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4.3协同设计与设计信息管理6
4.4全寿命设计的思想6
4.5绿色设计7
第二章先进制造技术的发展趋势及先进制造模式8
1、机械制造业的发展趋势8
1.1精密化8
1.2自动化8
1.3信息化9
1.4柔性化9
1.5集成化9
1.6智能化10
2、先进的制造模式10
2.1精良生产(LP)与独立制造岛(AMI)10
2.2敏捷制造与虚拟制造11
2.3集成制造与智能制造11
3、存在差距和实施策略12
第三章先进制造技术的系统整体性及其发展动态14
1先进制造技术是传统制造技术14
2先进制造技术的系统整体性14
2.1应用目的整体性14
2.2应用范围全局性14
2.3系统动态性15
2.4系统整体性15
3正确发展先进制造技术15
3.1总体优化,追求总体目标15
3.2结合实际16
3.3不否定传统制造技术16
3.4运作需要先进的制造模式相匹配16
3.5以人为中心17
3.6目的是提高对市场的响应速度17
4先进制造技术的发展趋势17
4.1信息技术越来越重要17
4.2集成程度越来越高18
4.4越来越多使用虚拟技术18
5结论19
第一章我国先进制造技术的发展
1概述
我国制造业产值占国民生产总值的40%,预计未来15年内制造业的年平均增长率将高于国民生产总值的年平均增长率。
随着市场的全球化、多样化以及信息时代的到来,振兴国家的经济、提高综合国力的根本动力在于制造业的振兴。
对于制造业而言,竞争的核心是创新工艺和创新产品。
进入90年代以来,各国都把制造
技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展,如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术(IMS)国际合作计划、韩国的高级先进技术国家计划(G-7)和欧共体的ESPRIT和BRITE-EURAM计划。
面临着市场、信息、环境和资源的严峻挑战,我国制造业的紧迫任务是要提高企业产品市场竞争力。
而产品竞争力的关键在于创新,“设计是制造业的灵魂”,现代的设计理论和方法是我国制造业发展的首要问题。
2先进制造技术的内涵与外延
先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology,AMT)是在制造全过程以及制造理念上融入信息科学、电子科学,计算机科学、材料科学、环境科学等新的知识和技术,产生出与传统的面向制造的生产技术有本质区别的,面向市场、面向用户的涵盖从设计、制造、生产管理、产品维护以至到报废的整个生产周期的集成制造技术,以实现快速、灵活、高效、清洁的生产模式。
先进制造技术是一个大制造的概念,涵盖了市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、监控检测、质量保证、生产管理、售后服务等整个生产过程。
综合国内外在先进制造技术领域的发展,其外延归结如下。
2.1设计理论和方法
市场竞争对产品设计的要求是要面向市场、面向用户的。
并行工程(CE)的设计方法,以及由此派生出的一系列新的设计理念,如面向制造的设计(DesignforManufacturability,DFM)、面向装配的设计(DesignforAssembly,DFA)、面向检测的设计(DesignforTestability)、可负担性设计(DesignforAffordability)、绿色设计等,使设计与制造系统的全过程相结合,产品开发的重点向产品设计过程转移,使设计涵盖了从产品概念设计到产品报废处理的整个生命周期中的所有因素,包括质量、成本、进度计划和用户需求,并通过CAD/CAPP/CAM、快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing,RPM)、虚拟制造技术(VirtualManufacturing,VM)等在设计的初期对产品的结构、工艺进行优化,对产品的性能进行预测。
2.2先进的加工制造技术
产品的加工制造是AMT的基础,是实现快速、灵活地生产出创新产品的主体,进入90年代以来,加工制造技术有以下的发展趋势:
(1)精密成形技术包括精密铸造、精密锻造、精密焊接以及精密超精密机加工。
(2)特种加工技术如激光、电子、离子束、高压水束、电化学及电火花加工技术。
(3)快速原型制造技术RPM(RapidPrototypingmanufacturing)。
(4)CAD/CAE/CAM/PDM集成的制造系统。
(5)柔性快速制造系统FMS。
(6)微米/纳米加工技术。
