先进制造技术的应用及发展Word文档下载推荐.docx

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先进制造技术机械制造业关系对策应用特点柔性制造系统制造方式

前言

制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，伴随着世界经济日益国际化，更兼并着科学技术的不断发展与突飞猛进，工业化的发展程度，成为一个国家在世界地位中凸显的重要标志之一，为此，先进技术则成为此领域内的一项重要技术之一。

制造业其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。

在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。

专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。

其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。

随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。

尤其高效高质量制造技术被广泛应用于飞机、汽车、造船、模具制造业、特殊材料加工以及航空航天、国防事业等。

先进制造技术逐步成为衡量一国家工业化的核心标志，并对一个国家的、经济、航空航天、国防事业作出重大贡献。

并逐步成为推动世界先进技术向高端技术发展重要标志。

1什么是先进制造技术

1.1先进制造技术的含义及提出背景

先进制造技术（AdvancedManufacturingTechnology）,人们往往用AMT来概括由于微电子技术、自动化技术、信息技术等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。

主要包括：

计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。

AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。

　1993年，美国政府批准了由联邦科学、工程与技术协调委员会（FCCSET）主持实施的先进制造技术计划（AdvancedManufacturingTechnology－AMT）计划

先进制造技术计划（AdvancedManufacturingTechnology－AMT）是美国根据本国制造业面临的挑战和机遇,为增强制造业的竞争力和促进国家经济增长,首先提出了先进制造技术（AdvancedManufacturingTechnology）的概念。

此后,欧洲各国、日本以及亚洲新兴工业化国家如韩国等也相继作出响应。

先进制造技术AMT（AdvancedManufacturingTechnology）是在传统制造的基础上，不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理技术等方面的成果，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，也是取得理想技术经济效益的制造技术的总称。

当前的金融危机也许还会催生新的先进制造制造技术，特别在生产管理技术方面。

先进制造技术不是一般单指加工过程的工艺方法，而是横跨多个学科、包含了从产品设计、加工制造、到产品销售、用户服务等整个产品生命周期全过程的所有相关技术，涉及到设计、工艺、加工自动化、管理以及特种加工等多个领域，并逐步融合与集成。

可基本归纳为以下四个方面：

先进的工程设计技术、先进制造工艺技术、制造自动化技术、先进生产管理技术、制造哲理与生产模式。

1.2先进制造技术的特点

（1）先进制造技术是制造技术的最新发展阶段,是面向21世纪的技术,制造业是社会物质文明的保证,是与人类社会一起动态发展的,因此,制造技术必然也将随着科技进步而不断更新。

先进制造技术是制造技术的最新发展阶段,是由传统的制造技术发展而来,保持了过去制造技术中的有效要素;

但随着高新技术的渗入和制造环境的变化,已经产生了质的变化,先进制造技术是制造技术与现代高新技术结合而产生的一个完整的技术群,是一类具有明确范畴的新的技术领域,是面向21世纪的技术。

（2）先进制造技术是面向工业应用的技术,先进制造技术应能适合于在工业企业推广并可取得很好的经济效益,先进制造技术的发展往往是针对某一具体的制造业（如汽车工业、电子工业）的需求而发展起来的适用的先进制造技术,有明显的需求导向的特征。

先进制造技术不是以追求技术的高新度为目的,而是注重产生最好的实践效果,以提高企业的竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。

　　（3）先进制造技术是面向全球竞争的目前每一国家都处于全球化市场中。

一个国家的先进制造技术是支持该国制造业在全球范围市场的竞争力。

因此,先进制造技术的主体应具有世界水平。

但是,每个国家的国情也将影响到从现有的制造技术水平向先进制造技术的过渡战略和措施。

我国正在以前所未有的速度进入全球化的国际市场,开发和应用适合国情的先进制造技术势在必行。

1.3先进制造技术的应用

近年，随着经济的高速发展和科学的不断进步，高速度、高质量、高效率逐渐被广大公司所追求，于是先进的制造技术就被提上日程。

目前对于先进制造技术尚未有一明确的定义。

普遍认为：

先进制造技术是制造业不断吸收、改进、提高信息技术和现代管理技术的成果，并将其运用于产品设计、加工、检测、生产管理、产品销售、使用、回收等制造全过程技术的总称。

纵观历史，现代制造技术形成和发展至今也只有是近十年间的事。

上世纪，美国的一批学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”，把传统的制造业视为“夕阳工业”，因而制造技术的发展受到极大的阻碍。

