制造业与先进制造技术概论

表
镀层
面
表面合金化
处
改变残余应力状态
理
离子溅射……
用化学或物理方法在基体表面镀上涂层 如渗碳、渗氮等 如喷丸、表面挤压或滚压等 用离子束从表面去除材料或注入材料
固
粉末冶金
化
复合材料
联
焊接
结
粘接
仿
原子操作技术
生
克隆制造
加
定向生长
工
金属粉末成形并烧结 如碳纤维复合材料 通过局部熔化而形成材料的连接 使用粘接剂进行密封或连接
这一类的技术涉及生物技术、生命科学、 材料科学等多学科领域，是目前最前沿 的技术领域之一，也是研究最为活跃的 领域之一。
在硅基板上定向生长的碳纳米管
用48个铁原子排列在铜表 面上形成一个圆形围栏
纳米小车
纳米机器人
纳米差分齿轮
纳米泵
2. 机械制造技术发展的主要特点
传统加工 减材加工 制造死物
他成形
减
切削加工
量
电火花加工
制
电化学加工
造
其它
等
轧制
量
板料成形
制
挤压
造
Biblioteka Baidu锻造
通过去除材料，获得具有一定形状、 尺寸和性能的零件。
这一类别的制造方法，仍是目前机 械制造中应用最为普遍的。
热轧、冷轧 如弯曲、拉延、翻边等 通过模具挤压成形 通过塑性变形，形成所需要的毛坯
相
铸造
变
注塑成形
过
热处理
程
将熔化的金属注入铸型中凝固成形 将熔融的塑料注入模腔成形 通过热处理改变材料的性能
2. 生态型制造模式
所谓生态型制造模式就是在制造过程中对环境影响小，且资源消耗少的生产 模式。
3. 可持续制造工厂
可持续制造工厂的建立，各个国家都仍处在探索之中。它与传统工厂相比应 具有这样一些特点：它是建立在高科技基础上面向21世纪的，能极大地减少制造 过程中对环境的冲击，能最有效地使资源得到利用。
二、物流域活动
物流是物料的流动。物流按物料的性质不同分为工件流、工具流和配套流三 种。
1. 物流的概念
工件流 工具流 配套流
由原材料、半成品、成品构成 由刀具、夹具等构成 由托盘、辅助材料、备件等构成
2. 物流的发展趋势
物流的5个“优”（right）服务：
把好的产品 （The right product）
先进制造技术
第一章 制造业与先进制造技术概论
第一章 目录
★第一节 制造行为的“三域”活 动 ★第二节 制造理念的更新 ★第三节 制造技术的创新策略
★第四节 自适应企业策略
第一节 制造行为的“三域”活动
制造业是一切生产和装配成品的企业群体的总称，制造业共包括30行业。
制造是指：
制造过程中的行为活动
特种加工 增材加工 制造活物
自成形
3. 先进制造技术的发展趋势
4. 大制造的涵义
由下图可知，制造已不仅仅指基本制造功能，还包含市场分析、生产计划、 营销、服务等功能，这就是所谓的大制造的涵义。
网络经营 管理决策
系统
CAPP
机床 量仪
产品
人/组织机 构
刀具 工具
生产管 理局网
外网
门户网站
CAD/CA M/CAE
②连续输送装置
连续输送装置是用来将物料沿固定路线连续移动的装置。如带式输送系统、 槽式输送系统、辊子输送系统、随行夹具返回装置等。
③吊车和卷扬机
吊车和卷扬机是高架设备，可在有限范围内间歇地移动物品，如行车、悬 臂吊、卷扬机等。
④运货车
手推车或机动车能沿可变线路移动物料，如手推车、叉车、电瓶车等。
加工 物流 信息流
三域
一、加工域活动
加工域活动是指直接改变零件形状、尺寸和性能的行为活动（工艺过程）， 是制造行为的基础域活动。
1. 机械制造技术的主要类别
立体光刻SLA 增
分层实体制造LOM 量
选择性激光烧结SLS 制
熔融沉积成形FDM 造
其它
使用激光照射光敏树脂固化成形 使用激光或刀片切割粘性层片层叠成形 使用激光烧结粉末材料成形 将热塑料通过喷嘴挤出后固化成形 其它成形方式
大量定制生产 ①产品设计模块化；②产品改进参数化； ③组织机构扁平化；④生产制造客户化； ⑤采购销售链接化；⑥竞争方式团队化。
可持续发展 技术、知识
很高 很低 纳米技术 智能化、自动化
短 柔性 工序集中 微观
二、加工工艺系统
在机械加工中，由机床、夹具、工件和刀具组成的系统称为工艺系统 （machining complex）。随着制造模式的变化工艺系统的构成也有了新的变化 （如图所示）。在虚拟制造中整个工艺系统都存在于计算机系统中。
