先進(jìn)制造技術(shù)

（第3版）揚(yáng)州大學(xué)王隆太第1章制造業(yè)與先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)容要點(diǎn)：制造業(yè)地位和作用制造業(yè)發(fā)展與進(jìn)步先進(jìn)制造技術(shù)提出背景先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)涵、特征及其體系結(jié)構(gòu)工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國(guó)制造20251.1.1制造與制造業(yè)1.1.2制造業(yè)地位和作用1.1.3制造業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步1.1制造業(yè)的地位及其發(fā)展

包括市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工裝配、質(zhì)量保證、生產(chǎn)管理、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)等產(chǎn)品生產(chǎn)制造的全過(guò)程原材料產(chǎn)品

工藝技能知識(shí)能源工具與物流有關(guān)的產(chǎn)品加工和裝配過(guò)程制造廣義制造狹義制造1.1.1制造與制造業(yè)具有特定功能的有機(jī)整體制造過(guò)程軟件硬件人員制造系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)規(guī)劃、開(kāi)發(fā)研制、加工制造和控制管理等過(guò)程制造過(guò)程廠房、生產(chǎn)設(shè)備、工具和材料、能源以及各種輔助裝置制造理論、制造工藝和方法、各種制造信息等硬件軟件可供人們使用和消費(fèi)的產(chǎn)品行業(yè)，是所有與制造有關(guān)的企業(yè)群體制造業(yè)我國(guó)制造業(yè)分類(lèi)和構(gòu)成我國(guó)制造業(yè)（30行業(yè)）農(nóng)副食品加工業(yè)家具制造業(yè)石油化工業(yè)醫(yī)藥制造業(yè)金屬制品業(yè)通用設(shè)備制造業(yè)交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)儀器儀表………….等機(jī)械制造業(yè)（13大類(lèi)）農(nóng)業(yè)機(jī)械內(nèi)燃機(jī)工程機(jī)械儀器儀表文化辦公設(shè)備石油化工通用機(jī)械重型礦山機(jī)械機(jī)床工具電工電器機(jī)械基礎(chǔ)件食品包裝機(jī)械汽車(chē)其他民用機(jī)械注：根據(jù)GB/T

4754-2011標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)

國(guó)民經(jīng)濟(jì)三大產(chǎn)業(yè)制造業(yè)、建筑業(yè)、采掘業(yè)以及電力、煤氣、水的生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)工業(yè)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、蓄禽業(yè)、水產(chǎn)業(yè)農(nóng)林牧業(yè)商業(yè)、金融、房地產(chǎn)、經(jīng)貿(mào)等服務(wù)業(yè)我國(guó)制造業(yè)占工業(yè)產(chǎn)值85.79%，占整個(gè)國(guó)家GDP的36%。1.1.2制造業(yè)地位和作用一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入的重要來(lái)源工業(yè)經(jīng)濟(jì)年代經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)騰飛的重要基礎(chǔ)制造業(yè)地位1）制造業(yè)地位2）制造業(yè)作用提供人們衣、食、住、行物質(zhì)消費(fèi)決定全社會(huì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)效益和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)國(guó)際商品貿(mào)易的保證(美國(guó)78%,日本96%,我國(guó)81%-95)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地位的物質(zhì)保障，服務(wù)業(yè)發(fā)展的重要條件

信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移和就業(yè)的重要途徑為科技和教育發(fā)展提供經(jīng)費(fèi)支持和實(shí)驗(yàn)裝備實(shí)現(xiàn)軍事現(xiàn)代化和國(guó)家安全的保障1.1.3制造技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步

人類(lèi)歷史上先后發(fā)生了三次工業(yè)革命，當(dāng)前正醞釀制造智能化新一輪工業(yè)革命。勞動(dòng)密集→設(shè)備密集→信息密集→知識(shí)密集單件生產(chǎn)→少品種大批量→多品種變批量生產(chǎn)方式資源配置制造技術(shù)手工→機(jī)械化→單機(jī)自動(dòng)化→剛性自動(dòng)化→柔性自動(dòng)化→智能自動(dòng)化

1、生產(chǎn)方式單件/小批量生產(chǎn)--20世紀(jì)前，以手動(dòng)操作機(jī)器作坊式生產(chǎn)方式，

生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)繁重。少品種大批量生產(chǎn)--20世紀(jì)初，以裝配流水線(xiàn)為標(biāo)志的大批量生產(chǎn)方式，

極大提高生產(chǎn)率，大幅度降低生產(chǎn)成本。多品種小批量生產(chǎn)--上世紀(jì)60年代，為滿(mǎn)足日趨主體化、個(gè)性化、多樣化市場(chǎng)需求，出現(xiàn)了多品種小批量生產(chǎn)方式，按訂貨組織生產(chǎn)。大批量定制生產(chǎn)--進(jìn)入21世紀(jì)，基于相似性原理將產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程重組，

將多樣化定制產(chǎn)品的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為零部件的批量化生產(chǎn)，以提高生產(chǎn)

效率、降低生產(chǎn)成本。2、制造技術(shù)機(jī)械化--18世紀(jì)后半葉，加工機(jī)械的發(fā)明，用機(jī)器勞動(dòng)代替了手工勞動(dòng)，完成了從手工作坊式生產(chǎn)到工廠式生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。剛性自動(dòng)化--20世紀(jì)初針對(duì)大批量生產(chǎn)模式，以降低成本為目的剛性自

動(dòng)化制造技術(shù)和科學(xué)管理方式得到發(fā)展。柔性自動(dòng)化--二次大戰(zhàn)后，隨著計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)了多品種小批量生產(chǎn)柔性自動(dòng)化，包括NC、CNC、FMC、FMS、FM等。綜合集成自動(dòng)化--自上世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)、電子信息及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)促進(jìn)了制造業(yè)向綜合集成自動(dòng)化發(fā)展，包括CIM、CE、LP、AM、IM、CM等。智能自動(dòng)化--近年來(lái)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息化技

術(shù)發(fā)展，正推動(dòng)著制造業(yè)向著智能自動(dòng)化發(fā)展。

3、資源配置勞動(dòng)密集型--借助簡(jiǎn)單機(jī)器和手工工具，通過(guò)人工勞動(dòng)完成產(chǎn)品制造過(guò)程。

特點(diǎn)：工具手段原始，技術(shù)程度不高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低下，與單件小批生產(chǎn)方式相適應(yīng)。設(shè)備密集型（資本密集）--產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備成本所占比例較大。

特點(diǎn)：使用技術(shù)裝備多，資本投入大，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)力需求減少，與少品種大批量以及多品種小批量生產(chǎn)方式相適應(yīng)

。技術(shù)密集型（知識(shí)密集）--產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)技術(shù)和智力要求較高。特點(diǎn)：生產(chǎn)過(guò)程建立在先進(jìn)科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，資源消耗少，產(chǎn)品技術(shù)性能復(fù)雜，與按訂單組織生產(chǎn)的生產(chǎn)方式向適應(yīng)。1.2先進(jìn)制造技術(shù)提出及主要工業(yè)國(guó)發(fā)展對(duì)策1.2.1先進(jìn)制造技術(shù)提出背景1.2.2先進(jìn)制造技術(shù)特征1.2.3主要工業(yè)國(guó)家發(fā)展對(duì)策1、社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景

消費(fèi)者需求--主題化、個(gè)性化和多樣化，產(chǎn)品壽命周期不斷縮短

全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)--要求制造型企業(yè)在交貨周期T、產(chǎn)品質(zhì)量Q、產(chǎn)品成本C、客戶(hù)服務(wù)S及環(huán)境友善性E等方面滿(mǎn)足競(jìng)爭(zhēng)需求。2、科學(xué)技術(shù)背景

制造技術(shù)進(jìn)步--傳統(tǒng)制造技術(shù)與材料、電子、信息、控制等技術(shù)融合。

現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展—信息化與工業(yè)化融合使制造業(yè)成為技術(shù)密集與

知識(shí)密集型產(chǎn)業(yè)。3、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景

資源匱泛，污染嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展要求。

在上述社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)及可持續(xù)發(fā)展背景下，由美國(guó)率先提出了先進(jìn)制造技術(shù)，以獲取全球范圍的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。1.2.1先進(jìn)制造技術(shù)提出背景先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)涵在傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)上不斷吸收現(xiàn)代技術(shù)成果，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)，提高對(duì)市場(chǎng)快速響應(yīng)和競(jìng)爭(zhēng)能力的制造技術(shù)總稱(chēng)。先進(jìn)制造技術(shù)特征1）實(shí)用性--不追求技術(shù)的高新程度，注重實(shí)際效果的實(shí)用技術(shù)。2）應(yīng)用廣泛性--涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、銷(xiāo)售服務(wù)等全生命周期所有

技術(shù)。3）發(fā)展動(dòng)態(tài)性—在不斷吸收各類(lèi)高新技術(shù)，其內(nèi)涵在不斷的更新與變化。4）技術(shù)集成性—是機(jī)械、電子、信息、材料和管理等技術(shù)的集成。5）系統(tǒng)性--能夠駕馭生產(chǎn)過(guò)程中的物質(zhì)流、信息流和能量流的系統(tǒng)工程。6）強(qiáng)調(diào)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)。7）最終目標(biāo)是提高市場(chǎng)響應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。1.2.2先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵與特征1、美國(guó)從20世紀(jì)初，美國(guó)制造業(yè)就穩(wěn)居世界霸主地位。但由于忽略制造業(yè)的發(fā)展，國(guó)家GDP曾多次嚴(yán)重下滑。

