【正文】 第一章 緒論 制造業(yè)與制造技術(shù) 制造業(yè)是現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，包括機(jī)械裝備制造、電子產(chǎn) 品制造、非金屬制品制造、服裝、食品、玩具等等。 制造業(yè)是將有關(guān)的制造資源（原材料、設(shè)備、工具、能源、資 金、人才、技術(shù)以及信息）轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的、可供人們利用和消費(fèi)的 產(chǎn)品與服務(wù)的行業(yè)。 制造業(yè)的水平反映了一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技和生活水平。工 業(yè)化國(guó)家 60％－ 80％的社會(huì)財(cái)富靠制造業(yè)制造，制造業(yè)占國(guó)際貿(mào)易總 額 75％。所以制造業(yè)的水平代表一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力。 制造的定義：制造企業(yè)中所涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、生產(chǎn)計(jì) 劃、生產(chǎn)質(zhì)量保證、經(jīng)營(yíng)管理、市場(chǎng)營(yíng)銷和服務(wù)等一系列相關(guān)活動(dòng)的 總稱。 制造技術(shù)：與制造業(yè)相關(guān)的一系列技術(shù)的總和。 先進(jìn)制造技術(shù)是在傳統(tǒng)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。分界線大 體可劃在 20世紀(jì) 50年代。主要標(biāo)志：電子計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī) 器人的出現(xiàn)。 制造技術(shù)的發(fā)展過(guò)程 19世紀(jì)： 手工制造 20世紀(jì)初： 批量生產(chǎn) 20世紀(jì) 30年代： 剛性自動(dòng)化 20世紀(jì) 60－ 80年代： CAD/CAM/CAE、 FMS、 JIT 20世紀(jì) 80年代： 集成制造、并行工程 20世紀(jì) 90年代： 敏捷制造、虛擬制造、 智能制造、綠色制造 先進(jìn)制造技術(shù) （ 5大領(lǐng)域） ? 1. 系統(tǒng)總體技術(shù) 柔性制造（ FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造（ CIMS）、敏捷制造 (AM）、智能制造（ IM）。 ? 2. 設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù) CAD/CAM/CAE、數(shù)控技術(shù)（ NC）、并行工程（ CE）、虛擬制造（ VM）。 ? 3. 制造工藝與裝備 材料生產(chǎn)工藝與裝備、熱加工工藝與裝備、高速切削工藝與裝備、精密 /超精密與納米加工工藝與裝備、特種加工工藝與裝備。 ? 4. 管理技術(shù) 計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理、物料需求計(jì)劃、制造資源規(guī) 劃、企業(yè)資源規(guī)劃、供應(yīng)鏈管理、質(zhì)量管理、準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn) （ JIT）、精益生產(chǎn)（ LP）、企業(yè)業(yè)務(wù)流程再造等。 ? 5. 支撐技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程、數(shù)據(jù)庫(kù)技 術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī) 工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)。 先進(jìn)制造技術(shù)分類 先進(jìn)制造技術(shù)涉及范圍廣、技術(shù)領(lǐng)域復(fù)雜，為了便于 掌握其基本體系和主要內(nèi)容，從制造技術(shù)的功能的角度， 分成 5大類： ? 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)。 隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)、機(jī)械制造、 優(yōu)化理論、人機(jī)工程等學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的深 度、廣度大大拓展，出現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、 CAD、 CAPP、 CAA（計(jì)算機(jī)輔助裝配）、計(jì)算機(jī)輔助夾 具設(shè)計(jì)、反求工程、產(chǎn)品生命全周期設(shè)計(jì)、基于網(wǎng)絡(luò)的異 地設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)。 ? 先進(jìn)切削加工技術(shù)、成形加工技術(shù)、表面工程技術(shù)、 特種加工技術(shù)和快速原型制造技術(shù)。 ? 數(shù)控加工技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、 FMS、 CIMS。 ? 成組技術(shù)（ group technology GT）、全面質(zhì)量管 理（ total quality management TQM）、物料需求規(guī) 劃 (material requirement planning MRP)、即時(shí)生產(chǎn) （ JIT）、企業(yè)資源規(guī)劃（ ERP）等管理方法。 ? CIMS、并行工程（ CE）、精益生產(chǎn)（ LP）、敏捷 制造（ AM）、虛擬制造（ VM）、綠色制造（ GM），是 制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和管理科 學(xué)的各學(xué)科交叉。 正朝著柔性化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化和清潔化的 方向發(fā)展。 第二章 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù) 概述 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的概念 是根據(jù)產(chǎn)品功能要求及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要素（質(zhì)量、成本、服務(wù)、環(huán)保）的要求，綜合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)人員科學(xué)、規(guī)范和創(chuàng)造性的工作產(chǎn)生載有相應(yīng)文字、數(shù)據(jù)、圖形等信息的技術(shù)條件，制定用于產(chǎn)品制造的設(shè)計(jì)方案。