经济效益 规模效益、价格 自然资源、劳动、设备
低 高 机械加工技术 手工、机械、生产线 长 刚性 分散 宏观
以人为本 等量制造比例加大 经济效益、社会效益 质量、市场响应速度
信息、资本 较高 较低
信息、机电一体化技术 自动化 较短 柔性
倾向于工序集中 宏观
以环境为本 增量制造比例加大
生态效益、社会效益、经济效益
2. 加工过程的信息域活动
加工过程就是将设计对象物化的过程，在这一过程中，会产生大量诸如力、 热、变形、误差等物理信息。对这些信息进行采集、处理和控制的过程就是加工 过程信息域的活动。
CNC技术是目前最主要的先进制造设备，其原理如下图所示：
编
伺服驱动
X轴
零 件
手工
制 零
设
件 加
CNC
伺服驱动
Y轴
计 自动 工
在规定的时间内 （At the right time）
规定的地点 （In the right place）
客户
合适的价格
以需要的数量
（At the right price） （In the right quantity）
3. 物流域活动的主要装备
①夹具
夹具是用来对工件进行定位和夹紧的，这一过程称为安装或装夹。夹具的 发展方向是高精、高效、模块、组合、通用、经济。
⑤自动导向小车（AGV）
自动导向小车（AGV Automated Guided Vehicles）是一种由计算机控制并 按一定程序自动完成运输任务的运输工具。
AGV的4项性能指标：最大载重、最高行驶速度、准停精度和制导方式。
⑥自动化仓库
柔性物流系统以自动化中央仓库为中心，依据计算机管理系统的信息，实 现毛坯、半成品、成品、配套件和工具等的自动存储、自动检索、自动输送等功 能。
应用虚/实集成加工单元的优点是避免机床碰撞、消除零件试切、缩短生产 周期、延长刀具寿命、提高生产率、增强竞争能力。
应用 实例
四、可持续制造
资源、环境和人口是当今全球关注的三大热点问题。可持续发展已被公认为 21世纪的生产发展模式。
可持续发展是指既能满足社会当前的需求，又不危及子孙后代满足其需求的 一种发展模式。
图
程
序
伺服驱动
Z轴
加工过程信息域的活动还包括虚拟加工中的数字化仿真与分析。
3. 物流过程的信息域活动
物流过程的信息域活动，包括对传输装置数量与布局的信息、被传输物料信 息、经济效益信息等的监控与管理。具体内容如下：
系统布局及设 备、人员配备
物流设备的类型、数量及布局；自动化中央 仓库的类型、库容及布局
物体任一部 分的设计都 应满足功能 需求，且基 于艺术与工 程的结合。
设计是创造 一个迄今尚 不存在的产 品（硬件、 软件或一个 系统）的过 程。
设计 是一 个决 策过 程。
设计就是 制作原始 计划、草 图和方案 等。
②设计过程信息域活动的内容
设计过程信息域活动就是将概念、构思映射成数字化物理模型的过程，这需 要CAD系统的支持。
机床
夹具
计算机 人
工件
刀具
机床
夹具
工件
刀具 计算机虚拟工艺系统
三、虚/实集成加工单元Virtual/Practical Integrated Material Processing Cell
V-CNC系统是一种通用的数控仿真软件系统，可对车、铣等数控加工进行仿 真和分析。虚/实集成加工单元（VPIMPC）构成如图1.2.3（P23）所示。
先进制造技术
先进制造技术
绪论
一、本门课程的作用
二、制造业涉及的主体功能
三、本课程的有关说明
1. 学时
本课程教材总学时大约45学时，课堂讲授30学时。
2. 特点
本门课程的特点可归纳为：新、多、杂、变几个字。 新是指本课程的内容大都是近10余年发展起来的技术。多和杂是指本课程 内容多而且庞杂，结构不是十分清晰。变是指随着制造技术的发展，本教材中的 一些内容，甚至是概念都有可能发生变化。 基于上述特点，同学们除了进行课堂学习之外，还需要进行适当时间的自 学，并要不断地了解先进制造技术新的发展。
可持续发展的程度可用人口、物质生活水平及环境效率来定量描述：
环境负担
人口
GDP
人口
环境负担
GDP
其中：GDP/人口是指每个人平均享有的GDP，即人的物质生活水平；环境 /GDP表示环境效率，即产生一份GDP消耗的环境资源。