然而由于美国根据本国面临的挑战与机遇，对其制造业存在的问题进行了深刻反省，重新认识到制造业在国民经济中的地位和作用。

此时，由于计算机信息技术的发展，也全面推动了制造技术的飞跃发展。

于是，先进制造技术的概念逐步形成。

而我国，机械科学研究院提出了多层次技术群构成的先进制造技术体系。

第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术，它是先进制造技术的核心。

第二个层次是新型的制造单元技术。

这是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新制造技术。

第三个层次是先进制造集成技术。

这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的。

1.3.1先进制造业的工艺基础

毛坯制造是机械制造工艺的基础和前提。

近几年，出现了许多先进的制造工艺及技术。

铸造方面出现了一套精密洁净铸造成形工艺，例如，外热风冲天炉熔炼、处理、保护成套技术；

钢液精炼与保护技术；

气化模铸造工艺与设备等。

锻压方面出现了精确高效塑性成型技术，主要有热精锻生产线成套技术；

冷温成型成套技术；

辊锻和楔横轧成形技术；

精密冲裁工艺及设备等。

焊接与切割方面出现了新型焊接电源及控制技术；

激光焊接技术；

微连接技术；

数控切割技术等。

机械加工是机械制造工艺的主要组成部分，而且并逐渐向高效、高精度方向发展。

主要有精密加工和超精密加工；

高速切削与高速磨削；

复杂型面的数控加工；

游离磨料的高效加工等。

1.3.2先进制造工艺的特点

先进性：

先进制造工艺的先进性主要表现在优质、高效、低耗、洁净、灵活（柔性）五个方面。

优质：

加工制造出的零件或整机质量高，性能好；

零部件尺寸精确，表面光洁，内部组织致密，无缺陷及杂质，使用性能好；

整机的结构、色彩美观宜人，使用寿命和可靠性高

高效：

生产效率及劳动生产率高，大大降低了操作者的劳动强度。

低耗：

节省原材料及能源。

洁净：

生产过程不污染环境，零排放或少排放。

灵活：

能快速对市场变化及产品设计的更改作出反应，适应多品种柔性生产。

实用性

先进制造工艺的实用性主要表现在两个方面。

一是应用普遍性，它是当今或不久将来机械工厂量大面广的看家工艺；

；

二是经济适用性，它一般投资不高，且有不同档次，宜于工厂根据本身的条件通过技术改造予以采纳。

前沿性

先进制造工艺的前沿性主要表现在：

先进制造工艺是高新技术产业化或传统工艺高新技术化的结果，它们是制造工艺研究最为活跃的前沿领域。

部分先进制造工艺可能目前应用还不广泛，但是它们代表着某些发展方向，而且可望会得到越来越广泛的应用。

因此，先进制造工艺就是机械工厂普遍能够采用，具有直接推广价值或广阔应用前景的一系列优质、高效、低耗、洁净、灵活工艺的总称。

2先进制造技术的先进模式

制造生产模式是制造业为了提高产品质量、市场竞争力、生产规模和生产速度，以完成特定的生产任务而采取的一种有效的生产方式和一定的生产组织形式。

制造生产模式具有鲜明的时代性。

现代先进制造生产模式是从传统的制造生产模式中发展、深化和逐步创新的过程而来。

工业化时代的福特大批量生产模式是以提供廉价的产品为主要目的；

信息化时代的柔性生产模式、精益生产模式、敏捷制造模式等是以快速满足顾客的多样化需求为主要目的；

未来发展趋势是知识化时代的绿色制造生产模式，它是以产品的整个生命周期中有利于环境保护减少能源消耗为主要目的。

在传统制造技术逐步向现代高新技术发展、渗透、交汇和演变的过程中，形成了先进制造技术的同时，出现了一系列先进制造模式。

根据国际生产工程学会（CIRP）近10年的统计，发达国家所涌现的先进制造系统和先进制造生产模式就多达33种。

发达国家制造业企业，特别是跨国公司和创新型中小企业已广泛采用了一些新的制造模式和制造系统，如：

柔性制造系统（FMS）；

计算机集成制造系统（CIMS）；

精益生产模式（LP）；

清洁生产模式（CP）；

高效快速重组生产系统；

虚拟制造模式（VM）等。

目前，正在开发下一代制造和生产模式，如：

并行工程和协同制造（HM）、生物制造（BM）、网络化制造和下一代制造系统（NGMS）等。

一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。

二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。

三精益生产模式该生产模式是由1990年美国麻省理工学院在总结第二次世界大战后以丰田汽车为代表的日本制造工业的经验时提出的。

这种模式以改革企业生产管理为特点，其基本要求是企业在生产过程中要同时获得极高的生产率、最好的产品质量和极大的生产柔性，使所生产出的产品具有精益特点。

它可消除制造企业因采用大量生产方式所造成的过于臃肿和浪费的缺点，实施“精简、消肿”的对策，以及“精益求精”的管理思想。

该模式要求产品优质，且充分考虑人的因素，采用灵活的小组工作方式和强调合作的并行工作方式；

在生产技术上是采用适度的自动化技术，使制造企业的资源能够得到合理的配置、充分的利用。

四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。

五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。

六极端制造模式，现代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。

3先进制造模式与先进制造技术的关系

人们对于制造技术与先进制造技术IET（in-dustryengineeringtechnology）的联系与区别是比较清楚的。

既然把制造模式与制造技术看作两个不同的概念，就应研究AMM与IET的关系。

由于AMM的动态性、继承性和重叠性导致了各种AMM的关联性，而IET在应用上本身也具有普遍性，因此，它们已不再是过去那样一种技术只应用于一项模式、一项模式只利用一种技术的一对一的关系，而是演变为一种相互渗透、相互交叉和多对多的模式，其交叉互用的关系如图1所示。

图一机械先进技术与先进系统的关系

下面简要说明图1中的几项关系。

a）在柔性制造模式中应用设施规划与物流分析技术，对其物流的运储环节中物流的搬运、移动、贮存和控制各个环节分别进行研究，按照物料搬运原则，选择合理的搬运方法，同时根据物料的特性和需求时间选择合适的储存位置，以便于控制和节省搬运时间，从而达到压缩库存的目的；

b）考虑到精益生产强调向管理要效益，最大限度地调动人的积极性，以及人力资源本身具有的支配性、自控性、成长性和社会性等特征，应将人因工程技术引入到精益生产中，协调人-机-环境之间的关系，使系统和谐、流畅的运行；

c）将人力资源开发技术与创新技术引入敏捷制造中，满足敏捷制造对企业整体创新性的要求，使企业更具“敏捷性”，对用户需求、个性化设定和市场变化，做出全方位快速响应；

d）利用工程经济分析、安全工程、品质控制、成本控制和价值工程等技术可以对各制造模式所应用的系统进行全面的研究、改进，使各模式能更好地与其应用的系统配套运行，达到提高品质和降低成本的目的。

因此，解决先进制造系统中的各种问题，诸如如何分析企业现状，确定发展战略；

如何依靠科技进步，提高效率和效益；

如何提高管理水平，适应两个市场竞争的要求等，均是各项IET的用武之地。

IET将为实现AMM提供更具体、更工程化、更科学化的方法和手段，优化利用企业内外的各种资源，确保企业不断提高效益。

4 

现代机械工程的前沿科学

不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。

前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。

前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。

工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。

超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。

