬硬钢 等）易形成锯齿状切屑。
切削速度对切屑形态有重要影响。对钛合金，在 （1.5~4800)m/min的切削速度范围内形成锯齿状 切屑，随切削速度的增加，锯齿程度（锯齿的齿 距）在增加，直至成为分离的单元切屑。
不同切削速度下车削45钢件的切削形态。
一方面，切削速度增加，应变速度加大，导致脆 性增加，易于形成锯齿状切屑；另一方面，切削 速度增加，切屑温度增加，导致脆性降低，不易 形成锯齿状切屑；
绝热剪切理论（Adiabatic Shear Theory) 周期脆性断裂理论（Periodic brittle fracture theoty）
萨洛蒙（Salomon）曲线
1600
切削温度/℃
钢
1200
青铜
铸铁 硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃ 碳素工具钢450℃
先进制造技术智慧树知到答案章节测试2023年石河子大学
第一章测试1.根据在生产过程中使用的物质形态，制造业可划分为什么？（）A:离散制造业B:先进制造业C:传统制造业D:流程制造业答案:AD2.制造业可以直观地体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素。
（）A:对B:错答案:A3.面对全球化市场竞争日趋激烈，我国制造业想要赢得市场，最需要（）。
A:以量取胜B:降价竞争C:增加新品D:产业升级答案:D4.下列有关先进制造业哪项表述不正确。
（）A:先进制造业指制造业中仅靠制造工艺水平的升级所形成的产业形态。
B:先进制造业是为适应社会发展和产业升级需要，在制造业中综合运用多种先进技术的一种产业形态。
C:先进制造业在产业层次、技术水平、管理理念和管理模式等方面区别于传统制造业。
D:先进制造业是一种面向实现制造企业的高精化、网络化、智能化、集成化和集约化生产的一种产业形态。
答案:A5.随着以互联网为基础的新一代技术的兴起，以及向工业领域的融合渗透，发达国家纷纷提出以智能制造为核心的再工业化战略，2012年当通用电气(GE)在全球范围内首次提出什么概念，被众多国家广泛接受。
（）A:工业互联网B:先进制造业伙伴计划C:工业4.0D:生产2000答案:A6.德国制造从工业革命开始就一直都是以细致、严谨著称，只生产精品。
（）A:错B:对答案:A7.一般对“隐形冠军”企业的定义主要包含哪三项（）A:全球市场占有率数一数二B:难以被超越和模仿的中小型企业C:销售额非常高D:鲜为大众所知答案:ABD8.当今环境下，先进制造的发展趋势是什么？（）A:绿色B:智能C:融合和服务D:超常答案:ABCD9.我国机械制造业面临的挑战？（）A:国内生产要素成本提高B:西方发达工业国家回归实体经济C:跨国集团公司技术优势D:发达国家和发展中国家在制造业上的双向挤压答案:ABCD10.关键零部件材料、工业软件等是我国制造业卡脖子的重灾区。
（）A:错B:对答案:B第二章测试1.在计算机技术发展的同时，现代设计技术的发展也是基于理论发展比如摩擦理论、疲劳理论等，而逐渐形成的方法，这种方法可以带来什么好处？（）。
《先进制造技术》教案
教案科目先进制造技术授课班级任课老师教案教案教案图1图2五、CAD/CAM集成系统的关键技术。
教案2、G00指令：——快速点定位；格式：G00 X Z ；用于刀具快速靠近工件与快速远离工件。
6、G01指令：——直线插补；格式：G01 X Z F ；适用场合：外圆、内孔、台阶、端面、圆锥、倒角、切槽等。
7、编程举例：（程序在此略）<总结><布置作业>教案一组刀具补偿值。
（3）F功能——进给功能；G99指定时，单位为mm/r；G98 指定时，单位为mm/min；2、程序编辑举例：程序在此略。
<总结><布置作业>教案<新课内容>第二章制造自动化技术第二节数控编程技术利用所学的功能指令代码编写下图的数车加工程序。
