毕业论文先进制造技术应用分析.docx
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毕业论文先进制造技术应用分析
毕业设计（论文）
任务书
拟题单位轻工学院/自拟/指导教师课题审题人季建华（指导教师）
题目名称先进制造技术应用分析
题目性质
真实题目□虚拟题目
学生学号11033105指导教师季建华
学生施家强
专业名称机电一体化技术职称
学生院系
学生层次大学专科所在单位轻工学院/（其它）
2013年7月7日
1毕业设计（论文）的容与要求：
一、论文的容
第一章先进制造技术的发展状况
（1）先进制造技术的未来发展状况
（2）现代设计技术
第二章先进制造工艺技术的现状与发展趋势
（1）精密成形技术发展前沿
（2）超高速加工
（3）微细加工技术
第三章谈谈我国目前先进制造技术的现状及发展途径
第四章总结
辞
二、论文的写作要求
（一）总体要求
1.选题符合专业培养目标，难易度适当，具有理论意义或实际价值。
2.论文必须文题相符，概念清楚，思路清晰，层次分明，论据充分、可靠，引用正确，论证有力。
3.论文符合写作规。
4.论文的字数要求在0.9万字以上。
5.论文必须清楚反映自己的学术观点和学术水平，严禁抄袭。
（二）进度要求
2013年7月1日——7月4日，初步查阅资料和调查研究，拟定题目
2013年7月6日——7月10日，指导教师下达毕业论文任务书
2013年7月20日——8月10日，进行毕业实习，同时查阅资料，调查研究，拟定论文写作大纲；
2013年9月1日——9月14日，学生完成毕业论文初稿；
2013年9月15日——9月25日，修改论文初稿；
2013年9月25日——9月30日，毕业论文定稿和装订；
2013年10月13日——10月16日，毕业论文答辩；
（三）需要阅读的主要参考文献
[1]燕华先进制造技术
[2]应锦春现代设计方法
[3]数控技术
[4]制造技术及发展
学院负责人：
（签字）
2013年7月7日
先进制造技术的发展状况
摘要：
本文介绍了当今制造技术面临的问题，论述了先进制造的前沿科学，并展望了先进制造技术的发展前景。
关键词：
问题；先进制造技术；前沿科学；应用前景
论文
制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国生产总值的20%~55%。
在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。
专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。
其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。
随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。
1当前制造科学要解决的问题
当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：
（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。
制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。
制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。
生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。
（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。
例如在计算机辅助设计与制造（CAD／CAM）集成、坐标测量（CMM）和机器人学等方面，在三维现实空间（3-RealSpace）中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位（如Localization）等方面，存在C-空间
（配置空间ConfigurationSpace）的几何计算和几何推理问题；在物体操作（夹持、抓取和装配等）描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间（ScrewSpace）进行几何推理。
制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。
（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。
（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。
一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。
制造智能还表现在：
智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。
这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。
这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。
2现代机械工程的前沿科学
不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。
前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。
前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。
工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。
超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。
大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。
信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。
因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。
2．1制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学
机电产品是信息在原材料上的物化。
许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。
因此制造过程息的获取和应用十分重要。
信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。
人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。
随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。
与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和容：
（1）制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。
（2）非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。
这些容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。
2．2微机械及其制造技术研究
微型电子机械系统（MEMS），是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。
MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。
MEMS的发展将极促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。
它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。
