先進制造技術與數(shù)字化制造

先進制造技術與數(shù)字化制造50年代末，世界各國制造業(yè)普遍面臨著日益激烈的全球化市場競爭，為取得競爭優(yōu)勢，紛紛開展先進制造技術的研究，提出了一系列新概念和新方法，如：虛擬制造、敏捷制造、智能制造、合弄制造、可重組制造等。一方面這反映出制造技術的重要性，另一方而也反映出制造業(yè)和制造技術所面臨的結構性問題及其所帶來的挑戰(zhàn)。在工業(yè)社會邁向信息社會時，以制造業(yè)為代表的第一產(chǎn)業(yè)有著不可替代的基礎重要性，但制造業(yè)和制造技術本身不再是一個領頭的工業(yè)和技術，有必要審視21世紀的制造業(yè)的需求及其技術的發(fā)展趨勢。一、制造技術的發(fā)展趨勢21世紀制造技術的發(fā)展將隨著市場的全球化、競爭的激烈化、需求的個性化、生產(chǎn)的人性化而體現(xiàn)出制造技術的信息化、科學化和服務化的發(fā)展趨勢。1信息化信息化是下一世紀制造技術發(fā)展的生長點。21世紀將是信息的時代，信息科學技術是信息的生產(chǎn)、采集、存貯、變換、傳遞、處理及廣泛利用的新興科技領域。以1946年第一臺計算機誕生及50年代集成電路的發(fā)明為開端，在40多年間，信息技術已成為科技發(fā)展史上最輝煌、發(fā)展最迅速的技術，信息技術將給21世紀經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來蘋命性變化，將成為經(jīng)濟社會中最重要的資源和競爭要素。制造業(yè)從50年代數(shù)控機床的發(fā)明，標志著機械制造業(yè)向著信息化走出了第一步，隨后制造信息化沿著三個方面推進，一是現(xiàn)場生產(chǎn)方而，如：NC/CNC/DNC/PLC/FMS/AC等；一是產(chǎn)品和工藝設計方面，如APT/CAD/CAM/CAE等；三是生產(chǎn)管理和集成方面，如MRPII/PDM/ERP/CIMS等。可以說信息技術改變了當代制造業(yè)的面貌。目前，計算機和網(wǎng)絡已成為制造業(yè)企業(yè)的基礎環(huán)境和重要手段，1997年統(tǒng)計，世界500強企業(yè)無一例外地建立了內(nèi)部網(wǎng)；美國波音公司利用CAD技術和Internet技術實現(xiàn)了第一架異地合作設計的、無圖紙化飛機；日本公司實現(xiàn)了通過網(wǎng)上生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)，客戶可以定量地分析所訂購的生產(chǎn)線組成、價格、性能的不同方案。制造業(yè)在知識經(jīng)濟到來時呈現(xiàn)明顯的信息化趨勢，可以說信息技術在促進當代制造業(yè)發(fā)展過程中的作用是第一位的，信息技術將在更深層次上滲透和改造傳統(tǒng)制造業(yè)。2科學化科學化既是"知識經(jīng)濟'時代對制造技術的要求，也是制造技術發(fā)展的必然。"知識經(jīng)濟'是當今世界經(jīng)濟的新趨勢，與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和工業(yè)經(jīng)濟不同，知識經(jīng)濟是以知識為基礎的經(jīng)濟，即人力資本和技術中的知識是經(jīng)濟發(fā)展的核心，未來經(jīng)濟的發(fā)展主要依賴知識和技術的推動。知識經(jīng)濟有三大特征：1)在健全的信息網(wǎng)絡下以信息流為主導的經(jīng)濟；2)以科技知識和人才教育作為兩大支柱的經(jīng)濟；3)開放合作和可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟。制造科學化的趨勢從90年代初就己顯現(xiàn)出來，美國機械工程學會有關制造的期刊和年會均更名為制造科學與工程，美國在1995年開始的下一代制造(NGM)項目中也有多個方面涉及制造知識化，如在NGM報告中提出在快速改變的環(huán)境中需要越來越多的基礎制造知識，而這種知識僅靠經(jīng)驗的積累和傳遞是不夠的，未來的制造需要科學化的制造知識。3服務化服務化是下一世紀制造業(yè)發(fā)展的新模式。今天的制造業(yè)正在向服務業(yè)演變，工業(yè)經(jīng)濟時代的以產(chǎn)品為中心的大批量生產(chǎn)正在轉向以顧客為中心的單件小批或大規(guī)模定制生產(chǎn)，快速交貨正在超越質(zhì)量和成本成為企業(yè)競爭的第一要素，網(wǎng)上制造服務風起云涌，所有這一切都顯示了制造業(yè)的服務化趨勢，這是工業(yè)經(jīng)濟邁向知識經(jīng)濟的必然。