《先进制造技术》-第二章-现代设计技术[100P][1.76MB]
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先进制造技术
、集成化、智能化和网络化的现代制造技术 20世纪80年代以来，现代制造技术逐步成为加工制造 业的主要方法。随着现代加工技术的不断完善，其应用体 系与技术也正日益成熟，其中主要的发展方向有： 1）对传统制造技术的不断革新与拓展。 2）对非传统加工方法的应用。 3）朝精密化工程发展。 4）制造系统朝柔性化、集成化、智能化和网络化方向 发展。 其中，制造业各阶段的具体生产模式和经营策略，见 表1-2。
第二节 先进制造技术概述
一、概念 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology， AMT)是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与 管理科学等多学科先进技术的综合，并应用于制造工程之中所 形成的一个学科体系。 AMT是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息、 材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品 设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程， 能实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高市场的适 应能力和竞争能力，以期取得理想的技术经济效果。因此， AMT呈现出精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁 化、集成化、全球化等特点。 在以知识为基础、以创新为动力的新经济体系中，制造业 正面临着严峻的挑战与机遇。因此，研究和推广应用先进制造 技术无疑是十分重要的。
3）配以典型应用案例，加强实用性与参考性。 4）链接相关背景知识，拓宽知识面。 本课程教学共需38学时左右，学时分配可参考表0-1
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。
第二节 先进制造技术概述
一、概念 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology， AMT)是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与 管理科学等多学科先进技术的综合，并应用于制造工程之中所 形成的一个学科体系。 AMT是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息、 材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品 设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程， 能实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高市场的适 应能力和竞争能力，以期取得理想的技术经济效果。因此， AMT呈现出精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁 化、集成化、全球化等特点。 在以知识为基础、以创新为动力的新经济体系中，制造业 正面临着严峻的挑战与机遇。因此，研究和推广应用先进制造 技术无疑是十分重要的。
3）配以典型应用案例，加强实用性与参考性。 4）链接相关背景知识，拓宽知识面。 本课程教学共需38学时左右，学时分配可参考表0-1
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。
《先进制造技术》现代设计技术共102页
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
谢谢！
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
谢谢！
《先进制造技术》PPT课件
• 设计者的主导作用 计算机不可能完全取代人 进行设计作业；
• 主要辅助完成技术设计 不可能也没有必要涉 及产品设计的所有环节。
2021/3/26
10
第二章
2.2.2 计算机辅助设计的关键技术
产品的造型建模技术 • 线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表
结构； • 表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构； • 实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信
2021/3/26
逻辑维
4
第二章
现代设计技术的时间维
• 产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、 总体参数、制约条件和设计要求；
• 方案设计--功能原理设计，确定原理方案； • 技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产
