面向21世纪的先进制造系统与技术.ppt
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1、面向面向21世纪的先进制世纪的先进制造系统与技术造系统与技术目录目录 1.1.制造业与制造技术的重大意义制造业与制造技术的重大意义 2.2.以微见著以微见著 精密化是机械制造发展的核心精密化是机械制造发展的核心3.3.以综见著以综见著 自动化是机械制造发展的途径自动化是机械制造发展的途径4.4.以网见著以网见著 信息化是机械制造发展的急需信息化是机械制造发展的急需5.5.以智见著以智见著 智能化是机械制造发展的方向智能化是机械制造发展的方向6.6.制造业与制造技术的创新制造业与制造技术的创新7.7.从制造大国走向制造强国从制造大国走向制造强国2制造业与制造技术制造业与制造技术的重大意义的重大意
2、义3制造业创造了人类制造业创造了人类1)人从猿进化而来)人从猿进化而来,人猿分离人猿分离,是由于人学会双足行走和是由于人学会双足行走和 用手制造并使用工具。用手制造并使用工具。2)中国的元谋人()中国的元谋人(170万年前的南方古猿)、非洲人早万年前的南方古猿)、非洲人早 在在160万年前即开始用火,石料开采和加工,形成了万年前即开始用火,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。原始制造业。饮食改善促进了脑的发展。200万年前万年前 的猿人的猿人 脑容量约为脑容量约为700毫升,毫升,100万年前的直立人脑万年前的直立人脑 容量约为容量约为1000毫升,毫升,50万年前增加
3、到万年前增加到1200毫升,毫升,1929 年发现的年发现的57万年前的北京(直立)猿人为万年前的北京(直立)猿人为1050毫升,毫升,而现代人的脑容量平均为而现代人的脑容量平均为1450毫升,现代人的大脑皮毫升,现代人的大脑皮 层褶皱面积为层褶皱面积为 1700-2200平方厘米,是黑猩猩的平方厘米,是黑猩猩的3倍。倍。3)恩格斯指出:)恩格斯指出:“直立和劳动创造了人类,而劳动是从直立和劳动创造了人类,而劳动是从 制造工具开始的。制造工具开始的。”4制造业不是夕阳工业制造业不是夕阳工业(1)(1)1.1.美国的教训美国的教训1)1)上个世纪上个世纪7070年代年代,美国不重视制造业美国不重
4、视制造业,把制造业称为把制造业称为“夕阳工业夕阳工业”,结果导致美国结果导致美国8080年代的经济衰退。年代的经济衰退。2)802)80年代后期,美国的一些国会议员、政府要员纷纷要求政府出年代后期,美国的一些国会议员、政府要员纷纷要求政府出 面,协调和支持制造产业的发展,面,协调和支持制造产业的发展,19911991年,布什政府期间,美年,布什政府期间,美 国白宫科学技术政策办公室发表了总数为国白宫科学技术政策办公室发表了总数为2222项的美国国家关键项的美国国家关键 技术,其中制造技术占技术,其中制造技术占4 4项,标志着美国科技政策的转变。项,标志着美国科技政策的转变。3)3)克林顿上台后
5、,对制造业大力支持,他把先进制造技术列为六克林顿上台后,对制造业大力支持,他把先进制造技术列为六 大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空 工业及信息产业等方面取得了明显的进展,使美国的经济连续工业及信息产业等方面取得了明显的进展,使美国的经济连续 8 8年取得了年取得了2-3%2-3%的增长率,而且还同时保持低通胀率和低失业的增长率,而且还同时保持低通胀率和低失业 率。这就是克林顿虽发生丑闻而未被弹劾的主要原因。率。这就是克林顿虽发生丑闻而未被弹劾的主要原因。5制造业不是夕阳工业制造业不是夕阳工业(2)(2)2.2.日本的经
6、验日本的经验1 1)在上个世纪)在上个世纪70-8070-80年代,日本非常重视制造业,年代,日本非常重视制造业,特别大抓了汽车制造和微电子制造,结果日特别大抓了汽车制造和微电子制造,结果日 本的汽车和家用电器占领了全世界的市场,本的汽车和家用电器占领了全世界的市场,特别是大举进入了美国市场。特别是大举进入了美国市场。2 2)日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关)日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关 键元件。键元件。19911991年海湾战争结束后,日本人说年海湾战争结束后,日本人说 美国赢得这场战争是依靠的日本的芯片,是美国赢得这场战争是依靠的日本的芯片,是 “日本的芯片打败了伊拉克的钢