要实现可持续制造，需要着重解决如下问题。
1. 资源传递的延伸技术
通过再造工程延长机器、工具、零件等的传递周期，通过资源循环利用及废 弃物再利用，使资源得到充分利用，减少对环境的冲击。
刀库、工件缓冲站的大小及布局；加工设备 的类型、数量及布局
系统运行模式
物料的运输路线；工件运输的调试策略 系统内托盘的最大数量 运输设备故障率；系统的持续运行时间
经济效益评估
系统的投资规模；系统的资金周转； 刀具、夹具、托盘的投资 生产成本信息；投资效益评估等
4. 管理中的信息域活动
管理中的信息域活动就是利用管理信息系统（MIS）对各种管理信息进行收 集、传输、加工、存储和使用的过程。
关键特性
大批量生产方式
通过稳定的可控制的市场得到高的效益 获得较低的生产成本，满足大多数人的需要
稳定的需求 大的、单一种类的市场 低成本、相同质量的产品和服务 很长的产品开发周期 长的产品生命周期
大量定制生产方式（MC）
通过柔性和快速反应使产品多样化和定制化 提供足够多的产品和服务，以满足用户个性化的 需求，并能使用户承担得起 变化的需求 不同类的产品，分化的市场 低成本、高质量的定制化产品和服务 短的产品开发周期 短的产品生命周期
先进制造技术（Advanced manufacturing technology, AMT）尚无统一的定 义，一般可以认为：AMT是制造业不断吸收机械、电子、信息、能源及现代系统 管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使 用及服务乃至回收的全过程的新的制造技术的总称。
AMT的主要特征是：
使用自动仓库的优势：降低仓储成本、提高保管质量、增强市场响应能力、 有利于环境保护。
⑦机器人
物流中应用机器人可用于装卸工件、传输物料等
三、信息域活动
处在信息化时代的制造业及制造系统将会最大限度的“数字化”，信息域活 动亦可认为是数字化活动。
1. 设计过程的信息域活动 ①设计的概念
什 么 是 设 计？
2. 大量定制生产的理论和方法
大量定制生产是把多品种单件小批生产与大批量生产的优点集中起来，解 决多品种单件小批生产与大批量生产的缺点，适应现代市场经济的发展。大体上 说，大规模定制生产主要是基于以下理论和方法得以实现其目标的，如下图。
大批量生产 ①批量大，品种少； ②效率高，成本低。
融合
单件小批生产 ①批量小，品种多； ②效率低，成本高。
集成性
多学科渗透、交叉、融合
动态性
每一域的先进技术都在继续发展
数字化
指模型数字化、信号数字化等
可持续性
能实现低消耗及绿色生产
第二节 制造理念的更新
一、制造模式
制造模式指的是制造系统的构成及运作方式。制造系统的构成及运作方式， 依赖于制造技术的进步，也依赖于制造理念的更新。
可以把制造业的发展划分为3个阶段：传统制造、现代制造、后现代制造。 其生产理念也随之不断更新。
制造企业的管理信息可分为三大类：
人力资源管理
企
业
财务管理
管
理
物业资源管理
人事管理
人力资源管理
人
力
培训计划
资
绩效评估
源
管
报酬管理
理
人力资源测评
……
总账管理
工资管理
财
务
固定资产管理
管
理
成本管理
……
销售管理 采购管理
库存管理
物
业
计划管理
资
车间管理
源
管
制造技术管理
理
质量管理
设备管理 ……
四、先进制造技术的内涵与特征
制
传统制造阶段
以“产”为本的理
造
念
业 的
现代制造阶段
对
以“人”为本的理
比
念
发
展
后现代制造阶段
以环境为本的理念
制造理念 生产方式 生产目标 竞争优势 资源配置方式 资源利用率 对环境的影响 核心技术 生产组织方式 制造时间 制造灵活性 工序集中度 制造尺度
不同制造理念的比较
以生产为本 以减量制造为主
五、大量定制
电子商务的发展使数字化定制生产不仅变得必要，而且也成为可能。
大量定制（mass customization, MC）是21世纪的先进生产模式，它将定制生 产与大量生产有机结合起来，在满足用户个性化需求的同时，保持较低的生产成 本与较短的交货期。
1. 大批量生产与大量定制生产方式的对比
核心 目标