品及其零部件的具体结构； • 施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说
明书编写等。
2021/3/26
32
第二章
3）优化设计的步骤
• 设计对象的分析 • 设计变量和设计约束条件的确定 • 目标函数的建立、 • 合适的优化计算方法的选择 • 优化结果分析
2021/3/26
33
第二章
常用优化求解方法
一维搜索法
黄金分割法 多项式逼近法
梯度法（最速下降法）
无约束 非线性 规划算
法
间接法 直接法
目标函数
使极小化函数f(x1,x2, …..,xn)
满足约束条件
不等式约束条件
gu(x1,x2,…..,xn)≤0 hv(x1,x2,…..,xn)=0
(u=1,2,…m)
(v=1,2,…p)
等式约束条件
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第二章
（1）设计变量
• 主要辅助完成技术设计 不可能也没有必要涉 及产品设计的所有环节。
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10
第二章
2.2.2 计算机辅助设计的关键技术
产品的造型建模技术 • 线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表
结构； • 表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构； • 实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信
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逻辑维
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第二章
现代设计技术的时间维
• 产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、 总体参数、制约条件和设计要求；
• 方案设计--功能原理设计，确定原理方案； • 技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产
品及其零部件的具体结构； • 施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说
明书编写等。
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第二章
3）优化设计的步骤
• 设计对象的分析 • 设计变量和设计约束条件的确定 • 目标函数的建立、 • 合适的优化计算方法的选择 • 优化结果分析
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第二章
常用优化求解方法
一维搜索法
黄金分割法 多项式逼近法
梯度法（最速下降法）
无约束 非线性 规划算
法
间接法 直接法
目标函数
使极小化函数f(x1,x2, …..,xn)
满足约束条件
不等式约束条件
gu(x1,x2,…..,xn)≤0 hv(x1,x2,…..,xn)=0
(u=1,2,…m)
(v=1,2,…p)
等式约束条件
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第二章
（1）设计变量
《先进制造技术》现代设计技术共102页文档
《先进制造技术》现代设计技术
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
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、
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
先进制造技术课件(PPT 292页)
第二十一页，共291页。
绿色(lǜ sè)设计与制造
回收(huíshōu)费让成本涨一成 ，冰箱最高回收 (huíshōu)费用为20欧元/件、洗衣机和空调的回收 (huíshōu)费用为10欧元/件、微波炉的回收(huíshōu) 费用为5欧元/件、其他小家电的回收(huíshōu)费用为 1欧元/件。
方法有：注塑、压铸、吸塑、挤塑等。 特点：材料利用率高，但产生变形的能
量消耗较大，内部结构复杂的零 件制造(zhìzào)困难。
第二十八页，共291页。
添加(tiān jiā)成型（增材成型）：
采用材料添加的方法分层制造零件 (línɡ jiàn)，能成型复杂零件(línɡ jiàn)， 材料利用率高。
快速成型技术属于添加成型（或增材 成型）。
第二十九页，共291页。
快速成型技术的 加工(jiā gōng)方法 ：
采用 “分层制造，逐层叠加”的方 法， 即将一个复杂(fùzá)的三维实体离 散成一系列二维层片的加工，是一种降 维制造，极大降低了加工难度，易以成 型结构复杂(fùzá)的零件。
第三十页，共291页。
应掌握的知识： 零件成型的方法。 快速成型的发展历程。 快速成型的特点。 光固化技术（SLA）、层状实体制造技术（LOM）的 特点、工艺过程(guòchéng)和应用。
第二十三页，共291页。
