先进制造技术及发展

先进制造技术及发展 东北石油大学 机电工程系 杨松山 先进制造技术 概述 21世纪科学技术发展的总趋势 中国制造业成就及其重大意义 2 1 3 4 制造业面临的竞争和挑战 制造技术的发展 制造的概念 5 先进制造技术 6 1.1 制造概念 制造（ Manufacturing): 是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文 明进步的动力。 狭义 ：是机电产品的机械加工工艺过程 广义 ：国际生产工程学会 1990年定义： 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。 Manufacturing is series of interrelated activities and operations involving the design， planning， production， quality assurance， management and marketing of the products of the manufacturing industries。 1、制 造 制造技术（ Manufacturing Technology) 按照人们所需的目的，运用知识和技能，利 用客观物资和工具，将原材料物化为人类所需产 品的工程技术。即：使原材料转换为产品的一系 列技术的总称。 制造过程 产品从设计、生产、使用、维修、报废、回 收等的全过程，也称为产品生命周期。 制造业 将制造资源（物料、能源、设备、工具、资 金、信息、人力等）利用制造技术，通过制造过 程，转化为供人们使用或利用的工业品或生活消 费品的行业。 1.2 制造系统 制造系统是制造业的基本组成实体。 结构： 是制造过程所涉及的硬件（物料、设 备、工具、能源等）、软件（制造理论、工 艺、信息等）及人员所组成的具有特定功能 的有机整体。 功能： 输入制造系统的资源（原材料、能 源、信息、人力 .）通过制造过程输出产 品。 过程： 制造生产的运行过程，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、售后服务、报废、回收、再利用 等。 2.1 制造创造了人类 2.2 制造业发展历程 2.3 制造业发展的教训 2.4 制造业是产业革命的生力军 2、制造技术的发展 1）人从猿进化而来 , 人猿分离 , 是由于人学会双足行走 和用手制造并使用工具。 2）中国的元谋人（ 170万年前的南方古猿）、非洲人早在 160万年前即开始用火，石料开采和加工，形成了原始 制造业。饮食改善促进了脑的发展。 200万年前的猿人 脑容量约为 700毫升， 100万年前的直立人脑容量约为 1000毫升， 50万年前增加到 1200毫升， 1929年发现的 57万年前的北京（直立）猿人为 1050毫升， 而现代人 的脑容量平均为 1450毫升，现代人的大脑皮层褶皱面 积为 1700-2200平方厘米，是黑猩猩的 3倍。 3）恩格斯指出： “ 直立和劳动创造了人类，而劳动是从 制造工具开始的。动物所做的事情最多是收集 ,而人则 从事生产。 ” 2.1 制造业创造了人类 1）用机器代替手工，从作坊形成工厂 19世纪机器在英国诞生，先后传人法国、德国和美国。 2）从单件生产方式发展成大量生产方式 泰勒：以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理。 福特：零件互换技术， 1913年建立了具有划时代意义的 汽车装配生产线。 3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代 制造技术 柔性制造系统、计算机集成制造系统、网络化制造、智 能制造系统、及时生产、精良生产、敏捷制造 2.2 制造业发展的历程 2.3 制造业是产业革命的主力军 一、 第一次产业革命： 1733-1878 蒸汽革命 1）产业革命的标志：瓦特发明的蒸汽机。 2）英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明 3）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 电气革命 1）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。 2）制造业开始了电的应用，而后才有麦克斯韦电 动力学理论的诞生。 3）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。 