【正文】 第一章 緒論 制造業(yè)與制造技術 制造業(yè)是現代社會經濟的支柱產業(yè)，包括機械裝備制造、電子產 品制造、非金屬制品制造、服裝、食品、玩具等等。 制造業(yè)是將有關的制造資源（原材料、設備、工具、能源、資 金、人才、技術以及信息）轉化為有價值的、可供人們利用和消費的 產品與服務的行業(yè)。 制造業(yè)的水平反映了一個國家的經濟實力、科技和生活水平。工 業(yè)化國家 60％－ 80％的社會財富靠制造業(yè)制造，制造業(yè)占國際貿易總 額 75％。所以制造業(yè)的水平代表一個國家的綜合實力。 制造的定義：制造企業(yè)中所涉及產品設計、物料選擇、生產計 劃、生產質量保證、經營管理、市場營銷和服務等一系列相關活動的 總稱。 制造技術：與制造業(yè)相關的一系列技術的總和。 先進制造技術是在傳統(tǒng)制造技術的基礎上發(fā)展起來的。分界線大 體可劃在 20世紀 50年代。主要標志：電子計算機、數控機床、工業(yè)機 器人的出現。 制造技術的發(fā)展過程 19世紀： 手工制造 20世紀初： 批量生產 20世紀 30年代： 剛性自動化 20世紀 60－ 80年代： CAD/CAM/CAE、 FMS、 JIT 20世紀 80年代： 集成制造、并行工程 20世紀 90年代： 敏捷制造、虛擬制造、 智能制造、綠色制造 先進制造技術 （ 5大領域） ? 1. 系統(tǒng)總體技術 柔性制造（ FMS）、計算機集成制造（ CIMS）、敏捷制造 (AM）、智能制造（ IM）。 ? 2. 設計制造一體化技術 CAD/CAM/CAE、數控技術（ NC）、并行工程（ CE）、虛擬制造（ VM）。 ? 3. 制造工藝與裝備 材料生產工藝與裝備、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 計算機輔助生產管理、物料需求計劃、制造資源規(guī) 劃、企業(yè)資源規(guī)劃、供應鏈管理、質量管理、準時生產 （ JIT）、精益生產（ LP）、企業(yè)業(yè)務流程再造等。 ? 5. 支撐技術 標準化技術、計算機技術、軟件工程、數據庫技 術、通訊技術、人工智能、多媒體、虛擬現實、人機 工程學、環(huán)境科學。 先進制造技術分類 先進制造技術涉及范圍廣、技術領域復雜，為了便于 掌握其基本體系和主要內容，從制造技術的功能的角度， 分成 5大類： ? 現代設計技術是先進制造技術的基礎。 隨著微電子技術、信息技術、材料科學、機械制造、 優(yōu)化理論、人機工程等學科的發(fā)展，現代設計技術的深 度、廣度大大拓展，出現了優(yōu)化設計、有限元分析、 CAD、 CAPP、 CAA（計算機輔助裝配）、計算機輔助夾 具設計、反求工程、產品生命全周期設計、基于網絡的異 地設計、智能設計、虛擬設計、綠色設計。 ? 先進切削加工技術、成形加工技術、表面工程技術、 特種加工技術和快速原型制造技術。 ? 數控加工技術、工業(yè)機器人技術、 FMS、 CIMS。 ? 成組技術（ group technology GT）、全面質量管 理（ total quality management TQM）、物料需求規(guī) 劃 (material requirement planning MRP)、即時生產 （ 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（ LP）、敏捷 制造（ AM）、虛擬制造（ VM）、綠色制造（ GM），是 制造技術、計算機技術、通信技術、自動化技術和管理科 學的各學科交叉。 正朝著柔性化、集成化、網絡化、虛擬化和清潔化的 方向發(fā)展。 