1、零件图分析该零件图为一阶梯轴的零件图，毛坯尺寸为Φ50，其余阶梯轴直径相差3到4mm。
在长度方向的尺寸中，零件的公差较小。
所以编程时以各自的基本尺寸为主进行尺寸计算。
2、确定加工工艺过程由于长度方向的公差较小，且没给出批量生产的说明，所以加工工序分三步，采用工序集中的原则：1）切端面2）粗车各阶梯3）精车各阶梯。
采用三爪卡盘装夹工件左侧，工件伸出长度为100，手工对刀，对刀点为工件右侧端面圆心，粗加工留给精加工的加工余量为1，粗加工的切削用量选择如下：V=600r/mm，F=0.3mm，ap=3mm，精加工的切削用量选择如下：V=1000r/mm，F=0.1mm，ap=1mm，3、程序编制<总结><布置作业>教案<新课内容>第二章制造自动化技术第二节数控编程技术一、圆弧指令1、G02：顺时针方向圆弧插补2、G03：逆时针方向圆弧插补3、G02、G03的指令格式：G02（G03）X Z R F顺逆的方向根据机床上的坐标来确定，一般是从第三轴的正向看向负向，如果圆弧为顺时针则用G02，如果圆弧为逆时针则用G03。
先进制造技总结
法
论
产品设计
系统化设计
(shèjì)理论公
理化设计(shèjì)
理论
通用化设计 (shèjì)理论
手段
TRIZ理论
设计工具和技术
第八页，共49页。
计算机辅助设计 优化设计 可靠性设计 有限元设计
工业艺术造型 (zàoxíng)设计 反求工程设计 模块化设计 相似设计 健壮设计 三次设计
2.2 数字化造型(zàoxíng)技术
*
*生产计划定义： *生产计划是关于企业生产运作系统总体方面的计划，是企业在计划期
应达到的产品品种、质量、产量和产值等生产任务的计划和对产品生 产进度的安排。
*生产计划是指导企业计划期生产活动的纲领性方案。 *生产计划按决策层面分为三大类： *总生产计划——战略层计划： *企业高层领导负责(fùzé)，确定总目标，提供所需资源。 *主生产计划——管理层计划： *主管生产部门负责(fùzé)，提出生产指标和产品任务计划。 *生产作业计划——作业层计划： *车间班组负责(fùzé)，配置设备和人力。
分析、动态分析、热特性分析等。
*通用程序：NASTARN, ANSYS, ASKA, SAP。
第十三页，共49页。
第3章 现代工艺规划(guīhuà)技术 （CAPP）
3.1 计算机技术在工艺设计(shèjì)中的 应用 3.2 修订式CAPP系统 3.3 生成式CAPP系统 3.4 专家系统CAPP 3.5 CAPP技术的发展趋势
制定标准工艺规程
零件种类和批量相对稳定。
将的推理和决策方法转 系统自动化程度较高, 换成决策模型、算法及 智能化程度较高。 程序代码，自动生成零 件的工艺规程。
模拟人类专家解决问题 智能化程度高, 的推理方式和思维过程，解决复杂而专门的问题， 对现实中的问题作出判 没有确定的算法。 断和决策。
先进制造技术基础_第2章_现代设计技术
北 京 大 学 出 版 社 大 机 械 系 列 规 划 教 材 之
先 进 制 造 技 术 基 础
第2章 现代设计技术
用户域
用户需求
需 求 1 需 求 n
功能域
功能需求
物理域
设计参数
过程域
过程变量
北 京 大 学 出 版 社 大 机 械 系 列 规 划 教 材 之
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图2.1 产品设计过程
先 进 制 造 技 术 基 础
先 进 了解绿色设计相关内容，掌握绿色设计原则及关键技术。 制 造 了解人工神经网络的发展、应用，掌握人工神经网络的 技 基本原理及补偿模糊神经网络的应用。 术 了解反求工程技术相关内容，掌握反求工程关键技术。 基 础
第2章 现代设计技术
推荐阅读资料
1. 2. 3.