NGM項目報告中對未來企業(yè)的描述形象地展示了這樣一個趨勢："為了面對嚴酷的全球競爭，公司將不得不全球分布，用網(wǎng)絡將工廠、供應商、銷售商和服務中心連接起來，而中小企業(yè)即使它們的廠房沒有跨出國界，但當它們作為全球網(wǎng)絡的集成部分時，它們將受到這個全球化網(wǎng)絡的影響。這個全球網(wǎng)絡化的企業(yè)會是柔性的和快速響應的，而不管企業(yè)坐落在哪一個國家，而且有著不同的文化、語言和時區(qū)，它們必須適應不同的價值觀、金融系統(tǒng)和政府法令，它們通過網(wǎng)絡連接全球分布的工廠和經(jīng)銷商，為全球顧客提供每大24小時、每周7大的服務。'二、數(shù)字化制造數(shù)字化制造是席卷全球的數(shù)字化浪潮中的關鍵環(huán)節(jié)，它的本質(zhì)是支持信息化或知識化制造業(yè)的技術。如果從知識的產(chǎn)生、傳播和應用的角度看，數(shù)字化制造的第一個層次是知識化，即制造科學。沒有對制造的科學理解，就無法形成有關制造的科學知識，不能將制造計算機化，也談不上制造的數(shù)字化；數(shù)字化制造的第二個層次是網(wǎng)絡化，網(wǎng)絡作為一種新興的傳播媒介，正在或己經(jīng)改變著世界，通過網(wǎng)絡，制造知識會更快和有效地傳播，從而推動制造進入信息高速公路；數(shù)字化制造的第二個層次是可視化，友好的人機界面促進了制造知識的使用。目前各國己經(jīng)提出了許多光驅(qū)性的概念和理論，包括敏捷制造、網(wǎng)絡化設計與制造、虛擬制造、計算制造、計算機集成制造等。這此理論與數(shù)字化制造均存在相異之處。1網(wǎng)絡化設計與制造90年代美國提出敏捷制造作為下一世紀制造發(fā)展戰(zhàn)略，并在此領域進行大量的研究。主要包括：①基于網(wǎng)絡的快速制造。美國國家自然社學基金投資的二個敏捷制造研究院項目，一個是設在UlUC的機床敏捷制造研究院，其研究重點是展示軟件測試平臺和基于網(wǎng)絡的開發(fā)中心；另一個是設在Texas大學的航空敏捷制造研究院，其研究重點是供應商集成(生產(chǎn)計劃系統(tǒng))和裝配工具快速設計和制成(CAD/CAPP/CAM)；第三個是設在Resselaer理工學院的敏捷制造研究院，研究重是分布的電子制造(MultipathAgility)和實現(xiàn)7天PCB生產(chǎn)。②美國能源部則投資設立敏捷制造使能技術項目，展習、快速的顧客驅(qū)動的制造。③敏捷企業(yè)信息基礎結構，為國家工業(yè)信息基礎結構協(xié)議項目。該項目的目標是建立國家支持的統(tǒng)一跨企業(yè)協(xié)作環(huán)境與協(xié)議。④敏捷制造信息基礎結構項目，其焦點是網(wǎng)絡與應用服務，實現(xiàn)對網(wǎng)上公共的和分布的分析和設計工具庫的安全、有效和可靠的訪問。在國內(nèi)，也有許多學者提出相關的概念，如西安交通大學提出的"現(xiàn)代設計與產(chǎn)品開發(fā)網(wǎng)絡'的思想。與數(shù)字化制造相比，其相同點為網(wǎng)絡化制造，其不同點在于它強調(diào)的是信息，數(shù)字化制造則強調(diào)的是知識。2虛擬制造這是一個在90年代初由美國軍方首先提出的概念，簡單地說虛擬制造就是借助于快速發(fā)展的高性能計算技術和計算機圖形圖象技術，對企業(yè)的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動進行建模，在真實制造實現(xiàn)之前，實現(xiàn)計算機上的產(chǎn)品設計、加工制造、計劃制定、生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管理、成本財務管理、質(zhì)量管理以及市場營銷等。虛擬制造的概念得到了學術界的廣泛認可，美國、歐洲、日本和我國的研究者己開展了大量的研究。與數(shù)字化制造相比，虛擬制造首先強調(diào)仿真，強調(diào)可視化技術的運用。3計算制造由華中理工大學提出，是指利用計算機對制造過程和制造系統(tǒng)進行形式化建模、仿真、推理和運算，使各種現(xiàn)代數(shù)學理論與數(shù)學方法在計算制造中獲得廣泛而有效的應用。其核心內(nèi)容是解決制造過程中的各種計算問題及其復雜性分析。4計算機集成制造此概念提出較早，在我國經(jīng)過多年的863/CIMS的攻關，有著大量成功的應用經(jīng)驗，不論是信息集成、過程集成、企業(yè)集成還是跨企業(yè)集成，計算機集成制造的核心是集成。