1.2.3主要工業(yè)國(guó)家發(fā)展策對(duì)策美國(guó)近50年GDP與制造業(yè)關(guān)系變化圖為了重振霸主雄風(fēng)，美國(guó)政府推出一系列先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展計(jì)劃，包括“先進(jìn)技術(shù)計(jì)劃”、“先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃”和“下一代制造行動(dòng)框架”。2008年次貸危機(jī)和泡沫經(jīng)濟(jì)破裂后，提出了“再工業(yè)化”策略，意在奪回美國(guó)制造業(yè)的優(yōu)勢(shì)。2009年奧巴馬簽署了《美國(guó)制造業(yè)再振興框架》；2011年，推出了“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃（AMP）”，鼓勵(lì)產(chǎn)官學(xué)研合作，計(jì)劃建立十幾個(gè)制造創(chuàng)新基地，重振美國(guó)的制造業(yè)；2012年提出建立制造創(chuàng)新研究網(wǎng)絡(luò)（NNMII）建議；2013年美國(guó)國(guó)家預(yù)算對(duì)先進(jìn)制造業(yè)的研究撥款增加了19％；1、美國(guó)2、德國(guó)

德國(guó)是全球制造業(yè)中最具競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó)家之一：其裝備制造業(yè)全球領(lǐng)先；2004年機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)值達(dá)1360億歐元，奪得當(dāng)年世界機(jī)械產(chǎn)品市場(chǎng)分額第一和出口第一的寶座。2011年提出工業(yè)4.0概念，使德國(guó)制造業(yè)繼續(xù)處于世界領(lǐng)先地位。2013年正式實(shí)施“工業(yè)4.0”計(jì)劃。3、日本二戰(zhàn)后日本制造業(yè)迅猛發(fā)展：上世紀(jì)60年代工業(yè)年均增長(zhǎng)率達(dá)13%；上世紀(jì)70年代基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化；

到80年代超越歐洲工業(yè)國(guó)，成為世界第二大制造國(guó)。

自90年代進(jìn)入近20年停滯期，但仍鼓勵(lì)先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展：1980年頒布《推進(jìn)創(chuàng)造性科學(xué)技術(shù)規(guī)劃》；1985年制定《促進(jìn)基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)稅制》，實(shí)行稅金扶待政策；1995年提出“科技創(chuàng)新立國(guó)”戰(zhàn)略，頒布《科學(xué)技術(shù)基本法》。

日本在發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)方面最為成功之處，是生產(chǎn)模式的創(chuàng)新，諸如精益生產(chǎn)模式、作業(yè)站生產(chǎn)模式和以人為本的經(jīng)營(yíng)管理模式等。4、中國(guó)目前我國(guó)制造業(yè)正面臨“前有圍堵后有追兵”的局面：勞動(dòng)力紅利即將結(jié)束，較多發(fā)展中國(guó)家接納不少產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移；歐美發(fā)達(dá)國(guó)家正引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命；資源環(huán)境制約，持續(xù)發(fā)展面臨諸多問(wèn)題；技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整任務(wù)艱巨。

中國(guó)政府促進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展對(duì)策：1999年開(kāi)展了“支持產(chǎn)品創(chuàng)新先進(jìn)制造技術(shù)若干基礎(chǔ)性研究”；2014年首次提出"中國(guó)制造2025"概念2015年5月19日，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》。1.3先進(jìn)制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)與分類(lèi)1.3.1先進(jìn)制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)1.3.2先進(jìn)制造技術(shù)分類(lèi)1.3.1先進(jìn)制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)1、FCCSET先進(jìn)制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

包括主體技術(shù)群、支撐技術(shù)群和基礎(chǔ)技術(shù)群三大組成部分。2、AMST先進(jìn)制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

由里到外包含有基礎(chǔ)制造技術(shù)、單元制造技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)三個(gè)不同的層次，反應(yīng)了先進(jìn)制造技術(shù)由基礎(chǔ)到單元，再到系統(tǒng)集成的發(fā)展過(guò)程。1.3.2先進(jìn)制造技術(shù)分類(lèi)

根據(jù)先進(jìn)制造技術(shù)的功能特征，結(jié)合中國(guó)制造2025，以及便于組織教學(xué)需要，本書(shū)將先進(jìn)制造技術(shù)歸納為如下幾大類(lèi)：現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品可信性設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)等先進(jìn)制造工藝：高效精密成形技術(shù)、高效高精度切削加工工藝、現(xiàn)代特種

加工工藝、現(xiàn)代表面工程技術(shù)等。制造自動(dòng)化技術(shù)：自動(dòng)化加工設(shè)備、運(yùn)儲(chǔ)自動(dòng)化、裝配自動(dòng)化、檢測(cè)自動(dòng)

化等技術(shù)企業(yè)信息化管理技術(shù)：包括企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理、產(chǎn)品全生命周期管理、制造執(zhí)

行管理、供應(yīng)鏈管理、客戶(hù)關(guān)系管理等。先進(jìn)制造生產(chǎn)模式：包括有計(jì)算機(jī)集成制造、并行工程、精益生產(chǎn)、

敏捷制造、智能制造等。1.4.1工業(yè)4.01.4.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.4.3中國(guó)制造20251.4當(dāng)前制造業(yè)主要發(fā)展戰(zhàn)略與對(duì)策

1.4.1工業(yè)4.0工業(yè)4.0由德國(guó)于2011年提出，2013年發(fā)布“工業(yè)4.0實(shí)施建議”。主要內(nèi)容可概括為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、雙重策略、三項(xiàng)集成和八項(xiàng)重大舉措。1）一個(gè)網(wǎng)絡(luò)--信息物理系統(tǒng)

CPS網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)4.0重要基礎(chǔ)，可將生產(chǎn)

過(guò)程的物理世界與虛擬世界建立交互關(guān)系。2）雙重策略--領(lǐng)先的市場(chǎng)和領(lǐng)先的供應(yīng)商

將工業(yè)4.0成為德國(guó)用于

撬動(dòng)市場(chǎng)潛力的杠桿，以增強(qiáng)德國(guó)裝備制造業(yè)

3）三項(xiàng)集成

橫向集成--通過(guò)CPS價(jià)值鏈，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的資源整合。端到端集成—是將所有該連接的端點(diǎn)都予以互聯(lián)集成起來(lái)?？v向集成--是指企業(yè)內(nèi)部管理流程的集成。4）八項(xiàng)舉措

在八大關(guān)鍵領(lǐng)域優(yōu)先執(zhí)行：①標(biāo)準(zhǔn)化和參考框架；

②復(fù)雜系統(tǒng)的管理模型；③一套綜合的工業(yè)寬帶網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)施；

④安全和保障；⑤工作的組織和設(shè)計(jì)；⑥培訓(xùn)和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展；

⑦制度與法規(guī)；⑧資源利用效率。1.4.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是由美國(guó)通用電氣（GE）倡導(dǎo)的未來(lái)制造業(yè)發(fā)展新模式，強(qiáng)調(diào)通過(guò)智能機(jī)器間的連接，結(jié)合軟件和大數(shù)據(jù)技術(shù)以重構(gòu)全球制造業(yè)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略目標(biāo)：將互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合，以重塑制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，推

動(dòng)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展。2012年由美國(guó)GE公司提出；2014年以GE牽頭的五家龍頭企業(yè)聯(lián)手組建了美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟；目前致力制定一套工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通用標(biāo)準(zhǔn)，借此可打破不同公司產(chǎn)品技

術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更好實(shí)現(xiàn)CPS的物理世界和數(shù)字世界融合。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心內(nèi)容：充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的作用，打造一

個(gè)穩(wěn)定、可靠、安全、實(shí)時(shí)、高效的全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)整個(gè)工業(yè)

產(chǎn)業(yè)鏈的工作效率全面提升。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0相似1）需求升級(jí)是共同的誘因

工業(yè)4.0是針對(duì)市場(chǎng)個(gè)性化需求產(chǎn)生的智能制造模式；

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是針對(duì)高投入、高消耗、高排放傳統(tǒng)模式升級(jí)提出的。

2）CPS是相同的內(nèi)核，即CPSCPS是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)和核心；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)其內(nèi)涵和功能即為CPS。GE將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)界定為“大數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)”。

3）融合發(fā)展與產(chǎn)業(yè)升級(jí)是共同的發(fā)展方向。工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念

均反映工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)的融合是推動(dòng)現(xiàn)有生產(chǎn)體系轉(zhuǎn)型的主要途徑。4）均將走向智能化制造模式

工業(yè)4.0重點(diǎn)是發(fā)展智能生產(chǎn)與智能工廠，力圖打造智能制造領(lǐng)先者；

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)技術(shù)的融合打造萬(wàn)物互聯(lián)的智能世界。5）標(biāo)準(zhǔn)和安全是共同突出強(qiáng)調(diào)的基礎(chǔ)

兩者都認(rèn)為建立一套通用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系是決定新模式能否被市場(chǎng)

廣泛接受的關(guān)鍵因素。

6）企業(yè)是推廣應(yīng)用的關(guān)鍵主體。兩者都認(rèn)為先導(dǎo)企業(yè)和領(lǐng)頭科研院所

將起著核心作用，而國(guó)家政府僅起著某種協(xié)調(diào)作用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0異同點(diǎn)

1）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念和內(nèi)涵比工業(yè)4.0更為寬闊

工業(yè)4.0作用于制造業(yè)，是將德國(guó)制造商打造為智能制造領(lǐng)先者；

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器連接，推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系變革。2）實(shí)現(xiàn)路徑側(cè)重點(diǎn)不同