一、快速成型技术产生的背景 快速成型技术的产生是由于从20世纪末开始， 消费需求日益个性化、多样化，产品更新加速， 开发周期、生产周期缩短，快速响应市场需求 已成为(chéngwéi)企业的重要走向。市场需 要一种更快的方式推出产品原型（样机）， RP技术应运而生。
制造(zhìzào)信息的数字化，将实现CAD／ CAPP／CAM／CAE的一体化，使产品向无图纸制 造(zhìzào)方向发展。
绿色(lǜ sè)设计与制造
回收(huíshōu)费让成本涨一成 ，冰箱最高回收 (huíshōu)费用为20欧元/件、洗衣机和空调的回收 (huíshōu)费用为10欧元/件、微波炉的回收(huíshōu) 费用为5欧元/件、其他小家电的回收(huíshōu)费用为 1欧元/件。
方法有：注塑、压铸、吸塑、挤塑等。 特点：材料利用率高，但产生变形的能
量消耗较大，内部结构复杂的零 件制造(zhìzào)困难。
第二十八页，共291页。
添加(tiān jiā)成型（增材成型）：
采用材料添加的方法分层制造零件 (línɡ jiàn)，能成型复杂零件(línɡ jiàn)， 材料利用率高。
快速成型技术属于添加成型（或增材 成型）。
第二十九页，共291页。
快速成型技术的 加工(jiā gōng)方法 ：
采用 “分层制造，逐层叠加”的方 法， 即将一个复杂(fùzá)的三维实体离 散成一系列二维层片的加工，是一种降 维制造，极大降低了加工难度，易以成 型结构复杂(fùzá)的零件。
第三十页，共291页。
应掌握的知识： 零件成型的方法。 快速成型的发展历程。 快速成型的特点。 光固化技术（SLA）、层状实体制造技术（LOM）的 特点、工艺过程(guòchéng)和应用。
第二十三页，共291页。
一、快速成型技术产生的背景 快速成型技术的产生是由于从20世纪末开始， 消费需求日益个性化、多样化，产品更新加速， 开发周期、生产周期缩短，快速响应市场需求 已成为(chéngwéi)企业的重要走向。市场需 要一种更快的方式推出产品原型（样机）， RP技术应运而生。
制造(zhìzào)信息的数字化，将实现CAD／ CAPP／CAM／CAE的一体化，使产品向无图纸制 造(zhìzào)方向发展。
先进制造技术第二章课件
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2.1 电火花成型加工技术
（13）相对损耗或损耗比（损耗率）θ（%） 相对损耗或 损耗比是工具电极损耗速度和工件加工速度之比值，并以此 来综合衡量工具电极的耐损耗程度和加工性能。 （14）面积效应 面积效应指电火花加工时，随加工面积 大小变化而加工速度、电极损耗比和加工稳定性等指标随之 变化的现象。一般加工面积过大或过小时，工艺指标通常降 低，这是由于“电流密度”过小或过大引起的。 （15）深度效应 随着加工深度增加而加工速度和稳定性 降低的现象称深度效应。主要是电蚀产物积聚、排屑不良所 引起的。
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2.1 电火花成型加工技术
4）电弧放电 由于排屑不良，放电点集中在某一局部而不分 散，局部热量积累，温度升高，恶性循环，此时火花放电就 成为电弧放电，由于放电点固定在某一点或某局部，因此称 为稳定电弧。 5）短路（短路脉冲） 放电间隙直接短路相接，这是由于 伺服进给系统瞬时进给过多或放电间隙中有电蚀产物搭接所 致。
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2.1 电火花成型加工技术
电火花加工也有其一定的局限性： （1）它仅适于加工金属等导电材料。 （2）在一般情况下，电火花加工的加工速度要低于切削加 工。 （3）工具电极的损耗大多集中在尖角及底部棱边处，直接 影响了电火花成形加工的成形精度。 （4）最小圆角半径有限制，难以清角加工。 （5）加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除。 （6）工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。
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2.1 电火花成型加工技术
（9）峰值电流Ie（A） 峰值电流是间隙火花放电时脉冲电 流的最大值（瞬时）。 （10）放电状态 放电状态指电火花加工时放电间隙内每一 脉冲放电时的基本状态。一般分为五种放电状态和脉冲类型。 如图2-5。 1）开路（空载脉冲） 放电间隙没有击穿，间隙上有大于 50V的电压，但间隙内没有电流流过，为空载状态 （td=ti）。 2）火花放电 波形特点是：电压上有td、tc，电流上Ie，波 形上有高频振荡的小锯齿波形。 3）过渡电弧放电 过渡电弧放电是正常火花放电与稳定电弧 放电的过渡状态，是稳定电弧放电的前兆。波形特点是击穿 延时td很小或接近于零，仅成为一尖刺，电压电流波上的高 频分量变低成为稀疏和锯齿形。
先进制造技术课件(第二章)资料
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
离散与组合式思维
