青科大先进制造技术 答案

第一章：
1、制造的概念
狭义：为机电产品的机械加工工艺过程
广义：国际生产工程学会1990年：
制造是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、四次产业革命
一、第一次产业革命：1733-1878
1）又称为：蒸汽革命。

2）产业革命的标志：瓦特发明的蒸汽机。

3）英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明
4）制造业和瓦特的发明推动了热力学理论的诞生。

二、第二次产业革命：1879-1945
1）又称为：电气革命。

2）产业革命的标志：电灯（爱迪生）、电话（贝尔）、电机（西门子）等电气化产品。

3）制造业肇始了电的应用，而后才有麦克斯韦电动力学理论的诞生。

4）麦克斯韦电动力学理论推动了20世纪初开始的无线电、微波、雷达、合成孔径、微波成像、卫星通信、宇宙微波探测等技术的发展。

5）牛顿力学和电动力学又为量子力学的发展指引了道路，导致了量子场论的创立。

三、第三次产业革命：1945-1972
1）又称为：电子（原子）革命。

2）产业革命的标志：原子弹（1945）、电子计算机（1946）、晶体管（1948）、集成电路、微电子技术等。

3）微电子制造技术开创了全新的信息时代。

四、第四次产业革命：1973-
1）又称为：高新技术产业革命。

2）产业革命的标志：众多高新技术产品，如微电子产品、电脑、新一代通信产品、新一代汽车、磁悬浮列车、新一代飞机、机器人、生物工程产品、新一代药物、绿色食品、转基因产品等等。

3）微器件制造工艺，如拉单晶、掺杂、扩散、离子注入、外延、溅射、化学沉积（CVD）、光刻、表面贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把高新技术产业革命推向顶峰。

3、先进制造技术的概念、体系结构、学科内容
课本P12
第二章：
1、现代设计的概念
▪现代设计：现代产品设计强调全生命周期设计，即产品设计是一个“设计-评价-再设计”的反复迭代过程。

在产品的整个生命周期中，设计定型并不意味着设计工作的结束，只要产品还在生产和销售，就必将反馈大量的用户信息和生产制造信息，并要求对产品不断进行修改。

因此，设计贯穿于产品的整个生命周期。

▪现代设计技术：现代设计技术是以满足市场产品质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多学科方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。

2、现代设计的体系结构
⏹基础技术传统的设计理论及方法，特别是运动学、静力学及动力学、材料力学、结
构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理及方法等方面。

⏹主体技术计算机科学及计算机辅助技术（如计算机辅助设计、智能CAD（Intelligent
CAD——ICAD）、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等）
⏹支撑技术设计方法学、产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的多种理论及
方法及手段的支撑。

⏹应用技术针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机
械、精密机械的现代设计内容，可以看作是现代设计技术派生出来的丰富多彩的具体技术群。

3、计算机辅助设计的关键技术
1 几何造型技术
2 主模型技术及相关性设计
3 CAD及其它CAX系统的集成技术
4 标准化技术
4、有限元单元类型
✧板（壳单元）单元：三角形、四边形单元
薄板：实际结构的板的边长>板厚的5～10倍。

✧壳：圆筒、球、椭圆等的曲面板状结构。

外径（R）及板厚（t）比R/t>5即视为壳。

✧实体单元：六面体、五面体、四面体
✧轴对称单元
分别采用轴对称梁单元和轴对称板单元。

✧刚体（Rigid）单元
✧质量单元
✧弹簧单元
✧阻尼单元
✧间隙单元
✧焊接单元
5、有限分析的步骤
⏹前处理
⏹几何模型
⏹网格模型
⏹单元、材料特性
⏹约束条件
⏹载荷条件
⏹求解
⏹选择分析类型，确定求解软件
⏹后处理
⏹输出结果：应力、应变、变形、温度等，进行评价
6、有限元分析、CAE的主要工具软件系统
课本P41手写
7、反求工程的概念、分类、测量系统、软件工具
⏹逆向工程(Reverse Engineering,RE)：由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行
准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合反求软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行快速成型或CNC数控加工。

⏹逆向工程技术:
“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称.
逆向工程分类
⏹(1)实物逆向：在已有实物条件下，通过试验、测绘和分折，提出再创造的关键；其
中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的逆向。

实物逆向对象可以是整机、部件、组件和零件。

⏹(2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、
管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。

软件逆向中有三类情况：1)既有实物，又有全套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实物，仅有全套或部分技术软件。

