气垫船原理及先进制造水平

第一篇：气垫船原理及先进制造水平

气垫船工作原理及先进制造水平

(张媛媛20121676孙建 20121678刘超杰20121701许杉20121729)

摘要： 气垫船是一种以空气在船只底部衬垫,利用船底与水面间的高压气垫作用,让船体部分或全部提升,能够快速水上行进的运载工具。本文主要对气垫船的工作原理、世界上气垫船的最先进制作技术以及我国气垫船的研究和制造水平进行了概要论述。

关键词：气垫船 工作原理 最新技术 研究和制造水平

前言： 作为一种理想的海洋登陆运载工具,气垫船自诞生之日起就受到了人们的重视。它是一种以空气在船只底部衬垫,利用船底与水面间的高压气垫作用,让船体部分或全部提升,能够快速水上行进的运载工具,人们称之为气垫船或者气垫登陆艇。由于气垫船不是排水型舰船,航行时不需要利用水的浮力支持船体,因此除了可以在水面航行,还可以在沼泽地、湿地以及较为平坦的陆地上行驶。这些功能是其他水面舰船所不具备的优势,因此可作为江河湖海的运载工具,广泛用于运输大型货物,在那些浅水急流、江河上游险滩、沼泽地带、浅海滩涂、河口近岸以及冰雪地段航行更能够体现出气垫船的使用价值。

一、气垫船分类及工作原理

气垫船按照垫升方式可分为全垫升式和部分垫升式[1]。全垫升式气垫船又称为全浮式气垫船,是在船底四周设有柔性橡胶围裙,约束空气形成,使得整个船体在压缩的空气作用下升离水面,使用空气螺旋桨推进,用空气舵控制方向（如图1）;而部分垫升式气垫船,也称为侧壁气垫船[2],是在船体两侧设置刚性侧壁,而在船首和船尾下螺旋桨或喷水装置,其能航行于水面,航行速度高于普通船只,但是低于全垫升式气垫船。显然全垫升式气垫船是一种很好的登陆工具。

工作原理：

气垫船是利用高压空气在船底和水面（或地面）间形成气垫，使船体全部或部分垫升，从而大大减小船体航行时的阻力，实现高速航行的船只。气垫是用大功率鼓风机将空气压入船底下，由船底周围的柔性围裙或刚性侧壁等气封装置限制其逸出而形成的。（如图1）

气垫船风机提供有效升力和推力，使得气垫船安全的行进。通过控制手柄的操纵改变风扇后面的垂直舵来产生风扇舵效应使之气垫船转向。转向也可以通过体重控制位移来实现。

二、先进制造技术

我国气垫船的发展经历了一个艰难曲折的原理研究、模型试验、中间试验和试用的过程[3]。

近20年来,国外研制和开发的中、大型重载气垫船,都获得了成功应用。这首先是气垫船具有全天候应用的优势,可以在那些浅水急流、沼泽地带、浅海深滩以及冰雪冻土地带行驶,特别是在环境苛刻的水路、陆路行驶,显示出了普通船只不可比拟的优势。美国、俄罗斯、英国、法国等国家都成功地研制出了一系列气垫船,其主要应用情况如下。[4]

美国

从上个世纪70年代开始,美国就开始了大型气垫登陆艇的研制工作。美海军以JEFF(B)型试验艇作为继续研制的基础,最终发展成LCAC大型气垫登陆艇。

LCAC采用了开放式甲板构型,以一个扁平的铝合金箱型主承力结构为基础,箱体上平面是主甲板,箱体内部则配置燃油箱、水密隔舱、风道等。底部是允许直接接触地面的加强结构,箱体四周安装有气垫围裙。在非气垫充气状态,浮力由箱体直接提供;在气垫充气工作状态,则从垫升风扇输送的高压气体,经过风道进入气垫船的下方,依靠产生的压力将整个气垫船托起,升离水面。在主箱体顶部两侧中部,对称布置着左、右机舱,每个机舱横向布置燃气轮机,一台用于驱动垫升风扇,另一台用于驱动空气螺旋桨。LCAC系统总体布置见图5。

LCAC气垫登陆船具有理想的快速性、良好的通过性和两栖行驶性,大幅度减少了因潮汐、水深、雷区、登陆障碍和近海岸坡度等对登陆行动的限制。这种LCAC气垫登陆艇可以在全世界70%以上的海岸实施登陆行动。资料显示,LCAC稍作改动即可执行诸如扫雷、反潜和导弹攻击等军事任务。LCAC气垫登陆艇是美国海军陆战队进行登陆作战的利器,可实施美军人“不沾水“的登陆,以最快的速度把登陆部队送上敌方滩头。海湾战争中,美海军2个两栖编队携带17艘LCAC气垫登陆艇,频频进行两栖登陆佯动,对伊军起到威胁和牵制作用。在索马里、海地危机以及孟加拉抗洪救灾行动中,LCAC都有成功的应用记录,被誉为现代登陆艇中的佼佼者。美军LCAC装备数量已经超过80艘。LCAC气垫登陆艇不但现在是,而且在未来较长一段时间内依然是美海军以及海军陆战队必须配置的装备。同时它也被欧洲[5]及其盟国采用。

英国

英国是最早研制气垫船的国家, 1959年英国建造了第一艘气垫船,在横渡英吉利海峡的航行试验中,它在诺曼底附近仅用2个小时零5分钟就横穿了海峡,并直接冲上法国诺曼底海岸的沙滩。气垫船的性能给英国军方留下深刻印象,随即英国海军组建了气垫船试验分队,并用于水面扫雷、两栖登陆、导弹发射等军事科目试验。[6]

俄罗斯

俄罗斯从上个世纪70年代就开始了大型气垫船的研制工作。俄罗斯现在服役的是新一代“野牛”大型气垫登陆艇。野牛气垫登陆艇是目前世界上最大的气垫登陆艇。[7] “野牛”气垫登陆艇采用有利于长时间海上航行的遮蔽式甲板构型,主动力装置M70型燃气轮机是一款专门设计的第三代舰用燃气轮机,已成为一种成熟、可靠而又不失其先进性的优秀的舰用推进动力装置。“野牛”大型气垫登陆艇是体现俄罗斯运载工具粗犷风格的杰作,由于运载能力强大,可达到150 t，几乎所有俄罗斯海军陆战队的装备都可以轻易搭载。只需少量的“野牛”就可以在同一登陆点集结强大的兵力,对敌军岸防造成重大威胁,可以说“野牛”级大型气垫登陆艇引起了人们广泛的关注。该艇不仅装备了俄罗斯海军、乌克兰海军,还出口到了希腊。[8]

三、我国研究和制造水平

3.1 在改革开放政策的指导下，有关部门引进国外先进技术和设备，经过五年的努力，主要关键器材设备得到基本解决，气垫艇的开发事业终于进入实用化阶段。主要经历过程：内河用侧壁式喷水推进气垫客艇、港湾河口用侧壁式气垫客艇、小型全垫升式“气垫吉普”、沿海全垫升式气垫交通艇和登陆艇[1]。

图3 716型全垫升式气垫交通艇

3.2 最近10多年来MAUIC（中国船舶及海洋工程设计研究院）在气垫船向中大型化发展的同时,在以下几项气垫船的关键技术方面取得了突破性的进展[9]。1)总体性能优化技术 2)响应围裙系统