很多事物将其分解可能意味着创新。如电话 听筒与主机分离，产生了子母电话机：磨床主 轴与床身分离，产生了手动磨头。 很多事物，彼此组合会构成创新。如电视与 电话组合在一起，出现了电视电话；收割机、 脱粒机、打包机组合在一起，产生了联合收割 机：电解加工与磨削加工组合在一起，形成了 电解磨削。 在制造领域，产品的模块化设计是运用离散 (分解)与组合式思维的典型范例。
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
第二章 先进设计技术
本章要点 1、现代设计技术的基本内容 2、CAD的关键技术 3、模块化设计的关键技术 4、创新设计 5、逆向工程
华中技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
CAD技术的优越性 ➢大大提高设计质量 ➢提高设计生产率，缩短产品开发周期 ➢ 较大幅度地降低生产成本 ➢ 将技术人员从繁重的计算、绘图、修改 工作中解放出来
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
◆散乱数据的模型重构 。不依赖于数据的特 殊组织方式，可以对任意测量数据进行处理， 扩大了所能解决的问题域，具有更强的通用 性。因此，海量散乱数据的模型重构更为人 们所关注。
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
动连接之分：固定连接指连接后两模块之间 没有相对运动；而活动连接的两模块之间可 以相对运动(如直线运动、旋转运动等)。若连 接的两模块没有直接的装配关系，称两模块 的连接为柔性连接。例如与机床分离的液压 站，它虽然通过油管、电缆等与主机相联系 ，但非几何相关，故属于柔性连接。
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
2.5.4 逆向工程关键技术 反求对象的分析
先进制造技术课件(PPT292页)
在几何形体上，极大、极小、 极厚、极薄、极平、极柔、极圆、 极方以及奇形怪状；在物理性能 上，极高硬度、极高塑性、极大 弹性、极大脆性、极强磁性、极 强辐射性、极强腐蚀性，奇性怪 能。
极端制造（纳米技术）
美国赖斯大学的科学家2005年利用纳米 技术制造出了世界上最小汽车。
极端性能
喷墨打印时加热器在十万分之一秒内 升温至三百多度，使喷嘴内形成约100 大气压。由此从喷嘴中喷出直径为1微 米、体积为4微微升（最小墨滴量仅为 1.3微微升）的墨滴，速度每秒24000 滴 每个喷嘴的直径只有1微米，相当于一 根头发的1/70。
“智”：智能化制造
所谓智能制造系统是一种由智能机 器和人类专家共同组成的人机一体化智 能系统，它在制造过程中能进行智能活 动，诸如分析、推理、判断、构思和决 策等。
“智”：智能化制造
智能制造技术的宗旨在于通过人与 智能机器的合作共事，去扩大、延伸 和部分地取代人类专家在制造过程中 的脑力劳动，以实现制造过程的优化。 将智能技术注入先进制造技术和产品， 可使之具有智慧，能部分代替人的脑 力劳动。
将数字技术用于制造过程，可大 大提高制造过程的柔性和加工过 程的集成性，从而提高制造过程 的质量和效率。
三维扫描、CAD、CAE、CAM 等的集成。
“精”：精密化制造 精密制造技术是指零件毛坯成形后 余量小或无余量、零件毛坯加工后精 度达亚微米级的生产技术总称。
一般认为：0.1nm-100nm为纳米 尺度空间，100nm-1000nm为亚微 米体系。
4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行6.17.20216.17.202110:5110:5110:51:1910:51:19
极端制造（纳米技术）
美国赖斯大学的科学家2005年利用纳米 技术制造出了世界上最小汽车。
极端性能
喷墨打印时加热器在十万分之一秒内 升温至三百多度，使喷嘴内形成约100 大气压。由此从喷嘴中喷出直径为1微 米、体积为4微微升（最小墨滴量仅为 1.3微微升）的墨滴，速度每秒24000 滴 每个喷嘴的直径只有1微米，相当于一 根头发的1/70。
“智”：智能化制造
所谓智能制造系统是一种由智能机 器和人类专家共同组成的人机一体化智 能系统，它在制造过程中能进行智能活 动，诸如分析、推理、判断、构思和决 策等。
“智”：智能化制造
智能制造技术的宗旨在于通过人与 智能机器的合作共事，去扩大、延伸 和部分地取代人类专家在制造过程中 的脑力劳动，以实现制造过程的优化。 将智能技术注入先进制造技术和产品， 可使之具有智慧，能部分代替人的脑 力劳动。
将数字技术用于制造过程，可大 大提高制造过程的柔性和加工过 程的集成性，从而提高制造过程 的质量和效率。
三维扫描、CAD、CAE、CAM 等的集成。
“精”：精密化制造 精密制造技术是指零件毛坯成形后 余量小或无余量、零件毛坯加工后精 度达亚微米级的生产技术总称。
一般认为：0.1nm-100nm为纳米 尺度空间，100nm-1000nm为亚微 米体系。
4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行6.17.20216.17.202110:5110:5110:51:1910:51:19
先进制造技术完整文字ppt课件
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46
（二）叠(分）层实体制造技术
