讲义

第一章 概述

一、机械工程学科的研究范围

机械制造及其自动化以工艺流程、工装夹具、制造系统为主； 机械电子工程以信息处理、自动控制为主；

机械工程 （0802）

机械制造及其自

动化 （080201）

机械电子工程 （080202）

机械设计及理论（080203）

车辆工程（080204）

机械设计及理论以设计理论、结构设计为主； 车辆工程以汽车技术、设计理论为主。 二、机械制造及其自动化（080201）

机械制造及其自动化是一门研究机械制造理论、制造技术、自动化制造系统和先进制造模式的学科。该学科融合了各相关学科的最新发展，使制造技术、制造系统和制造模式呈现出全新的面貌。

研究方向：将机械设备与自动化通过计算机的方式结合起来，形成一系列先进的制造技术，包括：精密加工与细微加工、特种加工、绿色制造、CAM（计算机辅助制造）、FMS（柔性制造系统）等等，最终形成大规模计算机集成制造系统（CIMS），使传统的机械加工得到质的飞跃。

? 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）：

在成组技术的基础上，以多台（种）数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。

? 计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）、现代

集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing System）：

由一个多级计算机控制硬件结构，配合一套订货、销售、设计、制造和管理综合为一体的软件系统所构成的全盘自动化制造系统。 三、机械电子工程（080202）

机械电子工程是将机械学、电子学、信息技术、计算机技术、控制技术等有机融合而形成的一门综合性学科，广泛应用于交通、电力、冶金、化工、建材等各领域机电一体化设备及生产自动化过程。

主要研究对象是机电一体化系统，包括执行机构、控制器、检测装置、动力装置和传动装置。涉及现代控制理论、现代检测技术、故障诊断技术、微计算机技术等基础知识。

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研究方向：有机电控制及自动化、机器人技术、机械系统动态测试与故障诊断、现代传感器与测控技术、机电产品设计与控制。

四、机械设计及理论（080203）

机械设计及理论是对机械进行功能分析与综合定量描述与控制的基础技术学科。 专业基础：力学、机构学、强度理论、流体力学、CAD技术、计算机编程、机械参量测量、信号处理、微处理器应用

研究方向：现代机械设计理论与方法、机械摩擦学、机械机构学与系统动力学、机械强度分析、人机工程学、计算机集成设计与制造、智能机械系统设计、产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）、计算机图形学等。

五、车辆工程（080204）

车辆工程是研究汽车、拖拉机、机车车辆、军用车辆及其他工程车辆等陆上移动机械的理论、设计及制造技术的工程技术领域。

初期涉及到力学、机械设计、材料、流体力学、化工

今天拓展至与机械电子工程、机械设计及理论、计算机、电子技术、测试计量技术、控制技术等学科相互渗透、相互联系

并进一步触及医学、生理学及心理学等广泛的领域，形成了一门涵盖多种高新技术的综合性学科和工程技术领域。

研究方向：车辆的研究、开发；车辆的制造、加工；车辆的性能检测、试验、分析；车辆的使用、管理、保养、维修；与生产检测车辆有关的设备、检测仪器的开发等。

第二章 机械制造及其自动化要点： 一、柔性制造系统FMS

二、计算机集成制造系统CIMS 三、绿色集成制造系统GIMS 四、几种先进制造工艺技术

推荐阅读书目

1. 刘忠伟主编. 先进制造技术. 北京：国防工业出版社,2011.6 2. 李长河等编著. 先进制造工艺技术. 北京：科学出版社,2011.3 3. 朱胜等编著. 再制造技术与工艺. 北京：机械工业出版社,2011.1

4. 宾鸿赞等编著. 先进加工过程技术. 武汉：华中科技大学出版社,2009.9 5. 盛晓敏主编. 先进制造技术. 北京：机械工业出版社,2003.6 6. 刘飞主编. 先进制造系统. 北京：中国科学技术出版社,2001.6 7. 芮延年等编著. 协同设计. 北京：机械工业出版社,2003.7 8. 来可伟等编著. 并行设计. 北京：机械工业出版社,2003.4 一、柔性制造系统FMS

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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）。

柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。 ? 发展历程

1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。

1967年，美国的怀特·森斯特兰公司建成Omniline I系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。日本、前苏联、德国等也都，先后开展了FMS的研制工作。

1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell,简称FMC)，为发展FMS提供了重要的设备形式。FMC一般由12台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。

随着时间的推移，FMS在技术上和数量上都有较大发展，实用阶段，以由3－5台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。

1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。

这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。

? 工艺基础

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。

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? 系统组成（加工设备、储存和搬运、信息控制） 加工设备

加工设备主要采用加工中心和数控车床，前者用于加工箱体类和板类零件，后者则用于加工轴类和盘类零件。中、大批量少品种生产中所用的FMS，常采用可更换主轴箱的加工中心，以获得更高的生产效率。 储存和搬运

储存和搬运系统搬运的物料有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的桁道式立体仓库。

毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。

工业机器人可在有限的范围内为1－4台机床输送和装卸工件，对于较大的工件常利用托盘自动交换装置(简称APC)来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。

磨损了的刀具可以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。切屑运送和处理系统是保证 FMS连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。 信息控制

FMS信息控制系统的结构组成形式很多，但一般多采用群控方式的递阶系统。第一级为各个工艺设备的计算机数控装置(CNC)，实现各的口工过程的控制；第二级为群控计算机，负责把来自第三级计算机的生产计划和数控指令等信息，分配给第一级中有关设备的数控装置，同时把它们的运转状况信息上报给上级计算机；第三级是FMS的主计算机(控制计算机)，其功能是制订生产作业计划，实施FMS运行状态的管理，及各种数据的管理；第四级是全厂的管理计算机。

性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，数量更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括控制软件(控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统)、计划管理软件(调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等)和数据管理软件(仿真、检索和各种数据库)等。

为保证FMS的连续自动运转，须对刀具和切削过程进行监视，可能采用的方法有：测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。

? 系统类型

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柔性制造系统有以下三种类型： 1、柔性制造单元

柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。

2、柔性制造系统

柔性制造系统是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。

3、柔性自动生产线

柔性自动生产线是把多台可以调整的机床（多为专用机床）联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。

? 系统优点

柔性制造系统的优点：

1、设备利用率高。一组机床编入柔性制造系统后，产量比这组机床在分散单机作业时的产量提高数倍。

2、在制品减少80%左右。

3、生产能力相对稳定。自动加工系统由一自或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障机床的能力。

4、产品质量高。零件在加工过程中，装卸一次完成，加工精度高，加工形式稳定。

5、运行灵活。有些柔性制造系统的检验、装卡和维护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。

6、产品应变能力大。刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要。

7、经济效果显著。采用FMS的主要技术经济效果是：能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；提高产品质量的一致性。

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? 发展趋势

两个方面。

一方面是与计算机辅助设计和辅助制造系统相结合，利用原有产品系列的典型工艺资料，组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统。

另一方面是实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化，特别是管理层次自动化的计算机集成制造系统。在这个大系统中，柔性制造系统只是它的一个组成部分。 二、计算机集成制造系统CIMS

从1870－1970年的100年中： 加工过程的效率提高了2000% 生产管理的效率只提高了80% 产品设计的效率仅提高了20%

显然，后两种的效率已成为进一步发展生产的制约因素。因此，制造技术的发展就不能局限在车间制造过程的自动化，而要全面实现从生产决策、产品设计到销售的整个生产过程的自动化，特别是管理层次工作的自动化。这样集成的一个完整的生产系统就是计算机集成制造系统。

计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System 简称CIMS)是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。它是在信息技术、自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。 ? 概述

当前，我国的CIMS已经改变为“现代集成制造（Contemporary Integrated Manufacturing）”与“现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing System）”。它已在广度与深度上拓展了原CIM/CIMS的内涵。

“现代”的含义是计算机化、信息化、智能化。

“集成”包括信息集成、过程集成及企业间集成等三个阶段的集成优化；企业活动中三要素（人、技术、经营管理）及三流（能量流、材料流、信息流）的集成优化；CIMS有关技术的集成优化及各类人员的集成优化等。

CIMS不仅仅把技术系统和经营生产系统集成在一起，而且把人（人的思想、理念及智能）也集成在一起，使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机联系，所以，CIMS是人、经营和技术三者集成的产物。实现T、Q、C、S、E。 ? CIMS体系结构

CIMS体系结构是用来描述研究对象整个系统的各个部分和各个方面的相互关系和层次结构，从大系统理论角度研究，将整个研究对象分为几个子系统，各个子系统相对独立自治、分布存在、并发运行和驱动等。