围裙系统是与气垫船阻力、稳性与耐波性等总体性能密切相关的关键技术围裙在气垫力与水动力联合作用下的响应能力,即在运行中围裙触水后上抬或下拖,取决于其压力几何刚度比及水动几何刚度比的优化设计,或气弹及水弹响应度的优化设计。

3)垫升流道系统

气垫船的垫升系统流t压头从风机出口到周边围裙大囊直到前后气垫的分布,受到总体布t中风机位t的约束,往往会造成囊压比分布的不均匀,给围裙系统的优化设计带来较大难度。为提供纵稳性,气垫分割成前后气室。为了抗低头埋首,在保证前气室足够流t的前提下要求有比后气室较高的囊压比。为了在垫升流道系统优化设计中达到上述要求,应用CFD的FLUENT软件对气囊流道的三维流动特性进行了数值模拟。4)导管空气螺旋桨

气垫船要在高海况高速运行,其导管螺旋桨载荷很高,为了保证螺旋桨的推进效率,高升力系数与高升阻比的桨叶设计成为螺旋桨的关键技术。国外在原航空NACA系列冀型的基础上发展了ARAD系列,但其升阻比一般仍不超过100。为此通过翼型的优化设计与风洞试验研究发展了中国自己的新翼型系列。5)稳性与安全性

气垫船高速运行于水气界面,风向风速对纵倾角影响很大,当航速达到50kn/s以上时,顺风低头很易造成脂部围裙缩进失稳,以及全船低头埋首纵向失稳的现象。根据广泛的船模试验与对包括围裙变形响应、气垫分割稳性以及流量压头分布影响的纵稳性理论分析,对提高高速纵向安全性提出了措施。6)操纵性及横甩失稳 气垫船的操纵平面受纵横倾角影响较大，同时由于其水动与气动阻力相对于其惯性力较小，很容易发生侧漂和甩尾现象。根据某艇四自由度操纵性试验与理论预报，气垫船在阻力峰附近及以下低速时，不具备航向稳定性，航速越高逆风抬头角越大，航向越稳定性越好。7)自动驾控系统设计技术

为了提高气垫船的操控品质以及对各种航行条件下的安全边界进行预报普与控制,在对气垫船操纵性与动稳性研究的基础上,自主研发了气垫船自动驾控系统。气垫船的控制面包括伺服空气舵、变距螺旋桨与侧风门装置,这些控制面通过自动驾控系统进行协调运动控制。该控制系统采用带有航速控制的航向角与回转率反馈控制系统,能增加系统阻比,可实施自动航向保持功能和自动回转率保持功能,控制律采用自适应反步控制方法。该系统已通过气垫船非线性操纵运动数学模型的仿真试验。这些关键技术的发展为中国新一代的中大型全垫升气垫船的设计奠定了扎实的技术基础。

三、结束语

经过40多年研制历程，MARIC在高性能船舶,特别是在气垫船、地效翼船研究设

[10]计方面取得了显著成就。然而与国外相比，我国气垫船制造技术水平处于弱势阶段，因此我国气垫船技术在提高可靠性，改善经济性的大前提下，继续朝着实用化、高速化、大型化、系列化的方向发展，为国家经济建设、交通运输和国防建设提供更多更优质的气垫船。

参考文献

[1]江军.中国气垫船的发展[J].中国海军.2004.10 [2]彭桂华.侧壁气垫船的发展及其应用[J].中国工业总公司第七0八研究所.1994(5)[3]林一平.我国气垫船开发30年成就[J].航空知识.1997(10)[4] 王维相等.国外气垫船的应用与发展.世界橡胶工业.第35卷第12期 [5] 王帅,刘晓静.基于GIS的目标打击评估作战信息系统[J].火力与指挥控制, 2006, 31(增刊): 138~140 [6] 郭其顺.世界军用气垫船发展现状.船 舶.2001年2月

[7]王成龙等.全垫升气垫船航向稳定性研究.海军工程大学学报.第21卷 第1期

[8]周友红.气垫船及其军事用途浅析.舰船电子工程.2008.02 [9] 马涛.中国气垫船技术的发展[C].中国船舶及海洋工程设计研究院.2000.1.1 [10]彭桂华.气垫船的回顾与展望[J].中国船舶及海洋工程设计研究院.2001.2 附录

世界气垫船八大著名品牌

1.英国“格里芬”

英国格里芬气垫船公司研究和制造气垫船从1959年开始，原来是一家与气垫船的发明者、世界气垫船创始人—科克雷尔爵士共同联合创建的气垫船设计公司，拥有无与伦比的、国际领先的气垫船技术基础，是世界中大型气垫船设计与制造领域的先驱者，世界气垫船组织成员。

格里芬气垫船是由柴油发动机驱动，可飞驰在土地、水雷、砂、泥、冰、雪、沙、岩石、杂草、原木、沼泽、杂物和急流之上，在全世界被广泛应用于军事、准军事、商业和救援。在商业领域，格里芬气垫船被广泛用于客轮、物资运输、休闲旅游、调查工作、石油勘探、湿地保护、土木工程支持、海岛气象、水文勘测、移动医疗诊所、搜索及救援等。在军事领域，格里芬气垫船被海军、陆军和准军事客户在全球使用，包括海岸警卫队的巡逻艇、两栖攻击舰、快速攻击、排除地雷、消防救援、警务执勤、海关辑私、物流后勤、医疗诊所、紧急救援队和突击队任务等。格里芬气垫船还受到世界各地的救援服务机构的欢迎，被用于机场救援、工程技术支持、破除冰凌、防洪抢险和流动医疗诊所等。

2.美国“近代”

美国近代气垫船公司成立于1960年，是世界上最原始和最有经验的气垫船制造商，是世界轻型气垫船的创始者，世界气垫船组织主席。

美国近代气垫船公司集50余年轻型气垫船的设计、开发和工程经验之大成，所制造的救援、休闲、商业和军事轻型气垫船，被确认为世界轻型气垫船行业标准。近代气垫船创新的反向推力系统，全球专利，使得近代气垫船成为唯一有效的可刹车和倒退的气垫船，是同行业中最轻和最安静的气垫船。

近代气垫船创新的美观设计，体现了所有的优点和进步：并排的座位，完全密封舱，高度发达的反向推力，制动性和可操作性，更多的驾驶舱空间，增加推力、低净重和高载重量等。

是集所有功能于一身的全季节休闲车，可顺利飞行在任何深度的土地，水，砂，泥，草，沼泽，雪地，沙漠、冰或盐淡水等地形；船体采用聚氨酯泡沫和玻璃纤维复合，比传统玻璃钢船体更加坚固、更有浮力和更安全，而且比传统船只更经济省油。

3.英国“比尔·贝克”

英国比尔·贝克气垫船公司建于1973年，是世界气垫船组织成员，专门制造可操作的气垫船和气垫船F1系列比赛用船。同时，比尔·贝克公司在英国气垫船F1系列比赛中，提供比赛用气垫船设计。比尔·贝克公司在赛车气垫船设计方面持续成功，为世界的气垫船俱乐部的赛车手们在更大的、所有形式的地形提供最满意的比赛用气垫船，这是在当今世界上没有其他气垫船公司可以做的有效工作。

比尔·贝克公司还设计特种气垫船，用于运输，测绘，污染监测等。4.美国“通用”