（LOM技术，Laminated Object Manufacturing ）
工业设计依托高水平的制造技术，新技 术的涌现促进了设计风格的变化，而工业 设计也赋予了技术一种视觉形式，创造了 崭新的现代生活方式，并提供了一系列表 现现代化确切含义的符号。
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2
三、产品开发战略的演变：
60年代: “如何做得更多”。 70年代: “如何做得更便宜”。 80年代：“如何做得更好”。 90年代：“做得更快”。
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16
“集”：集成化制造
“集成化”是技术的集成，是管理的集成， 是技术与管理的集成。现代的制造技术就是 集成的技术，先进制造技术就是制造技术、 信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。
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17
“快”：敏捷化制造
即指对市场的快速响应，对生产的快速 重组，这两个快速必然要求生产模式有高 度柔性与高度敏捷性 ．
敏捷制造、动态联盟、快速成型技术、 快速模具技术等。
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18
绿色制造 “绿”：绿色制造
又称清洁制造，其目标是使产品从设计、 生产、运输到报废处理的全过程对环境的负 面影响达到最小”.其内涵是产品生命周期的 全过程均具有绿色性。
可编辑课件
19
我国改革开放取得巨大成就，保持着世界上最 快的经济发展速度，但是仍然沿袭着粗放型的经 济增长模式。例如近年我国年GDP约占全世界 GDP的4%。但各类资源消费总量约合50亿吨。 其中钢铁、煤炭、水泥分别占全世界总消费量的 30%、31%和40%。
(2)被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固 化，形成零件的一个薄层。
可编辑课件
41
《先进制造技术》课件(全套)
26
河南省精品课程“先进制造技术”
第1章
概述
Introduction
1.3 先进制造技术的特点和发展趋势
Characteristics of Advanced Manufacturing Technology And Its Developing Trend
……
与大、小制造概念相对应，对于制造技术的理解也 有广义和狭义之分。广义理解制造技术涉及生产活动的 各个方面和生产的全过程，制造技术被认为是一个从产 品概念到最终产品的集成活动，是一个功能体系和信息 处理系统。
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1.1.2 制造系统
制造系统结构
经营管理 财务
经营管理信息流 生产管理信息流 技术信息流 物质流
制造业是高技术产业化的载体和实现现代化的重基石
20世纪兴起的核技术、空间技术、信息技术、生物医学技 术等高新技术无一不是通过制造业的发展而产生并转化为规 模生产力的。其直接结果是导致诸如集成电路、计算机、提 动通信设备、国际互联网、机器人、核电站、航天飞机等产 品相继问世，并由此形成了制造业中的高新技术产业。
生产 技术 信息 产品 设计 产品 设计 信息 工艺 过程 计划 工艺 过程 信息
需求 订货 信息
综合 生产 计划
生产 计划 信息
生产 进度 计划
进度 计划 信息
作业 计划
作业 计划 信息
生产 实施
生产 结果 数据
生产 控制
生产 控制 信息
计划阶段
实施阶段
控制阶段
图1-6 制造系统的程序特性
研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使 生产活动达到最佳化。
制造业是国家安全的重要保障
美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果 导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不 敌日本的局面。20世纪80年代，发生了轰动一时的“东芝 事件” 。美国重新关注制造业的发展，至 1994 年美国汽 车产量重新超过日本。
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
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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．
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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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先进制造技术课件AMT-2
3
2.1.1 先进工程设计技术的内涵
产品设计
➢以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设 计方法和手段创造出产品结构的过程。
设计技术