微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。
早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。
1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。
微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。
近10年来，微机械的发展令人瞩目。
其特点如下：
相当数量的微型元器件（微型结构、微型传感器和微型执行器等）和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。
目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。
微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。
微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。
2．3材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础
材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。
每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。
21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。
材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。
一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备／制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。
进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。
形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。
2．4机械仿生制造
21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品（如智能仿生结构），开发出新工艺（如生长成形工艺）和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。
这是一个极富创新和挑战的前沿领域。
地球上的生物在漫长的进化中所积累的优良品性为解决人类制造活动中的各种难题提供了例和指南。
从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。
仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。
如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，"仿生制造"则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。
仿生制造所涉及的科学问题是生物的"自组织"机制及其在制造系统中的应用问题。
所谓"自组织"是指一个系统在其在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。
仿生制造的"自组织"机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。
仿生制造属于制造科学和生命科学的"远缘杂交"，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。
仿生制造的研究容目前有两个方面：
2．4．1面向生命的仿生制造
研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；
2．4．2面向制造的仿生制造
研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：
基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：
仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。
机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。
目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。
今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。
3现代制造技术的发展趋势
20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、国的高级现代技术国家计划（G--7）、德国的制造2000计划和欧共体的ESPRIT和BRITE-EURAM计划。
随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，未来现代制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。
当前现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面：
（2）设计技术与手段更现代化。
（3）成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。
（4）新型特种加工方法的形成。
（5）开发新一代超精密、超高速制造装备。
（6）加工工艺由技艺发展为工程科学。
（7）实施无污染绿色制造。
（8）制造业中广泛应用虚拟现实技术。
（9）制造以人为本。
先进制造技术的未来发展状况
先进制造技术的发展可以用8个字来概括：
“数”是核心，“精”是关键，“极”是焦点，“自”是条件，“集”是方法，“网”是道路，“智”是前景，“绿”是必然。
现分述如下：
“数”是发展的核心
“数”就是“数字化”。
“数字化”不仅是“信息化”发展的核心，而且也是先进制造技术发展的核心。
信息的“数字化”处理同“模拟化”处理相比，有着3个不可比拟的优点：
信息精确，信息安全，信息容量大。
数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。
它包含了3大部分：
以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心数字制造。
对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。
对制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式，通过网络，在企业传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真，或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户化要求。
“精”是发展的关键
“精”是“精密化”。
它一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高，一方面是指对产品、零件的加工精度要求越来越高。
显然，这两方面是一回事。
有了前者，才要求有后者;有了后者，才促使前者得以发展。
“精”可以说，是指加工精度及其发展，精密加工，细微加工，纳米加工，如此等等。
20世纪初，超精密加工的误差是10微米，30年代达1微米，50年代达0.1微米，70至80年代达0.O1微米，至今达0.001微米，即1纳米。
由一组数据，可以看到微电子产品对加工精度的依赖程度，电子元件制造误差为，一般晶体管50微米，一般磁盘5微米，一般磁头磁鼓0.5微米，集成电路0.O5微米，超大型集成电路达0.005微米，而合成半导体为1纳米。
