機械制造技術(shù)：先進制造技術(shù)概述

機械制造技術(shù)：先進制造技術(shù)概述一、先進制造技術(shù)的內(nèi)涵及特點1．先進制造技術(shù)的內(nèi)涵目前對先進制造技術(shù)尚沒有一個明確的、一致公認的定義，經(jīng)過近年來對發(fā)展先進制造技術(shù)方面開展的工作，通過對其特征的分析研究，可以認為：先進制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、加工、檢測、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高對動態(tài)多變的市場的適應(yīng)能力和競爭能力的制造技術(shù)的總稱。2．先進制造技術(shù)的特點（1）先進制造技術(shù)的實用性先進制造技術(shù)最重要的特點在于，它首先是一項面向工業(yè)應(yīng)用，具有很強實用性的新技術(shù)。從先進制造技術(shù)的發(fā)展過程，從其應(yīng)用于制造全過程的范圍，特別是達到的目標與效果，無不反映這是一項應(yīng)用于制造業(yè)，對制造業(yè)、對國民經(jīng)濟的發(fā)展可以起重大作用的實用技術(shù)。先進制造技術(shù)的發(fā)展往往是針對某一具體的制造業(yè)（如汽車制造、電子工業(yè)）的需求而發(fā)展起來的先進、適用的制造技術(shù)，有明確的需求導(dǎo)向的特征；先進制造技術(shù)不是以追求技術(shù)的高新為目的，而是注重產(chǎn)生最好的實踐效果，以提高效益為中心，以提高企業(yè)的競爭力和促進國家經(jīng)濟增長和綜合實力為目標。（2）先進制造技術(shù)應(yīng)用的廣泛性先進制造技術(shù)相對傳統(tǒng)制造技術(shù)在應(yīng)用范圍上的一個很大不同點在于，傳統(tǒng)制造技術(shù)通常只是指各種將原材料變成成品的加工工藝，而先進制造技術(shù)雖然仍大量應(yīng)用于加工和裝配過程，但由于其組成中包括了設(shè)計技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)，因而則將其綜合應(yīng)用于制造的全過程，覆蓋了產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)準備、加工與裝配、銷售使用、維修服務(wù)甚至回收再生的整個過程。（3）先進制造技術(shù)的動態(tài)特征由于先進制造技術(shù)本身是在針對一定的應(yīng)用目標，不斷地吸收各種高新技術(shù)逐漸形成、不斷發(fā)展的新技術(shù)，因而其內(nèi)涵不是絕對的和一成不變的。反映在不同的時期，先進制造技術(shù)有其自身的特點；也反映在不同的國家和地區(qū)，先進制造技術(shù)有其本身重點發(fā)展的目標和內(nèi)容，通過重點內(nèi)容的發(fā)展以實現(xiàn)這個國家和地區(qū)制造技術(shù)的跨越式發(fā)展。（4）先進制造技術(shù)的集成性傳統(tǒng)制造技術(shù)的學(xué)科、專業(yè)單一獨立，相互間的界限分明；先進制造技術(shù)由于專業(yè)和學(xué)科間的不斷滲透、交叉、融合，界線逐漸淡化甚至消失，技術(shù)趨于系統(tǒng)化、集成化、已發(fā)展成為集機械、電子、信息、材料和管理技術(shù)為一體的新型交叉學(xué)科。因此可以稱其為“制造工程”。（5）先進制造技術(shù)的系統(tǒng)性統(tǒng)制造技術(shù)一般只能駕馭生產(chǎn)過程中的物質(zhì)流和能量流。隨著微電子、信息技術(shù)的引入，使先進制造技術(shù)還能駕馭信息生成、采集、傳遞、反饋、調(diào)整的信息流動過程。先進制造技術(shù)是可以駕馭生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)工程。先進制造技術(shù)的產(chǎn)生往往要系統(tǒng)地考慮到制造的全過程，如并行工程就是集成地、并行地設(shè)計產(chǎn)品及其零部件和相關(guān)各種過程的一種系統(tǒng)方法。先進的制造模式除了考慮產(chǎn)品的設(shè)計、制造全過程外，還需要更好地考慮到整個的制造組織。（6）先進制造技術(shù)強調(diào)的是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)先進制造技術(shù)的核心是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔等基礎(chǔ)制造技術(shù)，它是從傳統(tǒng)的制造工藝發(fā)展起來的，并與新技術(shù)實現(xiàn)了局部或系統(tǒng)集成，其重要的特征是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)。這意味著先進制造技術(shù)除了通常追求的優(yōu)質(zhì)、高效外，還要針對21世紀人類面臨的有限資源與日益增長的環(huán)保壓力的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，要求實現(xiàn)低耗、清潔。