7、片日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。6制造业不是夕阳工业制造业不是夕阳工业(3)(3)3.3.东南亚经济危机的启示东南亚经济危机的启示1 1)19981998年爆发的动南亚经济危机,从另一个侧年爆发的动南亚经济危机,从另一个侧 面反映了一个国家发展制造业的重要。一个面反映了一个国家发展制造业的重要。一个 国家,如果把经济的基础放在股票、旅游、国家,如果把经济的基础放在股票、旅游、金融、房地产、服务业上,而无自己的制造金融、房地产、服务业上,而无自己的制造 业,这个国家的经济就容易形成泡沫经济,业,这个国家的经济就容易形成泡沫经济,一有风吹草动就会产生经济危机。一有风吹草动就会产生经济危机。2 2
8、)新加坡、台湾都有自己的制造业,因此受经)新加坡、台湾都有自己的制造业,因此受经 济危机的影响小一些。济危机的影响小一些。7制造业不是夕阳工业制造业不是夕阳工业(4)(4)4.4.瑞士依靠什么使人均产值瑞士依靠什么使人均产值 居世界第一?居世界第一?1 1)瑞士是一个仅)瑞士是一个仅700700万人口的小国,但瑞士的制万人口的小国,但瑞士的制 造业十分发达,瑞士的精密机械产品的出口造业十分发达,瑞士的精密机械产品的出口 量是我国的量是我国的8 8倍,瑞士的手表世界第一,连小倍,瑞士的手表世界第一,连小 小的军刀,也风靡全世界。小的军刀,也风靡全世界。2 2)现在瑞士的年人均国民生产总值达到)现
9、在瑞士的年人均国民生产总值达到4.34.3万美万美 元以上元以上,居世界第一。居世界第一。8制造业是产业革命的主力军(制造业是产业革命的主力军(1 1)第一次产业革命:第一次产业革命:1733-18781)又称为:蒸汽革命。)又称为:蒸汽革命。2)产业革命的标志:瓦特发明的蒸汽机。)产业革命的标志:瓦特发明的蒸汽机。3)英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明)英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明4)制造业和瓦特的发明推动了热力学理论)制造业和瓦特的发明推动了热力学理论 的诞生。的诞生。9制造业是产业革命的主力军(制造业是产业革命的主力军(2 2)第二次产业革命:第二次产业革命:1879-19451)
10、又称为:电气革命。)又称为:电气革命。2)产业革命的标志:电灯(爱迪生)、电话(贝尔)、)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。电机(西门子)等电气化产品。3)制造业肇始了电的应用,而后才有麦克)制造业肇始了电的应用,而后才有麦克 斯韦电动力学斯韦电动力学 理论的诞生。理论的诞生。4)麦克斯韦电动力学理论推动了)麦克斯韦电动力学理论推动了20世纪初开始的无线电、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、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。微波探测等技术的发展。5)牛顿力学和电动力学又为量子力学的发展指
11、引了道路,)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。导致了量子场论的创立。10制造业是产业革命的主力军(制造业是产业革命的主力军(3 3)第三次产业革命:第三次产业革命:1945-19721)又称为:电子(原子)革命。)又称为:电子(原子)革命。2)产业革命的标志:原子弹()产业革命的标志:原子弹(1945)、)、电子计算机(电子计算机(1946)、晶体管)、晶体管 (1948)、集成电路、微电子技术)、集成电路、微电子技术 等。等。3)微电子制造技术开创了全新的信息)微电子制造技术开创了全新的信息 时代。时代。11制造业是产业革命的主力军(制造业是产业革命的主力
12、军(4 4)第四次产业革命:第四次产业革命:1973-1)又称为:高新技术产业革命。)又称为:高新技术产业革命。2)产业革命的标志:众多高新技术产品,如微电子产)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。代药物、绿色食品、转基因产品等等。3)微器件制造工艺,如拉单晶、掺杂、扩散、离子注)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(入、外延、溅射、化学沉