(7)少无污染制造与报废产品的可拆卸重组技术。
(8)制造过程自动化如数控(NC)技术、CIMS,虚拟制造(VirtualManufacturing)、全能制造(HolonicManufacturing)、智能制造(IntelligentManufacturing)、敏捷制造(AgileManufacturing)、智能4M(Modeling,Manufacturing,Measurement,Manipulation)技术等。
2.3先进的生产资源管理模式
制造企业从社会大市场中获得资金、物资、人才等资源,又将资源转化为某种社会需求的产品,因而制造企业必须用最少的资源消耗,获取最大的增值。
有效的资源获取、转换和分配就成为制造企业经营活动的主要内容,如编制满足需求数量和交付期的计划,监督和控制该计划的实现,并且保证资源的分配最合理和消耗最少。
从60年代初的物料需求计划(MaterialRequirementPlanning,MRP)到制造资源计划(ManufacturingResourcePlanning,MRPⅡ),以至准时化生产(Just-In-time,JIT)、企业资源计划(EnterpriseResourcesPlanning,ERP),形成以MRPⅡ/ERP为代表的,以信息技术为基础的,包含先进管理哲理、理论和方法的,进行企业资源计划与控制的高度集成的管理信息系统,成为对企业影响深远的战略工具。
同时,产品的质量已经成为企业生存的命脉,对制造全过程进行质量管理,把形成产品质量的设计试制过程、制造过程、辅助生产过程、使用过程都管起来的全面质量管理(TotalQualityControl,TQC)应运而生,它不仅全面提高产品质量,而且还要保证使用质量,把质量管理从原来的生产制造过程扩展到市场调研、质量发展规划、研究开发、设计、试制、试验、工艺技术、原材料供应、检测仪表、生产、工序控制、成品检验、包装、销售、用户服务等各个环节。
3我国发展先进制造技术的经验和教训
3.1产品的研究开发与生产制造过程脱节
制造业中广泛存在市场意识淡薄的问题。
长期以来,产品品种单调,竞争力不强,特别是市场需求对企业的要求不能有效地反映在技术创新上,科研、教育机构对企业的技术需求也认识不够,这也反映了国家科技政策中对技术服务于市场才能创造新的生产力的忽视,最终的结果表现为官、产、学、研的脱节。
3.2国外先进制造技术的引进与国产化弱的矛盾
一是我国在引进先进制造技术的过程中,很多企业存在盲目引进的状况,不注重引进后的消化吸收,而且在一些具体技术的引进中,买到的技术往往要有一定的滞后性,如果不能很好的消化吸收并进行提升的话,只能是“引进一代,落后一代”。
二是在引进中“重硬轻软”,大型生产线、设备引进的巨大投资与对先进的管理机制、管理模式的忽视很不协调,这在汽车、船舶、机床等行业都普遍存在。
以MRPⅡ为例,在引进上投入的巨资达80亿,但用得好的企业并不多。
因为MRPⅡ并不单纯是一个硬件的先进程度和计算机用得好不好的问题,更重要的是其内涵的管理思想和模式。
3.3设计开发的方法和手段落后
当前世界上现代的设计理论和方法已经形成体系,如全寿命设计、绿色设计、可靠性设计等,将生产的全过程和环保等要求贯穿于设计中。
而我国的大多数企业还是停留在经验设计阶段,缺乏自主开发能力,即使在开发成功的机电.aspx"
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产品中,也有相当一部分是要利用国外的技术。
从设计手段上来讲,以CAD技术为例,大多数企业还是局限在甩图板的水平。
而目前的世界水平已经达到三维快速实体造型、结构强度分析以及工艺优化的整体设计。
第一架无图纸、无样机上天的飞机――波音777,开创了制造技术史上的新时代。
当前工业发达国家的CAD技术普及率已达到60%,而我们国家平均仅为5%左右,无论从质上还是量上都亟待发展。
4先进的设计理论、方法和手段是发展我国先进制造技术的关键
缺乏自主开发能力,产品缺乏市场竞争力是我国制造业的突出问题。
如果没有好的产品,再好的CIMS系统、柔性加工系统,或者MRPⅡ、ERP以及TQC、并行工程等用得再好,企业也无法生存。
因此,发展先进制造技术的首要问题是更新传统的设计方式,建立基于知识、面向市场的设计。
现代的设计是基于知识的设计,知识信息以数字化的形式存在于设计制造过程。
产品和工艺越来越复杂,包含越来越多的规则,要求多个远程的组织和个人进行协同设计。
而且,对产品可靠性和安全性的进一步认识要求更安全的设计;
对环境恶化与全球人口膨胀的认识要求更具有环境友好性的产品和工艺设计;
对可持续性发展的认识也要求对产品报废后的可回收性进行设计。