⏹(3)影像逆向：无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和
影视画面等，要从其中去构思、想象来逆向，称为影像逆向，这是逆向对象中难度最大的。

影像逆向本身就是创新过程。

目前还未形成成熟的技术。

一般要利用透视变换和透视投影．形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。

逆向工程测量系统
⏹接触式测量
根据测头的不同，可分为触发式和连续式。

如三坐标测量机
⏹非接触式测量
根据原理的不同，可分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。

▪三坐标测量机，逐点扫描，速度慢。

Imageware是著名的逆向工程软件
8、绿色设计、绿色产品的概念，及普通产品的不同
⏹绿色产品（Green product , GP），又称环境协调产品（Environment Conscious Product，
ECP）。

可这样定义：GP就是在其生命周期全过程中，符合特定的环保要求，对生态环境无害或危害很小，资源利用率很高，能源消耗低的产品。

绿色设计
⏹绿色设计（Green Design，GD）又称生态设计（Ecological Design，ED），环境设计
（Design for Environment，DFE）等。

可这样定义：绿色设计是在产品的整个生命周期内（设计、制造、运输、销售、使用或消费、废弃处理），着重考虑产品的环境属性（自然资源的利用、对环境和人的影响、可拆卸性、可回收性、可重复利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑并保证产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。

9、绿色设计的材料选择原则
绿色设计的材料选择原则：
⏹1、减少所用材料种类。

Whirlpool公司把包装材料从20种减少到4种，处理废物的
成本下降了50％以上，材料成本降低，性能提高。

⏹2、减少在加工过程中对环境产生负面影响的材料。

（能源）
⏹3、选用易回收材料或能再生材料。

美国设计师利用再生材料制成的双层波纹板代替
木板制成包装用托架，及同强度木材比重量减轻3/4，节约了木材资源和运输成本，
且能循环处理利用。

（塑料/铝）
⏹4、选用废弃后能自然分解并能为自然界吸收的材料。

如废弃后能在光合作用或生化
作用下自然分解的塑料制品包装材料。

⏹5、尽可能选择无毒、无害的材料。

10、可拆卸性设计和可回收性设计的原理
（影响因素？设计准则？）
第三章
1、柔性制造技术的分类
1.柔性制造单元
2.柔性制造系统
3.柔性制造线
4.柔性制造工厂
2、柔性的含义
1．设备柔性：指制造系统中能加工不同类型零件所具备的转换能力，其中包括刀具转换、夹具转换等。

2．工艺柔性：能以多种工艺方法加工某一零件组的能力。

如镗、铣、钻、铰、攻螺纹等加工。

3．工序柔性：能自动改变零件加工工序的能力。

4．路径柔性：能自动更变零件加工路径。

如遇到系统中某台设备的故障,能自动将工件转换到另一台设备上加工。

可以根据负荷,自动改变加工路线,提高利用率,减少等待时间。

5．产品柔性：产品改变时能经济、迅速的转产。

6．批量柔性：能在不同批量下运行都能获取经济效益。

7．扩展柔性：能根据生产的需要组建和扩展生产能力。

3、柔性制造系统的组成，加工系统的机床配置形式、加工系统的组成、物料运储系统的分
类和构成
一个柔性制造系统一般可概括为由下列三个部分组成，一是可编程控制的加工系统，二是自动化的物料储运系统，三是计算机控制系统。

FMS机床配置形式
⏹FMS中机床设备的配置有互替式、互补式及混合式多种形式
⏹所谓互替式就是指纳入FMS中的机床是可以互相代替的。

从系统的输入和
互替式配置的机床输出的角度来看，互替式机床之间是一种并联关系，工件可随机输送到系统中任何一个恰好空闲的工位进行加工，若某一工作台发生故障，系统仍能维持正常的工作。

⏹所谓互补式配置就是纳入系统的机床是相互补充的，各自完成某特定的工作，各机
床之间不能相互代替，工件在一定程度上必须按照顺序经过各加工工位。

⏹鉴于互替式和互补式配置的各自特点，现有FMS大多采取互替机床和互
补机床的混合使用形式。

加工系统由两台以上的数控机床、加工中心或柔性制造单元、工业机器人及其它加工设备所组成，例如测量机、清洗机、动平衡机或各种特种加工设备等，用以完成多种工序的加工。

4、虚拟制造的概念、分类、特点
虚拟制造：Virtual Manufacturing, VM ，是国际上近年来提出的一项新型制造技术，就是利用仿真及虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测等，并进行过程管理和控制。

