【正文】 第一章 緒論 制造業(yè)與制造技術(shù) 制造業(yè)是現(xiàn)代社會經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，包括機械裝備制造、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)化為有價值的、可供人們利用和消費的 產(chǎn)品與服務的行業(yè)。 制造業(yè)的水平反映了一個國家的經(jīng)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(mào)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(chǎn)品設(shè)計、物料選擇、生產(chǎn)計 劃、生產(chǎn)質(zhì)量保證、經(jīng)營管理、市場營銷和服務等一系列相關(guān)活動的 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(shù)控機床、工業(yè)機 器人的出現(xiàn)。 制造技術(shù)的發(fā)展過程 19世紀： 手工制造 20世紀初： 批量生產(chǎn) 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(shù) （ 5大領(lǐng)域） ? 1. 系統(tǒng)總體技術(shù) 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(shè)計制造一體化技術(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) 計算機輔助生產(chǎn)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(zhì)量管理、準時生產(chǎn) （ JIT）、精益生產(chǎn)（ LP）、企業(yè)業(yè)務流程再造等。 ? 5. 支撐技術(shù) 標準化技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件工程、數(shù)據(jù)庫技 術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、多媒體、虛擬現(xiàn)實、人機 工程學、環(huán)境科學。 先進制造技術(shù)分類 先進制造技術(shù)涉及范圍廣、技術(shù)領(lǐng)域復雜，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)計技術(shù)是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)。 隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學、機械制造、 優(yōu)化理論、人機工程等學科的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的深 度、廣度大大拓展，出現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計、有限元分析、 CAD、 CAPP、 CAA（計算機輔助裝配）、計算機輔助夾 具設(shè)計、反求工程、產(chǎn)品生命全周期設(shè)計、基于網(wǎng)絡的異 地設(shè)計、智能設(shè)計、虛擬設(shè)計、綠色設(shè)計。 ? 先進切削加工技術(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)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動化技術(shù)和管理科 學的各學科交叉。 正朝著柔性化、集成化、網(wǎng)絡化、虛擬化和清潔化的 方向發(fā)展。 第二章 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù) 大連理工大學現(xiàn)代制造研究所 趙福令 教授 概述 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的概念 是根據(jù)產(chǎn)品功能要求及市場競爭要素（質(zhì)量、成本、服務、環(huán)保）的要求，綜合現(xiàn)代科學技術(shù)，通過設(shè)計人員科學、規(guī)范和創(chuàng)造性的工作產(chǎn)生載有相應文字、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)計方案。 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)使產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)建立在科學技術(shù)基礎(chǔ)之上。隨著微電子信息、材料、系統(tǒng)科學的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)日新月異，新的設(shè)計理念不斷涌現(xiàn)、新設(shè)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(zhuǎn)變 目標 2. 從傳統(tǒng)的手工設(shè)計向計算機輔助設(shè)計過渡 手段 3. 從傳統(tǒng)的順序設(shè)計 并行設(shè)計 組織方式 4. 從單純的產(chǎn)品設(shè)計 全生命周期設(shè)計 環(huán)節(jié) 5. 異地設(shè)計 地域 6. 可持續(xù)發(fā)展的綠色設(shè)計 功能 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)十分重要。產(chǎn)品設(shè)計成本占產(chǎn)品成本的 15％－ 20％，但決定了產(chǎn)品成本的 70％到 80％。 設(shè)計水平是衡量一個國家創(chuàng)新能力和競爭力的主要因素。 現(xiàn)代設(shè)計方法 1. 優(yōu)化設(shè)計方法 用數(shù)學方法和系統(tǒng)工程方法對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(shè)計與可靠性設(shè)計、模糊設(shè)計等方法相結(jié)合形成了新的優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)的分析和計算中。 3. 計算機輔助設(shè)計 運用計算機強大的數(shù)據(jù)計算及信息處理功能來完成設(shè)計工作，應用最廣泛。 4. 面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計 將并行工程思想用于產(chǎn)品設(shè)計中，在設(shè)計階段便綜合考慮產(chǎn)品的整個生命周期中的設(shè)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(chǎn)品設(shè)計，達到開發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高的目的。 