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计算机辅助生产管理 成组技术 ? CIMS分类 从生产工艺分，离散型制造业、连续性制造业和混合型制造业； 从体系结构分，集中性、分散性和混合型。

? CIMS效益评价

CIMS是企业管理运作的一种手段，是一种战略思想的应用，其初期投资大，涉及面广，资金回笼周期长，短期内很难见到效益，因此在对CIMS作效益评价时不能单凭货币标准来衡量其效益，要多方面综合考虑其效益指标。所谓综合效益指CIMS系统对企业和社会所能带来的各种效益。可以从下面几个方面来理解：

(1) 应用CIMS提高了劳动生产力为企业带来的利润，为国家增加国民收入所做出的贡献。

(2) 应用CIMS提高了企业对市场的应变能力和抗风险能力，对企业实现经营战略所做出的贡献；提高企业市场竞争力，促进技术进步所作的贡献。

(3) 为提高整个企业员工素质和技术水平作的贡献。 (4) 为节约天然资源所做出的贡献。

(5) 通过应用和推广CIMS技术，为国家优化产业结构，发展新产业，提高国际市场上的竞争力所作的贡献。

? CIMS的技术构成 1、先进制造技术

先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，AMT）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，

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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。 2、敏捷制造

敏捷制造（Agile Manufacturing，AM）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，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。 3、虚拟制造

虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）利用信息技术、仿真技术、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。 4、并行工程

并行工程（Concurrent Engineering ，CE）是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求，并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术。

在探讨现代集成制造技术未来发展趋势之前，首先应该了解一下，当前现代制造业和制造企业的特征，它们是推动现代制造技术发展的内存动力。

? 现代集成制造技术未来发展趋势（8个方面）

以信息技术的发展为支持，以满足制造业市场需求和增强企业竞争力为目的，现代集成制造技术未来将突出以下八个方面的发展趋势。 1、以“数字化”为发展核心

“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。

它包含了三大部分：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的数字制造。 对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。

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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，在企业内传递，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。

对全球制造业而言，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络，根据需求，应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计与制造出相应的产品。

这样，在数字制造环境下，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，围绕产品所赋予的数字信息，成为驱动制造业活动的最活跃的因素。 2、以“精密化”为发展的关键

所谓“精密化”，一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高，另一方面是指对产品、零件的加工精度要求越来越高。“精”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。 3、突出“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）”。可以说，“极”是前沿科技或前沿科技产品发展的一个焦点。 4、以“自动化”技术为发展前提

这是所讲的“自动化”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。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。

“自动化”从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平；而且今天自动控制的内涵与水平已远非昔比，从控制理论、控制技术、控制系统、控制元件，都有着极大的发展。制造业发展的自动化不但极大地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，解放了人的部分的脑力劳动。因此，自动化将是现代集成制造技术发展的前提条件。

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5、以“集成化”为发展的方法

“集成化”，一是技术的集成，二是管理的集成，三是技术与管理的集成；其本质是知识的集成，亦即知识表现形式的集成。如前所述，现代集成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。 目前，“集成化”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。

（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Rapid Prototyping Manufacturing, RPM）、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；也包括企业内部的集成，企业外部的集成。

6、以“网络化”为发展道路

“网络化”是现代集成制造技术发展的必由之路，制造业走向整体化、有序化，这同人类社会发展是同步的。制造技术的网络化是由两个因素决定的：一是生产组织变革的需要，二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。这种变革体现在两方面：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，使企业必须集中力量在自己最有竞争力的核心业务上。科学技术特别是计算机技术、网络技术的发展，使得生产技术发展到可以使这种变革的需要成为可能。

7、“智能化”是CIMS未来发展的美好前景

制造技术的智能化是制造技术发展的前景。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。

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制造技术的智能化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。目前，尽管智能化制造道路还很漫长，但是必将成为未来制造业的主要生产模式之一。 8、“绿色”是CIMS未来发展的必然趋势

“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。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。因此，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。

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。在此前提与内涵下，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，体现着物质文明、精神文明与环境文明的高度交融。每发展与采用一项新技术时，应站在哲学高度，慎思“塞翁得马，安知非祸”，即必须充分考虑可持续发展，计及环境文明。制造必然要走向“绿色”制造。 9、CIMS的标准化

在制造业向全球化、网络化、集成化和智能化发展的过程中，标准化技术（STEP、EDI和P-LIB等）已显得愈来愈重要。它是信息集成、功能集成、过程集成和企业集成的基础。

绿色制造Green Manufacturing

定义：综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。

绿色制造，又称环境意识制造（Environmentally Conscious Manufacturing）、面向环境的制造（Manufacturing For Environment）等。它是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。绿色制造这种现代化制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。 ? 技术概述

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绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低。

绿色制造模式是一个闭环系统，即原料－工业生产－产品使用－报废－二次原料资源，从设计、制造、使用一直到产品报废回收整个寿命周期对环境影响最小，资源效率最高，也就是说要在产品整个生命周期内，以系统集成的观点考虑产品环境属性，改变了原来末端处理的环境保护办法，对环境保护从源头抓起，并考虑产品的基本属性，使产品在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本性能、使用寿命、质量等。

? 现状及国内外发展趋势 国外现状

国外不少国家的政府部门已推出了以保护环境为主题的“绿色计划”。1991年日本推出了“绿色行业计划”，加拿大政府已开始实施环境保护“绿色计划”。美国、英国、德国也推出类似计划。目前，在一些发达国家，除政府采取一系列环境保护措施外，广大消费者已热衷于购买环境无害产品的绿色消费的新动向，促进了绿色制造的发展。产品的绿色标志制度相继建立，凡产品标有“绿色标志”图形的，表明该产品从生产到使用以及回收的整个过程都符合环境保护的要求，对生态环境无害或危害极少，并利于资源的再生和回收，这为企业打开销路、参与国际市场竞争提供了条件。如德国水溶油漆自1981年开始被授予环境标志（绿色标志）以来，其贸易额已增加20％。德国目前已有60种类型3500个产品授予环境标志，法国、瑞士、芬兰和澳大利亚等国于1991年对产品实施环境标志，日本于1992年对产品实施环境标志，新加坡和马来西亚也在1992年开始实施环境标志。目前已有20多个国家对产品实施环境标志，从而促进了这些国家“绿色产品”的发展，在国际市场竞争中取得更多的地位和份额。

国际经济专家分析认为，目前“绿色产品”比例大约为5－10％，再过10年，所有产品都将进入绿色设计家族，可回收、易拆卸，部件或整机可翻新和循环利用。也就是说，在未来10年内绿色产品有可能成为世界商品市场的主导产品。

国内研究基础

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国内一些高等院校和研究院所在国家科委、国家自然科学基金会和有关部门的支持下对绿色制造技术进行了广泛的研究探索。

机械科学研究院已完成了国家科委“九五”攻关项目－－清洁生产技术选择与数据库的建立、机械工业基金项目－－绿色设计技术发展趋势及对策研究。围绕机械工业中九个行业对绿色技术需求和绿色设计技术自身发展趋势进行了调研，在国内首次提出适合机械工业的绿色设计技术发展体系，同时还进行了车辆的拆卸和回收技术的研究。目前正在开展国家自然科学基金项目“环境绿色技术评价体系的研究”。以环境保护绿色技术评价体系为研究载体，将ETV评价技术导入机械制造业的绿色设计、绿色制造，建立制造业的绿色概念、描述方法和ETV评价体系。

清华大学为创建绿色大学，已将绿色工程技术列为优先发展和支持项目，在美国“China Bridge”基金和国家自然科学基金会的支持下，已与美国“Texas Tech University”先进制造实验室建立了关于绿色设计技术研究的国际合作关系，对全生命周期建模等绿色设计理论和方法进行系统研究，取得一定进展。

上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术的研究，与Ford公司合作，研究中国轿车的回收工程问题；与内贸部中国物资再生利用华东分公司合作，撰写了“探讨中国汽车销售、维修、二手车交易及回收利用一条龙管理模式的可行性报告”；与法国柏林工业大学IWF研究所建立了合作关系，在废弃工业品回收方面展开了研究工作。

合肥工业大学开展了机械产品可回收设计理论和关键技术及回收指标评价体系的研究。

重庆大学承担了国家自然科学基金和国家863／CIMS主题资助的关于绿色制造技术的研究项目，主要研究可持续发展CIMS（S－CIMS）的体系结构研究、清洁化生产系统和体系结构及实施策略、清洁化生产管理信息系统等。

