《先进制造技术导论(第二版)》全面系统地论述了先进制造理念和各种先进制造技术。《先进制造技术导论(第二版)》从先进设计技术、先进加工技术、先进成型技术、先进制造中的自动检测与监控技术、数字制造装备、先进制造管理技术、智能制造技术以及先进制造技术新概念等方面论述了各自的特点、技术内涵及其应用,体现了先进制造技术的发展方向。

第1章 绪论
1.1 先进制造技术的定义及其主要特点
1.先进制造技术的定义
先进制造技术(advanced manufacturing technology,AMT)是一个相对的、动态的概念,是为了适应时代要求,提高竞争能力,对制造技术不断优化所形成的。虽然目前对先进制造技术仍没有一个明确的、公认的定义,但经过对其内涵和特征的分析研究,可以定义为:先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、材料、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、服务乃至回收的制造全过程,以实现优质、**、低耗、清洁、灵活生产,提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。
2.先进制造技术的特点
先进制造技术的主要特点体现在精密化、自动化、系统化、集成化、加工方式多样化等方面。起推动作用的先进制造技术主要有两类:一是制造自动化技术;二是高精密制造技术。
生产效率、加工精度和成本是表征先进制造技术经济效益的主要标志。因而,制造技术从提高生产效率和加工精度两方面同时迅速地发展起来。前者是在保证生产效率的条件下,达到一定的加工精度并降低成本;而后者是在保证达到所要求精度的条件下,实现自动化和**率。
1)**率
在提高生产效率方面,提高自动化程度是世界各国致力发展的方向。近些年来,计算机数控(CNC)、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)发展非常迅速。各种新理论层出不穷,如敏捷制造、快速原型制造、并行工程、及时生产、虚拟制造,集成相关信息和资源,其本质均是实现**率、自动化生产的思想。仅就应用于实践的 CNC、FMC、FMS和 CIMS来看,已有力地显示出其具有柔性化、自动化、资源共享和**率的强大生命力。
2)高精度
在提高精度方面,从精密加工发展到超精密加工,这也是世界各主要工业发达**致力发展的方向。例如,超大规模集成电路、导弹火控系统、惯导陀螺、精密仪器、精密雷达、精密机床等都需要采用超精密加工技术。众所周知,在飞机、潜艇等军事设施中使用的精密陀螺、复印机的磁鼓、大型天文望远镜以及大规模集成电路的硅片等高新技术产品都需要超精密加工技术的支持。精密加工是指加工精度为0.1~1μm,表面粗糙度 Ra在0.1μm以下的加工方法;而加工精度控制在0.1μm以下,表面粗糙度 Ra在0.02μm以下的加工方法则称为超精密加工。
3)多样化
随着难加工材料(高强度、高韧性、高脆性、耐高温及磁性材料)及精密、细小、形状复杂的零件需求迅速增加,与此相适应的制造技术也日新月异。许多产品要求具备很高的强度重量比,有些产品在精度、工作速度、功率及小型化方面要求很高,有些产品则要求在高温、高压和腐蚀环境中能可靠地进行工作。为了适应上述要求,新结构、新材料和复杂形状的精密零部件不断出现,其结构形状越来越复杂,材料韧性越来越强,零件精度越来越高。这些需求使激光加工、电子束和离子束加工等新方法应运而生,并得到迅速发展。
近年来,以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械的研究和应用受到了广泛的重视并得到了快速的发展。微机械具有很多特点,如体积小、精度高、重量轻、性能稳定、可靠性高、能耗低、灵敏性和工作效率高、多功能、智能化,成本低廉,适于大批量生产等。正是由于微机械能够在狭小空间内进行作业,又不扰乱工作环境和对象,因而在航空航天、精密仪器和生物医学等领域具有广阔的应用潜力。
4)综合化
当前,制造技术正沿着综合化方向发展。例如,在切削区引入声、光、电、磁等能量之后,可以形成超声振动切削、激光辅助切削、带电切削、磁化切削等组合化特种切削工艺。对*基本的切削工艺加以复合,可以组成电化学与机械加工复合、电火花与机械加工复合、电化学与超声波加工复合、电化学与电火花加工复合等。不同的特种工艺也可以相互复合。复合工艺的优点在于发挥各自的优势,不仅提高了质量,而且提高了工效,并求得加工能力和经济效益的统一。大力研究和应用特种工艺,尤其是复合工艺,对于航空航天、精密仪器等材料加工难度越来越大,零件形状越来越复杂,对质量要求高的行业有着十分重要的意义。