以下对我国未来21世纪工程设计理论和技术进行分析。
4.1设计决策的准确评价与虚拟技术
设计是一个建立在决策理论上的、基于规则的决策过程,决策理论包含三方面的因素:
决策目标选项的获取与识别、选项结果的预估或期望、优选项的确定过程中参数或取值的使用。
对设计的评价需要各方面的分析,如有限元分析、传热分析、流体分析等,所使用的技术主要依赖计算机技术,而虚拟设计(VirtualDesign)就是未来有潜力的进行设计决策评价的有效工具。
CAD通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。
而虚拟技术在虚拟现实(VR)的环境中,将安全性、人机工程学、易维护性和装配标准等多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑。
这一技术以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持,在产品进入物质流程以前,在信息流程中通过对虚拟环境下的软产品原型(Softprototype)进行感受、试验,对产品将来的性能和可制造性进行预测和评价,从而缩短设计开发周期,降低开发成本,提高企业的快速响应能力。
虚拟设计将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中,以优化产品设计及工艺过程,其发展趋势有:
(1)产品及工艺建模,通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型,建立将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来的,包括物理和数学模型、统计模型、计算机工艺仿真、制造数据表和制造规则的工艺模型。
(2)仿真技术,利用产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真,对设计结果进行评价,实现设计过程的早期反馈。
(3)以互联网为基础,建立虚拟研究开发中心、虚拟企业,将异地的研究开发力量和经济实体联系起来,以联合设计和资源共享为制造提供全球性的技术支持。
4.2并行设计(ConcurrentDesign)
并行工程(ConcurringEngineering,CE)的首要目的,就是通过各生产准备部门的并行工作,而使产品的生产技术准备时间显著缩短。
其次,由于各部门的工作同步进行,各种相关问题在生产准备阶段便能得到及时沟通和解决,不至于将问题拖到日后正式投产时才暴露,防止对生产可能造成的极大损失。
从这一意义上说,CE还有保证并提高产品质量的功能,而且缩短生产准备时间,有利于降低成本。
现行的CAD技术是一种顺序设计,往往不能排除实际生产中屡见不鲜的工程更改问题。
这种工程更改往往导致在制品半途而废、已准备好的工艺装备不能使用,从而造成不应有的生产中断、生产费用增加以及产品交货期的延迟。
CE这种系统的集成方法,在现行CAD的基础上,根据企业的不同考虑,进一步发展DFX设计方法,如面向制造的设计、面向装配的设计、面向检测的设计、可负担性设计等。
目的是使设计人员在新产品的设计阶段便考虑到它们应该易于制造、装配和检测维修,从而使新产品在制造与装配过程中的工程更改减少到最小程度。
如何有效地将产品仿真模型的几何信息转化为制造信息是并行设计的关键,由CAD产生模型的几何信息通过处理、转换后,生成制造模型后直接用于可制造性评价、数控编程,CAD/CAPP/CAM的一体化使设计和制造在制造模型辅助下并行地进行。
并行工程的思想要求CAD将不再只是单纯的利用计算机软件绘图,而是要利用先进的计算机技术,进行产品的三维实体造型、机构学分析、结构强度的校核、制造工艺的优化等全方位的设计,是C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)以及CAPP技术的整合,并以RPM及VM等技术与制造过程相衔接。
4.3协同设计与设计信息管理
在设计过程中,设计数据及设计所需的各种文件需要方便快捷的数据库来管理和维护,而且现代的工程设计已经成为由多个远程的团队和个体进行协同工作的过程,这些团队包括不同组织的设计人员,他们的设计目标往往有一定的交叉,因而,从数学上理解,协同设计是一种合作决策。
在这种合作中,多个设计人员要同时对设计数据库进行访问和修改,并且,由一个设计人员所作的修改能迅速更新并为其他人员所获得。
为实现这种协同设计,要由计算机网络通信技术保证优质的传输协议、有效的信息集成和快速安全的通信,如SDRC公司在其刚刚发布的I-DEALS7.0版本中,增加了利用普通浏览器从网络上查阅产品设计信息的功能,为远程的协同工作提供支持。