张维刚, 钟志华．现代设计方法．机械工业出版社， 2005． 芮延年．现代设计方法及其应用．苏州大学出版社，2005． 王凤岐, 张连洪, 邵宏宇．现代设计方法．天津大学出版社， 2004．
北 京 大 学 出 版 社 大 机 械 系 列 规 划 教 材 之
先 进 制 造 技 术 基 础
第2章 现代设计技术
２．共存与突破的关系。设计方法的发展，从直 觉设计到经验设计以至现代设计，都有时序性、继 承性和两种方法在一定时期内共存性的关系。 【特别提示】 就目前现代设计所涉及的理论、方法的范畴来 看，可以认为它是由现代设计方法学、计算机辅助 设计技术、可信性设计技术、试验设计技术等多种 学科的交叉与融合。是传统设计技术的继承、延伸 与发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一 般、具体到抽象、感性到理性，逐步归纳、演绎、 综合而发展起来的。
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《先进制造技术》PPT课件
解：设裁去的四个小方块的边长为x，则 盒子的容积可表示成x的函数
f(x)＝x(6-2x)2
2021/3/26
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第二章
于是，上述问题可描述为
变量
x—设计变量
f(x)＝x(6-2x)2—目标函数
g(x)＝x>0 —约束条件
牛顿法（二阶梯度法） DFP变尺度法
Powell法（方向加速） 单纯形法
网格法
有约束 直接法
随机方向法
非线性 规划算
法
间接法
复合形法 拉格郎日乘子法
罚函数法
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可变容差法
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第二章
优 化 设 计 步 骤
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第二章
4)优化设计举例 如图对称两杆桁架：
2P＝300KN，2L＝1500mm，H＝900mm， E＝2.1×105N/mm，ρ ＝7.85×103Kg/m3， σs＝350N/mm2，D＝25-60mm、B＝3-8mm。 求解：满足强度前提下桁架重量最轻时的管径D及壁 厚B。
材料特征分为整体材料特征、表面处理特征及
局部处理特征，整体材料特征作为零件的属性，包
括材料种类代号、性能、热处理方法等，表面处理
特征作为表面的属性，包括表面淬火、渗碳、渗氮
等。
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第二章
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第二章
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第二章
只需要建立两张表就能描述任一复杂的物体， 一是点（立体的顶点）表；二是边（点的连线） 表，如图所示棱锥体，表2-1和2-2即为其全部 几何信息
先进制造技术第2章第3节2可靠性
可靠性工程的重要性主要表现在三个方面：
高科技的需要 经济效益的需要 政治声誉的需要
总之，无论是人民群众的生活，国民经济建设的需要出发， 还是从国防、科研的需要出发，研究可靠性问题是具有深 远的现实意义。
高科技的需要
现代科技迅速发展导致各个领域里的各种设
把应力s值在它一切可能值的范围内进行积分
P(c s) 0 f (s)g(s)ds 0 [0 f (c)dc]g(s)ds
当f (c) 和g(s)服从指数分布或正态分布时，
计算量不是很大。
三、系统可靠性预计和分配
系统可靠性预计和分配是可靠性设计的 重要任务之一，它在系统设计的各阶段(如 方案论证、初步设计及详细设计阶段)要反复进 行多次。
0
可靠性指标
(3)
平均寿命是指产品从投入运行到发生故障的平均 工作时间,θ。对于不维修产品又称失效前平均时 间MTTF(Mean time to failure)，
1 N
N
ti
i 1
失效率曲线
λ(t) 失效率
使用寿命 A
偶然失效期 早期失效期
B 规定的失效率
t时间 耗损失效期
失效曲线分析
“浴盆曲线”。 (a)早期故障期：产品早期故障反映了设
致整个系统故障的系统称串联系统。它属于非贮 备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。