先进制造技术的核心是优质、**、低耗、清洁等基础制造技术,即从传统的制造工艺发展起来,并与新技术实现了局部或系统集成,这也意味着先进制造技术除了通常追求的优质、**,还要针对21世纪人类面临的有限资源与日益增长的环保压力的挑战,实现可持续发展,要求实现低耗、清洁。先进制造技术的*终目标是要提高对动态多变的产品市场的适
应能力和竞争能力,因此,先进制造技术比传统的制造技术更加重视技术与原理的结合,从
而产生了一系列先进的制造模式。
上述特点偏重技术本身,并贯穿于本书的选材和内容叙述上。也有学者从系统全局的角度,总结为先进制造技术具有动态先进性、集成性、系统性和实用广泛性等。还有的学者用“十化”来概括,即集成化、网络化、精密化、自动化、高速化、智能化、标准化、全球化、虚拟化和绿色化。
1.2 先进制造技术的构成及分类
1.2.1 先进制造技术的构成
先进制造技术在不同发展水平的**和同一**的不同发展阶段,有着不同的技术内涵,对我国而言,它是一个多层次的技术群。先进制造技术的内涵和层次及其技术构成如图1-1所示。图1-1中从内层到外层分别为基础技术、新型单元技术、集成技术。下面将分别论述。
图1-1 先进制造技术的内涵、层次及其技术构成
1.基础技术
**个层次是优质、**、低耗、清洁基础制造技术。铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术,这些基础工艺经过优化而形成的基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分。这些基础技术主要有精密下料、精密成型、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、无氧化热处理、气体保护焊及埋弧焊、功能性防护涂层等。
2.新型单元技术
第二个层次是新型的先进制造单元技术。它是在市场需求及新兴产业的带动下,制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新的制造技术,如制造业自动化单元技术、工艺模拟及工艺设计技术、极限加工技术、先进技术基础方法、清洁生产技术、系统管理技术、质量与可靠性技术、激光等特种加工技术、新材料成型与加工技术。
3.集成技术
第三个层次是先进制造集成技术。它是应用信息、计算机和系统管理技术对上述两个层次的技术局部或系统集成而形成的先进制造技术的**阶段,如 FMS、CIMS、IMS等。
1994年,美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群:①主体技术群;②支撑技术群;
③制造技术环境。这三个技术群相互联系、相互促进,组成一个完整的体系。图1-2给出了先进制造技术的体系结构。
图1-2 先进制造技术的体系结构
1.2.2 先进制造技术的分类
将目前各国掌握的制造技术系统化,对先进制造技术的研究分为下述四大领域,它们横跨多个学科,并组成一个有机整体。
1.现代设计技术
现代设计技术主要包括计算机辅助设计技术、优化设计基础技术、竞争优势创建技术、全寿命周期设计技术、可持续性发展产品设计技术和设计试验技术等。
2.先进制造技术
先进制造技术包括精密洁净铸造成型工艺、****塑性成型工艺、优质**焊接及切割技术、优质低耗洁净热处理技术、**高精机械加工工艺、现代特种加工工艺、新型材料成型与加工工艺、优质清洁表面工程新技术、快速模具制造技术和虚拟制造成型加工技术等。
3.自动化技术
自动化技术主要包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技术、传感技术、自动检测及信号识别技术和过程设备工况监测与控制技术等。
4.系统管理技术
系统管理技术包括先进制造生产模式、集成管理技术和生产组织方法等。
1.3 先进制造技术的发展过程
制造是人类经济活动的基石,是人类历史发展和文明进步的动力。制造产业是一个**国民经济和综合国力的重要表现。因此,制造技术的现状在很大程度上反映了一个**的工业发展水平。现代制造技术日益成为当代科技竞争的手段。在企业生产力构成中,制造技术的作用一般占60%左右。“亚洲四小龙”和日本的发展,在很大程度上是因为对制造技术的重视。其迅速崛起、腾飞的奥秘就在于这些**和地区十分重视将发明通过制造技术形成产品,首先占领市场。
随着科学技术和生产实践的发展,现代制造技术与工艺不仅正在成为跨学科的综合性工程技术,而且开始成为具有自身理论体系的应用科学。不论是**还是企业,制造技术上的优势和实力是在竞争中取得成功的有力保证。现代制造技术和工艺是提高生产效率、降低成本、保证质量、获得**益的重要条件。正是因为先进制造技术受到了人们的普遍重视,高新科技和生产的发展也促进了先进制造技术的发展。因此,当今世界上各种先进的制造技术层出不穷。