美国通用气垫船公司成立于1967年，由航空工程师创建，所生产的气垫船，操作简单，表现良好，实现运营成本低。通用气垫船不断投入研发资金，持续推进气垫船技术发展，带给客户世界上最创新的气垫船。美国通用气垫船公司是世界气垫船组织成员。

美国通用气垫船提供创新、高速气垫船的设计和解决方案。在休闲娱乐、商业和救援气垫船的设计方面，突出安全性和可靠性。四冲程的功率、安静的运作和效率是通用气垫船的设计优势。新的混合创作，结合气垫船和地效技术而设计制造的会飞气垫船，在现在和未来，扩大了会飞气垫船和地面效应工艺的应用潜力。5.英国“海湃” 英国海湃气垫船公司是世界气垫船组织成员，在世界轻型气垫船行业是后起之秀，经过20多年的发展，在轻型气垫船领域具有领先优势，是世界气垫船海洋休闲标准的制定者和唯一执行者，世界轻型气垫船的领航者。

英国海湃气垫船采用了最新的CAD设计、数控工程和和高密度聚乙烯船体的制造方法，导致更快的生产时间，并确保更短的交货时间。海湃气垫船的设计方法已经赢得了全世界的赞誉，比任何其他供应商生产更多的气垫船。海湃气垫船是为心灵的海上安全而设计的驱动器，非常方便和乐趣。海湃气垫船非常适合于休闲、商业、救援和巡逻，是一种水陆两栖气垫飞船，它可以让你悬停在任何平坦的表面，包括水、冰、雪、沙、泥和草。冰，雪，沙，泥和草。

6.美国“工艺”

美国工艺气垫船公司成立于1984年，是世界气垫船组织成员，其唯一业务是气垫船、气垫船拖车、相关配件及更换部件的设计，工程，制造和营销。美国工艺气垫船有从2人至10人，长度从3.2米至6.7米，发动机功率从65匹至250匹的广泛可选范围，船体结构坚固，内衬高浮力材料，非常可靠。工艺气垫船可从陆地飞到水，过泥滩、沼泽、薄或厚的冰层，并可以用于休闲、救援、应用环境、土地测量和更多方面。

7.澳大利亚“海马”

澳大利亚气垫船控股有限公司专注于设计和制造安静的高速气垫船与地面效应船，有近30年的气垫船和地效飞行船研发和制造经验，地效飞行船技术处于世界领先地位。

澳大利亚气垫船公司的“海马”系列全舱型气垫船，有多种型号：速度

25、速度30、速度60、速度90等，载客从25人到90人，或者载重量从2.5吨到9吨，座椅很容易拆下来运载货物。“海马”系列气垫船运行平稳，定向控制、操作简单，非常安静，装饰豪华，外观时尚，船身采用海洋级铝合金制造，可以配备长程油箱、仓储设施、厨房、卫生间。“海马”系列气垫船可探索任何的浅水区、珊瑚礁、沙、泥或雪，运送两岸旅客，适合旅游及商业用途，是世界上最先进、最安静的客轮。

8.加拿大“空中客车”

加拿大空中客车气垫船公司是世界著名的高品质中大型气垫船制造商和供应商，专注于设计和制造中大型气垫船，有近40年的气垫船研发和制造经验，技术水平处于世界领先地位。加拿大空中客车气垫船公司生产多种型号商业气垫船：海盗V12、先锋V18、矢量V25、先锋V40等，载客从16人到45人，广泛应用于商业、旅游、军事等领域。加拿大空中客车气垫船公司还为农业、林业、矿业、石油业等行业定制重吊气垫船，载重量从1吨到20吨以上。

第二篇：先进制造技术

先进制造技术

定义:先进制造技术是制造业不断吸收信息技术及现代化管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。特点: 1.动态性2.广泛性3.实用性4.集成性5.系统性6.高效灵活性7.先进性

构成: 从内层到外层分别为基础技术、新型单元技术、集成技术。

分类:（1）现代设计技术（2）先进制造工艺技术（3）自动化技术（4）产品数据管理技术 发展趋势: 1.集成化2.智能化3.网络化4.信息化5.自动化6.柔性化7.数字化8.虚拟化

9.极端制造10.精密化11.绿色制造

自动化技术

制造技术的自动化包括产品设计自动化、企业管理自动化、加工过程自动化和质量控制过程自动化。制造系统的自动化 突出特点是采用信息技术，实现产品全生命周期中的信息集成，人、技术和管理三者的有效集成。

问: 制造自动化技术的研究现状?

答: 1）制造系统中的集成技术和系统技术已成为制造自动化研究中热点问题；

2）更加注重研究制造自动化系统中人的作用的发挥；

3）单元系统的研究仍然占有重要的位置；

4）制造过程的计划和调度研究十分活跃，实用化的成果不多；

5）柔性制造技术的研究向着深度和广义发展；

6）适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起；

7）底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃。

柔性制造系统定义: 我国国家军用标准 “柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。”

柔性制造系统的特点：（柔性和自动化）

（1）适应市场需求，以利于多品种、中小批量生产。

（2）提高机床利用率，缩减辅助时间，以利于降低生产成本。

（3）缩短生产周期，减少库存量，以利于提高市场响应能力。

（4）提高自动化水平，以利于提高产品质量、降低劳动强度、改善生产环境。柔性制造系统一般由三个子系统组成：加工系统、物流系统和控制与管理系统。加工系统的配置

互替形式（并联）、互补形式（串联）和混合形式（并串联）三种。常见的物料存储装置有立体仓库、水平回转型自动料架、垂直回转型自动料架和缓冲料架。柔性制造系统中的数据流,实质上就是信息的流动.数据类型:基本数据、控制数据和状态数据。

柔性制造技术是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上发展起来的.计算机集成制造

定义:基于企业资源的一种先进制造模式是计算机集成制造系统，简称CIMS。信息集成和总体优化是集成制造系统与一般制造系统的最主要区别之一。

组成: 人与机构、经营、技术三要素。

从功能角度看，一般可以将CIMS分为四个功能分系统和两个支撑分系统。

四个功能系统: 1）工程设计自动化分系统

2）管理信息分系统（MIS）

3）CIMS制造自动化分系统(MAS)

4)CIMS质量保证分系统 质量保证分系统的目标: a.保证用户对产品的需求；

b.使这些要求在实际生产的各环节得到实现。两个支撑分系统: 计算机网络分系统 , 数据库分系统

数据库：就是以一定的组织方式将相关的数据组织在一起存放在计算机存储器上形成的、能为多个用户共享的、与应用程序彼此独立的一组相关数据的集合。

先进制造工艺技术

特点: 具有优质、高效、低耗、洁净和灵活五个方面的显著特点 特种加工技术

定义：是用非常规的切削加工手段，利用电、磁、声、光、热等物理及化学能量直接施加于被加工工件部位，达到材料去除、变形以及改变性能等目的的加工技术。

特种加工与传统切削加工的不同特点主要有：

①不是主要依靠机械能，而是用其他的能量（如电能、热能、光能、声能以及化学能等）去除工件材料；

②工具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情况下，例如在激光加工、电子束加 工、离于束加工等加工过程中，根本不需要使用任何工具； 激光加工

定义：激光加工是利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料去除地加工技术。

基本原理和特点：利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应加工各种材料。基本设备包括：激光器、电源、光学系统、冷却系统及机械系统等。

