现代机械工程--第一章_现代制造技术的发展2010

第一章
绪论
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4 表面工程技术 指表面功能性覆层技术，通过附着(电镀、涂层、氧化膜)、注入(多 元共渗、渗氯、离子溅射)、热处理(激光表面处理)等手段，能赋予工件 表面耐磨、耐蚀、耐疲劳、耐热、耐辐射以及光、磁、电等特殊功能， 这是近年来发展的新技术，对制造技术的发展有重要意义。 激光改性处理方法： 1）固态相变：利用激光进行热处理； 2) 激光上光：通过激光使工件表层金属快速熔化和凝固而达到光亮，并 可弥补表面的气孔、砂眼等缺陷； 3) 激光合金化：通过激光加热进行表面涂敷，使工件表面覆盖一层合金； 4) 激光镀膜：在真空中通入一定的气体元素，如氮等，作为靶材，通过 激光激发使靶材与工件表面产生化学作用形成镀膜。
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5．快速成形制造(rapid prototype manufacturing, RPM )
快速成形(零件)制造的基本原理: 零件是三维空间实体，它可由在某 个坐标方向上的若干个“面”叠加而成，因此，利用离散、堆集成形概 念，可以将一个三维实体分解为若干二维实体制造出来，再经堆积而构 成三维实体。
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模糊推理： 1 又称模糊逻辑，它是依靠模糊集和模糊逻辑模型进行多个因素的综 合考虑，采用关系矩阵算法模型、隶属度函数、加权、约束等方法， 处理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。 2 主要解决不确定现象和模糊现象，需要多年经验的感知判断问题。
神经网络： 1 是人脑部分功能的某些抽象、简化与模拟。 2 通过神经元的相互作用来实现大规模并行信息处理。 3 具有自学、学习联想、自适应等能力和高度的鲁棒性。 4 在智能控制、模式识别、非线性优化等方面有良好的应用前景。
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现代制造技术的特点
5 人、组织、技术三结合 近几十年，制造技术有了长足的进步和迅速的发展： 1）人机协同的观点：自动化，人的创造性； 2）技术支撑转变为人、组织、技术的集成：经营管理、战略决策； 3）市场驱动、需求牵引：用户是核心； 4）快速响应市场需求。
6 制造形成了科学 制造科学是由机械、计算机、信息、材料、自动化等学科有机结合 而发展起来的一门跨学科的综合科学。 正在不断充实、完善和发展，形成了一门真正的科学。
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8．精良生产（精益生产，Lean Production）
核心：JIT 即时生产
好处：精良生产综合了单件生产和大批大量生产方式的优点，使工人、 设备投资以及开发新产品的时间等一切投入都大为减少，而生产 出的产品品种和质量却又多又好。 举例：分析表明，当今世界汽车制造业的生产水平相差甚为悬殊的根 本原因是生产方式不同。日本汽车业。
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1.1 现代制造技术的特点
1 制造工程是系统工程 机械制造过程是一种离散的生产过程，用系统论观点分析和研究制造过程， 就出现了制造系统的概念，并形成现代制造系统工程学。 制造系统是由物质流(材料流)、能量流和信息流三个基本要素组成的，而 信息流的引入是形成制造系统最关键的要素。 <----- 管理流 ，价值流
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7．制造单元和生产单元
制造单元(Manufacturing Cell，MC): 现代制造系统常用形式。 特点：1 结构和功能上有并行性、独立性和灵活性特点 2 通过信息流来协调各制造单元工作的整体效益，非线性结构 3 制造单元是制造系统的基础，制造系统是制造单元的集成， 4 可分为装配、加工、传输、检测、储存、控制等单元， 5 各单元独立运行、并行决策、综合功能、分布控制、快速响 应和适应调整等。 生产单元： 强调生产是一个系统工程，企业的功能为销售一设计一工艺设计一 制造一装配。可以认为制造系统是一个生产单元。
图 四面体结构立轴超精密磨床
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2) 金刚石砂轮超精密磨削
是超精密加工的重要研究方向之一： 主要加工方式：外圆磨、无心磨、沟槽磨和切割等， 被加工材料：陶瓷、半导体等难加工材料。 研究的关键问题：金刚石砂轮的修整、微粉金刚石砂轮超精密磨削等。