4.4全寿命设计的思想
现代产品设计要求对设计、制造、装配、安装、维护、报废等产品的整个生命周期进行综合考虑,全寿命设计是面向产品的整个生命周期中的多个目标进行设计,以满足市场、用户、资源、环境的多方要求。
一辆汽车出厂后,后边的运行、维修,一直到报废都是设计中要考虑的问题。
在全寿命设计中,设计对象是一个时变的系统,不仅设计师要知道设计对象的时变规律,而且要让用户随时知道产品使用过程中当前的状况,因此,对重大的产品,要考虑其状态监测和故障诊断功能,对状态稳定要求高的产品,状态补偿和控制结构也是必然考虑的因素。
4.5绿色设计
制造业的可持续性发展是全球可持续性发展战略的重要组成部分。
绿色设计是以节省资源和保护环境为指导思想的一种新的工业设计方法。
传统的产品设计制造往往忽略了对自然环境的影响,使得越来越多的有害废弃物轻易地进入环境而在无形中破坏了环境,在原料取得、制造、销售过程中随处可见废弃物。
若不将最终消费者的行为计算在整个过程内,仍然有许多可再制或再生的资源未经使用就被废弃了
。
全球环境的日益恶化使制造业面临如何在获取最大效益的同时,提高资源的利用率、减少废弃物排放的挑战。
围绕绿色设计这一设计思想,国际上还提出了环境意识的设计与制造(EnvironmentallyConsciousDesignandManufacturing,ECD&
M)、面向环境的设计与制造(DesignandManufacturingForEnvironmentD&
MFE)、生态工厂(Ecofactory)、清洁化生产(CleanProduction)等概念,它们的研究都是全球可持续发展战略在制造业中的体现。
绿色设计要考虑以下的因素:
(1)环境友好在制造和使用过程中对人体无害,对生态环境无影响,人体环境舒适、友好。
1993年,美国三大汽车公司联合实施清洁车计划(CleanCarInitiative),提高燃料效率、应用轻型、可回收材料和减少大气污染的催化剂。
(2)节省资源节省材料、能源和人力资源,尽可能利用可再生或易于再生的资源,如太阳能、可再生生物资源(以不破坏生态平衡为准)和信息资源,使产品在使用过程中能耗低。
(3)可回收性采用面向拆卸以及回收再利用(DesignforDisassemblyandRecycle)的设计方法,并且要尽可能地减少使用材料种类,选用可回收、可分解材料,以利于产品在报废后分类回收和循环再利用。
第二章先进制造技术的发展趋势及先进制造模式
1、机械制造业的发展趋势
先进的制造业是将物料、能源、设备、资金、技术、信息和人力等制造资源通过先进的制造技术、先进的管理技术和先进的制造过程转变成人类需求产品的行业。
行业追求的目标是:
高质量、高效率、高柔性、低成本、低劳动力、低消耗、品种多和规格全的产品,因此,面向21世纪的机械制造技术的发展趋势体现在以下几个方面:
1.1精密化
精密加工、超精密加工技术、微型机械是现代化机械制造技术发展的方向之一。
精密和超精密加工技术包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特种加工和复合加工(如机械化学研磨、超声磨削和电解抛光等)三大领域。
超精密加工技术己向纳米(lnm=10-3μm)技术发展。
纳米技术己在纳米机械学、纳米电子学和纳米材料技术得到了应用。
因此,它促进了机械科学、光学科学、测量科学和电子科学的发展。
美国1997年首次制造出直径仅为60μm的静电微型电机,以及几十微米的微型齿轮、弹簧及微型机构。
武汉大学研制成纳米级超微电极,将其插入活体细胞后首次测出细胞内部神经递质的动态信息。
目前各国科学家正在进行微型机器人的研究,微型机器人可以潜入人体血管、脏器去疏通血管、诊治疾病[2]。
据国外预测,21世纪将是微型机械电子技术和微型机器人的时代,因此有人将纳米技术与微型机械称为21世纪的核心技术。
1.2自动化
自动化技术的成功应用,不但提高了效率,保证了产品质量,还可以代替人去完成危险场合的工作。
对于批量较大的生产自动化,可通过机床自动化改装、应用自动机床、专用组合机床、自动生产线来完成。
小批量生产自动化可通过NC,MC,CAM,FMS,CIM,IMS等来完成。
在未来的自动化技术实施过程中,将更加重视人在自动化系统中的作用。
同时自动化开始面向中小型企业,以经济实用为出发点,满足不断发展的产品多样化和个性化需要。
1.3信息化
信息、物质和能量是制造系统的三要素。
随着计算机、自动化与通讯网络技术在制造系统中的应用,信息的作用越来越重要。
产品制造过程中的信息投入,己成为决定产品成本的主要因素。
