现代机械制造理论

机械科学与技术形成与发展

戴晨雨Z1203008

一、 发展历史

1.传统机械制造技术(1760～1950;物质+能量)

1775年,John Wilkinson研制出镗床;1860年采用平炉和转炉炼钢(取代熟铁)成为主要结构材料,1898年F.W.Taylor 和White成功地研制出高速钢,1927年德国科学家K.Schroter发明硬质合金,主要致力于难加工材料加工;1943年,俄国科学家拉扎连柯夫妇发明电火花加工方法,进而出现了特种加工机床及其他特种加工工艺技术与方法。

2.现代机械制造技术(1950～1990;物质+能量+信息)

随着微电子技术、自动控制技术和计算机技术的应用,使机械制造技术范围不断拓展,机床自动化及制造自动化程度不断越高: (1) 机械加工(刚性)自动生产线;

自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。二十世纪20年代，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。在二十世纪20年代之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动线的数目急剧增加。采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量；产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。自动生产线在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动生产线不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。

(2) 数控机床(NC);

数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床一般由输入介质、人机交互设备、计算机数控装置、进给伺服驱动系统、主轴伺服驱动系统、辅助控制装置、反馈装置和适应控制装置等部分组成。在数控加工中，数控铣削加工最为复杂，需解决的问题也最多。除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点，伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信 号转换成机床移动部件的运动。

(3) 加工中心(MC);

加工中心，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自

动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 (4) 柔性制造单元(FMC)与系统(FMS);

柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统(Flexible Manufacturing System)，英文缩写为FMS。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。

(5) 柔性制造线(FML)

柔性制造线（FML）是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与多品种中小批量柔性制造系统之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床，亦可以采用专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于柔性制造系统，但生产效率更高。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生产过程中的分散型控制系统（DCS）为代表，其特点是实现生产柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，目前已进入实用化阶段。

3.先进机械制造技术(1990～;物质+能量+信息+智能)

随着信息科学、管理科学、网络技术和自动控制理论应用,使机械制造技术内涵显著提升,机械制造自动化程度越来越高,制造效率和质量大幅提高:

(1)柔性制造;

(2)计算机集成制造;

(3)智能制造;

(4)微/纳极端制造

二、 现代制造业特征

(1)市场性，机械科学技术与生产力发展的必然 ;

(2)多变性，科技发展快，技术更新快，产品换代快，从而产品非大量化、分散化、个性化，竞争日趋激烈，不确定因素猛增，市场变化快;

(3)国际化，市场打破国界，走向区域化，走向国际化 ;

(4)新”产品”传统产品用高新技术加以改造与发展而成的产品，更涉及前所未有的新类型的“产品”，从而导致软件、环保等产业的出现;

(5)虚拟化，基于信息的网络化，网上的产品广告、商品展示、商品交易、客户关系、代理制等均属于虚拟市场.

三、 先进制造技术特征

(1)数字化

机械零部件(如图形、数据、知识、技能等）均以数字形式进行描述和表达,在广泛领域乃至跨地区、跨国界形成一个数字化组成的网，企业、车间、设备、员工、经销商乃至有关市场均可成为网上的一个“结点”，在研究、设计、制造、销售、服务的过程中，彼此交互， 合作完成。

(2)精密化

对产品、零件的加工精度要求越来越高. 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0.01微米，至今达0.001微米，即1纳米。电子元件制造误差为，晶体管50微米，磁盘5微米，磁头磁鼓0.5微米，集成电路0.05微米，超大型集成电路达0.005微米，而合成半导体为1纳米。

(3)自动化

从1870年至1980年，加工过程的效率提高为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，设计效率只提高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。

(4)集成化

它一是技术集成，二是管理集成，三是技术与管理的集成；其本质是知识集成，亦即知识表现形式的集成。目前，“集”主要指：1、现代技术的集成。机电一体化是个典型， 2、加工技术的集成、特种加工技术及其装备是个典型 ; 3、管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成,如并行工程、敏捷制造、精益生产、CIMS等等都是“集”的典型表现。

(5)智能化

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