5數(shù)字化制造數(shù)字化制造繼承了上述一此概念，但又不同于上述概念，精確地為數(shù)字化制造定義還需要更多的探索。我們認為，數(shù)字化制造首先是一種技術，它是將現(xiàn)代信息技術(如網(wǎng)絡技術、圖形技術等)與制造科學技術在更深的層次上結合產(chǎn)生的交叉學科技術，這些技術構成數(shù)字化制造的使能技術群，如：制造過程的建模與仿真、網(wǎng)絡化敏捷制造、數(shù)字化樣機技術、開放式控制器等。數(shù)字化制造還是一種方法，因為數(shù)字化對制造的沖擊就象其對我們生活的沖擊，不僅僅是生產(chǎn)工具方面的，而且是生產(chǎn)方式方面的，如：在制造過程仿真領域，一方面是大量文章提出的各種各樣的模型，另一方面我們卻因很難借用別人的模型而不得不在同一水平研制自己的模型，大量地重復量變卻很難有質(zhì)變，而網(wǎng)絡化突破了這種極限，改變我們研究的方式，通過網(wǎng)絡我們可以方便地共享，從而更快地從模型數(shù)量上的變化變成模型質(zhì)量上的變化。一個軟件業(yè)例子是LINUX操作系統(tǒng)，當大量的資金和人力投入新的操作系統(tǒng)軟件，嘗試改變Mi-crosoft公司的Windows操作系統(tǒng)的壟斷地位而不能成功時，幾位大學生在網(wǎng)上卻研制出了LINUX，其原因在于網(wǎng)絡將世界各地的愛好者連接在一起，每人貢獻一部分工作，從而迅速由一種量變(代碼數(shù)量上的變化)變成質(zhì)變(高質(zhì)量的操作系統(tǒng))，這在以前是不可能的。數(shù)字化將改變制造業(yè)的面貌，深刻地改變著與制造有關的各種生產(chǎn)力方式。從更高層次上，數(shù)字化制造是一種理念，是一種符合當代數(shù)字化革命的新的制造模式、方法和技術。三、數(shù)字化制造的幾個關鍵技術1制造過程的建模與仿真制造過程的建模與仿真是在一臺計算機上用解析或數(shù)值的辦法表達或建模制造過程，建模通?；谥圃旃に嚤旧淼奈锢砗突瘜W知識，并為實驗所驗證。今天，仿真與建模己成為推進制造過程設計、優(yōu)化和控制的有效手段，并已有一些成功運用的例子，如：噴氣引擎部件的"高溫鍛制'，在開發(fā)和設計制造工藝時，仿真開始代替全規(guī)模的工藝實驗，使得花費的時間與成本大大降低，航空葉片零件的加工前仿真，使葉片零件的制造質(zhì)量和效率得以大大提高。仿真和建模最重要的工作是優(yōu)化工藝參數(shù)來確保用最高的質(zhì)量價格比制造符合設計要求的零件。美國國家研究委員會(NationalResearchCouncil)的戰(zhàn)略報告中將建模與仿真技術作為六項最重要的關鍵技術，"下一代的制造(NGM)'報告中也將建模與仿真作為下一代制造技術的下個發(fā)展的重點之一。在下一世紀的制造中，建模與仿真技術將不僅是一種支持技術，而且成為企業(yè)運行的一種新方法，使得虛擬生產(chǎn)成為現(xiàn)實。所有的生產(chǎn)決策都將基于建模與仿真工具而不是試制測試方法，建模與仿真工具將不再只是技術人員的領域，而成為企業(yè)中從產(chǎn)品實現(xiàn)到生產(chǎn)和商務過程各個環(huán)節(jié)的工具。建模與仿真方法的優(yōu)點是減少硬件原型，提高新產(chǎn)品的上市速度，有效優(yōu)化產(chǎn)品與生產(chǎn)，與試制測試方法相比降低了資源消耗與成本。建模與仿真方法的關鍵技術包括建立國家模型庫、改進建模與仿真工具界面，發(fā)展制造工程物理學模型、發(fā)展模型集成方法與標準、發(fā)展混合模型技術等，其中基本單元工藝和裝備的模型是研究的基礎。2網(wǎng)絡化敏捷設計與制造利用快速發(fā)展的網(wǎng)絡技術，改善企業(yè)對市場的響應性。在這項技術上美國企業(yè)己經(jīng)開始應用并取得了明顯的效益。我國企業(yè)向國際接軌就必須在此領域開展研究，盡快掌握和趕上。網(wǎng)絡化敏捷設計與制造重點發(fā)展領域應包括：敏捷信息基礎結構(合作企業(yè)模型，中國企業(yè)信息基礎結構及其標準，跨企業(yè)的敏捷設計與制造的信息基礎結構及其集成方法，基于供應商的設計與制造，面向設計的合作支持技術，跨企業(yè)合作管理技術)和使能技術(敏捷產(chǎn)品設計技術，敏捷工藝設計技術，基于網(wǎng)絡的研究開發(fā)，敏捷生產(chǎn)技術)。3虛擬產(chǎn)品開發(fā)虛擬產(chǎn)品開發(fā)有四個核心要素：數(shù)字化產(chǎn)品和過程模型(一個在真實產(chǎn)品實現(xiàn)之前存在的數(shù)字化模型)、產(chǎn)品信息管理(關聯(lián)的數(shù)字化模型要求管理并行設計與分析，供應伙伴通訊和顧客評