纵观近两百年制造业的发展历程,影响其发展昀主要的因素是技术的推动及市场的牵引。人类每次科学技术的革命,必然引起制造技术的发展,从而推动制造业的发展。另外,随着人类的不断进步,人类不断产生变化的需求,推动了制造业的不断发展,促进了制造技术的不断进步。
在市场需求不断变化的驱动下,制造业的生产规模沿着“小批量→少品种大批量→多品种变批量”的方向发展;在科技高速发展的推动下,制造业的资源配置沿着“劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集”的方向发展;与之相适应,制造技术的生产方式沿着“手工→机械化→单机自动化→柔性自动化→智能自动化”的方向发展。机械制造技术是机械工业的基础和核心。随着高精度产品的增加、市场竞争的加剧及产品转型的加速等,机械制造技术促使机械制造业在加工机制与方式、生产组织形式以及自动化和柔性化等方面取得令人瞩目的进展。
20世纪80年代以来,各国制造业面临复杂多变的外部环境:科学技术突飞猛进,供求关系变化频繁,产品更新日新月异,各国经济与国际市场纵横交错,竞争对手林立,等等,这些都促使各国政府和企业界寻求对策,以获取全球范围内的竞争优势。传统的制造技术已变得越来越不适应当今快速变化的环境;先进的制造技术,尤其是计算机技术和信息技术在制造业中的广泛应用,使人们正在或已经摆脱传统观念的束缚,跨入制造业的新纪元。
先进制造技术就是在这种大环境下提出来的。从技术的角度来看,以计算机为**的新一代信息技术的发展,使制造技术达到了****的新高度,先进制造技术理论的提出也是这种进程的反映。因此,先进制造技术一经提出,立即在世界上引起了积极的响应。
1.4 我国先进制造技术发展战略与路径
1.4.1 我国先进制造技术发展的**任务
站在发展的新的历史起点上,我国及时组织制定并实施了《中国制造2025》,以“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”为基本方针,坚持走中国特色新型工业化道路,以促进制造业创新发展为主题,以提质增效为**,以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向,以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标,强化工业基础能力,提高综合集成水平,完善多层次、多类型人才培养体系,促进产业转型升级,培育有中国特色的制造文化,实现制造业由大变强的历史跨越。
《中国制造2025》明确了九项**任务:提高**制造业创新能力,推进信息化和工业化深度融合,强化工业基础能力,加强质量品牌建设,全面推行绿色制造,大力推动**领域突破发展,深入推进制造业结构调整,积极发展服务型制造和生产性服务业,提高制造业国际化发展水平。
**实施以下五大工程。
(1)制造业创新**(工业技术研究基地)建设工程。围绕**行业转型升级和新一代信息技术、智能制造、增材制造、新材料、生物医药等领域创新发展的重大

目录 第1章 绪论 1 1.1 先进制造技术的定义及其主要特点 1 1.2 先进制造技术的构成及分类 2 1.2.1 先进制造技术的构成 2 1.2.2 先进制造技术的分类 4 1.3 先进制造技术的发展过程 4 1.4 我国先进制造技术发展战略与路径 5 1.4.1 我国先进制造技术发展的**任务 5 1.4.2《中国制造2025》发展的技术路线图 6 1.4.3 实施路线图的相关政策保障 10 思考题 11 第2章 先进设计技术 12 2.1 概述 12 2.2 数字化设计 14 2.2.1 数字化设计的软硬件 15 2.2.2 数字化产品模型 19 2.2.3 数字样机仿真技术 27 2.3 创新设计 29 2.3.1 创新设计概述 29 2.3.2 创新思维模式 30 2.3.3 常用的创新技法 31 2.4 优化设计 35 2.4.1 机械优化设计的数学模型 36 2.4.2 CAE优化设计方法 37 2.4.3 复杂产品多学科优化 40 2.5 绿色设计 42 2.5.1 绿色设计概述 42 2.5.2 绿色设计方法 44 2.5.3 绿色设计的材料选择 47 2.5.4 产品的可拆卸性设计和可回收性设计 50 2.5.5 绿色设计评价 55 思考题 59 第3章 先进加工技术 60 3.1 概述 60 3.2 超精密加工技术 60 3.2.1 超精密加工刀具 61 3.2.2 超精密加工设备 62 3.2.3 超精密加工的工作环境 62 3.2.4 超精密加工精度的在线检测及计量测试 62 3.2.5 超精密加工的主要方法 63 3.2.6 超精密加工的设备与环境 72 3.3 高能束加工和复合加工技术 75 3.3.1 高能束加工技术 75 3.3.2 复合加工技术 88 3.4 超高速加工技术 99 3.4.1 超高速加工技术的内涵和范围 99 3.4.2 超高速加工的机制 