此外，先進制造技術(shù)也必須面臨人類在21世紀消費觀念變革的挑戰(zhàn)，滿足對日益“挑剔”的市場的需求，實現(xiàn)靈活生產(chǎn)。（7）先進制造技術(shù)最終的目標是要提高對動態(tài)多變的產(chǎn)品市場的適應(yīng)能力和競爭能力為確保生產(chǎn)和經(jīng)濟效益持續(xù)穩(wěn)步的提高，能對市場變化做出更靈敏的反應(yīng)，以及對最佳技術(shù)效益的追求，提高企業(yè)的競爭能力，先進制造技術(shù)比傳統(tǒng)的制造技術(shù)更加重視技術(shù)與管理的結(jié)合，更加重視制造過程組織和管理體制的簡化以及合理化，從而產(chǎn)生了一系列先進的制造模式。隨著世界自由貿(mào)易體制的進一步完善，以及全球交通運輸體系和通信網(wǎng)絡(luò)的建立，制造業(yè)將形成全球化與一體化的格局，新的先進制造技術(shù)也必將是全球化的模式。二、先進制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)1．AMST多層次先進制造技術(shù)體系先進制造技術(shù)是制造業(yè)為了提高競爭力以適應(yīng)時代要求，對制造技術(shù)不斷優(yōu)化及推陳出新而形成的高新技術(shù)群。在不同的國家、不同的發(fā)展階段，先進制造技術(shù)有不同的內(nèi)容及組成。第一個層次是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔基礎(chǔ)制造技術(shù)。鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、表面保護、機械加工等基礎(chǔ)工藝至今仍是生產(chǎn)中大量采用、經(jīng)濟適用的技術(shù)，這些基礎(chǔ)工藝經(jīng)過優(yōu)化而形成的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔基礎(chǔ)制造技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心及重要組成部分。這些基礎(chǔ)技術(shù)主要有精密下料、精密塑性成形、精密鑄造、精密加工、精密測量、毛坯強韌化、精密熱處理、優(yōu)質(zhì)高效連接技術(shù)、功能性防護涂層及各種與設(shè)計有關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)、各種現(xiàn)代管理技術(shù)。第二個層次是新型的制造單元技術(shù)。這是在市場需求及新興產(chǎn)業(yè)的帶動下，制造技術(shù)與電子、信息、新材料、新能源、環(huán)境科學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代管理等高新技術(shù)結(jié)合而形成的嶄新制造技術(shù)，如制造業(yè)自動化單元技術(shù)、極限加工技術(shù)、質(zhì)量與可靠性技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)、CAD／CAM、清潔生產(chǎn)技術(shù)、新材料成形加工技術(shù)、激光與高密度能源加工技術(shù)、工藝模擬及工藝設(shè)計優(yōu)化技術(shù)等。第三個層次是先進制造集成技術(shù)。這是應(yīng)用信息技術(shù)和系統(tǒng)管理技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫對上述兩個層次的技術(shù)集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS以及虛擬制造技術(shù)等。2．先進制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)（1）主體技術(shù)群①面向制造的設(shè)計技術(shù)群；②制造工藝技術(shù)群。（2）支撐技術(shù)群（3）制造基礎(chǔ)設(shè)施（制造技術(shù)環(huán)境）上述三部分相互聯(lián)系，相互促進，組成一個完整的體系，每一部分均不可缺少，否則就很難發(fā)揮預(yù)期的整體功能效益。FCCSET先進制造技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容如圖7-2所示。7．1．3先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢在21世紀中，隨著電子、信息等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著市場需求個性化與多樣化，未來先進制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢是向精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化、全球化的方向發(fā)展。當前先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢大致有以下幾個方面：⑴信息技術(shù)對先進制造技術(shù)的發(fā)展起著越來越重要的作用信息化是當今社會發(fā)展的趨勢，信息技術(shù)正在以人們想象不到的速度向前發(fā)展。