工業(yè)4.0突出提升“硬”制造的實(shí)力；

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)側(cè)重軟件、網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，強(qiáng)化“軟”實(shí)力3）強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)有所差異

工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)智能改造，使生產(chǎn)過(guò)程從自動(dòng)化向智能化演進(jìn)；

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，降低成本、提高效率。4）推進(jìn)效果已呈現(xiàn)差異化趨勢(shì)

工業(yè)4.0實(shí)際推動(dòng)效果不及完全由企業(yè)自主推動(dòng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，全球

各領(lǐng)域龍頭企業(yè)正在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟下逐漸形成聚集態(tài)勢(shì)。1.4.3中國(guó)制造2025發(fā)展背景1）全球制造業(yè)格局面臨重大調(diào)整歐美工業(yè)國(guó)家紛紛推出“再工業(yè)化”，力圖搶占競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)；印度、越南等新興經(jīng)濟(jì)體利用后發(fā)與低成本優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國(guó)目標(biāo)；我國(guó)制造業(yè)需找準(zhǔn)定位，將制造大國(guó)建設(shè)為制造強(qiáng)國(guó)。2）我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境發(fā)生重大變化2010年成為全球制造業(yè)第一大國(guó)，但大而不強(qiáng)；重要礦產(chǎn)資源對(duì)外依存度高，資源環(huán)境成為制造業(yè)發(fā)展關(guān)鍵因素；勞動(dòng)年齡人口連續(xù)六年下降。3）建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)任務(wù)艱巨而緊迫雖以具備建設(shè)工業(yè)強(qiáng)國(guó)的基礎(chǔ)和條件，但仍差距較大，自主創(chuàng)新能力弱、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、高端裝備對(duì)外依存度高。德國(guó)工業(yè)4.0是在工業(yè)1.0、2.0，基本完成工業(yè)3.0基礎(chǔ)上提出的發(fā)

展戰(zhàn)略，是一種自然串聯(lián)式發(fā)展。我國(guó)必須走工業(yè)2.0補(bǔ)課、工業(yè)3.0普及、工業(yè)4.0”示范的“并聯(lián)式”發(fā)展道路。戰(zhàn)略目標(biāo)--實(shí)現(xiàn)由制造大國(guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)的宏偉目標(biāo)。1）制造強(qiáng)國(guó)的特征雄厚的產(chǎn)業(yè)規(guī)模、成熟健全的產(chǎn)業(yè)體系，在全球制造業(yè)占有相當(dāng)比重；優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，擁有眾多較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的跨國(guó)企業(yè)；良好的質(zhì)量效益，制造業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平世界領(lǐng)先；持續(xù)的發(fā)展能力，體現(xiàn)高端化發(fā)展能力和長(zhǎng)期發(fā)展?jié)摿Α?）三步走戰(zhàn)略。

第一步：2025年基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，使中國(guó)制造業(yè)邁入制造強(qiáng)國(guó)行列。第二步：2035年成為工業(yè)強(qiáng)國(guó)，綜合指數(shù)達(dá)到世界制造強(qiáng)國(guó)中等水平。

第三步：到新中國(guó)成立一百年時(shí)進(jìn)入世界強(qiáng)國(guó)第一方陣。核心內(nèi)容

1）研究制定智能制造發(fā)展戰(zhàn)略

編制智能制造發(fā)展規(guī)劃，加快制定智能制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化應(yīng)用牽引，

促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的綜合集成應(yīng)用。2）加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品

組織研發(fā)高檔數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和增材制造裝備等智能制造裝備

突破智能核心裝置，推進(jìn)工程化和產(chǎn)業(yè)化。

3）推進(jìn)制造過(guò)程智能化

在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠、數(shù)字化車(chē)間，促進(jìn)智能工藝的仿真優(yōu)

化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制。

4）深化互聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用

制定互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)融合發(fā)展的路線(xiàn)圖，發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)新型制造模

式，推動(dòng)形成基于消費(fèi)需求動(dòng)態(tài)感知的研發(fā)、制造和產(chǎn)業(yè)組織方式。5）加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)施建設(shè)

加強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃與布局，加快制造業(yè)集聚區(qū)光纖網(wǎng)、

移動(dòng)通信網(wǎng)和無(wú)限局域網(wǎng)的部署和建設(shè)。十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域1）新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)2）高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人3）航空航天裝備。4）海洋工程裝備及高技術(shù)船舶。5）先進(jìn)軌道交通裝備。6）節(jié)能與新能源汽車(chē)。7）電力裝備。8）農(nóng)機(jī)裝備。9）新材料。10）生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械。中國(guó)制造2025與工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)三者比較

表1.3中國(guó)制造2025與工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)比較指標(biāo)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)4.0中國(guó)制造2025相同點(diǎn)目標(biāo)均針對(duì)各自國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展所提出的先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。技術(shù)均將CPS作為未來(lái)制造業(yè)發(fā)展核心，注重信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等方面的創(chuàng)新研究。不同點(diǎn)特點(diǎn)倡導(dǎo)人、數(shù)據(jù)和機(jī)器間的連接。制造業(yè)與信息化融合。信息化與工業(yè)化深度融合。愿景保持制造技術(shù)領(lǐng)先地位，解決全球所面臨的資源短缺、能源利用效率及人口變化等問(wèn)題。保持未來(lái)制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新，開(kāi)拓新產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)全球制造業(yè)走向。躋身世界制造強(qiáng)國(guó)，提升信息化水平、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品質(zhì)量，增多著名世界品牌。技術(shù)領(lǐng)域注重生產(chǎn)模式、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)安全等高層面的制造理念，達(dá)到以網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征的新工業(yè)革命生產(chǎn)模式。注重制造業(yè)中的先進(jìn)傳感、先進(jìn)控制和平臺(tái)系統(tǒng)，注重虛擬化、信息化和數(shù)字化制造，致力于CPS具體化實(shí)施。

關(guān)注制造技術(shù)、制造業(yè)結(jié)構(gòu)、制造水平提升，注重航空航天、船舶、軌道交通、電力、農(nóng)機(jī)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的高端制造裝備。行動(dòng)路徑以“軟”服務(wù)為主，應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)重塑工業(yè)格局。通過(guò)CPS價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成、端到端集成以及企業(yè)內(nèi)部縱向集成改造制造業(yè)。通過(guò)智能制造，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化水平的提高。國(guó)情工業(yè)發(fā)展進(jìn)程信息產(chǎn)業(yè)與先進(jìn)制造業(yè)獨(dú)占鰲頭，完成“工業(yè)2.0”、“工業(yè)3.0”。裝備制造業(yè)全球領(lǐng)先，信息技術(shù)地位顯著，完成“工業(yè)2.0”，基本完成“工業(yè)3.0”。創(chuàng)新能力不強(qiáng)，核心技術(shù)缺乏，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，處于“工業(yè)2.0”和“工業(yè)3.0”并行發(fā)展階段。制造：是將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐣?huì)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。制造業(yè)：是所有與制造相關(guān)的生產(chǎn)和服務(wù)型企業(yè)群體的總稱(chēng)，是國(guó)民經(jīng)

濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)。先進(jìn)制造技術(shù)：是在激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步及可持續(xù)發(fā)展背

景下于20世紀(jì)80年代末由美國(guó)提出，并得到工業(yè)國(guó)家的積極響應(yīng)。先進(jìn)制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)：是由基礎(chǔ)制造技術(shù)、單元制造技術(shù)和系統(tǒng)

集成三個(gè)不同層次的技術(shù)組成。世界工業(yè)大國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略：

工業(yè)4.0：概括為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、雙重策略、三項(xiàng)集成和八項(xiàng)重大舉措。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：通過(guò)智能機(jī)器間連接，結(jié)合云計(jì)算和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

重構(gòu)全球制造業(yè)。

中國(guó)制造2025：實(shí)現(xiàn)由制造大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國(guó)的宏偉目標(biāo)。第一步：2025年基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；第二步：2035年成為工業(yè)強(qiáng)國(guó)；

第三步：到新中國(guó)成立一百年進(jìn)入世界強(qiáng)國(guó)第一方陣。本章小結(jié)第2章現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)提示：

--論述現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)涵特征及體系結(jié)構(gòu)

--介紹最常用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法：

.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

.優(yōu)化設(shè)計(jì)

.可靠性設(shè)計(jì)

.價(jià)值工程

.反求工程

.綠色設(shè)計(jì)2.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)涵2.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)2.1.3現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)2.1概述2.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)涵設(shè)計(jì)技術(shù)：設(shè)計(jì)過(guò)程中解決具體設(shè)計(jì)問(wèn)題的各種方法與手段。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)：表現(xiàn)為手工的、經(jīng)驗(yàn)的、靜態(tài)與被動(dòng)的各種技術(shù)方法?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)：是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承與延伸，是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技

術(shù)為主體，以多學(xué)科交叉融合，研究、改進(jìn)、創(chuàng)新產(chǎn)品活動(dòng)過(guò)程所用

到的技術(shù)群體的總稱(chēng)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的三維系統(tǒng)框架現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的三維技術(shù)框架：

1）時(shí)間維反映設(shè)計(jì)過(guò)程在時(shí)間上的順序性。

--產(chǎn)品規(guī)劃產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)起點(diǎn)，包括需求分析、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、可行性分析、確定總體參數(shù)、制定約束條件和設(shè)計(jì)要求等設(shè)計(jì)任務(wù)。

--方案設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，方案設(shè)計(jì)階段投入的費(fèi)用往往只占總成本的1%，卻決定了產(chǎn)品總成本70%的性能特征。