华中理工大学、浙江大学、北京航空航天大学等高院校也开展了绿色制造技术研究。

国内已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍，为我国发展绿色制造技术奠定了基础。

技术发展趋势（6个方面）

当前，世界上掀起一股“绿色浪潮”，环境问题已经成为世界各国关注的热点，并列入世界议事日程，制造业将改变传统制造模式，推行绿色制造技术，发展相关的绿色材料、绿色能源和绿色设计数据库、知识库等基础技术，生产出保护环境、提高资源效率的绿色产品，如绿色汽车、绿色冰箱等，并用法律、法规规范企业行为，随着人们环保意识的增强，那些不推行绿色制造技术和不生产绿色产品的企业，将会在市场竞争中被淘汰，使发展绿色制造技术势在必行。

1、全球化——绿色制造的研究和应用将愈来愈体现全球化的特征和趋势 绿色制造的全球化特征体现在许多方面，例如:

（1）制造业对环境的影响往往是超越空间的，人类需要团结起来，保护我们共

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同拥有的唯一的地球。

（2）ISO14000系列标准的陆续出台为绿色制造的全球化研究和应用奠定了很好的基础，但一些标准尚需进一步完善，许多标准还有待于研究和制定。

（3）随着近年来全球化市场的形成，绿色产品的市场竞争将是全球化的。 （4）近年来许多国家要求进口产品要进行绿色性认定，要有“绿色标志”。特别是有些国家以保护本国环境为由，制定了极为苛刻的产品环境指标来限制国际产品进入本国市场，即设置“绿色贸易壁垒”。绿色制造将为我国企业提高产品绿色性提供技术手段，从而为我国企业消除国际贸易壁垒进入国际市场提供有力的支撑。这也从另外一个角度说明了全球化的特点。

2、社会化——绿色制造的社会支撑系统需要形成

绿色制造的研究和实施需要全社会的共同努力和参与，以建立绿色制造所必需的社会支撑系统。

绿色制造涉及的社会支撑系统首先是立法和行政规定问题。当前，这方面的法律和行政规定对绿色制造行为还不能形成有利的支持，对相反行为的惩罚力度不够。立法问题现在已愈来愈受到各个国家的重视。

其次，政府可制定经济政策，用市场经济的机制对绿色制造实施导向。例如：制定有效的资源价格政策，利用经济手段对不可再生资源和虽可再生资源但开采后会对环境产生影响的资源（如树木）严加控制，使得企业和人们不得不尽可能减少直接使用这类资源，转而寻求开发替代资源。又如：城市的汽车废气污染是一个十分严重的问题，政府可以对每辆汽车年检时，测定废气排放水平，收取高额的污染废气排放费。这样，废气排放量大的汽车自然没有销路，市场机制将迫使汽车制造厂生产绿色汽车。

企业要真正有效地实施绿色制造，必须考虑产品寿命终结后的处理，这就可能导致企业、产品、用户三者之间的新型集成关系的形成。例如，有人就建议，需要回收处理的主要产品，如汽车、冰箱、空调、电视机等，用户只买了使用权，而企业拥有所有权，有责任进行产品报废后的回收处理。

无论是绿色制造涉及的立法和行政规定以及需要制定的经济政策，还是绿色制造所需要建立的企业、产品、用户三者之间新型的集成关系，均是十分复杂的问题，其中又包含大量的相关技术问题，均有待于深入研究，以形成绿色制造所需要的社会支撑系统。这些也是绿色制造今后研究内容的重要组成部分。

3、集成化——将更加注重系统技术和集成技术的研究

绿色制造涉及到产品生命周期全过程，涉及到企业生产经营活动的各个方面，因而是一个复杂的系统工程问题。因此要真正有效地实施绿色制造，必须从系统的角度和集成的角度来考虑和研究绿色制造中的有关问题。

当前，绿色制造的集成功能目标体系、产品和工艺设计与材料选择系统的集成、用户需求与产品使用的集成、绿色制造的问题领域集成、绿色制造系统中的信息集成、绿色制造的过程集成等集成技术的研究将成为绿色制造的重要研究内容。

绿色制造集成化的另一个方面是绿色制造的实施需要一个集成化的制造系统来进行。为此，提出了绿色集成制造系统的概念，并建立了一种绿色集成制造系统的体

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系框架：该系统包括管理信息系统、绿色设计系统、制造过程系统、质量保证系统、物能资源系统、环境影响评估系统等6个功能分系统，计算机通讯网络系统和数据库/知识库系统等2个支持分系统以及与外部的联系。

绿色集成制造技术和绿色集成制造系统将可能成为今后绿色制造研究的热点。 4、并行化——绿色并行工程将可能成为绿色产品开发的有效模式 绿色设计今后仍将是绿色制造中的关键技术。绿色设计今后的一个重要趋势就是与并行工程的结合，从而形成一种新的产品设计和开发模式绿色并行工程。

绿色并行工程又称为绿色并行设计，是现代绿色产品设计和开发的新模式。它是一个系统方法，以集成的、并行的方式设计产品及其生命周期全过程，力求使产品开发人员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。

绿色制造

5、智能化——人工智能和智能制造技术将在绿色制造研究中发挥重要作用 绿色并行工程涉及一系列关键技术，包括绿色并行工程的协同组织模式、协同支撑平台、绿色设计的数据库和知识库、设计过程的评价技术和方法、绿色并行设计的决策支持系统等。许多技术有待于今后的深入研究。

绿色制造的决策目标体系是现有制造系统TQCS（即产品上市时间T、产品质量Q、产品成本C和为用户提供的服务S ）目标体系与环境影响E和资源消耗R的集成，即形成了 TQCSRE的决策目标体系。要优化这些目标，是一个难于用一般数学方法处理的十分复杂的多目标优化问题，需要用人工智能方法来支撑处理。另外，在绿色产品评估指标体系及评估专家系统，均需要人工智能和智能制造技术。

基于知识系统、模糊系统和神经网络等的人工智能技术将在绿色制造研究开发中起到重要作用。如：在制造过程中应用专家系统识别和量化产品设计、材料消耗和废弃物产生之间的关系；应用这些关系来比较产品的设计和制造对环境的影响；使用基于知识的原则来选择实用的材料等。

6、产业化——绿色制造的实施将导致一批新兴产业的形成 绿色制造将导致一批新兴产业的形成。除了目前大家已注意到的废弃物回收处理装备制造业和废弃物回收处理的服务产业外，另有两大类产业值得特别注意：

（1）绿色产品制造业 制造业不断研究、设计和开发各种绿色产品以取代传统的资源消耗和环境影响较大的产品，将使这方面的产业持续兴旺发展。

（2）实施绿色制造的软件产业

企业实施绿色制造，需要大量实施工具和软件产品，如绿色设计的支撑软件（计算机辅助绿色产品设计系统、绿色工艺规划系统、绿色制造的决策系统、产品生命周期评估系统、ISO14000国际认证的支撑系统等），将会推动一类新兴软件产业的形成。 技术组成 绿色设计

绿色设计是指在产品及其生命周期全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影

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响，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的总体影响和资源消耗减到最小。这要求设计人员必须具有良好的环境意识，既综合考虑了产品的TQCS（Time，Quality，Cost，Service）属性，还要注重产品的E（Environment）属性，即产品使用的绿色度。 工艺规划

产品制造过程的工艺方案不一样，物料和能源的消耗将不一样，对环境的影响也不一样。绿色工艺规划就是要根据制造系统的实际，尽量研究和采用物料和能源消耗少、废弃物少、噪声低、对环境污染小的工艺方案和工艺路线。 材料选择

绿色材料选择技术是一个很复杂的问题。绿色材料尚无明确界限，实际中选用很难处理。在选用材料的时候，不能要考虑其绿色性，还必须考虑产品的功能、质量、成本、噪声等多方面的要求。减少不可再生资源和短缺资源的使用量，尽量采用各种替代物质和技术。 产品包装

绿色包装技术就是从环境保护的角度，优化产品包装方案，使得资源消耗和废弃物产生最少。目前这方面的研究很广泛，但大致可以分为包装材料、包装结构和包装废弃物回收处理3个方面。当今世界主要工业国要求包装应做到“3R1D”(Reduce减量化、Reuse回收重用、Recycle循环再生和Degradable可降解)原则。我国包装行业“九五”至2010年发展的基本任务和目标中提出包装制品向绿色包装技术方向发展，实施绿色包装工程，并把绿色包装技术作为\九五\包装工业发展的重点，发展纸包装制品，开发各种代替塑料薄膜的防潮、保鲜的 纸包装制品，适当发展易回收利用的金属包装及高强度薄壁轻量玻璃包装，研究开发塑料的回收再生工艺和产品。 回收处理