4）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 电子革命 1）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。 2）微电子制造技术开创了全新的信息化时代。 四、第四次产业革命： 1973- 高新技术产业革命 1）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。 2）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、光刻、 表面贴装、自动化组装、纳米器件制造工艺。 3、二十一世纪科学技术的发展 3.1 中心科学技术的转移 1）信息科学技术 信息科学目前是发展的高峰期，预计其中心科 学技术的地位还可持续四十年。 2）生命科学技术 现在已开始注重其发展与应用，预计 21世纪 30 年代开始逐步转变为中心科学技术。 3）认知科学技术 智能化趋势现已显露，预计 21世纪 70年代开始 将成为科学技术发展的中心 3.2 世界科技中心（地区或国家）的转移 中国 （公元 3世纪 公元 13世纪 ) 意大利 （ 1540年 1610年） 英国 （ 1660年 1730年） 法国 （ 1770年 1830年） 德国 （ 1810年 1920年） 美国 （ 1920年 ） 可能转向东方（日本、中国） 3.3 高新技术及其产业领域 1)信息科学技术（包括微电子、光电子科学技术） 2)生物科学技术（包括生命科学技术） 3)新能源科学技术（包括核能科学技术） 4)新材料科学技术（包括纳米科学技术） 5)环境科学技术（包括地球科学技术） 6)航空航天科学技术（包括军事科学技术） 7)海洋科学技术（包括地球科学技术） 8)先进制造科学技术（包括微机电系统科学技术） (9)管理科学技术（包括软科学技术） (10)认知科学技术（包括人脑和智能系统科学技术） 科学 物质科学 生命科学 技术 信息技术 生物技术 纳米技术 3.4 二十一世纪改变人类的科学与技术 从科学到技术发明 科学发明 年份 技术发明 年份 孕育过程 (年） 电磁感应原理 1831 发电机 1872 41 内燃机原理 1862 汽油内燃机 1883 21 电磁波通讯原理 1895 公众广播电台 1921 26 喷气推进原理 1906 喷气发动机 1935 29 雷达原理 1925 制出雷达 1935 10 青霉素原理 1928 制出青霉素 1943 15 铀核裂变 1938 制出原子弹 1945 7 发现半导体 1948 半导体收音机 1954 6 集成电路设计思想 1952 单片集成电路 1959 7 光纤通信原理 1966 光纤电缆 1970 4 无线移动通信设想 1974 蜂窝移动电话 1978 4 多媒体设想 1987 多媒体电脑 1991 4 新一代设计芯片 90年代 新一代芯片 90年代 1.5 20世纪改变世界的重要机电产品 序 产品 发明时间（年） 发明者 1 汽车 1885/1903 德国奔驰 /美国福特 2 飞机 1903 美国莱特兄弟 3 火箭 1903 俄国齐奥尔科夫斯基 4 电冰箱 1917 美国 5 电影机 1919/36 德国福格特 6 电视机 1927/40 美国贝尔 7 喷气发动机 1937 英国惠特尔 8 原子弹 1945 美国 日本 9 计算机 1946 美国 莫切利埃克特 10 晶体管 1948 美国肖克利 11 核电站 1951 美国 12 数控机床 1951 美国 MIT 13 氢弹 1952 美国特勒 20世纪改变世界的重要机电产品 序 产品 发明时间（年） 发明者 14 机器人 1954 美国戴沃尔 15 人造卫星 1957 苏联 16 宇宙飞船 1961 苏联加加林 17 飞船登月 1969 美国阿波罗 18 载人航天飞机 1977 美国 19 磁悬浮列车 1965 日本 时速 400 500公里 /时 20 光纤通信设备 1968 美国 21 芯片 1971/1999 美国 intel 950万晶体管 /片 22 扫描隧道显微镜 1986 日本工业技术院 23 掌上电脑 1992 美国 APPLE newton 24 手机 90年代初 美国 25 信息高速公路 1993 美国 national information infrastruture （ Nii） 4、中国制造业的成就及其重大意义 4.1 2001年中国工程院的调查结论 : 1）中国制造业占国民生产总值的 1/3 2）占整个工业生产的 4/5 3）为国家财政提供 1/3以上的收入 4）贡献出口总额的 90% 5）就业人员 8043万 4.2 改革开放 20年来中国制造业的进步： 1）引进国外先进技术 2500多项，占全国的 1/3以上。近几年发 展的新产品， 50%达到 80年代中后期的世界水平。 