激光加工技术的应用：（1）激光打孔（2）激光切割(3)激光焊接(4)激光表面处理等加工制造领域。

电子束加工

离子束加工分为离子刻蚀、离子溅射沉积、离子镀及离子注入 4类。

激光加工、电子束加工、离子束加工都是利用高能量密度的束流作为热源，对材料或构件进行加工的技术，又称为高能束加工。

超声波加工 主要是磨粒的撞击作用

超声波加工 适合于加工硬脆材料，尤其是不导电的非金属材料。(玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石)微细加工技术 是指微小尺寸零件的生产加工技术。

包括三级：微米级

亚微米级

纳米级

快速原型制造技术 原理：基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合。

RPM技术的特点：（1）可以制造任意复杂的三维几何实体，不受传统机械加工中刀具无法达到某些型面的限制。

（2）成形过程中无人干预或较少干预，大大减少了对熟练技术工人的需求。

（3）任意复杂零件的加工只需在一台设备上完成，也不需要专用的工装、夹具和模具。

快速堆积成形

快速成形系统根据切片的轮廓和厚度要求，用片材、丝材、液体或粉末材料制成所要求的薄片，通过一片片的堆积，最终完成三维实体原型的制备。

选择性激光烧结则使用粉末材料。

超高速加工技术

常用的刀具材料有：涂层刀具 金属陶瓷刀具 立方氮化硼（CBN）刀具

聚晶金刚石（PCD）刀具 超高速切削机床 电主轴采用陶瓷滚动球轴承 磁悬浮轴承

PDM技术的发展可以分为以下三个阶段：配合CAD工具的PDM系统、专业PDM系统 产生和PDM的标准化阶段。

PDM系统标准化包括:管理对象的标准化和管理过程的标准化

第三篇：先进制造技术领域

附件7 “十二五”国家科技计划先进制造技术领域

2012预备项目征集指南

为深入贯彻《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》、科技发展“十二五”规划和国家科技计划管理改革的总体精神，促进科技支撑传统制造业转型和战略性新兴产业的发展，有效地组织实施“十二五”先进制造技术领域国家科技计划，做好2012年先进制造技术领域预备项目库建设工作，特制定本指南。

一、指南内容

（一）基础研究

1、绿色制造基础理论与共性技术（1）绿色制造基础理论

（2）产品寿命预测与安全服役基础理论

2、智能制造

（3）智能装备产品创新设计理论（4）精密与超精密加工技术

3、服务机器人

（5）仿生材料与结构一体化设计（6）高功率密度能源动力理论

（7）脑生肌电认知与智能假肢控制理论

（二）前沿技术研究

1、绿色制造

（1）绿色制造基础数据库与标准

（2）基于全生命周期的产品设计工具应用（3）绿色生产工艺关键技术与装备（4）制造过程碳效优化技术

（5）产品寿命预测与安全服役关键技术（6）低碳烯烃及衍生物关键工艺、技术及装备

2、智能制造

（7）微纳制造技术与应用

（8）基于系统与装备功能安全的新型控制系统（9）箱体类精密工作母机（10）新型太阳能产品制造成套装备（11）半导体照明产品制造成套装备（12）智能化工程机械成套装备（13）高端传感器、仪器仪表

3、服务机器人（14）仿人机器人

（15）机器人模块化、网络化技术、平台、标准与测试规范

4、面向制造业的核心软件产品开发（16）产品设计平台技术与系统（17）制造过程平台技术与系统（18）经营管理平台技术与系统

（19）复杂产品全生命周期监测与服务支持系统

（三）应用开发及集成示范

1、绿色制造

（1）行业、区域绿色制造产业应用示范

2、智能制造

（2）高端制造装备重点行业技术集成与应用示范（3）支撑区域支柱产业发展的装备与自动化生产线

3、服务机器人

（4）公共安全与救援机器人（5）医疗机器人

4、制造业信息化

（6）集团企业数字化应用示范（7）中小企业服务支撑平台开发与应用（8）RFID技术开发与系统集成应用（9）制造过程物联网关键技术与应用

（10）支撑行业、地方支柱产业的制造业信息化综合应用示范

5、机械产品数控化

（11）数控机械设备生产工艺技术及应用

（12）机械设备专用数控系统与驱动装置的研发及应用

（13）机床、纺织、建材、印刷、包装、木工机械行业设备数控化应用示范（包括服务平台、培训平台和标准体系）（14）数控机械设备产业集群区域应用示范

二、具体要求

（一）指南发布

预备项目推荐工作自本通知发布之日起开始，指南可从科技部网站（http://www.xiexiebang.com

第四篇：先进制造技术

简述先进制造技术及其现代

集成制造系统

概述：综述先进制造技术的概念、内涵、特点、主要内容等，结合现代集成制造系统理解先进制造技术及其发展历程

1先进制造技术概述 2 先进制造技术的内涵 3 先进制造技术的特点 4现代集成制造系统

1先进制造技术概述

先进制造技术是系统的工程技术，可以划分为三个层次和四个大类。三个层次：一是优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术。这一层次的技术是先进制造技术 的核心，主要由生产中大量采用的铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础 工艺优化而成。二是新型的制造单元技术。这是制造技术与高技术结合而成的崭新制造技术。这是运用信息技术 和系统管理技术，对上述两个层次进行技术集成的结果，系统驾驭生产过程中的物质流、能 量流和信息流。如成组技术（CT）、系统集成技术（SIT）、独立制造岛（AMI）、计算机集 成制造系统（CIMS）等。四个大类：一是现代设计技术，是根据产品功能要求，应用现代技术和科学知识，制定方案 并使方案付诸实施的技术。它是门多学科、多专业相互交叉的综合性很强的基础技术。现代 设计技术主要包括：现代设计方法，设计自动化技术，工业设计技术等；二是先进制造工艺技术，主要包括精密和超精密加工技术、精密成刑技术、特种加工技术、表而改性、制模和 涂层技术；三是制造自动化技术，其中包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计 算机集成制造技术、传感技术、自动检测及信号识别技术和过程设备工况监测与控制技术等； 四是系统管理技术，包括工程管理、质量管理、管理信息系统等，以及现代制造模式（如精 益生产、CIMS、敏捷制造、智能制造等）、集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等 生产组织方法。关于先进制造技术的体系结构。2先进制造技术的内涵

目前对先进制造技术尚没有一个明确的、一致公认的定义，经过近年来对发展先进制造 技术方面开展的工作，通过对其特征的分析研究，可以认为：先进制造技术是制造业不断吸 收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动 态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。3 先进制造技术的特点

先进制造技术最重要的特点在于，它是一项面向工业应用，具有很强实用性的新技术。与传统制造技术相比，先进制造技术更具有系统性、集成性、广泛性、高精度性。先进制造 技术虽然仍大量应用于加工和装配过程，但在其制造过程中还综合应用了设计技术、自动化 技术、系统管理技术等。先进制造技术比传统的制造技术更加重视技术与管理的结合，更加 重视制造过程组织和管理体制的简化以及合理化，从产生了一系列先进的制造模式，并能 实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。先进制造技术主要有如下特征：

1）系统性 由于计算机技术，信息技术，传感技术，自动化技术，和先进管理等等技术的应用，并与传统的制造技术相结合，使先进制造技术成为能够驾驶在生产过程中的物质流，信息流，和能量流的系统工程