产品生命周期终结后，若不回收处理，将造成资源浪费并导致环境污染。目前的研究认为面向环境的产品回收处理是个系统工程，从产品设计开始就要充分考虑这个问题，并作系统分类处理。产品寿命终结后，可以有多种不同的处理方案，如再使用、再利用、废弃等，各种方案的处理成本和回收价值都不一样，需要对各种方案进行分析与评估，确定出最佳的回收处理方案，从而以最少的成本代价，获得最高的回收价值。 绿色管理

尽量采用模块化、标准化的零部件，加强对噪声的动态测试、分析和控制，在国际环保标准ISO14000正式颁布和实施以后，它会成为衡量产品性能的一个重要因素，企业内部建立一套科学、合理的绿色管理体系势在必行。

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设备利用

北京工商管理大学教授梁小民曾经举过这样一个例子：你有一台普通机床价值10万元，后来你资本增加到100万元买了10台同样的机床，但你这种机床使用就不充分了，你的资本收益就递减了；但现在的技术发展使你在拥有100万元资本时，你拥有的就不是那种普通机床而是数控机床，效率提高了几百倍，这个时候资本收益就不是递减而是递增了。这就是技术进步在物质资本上的体现。遗留的问题是，当我们拥有了数控机床后，原来的普通车床怎么办？走进国内许多工厂，都可以看见许多闲置、废弃的设备堆在那里，锈迹斑斑。如何处理好这些设备，成了企业面临的一大难题，通过改造使它们重新发挥作用，做到资源最大化利用。目前对我们很多大的生产厂家来说，来自机器的折旧费用仍占据了很大一部分成本。

? 研究内容

要点（1）绿色设计

要点（2）相关技术及存在的问题 要点（3）制造工艺 绿色设计

（1）提出绿色设计理论和方法，建立绿色产品设计指标评价体系，提出绿色设计工具，并与其它设计工具（如CAD、CAE、CAPP等）集成，形成集成环境。

（2）与企业结合选择若干典型产品，建立产品绿色制造示范点。

（3）以汽车为对象，提供可回收、可拆卸成套技术，并与企业结合，建立示范点。 主要研究内容

（1）绿色产品设计评价系统模型的建立 ①绿色产品设计理论和方法

从寿命周期角度对绿色产品的内涵进行全面系统的研究，提出绿色产品设计理论和方法。

②绿色产品的描述和建模技术

在绿色产品设计理论和方法的基础上，对绿色产品进行描述，建立绿色产品评价体系，在产品生命周期中，对所有与环境相关的过程输入输出进行量化和评价，并对产品生命周期中经济性和环境影响的关系进行综合评价，建立数学模型。

③绿色产品设计数据库

建立与绿色产品有关的材料、能源及空气、水、土、噪声排放的基础数据库，为绿色产品设计提供依据。

④典型产品绿色设计系统集成

针对具体产品，收集、整理面向环境设计的资料，形成指导设计的设计指南，建

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立绿色产品系统设计工具平台，并与其它设计工具（如CAD、CAE、CAPP等）集成，形成集成的设计环境。

（2）绿色产品清洁生产技术 ①节省资源的生产技术

本项目主要从减少生产过程中消耗的能量、减少原材料的消耗和减少生产过程中的其他消耗三方面着手研究。

②面向环保的生产技术

主要研究减少生产过程中的污染，包括减少生产过程的废料、减少有毒有害物质（废水、废气、固体废弃物等）、降低噪声和振动等。

③产品包装技术

包装是产品生产过程中的最后一个环节，产品包装形式、包装材料、以及产品贮存、运输等方面都要考虑环境影响的因素。

（3）重用技术 ①产品可卸性技术

提出产品可卸性评价方法，提出产品可卸性评价指标体系，进行可拆卸结构模块划分和接口技术研究。

②产品可回收技术

提出可回收零件及材料识别与分类系统，并开展零件再使用技术研究，包括可回收零部件的修复、检测，使其符合产品设计要求，进行再使用（再使用包括同化再使用和异化再使用）技术、材料再利用技术的研究（包括同化再利用和异化再利用）。

（4）机电产品噪声控制技术 ①声源识别、噪声与声场测量以及动态测试、分析与显示技术； ②机器结构声辐射计算方法与程序； ③机器结构振动和振动控制技术； ④低噪声优化设计技术； ⑤低噪声结构和材料； ⑥新型减振降噪技术

（5）面向环境、面向能源、面向材料的绿色制造技术 ①面向环境的绿色制造技术

研究使产品在使用过程中能满足水、气、固体三种废弃物减量化、降低振动与噪声等环境保护要求的相关技术。

②面向能源的绿色制造技术

研究能源消耗优化技术、能源控制过程优化技术等以达到节约能源、减少污染的目的。

③面向材料的绿色制造技术

研究材料无毒、无害化技术，针对高分子材料，研究废旧高分子材料回收的绿色技术，高分子过滤材料－－功能膜材料，玻璃纤维毡增强热塑性复合材料等。对现有材料的环境性能改进技术等。

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相关技术 纳米技术

所谓纳米技术是一种微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。当物质被“粉碎”到纳米级细小并制成的“纳米材料”，不仅光、电、热、磁性发生变化，而且具有辐射、吸收、吸附等许多新特性，可彻底改变目前的产业结构。由于纳米技术导致产品微型化，使所需资源减少，不仅可达到“低消耗、高效益”的可持续发展目的，而且其成本极为低廉，其互相撞击、摩擦产生的交变机械作用力将为大减小，噪声污染会得到有效控制。运用纳米技术开发的润滑剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生极好的润滑作用，得以大大降低机器设备运转时噪声，又能延长它的使用寿命。纳米材料涂层能大大提高遮挡电磁波和紫外线的性能。 干式加工

目前干式加工的主要应用领域是机械加工行业，如切削、磨削等。干式加工顾名思义就是加工过程中不采用任何冷却液的加工方式。干式加工简化了工艺、减少成本并消除了冷却液带来的一系列问题，如废液排放和回收等等。目前，国外已有严格的法规限制某些切削液的使用，在美国、德国等工业发达国家均大力倡导采用干式切削工艺。目前采用干式切削加工铸铁材料已无问题，采用陶瓷和CBN刀具，在高速和大进给量加工时，使热量很快聚集到刀具前端，使其呈红热状态，当工件被加热到一定温度时，其屈服强度减小，可获得较高的金属切除率。寻求最合适的干式切削刀具、工件和机床及其参数的最佳配合方式是目前的重点方向。 热加工工艺模拟技术

热加工工艺模拟及优化设计技术是应用模拟仿真、试验测试等手段，在拟实的环境下模拟材料加工工艺过程，显示材料在加工过程中形状、尺寸、内部组织及缺陷的演变情况，预测其组织性能质量，达到优化工艺设计目的的一门崭新技术。采用工艺模拟技术将数值模拟、物理模拟和专家系统相结合，可以确定最佳工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷和防止措施，从而能有效控制和保证加工工件的质量。 基于网络的敏捷制造

敏捷制造，简称AM，就是灵活、快捷的生产制造。它是将柔性生产技术、高技能劳动力与灵活的管理集成为一体，对迅速变化的（和不可预测的）市场需求和时机能够作出快速响应的生产管理体系。它的特点是：把企业与客户、供应商有机地联系成一个整体、提高产品研发速度，降低开发成本，延长产品寿命周期、打破成本与批量的直接关系形式，快速交结，最大限度地调动发挥人的积极性和创造性、虚拟制造

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技术和网络技术相结合，做到分散网络化制造。 近净成形技术和近无缺陷成形技术

近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。近净成形制造技术包括铸造、焊接、塑性加工等，目前它正从接近零件形状向直接制成工件，即精密成形或净成形方向发展。这些工件有些可以直接或者稍加处理即可用于组成产品，这样就可以大大减少原材料和能源的消耗。近净成形通常与近无缺陷成形技术组合用于大批量生产。 新型制造技术的不断涌现

现在对制造技术本身来说，各学科、专业之间的界限已经不再那么明显，从产品的设计开始，直到产品的加工工艺、加工过程、质量检测、最后装配和包装，这些中间环节之间的界限已逐步走向淡化消失，逐渐趋向一体化，如现在CAD、CAPP、CAM的出现就使设计和制造成为一体。现在推出一种新型技术--快速原型零件制造技术（RPM），RPM技术是由 CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状的3维实体的技术，是机械工程、CAD、NC、激光、材料等多学科相互渗透与交叉的产物，其设计突破了传统加工技术，采用材料“去除”的原则，而采用“添加、累积”的原理，是制造技术的一次新的变革。代表性技术有分层实体制造、熔化沉积制造等。 存在问题