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3)先进超精密研磨抛光加工 近年来出现了油石研磨、磁性研抛、滚动研磨、弹性发射加工、 液体动力抛光、液中抛光、磁流体抛光、挤压研抛、砂带研抛、超精 研抛、机械化学抛光、化学机械抛光等众多有成效的加工方法。 几个发展动向： （1）采用软质磨粒，甚至比工件硬度还要软的磨粒，抛光时不易造成 被加工表面的机械损伤，如微裂纹、磨粒嵌入、麻点等。
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并联 机床
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2 精密工程和微型机械 精密工程包括精密加工和超精密加工技术、微细加工和超微细加工 技术、纳米技术等方面。 以纳米技术为代表的超精密加工技术和以微细加工为手段的微型机 械技术代表了当前精密工程的方向。由于原子晶格间距是0.2~0.4nm， 因此纳米加工技术是当今的极限工艺。 1）超精密加工设备及其新型结构的研究 四面体结构立轴超精密磨床，它由6个柱连接4个支持球构成一个罐 状的四面体，静刚度为10N／nm，加工精度可达1nm以上。图示是英国 国立物理学实验室(NPL)开发的磨床。
比较：
PDM中的产品结构树 ：管理产品的整机和零部件 产品性能指标树：管理产品功能、性能与质量指标
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9．敏捷制造（Agile Manufacturing）
美国1994在《21世纪制造企业战略》报告中提出的一种新的制造模 式，即敏捷制造，并将它作为制造企业战略。 敏捷制造特点： 1) 市场响应速度快。 2) 形成可重构并可不断改变的生产系统。 3) 生产成本与批量无关：大规模定制概念。 4) 产品整个生命周期内使用户感到满意，与用户和商界建立长远关系。 5) 采用动态组织结构：选用不同公司的组织资源，靠电子手段联系的经 营实体，即虚拟公司。 6) 通过人、管理、技术三种资源集成为一个协调的、相互关联的系统来 实现敏捷性。充分调动人的积极性和创造性。
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现代制造技术的发展
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主要内容
1.1 现代制造技术的主要特点
1.2 现代制造技术的研究内容
1.3 现代制造技术的发展现状 1.4 现代制造技术的发展趋势
1.5 现代制造技术的发展战略
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人类社会发展所依赖的物质文明支柱除了 材料、能源、信息外，还应包括“制造”。
直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具 开始的。 ——恩格斯 《自然辩证法 》
精良生产的主导思想：以“人”为中心，以“简化”为手段，以“尽 善尽美”为最终目标。
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精良生产的特点：
1) 强调人的作用，以人为中心，工人是企业的主人，要充分发挥职工的 创造性。 2) 以“简化”为手段，去除生产中一切不增值的工作。 3) 以“尽善尽美”为最终目标。持续不断地改进生产，降低成本，力争 无废品，无库存和产品品种多样化。
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10 虚拟制造 ( Virtual Manufacturing Technology，VMT):
内容：以仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模， 在产品设计阶段，模拟产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预 测产品性能、产品制造技术、产品的可制造性。
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3 特种加工 定义：指一些利用声、光、电、磁、原子等能源的物理 的、化学的非传统加工方法，如：电火花加工、电解加工、 超声波加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等。 加工对象：难加工材料。 高能束流加工：主要指激光束加工、电子束加工和离子 束加工，是极有前途的特种加工方法。不少特种加工方法同 时又是精密和超精密加工方法。 复合加工：传统加工和特种加工相结合的复合加工方法 有较大的发展前途。
应用：是敏捷制造发展的关键技术之一。对敏捷制造中的虚拟公司 进行有效分析和评估，就必须把虚拟公司映射为虚拟制造系统，通过运 行虚拟制造系统进行实验。