2）广泛性 传统制造技术通常只是将原材料变成成品的各种工艺加工，而先进制造技术贯穿了从生产设计，加工制造到产品销售及使用维修的整个过程，“成为市场——设计开发——加工制造——市场”的大系统

3）集成性 传统制造技术的学科专业单一，独立相互界限分明。而先进制造技术由于专业和学科的不断深入，交叉，融合其界限逐渐淡化和消失，技术系统化，集成化的现代交叉性制造系统工程。

4）动态性 先进制造技术是针对一定的应用目标不断吸收各种高新技术逐渐形成和发展起来的新技术因而其内涵不是绝对的和一成不变的。

5）实用性 先进制造技术的发展是针对某一具体的制造要而发展起来的先进实用技术，有着明确的需求方向 4现代集成制造系统

1）现代集成制造系统的含义与定位

现代集成制造系统是计算机集成制造系统新的发展阶段，在继承计算机集成制造系统优秀成果的基础上，它不断吸收先进制造技术中相关思想的精华，从信息集成、过程集成向企业集成方向迅速发展，在先进制造技术中处于核心地位。具体地说，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机地结合，通过计算机技术使企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化，达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。从集成的角度看，早期的计算机集成制造系统侧重于信息集成，而现代集成制造系统的集成概念在广度和深度上都有了极大的扩展，除了信息集成外，还实现了企业产品全生命周期中的各种业务过程的整体优化，即过程集成，并发展到企业优势互补的企业之间的集成阶段。

现代集成制造系统的研究范围应该介于国家攀登计划和国家攻关计划之间。与攀登计划研究项目相比较，它更注重成果的应用性，尽可能将技术产业化，并推动我国制造业的现代化进程；与国家攻关计划相比较，它更注重解决我国制造业发展中的关键的共性问题、前瞻性问题和示范性问题。2）现代集成制造系统的技术构成

先进制造技术(AMT Advanced Manufacturing Technology)作为一个专有名词至今还没有一个明确的、一致公认的定义。通过对其内涵和特征的研究，目前共同的认识是：先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。它具有如下一些特点：

从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会的需要；

从强调专业化分工向模糊分工、一专多能转变，使劳动者的聪明才智能够得到充分发挥；

从金字塔的多层管理结构向扁平的网络化结构转变，减少层次和中间环节；

从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变，缩短工作周期，提高工作质量；

从按照功能划分部门的固定组织形式向动态的自主管理的小组工作方式转变。

通过对先进制造技术的定义和特点的分析发现，现代集成制造系统拥有先进制造技术的绝大部分特点，只不过先进制造技术所涉及的范围要比现代集成制造系统大，因此通过对先进制造技术的综合考察，提出了一个现代集成制造系统的技术构成模式。在先进制造技术中，现代集成制造系统在吸收计算机集成制造系统的优秀成果的基础上，继续推动并行工程、虚拟制造、敏捷制造和动态联盟的研究工作深入进行，并不断吸收先进制造技术中的成功经验和先进思想，将它们进行推广应用，由此使现代集成制造系统成为先进制造技术的核心。3）我国现代集成制造系统的发展策略

在市场竞争的推动下，先进制造技术发展十分迅速，新思想、新概念层出不穷，通过对现代集成制造系统与先进制造技术关系的分析，我们认为在制定我国现代集成制造系统的发展策略时，应该注重以人为本的思想，运用并行工程的哲理，使各种先进制造技术相互衔接、协调发展，并不断吸收先进制造技术的成熟成果，为先进制造技术在我国的广泛应用起到促进的作用。

目前，在美国并行工程已到了推广应用阶段，在虚拟制造方面也有商品化软件投入市场，在这方面我们存在巨大的差距，主要表现在：研究工作方面，科研经费紧缺，科研力量分散，科研成果难以推广应用，人才流失严重；企业方面，企业的整体素质不高，管理工作落后，科研能力薄弱，当面临国际竞争时大多难以为继，很难在现代集成制造系统方面花费过多，而且受企业人员素质的制约，一些先进的技术还不易取得立竿见影的效果，这些都挫伤了企业应用先进制造技术的热情；国家政策方面，虽然国家对制造业十分重视，但是，由于我国当前正处在改革过程中，多种机制同时运行，多方利益难以协调，在资金使用上往往顾此失彼，而且国家财政困难，也难以使用重金支持现代集成制造系统的研究。

综上所述，发展我国的现代集成制造系统应该以企业的需求为动力，通过政府的政策和计划的协调，继续深入开展并行工程、虚拟制造、敏捷制造和绿色制造的研究与应用，并利用分布式网络化研究中心，组织各地区的科研力量，集中突破与现代集成制造系统密切相关的如STEP标准的应用、CORBA规范的推广、企业过程重构理论的研究等具有重大战略意义的理论研究工作，逐步使现代集成制造系统成为我国制造业的灵魂。

第五篇：先进制造技术

一、简述机械制造业的变革及挑战。（10分）机械制造业的变革：

面对越来越激烈的国际市 场竞争，我国机械制造业面临着严峻的挑战。我们在技术上已经落后，加上资金不足，资源短缺，以及管理体制和周围环境还存在许多问题，需耍改进和完善，这些 都给我们迅速赶超世界先进水平带来极大的困难。但另一方面.随着我国改革的不断深人，对外开放的不断扩大，为我国机械制造业的振兴和发展提供了前所未有的 良好条件机械制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了不少理论和实践经验，但随着社会的发展，人们的生活水平日益提高，各个方面的个性化需求越加强烈。作为已经深入到各行各业并已成为基础工业的机械制造业面临着严峻的挑战。机械制造技术的发展趋势可以概括为：（1）机械制造自动化。（2）精密工程。（3）传统加工方法的改进与非传统加工方法的发展。机械制造自动化技术始终是机械制造中最活跃的一个研究领域，也是制造企业提高生产率和赢得市场竞争的主要手段。

一、集成化

计算机集成制造（CIMS）被认为是21世纪制造企业的主要生产方式。CIMS作为一个由若干个相互联系的部分（分系统）组成，通常可划分为5部分：

1.工程技术信息分系统

2.管理信息分系统（MIS）3.制造自动化分系统（MAS）

4． 质量信息分系

5． 计算机网络和数据库分系统（Network & DB）

二、智能化

智能制造系统可被理解为由智能机械和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，该系统在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、判断、构思、决策等。在智能系统中，“智能”主要体现在系统具有极好的“软”特性（适应性和友好性）。

三、敏捷化 敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力。为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。实现敏捷制造的技术基础包括：

1． 大范围的通讯基础结构，要求在全国范围内建立工厂信息网络和准时信息系统（Just-In-Time-Information）。

2． 柔性化、模块化的产品设计方法。3． 高柔性、模块化、可伸缩的制造系统。4． 为定单而设计、制造的生产方式。5． 基于任务的组织与管理。6． 基于信任的雇佣关系。

四、虚拟化

虚拟制造”的概念于20世纪90年代初期提出。虚拟制造以系统建模和计算机仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、信息技术、并行工程、人工智能、多媒体技术等高新技术为一体，是一项由多学科知识形成的综合系统技术。虚拟制造利用信息技术、仿真计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防的措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。