信息技術(shù)也正在向制造技術(shù)注入和融合，促進著制造技術(shù)的的不斷發(fā)展。可以說先進制造技術(shù)的形成與發(fā)展，無不與信息技術(shù)的應(yīng)用與注入有關(guān)。它使制造技術(shù)的技術(shù)含量提高，使傳統(tǒng)制造技術(shù)發(fā)生質(zhì)的變化。信息技術(shù)對制造技術(shù)發(fā)展的作用目前已占第一位。在21世紀對先進制造技術(shù)的各方面發(fā)展將起著更重要的作用。信息技術(shù)促進著設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)代化，加工制造的精密化、快速化，自動化技術(shù)的柔性化、智能化，整個制造過程的網(wǎng)絡(luò)化、全球化。各種先進生產(chǎn)模式的發(fā)展，如CIMS、并行工程、精益生產(chǎn)、靈捷制造、虛擬企業(yè)與虛擬制造，也無不以信息技術(shù)的發(fā)展為支撐。⑵設(shè)計技術(shù)不斷現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計是制造業(yè)的靈魂?，F(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的主要發(fā)展趨勢是：①設(shè)計手段的計算機化在實現(xiàn)了計算機計算、繪圖的基礎(chǔ)上，當前突出反映在數(shù)值仿真或虛擬現(xiàn)實技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用，以及現(xiàn)代產(chǎn)品建模理論的發(fā)展上，并且向智能化設(shè)計方向發(fā)展。②新的設(shè)計思想和方法不斷出現(xiàn)如并行設(shè)計、面向“X”的設(shè)計、健壯設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、反求工程技術(shù)等。③向全壽命周期設(shè)計發(fā)展傳統(tǒng)的設(shè)計只限于產(chǎn)品設(shè)計，全壽命周期設(shè)計則由簡單的、具體的、細節(jié)的設(shè)計轉(zhuǎn)向復(fù)雜的總體的設(shè)計和決策，要通盤考慮包括設(shè)計、制造、檢測、銷售、使用、維修、報廢等階段的產(chǎn)品的整個生命周期。④設(shè)計過程由單純考慮技術(shù)因素轉(zhuǎn)向綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟和社會因素設(shè)計不只是單純追求某項性能指標的先進和高低、而是注意考慮市場、價格、安全、美學(xué)、資源、環(huán)境等方面的影響。⑶成形及改進制造技術(shù)向精密、精確、少能耗、無污染方向發(fā)展成形制造技術(shù)是鑄造、塑性加工、連接、粉末冶金等單元技術(shù)的總稱。展望21世紀，成形制造技術(shù)正在從制造工件的毛坯、從接近零件形狀向直接制成工件精密成形或稱凈成形的方向發(fā)展。據(jù)國際機械加工技術(shù)協(xié)會預(yù)測，到下世紀初，塑性成形與磨削加工相結(jié)合，將取代大部分中小零件的切削加工。改性技術(shù)主要包括熱處理及表面工程各項技術(shù)。主要發(fā)展趨勢是通過各種新型精密熱處理和復(fù)合處理使零件達到性能精確、形狀尺寸精密以及獲得各種特殊性能要求的表面（涂）層，同時大大減少能耗及完全消除對環(huán)境的污染。⑷加工制造技術(shù)向著超精密、超高速以及發(fā)展新一代制造裝備的方向發(fā)展①超精密加工技術(shù)目前加工精度達到0.025μm，表面粗糙度達0.0045μm，已進入納米級加工時代。超精切削厚度由目前的紅外波段向可見光波段甚至更短波段近；超精加工機床向多功能模塊化方向發(fā)展；超精加工材料由金屬擴大到非金屬。②超高速切削目前鋁合金超高速切削的切削速度已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金為300m/min，鈦合金200m/min。超高速切削的發(fā)展已轉(zhuǎn)移到一些難加工材料的切削加工。③新一代制造裝備的發(fā)展市場競爭和新產(chǎn)品、新技術(shù)、新材料的發(fā)展推動著新型加工設(shè)備的研究與開發(fā)，其中典型的例子是“并聯(lián)桁架式結(jié)構(gòu)數(shù)控機床”（或俗稱“六腿”機床）的發(fā)展。它突破了傳統(tǒng)機床的結(jié)構(gòu)方案，采用六個軸長短的變化，以實現(xiàn)刀具相對于工件的加工位置的變化。⑸工藝由技藝發(fā)展為工程科學(xué)，工藝模擬技術(shù)得到迅速發(fā)展先進制造技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢是，工藝設(shè)計由經(jīng)驗判斷走向定量分析，加工工藝由技藝發(fā)展為工程科學(xué)。熱加工過程的數(shù)值模擬與物理模擬是一個重要的發(fā)展方向，是使熱加工工藝由技藝走向科學(xué)的重要標志。