--技術(shù)設(shè)計(jì)將產(chǎn)品功能原理化為具體機(jī)械結(jié)構(gòu)，決定產(chǎn)品最終形態(tài)和性能。

--施工設(shè)計(jì)指零部件和產(chǎn)品工程圖繪制以及工藝文件和說(shuō)明書(shū)編寫(xiě)。

2）邏輯維設(shè)計(jì)過(guò)程中解決問(wèn)題的邏輯步驟。

--分析明確設(shè)計(jì)任務(wù)，是解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的前提；

--綜合是探求解決方案的創(chuàng)新過(guò)程，可采用抽象、發(fā)散、逆向等思維方法尋求盡可能多的方案解；

--評(píng)價(jià)對(duì)多種方案進(jìn)行比較和評(píng)定，對(duì)方案不斷進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，直到較滿(mǎn)意的結(jié)果；

--決策在綜合和評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上選擇綜合指標(biāo)最佳設(shè)計(jì)方案。

3）方法維設(shè)計(jì)過(guò)程所采用的各種先進(jìn)設(shè)計(jì)理論、方法和工具。2.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)體系1）基礎(chǔ)技術(shù)

是指?jìng)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、工程數(shù)學(xué)等。2）主體技術(shù)

即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，以其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和信息處理能力，使之成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)群體的主干。3）支撐技術(shù)

為設(shè)計(jì)過(guò)程的信息處理、加工、推理與驗(yàn)證提供支撐。

--現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)：包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、價(jià)值工程、反求工程、綠色設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)等；

--可信性設(shè)計(jì)：包括可靠性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)、耐腐蝕設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)等；

--設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)：包括性能試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)、仿真試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)等。4）應(yīng)用技術(shù)

是解決具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)和方法，如汽車(chē)、飛機(jī)、船舶、機(jī)床、工程機(jī)械、精密機(jī)械、模具等專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的知識(shí)和技術(shù)。5）其它相關(guān)技術(shù)

包括政治、經(jīng)濟(jì)、法律、人文科學(xué)、藝術(shù)科學(xué)等。現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)1）是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承與延伸

由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)延伸，由經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比向精確優(yōu)化方法延伸，由確定設(shè)計(jì)

模型向隨機(jī)模糊設(shè)計(jì)模型延伸，由單維向多維模式延伸。2）多種設(shè)計(jì)技術(shù)的交叉與綜合

多學(xué)科融合交叉，多種設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段的綜合應(yīng)用，以系

統(tǒng)、集成的設(shè)計(jì)概念從事具有時(shí)代特征和科技發(fā)展趨勢(shì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。3）設(shè)計(jì)手段的數(shù)字化、虛擬化與精確化

數(shù)字化--將復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)化為可以度量的數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化模型；

虛擬化--采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行環(huán)境；

精確化--借助于有限元分析、動(dòng)態(tài)分析、可靠性分析等設(shè)計(jì)工具，極大提

高設(shè)計(jì)的精確化程度。4）設(shè)計(jì)過(guò)程的并行化、最優(yōu)化與智能化

并行化--在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就并行考慮產(chǎn)品全生命周期的所有因素；

最優(yōu)化--通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行方案優(yōu)選、結(jié)構(gòu)優(yōu)選和參數(shù)優(yōu)選；

智能化--隨著人工智能發(fā)展，將有越來(lái)越多的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)投入產(chǎn)品設(shè)計(jì)。綜述：現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為標(biāo)志，具有信

息時(shí)代特征的一種設(shè)計(jì)技術(shù)。2.1.3現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)特征2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)2.2.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能作用2.2.2產(chǎn)品建模技術(shù)的發(fā)展2.2.3基于模型的定義技術(shù)2.2.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能作用1）產(chǎn)品建模

對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、裝配關(guān)系等進(jìn)行描述，按照一定

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織和存儲(chǔ)，建立產(chǎn)品三維數(shù)字化模型的過(guò)程。2）工程分析

按照產(chǎn)品工作狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能及安全性進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)質(zhì)量?jī)?yōu)劣，證實(shí)產(chǎn)品功能可用性和性能可靠性。3）工程圖繪制

繪制符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的工程圖樣，自動(dòng)生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)BOM表，

以供企業(yè)生產(chǎn)與管理部門(mén)使用。4）工藝設(shè)計(jì)

規(guī)劃產(chǎn)品加工工藝路線(xiàn)，完成產(chǎn)品的毛坯設(shè)計(jì)、工序設(shè)計(jì)以及

工時(shí)定額計(jì)算等工藝設(shè)計(jì)任務(wù)，輸出產(chǎn)品工藝文檔。5）數(shù)控編程

進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)控加工的走刀路線(xiàn)設(shè)計(jì)、刀具軌跡計(jì)算、后置處理

等數(shù)控編程環(huán)節(jié)，生成數(shù)控加工NC控制指令。6）仿真模擬

借助三維可視化交互環(huán)境，對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程及未來(lái)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)

行仿真試驗(yàn)，檢查工藝規(guī)程的合理性以及NC控制指令的正確性。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能作用2.2.2產(chǎn)品建模技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)品建模技術(shù)發(fā)展：2D圖樣2D圖樣+3D模型

MBD

（基于模型定義）1、二維工程圖樣

1795年由法國(guó)蒙日先生提出，是全球通用的工程語(yǔ)言，

在CAD技術(shù)早期，應(yīng)用2D工程圖樣完成產(chǎn)品數(shù)字化定義過(guò)程。

缺陷：效率低、不直觀，難以提供后續(xù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)直接調(diào)用與共享。2、三維幾何模型+2D圖樣線(xiàn)框模型--應(yīng)用棱邊和頂點(diǎn)來(lái)表示形體結(jié)構(gòu)的建模方法；表面模型--在線(xiàn)框模型基礎(chǔ)上增加了形體表面信息；實(shí)體模型--應(yīng)用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)體素，經(jīng)并、交、差集合運(yùn)算進(jìn)行建模；特征模型—應(yīng)用產(chǎn)品功能特征構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型。

不足：尚缺少產(chǎn)品加工制造時(shí)所需的技術(shù)要求、公差配合等制造信息，

難以直接在企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)交流使用。

為此，采用“2D+3D模型”進(jìn)行數(shù)字化定義，其中3D模型在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)

起主導(dǎo)作用，在產(chǎn)品制造中僅起著助和參考作用。3、MBD模型（ModelBasedDefinition，MBD）

是將產(chǎn)品所有幾何形狀、尺寸與公差以及技術(shù)要求等信息集成定義在三維產(chǎn)品數(shù)字化模型上，實(shí)現(xiàn)真正意義上的設(shè)計(jì)與制造一體化過(guò)程。MBD模型表達(dá)的數(shù)據(jù)集2.2.3基于模型的定義技術(shù)1、MBD模型數(shù)據(jù)內(nèi)容：包含有設(shè)計(jì)模型、注釋和屬性三部分內(nèi)容。設(shè)計(jì)模型：按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)而構(gòu)建的擁有尺寸標(biāo)注的產(chǎn)品三維實(shí)體模型；注釋?zhuān)喊ǔ叽绻?、粗糙度、明?xì)表、技術(shù)要求、標(biāo)題欄等；屬性：包括零件號(hào)、材料、版本、顏色和日期等。MBD模型定義的數(shù)據(jù)內(nèi)容2、數(shù)字化產(chǎn)品定義規(guī)范及MBD建模軟件平臺(tái)2003年美國(guó)發(fā)布了“數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)程ASMEY14.41-2003”。2006年ISO發(fā)布了“ISO-16792技術(shù)產(chǎn)品文件-數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)踐”。2009年我國(guó)發(fā)布了

“技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則”標(biāo)準(zhǔn)。目前MBD建模平臺(tái)：CATIA系統(tǒng)的“3DFuntionTolerancingandAnnotation”功能模塊；UGNX系統(tǒng)的“產(chǎn)品制造信息PMI”模塊；SolidWorks系統(tǒng)的“DimXpert”和“TolAnalyst”模塊，等等。上述MBD建模平臺(tái)均支持三維標(biāo)注，具有完備的MBD數(shù)字化定義功能。3、MBD模型的數(shù)據(jù)管理

大多MBD建模平臺(tái)采用產(chǎn)品特征樹(shù)方法進(jìn)行管理，即應(yīng)用建模過(guò)程的特征樹(shù)對(duì)非幾何標(biāo)注特征進(jìn)行組織和定義。4、MBD技術(shù)意義與特點(diǎn)1）挑戰(zhàn)了二維工程圖傳統(tǒng)的權(quán)威地位

為人們提供了一種更為迅速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的新型信息媒介，可避免二維

工程圖所存在的諸多不便和障礙，2）提高了產(chǎn)品數(shù)字化定義和應(yīng)用的效率

極大地提高了工作的效率，可使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制周期縮短30%~50%。3）MBD模型定義易于操作、便于理解MBD建模直接在產(chǎn)品幾何實(shí)體模型上標(biāo)注相關(guān)的制造信息，易于操作；模

型使用者可動(dòng)態(tài)讀取模型幾何信息和標(biāo)注信息，易于理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖。4）利于建立并行、協(xié)調(diào)的工作環(huán)境

不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用統(tǒng)一的產(chǎn)品定義模型，可并行、協(xié)調(diào)地開(kāi)展各自的工

作，將大大提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。2.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型2.3.2優(yōu)化方法步驟2.3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)：在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，從眾多方案中求出最佳設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)變量：