2）一些重要产品的年生产能力已跃居世界前列，如汽车 280万 辆以上（其中轿车 120万辆以上），大中型发电设备 1200万千 瓦以上（火电 1000万千瓦，水电 200万千瓦），大中型拖拉机 11万台以上，金属切削机床 10万台以上。 3）我国已成为世界最大的服装纺织品出口国；与日本、马来西 亚和韩国并称世界消费类电子产品四大生产国。 4）成功开发生产了运七、运八、新舟 60等支线飞机。 5）一些新产品的技术水平已达世界领先或先进水平， 如沈阳机 床集团的电主轴高速卧式加工中心、 激光切割机床，沈阳变 压器厂的 50万伏超高压变压器，黎明航发集团的中国第一台 拥有完全知识产权的航空发动机、 燃气轮机，沈阳新松机器 人自动化有限公司的 6000米水下机器人等产品，清华大学制 造工程研究所研制开发的并联机床等。 4.3 制造业的重大意义 1）在发达国家中 ,制造业创造了约 60%的社会财富、约 45%的国民经济收入。 2）据统计，美国 68%的社会财富来自于制造业。 3）国际生产工程科学院（ The International Academy for Production Engineering）在 1999年 的报告中指出：在国家生产力的构成中，制造技术 的作用一般占 55%-65%。 4）在许多国家的科技发展计划中，先进制造技术都被 列为优先发展的科技。 我国 “ 十五 ” 规划中确定的八个最具战略影响的领 域 : 1) 信息技术 2) 生物技术 3) 新材料技术 4) 先进制造与自动化技术 5) 资源环境技术 6) 航空航天技术 7) 能源技术 8) 先进防御技术， 其中，先进制造与自动化技术又是实现各 种高新技术的保障技术。 总结：制造业在国家发展中的地位 制造业是实现现代化工业的水之源、 木之本，是实现工业化的保障和原动力， 是国家实力的脊梁，是支持共和国大厦的 基石。没有强大制造能力的国家永远成不 了经济强国。 5.1 先进制造技术的定义及体系结构 5.2 先进制造技术的学科内容 5.3 先进制造技术的发展趋势 5、先进制造技术 1、定义 : 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 .服务的全过程 ,以实现 优质 .高效 .低耗 .清洁 .灵活的生产 ,提高对 动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造 技术总称 ,也是取得理想技术经济效果的制 造技术的总称 . 面向制造的设计技术群 产品 /工艺设计 计算机辅助设计 工艺过程建模和仿真 工艺规程设计 系统工程基础 快速成型技术 并行工程 制造工艺技术群 材料生产工艺 加工工艺 联接与装配 测试和检测 环保技术 维修技术 其他 信息技术 接口技术 集成技术 人工智能 数据库 软件工程 决策支持 标准和框架 数据标准 工艺标准 接口框架 产品定义和标准 检验标准 机床和工具技术 传感器和控制技术 质量管理 用户 /供应商交互作用 工作人员培训和教育 全国监督和基准评测 技术获取和利用 主 体 技 术 群 支撑 技术群 制造基础 设施环境 2、体系结构 3、先进设计技术 设计方法现代化 产品动态分析和设计 产品可靠性 可维护性及安全设计 产品优化设计 快速响应设计 创新设计 智能设计 仿真与虚拟设计 价值工程设计 模块化设计 设计手段计算机化 有限元法 优化设计 计算机辅助设计 反求工程技术 CAD/CAM一体化技术 工程数据库 向全寿命周期设计发展 由单纯考虑技术因素转 向综合考虑技术、经济 和社会因素 4、先进制造工艺技术 精密、超精密加工技术 精密加工：精度为 3 0.3 m Ra0.3 0.03 m 超精密加工：精度为 0.3 0.03 m Ra0.3 0.005 m 纳米加工：精度高于 0.03 m Ra小于 0.3 0.005 m 精密成型制造技术 从制造工件的毛坯、从接 近零件形状向直接制成工 件的方向发展 特种加工技术 高能束流加工（电子束、 离子束、激光束） 电加工（电解和电火花 ) 超声波加工 高亚水加工 多种能源的组合加工 5、制造自动化技术 数控技术 数控装置 进给系统 主轴系统 NC程序编制 工业机器人技术 机器人操作机 控制系统 传感器 生产线总线控制 柔性制造技术 柔性加工技术 柔性物流技术 柔性调度与控制技术 自动检测与信号识别技术 信号识别 数据获取 数据处理 特征提取与识别 6、先进制造系统 先进制造生产模式 柔性制造系统 FMS 计算机集成制造系统 CIMS 敏捷制造系统 AMS 智能制造系统 IMS 精良生产 LP 并行工程 CE 集成管理技术 企业资源管理 ERP 基于作业的成本管理 ABC 现代质量保障体系 生产率工程 制造资源快速有效集成 生产组织方法 虚拟公司理论与组织 企业组织结构的变革 以人为本的团队建设 企业重组工程