分为以设计为中心的虚拟制造Design-centered VM ，如虚拟样机；以生产为中心的虚拟制造Production-centered VM ；以控制为中心的虚拟制造Control-centered VM ，其实现工具为虚拟仪器
虚拟制造的特点
及实际制造相比较，虚拟制造的主要特点是：
⏹ 1)无需制造实物样机就可以预测产品的性能，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、
制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不必依赖于传统原型样机的反复修改。

⏹ 2)可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，
相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗来响应市场变化。

⏹ 3)提供关键的设计和管理决策对生产成本、周期和能力的影响信息，以便正确处理
产品性能及制造成本、生产进度和风险之间的平衡，作出正确的决策。

⏹ 4)提高生产过程的开发效率，可以按照产品的特点优化生产系统的设计。

⏹ 5)通过生产计划的仿真，优化资源的利用，缩短生产周期，实现柔性制造和敏捷化
制造。

⏹ 6)可根据用户的要求修改产品设计，及时作出报价和保证交货期。

自动
物料
系统 机器人及机械手 储存
设备 运输
设备 物料进出站
自重输送 传送带 运输小车 立体仓库 托盘站
刀具库 工业机器人
通用机械手
专用机械手
堆垛起重机 AGV
架空单轨小车
牵引/有轨小车 步伐式 链带式 辊轮式
履带式
滚导 滑导
⏹7)产品开发中可以及早发现问题，及时进行更正。

5、虚拟样机的本质
⏹本质：是一种模拟仿真技术，涉及多体系统运动学、动力学建模理论及其技术实现，
是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术等综合应用的技术。

6、多体系统动力学模型组成
多体系统动力学模型组成――部件（Part）、约束（Constraint）、作用力（Force）和自定义的微分－代数方程（Algebraic and differential equation）。

⏹部件：在动力学中，主要关注部件惯量大小，及实际零部件不一定一一对应。

⏹约束：约束用来对一个或多个部件的运动做出限制。

如各种运动副。

⏹作用力：力（矩）、作用力和反作用力、集中力和分布力、线性和非线性力等。

可以
是任意状态变量的函数。

⏹自定义的微分－代数方程：对于一些特殊要求，可加入用户所需的方程。

7、虚拟样机分析流程、分析策略
虚拟样机仿真分析流程
⏹多体系统力学分析主要任务是进行运动学、动力学和静力学计算，这样的软件一般
包括三个模块：前处理模块、求解模块、后处理模块。

⏹前处理：各种参数输入，建立分析模型；
⏹后处理：结果数据处理，如生成曲线、数表、动画等。

⏹求解：是核心部分，自动生成系统的动力学方程，并提供静力学、运动学和动力学
的结算结果。

虚拟样机仿真分析策略
在进行虚拟样机仿真分析时，常用以下策略：
（1）应采取循序渐进、从简单分析逐步发展到复杂的机械系统分析的策略。

⏹在最初的仿真分析建模时，不必过分追求构建几何形体的细节部分同实际构件完全
一致，此阶段的关键是能够顺利进行仿真并获得初步结果。

此时，只要仿真构件几何形体的质量、质心位置、惯性距和惯性积同实际构件相同，仿真结果是等价的。

⏹等获得满意的仿真分析结果后，再完善构件几何形体细节和视觉效果。

⏹如果样机模型中含有非线性阻尼，可以从分析线性阻尼开始，之后再分析非线性阻
尼。

（2）子系统—〉整个系统分析。

⏹在进行复杂机械系统仿真分析时，可以将整个仿真系统分解为若干个子系统，先对
这些子系统进行仿真分析和试验，逐个排除建模仿真过程中隐含的问题，最后进行整个系统的仿真试验。

8、CIM/CIMS的概念、定义和来源
CIM：计算机集成制造课本P107 信息的“集成”
CIMS：计算机集成制造系统课本P107 基于CIM的优化制造系统
9、CIMS的递阶控制系统
CIMS的递阶控制系统
⏹所谓递阶控制（Hierarchical Control），是一种把所需完成的任务按层次分级的层状
或树状的命令/反馈控制方式。