五、清洁化

清洁生产是指：将综合预防的环境战略，持续应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险。

清洁生产的两个基本目标是资源的综合利用和环境保护。对生产过程而言，清洁生产要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过程，包括节约原材料和能源，替代有毒的原材料和短缺资源，二次能源和再生资源的利用，改进工艺及设备，并将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。对于产品而言，清洁生产覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，即从原材料的提取到产品的最终处理，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、销售及报废等，合理利用资源，并最大限度地减少对人类和环境的不利影响。

机械制造业的挑战： 面对21世纪世界经济一体化的挑战，机械制造业存在的主要问题有以下几个方面： 1．合资带来的忧愁

改革开放以来，我国大量引进技术和技术装备使机械制造业有了长足的发展，但也给人们带来了许多担忧.20世纪90年代以来，大型跨国公司纷纷进军杀入国内机械工业市场，主要集中在汽车、电工电器、文化办公设备、仪器仪表、通用机械和工程机械等领域，这几个行业约占机械工业外商直接投资金额的80％。存在着许多技术黑洞

中国的机械制造业除了面临“外敌”之外，自身也存在着诸多问题。整个工业制造设备的骨干都是外国产品，这暴露了我国工业化的虚弱性。机械制造业是一个国家的脊椎和脊柱，中国今后如果不把腰杆锻炼硬了，挺直了，那么整个经济和国防都是虚弱的。机械制造业落后近30年

机械制造产业在我国还处于起步阶段，但在欧美等发达国家，已经成为整个产业链上重要的一环，由于其具有对资源的循环利用、性价比高等优点，在西方发达国家应用已经比较普遍，但在我国机械市场中，机械制造产业发展却遇到了一系列现实挑战。相比欧美等发达国家来说，我国的工程机械再制造产业的发展要相对缓慢一些.国家扶持的支点偏离

业内人士普遍认为，技术黑洞的形成与国家的重视程度、投入密切相关。国家在过失的二十多年来忽视了发展机械行业，在政策、资金等方面都出现了偏差，从政策方面来看，国家大的政策是在鼓励企业加强对资源的循环利用，但相关配套政策规定的不够健全，使得工程机械制造产业在国内发展遭遇了现实尴尬。如制造产品被归属旧件回收，没有增值税发票，不能享受增值税抵扣政策，也不能减免制造企业增值税，这给企业的发展带来较大的阻碍。

综上所述，机械制造业的发展方向是将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术是企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化达到产品上市快、服务好、质量优成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，是企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

二、简述先进制造技术的定义、特点和发展趋势。（10分）定义：先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology，简称为AMT）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。

特点：1.先进制造技术涉及到产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，它的目的是提高制造业的综合经济效益和社会效益，是面向工业应用的技术。

2.先进制造技术强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。它驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流，是生产过程的系统工程。

3.80年代以来，随着全球市场竞争越来越激烈，先进制造技术要求具有世界先进水平，它的竞争已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的竞争，因此它是面向全球竞争的技术。

4.先进制造技术的最新发展阶段保持了过去制造技术的有效要素，同时吸收各种高新技术成果，渗透到产品生产的所有领域及其全部过程，从而形成了一个完整的技术群，具有面向21世纪新的技术领域。

发展趋势：计算机技术、自动控制理论、数控技术、机器人、CAD/CAM技术、CIM技术以及网络通信技术等在内的信息自动化技术的迅猛发展，为先进制造技术的发展和应用提供了日益增多的高效能手段。

（一）工业应用的技术，机械、电子、信息、材料及能源技术成果，综合应用于制造过程。

1.数控技术（Numerical Control），简称数控（NC），是用数字量及字符作为加工的指令，实现自动控制的技术。服了传统机械加工的缺点。

2.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM），是计算机辅助设计依托强大软件来完成产品设计中的建模、解算、分析、虚拟模拟、加工模拟、制图、数控编程、编制工艺文件等工作。

3.特种加工技术，尺寸精度、表面粗糙度和某些特殊要求越来越高，工件材料越来越硬，加工表面越来越复杂，传统的加工方法已不能满足生产的需要，人们探索利用电、磁、声、光、化学等能量或将多种能量组合施加在工件的被加工部位，实现材料去除、变形、改变性能或被镀覆等非传统加工方法，这些方法统称为特种加工。

（二）制造业综合自动化，信息技术、自动化技术、现代企业管理技术的有机结合。

1.机器人技术，计算机控制的可再编程的多功能操作器，又称工业机器人。它能在三维空间内完成多种操作。

2.成组技术，人们用大批量生产的组织形式以高效的生产设备、高效的工艺技术去制造单件小批的零件，降低生产成本，成组技术（Group Technology简称GT）就应运而生。

3.柔性制造系统（FMS-Flexible Manufacturing System），是以计算机为控制中心实现自动完成工件的加工、装卸、运输、管理的系统。它具有在线编程、在线监测、修复、自动转换加工产品品种的功能。

柔性制造系统具有：高柔性，在线编程使计算机响应进行控制高自动化设备工作；高效率，合理控制设备的切削用量实现高效加工。

（三）系统管理技术，制造业综合自动化、过程工业综合自动化、系统技术等综合应用于制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，获得理想技术经济效果。

1.并行工程（Concurrent Engineering），简称（CE）是对产品及其设计过程和制造过程进行并行、集成设计的一种系统化工作模式，这种模式使产品开发人员从一开始就考虑到从概念形成到产品报废的全生产周期中的所有因素，包括加工的质量、成本、进度和产品的技术性能及使用性能需求等，减少加工制造中可能出现的问题，加速产品开发过程，缩短开发周期。

2.虚拟制造（Virtual Manufacturing），简称（VM）利用计算机技术、建模技术、信息处理技术、仿真技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真模拟，以发现设计或制造中出现的问题，在产品实际生产前就改进完成，省略了产品的开发研制阶段，达到降低设计和生产成本，缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。

3.计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systen），简称（CIMS）是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础之上，通过计算机网络及数据库，将分散的自动化系统有机的集成起来，完成从原材料采购到产品销售的一系列生产过程的高效益、高柔性的先进制造系统。

三、现代设计技术的核心因素及发展特点有哪些？ 列举一些主要设计技术方法。（15分）

现代设计技术的核心因素：质量、时间和成本。质量：满足用户功能要求，符合有关法律、标准和生态环境要求，安全性、可靠性、合理寿命，方便使用和维护保养，用户培训、质量保证和维修服务。

成本：产品成本、合理利润、一次性安装费用和经常性维修费用。时间：设计开发的周期，供货的时间、方式等方面的适应能力。现代设计技术的特点：（1）系统性

强调用系统的观点处理设计问题。整体上把握涉及对象，考虑对象与人、环境的联系。

（2）动态性

要考虑产品的静态特性，和实际工作状态下的动态特性，考虑与周围环境的物资、能量及信息的交互。

（3）创造性

是建立在先进的设计理论及工具，能充分发挥设计者的创造性思维，运用各种手段和方法，开发出创造性的产品。

（4）计算机化

计算机已渗透到产品设计的各个环节，充分利用计算机的数值计算、严密的逻辑思维能力和巨大的信息存储及处理能力：优化设计、有限元分析和系统仿真等。

（5）并行化、最优化、虚拟化和自动化

强调的是设计过程。综合考虑产品全生命周期中的所有因素，强调并行设计。

在设计过程中，用优化的理论与技术，对产品进行方案优选、结构优选和参数优选，达到整体优化。自动化主要依靠计算机辅助设计技术和自动建模技术。

（6）主动性

现代设计在设计初期，就对产品全生命周期的各种可能做出准确预测，减少故障的发生，体现了主动性。

主要设计技术方法：

1.并行设计

并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。

二、虚拟设计

在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。虚拟设计能实现在产品加工制造之前，建立产品的功能、结构模型，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。