虚拟制造系统：是基于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系 统在虚拟环境下的映射，它不消耗现实资源和能量，所生产的产品是可 视的虚拟产品，具有真实产品所必须具有的特征，它是一个数字产品。
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现代制造技术的主要研究内容
1 制造系统自动化 发展阶段：单机自动化、自动线、数控机床、加工中心、柔性制造 系统、计算机集成制造系统和并行工程等几个阶段，并进一步向柔性化、 集成化、智能化发展。 自动化的目的： 提高生产效率和改善劳动条件； 保证产品质量； 提高市场响应速度和竞争能力。 并行工程的应用： 集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程(包括制造过程的支 持过程)的系统方法， 要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品全生命周期。
（2）非接触抛光，或称浮动抛光（一薄层磨料流） （3）恒温液中抛光 （4）复合加工
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4) 纳米加工和微型机械 精密和超精密加工正向着纳米级精度发展，向着去除、附着、变形 加工等原子级、分子级加工方向发展。这种加工已深入到物质微观领域， 某些物理量的转变是以最小单位——量子跳跃式进行，而不是连续的， 因此，今后超精密加工将以量子为基础，以量子力学为指导进行发展。 微型机械是近年来发展起来的新型学科，具有很强的生命力，已逐 渐应用于机械工程、生物工程、海洋工程、宇宙工程。医疗技术等方面。 图1微型电机，图2为微型齿轮。
2 从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变 实例：设计与工艺一体化
1）制造工程的主要内容可分为设计和工艺两大部分。 2）设计和工艺的脱离，源于大生产的分工；
3）产品设计往往受到制造可行性限制，两者必须 密切结合。
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现代制造技术的特点
3 精密加工技术是关键 1）精密和超精密加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标。 2）当前，纳米加工技术代表了制造技术的最高精度水平。 4 产品生命周期的全过程 1）现代制造技术是一个从产品概念开始，到产品形成、使用，一直 到处理报废的集成活动和系统，是一个功能系统和信息系统。 2）它包括了产品生命周期的全过程。从产品制造的角度来分析，就 包含了产品技术、生产技术、拆卸技术和再循环技术4个方面。
制造方法: 分层实体制造、立体印刷、选择性激光烧结、熔丝沉积 制造、粘接成形等。
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6．智能制造技术
智能制造：是指将专家系统、模糊推理、人工神经网络等人工智能 技术应用在制造中，解决多种复杂的决策问题，提高制造系统的实用性 和水平。
专家系统：采集领域专家的知识，分解为事实与规则，存储于知识 库中，通过推理机进行推理和作出决策。主要适于解决一些比较简单的 确定性问题；在过程控制中，推理判断有一段延迟过程，不易满足实时 性要求。
推广：精良生产不仅是一种生产方式，而且是一种现代制造企业组织管理 方法。
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精益研发
核心：创新、优化、质量、性能、知识。
1）工程仿真，通过定量分析手段，可以优化产品性能 2）创新设计，通过定性分析手段，突破研发瓶颈； 3）质量设计，通过统计分析技术，改善产品质量基因。 4）知识管理，通过知识工程的方法，积累和重用研发知识 5）性能：按照QFD（质量功能展开）方法逐步分解，最终 形成产品性 能指标树
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现代制造技术的主要研究内容
11 产品的生命周期和清洁生产
产品生命周期： 指产品从设计开始，考虑满足： 1 使用要求 2 生产过程要求：清洁生产 3 终结要求：减少污染，重复利用。
生命周期设计： 基于并行工程，同时考虑了从产品概念设计阶段到详细设计阶段的全 部循环过程，包括：需求认可、设计和开发、生产、销售、使用、处理 和再循环。
目的：从而更有效、更经济、柔性灵活地组织生产，使工厂和车间 的设计和布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本最小，产 品设计质量最优，生产效率最高(Unit cost, quality, lead time)。
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虚拟制造技术 ( Virtual Manufacturing Technology，VMT):