制造过程的实质是对制造过程中各种信息资源的采集、输入、加工和处理过程,最终形成的产品可看作是信息的物质表现,因此可以把信息看作是一种产业,包括在制造之中。
为此一些企业开始利用网络技术、计算机联网、信息高速公路、卫星传递数据等实现异地生产。
使生产分散网络化,以适应21世纪高柔性生产的需要。
1.4柔性化
随着科学技术的飞速发展和人民生活水平不断提高,促使产品更新换代的速度不断加快,这就要求现代企业必须具备一定的生产柔性来满足市场多变的需要。
所谓柔性,是指一个制造系统适应各种生产条件变化的能力,它与系统方案、人员和设备有关。
系统方案的柔性是指加工不同零件的自由度。
人员柔性是指操作人员能保证加工任务,完成数量和时间要求的适应能力。
设备柔性是指机床能在短期内适应新零件的加工能力。
柔性制造自动化的形式很多,如美国提出的敏捷制造(AM)其主线就是高柔性生产。
上海同济大学张曙教授提出的独立制造岛(AMI)也是高柔性生产模式。
1.5集成化
集成的作用是将原来独立运行的多个单元系统集成一个能协调工作的和功能更强的新系统。
集成不是简单的连接,是经过统一规划设计,分析原单元系统的作用和相互关系并进行优化重组而实现的。
集成化的目的是实现制造企业的功能集成,功能集成要借助现代管理技术、计算机技术、自动化技术和信息技术实现技术集成,同时还要强调入的集成,由于系统中不可能没有人,系统运行的效果与企业经营思想、运行机制、管理模式都与人有关,因此在技术上集成的同时,还应强调管理与人的集成。
集成化生产将成为面向21世纪占主导的生产方式。
1.6智能化
智能化是面向21世纪制造技术的发展趋势之一。
智能制造技术(IMT)是将人工智能融入制造过程的各个环节,通过模拟人类专家的智能活动,取代或延伸制造系统中的部分脑力劳动,在制造过程中系统能自动监测其运行状态,在受到外界干扰或内部激励能自动调整其参数,以达到最佳状态和具备自组织能力。
例如机器人加工就是将机床与机器人、传感器、控制器组合而成的智能制造系统,它具有信息处理和知觉反馈、决策能力,可同时控制指挥多种操作,从而能提高效率、保证质量和降低成本。
智能化是柔性自动化和集成自动化的新发展和重要组成部分。
2、先进的制造模式
机械制造业发展趋势表明,只有采用先进的制造技术并能实施在相匹配的制造模式中才能符合上述的趋势。
制造模式是指企业体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形态和运作模式。
2.1精良生产(LP)与独立制造岛(AMI)
90年代美国麻省理工学院(MIT)提出精良生产(LP)概念。
它的特征是:
①重视客户需求,以最快的速度和适宣的价格提供质量优良的适销新产品去占领市场,并向客户提供优质服务。
②重视人的作用,强调一专多能,推行小组自治工作制,赋予每个工人有一定的独立自主权,运行企业文化。
③精简一切生产中不创造价值的工作,减少管理层次,精简组织结构,简化产品开发过程和生产过程,减少非生产费用,强调一体化质量保证。
④精益求精、持续不断的改进生产、降低成本、零废品、零库存和产品品种多样化。
独立制造岛是张曙教授根据在引进先进技术的同时,必须改革生产组织的角度提出新的生产模式。
独立制造岛的技术构思是:
以GT为基础,以NC机床为核心,强调信息流的自动化和以人为中心的生产模式,它的特征是:
组织、人员和技术三者的有机集成,面向车间、权力下放、综合治理,并以获经济效益为主要目标。
AMI是发展中国家走向工厂自动化的重要途径,它的推广对中国机械制造业转向市场机制,参与国际竞争意义重大。
2.2敏捷制造与虚拟制造
美国通用汽车公司与里海大学于1988年提出了敏捷制造(AM),AM是在不可预测的持续变化的竞争环境中取得繁荣成长,并具有能对客户需求的产品和服务驱动市场作出迅速响应的生产模式。
AM的特征是:
①企业间联作集成。
充分发挥各企业的长处,针对限定市场的目标要求共同合作完成任务。
②具有高度的制造柔性。
制造柔性是指制造企业对市场要求迅速转产和能实现产品多品种变批量的快速制造。
③充分发挥人的作用,不断提高企业职工素质和教育水平,优化人机功能分配。
虚拟制造(VM)是国际上提出的新概念。
VM与AM联系密切。
VM的特征是:
当市场新的机遇出现时,组织几个有关公司联作,把不同的公司,不同地点的工厂或车间重新组织协调工作。
在运行之前必须分析组合是否最优,能否协调运行,以及投产后的效益和风险进行评估,这种联作公司称虚拟公司。
虚拟公司通过虚拟制造系统运行。
因此研究开发虚拟制造技术(VMT)和虚拟制造系统(VMS)意义重大,美国称AM为2
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