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)使產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)建立在科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之上。隨著微電子信息、材料、系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)日新月異，新的設(shè)計(jì)理念不斷涌現(xiàn)、新設(shè)計(jì)方法不斷誕生。 特點(diǎn)： 1. 從單一目標(biāo)規(guī)劃向多目標(biāo)規(guī)劃轉(zhuǎn)變 目標(biāo) 2. 從傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)渡 手段 3. 從傳統(tǒng)的順序設(shè)計(jì) 并行設(shè)計(jì) 組織方式 4. 從單純的產(chǎn)品設(shè)計(jì) 全生命周期設(shè)計(jì) 環(huán)節(jié) 5. 異地設(shè)計(jì) 地域 6. 可持續(xù)發(fā)展的綠色設(shè)計(jì) 功能 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)十分重要。產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本占產(chǎn)品成本的 15％－ 20％，但決定了產(chǎn)品成本的 70％到 80％。 設(shè)計(jì)水平是衡量一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 1. 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 用數(shù)學(xué)方法和系統(tǒng)工程方法對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析、決策，以獲取最優(yōu)解的方法。近年來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)等方法相結(jié)合形成了新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 2. 有限元分析方法 將零件看成是由有限個(gè)元素組成，通過(guò)對(duì)每一個(gè)元素求解（位移、應(yīng)力）來(lái)獲取零件整體的解。廣泛用于零件和結(jié)構(gòu)的分析和計(jì)算中。 3. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 運(yùn)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算及信息處理功能來(lái)完成設(shè)計(jì)工作，應(yīng)用最廣泛。 4. 面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì) 將并行工程思想用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)階段便綜合考慮產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中的設(shè)計(jì)、加工、裝配、測(cè)試、維修、銷售及報(bào)廢回收環(huán)節(jié)的影響因素，全面評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，達(dá)到開發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高的目的。 5. 網(wǎng)絡(luò)化異地設(shè)計(jì) 隨著網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、異地的設(shè)計(jì)開發(fā)資源的共享與整合，極大地 拓展了設(shè)計(jì)工作的時(shí)空維度。 6. 反求工程 以先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)物或軟件（程序、圖樣、文件資料）作為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用現(xiàn)代工程 設(shè)計(jì)的相關(guān)理論與方法，進(jìn)行解剖、分析和研究，進(jìn)而開發(fā)出同類產(chǎn)品。 7. 綠色設(shè)計(jì) 將產(chǎn)品和環(huán)境作為一個(gè)系統(tǒng)，充分考慮產(chǎn)品及其制造系統(tǒng)與環(huán)境相容性，做到對(duì)環(huán)境影 響最小。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD） 概述 1. CAD的發(fā)展過(guò)程 ? 1950年 MIT研制出 Whir/WindⅠ 可以顯示簡(jiǎn)單的圖形。 ? 1958年美國(guó) Calp公司研制滾筒式繪圖儀， Gerber公司平板繪圖儀。 ? 1962年 MIT的 Sutherland提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲(chǔ)符號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為 CAD技術(shù)發(fā)展打下了理論基礎(chǔ)。 ? 1970年美國(guó) Applicon公司推出完整的 CAD系統(tǒng)。 ? 上世紀(jì) 80年代 CAD/CAM技術(shù)用于工程設(shè)計(jì)，圖形接口、圖形功能日趨標(biāo)準(zhǔn)化，出現(xiàn)了由 CAD/CAM/CAE構(gòu)成的 CIMS，提高了設(shè)計(jì)自動(dòng)化。 2. CAD的功能 ? 工程與產(chǎn)品設(shè)計(jì) 借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，工程技術(shù)人員可以方便的完成某一工程或產(chǎn)品的方案選型、評(píng)估、詳細(xì)設(shè)計(jì)、優(yōu)化等工作，實(shí)現(xiàn)從零件圖到裝配圖、總裝圖、平面布置圖、管道布置圖的自動(dòng)繪制。 ? 仿真模擬 高性能的 CAD系統(tǒng)可以真實(shí)地模擬產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和變化過(guò)程，如機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、零件的加工、柔性制造系統(tǒng)的運(yùn)行，汽車、飛機(jī)的行駛過(guò)程等。幫助設(shè)計(jì)人員正確地進(jìn)行方案論證、產(chǎn)品選型、性能評(píng)估等。 ? 事務(wù)管理 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)文檔的計(jì)算機(jī)管理，有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成組化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)工作量。 