三、绿色设计

绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。

四、可靠性设计

机电产品的可靠性设计可定义为:产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性(概率)之间的关系。

五、智能优化设计

随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。

六、计算机辅助设计

机械计算机辅助设计，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。

七、动态设计

动态设计法是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工中反馈的信息和监控资料完善设计，是一种客观求实、准确安全的设计方法。动态设计通过建立监测系统和信息反馈有利于控制施工安全，并不断地将现场情况及变化反馈到设计单位，以便调整完善设计。

八、模块化设计

结构模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础，分解现有的产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本。

九、计算仿真设计

根据工程机械不同的作业功能，在计算机上模拟各种作业过程，以分析和确定各种状态下的作业参数，研究工程机械各系统主要部件的结构合理性，借助数学实验等方法预估工程机械的作业效果，从而可大大减少设计上的失误，避免或减少走弯路。

十、人机学设计

应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。

十一、摩擦学设计

摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘摩擦学系统过程研究学科。

十二、疲劳设计 疲劳就是材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

十三、反求设计

反求设计（也称逆向设计），是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理)，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的CAD模型(曲面模型重构)，并进一步用CAD/CAE／CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。

十四、无障碍设计

无障碍设计强调在科学技术高度发展的现代社会，一切有关人类衣食住行的公共空间环境以及各类建筑设施、设备的规划设计，都必须充分考虑具有不同程度生理伤残缺陷者和正常活动能力衰退者（如残疾人、老年人）群众的使用需求，配备能够应答、满足这些需求的服务功能与装置，营造一个充满爱与关怀、切实保障人类安全、方便、舒适的现代生活环境。

十五、共用性设计

共用性设计UD(Universal Design)是指，在商业利润的前提下河现有生产技术条件下，产品（广义的，包括器具﹑环境﹑系统和过程等）的设计尽可能使不同能力的使用者（例如残疾人﹑老年人等），在不同的外界条件下能够安全﹑舒适地使用的一种设计过程。

十六、有限元法

以电子计算机为工具的一种现代数值计算方法。它不仅能用于工程中复杂的非线行问题、非稳态问题的求解, 还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析, 并能准确地计算形状复杂零件的应力分布和变形, 成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。

十七、机械系统设计

系统的观点,研究内外系统和各子系统之间的相互关系,通过各子系统的协调工作,取长补短来实现整个系统最佳的总功能。

十八、机械动态设计

根据产品的动载工况,以及对产品提出的动态性能要求与设计准则,按动力学方法进行分析计算、优化与试验、并反复进行的一种设计方法。

十九、工业艺术造型设计

在保证产品实用功能的前提下,用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型活动,对工业产品的结构尺寸、体面形态、色彩、材质、线条、装饰及人际关系等因素进行有机的综合处理,从而设计出优质美观的产品造型。

四、简述超高速加工技术和超精密加工技术所涉及的主要关键技术问题有哪些？（20分）

超高速加工技术：超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。

超高速加工技术的特征：切削力低、热变形小、材料切除率高、高精度、减少工序。

超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。

超精密加工技术当前是指被加工零件的制造公差为0.30~0.03um，表面粗糙度值为Ra0.03~0.005um的加工。实现这些加工所采用的工艺方法和技术措施，则称为超精密加工技术。

超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。

五、非传统加工技术主要有哪些种类？ 非传统加工技术的主要特点有哪些？（10分）非传统加工亦称为“特种加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。

非传统加工技术主要种类：化学加工(CHM)、电化学加工(ECM)、电化学机械加工(ECMM)、电火花加工(EDM)、电接触加工(RHM)、超声波加工(USM)、激光束加工(LBM)、离子束加工(IBM)、电子束加工(EBM)、等离子体加工(PAM)、电液加工(EHM)、磨料流加工(AFM)、磨料喷射加工(AJM)、液体喷射加工(HDM)及各类复合加工等。非传统加工技术的主要特点

1、与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工

2、非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。

3、微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。

4、不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。

5、两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广使用。

6、特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。

六、简述快速原型制造技术工作原理、其优点是什么？主要类型有哪些？（15分）

RP 技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具，简单描述就是 “分层制造，逐层叠加” 类似于积分过程。如下图：

快速原型制造技术优点：

1.从制造角度出发，减少设计、加工、检查的工具，不需要任何刀具，模具及工装卡具的情况下，可将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体模型或样件。

2.从市场和用户角度出发，减少风险，可实时地根据市场需求低成本地改变产品。模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货以及企业的决策等，非常有利于早找错早修改早优化，提高了新产品开发的一次成功率，缩短了开发周期，降低了研发成本。

3.从设计和工程的角度出发，快速、准确、以及制造复杂模型。

4.结合CAD/CAM 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术。

主要类型为

（1）立体印刷技术（SLA）

SLA（Stereo lithograghy Apparatus)法，其工艺原理是：从最底层开始，激光在光敏树脂表面扫描，在扫描过程中，激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方才会发生聚合反应形成固态。

（2）选择性激光烧结（SLS）

SLS（Selective laser sintering)是利用激光所提供的能量有选择性地融化热塑性塑料以形成三维零件。

（3）熔融沉积成型（FDM）

FDM（Fused Deposition Modeling)是利用热塑性细丝在移动头中进行熔化，熔化后的材料在移动的过程中被挤压出来堆积零件。

（4）层压物体制造技术（LOM）

LOM（Laminated Object Manufacturing)是通过逐层激光剪切薄纸材料制造零件的一种技术。

七、先进制造生产模式有哪些主要特点？主要的先进制造生产模式有哪些？（10分）

先进制造模式的先进性表现在企业的组织结构合理、管理手段得当、制造技术领先、市场反应快、客户满意度高、单位产品成本低等诸多方面。

主要特点：通过对现代各种先进制造模式的研究分析，可以总结出它们具有如下几个特点。(1)综合性：是技术、管理方法和人的有效综合和集成。(2)普适性：其概念、哲理和结构，适用于不同企业，其核心思想和观念具有普遍指导意义。(3)协同性：强调人一机协同、人一人协同因素的重要性，技术和管理是两个平行推进的车轮。(4)动态性：与社会及其生产力发展水平相适应的动态发展过程。

柔性生产模式

由英国莫林斯（Molins）公司首次提出的柔性生产模式，在20世纪70年代末得到推广应用。该模式主要依靠有高度柔性的以计算机数控机床为主的制造设备来实现多品种小批量的生产，以增强制造业的灵活性和应变能力，可缩短产品生产周期，提高设备使用效率和员工劳动生产率且改进产品质量。智能制造模式该模式是在制造生产的各个环节中，应用智能制造技术和系统，以一种高度柔性和高度集成的方式，通过计算机模拟专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，以便取代或延伸制造过程中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行了完善、继承和发展。因智能制造可实现决策自动化，实现“制造智能”和制造技术的“智能化”，进而实现制造生产的信息化和自动化。