X=(x1,x2,…,xn)T目標(biāo)函數(shù)：

minF（X）設(shè)計(jì)約束：

gu(x)≤0u=1,2,…,mhv(x)=0v=1,2,…,p<n

2.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)格化數(shù)學(xué)模型：1）設(shè)計(jì)變量又稱(chēng)維數(shù)、自由度，其個(gè)數(shù)越多，可供選擇方案也越多，設(shè)計(jì)更靈活，但優(yōu)化求解難度增加。

--小型優(yōu)化：n=2~10

--中型優(yōu)化；

n=10~50

--大型優(yōu)化：

n>50

每個(gè)設(shè)計(jì)方案由一組設(shè)計(jì)變量構(gòu)成，相當(dāng)于設(shè)計(jì)空間中一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，

優(yōu)化設(shè)計(jì)即為在設(shè)計(jì)空間的尋優(yōu)過(guò)程。

n=1：設(shè)計(jì)空間為一實(shí)軸，一維優(yōu)化

n=2：設(shè)計(jì)空間為一平面，二維優(yōu)化

n=3：設(shè)計(jì)空間為三維立體

n>3：設(shè)計(jì)空間為超越空間為q個(gè)優(yōu)化目標(biāo)2）目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)可為極大值也可為極小值統(tǒng)一規(guī)格化為求極小值問(wèn)題：式中：為權(quán)重單目標(biāo)優(yōu)化：目標(biāo)函數(shù)僅包含一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，易于求解。多目標(biāo)優(yōu)化：目標(biāo)函數(shù)包含多個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，常將之轉(zhuǎn)化為但目標(biāo)優(yōu)化：3）設(shè)計(jì)約束與可行域設(shè)計(jì)約束：使設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最佳值所滿(mǎn)足的附加設(shè)計(jì)條件。不等式約束：等式約束：可行域：指設(shè)計(jì)變量所允許取值的設(shè)計(jì)空間，即在該區(qū)域內(nèi)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)約束條件；而非可行域：不允許設(shè)計(jì)變量取值的空間。x1g（X）=0g（X）>0g（X）<0非可行域可行域x202.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)對(duì)象分析設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束確定目標(biāo)函數(shù)的建立優(yōu)化方法選擇優(yōu)化結(jié)果分析1）分析設(shè)計(jì)對(duì)象

分析優(yōu)化對(duì)象，明確設(shè)計(jì)需求，合理確定優(yōu)化目標(biāo)。2）確定設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束

設(shè)計(jì)變量：①應(yīng)是對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)有直接影響的參數(shù)；②在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求前提下盡量減少設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)；③各設(shè)計(jì)變量相互獨(dú)立，相互間不存在函數(shù)關(guān)系。

設(shè)計(jì)約束：約束數(shù)值在規(guī)定的設(shè)計(jì)變量取值范圍；約束條件數(shù)須合理約束過(guò)多使可行域變小，增加求解難度。3）目標(biāo)函數(shù)的建立常見(jiàn)優(yōu)化指標(biāo)有最低成本、最小重量最小誤差、

最大生產(chǎn)率、最大經(jīng)濟(jì)效益、最優(yōu)的功率需求等。4）優(yōu)化計(jì)算方法選用選用時(shí)應(yīng)注意：①優(yōu)化問(wèn)題規(guī)模大??；②設(shè)計(jì)變量數(shù)目和約束特點(diǎn)；③目標(biāo)函數(shù)的性質(zhì)和復(fù)雜程度；④算法精度和經(jīng)濟(jì)性；⑤計(jì)算速度、計(jì)算時(shí)間。5）優(yōu)化結(jié)果分析分析優(yōu)化結(jié)果是否符合預(yù)期要求，若其結(jié)果并非可

行，需要修正設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)函數(shù)重新優(yōu)化，直至獲得滿(mǎn)意結(jié)果為止。常用優(yōu)化計(jì)算方法及其特點(diǎn)名稱(chēng)特點(diǎn)單變量黃金分割法簡(jiǎn)單、有效、成熟的一維直接搜索方法，應(yīng)用廣泛多項(xiàng)式逼近法收斂速度較黃金分割法快，初始點(diǎn)的選擇影響收斂效果無(wú)約束非線(xiàn)性規(guī)劃算法間接法梯度法（最速下降法）需計(jì)算一階偏導(dǎo)數(shù)，對(duì)初始點(diǎn)的要求較低，初始迭代效果較好，在極值點(diǎn)附近收斂很慢，一般與其他算法配合，在迭代開(kāi)始時(shí)使用牛頓法（二階梯度法）具有二次收斂性，在極值點(diǎn)附近收斂速度快，但要用到一階、二階導(dǎo)數(shù)的信息，并且要用到海色（Hesse）矩陣，計(jì)算工作量大，所需存儲(chǔ)空間大，對(duì)初始點(diǎn)的要求很高DFP變尺度法具有二次收斂性，收斂速度快，可靠性較高，需計(jì)算一階偏導(dǎo)數(shù)，對(duì)初始點(diǎn)的要求不高，可求解n>100的優(yōu)化問(wèn)題，是有效的無(wú)約束優(yōu)化方法，但所需的存儲(chǔ)空間較大直接法Powell法（方向加速法）具有直接法的共同優(yōu)點(diǎn)，即不必對(duì)目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)，具有二次收斂性，收斂速度快，適合于中小型問(wèn)題（n<30）的求解，但程序較復(fù)雜單純形法適合于中小型問(wèn)題（n<20）的求解，不必對(duì)目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)，方法簡(jiǎn)單，使用方便有約束非線(xiàn)性規(guī)劃算法直接法網(wǎng)格法計(jì)算量大，適合于求解小型問(wèn)題（n<5)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)要求不高，易于求得近似局部最優(yōu)解，也可用于求解離散變量問(wèn)題隨機(jī)方向法對(duì)目標(biāo)函數(shù)的要求不高，收斂速度較快，可用于中小型問(wèn)題的求解，但只能求得局部最優(yōu)解復(fù)合形法具有單純形法的特點(diǎn)，適合于求解n<20的規(guī)劃問(wèn)題，但不能求解有等式約束的問(wèn)題間接法拉格朗日乘子法只適合于求解只有等式約束的非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，求解時(shí)要解非線(xiàn)性方程組，可以求解不等式約束問(wèn)題，效率也較高罰函數(shù)法將有約束問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束問(wèn)題，對(duì)大中型問(wèn)題的求解均較合適，計(jì)算效果較好可變?nèi)莶罘捎脕?lái)求解有約束的規(guī)劃問(wèn)題，適合問(wèn)題的規(guī)模與其采用的基本算法有關(guān)1）兩維優(yōu)化圖解法

例：某生產(chǎn)線(xiàn)有三臺(tái)機(jī)床，混合生產(chǎn)A、B兩產(chǎn)品，各產(chǎn)品售價(jià)和生產(chǎn)時(shí)間均不同，各機(jī)床有限定的生產(chǎn)時(shí)間，求兩產(chǎn)品如何比例可獲取最大經(jīng)濟(jì)收益。

步驟1：建立優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)：maxZ=11x1+8x2約束條件

步驟2：根據(jù)約束條件確定可行域

下圖凸多邊形OABCDO為可行域。步驟3：最優(yōu)解的確定

可行域中使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大（最?。c(diǎn)坐標(biāo)即為待求最優(yōu)解。以目標(biāo)函數(shù)Z=11x1+8x2的-11/8為斜率畫(huà)等值線(xiàn)，Z值遞增方向?yàn)榉ň€(xiàn)方向。可見(jiàn)C點(diǎn)即為最優(yōu)點(diǎn)，其坐標(biāo)值為（12，3）。DCBOx1x23x1+2x2≤422x1+2x2≤302x1+4x2≤48MaxZAZ法線(xiàn)maxZ=11x1+8x2例2.1優(yōu)化求解桁架管徑與壁厚：

設(shè)：2P＝300KN，2L＝1500mm，H＝900mm，

E＝2.1×105N/mm，ρ

＝7.85×103Kg/m3，

σs＝350N/mm2，D＝25-60mm、B＝3-8mm。求解滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的最輕桁架管徑D和壁厚B。設(shè)計(jì)變量：確定目標(biāo)函數(shù)：2.3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)舉例①?gòu)?qiáng)度約束條件—壓應(yīng)力不大于屈服極限，即：

②穩(wěn)定性約束條件—壓應(yīng)力不大于壓桿穩(wěn)定的臨界應(yīng)力，即：

③邊界約束條件——限制尺寸取值的約束條件：

確定約束條件優(yōu)化結(jié)果：B=4mm,D=44.4mmW=10.26Kg④規(guī)范化數(shù)學(xué)模型⑤優(yōu)化求解與結(jié)果分析

本例屬于非線(xiàn)性約束優(yōu)化，采用MATLAB優(yōu)化工具箱中fmincon()函數(shù)求解，其結(jié)果為：x1=D=42.7409mm，x2=B=4.1547mm

桁架最輕重量為W=10.2640Kg。2.4.1可靠性定義及常用可靠性指標(biāo)2.4.2“應(yīng)力-強(qiáng)度”可靠性涉及模型2.4.3系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)2.4.4系統(tǒng)可靠性分配2.4.5系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)2.4可靠性設(shè)計(jì)1、產(chǎn)品可靠性定義在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

--規(guī)定條件：包括環(huán)境條件、儲(chǔ)存條件以及受力條件等；

--規(guī)定時(shí)間：一定時(shí)間范圍，因時(shí)間越長(zhǎng)產(chǎn)品故障失效越多；

--規(guī)定功能：是指產(chǎn)品若干功能的全部，而不是其中一部分。2.4.1可靠性定義及常用可靠性指標(biāo)2、常用可靠性指標(biāo)l）可靠度在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率R(t)。