13、积(CVD)、光刻、表面)、光刻、表面 贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把 高新技术产业革命推向顶峰。高新技术产业革命推向顶峰。12从科学发现到技术发明从科学发现到技术发明172020世纪改变世界的重要机电产品世纪改变世界的重要机电产品1819中国制造业的成就中国制造业的成就(1)2001年年,中国工程院的调查结论中国工程院的调查结论:1)中国制造业占国民生产总值的)中国制造业占国民生产总值的1/3 2)占整个工业生产的)占整个工业生产的4/53)为国家财政提供)为国家财政提供1/3以上的收入以上的收入4)贡献出口总额的)贡献出口总额的90
14、%5)就业人员)就业人员8043万万20制造业的重大意义制造业的重大意义(1)1)在发达国家中)在发达国家中,制造业创造了约制造业创造了约60%的的 社会财富、约社会财富、约 45%的国民经的国民经 济收入。济收入。2)据统计,美国)据统计,美国68%的社会财富来自于制的社会财富来自于制 造业。造业。3)CIRP在在1999年的报告中指出:在国家年的报告中指出:在国家 生产力的构成中,制造技术的作用一般生产力的构成中,制造技术的作用一般 占占55%65%。4)在许多国家的科技发展计划中,先进制)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。造技术都被列为优先发展的科技。23
15、制造业的重大意义制造业的重大意义(4)人大常委会副委员长宋健指出:人大常委会副委员长宋健指出:“制造业是实现现代化工业的水之源、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。国家永远成不了经济强国。”26知识经济与制造业知识经济与制造业28以微见著以微见著精密化是机械制造发展的核心精密化是机械制造发展的核心2920世纪的三个重大科学成就世纪的三个重大科学成就都是都是“以微见著以微见著”(1)1.
16、1.量子力学量子力学 19001900年,普朗克依据黑体辐射实验而提出量子假说,后与玻尔、年,普朗克依据黑体辐射实验而提出量子假说,后与玻尔、薛定谔等人于薛定谔等人于19251925年建立量子力学。解决了波粒二重性问题:在年建立量子力学。解决了波粒二重性问题:在原子尺度下,粒子的能量与波动的频率成正比,动量与波长成反原子尺度下,粒子的能量与波动的频率成正比,动量与波长成反比。比。2.2.相对论相对论 1 1)狭义相对论狭义相对论:19051905年,爱因斯坦在迈克尔逊测量光速的基础上,年,爱因斯坦在迈克尔逊测量光速的基础上,提出了狭义相对论,预示了原子能的巨大潜力:提出了狭义相对论,预示了原子
17、能的巨大潜力:E=mc E=mc2 2 E E 能量,能量,m m 质量,质量,c c 光速光速 2)2)广义相对论广义相对论:19151915年提出广义相对论,揭示了时间、空间、物质年提出广义相对论,揭示了时间、空间、物质和运动的普遍规律。和运动的普遍规律。3120世纪的三个重大科学成就世纪的三个重大科学成就都是都是“以微见著以微见著”(2)3.DNA3.DNA(脱氧核糖核酸)双螺旋结构(脱氧核糖核酸)双螺旋结构 1)19531)1953年沃森和克里克发现生物大分子是由年沃森和克里克发现生物大分子是由DNADNA组成,其组成,其结构是双螺旋结构,遗传密码存在于结构是双螺旋结构,遗传密码存在于
18、DNADNA中(称为中(称为 基因基因)。)。2)1973 2)1973年美国的科恩和博耶演示了世界上第一例年美国的科恩和博耶演示了世界上第一例DNADNA分分子重组子重组,打开了理解生命奥秘的大门,打开了理解生命奥秘的大门,19731973年成为人年成为人类进入信息时代的标志。类进入信息时代的标志。3)1997 3)1997年英国成功地用体细胞年英国成功地用体细胞克隆技术克隆技术培养出羊培养出羊“多莉多莉”,第一次实现了生命的复制。,第一次实现了生命的复制。32现代超精密机械对精度的要求现代超精密机械对精度的要求33加工精度及其发展加工精度及其发展1车、铣车、铣2磨磨 3CNC机床机床4研磨
19、、工具磨研磨、工具磨5光学磨、金刚石车、磨光学磨、金刚石车、磨 6金刚石超精车、磨、金刚石超精车、磨、电解电解 加工加工7衍射光栅刻线机衍射光栅刻线机 8电子束、离子束、电子束、离子束、X射线射线9分子束生长、离子注分子束生长、离子注 10 扫描隧道技术扫描隧道技术35细微与纳米加工技术可达的水平细微与纳米加工技术可达的水平36以综见著以综见著自动化是机械工程发展的途径自动化是机械工程发展的途径37自动化是机械工程自动化是机械工程综合化的核心和目标综合化的核心和目标1.自动控制基础理论的发展自动控制基础理论的发展1)经典控制论)经典控制论2)现代控制论)现代控制论3)大系统控制论(智能控制论)