➢指在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。 相继经历了直觉设计阶段—经验设计阶段—半理论半经验 设计（传统设计）阶段。
先进工程设计技术
➢以满足应市产品的质量、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，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创 造产品活动过程所用到的技术群体的总称。
对成本的影响 所需的工时成本
6
产品形成过程对质量的影响
60 错误
数量 50
发生错误 修改错误
40
30
75%
20
10
0
产品开发 产品设计
生产准备
制造
80%
检验
应用
• 75%的错误是由产品形成过程引起的 • 80%的修改工作是在产品制造或后续过程完成的
2005年6月28日，北京
6
7
尽可能避免错误，尽早发现和修正错误
智能CAD技术
➢设计过程智能化是CAD发展的必然选择。虽然，当前的CAD 系统也体现了一些智能的特点，这些智能与人们所期望值相 比还有很大的距离。 ➢智能CAD就是将人工智能技术与CAD技术融为一体而建立的 系统。
24
2.2.3 CAD的研究热点
CAD技术与虚拟现实技术的集成
➢ 虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是利用计算机生成 的一种模拟现实环境的技术，通过数据头盔(Head Mounted Display)、数据手套(Data Glove)、数据衣(Data Suit)等 多种传感设备构造虚拟环境，向设计者提供诸如视觉、听 觉、触觉等各种直观而又自然实时的感知。
2.1.1 先进工程设计技术的内涵
产品设计
➢以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设 计方法和手段创造出产品结构的过程。
设计技术
➢指在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。 相继经历了直觉设计阶段—经验设计阶段—半理论半经验 设计（传统设计）阶段。
先进工程设计技术
➢以满足应市产品的质量、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，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创 造产品活动过程所用到的技术群体的总称。
对成本的影响 所需的工时成本
6
产品形成过程对质量的影响
60 错误
数量 50
发生错误 修改错误
40
30
75%
20
10
0
产品开发 产品设计
生产准备
制造
80%
检验
应用
• 75%的错误是由产品形成过程引起的 • 80%的修改工作是在产品制造或后续过程完成的
2005年6月28日，北京
6
7
尽可能避免错误，尽早发现和修正错误
智能CAD技术
➢设计过程智能化是CAD发展的必然选择。虽然，当前的CAD 系统也体现了一些智能的特点，这些智能与人们所期望值相 比还有很大的距离。 ➢智能CAD就是将人工智能技术与CAD技术融为一体而建立的 系统。
24
2.2.3 CAD的研究热点
CAD技术与虚拟现实技术的集成
➢ 虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是利用计算机生成 的一种模拟现实环境的技术，通过数据头盔(Head Mounted Display)、数据手套(Data Glove)、数据衣(Data Suit)等 多种传感设备构造虚拟环境，向设计者提供诸如视觉、听 觉、触觉等各种直观而又自然实时的感知。
先进制造技术先进制造技术(DOC 26页)
先进制造技术先进制造技术(DOC 26页)之中。
（4）自动化技术方面：工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。
我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业使用。
1.3.3 我国对先进制造的重视随着美国政府采取一系列措施进行大规模的21世纪制造业战略的研究。
我国政府和企业界投入巨资，组织大量专家进行研究和分析，得出的结论是振兴中国经济的出路在于振兴美国的制造业，经济竞争归根到底是制造技术和制造能力的竞争。
因而，我国提出要促进先进制造技术的发展，成立国家级、地区级、大学、企业等各种层次的先进制造技术协调、推广、应用研究中心。
这些措施收到了良好的效果，使制造水平大幅度提高。
通过先进制造技术，让企业适应多变的市场需求我国制造业市场具有很大的潜力，使得我国的制造技术水平和工业发达国家的差距进一步缩小。
1.4 先进制造技术的发展趋势1.4.1 数字化制造技术数字化制造技术是支持信息化和知识化制造业的技术，是先进制造技术发展的核心，包括以设计为中心、以控制为中心和以管理为中心的数字制造。
应用数字化制造技术，将会使全球制造网络环境下的产品异地设计与制造成为21世纪的重要制造模式，促使制造技术和制造产业发生革命性的变革。
对全球制造业而言，在数字制造环境下，用户借助网络发布信息，各类企业通过电子商务实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计并制造出相应的产品。