通常 CAD的工作 1. 信息管理 提供豐富的設(shè)計(jì)需要的信息?？梢詾樵O(shè)計(jì)人員提供有關(guān)客戶的需求和改進(jìn)意見(jiàn)、組織生產(chǎn)特定結(jié)構(gòu)零件的成本核算、外購(gòu)件的成本、原材料信息、生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)狀況等，有利于更好的設(shè)計(jì)零件和產(chǎn)品。 2. 智能 CAD 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)與人工智能相結(jié)合，用于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行決策、分析和推理，更高效地進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。 3. 計(jì)算機(jī)圖形顯示與幾何造型 利用 CAD系統(tǒng)豐富多樣的交互方法與造型工具，通過(guò)人機(jī)對(duì)話進(jìn)行方案的構(gòu)思與總體設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中建立產(chǎn)品的幾何模型，在顯示器上展示產(chǎn)品的形狀。 4. 分析計(jì)算 對(duì)模型進(jìn)行分析計(jì)算，包括工程計(jì)算、力學(xué)動(dòng)態(tài)性能分析及物理特性分析，確定產(chǎn)品的幾何、力學(xué)、物理等參數(shù)，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，并迅速修改和完善，達(dá)到最佳效果。 5. 自動(dòng)繪圖 自動(dòng)繪制工程圖紙（效率高、質(zhì)量好）。 6. 工程數(shù)據(jù)管理 管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生和使用的各種數(shù)據(jù)、文字和圖形，保持其良好的數(shù)據(jù)獨(dú)立性、 一致性和完整性，并提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。 概念設(shè)計(jì) CAD 概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中最具創(chuàng)造性的工作，根據(jù)市場(chǎng)和用戶的需求，完成設(shè)計(jì)方案的制定、分析和選擇，需要設(shè)計(jì)人員憑借豐富的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行構(gòu)思、推理和判斷。采用專家系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行。 在概念設(shè)計(jì)階段，專家系統(tǒng)主要協(xié)助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行評(píng)價(jià)、選擇和決策，自動(dòng)生成設(shè)計(jì)方案。下圖是專家系統(tǒng) CAD求解設(shè)計(jì)方案的一般過(guò)程。 此過(guò)程是一個(gè)“設(shè) 計(jì) —— 評(píng)價(jià) —— 再設(shè)計(jì)”過(guò)程。由于設(shè)計(jì)的需求是多方面的、模糊的，有時(shí)是矛盾的可行性方案。一般有一定的范圍，需要評(píng)價(jià)和選擇，有時(shí)需要人工判斷。 開始 確定設(shè)計(jì)要求 指定設(shè)計(jì)方案 分析設(shè)計(jì)方案 評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案 決策 結(jié)束 修改設(shè)計(jì)要求 再設(shè)計(jì) N Y 詳細(xì)設(shè)計(jì) CAD 1. 二維設(shè)計(jì) 在機(jī)械制造中通常用一組工程圖來(lái)表達(dá)產(chǎn)品的形狀和尺寸，每個(gè)視圖都是物體在某一平面上的投影，反映產(chǎn)品幾何形狀的一個(gè)側(cè)面。因此需要二維設(shè)計(jì)，產(chǎn)生產(chǎn)品二維的幾何輪廓。 2. 三維設(shè)計(jì) 二維視圖需要人們通過(guò)思維才能推測(cè)出視圖與物體真實(shí)形象之間的關(guān)系，很不直觀，因此需根據(jù)二維信息構(gòu)造三維形體。 CAD技術(shù)的發(fā)展 隨著 CAD自身和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展， CAD技術(shù)正朝著集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的方向發(fā)展。 1. CAD系統(tǒng)的集成化 CAD技術(shù)是 CIMS的核心技術(shù)，而 CIMS的概念是把設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)和管理連成一 體，不僅在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，而且在庫(kù)存管理、生產(chǎn)計(jì)劃、財(cái)務(wù)管理、銷售等方面也使用計(jì)算機(jī)完成，通過(guò)計(jì)算機(jī)通信，控制實(shí)現(xiàn)信息共享和交換，使各部門協(xié)調(diào)一致，成為一個(gè)整體。 基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 CAD系統(tǒng)技術(shù)迅速發(fā)展，開放式、分布式計(jì)算機(jī)環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程資源共享。網(wǎng)絡(luò)化 CAD系統(tǒng)可以全面統(tǒng)一考慮各個(gè)工作站的具體配置，從而用最低的成本獲得最好的效果。例如，可以只在個(gè)別工作站上配備某些昂貴的軟硬件，其它工作站可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)用，不需要每個(gè)工作站上都具備齊全的資源。 可視化技術(shù)將科學(xué)計(jì)算過(guò)程中以及計(jì)算結(jié)束后的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，以圖形圖像的形式表達(dá)出來(lái)，并進(jìn)行交互處理。利用可視化技術(shù)可以處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)，控制和干涉計(jì)算分析過(guò)程和設(shè)計(jì)過(guò)程。它與多媒體技術(shù)結(jié)合，能便捷、高效地處理信息。 傳統(tǒng)的 CAD系統(tǒng)缺乏綜合和選擇能力，用戶使用時(shí)，需要具備較高的專業(yè)知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，為此人們研制了人工智能專家系統(tǒng)。利用專家系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)，可