在现代超精密机械中，对精度要求极高，如人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级;基因操作机械，其移动距离为纳米级，移动精度为0.1纳米。
细微加工、纳米加工技术可达纳米以下的要求，如离子束加工可达纳米级，借助于扫描隧道显微镜与原子力显微镜的加工，则可达0.1纳米。
实际上，纳米级的加工就是移动原子级的加工。
（STM）
“极”是发展的焦点
“极”就是极端条件，就是指在极端条件下工作的或者有极端要求的产品，从而也是指这类产品的制造技术有“极”的要求。
在高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等等条件下工作的，或有高硬度、大弹性等等要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的。
显然，这些产品都是科技前沿的产品。
其中之一就是“微机电系统（MEMS）”，这是工业发达国家与有关国家所高度关注的项前沿科技。
甚至可以说，“极”是前沿科技或前沿科技产品发展的一个焦点。
例如，在信息领域中，分子存储器、原子存储器、量子阱光电子器件、芯片加工设备;军事武器中，精确制导技术，精确打击技术，微型惯性平台，微光学设备;航空航天领域中，微型飞机，微型卫星，“纳米”卫星（0.lkg以）。
MEMS可以完成特种动作与实现特种功能，乃至可以沟通微观世界与宏观世界，其深远意义难于估量。
“自”是发展的条件
“自”就是自动化。
它就是减轻人的劳动，强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段。
显然，自动化是重要的，自动化总是伴随有关机械或工具来实现的。
可以说，机械是一切技术的载体，也是自动化技术的载体。
第一次工业革命，以机械化这种形式的自动化来减轻、延伸或取代人的有关体力劳动;第二次工业革命，电气化进一步促进了自动化的发展。
据统计，从1870年至1980年，加工过程的效率提高到20倍，即体力劳动得到了有效的解放;但管理效率只提高为1.8至2.2倍，设计效率只1.2倍，这表明脑力劳动远没有得到有效的解放。
即使在美国，1984年，CAD在福特公司只占40%，通用公司34%,Chrysler也不过67%;此后，CAD发展极为迅速。
今天在我国大量设计单位已“甩图板”了，CAD已十分普及了。
信息化、计算机化与网络化，不但极解放了人的体力劳动，而且更为关键的是有效地提高了脑力劳动自动化的水平，解放了人的部分的脑力劳动。
“集”是发展的方法
“集”就是集成化。
它一是技术的集成，一是管理的集成，一是技术与管理的集成;归根结底，其本质就是知识的集成，当然亦即知识表现形式的集成。
已如前述，先进制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。
“集成”就是“交叉”，就是“杂交”，就是取人之长，补己之短，这是发展的一大方法。
目前，“集”主要指：
１、现代技术的集成，机电一体化是个典型，它是高技术装备的基础，如微电子制造装备，信息化、网络化产品及配套设备，仪器、仪表、医疗、生物、环保等高技术设备。
显然，在机电一体化技术中，关键往往是;a检测传感技术;b信息处理技术;c自动控制技术;d伺服传动技术;e精密机械技术;f系统总体技术，而这些技术又同许多学科有关，又是一个“集”。
２、加工技术的集成，特种加工技术及其装备是个典型，如增材制造（即快速原型）、激光加工、高能束加工、电加工等等。
３、企业集成，即管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成;包括生产过程的集成、全寿命周期过程的集成;也包括企业部的集成，企业外部的集成。
当然，管理的集成不可能不包含管理与技术的集成。
还有一点值得注意，即由生物技术与制造技术集成而成的“微制造的生物方法”，或所谓的“生物制造”;即依据生物是由部生长而成“器件”，而非同一般制造技术那样由外加作用以增减材料而成“器件”。
可以预期，这是一个崭新的充满着活力的领域。
“网”是发展的道路
“网”就是网络化。
制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路，是制造业走向整体化、有序化，这同人类社会发展是同步的。
制造技术的网络化由两个因素决定：
一是生产组织变革的需要，一是生产技术发展的可能。
这是因为制造业在市场竞争中，面临多方的压力;采购成本不断提高，产品更新速度加快，市场需求不断变化，客户定单生产方式迅速发展，全球制造所带来的冲击日益加强等等;企业要避免传统生产组织所带来的一系列问题，必须在生产组织上实行某种深刻的变革。
这个变革体现在两方面：
一方面利用网络，在产品设计、制造与生产管理等活动乃至企业整个业务流程中充分享用有关资源，即快速调集、有机整合与高效利用有关制造资源;与此同时，这必然导致制造过程与组织的分散化网络化，企业要抛弃传统的“小而全”与“大而全”这类“夕阳技术”，而集中力量在自己最有竞争力的核心业务上。
在制造技术网络化中，电子商务应用值得关注。
电子商务将业务数据数字化，并将数字信息使用和计算机业务处理同Internet进行集成，成为一种全新的业务操作模式。
在电子商务下的网络化制造中，供应链管理、客户关系管理、产品生命周期管理共同构成了制造的增殖链。
它具有两大优点：
商务的直接化与透明化，这对降低成本、加决流通、提高效率、增加商业机会大有好处，从而对企业部重组、经营战略与竞争模式有着深刻影响。
“智”是发展的前景
“智”就是智能化。
制造技术的智能化是制造技术发展的前景。
近20年来，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出某种智能，以便应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，因此，智能制造越来越受到高度的重视。
智能化制造模式的基础是智能制造系统，智能制造系统既是智能和技术的集成而形成的应用环境，也是智能制造模式的载体。
与传统的制造相比，智能制造系统具有以下特点：
①人机一体化;②自律能力;③自组织与超柔性;④学习能力与自我维护能力;⑤在未来，具有更高级的类人思维的能力。
由此出发，可以说智能制造作为一种模式，是集自动化、集成化和智能化于一身，并具有不断向纵深发展的高技术含量和高技术水平的先进制造系统，也是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。
它突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。
同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能;当然，目前还只能算初步，但潜力极大，前景广阔。
随着知识经济时代的初露端倪，知识将作为发展生产力主要的源泉，并导致以知识生产率取代劳动生产率，从而智能化制造的价值日益攀升。
目前，特别是分布式数据库技术、智能代理技术和网络技术等发展，将突出知识在制造活动中的价值地位。
“绿”是发展的必然
“绿”就是“绿色”，“绿色”是从环境保护领域中引用来的。
人类社会的发展必将走向人类社会与自然界的和谐，就是走向“天人合一”。
人与人类社会本质上也是自然世界的一个部分，部分不能脱离整体，更不能对抗与破环整体。
《老子》讲的“无为”就是这个意思，即不去“为”违背客观规律之“为”。
人类必须从各方面促使人与人类社会同自然界和谐一致，制造技术也不能例外。
保护环境，就是保护生产力;改善环境，就是发展生产力。
制造业的产品从构思开始，到设计阶段，制造阶段、销售阶段、使用与维修阶段，直到回收阶段、再制造各阶段，都必须充分计及环境保护。
所谓环境保护是广义的，不仅要保护自然环境，还要保护社会环境、生产环境，还要保护生产者的身心健康。
在此前提与涵下，还必须制造出价廉、物美、供货期短、售后服务好的产品。
作为“绿色”制造，产品还必须在一定程度上是艺术品，以与用户的生产、工作、生活环境相适应，给人以高尚的精神享受，体现着物质
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