1.4.2 精密化是发展的关键现代超精密机械对精度要求极高，如借助于扫描隧道显微镜与原子力显微镜，加工精度可达0.1μｍ；而基于操作机械的移动距离为纳米级，移动精度可达0.1ｎｍ。
显然，没有先进制造技术就没有先进电子技术装备。
先进制造技术与先进信息技术是相互渗透、相互促进和紧密结合的，精密化是当前先进制造技术发展的关键所在。
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第二章
现代设计技术的逻辑维 • 分析--明确设计任务本质； • 综合--综合各种因素，探求解决方案； • 评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整 和改进； • 决策--确定最佳的设计方案
第二章
2.1.2 现代设计技术体系
先进制造工艺
材料科学 自动化技术 系统管理技术 相 关 学 科 与 技 术 支撑技术 应用技术 各产品领域知识与技术 现代设计方法学 可信性设计技术
第二章
第二章 现代设计技术
2.1 现代设计技术的内涵与体系结构 2.2 计算机辅助设计(CAD)技术 2.3 现代设计方法
第二章
2.1 现代设计技术内涵与体系结构
2.1.1 现代设计技术的内涵和特点 2.1.2 现代设计技术体系
第二章
2.1.1 现代设计技术的内涵与特点
设计技术 传统设计 技术 现代设计 技术 设计过程中解决具体设计问题的各 种方法和手段 静态、经验、被动、手工
g1 ( X )
62152 350 0 x1 x 2
②稳定性约束条件—压应力不大于压杆稳定的临界应力σk： 2 E(D 2 H 2 ) 62152 2 2 k g ( X ) 0 . 189 x x 2 2 2 1 2 0 8( L H ) x1 x2
第二章
•设计变量：
x1 D X x2 B
•确定目标函数：
min F X W 2DB L H 0.0578DB
2 2
第二章
•确定约束条件
①强度约束条件—压应力不大于屈服极限σs：
P L2 H 2 s DBH
maxF(X)
第二章
产品的重量最轻、成本最低等问题，即为 求目标函数的极小值问题，属于求目标函数的 极大值问题，记为 minF(X)
为了优化算法与处理程序的统一，可将目 标函数均规格化为求极小化问题，即
minF(X)=-maxF(X)或 mixF(x)=1/maxF(X)
第二章
(3)设计约束与可行域
第二章
特征就是描述产品信息的集合，也是构成零、 部件设计与制造的基本几何体，它既能反映零件的 几何信息，又反映了零件的加工工艺信息。常用的 零件特征包括：形状特征、精度特征、材料特征、 装配特征等。 形状特征是特征造型的主要部分，是其他特 征的载体，形状特征定义为一组唯一确定该特征的 参数，这组参数中有形状参数及定位参数。
hv(x1,x2,…..,xn)=0
(v=1,2,…p)
等式约束条件
第二章
（1）设计变量
设计变量的不同参数表示不同的设计方案。
设计变量必须是一组相互独立的变量，将其表示
成X，即：X=（x1,x2,…,xn)T 其中n是设计变量的个数，也称为维数。 设计变量的取值：一是连续变化量，另一是离散 量比如齿轮的模数。
约束条件：x.y.z=k
a x b y c z d x nz H
第二章
数学模型的一般形式
实例可以看出，优化设计的数学模型由设计变 量、目标函数和约束条件三部分组成，可写成以 下统一形式： 设计变量 求变量x1,x2, …..,xn 目标函数 使极小化函数f(x1,x2, …..,xn) 不等式约束条件 满足约束条件 gu(x1,x2,…..,xn)≤0 (u=1,2,…m)
第二章
2.2.3 计算机辅助设计的研究热点
• 计算机辅助产品的概念设计 难题：建模和推理 • 计算机支持的协同设计 难题：信息实时可靠交 换；异构环境下可靠运行；通讯方法与手段 • 海量信息处理 存储、管理和检索技术 • 智能CAD技术：将人工智能技术与CAD技术融 为一体，难题：解决人类思维模型建立和表达 • CAD与虚拟现实（VR）技术的集成 • VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、 自然、实时的感知，目前VR所需软硬件价格昂 贵，技术开发难度大 • 计算机安全 技术保密，防病毒感染
W=10.26Kg
第二章
2.3.2 可靠性设计
（1）可靠性的概念及其发展 产品的可靠性：在规定的条件和规定的时间内， 完成规定功能的能力。 二次大战美国空军由于故障而损失飞机达21000 架，比被击落的飞机多1.5倍。 可靠性是由美国航空部门提出，到了50年代电 子产品平均使用失效率达到了1×10－10-1×10 －12（1/h）水平。 60年代末建立了以强度－应力为基础的机械产 品可靠性模型。 目前，机械产品的可靠性设计已趋成熟。
由n个设计变量所组成一个向量空间，称之为设
计空间。
第二章
N=1, 化问题 N=2, 化问题
设计空间为一根实数轴，称为一维优 设计空间为一平面， 称为二维优
N=3, 体。 N>3,
设计空间为三维立体， 设计空间为超越空间。
称为三维立
一个设计方案相当于设计空间中的一个点。
第二章
（2）目标函数
每一个设计问题，都有一个或多个设计中所追 求的目标。用设计变量的函数来表示。目标函数是 准则性函数，又称为评价函数。可表示为： F(X)=F(x1,x2,…,xn)T 优化设计的目的：按要求选择所需的设计变量， 使目标函数达到最佳值。最佳值可能是极大值， 也可能是极小值。如求产值最大、效率最高等问 题，属于求极大值问题，