1、旧机床的更新与改造

旧机床处理方面尤为突出问题是废旧或闲置设备回收和再利用率较差，许多工厂厂房内常见有满身锈迹废弃的旧设备，数控机床、加工中心、FMS、CIMS甚至网络加工等先进制造系统和大批的20世纪五六十年代的旧机床并存，改造和利用好这些旧设备是我们面临的课题；

2、材料与能源的浪费

机械制造业中能源和原材料的浪费现象较为明显，满地的切屑、小零件与油污，中国在由原料到产品所消耗的能源和原材料比美国和日本等先进国家高出数十倍之多；

3、环境保护意识淡薄

一些中小企业对环境的污染还比较严重； 4、产品的回收利用率低

长期以来我们沿袭的生产模式是：生产—流通—消费—废弃的开式循环，绿色制造提倡闭式循环的生产模式，即在原来的生产模式中增加一个“回收”环节，厂家在产

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品的设计和制造过程中要充分考虑回收问题。 制造工艺

1、少无切削工艺利

用精密铸造、冷挤压、直接沉积等成型技术，从接近零件形状向精密成形、仿形发展，用自由成形制造代替切削加工，这样节约了传统毛坯制造时的能耗、物耗．也节约了大量的原材料，同时也缩短了生产周期。 2、干式切削工艺

干式切削就是在加工过程中不使用冷却润滑油的加工方法。这样可以消除加工时切削液带来的大量的污染问题，获得洁净无污染的切屑，节省了大量的切削液，同时也省去了处理切削液造成污染的大量费用。 3、先进制造技术

采用先进的现代制造技术，是实现绿色制造的有效途径。如精益生产(LP)、敏捷制造(AM)、虚拟制造(VM)和数字制造(DM)等。 4、噪声的消减和控制

机械制造车间特别是锻压车间，生产过程中产生强烈的噪声是环境污染的一个大问题，因此必须对噪声加以控制和消减。技术措施有：做好飞轮等刚转体的动平衡；在轴承和轴承座之间加弹性衬套，采用热模锻压力机，淘汰蒸汽锤锻压力机；在压力机产生噪声的主要部位加盖隔声罩t采用具有油减震器的无冲击模架等等 5、绿色包装的研究

绿色包装是指采用对环境和人体无污染，可回收重用或可再生的包装材料及其制品的包装。首先必须尽可能简化产品包装，避免过度包装。使包装可以多次重复使用或便于回收，且不会产生二次污染。在重视环境保护的世界氛围里，绿色包装在销售中的作用也越来越重要。

绿色包装技术就是从环境保护的角度优化产品包装方案，使得资源消耗和废弃物产生最少。绿色包装技术主要研究包装材料选择、改进包装结构和包装废弃物回收处理三个方面。

6、产品使用及其用后处置的研究

主要集中在延长产品的使用周期和减少使用中的能源浪费及环境污染。面向节省能源的设计有利于减少产品使用中的能源浪费及环境污染。德国联邦环境署研究表明德国家庭和办公室消耗的电力，至少有11%是披处于待机方式的设备消耗掉。美国能源部估计，美国每年要为待机的电视机和录像机支付约10亿美元的电费。待机功耗已经引起社会的广泛醺视。因此在产品的设计阶段，对其使用造成的能源消耗问题应给

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予足够的重视。目前对家电类产品的待机功耗问题，人们已研究了新型开关电源和“绿色芯片”，它们以绿色设计为目标，可以使许多电源在转入闲置待机方式时功耗大大减少。

绿色制造的思想精髓

绿色制造涉及三部分领域的问题：一是制造问题，包括产品生命周期全过程；二是环境保护问题；三是资源优化利用问题。

首先，绿色制造是“从摇篮到坟墓”的制造方式，它强调在产品的整个生命周期的每一个阶段并行、全面地考虑资源因素和环境因素，体现了现代制造科学的“大制造、大过程、学科交叉”的特点。绿色制造倡导高效、清洁制造方法的开发及应用，达到绿色设计目标的要求。这些目标包括提高各种资源的转换效率、减少所产生的污染物类型及数量、材料的有效回收利用等。

其次，绿色制造强调生产制造过程的“绿色性”．这意味着它不仅要求对环境的负影响最小，而且要达到保护环境的目的。

第三，绿色制造对输入制造系统的一切资源的利用达到最大化。粗放式的能源消耗导致的资源枯竭是人类可持续发展面临的最大难题，如何最有效地利用有限的资源获得最大的效益，使子孙后代有资源可用是人类生产活动亟待解决的重大问题。

第三章 机械电子工程要点： 一、机电一体化技术的发展概述 二、机电一体化的核心技术 三、机电一体化技术的特点

四、机电一体化技术的发展趋势 五、机电一体的代表：工业机器人 推荐阅读书目

1. 王孙安主编. 机械电子工程原理. 北京：机械工业出版社,2010.1 2. 高钟毓主编. 机械电子工程. 北京：人民交通出版社,2003.1 3. 李杰主编. 机械电子学. 北京：北京理工大学出版社,2010.2

4. 范宁军等编著. 光机电一体化系统设计. 北京：机械工业出版社,2010.3 一、机电一体化技术的发展概述

机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。

20世纪70年代由日本学者首先提出“机电一体化”(Mechatronics)这一概念，经过30多年的发展，机电一体化技术得到了世界各国科技界的普遍重视，并逐渐取得了共识。

机电一体化产品已从最初的机械＋电子的机械电子化、机械＋微机的机械电脑化进而发展到光、机、电、液一体化、机械智能化和微机械化。

机电一体化技术是在微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向机械工业领域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技

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术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统理论出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质的和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。

机电液一体化

机电一体化的进展

二、机电一体化的核心技术

机电一体化系统一般由机械本体、检测传感部分、电子控制单元、执行器和动力源5个组成部分构成。

机电一体化的核心技术可以归纳为以下6个方面：精密机械技术、伺服传动技术、检测传感技术、自动控制及信息处理技术、接口技术、现场总线技术。

1、精密机械技术是机电一体化体系结构组成要素，包括机身、机架、支撑、联接装置等，是系统的所有功能要素的机械支持结构。因此，为了适应机电一体化发展，不但要充分利用传统机械技术的固有优点，而且要努力发展新技术，应用新材料，采用新设计方法，推广新工艺，研制新设备，制造出体积小、重量轻、精度高、性能好、寿命长、模块化、标准化、规格化、价廉物美的服务于机电一体化的新型机械结构。

2、伺服传动技术是机电一体化系统的动力组成要素，依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。包括交直流电动、气动、液压等各种类型的传动装置。由微机通过接口与这些传动装置相联接，控制它们的运动，带动工作机械作各种需要的运动。而各种类型的传动装置等的发展方向是不尽相同的。采用伺服系统主要目的：① 以小功率指令信号去控制大功率负载。②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。

3、检测传感技术是机电一体化系统的感知组成要素，对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。主要由检测、转换、指示、信息处理、

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记录等部分组成。信息传感方式有光、电流体和机械等，目前国内外市场上需求量最多的传感元件是光敏、力敏、热敏、磁敏、湿敏五大类，大多为物理型。随着集成电路与半导体集成技术的发展，各国已着手研究开发生物和化学传感器，智能机器人需要的三维视觉传感器。

4、自动控制及信息处理技术是机电一体化系统的智能组成要素，将来自测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。自动控制包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现,检索等技术等。信息处理包括信息输入、交换、运算、储存和输出技术。信息处理有输入输出设备、显示器、磁盘、计算机、PLC和数控装置等。信息处理技术主要问题是提高处理速度，提高可靠性与抗干扰能力以及标准化。

5、接口技术是机电一体化系统能否完整、自如、灵活、富于生命性的关键要素，是各要素相互连接的优化匹配和有机溶合的粘合剂，为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口用同一标准规格不仅给信息传递和维修带来方便，而且可以简化设计。目前，正致力于发展低成本、高速串行的接口中，来解决信号电缆非触化、光导纤维以及光耦器的大容量化、小型化、标准化等问题。

6、现场总线（Fieldbus）技术是当前自动化领域内技术发展的热点之一，受到各国产业界的普遍重视。一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。技术优点比较明显：

（1）节省硬件数量与投资

由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

（2）节省安装费用

现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。

（3）节省维护开销

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

（4）用户具有高度的系统集成主动权

用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的

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产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