20、大系统控制论(智能控制论)2.当前工程控制论的前沿当前工程控制论的前沿3.制造中的自动化技术制造中的自动化技术39工程控制论的前沿工程控制论的前沿 1.“非非”:2.“智智”:1)非线性非线性 1)智能系统智能系统 2)非定常非定常 2)智能控制智能控制 3)非经典非经典 3)智能优化智能优化 4)非一般非一般 5)非对称非对称 6)非平衡非平衡40制造中的自动化技术制造中的自动化技术1.CAD/CAM技术技术(包括包括CAT/CAE/-CAX)2.数字控制技术数字控制技术3.机电一体化技术机电一体化技术(包括光、液、气包括光、液、气)4.传感器与测试技术传感器与测试技术5.伺服驱动系统技术伺
21、服驱动系统技术6.自动机技术自动机技术(包括输送、存储、装卸及机器人包括输送、存储、装卸及机器人)7.加工、装配和检验中的自动化技术加工、装配和检验中的自动化技术8.制造系统技术制造系统技术9.管理信息化技术管理信息化技术10.回收与维修中的自动化技术回收与维修中的自动化技术结论:制造自动化技术的基础是数字技术结论:制造自动化技术的基础是数字技术41信息产业的基础是微电子芯片制造信息产业的基础是微电子芯片制造 莫莫尔尔规规律律:一一片片硅硅片片上上的的晶晶体体管管数数(集集成成度度),每每隔隔18241824个个月月翻翻一一番番,预预计计这这一一规律还要持续规律还要持续10-1510-15年。
22、年。微电子芯片功能的增长情况微电子芯片功能的增长情况:芯片上的微刻技术芯片上的微刻技术(纳米加工技术纳米加工技术)生物芯片生物芯片:比现有的芯片体积缩小:比现有的芯片体积缩小5050倍,速度快倍,速度快100100倍,智能化程度更高。倍,智能化程度更高。43先进制造系统以综合为手段先进制造系统以综合为手段(一一)近二十年来,世界各国共提出数十种先近二十年来,世界各国共提出数十种先进制造系统,其中较重要的有进制造系统,其中较重要的有38种种:(1)CAD/CAM/CAE(计算机辅助设计计算机辅助设计/计计 算机辅助制造算机辅助制造/计算机辅助工程计算机辅助工程);(2)成组技术成组技术(Grou
23、p Technology)(GT);(3)全面质量管理全面质量管理(Total Quality Manufacturing)(TQM);(4)材料需求计划材料需求计划(Material Requisite Planning)(MRP-I);48先进制造系统先进制造系统(续续)(5)制造资源计划制造资源计划(Manufacturing Resource Planning)(MRP-II);(6)柔性制造系统柔性制造系统(Flexible Manufacturing System)(FMS);(7)准时生产制准时生产制(Just In Time)(JIT);(8)计算机辅助工艺规划(计算机辅助工艺
24、规划(CAPP);49 先进制造系统先进制造系统(续续)(9)为了制造的为了制造的(装配的,试验的装配的,试验的)设计设计 (DFMA,DFA,DFTDFX);(10)计算机集成制造系统计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)(CIMS);(11)用户驱动生产用户驱动生产(Customer Driven Production)(CDP);(12)企业重组企业重组(Business Reengineering)(BR);(13)并行工程并行工程(Concurrent Engineering)(CE);50先进制造系统先进制造系统(续续
25、)(14)环境友好生产环境友好生产(Environment Friendly Manufacturing)(EFM);(15)精益生产精益生产(Lean Production)(LP);(16)敏捷制造敏捷制造(Agile Manufacturing)(AM);(17)多智能体制造系统多智能体制造系统(Multi-Agent Manufacturing System)(MAMS);51 先进制造系统先进制造系统(续续)(18)虚拟制造虚拟制造(Virtual Manufacturing)(VM);(19)增广现实制造增广现实制造(Augmented Reality Manufacturing)
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- 面向 21 世纪 先进 制造 系统 技术
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