應(yīng)用數(shù)值模擬于鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等工藝設(shè)計中，并與物理模擬和專家系統(tǒng)相結(jié)合，來確定工藝參數(shù)，優(yōu)化工藝方案，預(yù)測加工過程中可能產(chǎn)生的缺陷及應(yīng)采取的防止措施，控制和保護加工工件的質(zhì)量。采用這種科學(xué)的模擬技術(shù)并與少量的實驗驗證結(jié)合，以代替過去一切都要通過大量重復(fù)實驗的方法，不僅可以節(jié)省大量的人力和物力，而且還可以通過數(shù)值模擬來解決一些目前無法在實驗室進行直接研究的復(fù)雜問題工藝模擬也發(fā)展并應(yīng)用于金屬切削加工過程、產(chǎn)品設(shè)計過程。最新的進展是在并行工程環(huán)境下，開展虛擬成形制造，使得在產(chǎn)品的設(shè)計完成時，成形制造的準備工作（如鑄造）也同時完成。⑹專業(yè)、學(xué)科間的界限逐漸淡化、消失先進制造技術(shù)的不斷發(fā)展，在冷熱加工之間，加工、檢測、物流、裝配過程之間，設(shè)計、材料應(yīng)用、加工制造之間，其界限均逐漸淡化，逐步走向一體化。例如，CAD、CAPP、CAM的出現(xiàn)，使設(shè)計、制造成為一體；精密成形技術(shù)的發(fā)展，使熱加工可能直接提供接近最終形狀、尺寸的零件，它與磨削加工相結(jié)合，有可能覆蓋大部分零件的加工，淡化了冷熱加工的界限；快速原型／零件制造（RPM）技術(shù)的產(chǎn)生，是近20年制造領(lǐng)域的一個重大突破，它可以自動而迅速地將設(shè)計思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零件，淡化了設(shè)計、制造的界限；機器人加工工作站及FMS的出現(xiàn)，使加工過程、檢測過程、物流過程融為一體；現(xiàn)代制造系統(tǒng)使得自動化技術(shù)與傳統(tǒng)工藝密不可分；很多新材料的配制與成型是同時完成的，很難劃清材料應(yīng)用與制造技術(shù)的界限。這種趨勢表現(xiàn)在生產(chǎn)上是專業(yè)車間的概念逐漸淡化，將多種不同專業(yè)的技術(shù)集成在一臺設(shè)備、一條生產(chǎn)線、一個工段或車間里的生產(chǎn)方式逐漸增多。⑺綠色制造將成為21世紀制造業(yè)的重要特征日趨嚴格的環(huán)境與資源的約束，使綠色制造業(yè)顯得越來越重要，它將是21世紀制造業(yè)的重要特征，與此相應(yīng)，綠色制造技術(shù)也將獲得快速的發(fā)展。主要體現(xiàn)在：①綠色產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)使產(chǎn)品在生命周期符合環(huán)保、人類健康、能耗低、資源利用率高的要求。②綠色制造技術(shù)在整個制造過程，使得對環(huán)境負面影響最小，廢棄物和有害物質(zhì)的排放最小，資源利用效率最高。綠色制造技術(shù)主要包含了綠色資源、綠色生產(chǎn)過程和綠色產(chǎn)品三方面的內(nèi)容。③產(chǎn)品的回收和循環(huán)再制造例如，汽車等產(chǎn)品的拆卸和回收技術(shù)，以及生態(tài)工廠的循環(huán)式制造技術(shù)。它主要包括生產(chǎn)系統(tǒng)工廠——致力于產(chǎn)品設(shè)計和材料處理、加工及裝配等階段，恢復(fù)系統(tǒng)工廠——主要對產(chǎn)品（材料使用）生命周期結(jié)束時的材料處理循環(huán)。⑻虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中獲得越來越多的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括虛擬制造技術(shù)和虛擬企業(yè)兩個部分。虛擬制造技術(shù)將從根本上改變了設(shè)計、試制、修改設(shè)計、規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造模式。在產(chǎn)品真正制出之前，首先在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品進行試驗，對其性能和可制造性進行預(yù)測和評價，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計與制造周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)快速響應(yīng)市場變化的能力。虛擬企業(yè)是為了快速響應(yīng)某一市場需求，通過信息高速公路，將產(chǎn)品涉及到的不同企業(yè)臨時組建成為一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系、統(tǒng)一指揮的合作經(jīng)濟實體。虛擬企業(yè)的特點是企業(yè)的功能上的不完整、地域上的分散性和組織結(jié)構(gòu)上的非永久性，即功能的虛擬化、組織的虛擬化、地域的虛擬化。⑼信息技術(shù)、管理技術(shù)與工藝技術(shù)緊密結(jié)合，先進制造生產(chǎn)模式獲得不斷發(fā)展制造業(yè)在經(jīng)歷了少品種小批量——少品種大批量——多品種小批量生產(chǎn)模式