（5）提高了系统的准确性与可靠性

由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

典型的现在总线有：基金会现场总线，即Foundation Fieldbus,简称FF、LonWorks、Profibus、CAN、HART、RS-485。

在制造业（包括工业过程自动化(PA)和制造业生产自动化(DP)）采用过程现场总线(PROFIBUS, Process Fieldbus)现场总线是适宜的。推广现场总线技术可带动仪表行业(传感器、执行器和控制装置等)的发展，有利于形成或实现工业过程自动化产业体系核心产品群及其相关关键技术群的发展。 三、机电一体化技术的6个特点

集成化 这是当今机电一体化产品发展的显著特征。例如，现代集成制造系统(CIMS)、快速成型制造系统(RPM, Rapid Prototyping Manufacturing)、智能制造系统(IMS, Intelligent Manufacturing System)等就是例证。

模块化 机电—体化产品模块化的发展促进了产品开发，缩短了开发周期，增多了花色品种。例如,以驱动为核心的驱动模块，以伺服为中心的运动控制模块等皆已形成了标准化产品。（以计算机为例）

网络化 由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。

智能化 应用智能制造技术可实现机电一体化产品的智能化，如智能机器人、智能医用机械、智能探测仪、智能家用电器、智能电动机等等。

微型化 微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针以来，国内外在微机电系统(MEMS, Micro Electronic Mechanical Systems)工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展。

环保化 考虑到对于环境的保护，机电一体化产品也逐步在向清洁型、环保型、节能型等方向发展。能最有效地利用资源、最高限度地利用废弃物来设计环保化的机电一体化产品不仅是适应未来发展的一大特色，而且具有广大的市场前景。 四、机电一体化技术的发展趋势

1.光机电液技术

引进光学技术，实现光学技术的先天优点是能有效改进机电技术系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统，光机电技术是机电产品发展的重要趋势。

2.自律分配系统化——柔性化

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未来的机电技术产品，控制和执行系统有足够的冗余度，有较强的柔性，能较好地应付突发事件，被设计成自律分配系统。在自律分配系统中，各个子系统是独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的自律性，可根据不同的环境条件作出不同反应。

3.全息系统化——智能化

今后的机电技术产品全息特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要得益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单从上到下的形势而为复杂、有较多冗余度的双向联系。智能化是21世纪机电技术发展的重要发展方向。

4.生物软件化——仿生物系统化

今后的机电技术装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上是处于静态时不稳定，但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物，机电技术产品虽然有向生物系统化的发展趋势，但还有一段漫长的道路要走。

5.微型机电化——微型化

目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以融合，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件，这种微型机械学是机电技术的重要发展方向。

6.系统化

系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构，系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS（布式控制系统，Distributed Control System）。未来机电技术将更加注重产品与人的关系，机电技术的人格化有两层含义：一是机电技术产品的最终使用对象是人，如何赋予机电技术产品以人的智能、情感、人性越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化；另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。事实上，许多机电技术产品都是受动物的启发研制出来的。

机械电子技术正迅速与其他前沿技术相结合，并显示了巨大的生命力。主要有：

（1）与现代光学技术相结合

现代光学技术不断与机械电子技术相融合，形成光机电一体化系统。各种类型的激光加工机械，如激光切割机、激光焊接机等早已问世。在信息技术领域，激光打印机、激光照相机、光盘驱动器也已经普及。光传感器的发展，使数字相机和数字摄像机迅速更新换代，VCD和DVD早已进人千家万户。而光纤的大量应用，使通信手段更加多样化。可以预见，光机电一体化系统将以更快的步伐向前发展，并影响着人们的生活。

（2）面向现代医学

随着机械电子系统的发展，为医学诊断、治疗和康复提供了大量先进设备。CT(electronic computer X-ray tomography technique电子计算机X射线断层扫描技

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术)、NMR（Nuclear Magnetic Resonance核磁共振）已经成为医院常用的诊断设备。已开发了各种手术机器人，包括进行精细心脏手术的机器人。手术机器人不仅可以就地进行手术，还可以通过互联网远程监控实行。用于手术麻醉的麻醉浓度模糊控制系统，不需要麻醉师进行干预，其控制质量已经超过人工控制。为伤残人员设计制作的康复机器人已取得很大进展。已经设计和制作出包括假肢、矫形、遥控(利用四肢瘫痪病人仍然具有自身活动能力的部分，如舌、嘴、牙、眼等来控制机器人，从而协助他们进行某些活动)和引导盲人走路等技术。这将大大为伤残人员解除或减少痛苦，提高其生活自理能力，甚至重返劳动岗位。此外，护理机器人也正在开发之中，有报道称，日本已研制出世界上第一台仿真家庭机器人，它能够坐下或躺下，还可以自己站起来，能够照顾老人和病人，会操作复杂的机器。它有感情和知觉，还会说话，它的词汇库有6000个单词。它能在崎岖的路面上行走，摔倒后会自动站起来，听到呼唤还能应答。

（3）面向现代生物技术

现代生物技术研究的对象从微生物到各种动植物直到人类本身。现代生物技术主要研究和处理的是生物组织细胞、基因和各类生物分子。基因图谱的绘制，生物芯片的制造，基因的分离、修补和注入，以及细菌的捕获和分离等，都需要各类机械电子仪器或装备的支持。文献介绍了一种用于人类基因组DNA序列测绘的自动采样处理装置，它可以大大加快人类基因序列的测绘工作。文献则报告了一种利用激光扫描微操纵器来发现新菌种而不损害细菌所在母体的装置。这些例子从一个侧面说明机械电子技术与现代生物技术和工程相结合的情况。

（4）微/纳机械电子系统

进入新世纪后，在微机电系统发展的同时，纳米机电系统也在发展。已研制出利用碳纳米管制作的齿轮传动模型。美国贝尔实验室发明了一种利用DNA分子制成的纳米机器，可以像剪刀那样开合。虽然这些还只是原理演示性的，但却是十分有意义的。由于系统尺寸正向微米和纳米级缩小，但微/纳机械电子系统的工作原理、制造方法和材料与传统机电系统有很大差异。因此除了研究新的制造方法外，对纳米机械学和纳米摩擦学也在大力研究。微/纳机械电子系统已经或将在以下一些领域得到广泛应用和有应用前景：信息产业、生物医学、环境监测、航空航天、汽车、化学测试系统等。

五、机电一体的代表：工业机器人（留作课后查阅）

机器人总体上分为制造业机器人和非制造业机器人。 制造业机器人又称工业机器人，用于制造领域；

非制造业机器人用于非制造业，例如医用机器人、农业机器人、军用机器人等。下面主要介绍一下工业机器人的具体分类。

1.1按照机械手的几何结构来分

1.1.1直角坐标机器人此种机器人外形接近三坐标测量仪或数控镗床、铣床。3个关节都是移动关节，可分别沿笛卡尔坐标系3个正交的坐标轴往复运动，没有转动关节。优点是各关节运动相对独立，没有耦合；结构刚度好，多做成大型龙门式或框架

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式机器人；运动学反解简单，操作较方便。缺点是占地面积大，工作空间小，操作灵活性较差，适合垂直面装配等。

1.1.2柱坐标机器人此种机器人由垂直的柱子、水平机械手和底座组成。水平机械手可沿垂直的柱子上下运动，同时可水平伸缩。垂直的柱子可带着机械手在底座上移动。结构刚度较高，操作较方便，特别适合搬运工作。缺点是占地大、移动副不易保护，平衡性较差。

1.1.3极坐标机器人此种机器人有些类似坦克的塔炮。机械手能够前后自由伸缩、在垂直平面内摆动以及绕底座在水平面上转动。优点是占地面积小、工作空间大，缺点是结构刚度较小，移动副不易保护且运动控制比较复杂。

1.1.4 SCARA式机器人此种机器人有3个旋转关节和1个移动关节。3个旋转关节轴线互相平行，可在平面内进行定位和定向。移动关节用来完成末端执行器垂直与平面的运动。优点是结构刚度较大，响应快，适合精密装配及搬运等。

1.1.5关节式机器人此种机器人由两个肩关节和一个肘关节进行定位，2个或3个腕关节进行定向。优点是占地面积小，工作空间大，运动灵活；缺点是运动学计算量大。适合立体操作。

1.2按照机器人的控制方式分

1.2.1非伺服机器人（non-servo robots）这种机器人按预先编好的程序进行工作。接通电源（或其他能源）后，驱动装置带动机器人的手臂、腕部和机械手等部件运动，当运动到限位开关所设定的位置时，限位开关发出信号，制动器动作，切断电源，机械手停止动作。