⏹高一级装置控制次一级装置，次一级的功能更具体，而最后一级就是完成要求的最
具体的最后一道任务。

美国国家标准局提出了著名的5级递阶控制模型，分别是：工厂层、车间层、单元层、工作
站层和设备层。

10、网络制造和敏捷制造的特点和区别
敏捷制造特点：（1）技术研发能力（2）生产的柔性能力（3）个性化生产（4）企业间的动态合作（5）激发员工的创造精神（6）新型的用户关系
网络化制造的特征: 网络化制造的特征、覆盖了企业生产经营的所有活动和产品生命周期的各个环节、以快速响应市场为实施的主要目标之一、突破了地域限制、强调企业间的协作及社会范围内的资源共享
第四章
1、MEMS的含义
MEMS的含义
⏹微机电系统是由电子和机械元件组成的集成化微器件或系统，它是采用及集成电路
兼容的大批量处理工艺制造的，并且尺寸在微米到毫米之间。

它将计算、传感及执行融为一体，改变了我们感知和控制自然界的方式。

⏹MEMS主要包括三部分：微型传感器、执行器和相应的处理电路。

2、快速成型的概念、原理、图形识别
快速成型(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。

基于材料累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。

快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。

3、精密加工的环境要求
加工环境
⏹要求恒温、恒湿、洁净、隔绝振动
⏹（1）洁净度：在高洁净室内进行加工，无灰尘。

通常要求洁净度为100级（每立方
英尺空气内大于0.5μm的灰尘粒不超过100个）以上的洁净室。

⏹（2）温度：环境温度控制在20±0.06℃之间。

⏹（3）湿度：在40％～50％RH之间。

低于40％，会产生静电，高于50％会生锈。

⏹（4）气流和压力：室内气流以均匀速度向同一个方向流动；室内压力高于室外，保
持正压。

⏹（5）振动：带防振沟的隔振地基；把机床放在地下室；使用隔振气垫。

4、MRP概念、发展
MRP:物料需求计划
20.40 库存控制订货点法、20.60 时段法MRP、20.70 闭环MRP、20.80 MRPII、20.90ERP 5、精益生产的概念
精益生产其实指的就是丰田生产方式。

简言之，精益生产就是及时制造，消灭故障，消除一切浪费，向零次废品、零库存进军。

6、丰田的看板系统、生产方式特点，优势
丰田生产系统实际上由准时制生产和自动故障检报两大支柱组成，再辅之以全面质量管理发展而成。

我国以及西方各国，往往是将丰田生产系统同JIT等同起来，其实自动故障检报是丰田生产系统必不可少的组成部分，否则是无法减少库存、无法实施JIT的。

7、PDM的功能、原理
PDM的主要功能概述
1.电子仓库和文档管理功能
2.工作流及过程管理
3.产品结构及配置功能
4.零件的分类和检索管理
5.工程变更管理
6.项目管理
7.浏览及圈阅服务
8.扫描及成像服务
9.电子化协作
10.系统定制
PDM基本原理
④权限管理
为保证数据安全性，在PDM系统中，必须对所有的系统用户按其所承担的任务或角色分别进行入口控制；
④系统集成
将各种不同的应用系统集成为一个有机的整体，是ＰＤＭ的核心任务之一，集成之后，各个软件将不在是“信息孤岛”；
④数据管理
主要是对产品信息和其他业务数据的管理．产品信息包括业务对象和数据对象两种；
④过程管理
又称工作流管理，即对产品形成过程进行有序的管理．首先应该确定过程的结构，其中包括所有及此过程相关的活动．每一个活动对应一项功能，每一项功能需要具体的执行者，该执行者必须具有相应的权限
④项目管理
主要包括进度管理和任务管理：前者针对项目的时间进度进行规划和控制；后者包括了完整的建模内容；
⏹3定原则：
⏹定点：放在那里合适
⏹定容：用什么容器、颜色
⏹定量：规定合适的数量
5S起源于日本，指的是生产现场中对人员、机器、材料、方法等生产要素进行
有效管理，是日式企业独特的一种管理方法。

其中：
●整理:区分必需品和非必需品,现场不放置非必需品；
●整顿：将寻找必需品的时间减少为零；
●清扫：将岗位保持在无垃圾、无灰尘、干净整洁的状态；
●清洁：将整理、整顿、清扫进行到底，并且制度化；
●素养：对于规定了的事，大家都要遵守执行。

数据模型
表示数据和数据之间的联系的方法称为数据模型。

层次模型
网状模型
关系模型
实体联系模型(E-R模型)
实体描述客观事物的概念
属性指实体具有的某种特性
联系。