可靠度愈大，工作愈可靠，取值范圍：0≤R(t)≤1。

2）失效率產(chǎn)品工作到某一時(shí)刻后，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率λ(t)。

失效率愈低，產(chǎn)品愈可靠，取值范圍：

λ(t)=1-R(t)。

3）平均工作壽命

--不可修復(fù)產(chǎn)品：發(fā)生失效前的工作時(shí)間（MTTF）

--可修復(fù)產(chǎn)品：相鄰兩故障間工作時(shí)間（MTBF）

計(jì)算公式為：典型的失效率曲線(xiàn)

2.4.2“應(yīng)力-強(qiáng)度”可靠性設(shè)計(jì)模型

設(shè)：某零件所受應(yīng)力為Y，零件強(qiáng)度為X，則應(yīng)滿(mǎn)足：

Z＝X-Y≥0---“應(yīng)力-強(qiáng)度”可靠性設(shè)計(jì)模型應(yīng)力Y、強(qiáng)度X及可靠度Z的概率密度分布曲線(xiàn)如下圖，其干涉區(qū)即為零件可能失效區(qū)域，其干涉區(qū)越小，可靠度越高。R=P(Z=X-Y≥0)

失效率已知各組成單元的可靠度，計(jì)算預(yù)測(cè)系統(tǒng)可靠度。

目的：①檢驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否滿(mǎn)足給定的可靠性要求；②比較不同設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)可靠度；③找出設(shè)計(jì)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施。2.4.3系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)12n-1n設(shè)由n個(gè)元件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度RS：例:若R1=0.99,R2=0.90,R3=0.85,則：

RS=R1*R2*R3=0.99*0.90*0.85=0.757串聯(lián)系統(tǒng)可靠度比系統(tǒng)中最不可靠的元件可靠度還低。1、串聯(lián)系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)

只要一個(gè)元件失效，系統(tǒng)就不能完成規(guī)定功能。12┋n2、并聯(lián)系統(tǒng)可靠度預(yù)測(cè)

只有所有元件全部失效情況下，整個(gè)系統(tǒng)才失效。設(shè)由n個(gè)元件組成的并聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度RS：若R1＝R2＝…＝Rn＝R時(shí)，則：RS＝1－（1－R）n例如：Ri=0.95,n=5時(shí)，則Rs=1-(1-Ri)n=1-(1-0.95)5=0.99999968753、混合系統(tǒng)可靠度預(yù)測(cè)

混合系統(tǒng)是由串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)組合而成，系統(tǒng)可靠度預(yù)測(cè)時(shí)，先將并聯(lián)單元轉(zhuǎn)化為串聯(lián)單元，再按串聯(lián)系統(tǒng)計(jì)算。例：某行星輪機(jī)構(gòu)，其中三個(gè)行星輪2為并聯(lián)單元，則系統(tǒng)可靠度為：

Rs=R1?R222?R3=R1?[1-(1-R2)3]

?R3已知系統(tǒng)可靠度，按照一定要求分配求解各個(gè)組成單元的可靠度，從而使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)得到保證。2）并聯(lián)系統(tǒng):1）串聯(lián)系統(tǒng)：若系統(tǒng)可靠度為RS，各組成單元的可靠度均為Ri，則：2、相對(duì)失效率分配法使每個(gè)單元允許失效率正比于預(yù)計(jì)失效率，分配步驟：①獲取各單元預(yù)計(jì)失效率；②由單元預(yù)計(jì)失效率計(jì)算每一單元分配權(quán)系數(shù)；③計(jì)算出各單元的容許失效率。2.4.4系統(tǒng)可靠性分配1、等分配法將系統(tǒng)各個(gè)單元分配以相同的可靠度。

通過(guò)可靠性試驗(yàn)以驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到可靠性設(shè)計(jì)要求，定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。l）可靠性環(huán)境試驗(yàn)

對(duì)系統(tǒng)環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)、含塵量、腐蝕介質(zhì)等進(jìn)行可靠性影響試驗(yàn)，以確定系統(tǒng)環(huán)境可靠性指標(biāo)，常用于作業(yè)條件十分苛刻的機(jī)械系統(tǒng)。2）壽命試驗(yàn)

是在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬系統(tǒng)實(shí)際工況，試驗(yàn)確定系統(tǒng)的平均壽命，估計(jì)系統(tǒng)的壽命指標(biāo)以及失效機(jī)理，考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性和制造工藝水平。3）現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證試驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)條件下試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù)，如汽車(chē)樣車(chē)在批量投產(chǎn)前專(zhuān)門(mén)挑選惡劣道路上進(jìn)行試車(chē)試驗(yàn)。2.4.5系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)2.5.1價(jià)值工程內(nèi)涵與特征2.5.2價(jià)值工程實(shí)施程序2.5.3價(jià)值工程應(yīng)用案例2.5價(jià)值工程價(jià)值工程內(nèi)涵：以提高產(chǎn)品價(jià)值為目的，力求以最低成本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所要求必要功能的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法。價(jià)值工程三要素：

產(chǎn)品價(jià)值(V)--“合算不合算”或“值得不值得”；產(chǎn)品功能(F)—包括功用、作用、效能、用途、目的等；

產(chǎn)品成本(C)--指實(shí)現(xiàn)功能所支付的全部費(fèi)用。

V=F/C價(jià)值工程特征：

1)將產(chǎn)品價(jià)值、功能與成本三要素機(jī)結(jié)合起來(lái)；

2)是以功能分析為核心的工程設(shè)計(jì)方法；

3)是以產(chǎn)品不斷改進(jìn)和創(chuàng)新為其根本目標(biāo)；

4)

將技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題有機(jī)結(jié)合，克服技術(shù)與經(jīng)濟(jì)工作相互脫節(jié)現(xiàn)象；5)需要不同部門(mén)相互配合，是一種有組織的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。2.5.1價(jià)值工程內(nèi)涵與特征

價(jià)值工程實(shí)施是一個(gè)發(fā)現(xiàn)矛盾、分析矛盾和解決矛盾的過(guò)程，通常是圍繞以下7個(gè)邏輯問(wèn)題展開(kāi)：

①它是什么？②它是干什么用的？③它的成本是多少,價(jià)值多少？④該方案能滿(mǎn)足要求嗎？⑤有沒(méi)有實(shí)現(xiàn)同樣功能的新方案？⑥新的方案成本是多少？⑦新的方案能滿(mǎn)足要求嗎？

2.5.2價(jià)值工程實(shí)施程序式中，fi為功能系數(shù)；Ci為產(chǎn)品總成本。1、對(duì)象的選擇

1）對(duì)象選擇原則：從產(chǎn)品功能考慮：不符用戶(hù)要求，功耗大效率低、可靠性低的產(chǎn)品。從產(chǎn)品成本考慮：材料消耗大、加工成本高、原材料難以供貨的產(chǎn)品。從外部環(huán)境考慮：市場(chǎng)需求大、影響重大、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品改造升級(jí)的產(chǎn)品

2）對(duì)象選擇方法：

綜合加權(quán)評(píng)分法：

①分析對(duì)象，確定各因素權(quán)重；②根據(jù)各因素對(duì)不同方案評(píng)分；③計(jì)算各方案加權(quán)評(píng)分值；④以各方案總分進(jìn)行對(duì)象選擇。

ABC分類(lèi)法：將A類(lèi)零件作為分析對(duì)象。

①A類(lèi)零件占零件總數(shù)10～20%，卻占總成本60～70%；②B類(lèi)零件占零件總數(shù)60～70%，占總成本10～20%；③其余為C類(lèi)零件。價(jià)值系數(shù)分析法：價(jià)值系數(shù)計(jì)算公式：2、功能分析

功能定義：說(shuō)明產(chǎn)品功能實(shí)質(zhì)、限定范圍以及與其他產(chǎn)品功能區(qū)別。如：車(chē)床“車(chē)削工件”的。功能整理：確定產(chǎn)品必要功能，兼顧輔助功能，去除多余過(guò)剩功能。

功能評(píng)價(jià)：尋求最低功能成本，找出高價(jià)值區(qū)域，步驟為：①確定功能現(xiàn)實(shí)成本：②采用一定方式使功能量化；③計(jì)算功能價(jià)值；④確定功能改善幅度；⑤按價(jià)值從大到小排隊(duì)，確定價(jià)值工程首選對(duì)象。3、方案創(chuàng)新與評(píng)價(jià)創(chuàng)建新方案：應(yīng)注意：①要敢于打破框框，不受原設(shè)計(jì)束縛；②要發(fā)動(dòng)大家參加這一工作，互相啟發(fā)，相互觸動(dòng)靈感；③把不同想法進(jìn)行集中，發(fā)展成方案，并逐步完善。

新方案評(píng)價(jià)：

①?gòu)臐M(mǎn)足需求、保證功能技術(shù)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)；②從減少費(fèi)用、降低成本等經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。4、驗(yàn)證和定案

--新方案規(guī)格和條件是否合理、恰當(dāng)；

--方案的優(yōu)缺點(diǎn)是否確切；

--存在的問(wèn)題有無(wú)進(jìn)一步解決的措施等。例：某企業(yè)生產(chǎn)臺(tái)虎鉗，有100mm、125mm、150mm和200mm四種不同的規(guī)格。利用價(jià)值工程對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。1）問(wèn)題分析：①該產(chǎn)品實(shí)際夾持力遠(yuǎn)高于部頒標(biāo)準(zhǔn)；②125mm和150mm兩種規(guī)格實(shí)際夾持力基本相近；③原材料成本所占比例達(dá)60％左右，說(shuō)明產(chǎn)品耗材太多，顯得笨重。