1.2.2伺服控制机器人（servo-controlled robots）这种机器人的工作能力比非伺服机器人强，但是价格较高，某些情况下可靠性要差一些。工作原理是由传感器测出机器人被控制量（如速度、加速度、位置、力等），由比较器对检测值与原始设定值进行比较，得出二者的误差。误差信号经放大器放大后驱动机械手动作，进行误差补偿，以实现更加精确的速度和位置。 第四章 机械设计及理论要点： 一、机械设计发展概述 二、现代机械设计方法分类 三、全生命周期设计

四、绿色设计在煤矿机械中的应用 推荐阅读书目

1. 刘志峰编著.绿色设计.机械工业出版社 1999.12 2. 黄靖远编著.优势设计.机械工业出版社 1999.12 3. 陈立周编著.稳健设计.机械工业出版社 2000.5 4. 芮延年编著.协同设计.机械工业出版社 2003 5. 孟明辰编著.并行设计.机械工业出版社 1999.12 6. 刘宏增编著.虚拟设计.机械工业出版社 1999 7. 黄洪钟编著.模糊设计.机械工业出版社 1999.12

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8. 檀润华编著.创新设计:TRIZ:发明问题解决理论.机械工业出版社 2002 9. 闻邦椿编著.产品的主辅功能及功能优化设计.机械工业出版社 2008 10. 闻邦椿著.面向产品广义质量的综合设计理论与方法.科学出版社 2007 一、机械设计发展概述

随着人类文明的进步，人们制作了各种各样的机械和机器，并加以使用，但专为工业生产所运用、具有明显的技术特征，而又形成体系的机械设计，则是在18世纪工业革命以后的一段时间才被确立起来的。

人类在自己的生产活动中，不断地总结经验和采用最新的科学技术来推动生产向前发展；同时，在发展生产的过程中，又不断向科学技术提出新课题。这一切必然反映于机械设计发展过程。

工业发达国家，即欧美和日本各国机械设计的发展，大致经历了以下四个阶段。 第一阶段，摇篮期，由设计公式进行的经典设计

这个阶段是指从工业革命起到第二次世界大战(1940年)以前的漫长时期。当时，机械工业生产主要在欧美各国进行，他们的设计是依据经典设计公式的组合进行的。

1852—1870年间，德国人韦勒(A·Wohler)在由他发明的试验机上进行了许多重复变应力下的疲劳试验，对疲劳向题进行系统研究，提出疲劳曲线图(S—N图)和疲劳极限概念。他的疲劳试验机的基本原理和S—N图至今还在沿用。

在计算齿轮齿根弯曲疲劳强度时，所使用的“齿形系数”的数据图表，自1893年由美国人刘易斯(Lewis，W)首次发表以来，虽然齿轮材料和制造方法己有很大变化，但至今仍被沿用，而且变动很小，等等。这些工作至今仍是机械设计教学的主要内容。

第二阶段，成长期，以经验为主的实验设计

这个阶段是在第二次世界大战中和战后(1940—1960年)，主要是在美国，这是机械工业在数量方面扩大生产的时代。这一阶段的机械设计，主要是通过样机或模型试验获得基本数据，然后以此进行设计。日本的机械工业在这个阶段(主要是50年代)，屡次从美国引进技术。可以说在这期间，日本生产的机械几乎是欧美各国机械的妙本，所以他们自称为“模仿设计”阶段。

经典设计的理论和方法在这个阶段得以完备，极大地适应和促进了当时机械工业的发展。另一方面，在工业发达国家，各种现代机械设计的理论也在孕育之中。

以强度设计为例，它应兼顾三个方面内容:1、以弹性力学为基础的弹性设计；2、以屈曲等塑性破坏为对象的极限设计；3、基于安全寿命预测、许用损伤限度等的疲劳设计。在这一时期均已完成。但对于结构复杂的零件或机器，在经典设计的范围内，是无法用解析法求出其上各点应力值的。因此，人们就应用模型或样机的试验设计来完成这一任务。

第三阶段，发展期，以静态解析为主的理论设计

这个阶段(1960—1980年)是机械设计由实验设计转入理论设计的发展阶段。1960年以后，在机械生产数量增加的同时，要求提高产品质量，改进机械性能，出现了应用液压技术、电子技术等系列设计。在进行机械设计时，机械性能的确认，不再是实验验证，而是应用理论推导的方法完成。由于运用了电子计算机技术，经典设计方法

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不能解析的静态和动态问题变得清楚明确了。

这个阶段由于电子计算机的广泛应用，使各种现代机械设计的理论和方法得到发展，并日臻完善，形成体系。

(1)人们不满足经典近似粗略的应力分析，而提出有限元法、差分法和边界元法的精确分析，对复杂结构的强度、刚度、润滑、振动、传热等问题进行数值计算。

(2)不满足经典“合格设计”的观念，提出最优化设计的要求和方法。 (3)不满足经典强度、刚度的设计观点和把设计量当作常量的观点，提出可靠性设计和概率设计。

(4)不满足经典繁琐、孤立、粗略的设计方法，提出设计方法学。 (5)不满足经典的断裂理论，提出机械零件设计的断裂力学方法。 第四阶段，成熟期，以动态解析为主的理论设计

由静态解析为主的设计开始向动态解析转移，以满足机械静、动特性和低振动、低噪声的要求。

在经典设计中，一般是用静载荷乘以动载系数Kv，作为作用于构件的载荷来进地设计的，这个载荷叫做等效动载荷。但是，要正确地确定动载系数Kv却是困难的。因此，人们就提出了机械动态设计的现代设计方法。

机械动态设计，是根据机械结构和所应具备的性能，进行动力学建模，由此得到反映实际机械系统的动态特性数学模型。目前较为成熟的有如下几种方法。

(1)机械的机能解析建模法

(2)机械结构动力分析的有限元建模法 (3)传递矩阵建模法 (4)试验模态分析建模法

(5)机械结构动力学混合建模法 二、现代机械设计方法分类 第四章 车辆工程要点： 一、21世纪汽车的发展趋势 二、高速铁路的未来

三、我国军用特种车辆现状及发展 四、矿用车辆

一、21世纪汽车的发展趋势

汽车自1886年诞生至今只有一百多年的历史，但它的发展速度极快，已成为集机、电、液、气于一体，并能及时、广泛地采用世界最先进技术的交通工具。汽车的发展不仅依赖汽车行业本身的技术进步，且取决于科技、经济、社会等因素。本文从环保、节能、安全和个性化等方面探究未来汽车的发展趋势。

一、降低排放是汽车发展的必然

汽车工业的发展，给人们带来舒适便捷“汽车文明”的同时，也带来了日益严重的环境问题。在世界环境日益恶化的社会背景下，各国政府针对汽车排放制定更加严格的控制标准，因此，研究环保型汽车是未来发展的必然选择。

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（一）采用电控技术是降低排放的有效途径

20世纪60年末，汽车电子控制燃油喷射系统（EFI）和电子控制点火系统的出现，大大改善了汽车的动力性、经济性和排放性。近年来，针对汽车污染源和各种污染物的产生原理，在现代汽车尤其是轿车上装用了多种排放控制系统。可以预见，未来汽车将采用更多的电控技术以降低有害气体的排放。

（二）改善燃料品质是解决汽车污染的根本手段

目前，全世界在用车和新出厂的车基本上都采用矿物燃料，为了解决机动车产生的环境污染问题，改善燃料的品质是一个重要手段。在改善燃料品质方面，有发展潜力和使用价值的是天然气汽车（其中包括液化石油气）；从未来发展看，电动汽车无疑是个发展方向，目前多采用铅蓄电池、硫化钠蓄电池、镍镉蓄电池，其中铅蓄电池使用最广，另一类是燃料电池 (FuelCell是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置)，也是今后发展的一个重要方向。

二、降低油耗是汽车发展的当务之急

随着世界石油资源地不断减少，石油消耗量逐渐增加，原油价格持续走高，低油耗车型必然占领未来汽车市场。

（一）乘用车柴油化的比例越来越高

和汽油机比，柴油机有良好的经济性，柴油轿车比同级别的汽油轿车节省燃油费约33%～40%；柴油机比汽油机有更高的使用耐久性，从可靠度、维修度、可用度这三个方面看，柴油轿车都不容置疑地占有明显优势。（汽油机的压缩比为4～6。柴油机的压缩比为15～18）

虽然，柴油机较汽油机还有在比功率、加速性、最高车速等性能方面的缺陷，但随着柴油机技术的不断发展，特别是小型高速直喷式柴油机技术的日趋完善，使其较汽油机更为经济、排放更低，因此，装用柴油机的车型将越来越受欢迎。可以预测，十年以后世界乘用车市场柴油化的比例将超过50%。