第二章 現代設計技術 大連理工大學現代制造研究所 趙福令 教授 概述 現代設計技術的概念 是根據產品功能要求及市場競爭要素（質量、成本、服務、環(huán)保）的要求，綜合現代科學技術，通過設計人員科學、規(guī)范和創(chuàng)造性的工作產生載有相應文字、數據、圖形等信息的技術條件，制定用于產品制造的設計方案。 現代設計技術使產品設計開發(fā)建立在科學技術基礎之上。隨著微電子信息、材料、系統(tǒng)科學的發(fā)展，現代設計技術日新月異，新的設計理念不斷涌現、新設計方法不斷誕生。 特點： 1. 從單一目標規(guī)劃向多目標規(guī)劃轉變 目標 2. 從傳統(tǒng)的手工設計向計算機輔助設計過渡 手段 3. 從傳統(tǒng)的順序設計 并行設計 組織方式 4. 從單純的產品設計 全生命周期設計 環(huán)節(jié) 5. 異地設計 地域 6. 可持續(xù)發(fā)展的綠色設計 功能 現代設計技術十分重要。產品設計成本占產品成本的 15％－ 20％，但決定了產品成本的 70％到 80％。 設計水平是衡量一個國家創(chuàng)新能力和競爭力的主要因素。 現代設計方法 1. 優(yōu)化設計方法 用數學方法和系統(tǒng)工程方法對產品結構和性能進行分析、決策，以獲取最優(yōu)解的方法。近年來優(yōu)化設計與可靠性設計、模糊設計等方法相結合形成了新的優(yōu)化設計方法。 2. 有限元分析方法 將零件看成是由有限個元素組成，通過對每一個元素求解（位移、應力）來獲取零件整體的解。廣泛用于零件和結構的分析和計算中。 3. 計算機輔助設計 運用計算機強大的數據計算及信息處理功能來完成設計工作，應用最廣泛。 4. 面向產品全生命周期的設計 將并行工程思想用于產品設計中，在設計階段便綜合考慮產品的整個生命周期中的設計、加工、裝配、測試、維修、銷售及報廢回收環(huán)節(jié)的影響因素，全面評價產品設計，達到開發(fā)周期短、成本低、質量高的目的。 5. 網絡化異地設計 隨著網絡和通訊技術的發(fā)展，實現遠程、異地的設計開發(fā)資源的共享與整合，極大地 拓展了設計工作的時空維度。 6. 反求工程 以先進產品的實物或軟件（程序、圖樣、文件資料）作為研究對象，綜合運用現代工程 設計的相關理論與方法，進行解剖、分析和研究，進而開發(fā)出同類產品。 7. 綠色設計 將產品和環(huán)境作為一個系統(tǒng)，充分考慮產品及其制造系統(tǒng)與環(huán)境相容性，做到對環(huán)境影 響最小。 計算機輔助設計（ CAD） 概述 1. CAD的發(fā)展過程 ? 1950年 MIT研制出 Whir/WindⅠ 可以顯示簡單的圖形。 ? 1958年美國 Calp公司研制滾筒式繪圖儀， Gerber公司平板繪圖儀。 ? 1962年 MIT的 Sutherland提出了計算機圖形學、交互技術、分層存儲符號的數據結構，為 CAD技術發(fā)展打下了理論基礎。 ? 1970年美國 Applicon公司推出完整的 CAD系統(tǒng)。 ? 上世紀 80年代 CAD/CAM技術用于工程設計，圖形接口、圖形功能日趨標準化，出現了由 CAD/CAM/CAE構成的 CIMS，提高了設計自動化。 2. CAD的功能 ? 工程與產品設計 借助于計算機輔助技術，工程技術人員可以方便的完成某一工程或產品的方案選型、評估、詳細設計、優(yōu)化等工作，實現從零件圖到裝配圖、總裝圖、平面布置圖、管道布置圖的自動繪制。 ? 仿真模擬 高性能的 CAD系統(tǒng)可以真實地模擬產品的實際運動和變化過程，如機構的運動、零件的加工、柔性制造系統(tǒng)的運行，汽車、飛機的行駛過程等。幫助設計人員正確地進行方案論證、產品選型、性能評估等。 ? 