分析結(jié)果：從減少材料消耗入手，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品價(jià)值

2.5.3價(jià)值工程應(yīng)用案例2）對(duì)象選擇：總體設(shè)計(jì)尚屬合理，活動(dòng)鉗體和固定鉗體消耗材料80%。

將兩鉗體作為改進(jìn)對(duì)象。3）改進(jìn)與評(píng)價(jià)：適當(dāng)降低鉗體的強(qiáng)度及剛度，增強(qiáng)虎脖子部件強(qiáng)度和剛度。①產(chǎn)品重量大大減輕，減少了原材料消耗和運(yùn)輸費(fèi)用；②價(jià)格降低3元，每年6萬(wàn)臺(tái)計(jì)算，為用戶(hù)減少支出18萬(wàn)元。2.6.1反求工程內(nèi)涵2.6.2反求工程實(shí)施過(guò)程2.6.3反求工程的關(guān)鍵技術(shù)2.6.4反求工程應(yīng)用舉例2.6反求工程2.6.1反求工程內(nèi)涵正向工程：

市場(chǎng)分析→概念設(shè)計(jì)→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→加工制造→裝配檢驗(yàn)→產(chǎn)品反求工程：已有產(chǎn)品→實(shí)物測(cè)量→重構(gòu)模型→創(chuàng)新改進(jìn)→加工制造→新產(chǎn)品反求工程：采用多種不同的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以獲取反求樣本的結(jié)構(gòu)信息，借助于專(zhuān)用的數(shù)據(jù)處理軟件和三維建模軟件進(jìn)行處理和模型重構(gòu)，通過(guò)對(duì)樣本模型的分析和改進(jìn)，快速設(shè)計(jì)生產(chǎn)加工出更新的新產(chǎn)品。反求工程類(lèi)型：根據(jù)反求樣本信息來(lái)源的不同有：--實(shí)物反求

信息源為產(chǎn)品實(shí)物模型，應(yīng)用最廣；--軟件反求

信息源為產(chǎn)品工程圖樣、數(shù)控程序、技術(shù)文件等；

--影像反求

信息源為圖片、照片或影像等資料。l）分析階段對(duì)反求對(duì)象的功能原理、結(jié)構(gòu)形狀、材料性能、加工工藝等方面進(jìn)行分析，確定產(chǎn)品樣本技術(shù)指標(biāo)、幾何結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系。2）再設(shè)計(jì)階段具體任務(wù)有：

--制定實(shí)物樣本測(cè)量規(guī)劃，選擇測(cè)量設(shè)備，確定測(cè)量順序和精度；

--對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)修正，按原拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)修正幾何元素空間位置與相互關(guān)系；

--利用CAD系統(tǒng)重構(gòu)反求對(duì)象幾何模型；

--對(duì)模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)，根據(jù)需要改進(jìn)和創(chuàng)新功能在結(jié)構(gòu)。3）反求產(chǎn)品制造階段按照常規(guī)制造方法，完成反求產(chǎn)品的制造過(guò)程。2.6.2反求工程實(shí)施過(guò)程包含：

反求分析

再設(shè)計(jì)

加工制造三個(gè)階段，1）反求分析對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等進(jìn)行全面分析，

以確定反求工程技術(shù)指標(biāo)以及結(jié)構(gòu)形體拓?fù)潢P(guān)系。2）再設(shè)計(jì)樣本數(shù)據(jù)采集

制定數(shù)據(jù)采集規(guī)劃，選擇合適設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。樣本數(shù)據(jù)整理

剔除數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，修正明顯不合理的測(cè)量數(shù)據(jù)。樣本模型重構(gòu)

利用建模軟件對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)模型重構(gòu)。模型再設(shè)計(jì)

根據(jù)功能特征，對(duì)樣本結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)。3）加工制造

按照再設(shè)計(jì)品結(jié)構(gòu)模型加工制造完成反求工程的新產(chǎn)品。反求工程實(shí)施過(guò)程應(yīng)注意：根據(jù)反求對(duì)象工作環(huán)境及性能要求，保證反求產(chǎn)品精度和功能特征。采用合適采集工具和制造工藝，有效控制反求工程技術(shù)成本。綜合考慮反求樣本參數(shù)的取舍，盡可能提高反求工程的設(shè)計(jì)效率。2.6.3反求工程的關(guān)鍵技術(shù)1、反求對(duì)象分析

包括反求對(duì)象功能原理分析、材料分析、精度分析、加工工藝分析、建

模分析以及反求對(duì)象系列化和模塊化分析。2、反求對(duì)象數(shù)據(jù)采集實(shí)物樣本形體參數(shù)測(cè)量常用方法3、反求對(duì)象的模型重構(gòu)技術(shù)

三角化網(wǎng)格模型：這是最常用的反求對(duì)象模型，其原理是由最鄰近的三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)聯(lián)接為一個(gè)個(gè)小三角面片構(gòu)成，其基本步驟為：

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、篩選，去除無(wú)效噪聲數(shù)據(jù)。

2）網(wǎng)格模型生成

應(yīng)用反求重構(gòu)軟件工具自動(dòng)生成反求樣本的三角

化網(wǎng)格模型。

3）模型后處理

整理修補(bǔ)三角化網(wǎng)格模型中所存在的孔洞、縫隙、

重疊等表面缺陷。2.6.4求工程應(yīng)用舉例例：鼠標(biāo)樣本的反求反求步驟為：1）數(shù)據(jù)采集；2）數(shù)據(jù)處理；3）重建曲面模型；4）構(gòu)建三維實(shí)體模型；5）實(shí)物模型制造。2.7.1綠色設(shè)計(jì)概念2.7.2綠色設(shè)計(jì)主要內(nèi)容2.7.3綠色設(shè)計(jì)基本原則2.7.5綠色產(chǎn)品案例2.7綠色設(shè)計(jì)1、綠色設(shè)計(jì)提出背景工業(yè)污染導(dǎo)致環(huán)境惡化達(dá)到了前所未有程度；制造業(yè)向資源利用合理化、廢棄物少量化、無(wú)污染或少污染方向發(fā)展；產(chǎn)品綠色標(biāo)志制度相繼建立；綠色設(shè)計(jì)、綠色制造技術(shù)成為全球研究熱點(diǎn)。世界主要國(guó)家綠色產(chǎn)品標(biāo)識(shí)2.7.1綠色設(shè)計(jì)概念2、綠色產(chǎn)品定義1）生產(chǎn)和使用過(guò)程具有節(jié)油、節(jié)電、節(jié)水、節(jié)氣，能源消耗最少的產(chǎn)品；2）盡可能少的零部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、原材料使用合理的產(chǎn)品；3）全生命周期都符合環(huán)境保護(hù)要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害小的產(chǎn)品；4）壽命完結(jié)后可方便分解、拆卸、可翻新再生利用的產(chǎn)品。

綜合定義：全生命周期內(nèi)節(jié)約資源和能源，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)危害或少危害，對(duì)生產(chǎn)者及使用者具有良好保護(hù)性的產(chǎn)品。3、綠色設(shè)計(jì)定義

綠色設(shè)計(jì)：3R-1D（Reduce、Recycle、Reuse、Degradable），即為低消耗、可回收、再利用、可降解的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不僅要求減少資源和能源的消耗，降低有害物質(zhì)排放，還要求便于分類(lèi)回收，能夠再生、循環(huán)、重復(fù)利用。4、綠色設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比較

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，獲取最大經(jīng)濟(jì)利益滿(mǎn)足市場(chǎng)和環(huán)境保護(hù)要求，保證可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)依據(jù)產(chǎn)品功能、質(zhì)量和成本優(yōu)先考慮產(chǎn)品環(huán)境屬性同時(shí)，保證產(chǎn)品功能、質(zhì)量和成本要求設(shè)計(jì)思想較少考慮資源合理應(yīng)用、環(huán)境影響以及產(chǎn)品回收利用必須考慮能源消耗、資源合理應(yīng)用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題，盡可能設(shè)計(jì)出低耗能、零排放、可拆卸、易回收綠色產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)流程和目標(biāo)1）綠色產(chǎn)品描述與建模

準(zhǔn)確全面的描述，建立評(píng)價(jià)模型；2）綠色設(shè)計(jì)材料選擇

側(cè)重環(huán)境約束和材料對(duì)環(huán)境影響；3）面向拆卸的設(shè)計(jì)

能夠高效、不加破壞地拆卸，有利于材料的重新利用和循環(huán)再生；4）可回收性設(shè)計(jì)

包括可回收材料識(shí)別及標(biāo)志、回收處理工藝、可回收性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可回收經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)價(jià)；5）綠色產(chǎn)品成本分析

包括污染物處理成本、拆卸成本、重復(fù)利用成本、環(huán)境成本等；6）綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立

包括材料成分、降解周期、費(fèi)用、各種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。2.7.2綠色設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1）資源最佳利用原則盡可能使用再生資源；提高利用率；2）能量消耗最少原則

盡可能選用可再生一次能源，力求能源消耗最少；3）“零污染”原則

消除污染源，盡可能地做到零污染；4）“零損害”原則

將對(duì)身心健康損害降低最低程度；5）技術(shù)先進(jìn)原則

采用新技術(shù)，使產(chǎn)品具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；6）生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益最佳原則

同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

綠色設(shè)計(jì)順應(yīng)歷史發(fā)展趨勢(shì)，強(qiáng)調(diào)資源有效利用，減少?gòu)U棄物排放，追求產(chǎn)品生命周期中對(duì)環(huán)境污染最小化，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害化，將成為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效手段。

