先进制造技术教案11437.pdf

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1、 先 进 制 造 技 术 教 案 课程名称 先进制造技术 授课班级 班 任课教师：教学环节 教 学 内 容 备 注 教学环节 教 学 内 容 备 注 组织教学 提问 导言 检查学生出勤 中国制造业的现状？任务一 制造业的发展历史 制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素，制造业在世界发达国家（developed countries）的国民经济中占有重要份额。根据在生产中使用的物质形态，制造业可划分为离散制造业和流程制造业。制造业包括：产品制造、设计、原料采购、仓储运输、订单处理、批发经营、零售。在主要从事产品制造的企业（单位）中，为产品销售而进行的机械与设备的

2、组装与安装活动，按其主要活动归类包括：一、现状 2008 年，我国工业增加值 129112 亿元，比 2007 年增长 9.5%。规模以上工业增加值增长 12.9%，其中国有及国有控股企业增长 9.1%；集体企业增长 8.1%，股份制企业增长15.0%，外商及港澳台商投资企业增长 9.9%；私营企业增长20.4%。分轻重工业看，轻工业增长 12.3%，重工业增长13.2%。2008 年规模以上工业中，煤炭开采和洗选业增加值比2007 年增长 19.1%，石油和天然气开采业增长 6.1%，文教体育用品制造业增长 18.2%，燃气生产和供应业增长 26.8%，农副食品加工业增长 15.0%，通用设

3、备制造业增长 16.9%，交通运输设备制造业增长 15.2%，通信设备、计算机及其它电子设备制造业增长 12.0%，电气机械及器材制造业增长18.1%，化学纤维制造业增长 2.2%。6 大高耗能行业比 2007年增长 10.0%，其中，非金属矿物制品业增长 16.9%，黑色金属冶炼及压延加工业增长 8.2%，化学原料及化学制品制造业增长 10.0%，有色金属冶炼及压延加工业增长 12.3%，电力热力的生产和供应业增长 8.6%，石油加工炼焦及核燃料加工业增长 4.3%。高技术制造业增加值比 2007 年增长14.0%。2008 年，我国建筑业实现增加值 17071 亿元，比 2007年增长 7

4、.1%。全国具有资质等级的总承包和专业承包建筑业企业实现利润 1756 亿元，增长 12.5%，其中国有及国有控股企业 509 亿元，增长 21.8%；上缴税金 2058 亿元，增长 20.0%，其中国有及国有控股企业 771 亿元，增长 24.7%。利用外资方面，一直以来制造业均居于主导地位。2008 举例导入 举例分析说明 教学环节 教 学 内 容 备 注 教学环节 教 学 内 容 备 注 组织教学 提问 导言 检查学生出勤 同学们，你们了解的先进制造技术有哪些？任务二 先进制造技术的内涵与特征 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology，简称为 AM

5、T）是指微电子技术、自动化技术、信息技术等先进技术给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。主要包括：计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。AMT 是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。一、什么是先进制造技术(AMT)先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology),人们往往用 AMT 来概括由于微电子技术、自动化技术、信息技术等给传统制造

6、技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。主要包括：计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。AMT 是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。二、主体技术群 它包括两个基本部分:有关产品设计技术和工艺技术。(1)面向制造的设计技术群 面向制造的设计技术群系指用于生产准备(制造准备)的工具群和技术群。设计技术对新产品开发生产费用、产品质量以及新产品上市时间都有很大影响。产品和制造工艺的设计可以

7、采用一系列工具,例如计算机辅助设计(CAD)以及工艺过程建模和仿真等,生产设施、装备和工具,甚至整个制造企业都可以采用先进技术更有效地进行设计。近几年发展起来的产品和工艺的并行设计具有双重目的,一是缩短新产品上市的周期,二是可以将生产过程中产生的废物减少到最 举例导入 举例分析说明 教学环节 教 学 内 容 备 注 教学环节 教 学 内 容 备 注 组织教学 提问 导言 检查学生出勤 中国制造业的现状？任务三 虚拟建模技术 虚拟仿真（Virtual Reality），仿真（simulation）技术，或称为模拟技术，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。工程力学（虚拟仿真方向），隶属于辽宁工

8、程技术大学力学与工程科学院现有 3 个本科专业之一，本专业是国内首创专业，注重力学与计算机两大领域的交叉与结合，重点培养方向是工程中力学问题的数值计算与仿真。一、原理 虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境

9、中的作用与变化，产生沉浸感。VR 技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。二、虚拟现实技术的含义 虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者 J.Laniar 的说法，虚拟现实，又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。从此可

10、以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题：以假乱真的存在技术。即，怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相一致的输入信息，也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉，触觉，嗅觉等。举例导入 举例分析说明 教学环节 教 学 内 容 备 注 教学环节 教 学 内 容 备 注 组织教学 提问 导言 检查学生出勤 中国制造业的现状？任务四 虚拟加工技术 在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，在 3060 年代企业追求的是规模效益，如：美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流

11、水线进行大批量生产；70 年代更加重视降低生产成本，如：日本丰田公司采用准时化生产；80 年代提高产品质量成为主要目标；进入 90 年代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样的制造哲理，如：精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，它们各有侧重，从不同角度研究如何增强企业的竞争力。而虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。虚拟现实（Virtual Reality）技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造（Virtual Manufacturin

12、g）技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。重大作用 虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产

13、的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行 举例导入 举例分析说明 教学环节 教 学 内 容 备 注 教学环节 教 学 内 容 备 注 组织教学 提问 导言 检查学生出勤 装配技术对整机系统的重要性？任务五 虚拟装配技术 一、虚拟装配 基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备（数据手套/位置跟踪器、鼠标/键盘、力反馈操作设备等）象在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，在操