1
23
……
n
系统可靠性模型(串联模型)
根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：
n
Rs (t) Ri (t)
i 1
式中 Rs (t)——系统的可靠度； Ri (t)——第i个单元的可靠度。
系统可靠性模型(串联模型)
先进制造技术202
2. 有限元分析方法
将零件看成是由有限个元素组成，通过对 每一个元素求解（位移、应力）来获取零件 整体的解。广泛用于零件和结构的分析和计 算中。
3. 计算机辅助设计
运用计算机强大的数据计算及信息处理功能 来完成设计工作，应用最广泛。
4. 面向产品全生命周期的设计
将并行工程思想用于产品设计中，在设计阶 段便综合考虑产品的整个生命周期中的设计、 加工、装配、测试、维修、销售及报废回收环 节的影响因素，全面评价产品设计，达到开发 周期短、成本低、质量高的目的。
是把设计、制造、生产和管理连成一 体，不仅在设计和制造过程中用计算机辅助技 术，而且在库存管理、生产计划、财务管理、 销售等方面也使用计算机完成，通过计算机通 信，控制实现信息共享和交换，使各部门协调 一致，成为一个整体。
2.CAD系统的网络化
基于网络技术的CAD系统技术迅速发展， 开放式、分布式计算机环境可以实现远程资 源共享。网络化CAD系统可以全面统一考虑 各个工作站的具体配置，从而用最低的成本 获得最好的效果。例如，可以只在个别工作 站上配备某些昂贵的软硬件，其它工作站可 以通过网络调用，不需要每个工作站上都具 备齐全的资源。
修改设计要求 开始
此过程是一个“设 计——评价——再设计”
确定设计要求
过程。由于设计的需求 再设计 是多方面的、模糊的，
指定设计方案
有时是矛盾的可行性方 案。一般有一定的范围，
分析设计方案
需要评价和选择，有时 需要人工判断。
评价设计方案
N 决策
Y 结束
2.2.4 详细设计CAD
1. 二维设计
在机械制造中通常用一组工程图来表达产 品的形状和尺寸，每个视图都是物体在某一 平面上的投影，反映产品几何形状的一个侧 面。因此需要二维设计，产生产品二维的几 何轮廓。
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第一节 先进制造系统的基本构成 第二节 物料流
第三节 信息流
第四节 先进制造系统的控制方式 第五节 约束与决策 第六节 面向21世纪的信息化制造
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第二章 先进制造系统的基础理论
第一节 先进制造系统的基本构成 第二节 物料流
第三节 信息流
第四节 先进制造系统的控制方式 第五节 约束与决策 第六节 面向21世纪的信息化制造
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第一节 先进制造系统的基本构成
二、制造系统基本构成
制造系统整体的性能是与系统各个组成部分之间是紧密相关的。在 制造系统运行过程中，无时无刻不伴随着物料流、信息流和能量流的 流动，并且制造系统中的物料流、信息流、能量流之间相互联系、相 互影响，形成一个不可分割的有机整体。 物料流是在整个加工过程中(包括加工准备阶段)物料的输入和输出 的动态过程，这种物料在制造系统中的运动称为物料流。 制造系统中的信息可分为静态信息(如工件尺寸、公差大小等)和动 态信息(如刀具磨损程度、资源状态、加工进程等)，信息在制造系统 中的作用过程称为信息流。所有这些信息不断地与制造过程的各种状 态进行信息交换，并综合、分析来自各方面的信息，从而有效地控制 制造过程，以保证制造过程的正常进行，提高制造系统的效率和产品 质量。 制造过程中的能量运动称为能量流。在制造系统中，能量是一切物 质运动的基础，其所有运动，例如物料的运动，均需要能量来维持。
制造系统物料流应以资源利用率最高和废弃物产生最小作 为目标，充分考虑优化产品生产周期过程中影响资源消耗的各 个环节。包括产品寿命终结后的处理，从而优化资源流动过程， 最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物。
制造过程是资源直接转化和资源直接消耗的主要环节，生 产同样的产品，不同的制造加工的设备、工艺方案和不同的工 艺路线，将会使得物料和能源的消耗不一样。如：产品包装方 式、运输状况、销售和服务状况(如是否回收用户消费后的产 品废弃物)都直接或间接影响资源消耗状况。