大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。

信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。

因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。

4．1 

制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学

机电产品是信息在原材料上的物化。

许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。

因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。

信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。

人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。

随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。

与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和内容：

（1） 

制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。

（2） 

非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。

这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。

4．2 

微机械及其制造技术研究

微型电子机械系统（MEMS），是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。

MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。

MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。

它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。

例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞；

制造出3mm大小能够开动的小汽车；

可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。

MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。

早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。

1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。

微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。

近10年来，微机械的发展令人瞩目。

其特点如下：

相当数量的微型元器件（微型结构、微型传感器和微型执行器等）和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；

多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；

微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。

目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。

微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。

微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。

4．3 

材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础

材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。

每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。

21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；

要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；

要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。

材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。

一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备／制造；

另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。

进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。

形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。

4．4 

机械仿生制造

21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品（如智能仿生结构），开发出新工艺（如生长成形工艺）和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。

这是一个极富创新和挑战的前沿领域。

地球上的生物在漫长的进化中所积累的优良品性为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。

从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。

仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。

如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，"

仿生制造"

则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。

仿生制造所涉及的科学问题是生物的"

自组织"

机制及其在制造系统中的应用问题。

所谓"

是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。

仿生制造的"

机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。

仿生制造属于制造科学和生命科学的"

远缘杂交"

，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。

仿生制造的研究内容目前有两个方面：

4．4．1 

面向生命的仿生制造 

研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；

4．4．2 

面向制造的仿生制造 

研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：

基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；

研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：

仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。

机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。

目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。