等。
第二章
第二章
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 表2-1点表 表2-2边表
第二章
表2-3 面表
第二章 单一数据库与相关性设计 • 单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现 产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。 • 相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相 关环节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二 维工程图；左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；
第二章
2.3
现代设计方法
2.3.1优化设计 最优化设计是借助最优化数值计算方法和计 算机技术，求取工程问题的最优设计方案。 即：进行最优化设计时，首先必须将实际问 题加以数学描述，形成一组由数学表达式组成的 数学模型，然后选择一种最优化数值计算方法和 计算机程序，在计算机上运算求解，得到一组最 佳的设计参数。
传统设计技术的继承和发展，多专业 和多学科交叉，综合性技术。
第二章
现代设计技术的定义
时间维
施工设计
技术设计 方案设计
产品规划
可靠性设计
模块化设计
优化设计
…
分 析
综 合
评 价
决 策
逻辑维
方法维
第二章
现代设计技术的时间维
• 产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、 总体参数、制约条件和设计要求； • 方案设计--功能原理设计，确定原理方案； • 技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产 品及其零部件的具体结构； • 施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说 明书编写等。
第二章
2Байду номын сангаас2.2
•
计算机辅助设计的关键技术
产品的造型建模技术
线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表 结构； • 表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构； • 实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信 息，有扫描表示法、边界表示法、构造实体几何 法等结构形式； • 特征造型：以具有工程语义的各类特征来定义描 述形体的方法，便于CAD/CAM技术的集成。
③边界约束条件——限制尺寸取值的约束条件：
B 3 x1 3 0 g 4 X 8 B 8 x1 0
g5 X
g3 X
D 25 x2 25 0
g 6 X 60 D 60 x2 0
求解结果：B=4mm, D=44.4mm
第二章
1）优化设计的数学模型 实例1： 有一块边长为6m的正方形铝板，四角各裁去 一个小的方块，做成一个无盖的盒子。试确定裁 去的四个小方块的边长，以使做成的盒子具有最 大的容积。 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
第二章
于是，上述问题可描述为 变量
NURBS曲面造型技术 NURBS（Non-Unifrom Rational B-Splines）可统一自 由曲线/曲面和规则曲线/曲面的数学模型，简化系统结 构，有利于曲线、曲面操作和修改。
第二章
CAD与CAX集成技术
• CAD与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数 据交换接口等技术。包括如下集成： • ① CAD/CAE/CAPP/CAM--工程设计领域集成； • ② CAD/ERP--与管理系统集成； • ③ 异地、异构系统企业间CAD集成，如全 球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。 标准化技术 目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：IGES （Initial Graghical Exchange System)图形交 换标准；STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)产品数据模型交换标准。
第二章
精度特征可分为两类：一种是各几何元素本身
的要求，如尺寸公差、表面粗糙度等，另一种和其
他几何元素相关，即相对于基准的精度要求，如形
状及位置公差。
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
• 零件造型、产品装配
• 产品渲染、动态显示、运动仿真
• 工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠
性设计
• 绘制工程图样、编制物料清单（BOM)
第二章