敏捷制造模式产生于20世纪80年代后期的敏捷制造模式与虚拟制造生产模式一起被美国政府作为具有划时代意义的“21世纪制造企业的发展战略”。该模式是将柔性制造的先进技术、熟练掌握的生产技能、有素质的劳动力，以及促进企业内部和企业之间的灵活管理三者集成在一起，利用信息技术对千变万化的市场机遇做出快速响应，最大限度地满足顾客的要求。这种模式促进了传统的制造业发生根本性变化，以因特网为代表的信息技术导致制造企业的管理体制和生产模式发生根本变化。敏捷制造生产模式的新概念和新理论不断出现，推动着制造科学发展，例如分形制造、生物制造、全球制造、全能制造和智能制造等新概念的问世。

高效快速重组生产系统模式该模式是在对柔性生产、精益生产和敏捷制造这三种制造生产模式的优点进行比较、综合和创新之后，于1995年提出的，目前已开始推广应用。高效快速重组生产系统模式是上述三种模式的理论和实践在更高层次上的有机集成生产系统，其特征是对市场的灵活快速反应的制造资源的有效集成。

虚拟制造生产模式

虚拟制造生产模式是利用制造过程计算机模拟和仿真来实现产品的设计和研制的模式，即在计算机中实现的制造技术。它将从根本上改变设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制造出来之前，首先应在虚拟制造环境中完成软产品原型（Soft Prototype），代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能进行了预测和评估，从而大大缩短产品设计与制造周期、降低产品开发成本，提高其快速响应市场变化的能力，以便更可靠地决策产品研制，更经济地投入、更有效地组织生产，从而实现制造系统全面最优的制造生产模式。

极端制造模式

制造技术正在从常规制造、传统制造向非常规制造及极端制造发展，因而出现了极端制造模式。极端制造是指在极端条件或环境下，制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统。当前，极端制造已成为制造技术发展的重要领域，极端制造集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造和强场（如强能量场）制造，例如：制造空天飞行器、超常规动力装备、超大型冶金和石油化工装备等极大尺寸和极强功能的重大装备，制造微纳电子器件、微纳光机电系统等极小尺度和极高精度的产品。

绿色制造模式

绿色制造是综合运用生物技术、“绿色化学”、信息技术和环境科学等方面的成果，使制造过程中没有或极少产生废料和污染物的工艺或制造系统的综合集成生态型制造技术。绿色制造模式是实现制造业可持续长远发展的制造模式。

绿色制造主要体现在：

（1）绿色产品设计：使产品在生命周期内都符合环保、健康、能耗低、资源利用率高的要求。

（2）绿色生产过程：在整个制造过程，对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高。绿色制造技术主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品三方面的内容。

（3）产品的回收和循环再利用：如生态工厂的循环式制造技术。它主要包括生产系统工厂－－致力于产品设计和材料处理、加工及装配等阶段，恢复系统工厂－－对产品（材料使用）生命周期结束时的材料处理循环再利用。

八、现代化机械制造系统自动化的关键技术主要有哪些？（10分）现代化机械制造系统自动化的关键技术主要有：

一、制造自动化系统开放式智能体系结构

目标是使制造系统具备自组织和并行作用的能力，充分利用分布式计算机技术、网络技术等，使制造自动化向柔性化、集成化、智能化和全球化方向发展。

二、智能4M系统中关键技术的研究

智能4M系统就是将建模(Modeling)、加工(Manufacturing)、测量(Measuring)、机器人操作(Manipulation)四者一体化的智能系统，实现信息共享，促进建模、加工、测量、装夹、操作的一体化，其目的是实现快速制造、快速检测、快速响应和快速重组。

三、制造自动化系统的优化理论与调度方法

制造系统是一类离散事件动态系统(Discrete Event Dynamic System，DEDS)，其物流、信息流以及各种资源的规则、调度和控制等有独特的要求。对这类系统的更精确的描述、分析和控制，需要在离散事件动态系统理论方面进一步突破。同时，由于实现各种先进的制造哲理和管理策略，如虚拟企业、敏捷制造、精益生产、准时生产等，作为先进制造模式赖以实现的基础之一，生产组织与过程优化中决策调度的成功与否对上述目标的实现有着最为直接的影响。

四、面向制造自动化的虚拟制造技术研究

虚拟制造关键技术的研究可分为四个层次，即：虚拟制造哲理研究、虚拟制造技术层、虚拟制造原型系统层，虚拟制造集成开发平台层。虚拟制造哲理的研究为制造企业敏捷制造提供指导思路，在信息集成基础上，通过组织管理、技术、资源和人机集成实现产品的开发过程的集成。

五、CAD／CAPP／CAM一体化技术的研究

CAD／CAPP／CAM 一体化是一项综合性的高新技术，当前正朝着集成化、智能化，可视化和标准化方向发展．主要研究内容有：CAD系统面向产品的整个生命周期，充分考虑产品信息的继承性，满足并行设计的要求，CAD与产品信息标准化相结合，产品模型的可转换性，面向全国乃至全球的产品信息编码系统等方面的研究：具有很好的可移植性和自组织性的软件系统、智能化CAD系统的研究，虚拟现实设计技术的研究．CAD／CAPP／CAM一体化技术一个重要研究内容就是CAPP技术的研究，主要有；基于并行工程的CAPP技术；虚拟制造模式下CAPP技术：基于PDM的CAD／CAPP/CAM集成系统；面向CIMS／CAPP集成开发平台等。

六、面向制造自动化的数控技术的研究

数控技术是自动化技术的基础及关键单元技术，又是精密、高效、高可靠性加工技术的支撑，它正朝着集成化和实用化方向发展。对数控技术的研究与开发重点是：开放性结

构系统的发展，采用新元件、新工艺不断改善和扩展以高精、高速、高效为代表的功，改善和发展伺服技术，采用通信技术，研制开发超精数控系统等。

七、柔性制造技术和智能制造技术的研究

柔性制造系统的理论和技术所涉及领域很广，主要包括：生产调度理论与算法的研究，主要涉及数学规划、图论、对策论、排队论、人工神经网络方法、Petri网理论等应用数学 理论及方法；计算机通信及数据库技术的研究；计算机仿真技术的研究；生产组织及控制模式理论和技术的研究，主要涉及动态逻辑单元重构理论、多黑板结构模型的智能单元控

制理论、系统扰动及再调度理论和技术、JIT技术、开放式体系结构等；制造资源控制管理理论和技术的研究，主要涉及刀具管理理论及技术、加工设备的实时调度技术、物料储运系统如AGV、立体仓库等的控制技术。

八、机器人化制造技术的研究

机器人是一种高度柔性化的自动化设备，未来的典型制造工厂将是计算机网络控制的包含多个机器人加工单元的分布式自主制造系统，工业机器人(IR)、智能加工中心(IMC)、坐标测量机(CMM)、自动导引小车(AGV)均被视为“智能机器”，这些智能机器依据不同的要求有机地组成机器人化制造单元，实现多元化产品生产。

九、先进制造智能传感与检测的研究

智能传感与检测研究主要包括智能传感器、智能传感和检测技术以及光纤传感技术等方面的研究。

智能传感器主要功能为：感知环境条件的变化，并进行相应补充，通过双向通信，以一种可以理解和接受的格式及执行机构或控制器等与其他系统连接，对白身进行检测式诊断，实现智能决策。

光纤传感技术主要研究内容为：光波调制原理、调制光波信号检测技术、多传感器复用技术、多传感器网络及通信技术、光纤传感技术与光纤通信技术的结合原理和方法等。