2.7.3綠色設(shè)計(jì)基本原則2.7.5綠色產(chǎn)品案例案例1：超聲波洗衣機(jī)

不用電機(jī)和波輪轉(zhuǎn)動(dòng)；利用20kHz超音波產(chǎn)生千萬(wàn)個(gè)小汽泡沖擊波沖擊衣物；沖擊波達(dá)上千個(gè)大氣壓；可節(jié)省50%電源，減少50%用水量；大大減少清洗劑的用量。案例2：太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)

該鍵盤(pán)可由太陽(yáng)光或普通燈光充電，一次充電后可在黑暗環(huán)境下連續(xù)工作三月之久，塑料鍵盤(pán)可回收，充分體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保理念。案例3：可回收材料衣夾單一高分子材料，可回收利用；夾衣服、夾浴室、做吊環(huán)等多功能；

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于注塑成形；造型優(yōu)美。現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)：是一門(mén)多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù)，包含有基礎(chǔ)技術(shù)、主體技術(shù)、支撐技術(shù)及不同領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的技術(shù)集群。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)：產(chǎn)品建模技術(shù)經(jīng)歷了二維圖樣、二維圖樣+三維實(shí)體

模型、MBD模型三個(gè)發(fā)展階段。優(yōu)化設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)對(duì)象分析基礎(chǔ)上，建立由設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)約束三要素組成的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，選擇合適優(yōu)化算法進(jìn)行求解，對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析后，最終獲得滿(mǎn)意設(shè)計(jì)方案?？煽啃栽O(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品可靠性水平。機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)是根據(jù)零件強(qiáng)度和作用應(yīng)力，計(jì)算零件失效率和可靠度?？筛鶕?jù)零件可靠度預(yù)測(cè)系統(tǒng)可靠度，也根據(jù)根據(jù)系統(tǒng)可靠度分配個(gè)組成單元的可靠度。價(jià)值工程：以最少費(fèi)用換取所需要功能，涉及價(jià)值、功能和壽命周期成本三個(gè)基本要素，是不斷發(fā)現(xiàn)矛盾、分析矛盾和解決矛盾的創(chuàng)新過(guò)程。反求工程：是對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行分析、重構(gòu)和再創(chuàng)造的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)，其關(guān)鍵在于反求對(duì)象分析和模型的重構(gòu)。綠色設(shè)計(jì)：是將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)，力求使產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響為最小，其核心是減少資源消耗，減少有害物質(zhì)排放，方便回收、再生循環(huán)利用。本章小結(jié)第3章先進(jìn)制造工藝技術(shù)內(nèi)容要點(diǎn)：

--機(jī)械制造工藝內(nèi)涵及其發(fā)展

--鑄、鍛、沖等受迫成形工藝

--基于機(jī)械能的切削加工材料去除成形

--基于非機(jī)械能的特種加工材料去除成形--增材制造

--表面工程

--微納制造

--再制造技術(shù)

--仿生制造技術(shù)3.1.1機(jī)械制造工藝流程及其分類(lèi)3.1.2先進(jìn)制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展3.1.3先進(jìn)制造工藝技術(shù)特點(diǎn)3.1概述機(jī)械制造工藝流程：

1）毛坯制備階段--如切割、焊接、鑄造、鍛壓等；

2）機(jī)械加工成形階段—如車(chē)削、銑削、刨削、鏜削、磨削等：

3）表面改性處理階段—如熱處理、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂等；

上述階段劃分逐漸模糊、交叉，甚至合而為一3.1.1機(jī)械制造工藝流程及其分類(lèi)機(jī)械制造工藝：原材料成品半成品方法和手段改變形狀,尺寸,性能,位置機(jī)床、工具常見(jiàn)機(jī)械制造工藝流程3）堆積成形

將材料有序地合并堆積成形

工藝，如快速原形制造、焊接等。機(jī)械零件成形方法：1）材料受迫成形在特定邊界和外力約束下

成形工藝，如鑄造、鍛壓、注射成形等。2）材料去除成形

通過(guò)機(jī)械能切削加工工藝將材料從基體中

分離去除，如車(chē)、銑、刨、磨等。

通過(guò)非機(jī)械能特種加工工藝將材料分離去除，

如電火花加工、電解加工、激光加工等。2、先進(jìn)制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展1)納米級(jí)機(jī)械加工精度

--18世紀(jì)，其加工精度為1mm；

--19世紀(jì)末，0.05mm；

--20世紀(jì)初，μm級(jí)過(guò)渡；

--20世紀(jì)50年代末，實(shí)現(xiàn)了μm級(jí)的加工精度；

--進(jìn)入21世紀(jì)，達(dá)到10nm的精度水平，當(dāng)前機(jī)床精度每8年提高一倍。2)超高速切削加工速度

--20世紀(jì)前，碳素鋼，耐熱溫度低于200oC，10m/min；

--20世紀(jì)初，高速鋼，500-600oC，30-40m/min；

--20世紀(jì)30年代，硬質(zhì)合金，800-1000oC，數(shù)百米/min;--目前，陶瓷、金剛石、立方氮化硼，1000oC以上，一千至數(shù)千米/min。

近一個(gè)世紀(jì)內(nèi)，切削加工速度提高100多倍。3）新型工程材料的應(yīng)用推動(dòng)制作工藝的進(jìn)步

類(lèi)型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、復(fù)合材料、工程陶瓷等

貢獻(xiàn)：①改善刀具切削性能，改進(jìn)加工設(shè)備；②促進(jìn)特種加工工藝發(fā)展。4）制造工藝裝備轉(zhuǎn)向數(shù)字化和柔性化

--單機(jī)自動(dòng)化→系統(tǒng)自動(dòng)化

--剛性自動(dòng)化→柔性自動(dòng)化→綜合自動(dòng)化5）材料成形向少無(wú)余量方向發(fā)展

如：熔模精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷溫?cái)D壓等新工藝。6）優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)形成

表面工程：是通過(guò)表面涂覆、表面改性、表面加工、表面復(fù)合處理改變零件表面形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，獲取與基體材料不同性能的技術(shù)。如：電刷鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積、熱噴涂、激光表面、離子注入等。7）新型成形工藝的產(chǎn)生與應(yīng)用

如：多點(diǎn)成形、數(shù)控漸進(jìn)成形、快速原型、金屬?lài)娚涞刃滦统尚喂に嚒?）優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量高性能好、尺寸精確表面光潔、使用壽命和可靠性高。2）高效

極大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率高，大大降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。3）低耗大大節(jié)省原材料和能源消耗，提高自然資源利用率。4）潔凈零排放或少排放，不污染環(huán)境，符合環(huán)境保護(hù)要求。5）靈活快速響應(yīng)市場(chǎng)和生產(chǎn)過(guò)程變化，多品種柔性生產(chǎn)，適應(yīng)多變的消費(fèi)市場(chǎng)需求。3.1.3先進(jìn)制造工藝技術(shù)特點(diǎn)3.2材料受迫成形工藝技術(shù)3.2.1精密潔凈鑄造成形技術(shù)3.2.2精確高效金屬塑性成形技術(shù)3.2.3高分子材料注射成形技術(shù)1、精密鑄造成形技術(shù)1）精確砂型鑄造

--粘土砂造型

鑄件質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，環(huán)境污染嚴(yán)重。

--自硬樹(shù)脂砂造型

高強(qiáng)度、高精度、高潰散性；適合復(fù)雜鑄件制作；

鑄件壁厚可<2.5mm。

2）高緊實(shí)砂型鑄造如氣沖造型--可提高鑄型強(qiáng)度，減少金屬液澆注凝固時(shí)型壁移動(dòng)；--降低金屬消耗、減少缺陷，提高精度、粗糙度提高2-3級(jí)。3.2.1精密潔凈鑄造成形技術(shù)高緊實(shí)氣沖造型

3）消失模鑄造

--利用泡沫塑料作為鑄造模型，四周填砂，不分上下模；

--泡沫塑料在澆注過(guò)程中氣化；

--可避免砂型潰散，可消除起模斜度，減小鑄件壁厚；

--能夠獲得光潔表面、尺寸精確，無(wú)飛邊、少無(wú)余量精密鑄件。消失模鑄造工藝過(guò)程4）特種鑄造技術(shù)

類(lèi)型：壓力鑄造、低壓鑄造、熔模鑄造、真空鑄造、擠壓鑄造等。

壓力鑄造：金屬模具，以壓力澆注取代重力澆注；鑄件精確、表面光潔、內(nèi)部致密。金屬模壓鑄成型

合型壓鑄開(kāi)模2、潔凈綠色鑄造

1）潔凈能源

以感應(yīng)電爐代替沖天爐，減輕對(duì)空氣的污染；

2）無(wú)砂或少砂特種鑄造

如壓力鑄造、金屬型鑄造、擠壓鑄造等；

3）清潔無(wú)毒工藝材料

使用無(wú)毒無(wú)味變質(zhì)劑、精煉劑、粘結(jié)劑等；

4）高潰散性型砂工藝

樹(shù)脂砂、酯硬化水玻璃砂工藝；

5）廢棄物再生和綜合利用

舊型砂再生回收、熔煉爐渣處理和綜合利用；

6）自動(dòng)化作業(yè)采用鑄造機(jī)器人或機(jī)械手代替工人在惡劣條件下工作3、鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬澆鑄，分析預(yù)測(cè)鑄液充填及凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)不合理鑄造工藝缺陷，對(duì)不同鑄造工藝方案作出最優(yōu)的選擇。鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬軟件，如：

德國(guó)的MACMAsoft軟件英國(guó)的Procast軟件清華大學(xué)Flsoft軟件等3.2.2精