（二）汽车轻量化和外形合理化

结合汽车运行的实际情况，汽车燃油消耗除与行驶阻力（滚动阻力和空气阻力）、发动机燃油消耗率以及传动系效率有关之外，还同停车怠速油耗、汽车附件（空调等）消耗及制动能量损耗有关。

在汽车上采用轻质材料，减轻汽车自重，是提高汽车燃油经济性的一个主要方向。为了减轻质量，轿车选用材料中的铝与复合材料的比例日益增加，高分子复合材料在汽车上的应用也会逐年增加。

合理设计汽车的外形可以大大降低汽车的燃油消耗量，提高汽车的经济性。在车身设计方面，要以追求最小风阻系数为目标，在经历了箱型、甲壳虫型、鱼型车身后演变到今天的楔型，楔型车能较好地满足空气动力学的各项特性和使用功能的要求，是目前最理想的车身造型。

三、新能源将是汽车未来的希望

汽车是石油产品的主要消耗者，据统计全世界的石油产品46%为汽车所消耗。世界汽车到2020年和2060年，预计可达12亿和25亿辆，而预测石油资源只能供给全

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世界使用到2040年和2050年左右。因此开发汽车新能源比过去任何时候都重要、更迫切。未来汽车新能源将向以下方向发展：

（一）电动汽车

电动汽车是将电能直接转化为机械能驱动车辆行驶的机动车，其优点是：电能来源方式多，直接污染及噪声小，结构简单、维修方便。但也存在蓄电池能量密度小、汽车行驶里程短、动力性差；电池重量大、寿命短、价格高；电池充电时间长；电池制造和处理存在污染等不足。

从总体看，电动汽车仍处于试验阶段，推广使用还需要一定时间，但有希望成为未来汽车主题。

（二）天然气汽车

天然气汽车的优点是天然气资源丰富，在今后相当长的时间内有充足的保障，污染很小，辛烷值高，价格低，技术成熟。但是，天然气是非再生能源，不能作为根本性的代替能源，储运不方便，新建加气站网络投资大，气态天然气能量密度小，采用天然气会降低汽车动力性，单烧天然气时须设计专门发动机等缺陷。目前，在许多国家已获得广泛使用并被大力推广，世界上有约150万辆燃用天然气汽车。

在21世纪天然气汽车将成为汽车燃料的主流之一。 （三）其他汽车

目前世界上有相当数量的汽车燃烧甲醇（乙醇）和汽油的混合燃料，这类汽车发展较缓慢，可以作为未来阶段能源的补充。由于液化石油气有污染小、储运方便、辛烷值高等优点，所以，目前世界上液化石油气汽车的保有量达到350万辆，将成为21世纪汽车燃料的主流之一。氢气汽车目前仍处于基础研究阶段，但有希望成为未来汽车的重要组成部分，前景难以预测。

尽管电动汽车还有不少问题有待解决，但在能源短缺的危机下，发展电动汽车，实现汽车工业的可持续发展已成为全世界的共识，相信电动汽车将会是21世纪的主流交通工具。

四、安全性是永恒的追求

随着汽车保有量的增长，道路交通事故已成为世界性难题。其原因较多，但从汽车构造方面提高汽车安全性是世界汽车研究的重要课题。

自20世纪80年代以来，各种汽车安全装置相继出现，同时车身防碰撞性将进一步提高，保护驾驶乘客区的安全。21世纪汽车更加注重汽车主动安全性的研究，会有更多的安全装置出现。 二、高速铁路的未来

目前，所有高速动车组都是国产的，包括CRH1/CRH2/CRH3/CRH5型。按配件数量计算，国产化率超过90%，按配件价值计算，国产化率约为70%。当然，还有部分配件虽然是国内企业提供的，但实际上是这些企业进口。加上这些，高速动车组的实际过产率约为50%。

与高铁相比，我国的飞机制造业、IT业、手机业、汽车业的过产率是多少，大家知道吗？

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看看漫天飞的空客、波音飞机，我国航空市场的国产率能有10%？家家户户用的电脑，有几个用龙芯处理器的，核心部件不都是进口的？我们只不过做了个外壳组装起来，过产率能有30%？；每个人都用了多部手机，你可知道，手机中最贵的是芯片，都是进口的，包括山寨机在内，按配件价值计算，国产率能有50%？还有满马路的汽车，特别是10万元以上的高档车，国产率能有60%？

中国高铁走了原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新的发展之路,没有创新，中国高铁的创造只能是一句空话！

高铁项目是大规模系统工程，高铁技术也绝不仅限于车辆、线路、信号等硬件设备，更包括了如何进行日常维护、发生以外时的如何应对、如何发现重大事的征兆故等常年积累起来的经验和教训。

已经掌握的高铁技术是：车体设计和空气动力学、高速道岔（250公里，部分进口）、板式轨道、列控系统（部分芯片进口）、逆变器，变流器，电动机（部分零件进口），没有掌握的主要是轴承和车轮，其实轴承和车轮不仅仅是高铁的问题。

2008年中国的高铁里程只有649公里，如今这一数字已经是8400公里了，是高铁第二大国日本的四倍。近年来，从开工、试行到开通，从时速250到300直至486.1，中国高铁的建设速度与其所能达到的时速一样，飞速上升。

铁路建设规模要适度超前，而不能过度超前，今后在具体项目安排上要“保在建、上必需、重配套”。连续多年“跨越式”发展的高铁未来将减速似乎已成为普遍的共识。

铁道部新闻发言人王勇平近日表示：“尽管近年来铁路实现了较快发展，但是在发展过程中也存在着一些不协调、不和谐、不可持续的问题。”

不协调，主要是指铁路工作与经济社会发展需求不适应，既有运输能力不足的问题，也有部分铁路建设超越地区经济社会发展水平的问题；

不和谐，指的是铁路建设和运营与人民群众的需求有的不相适应，既有群众感到不方便的问题，也有超越老百姓承受能力的问题；

不可持续，指的是铁路运营经济效益的增长，与相应的财务支出需求相比，难度越来越大，在铁路长远发展保障问题上还面临一些课题。 三、我国军用特种车辆现状及发展

特种车辆是以汽车为载体，经过改装，配备有特殊、专业用途装备的车辆。

为适应新时期的战场需求，世界各国普遍重视军用特种车辆的研制和生产。随着汽车工业的进步以及信息技术的发展，原先单一用途的军用特种车辆也在向军民两用方向发展。在我国, 由于军队、公安、气象、人防、地震等部门担负任务种类的不断拓展和细化，各个部门随之配备了大量特种装备车辆，从事专业的通信、指挥、侦查、维修、医疗、消防等工作。特种车辆所执行任务的多样化，使得车辆装备的设备类型多元化。

由野战手术车、主食加工车、多功能净水车、野战加油车、重型站台车等车型编成。

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军用特种车辆行业发展现状

1、我国军用特种车辆发展的现状

目前我国生产重型军用特种车辆的专业厂家主要有汉阳特种汽车制造厂的重型车系列、包头北方奔驰重型汽车有限责任公司的北方奔驰系列、中集车辆(山东)有限公司的铁马系列、万山特种车辆制造厂的军车系列、泰安特种车制造厂的军车系列等。生产军用挂车、军用罐车的企业遍布全国各地，其中挂车集聚地在山东梁山一带，罐车集聚地在湖北随州一带。

2、军用特种车辆的主要特征与要求

军用特种车辆除具备军民两用特种车辆的市场特点外，还有更为严格的要求: (1)强调标准化、系列化、通用化发展。一是发展系列车型，各车型按需求的装载吨级发展，总成部件的通用化程度较高。二是鞍座高度标准化，不同的牵引车与半挂车可组合使用，以供战场急需时临时组合编配;三是以通用越野汽车底盘为基础研制牵引车，降低研制成本，便于部队使用管理和维修保障。

(2)运载对象多样化。军用特种车辆不仅要运载坦克，还要充分考虑火炮、工程机械等多种重装备的运输要求，同时要求能主动装载，用于抢救战损的装备，提高军用半挂汽车列车的利用率。

(3)操作简单、方便、可靠。

军用特种车辆的支承装置、渡板等附件尽量提高操作的机械化程度，以减轻操作强度;通过桥涵时的轮胎、空气气囊放气控制要求迅速、可靠，能自动控制。

(4)改善驾驶操纵性能。逐步向采用自动变速器的方向发展，以进一步改善驾驶操纵性能和越野通过性能。

矿用车辆

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