14、作过程中系统提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理等功能，从而使得用户能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划、对装配操作人员进行培训等。在装配（或拆卸）结束以后，系统能够记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供随后的分析使用。虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，

15、虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。虚拟装配技术的发展是虚拟制造技术的一个关键部分，但相对于虚拟制造的其它部分而言，它又是最薄弱的环节。虚拟装配技术发展滞后，使得虚拟制造技术的应用性大大减弱，因此对虚拟装配技术的发展也就成为目前虚拟制造技术领域内研究的主要对象，这一问题的解决将使虚拟制造技术形成一个完善的理论体系，使生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成，同时又具备了良好的服务。虚拟装配从模型重新定位、分析方面来讲，它是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效的分析产品设计合理性的一种手段;从产品装配过程来讲，它是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实的模拟产品三维装

16、配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造 举例导入 举例分析说明 教学环节 教 学 内 容 备 注 教学环节 教 学 内 容 备 注 组织教学 提问 导言 检查学生出勤 大家了解什么是微机械吗？这节课我们就简单介绍一下。任务六 微机械 1 引言 微机械是 80 年代后期发展起来的一门新兴学科，随着大规模集成电路中微细加工技术和超精密加工技术的发展，微机械近几年来发展很快，部分已进入实用和商品化阶段微机械体积小、耗能低，能方便地进行精细操作，其主要应用领域

17、有医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车领域等，它已给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响，被列为 21 世纪关键技术之首，因此受到世界各国政府的高度重视，例如美国每年投资 800 万1500万美元、德国每年投资 7000 万美元进行微机械的研究，而日本则准备在 10 年内投资 2 亿美元于微机械领域，我国也有许多单位开展了该领域的研究工作。2 微机械及其特征 微机械在美国被称为微电子机械系统(Micro Electro Machanical System.，简称 MEMS)；在日本被称为微机器(MicroMachnie)；在欧洲则被称为微系统(Microsyste

18、m)。微机械具有以下几个基本特点:体积小、精度高、重量轻。其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克。已经制出了直径细如发丝的齿轮、能开动的 3mm 大小的汽车和花生米大的飞机。最近有资料表明，科学家们已能在 5 平方毫米内放置 1000 台微型发动机。性能稳定、可靠性高。由于微机械的体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下进行稳定的工作。能耗低、灵敏度和工作效率高。微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如 5mm5mm0.7mm 的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的 1000 倍，而且机电一

19、体化的微机械不存在 举例导入 举例分析说明 教学环节 教 学 内 容 备 注 教学环节 教 学 内 容 备 注 组织教学 提问 导言 检查学生出勤 微机械加工在国民经济中所占的地位和作用？任务七 微机械加工技术 一、概念 微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是只可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点有：体积小（特征尺寸范围为：1m-10mm）、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果，附加值高。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺寸和体

20、积，其目标更在于通过微型化、集成化、来搜索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域，形成批量化产业。微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。微细加工的出现和发展早是与大规模集成电路密切相关的，集成电路要求在微小面积的半导体上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路。电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的关键技术标志，微细加工对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄模图形的先进制造技术。目前微型加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工和体加工工艺，上世纪八十年代中期以后在 LIGA 加工（微型铸模电镀

21、工艺）、准 LIGA 加工，超微细加工、微细电火花加工（EDM）、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造（RPM）以及键合技术等微细加工工艺方面取得相当大的进展。微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完成的任务。微型机械与电子技术紧密结合，将使种类繁多的微型器件问世，这些微器件采用大批量集成制造，价格低廉，将广泛地应用于人类生活众多领域。可以预料，在本世纪内，微型机械将逐步从实验室走向适用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大影响。微细机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要而又非常活跃的技术领域，其发展不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科技发展、经济和

22、国防建设息息相关。微型机械加工技术的发展有着巨大的产业化应用前景。二、国外发展现状 举例导入 举例分析说明 教学环节 教 学 内 容 备 注 教学环节 教 学 内 容 备 注 组织教学 提问 导言 检查学生出勤 微机械加工在国民经济中所占的地位和作用？任务八 微细加工工艺方法 微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射流微细切割技术等等在发展国民经济，振兴我国国防事业等发面都有非常重要的意义，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一并扩大投资和加强基础研究与开发。所以我们有理由有必要加快这一领域的发展

23、和开发进程。微细加工技术的概念和特点：微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，特门市大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代微电子时代，光电子时代的关键技术之一。微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同点主要表现在以

24、下几个方面：1 精度的表示方法 在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用尺寸的绝对值来表示，即用取出的一块材料的大小来表示，从而引入加工单位尺寸的概念。2 微观机理 以切削加工为例，从工件的角度来讲，一般加工和微细加工的最大区别是切屑的大小。一般为金属材料是由微细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。一般加工时,吃刀量较大，可以忽略晶粒的大小，而作为一个连续体来看待，因此可见一般加工和微细加工的机理是不同的。3加工特征 微细加工和超微细加工以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、技工束、粒子束为加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。微细加工和超精密加工在国外的发展情况：在超精密加工技术领域起步最早和技术领先的国家是美国，其次是日本和欧洲的一些国家。美国超精密加工技术的发展得到了政府和军方的财政支持，近年，美国执行了微米和纳米级技术国家关键技术计划，国防部陆、海、空三军组成了特别委员会，统一协调研究工作。美国至少有 30 多个厂家和研究单位研制和生产各种超精密加工机床，国家劳伦 举例导入 举例分析说明