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第一节 先进制造系统的基本构成
一、制造系统基本概念 二、制造系统基本构成
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第一节 先进制造系统的基本构成
一、制造系统基本概念
国际生产工程学会(CIRP)1990年将制造系统定义为：制造系统 是制造业中形成制造生产(简称生产)的组织形式，而在机电工程产 业中的制造系统具有设计、生产、发运和销售的一体化功能。 制造系统作为由人、工具、材料组成的有机整体，存在狭义的 制造系统概念和广义的制造系统概念。狭义的制造系统仅仅研究产 品的设计、工艺、加工、装配等生产过程；而广义的制造系统除研 究生产过程外，其研究内容还包括市场、经营、销售、售后服务、 成本与财务等，即研究从经营决策开始直到售后服务、报废回收的 产品生产整个生命周期过程。 制造系统是制造过程所涉及的硬件(物料、设备、工具、能源 等)、软件(包括制造理论、制造工艺和制造信息等)和人员所组成 的一个具有特定功能的有机整体，将输入制造资源(原材料、能源 等)，通过制造过程输出产品或半成品，制造系统的运行过程包括 市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售 及售后服务等各个环节
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第四节 先进制造系统的控制方式
三、递阶式控制结构
递阶式控制结构：组织方式和控制结构是一种从上到下逐步细化的方式。递阶 式控制结构虽然增加了信息传递的环节，但降低了控制难度。 其主要特点： (1)异型多计算机构成控制系统。 (2)决策层之间维持刚性的上下级关系。 (3)上级协调下级的所有活动。 (4)每一层都有集中的数据库。 其主要优点如下： (1)可逐步实现。 (2)可以用冗余的计算机资源来增强系统的容错能力。 (3)可利用状态反馈信息。 (4)简化各控制模块自身的规模、功能和复杂性。 其主要缺点如下： (1)上层故障会造成下层控制的整体瘫痪。 (2)设备布臵的改变会影响到整个控制系统，因而使增加或删除设备变得非常困 难，难以满足未来修改的需要。 (3)由于通信延迟使上层决策往往滞后于下层状态的变化，甚至基于对下层信息的 估计上，会造成控制失误，难以满足动态适应性要求。 (4)局部控制器的计算能力有限。 · (5)通信可靠性随递阶层次增多而降低。
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第二章
先进制造系统基础理论
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第四节 先进制造系统的控制方式
四、分布式控制结构
分布式控制：把制造系统的各种功能模 块看成是一个个自治的实体，实体间以一定 的协议相互协商解决问题。 1．非等级控制 非等级控制策略主要包括排队策略、任 务投标策略、协商策略、协作策略等。
(1)排队策略。在排队策略中，当一项新任务进入系统时，系统按照预先约定的原则把 它分配到一个单元，这种原则可以是最短排队长度原则或最先可用单元原则。 (2)任务投标策略。当一项新任务进入投标系统时，各单元把任务的处理要求及规范与 自己的能力进行比较，有能力完成该任务的单元参加投标。按照预先约定的判据，投 标值最高或最低的单元将获得该项任务。 (3)协商策略。当一项新任务进入协商系统时，有能力完成该项任务的单元与另一试图 承担该项任务的单元协商。每一个单元内均包含本单元的所有信息，包括本单元能加 工的零件族、可用的排队场地等。每一单元仅试图获得自己能完成的任务，它将总是 试图按照自己的能力和当前的负荷状况，估计自己完成该任务的效率来获得这项任务。 (4)协作策略。协作策略形式上与协商相似，但原理上与协商不同。在协商方式中，各 单元为获得任务而竞争；而在协作方式中，各单元为系统任务更好址分配而协作。协 作策略可采取许多形式，包括资源共享和任务交换。
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第一节 先进制造系统的基本构成
二、制造系统基本构成
制造系统静态分析是在不考虑时间因素情况下研究制造系统的各组成要素， 要素之间的相互关系及子系统与分系统，系统与环境之间的相互关系。 以系统论的观点，任何系统的功能都可以抽象为一个利用系统资源，在满 足系统约束和目标的前提下，将从系统环境中获得的输入转换为输出的过程。 制造系统根据订单和市 场预测安排的生产计划， 利用制造资源(包括人员、 机床设备、刀量夹辅具、 技术、相关的产品数据和 计算机软、硬件等)，在 生产过程中采用相应技术 实现产品的生产，以最适 当的制造成本，在最适当 的时间生产出客户需要的 产品以获取最大利润。