事務管理 實現設計文檔的計算機管理，有利于產品設計的成組化、標準化和系列化，減少了設計人員的重復工作量。 通常 CAD的工作 1. 信息管理 提供豐富的設計需要的信息?？梢詾樵O計人員提供有關客戶的需求和改進意見、組織生產特定結構零件的成本核算、外購件的成本、原材料信息、生產裝備、生產狀況等，有利于更好的設計零件和產品。 2. 智能 CAD 計算機輔助設計技術與人工智能相結合，用于產品概念設計，幫助設計人員進行決策、分析和推理，更高效地進行方案設計。 3. 計算機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，通過人機對話進行方案的構思與總體設計。在計算機系統(tǒng)中建立產品的幾何模型，在顯示器上展示產品的形狀。 4. 分析計算 對模型進行分析計算，包括工程計算、力學動態(tài)性能分析及物理特性分析，確定產品的幾何、力學、物理等參數，評價設計的優(yōu)劣，并迅速修改和完善，達到最佳效果。 5. 自動繪圖 自動繪制工程圖紙（效率高、質量好）。 6. 工程數據管理 管理產品設計過程中產生和使用的各種數據、文字和圖形，保持其良好的數據獨立性、 一致性和完整性，并提供標準化的數據轉換接口。 概念設計 CAD 概念設計是產品設計過程中最具創(chuàng)造性的工作，根據市場和用戶的需求，完成設計方案的制定、分析和選擇，需要設計人員憑借豐富的專業(yè)知識和經驗進行構思、推理和判斷。采用專家系統(tǒng)來進行。 在概念設計階段，專家系統(tǒng)主要協(xié)助設計人員進行評價、選擇和決策，自動生成設計方案。下圖是專家系統(tǒng) CAD求解設計方案的一般過程。 此過程是一個“設 計 —— 評價 —— 再設計”過程。由于設計的需求是多方面的、模糊的，有時是矛盾的可行性方案。一般有一定的范圍，需要評價和選擇，有時需要人工判斷。 開始 確定設計要求 指定設計方案 分析設計方案 評價設計方案 決策 結束 修改設計要求 再設計 N Y 詳細設計 CAD 1. 二維設計 在機械制造中通常用一組工程圖來表達產品的形狀和尺寸，每個視圖都是物體在某一平面上的投影，反映產品幾何形狀的一個側面。因此需要二維設計，產生產品二維的幾何輪廓。 2. 三維設計 二維視圖需要人們通過思維才能推測出視圖與物體真實形象之間的關系，很不直觀，因此需根據二維信息構造三維形體。 CAD技術的發(fā)展 隨著 CAD自身和相關技術的發(fā)展， CAD技術正朝著集成化、網絡化、智能化和可視化的方向發(fā)展。 1. CAD系統(tǒng)的集成化 CAD技術是 CIMS的核心技術，而 CIMS的概念是把設計、制造、生產和管理連成一 體，不僅在設計和制造過程中用計算機輔助技術，而且在庫存管理、生產計劃、財務管理、銷售等方面也使用計算機完成，通過計算機通信，控制實現信息共享和交換，使各部門協(xié)調一致，成為一個整體。 基于網絡技術的 CAD系統(tǒng)技術迅速發(fā)展，開放式、分布式計算機環(huán)境可以實現遠程資源共享。網絡化 CAD系統(tǒng)可以全面統(tǒng)一考慮各個工作站的具體配置，從而用最低的成本獲得最好的效果。例如，可以只在個別工作站上配備某些昂貴的軟硬件，其它工作站可以通過網絡調用，不需要每個工作站上都具備齊全的資源。 可視化技術將科學計算過程中以及計算結束后的數據和計算結果，借助計算機圖形學和圖像處理技術，以圖形圖像的形式表達出來，并進行交互處理。利用可視化技術可以處理大量復雜的數據，控制和干涉計算分析過程和設計過程。它與多媒體技術結合，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，需要具備較高的專業(yè)知識和豐富的經驗，為