100 3.4.3 超高速切削加工的优越性 101 3.4.4 超高速磨削加工的优越性 102 3.4.5 超高速加工技术的应用 102 3.4.6 超高速切削的相关技术 104 3.4.7 超高速磨削的相关技术 115 3.4.8 超高速加工测试技术 119 思考题 121 第4章 先进成型技术 122 4.1 概述 122 4.2 精密铸造技术 122 4.3 精密塑性成型技术 127 4.4 连接技术 134 4.5 复合材料成型技术 145 4.6 特殊成型技术 149 思考题 151 第5章 先进制造中的自动检测与监控技术 152 5.1 先进制造自动检测技术概述 152 5.1.1 自动检测的含义 152 5.1.2 先进制造系统自动检测的对象和特点 153 5.1.3 先进制造系统自动检测方法的类型 153 5.2 制造系统参数的传感检测 154 5.2.1 加工制造过程参数传感检测 156 5.2.2 制造过程工件传感检测 159 5.2.3 刀具状态传感检测 160 5.2.4 机床及加工制造设备状况传感检测 164 5.3 制造系统运行状态监测监控与故障诊断 167 5.3.1 先进制造系统监测监控的任务与构成 167 5.3.2 制造系统运行状态(工况)自动监测与监控 168 5.3.3 加工设备智能故障诊断 173 5.3.4 智能机床的智能化监控 174 5.4 机电产品制造精度及制造质量自动检测技术 177 5.4.1 质量检测概述 177 5.4.2 坐标测量机 177 5.4.3 在线检测 182 5.4.4 产品装配自动检测 187 5.4.5 无损检测 188 5.4.6 气密性检测 193 5.4.7 产品环境试验 195 5.5 先进制造中的现代精密测量技术 197 5.5.1 轮廓仪 197 5.5.2 激光干涉仪 198 5.5.3 三维激光扫描仪 201 5.5.4 激光跟踪仪 202 5.5.5 测量机器人及机器人辅助测量 203 5.6 纳米检测技术 205 5.6.1 微纳米检测技术概述 205 5.6.2 扫描探针显微镜 205 5.6.3 其他微纳米测量技术 209 思考题 210 第6章 数字制造装备 211 6.1 数控机床 211 6.1.1 CNC的产生与发展 211 6.1.2 CNC的组成及结构特点 212 6.1.3 CNC的发展趋势 214 6.2 柔性夹具 218 6.2.1 传统夹具创新 219 6.2.2 原理与结构创新夹具 222 6.2.3 柔性夹具的发展趋势 223 6.3 工业机器人 224 6.3.1 工业机器人的产生及发展 225 vi先进制造技术导论 6.3.2 工业机器人的组成原理 226 6.3.3 工业机器人的性能指标 233 6.3.4 工业机器人的关键技术 234 思考题 236 第7章 先进制造管理技术 237 7.1 复杂产品研发支持平台技术 237 7.1.1 产品研发面临的新形势及特点 237 7.1.2 产品全生命周期管理 238 7.1.3 基于模型定义(MBD)技术 240 7.2 企业资源计划 241 7.2.1 制造企业的三级体系结构 242 7.2.2 企业资源计划演变过程 242 7.2.3 ERP的概念及特征 244 7.2.4 ERP软件模块 244 7.2.5 主流ERP软件产品 246 7.3 先进质量管控方法 246 7.3.1 质量管理发展的三个阶段及其特点 247 7.3.2 六西格玛质量管理 248 7.3.3 生产现场质量问题分析方法 251 7.4 制造执行系统 253 7.4.1 制造车间的构成及运作流程 253 7.4.2 MES定位及作用 256 7.4.3 MES功能模块 257 7.4.4 MES/MRP Ⅱ/CAPP集成 259 思考题 260 第8章 智能制造技术 261 8.1 智能制造技术的内涵与趋势 261 8.1.1 智能制造技术的内涵 261 8.1.2 智能制造的目标 263 8.1.3 智能制造的现状与趋势 264 8.2 典型智能制造新模式 267 8.2.1 云制造 267 8.2.2 物联制造 270 8.2.3 社群制造 273 8.2.4 网络化协同制造 276 8.3 智能制造系统中的关键技术 279 8.3.1 智能装备模型 279 8.3.2 智能物料配送技术 283 8.3.3 数字孪生技术 286 8.3.4 工业大数据技术 290 思考题 293 第9章 先进制造技术新概念 294 9.1 “互联网 ”制造 294 9.2 工业大数据制造 299 9.3 先进制造**进展 303 9.3.1 生物制造 303 9.3.2 4D打印 304 9.3.3 5D打印 306 9.3.4 人工智能与先进制造 306 思考题 308 参考文献 309