(3)可重构性／适应性。可重构性是指在已存的控制系统中增 加或拆除部分控制单元并重构成新系统的可行性，动态的可重 构性是指在系统运行过程中进行重构的性能。适应性是指控制 系统对制造环境迅速变化的适应性能。
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第四节 先进制控制结构的特点是对整个制造系统中的信息统一处 理，拥有一个全局数据库以记 录系统各种工程活动，每一制 造实体都和中央处理单元连接。 其主要特征如下： (1)集中控制单元由一台强功能计算机构成。 (2)所有控制决策功能由集中控制单元承担。 (3)全局数据库记录系统的全部活动。 其主要优点如下： (1)全局信息可共享。 (2)可全局优化。 (3)唯一的系统状态信息源。 其主要缺点如下： (1)响应速度慢且不一致。 (2)控制任务的完成依赖于唯一的集中控制单元。 (3)控制软件难以更改。
调执行。
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第四节 先进制造系统的控制方式
一、制造系统对控制结构的要求 二、集中式控制结构
三、递阶式控制结构
四、分布式控制结构
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第四节 先进制造系统的控制方式
一、制造系统对控制结构的要求 (1)可靠性／容错能力。可靠性是对系统按照规定指标无故障 连续运行性能的度量，而容错能力是指系统在状态恶化，甚至 发生故障条件下继续运行的能力。 通常，容错期由四个阶段组成：故障原因检测、损坏范围 确定和程度评定、故障原因处理、故障恢复和继续系统服务。 (2)可更改性／可扩展性。可更改性是指对已存控制系统的部 分控制单元进行更改和调整的可行性，而可扩展性是指扩展已 存控制系统的功能时，将新控制单元加入系统的可行性。
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第一节 先进制造系统的基本构成
二、制造系统基本构成 制造系统是由众多的要素和子系统组成的有机整体，因 而在子系统与要素之间存在着组织、协调等管理问题。制造 系统是过程系统与结构系统的统一，因此制造系统理论应该 实现过程研究与结构研究的统一，即制造系统理论应该实现 静态分析与动态分析的统一。 过程系统是指其产品的生产从设计、工艺、加工、装配 到检测出厂是一个随时间变化的序列系统。对于过程系统， 一般宜采用分析的方法，在对各环节分析的基础上进行综 合。 结构系统指制造系统在空间上具有一定的结构形态。对 于结构系统，宜于采用综合的方法，在综合的基础上再对 结构进行分析。
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第四节 先进制造系统的控制方式
为了便于对控制系统进行研究，人们把一个复杂 的控制系统分为若干组成部分(控制单元)，控制结构 描述了控制系统中各控制单元的决策职责和权限及各 控制单元之间的协调关系。控制系统的职责分配在相
应控制结构的各控制单元之中，并通过各控制单元协
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第二章 先进制造系统的基础理论
第一节 先进制造系统的基本构成 第二节 物料流
第三节 信息流
第四节 先进制造系统的控制方式 第五节 约束与决策 第六节 面向21世纪的信息化制造
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第二章
先进制造系统基础理论
之
第二节 物料流
制造系统中的所有资源构成制造资源，制造资源是制造系 统存在和运行的物质基础。 狭义制造资源包括物料(原材料、坯料、半成品等)、设备 (机床、生产线等)、能源(电能、燃料等)、其他(土地、厂房、 工具等)；广义制造资源不仅包括物料、设备、能源、土地、 厂房、工具等，还包括资金、技术、信息、人力等。 制造系统中将制造资源转变为产品或零件的制造过程，实 质上是一个物料流动的动态过程。 根据制造系统的定义，制造系统是一个输入制造资源(原材 料、能源等)通过制造过程而输出产品(包括半成品)的输入输 出系统，它同时产生废弃物，并可能造成环境污染。