5. 網(wǎng)絡化異地設(shè)計 隨著網(wǎng)絡和通訊技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)遠程、異地的設(shè)計開發(fā)資源的共享與整合，極大地 拓展了設(shè)計工作的時空維度。 6. 反求工程 以先進產(chǎn)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(xiàn)代工程 設(shè)計的相關(guān)理論與方法，進行解剖、分析和研究，進而開發(fā)出同類產(chǎn)品。 7. 綠色設(shè)計 將產(chǎn)品和環(huán)境作為一個系統(tǒng)，充分考慮產(chǎn)品及其制造系統(tǒng)與環(huán)境相容性，做到對環(huán)境影 響最小。 計算機輔助設(shè)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(shù)、分層存儲符號的數(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 Applicon公司推出完整的 CAD系統(tǒng)。 ? 上世紀 80年代 CAD/CAM技術(shù)用于工程設(shè)計，圖形接口、圖形功能日趨標準化，出現(xiàn)了由 CAD/CAM/CAE構(gòu)成的 CIMS，提高了設(shè)計自動化。 2. CAD的功能 ? 工程與產(chǎn)品設(shè)計 借助于計算機輔助技術(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、評估、詳細設(shè)計、優(yōu)化等工作，實現(xiàn)從零件圖到裝配圖、總裝圖、平面布置圖、管道布置圖的自動繪制。 ? 仿真模擬 高性能的 CAD系統(tǒng)可以真實地模擬產(chǎn)品的實際運動和變化過程，如機構(gòu)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(shè)計人員正確地進行方案論證、產(chǎn)品選型、性能評估等。 ? 事務管理 實現(xiàn)設(shè)計文檔的計算機管理，有利于產(chǎn)品設(shè)計的成組化、標準化和系列化，減少了設(shè)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(shè)計需要的信息?？梢詾樵O(shè)計人員提供有關(guān)客戶的需求和改進意見、組織生產(chǎn)特定結(jié)構(gòu)零件的成本核算、外購件的成本、原材料信息、生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)狀況等，有利于更好的設(shè)計零件和產(chǎn)品。 2. 智能 CAD 計算機輔助設(shè)計技術(shù)與人工智能相結(jié)合，用于產(chǎn)品概念設(shè)計，幫助設(shè)計人員進行決策、分析和推理，更高效地進行方案設(shè)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(gòu)思與總體設(shè)計。在計算機系統(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(chǎn)品的幾何、力學、物理等參數(shù)，評價設(shè)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(zhì)量好）。 6. 工程數(shù)據(jù)管理 管理產(chǎn)品設(shè)計過程中產(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)獨立性、 一致性和完整性，并提供標準化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。 概念設(shè)計 CAD 概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計過程中最具創(chuàng)造性的工作，根據(jù)市場和用戶的需求，完成設(shè)計方案的制定、分析和選擇，需要設(shè)計人員憑借豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗進行構(gòu)思、推理和判斷。采用專家系統(tǒng)來進行。 在概念設(shè)計階段，專家系統(tǒng)主要協(xié)助設(shè)計人員進行評價、選擇和決策，自動生成設(shè)計方案。下圖是專家系統(tǒng) CAD求解設(shè)計方案的一般過程。 此過程是一個“設(shè) 計 —— 評價 —— 再設(shè)計”過程。由于設(shè)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(shè)計要求 指定設(shè)計方案 分析設(shè)計方案 評價設(shè)計方案 決策 結(jié)束 修改設(shè)計要求 再設(shè)計 N Y 詳細設(shè)計 CAD 1. 二維設(shè)計 在機械制造中通常用一組工程圖來表達產(chǎn)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(chǎn)品幾何形狀的一個側(cè)面。因此需要二維設(shè)計，產(chǎn)生產(chǎn)品二維的幾何輪廓。 2. 三維設(shè)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(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、制造、生產(chǎn)和管理連成一 體，不僅在設(shè)計和制造過程中用計算機輔助技術(shù)，而且在庫存管理、生產(chǎn)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(xiàn)信息共享和交換，使各部門協(xié)調(diào)一致，成為一個整體。 基于網(wǎng)絡技術(shù)的 CAD系統(tǒng)技術(shù)迅速發(fā)展，開放式、分布式計算機環(huán)境可以實現(xiàn)遠程資源共享。網(wǎng)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(wǎng)絡調(diào)用，不需要每個工作站上都具備齊全的資源。 可視化技術(shù)將科學計算過程中以及計算結(jié)束后的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，借助計算機圖形學和圖像處理技術(shù)，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(shù)可以處理大量復雜的數(shù)據(jù)，控制和干涉計算分析過程和設(shè)計過程。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，需要具備較高的專業(yè)知識和豐富的經(jīng)驗，為