先进制造技术.docx
- 文档编号:5698773
- 上传时间:2022-12-31
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:40.55KB
先进制造技术.docx
《先进制造技术.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《先进制造技术.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
先进制造技术
目录
1先进制造技术概论1
1.1先进制造技术简述1
1.2先进制造技术的特点2
1.3制造技术发展的主要历程3
1.4先进制造技术的体系结构4
2先进制造技术的现状6
2.1计算机集成制造系统6
2.2敏捷制造6
2.3并行工程6
2.4虚拟制造7
2.5可持续发展技术7
3先进制造技术的发展趋势8
3.1 当前制造科学面临的问题8
3.2当今社会对先进制造技术的挑战9
3.3 现代机械工程中的先进制造技术10
3.4先进制造技术的未来发展趋势14
附录:
参考文献18
1先进制造技术概论
1.1先进制造技术简述
制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱,在国民经济建设、社会进步、科技发展与国家安全中占有重要战略地位,其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。
世界各国经济实力的竞争,主要是先进制造技术的竞争,其竞争能力又体现在所生产产品的市场占有率上。
随着经济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(advancedmanfacturingtechnology)的研究。
先进制造技术是指在制造过程和制造系统中融合电子、信息和管理以及新工艺、新材料等现代科学技术,以提高综合效益为目的,以人为主体,以计算机技术为支柱,研究并改造传统制造过程作用于产品整个寿命周期的所有适用技术,使材料转换为产品的过程更有效、成本更低、更及时满足市场需求的先进工程技术。
具体地说,先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果,并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程,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。
先进制造技术包括计算机技术、自动控制理论、数控技术、机器人、CAD/CAM技术、CIM技术以及网络通信技术等在内的信息自动化技术的迅猛发展,为先进制造技术的发展和应用提供了日益增多的高效能手段。
与传统的制造技术相比,当代的先进制造技术以其高效率、高品质和对于市场变化的快速响应能力为主要特征。
先进制造技术是生产力的主要构成因素,是国民经济的重要支柱。
它担负着为国民经济各部门和科学技术的各个学科提供装备、工具和检测仪器的重要任务,成为国民经济和科学技术赖以生存和发展的/土壤0。
尤其是一些尖端科技,如航空、航天、微电子、光电子、激光、分子生物学和核能等技术的出现和发展,如果没有先进制造技术作为基础,是根本不可能的。
1.2先进制造技术的特点
1.面向21世纪的技术
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起来的,既保持了过去制造技术中的有效要素,又要不断吸收各种高新技术成果,并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。
先进制造技术与现代高新技术相结合而产生了一个完整的技术群,它是具有明确范畴的新的技术领域,是面向21世纪的技术。
2.面向工业应用的技术
先进制造技术并不限于制造过程本身,它涉及到产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容,并将它们结合成一个有机的整体。
先进制造技术的应用特别注意产生最好的实际效果,其目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合实力的增长。
目的是要提高制造业的综合经济效益和社会效益。
3.驾驭生产过程的系统工程
先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。
它要不断吸收各种高新技术成果与传统制造技术相结合,使制造技术成为能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。
4.面向全球竞争的技术
20世纪80年代以来,市场的全球化有了进一步的发展,发达国家通过金融、经济、科技手段争夺市场,倾销产品,输出资本。
随着全球市场的形成,使得市场竞争变得越来越激烈,先进制造技术正是为适应这种激烈的市场竞争而出现的。
因此,一个国家的先进制造技术,它的主体应该具有世界先进水平,应能支持该国制造业在全球市场的竞争力。
5.市场竞争三要素的统一
在20世纪70年代以前,产品的技术相对比较简单,一个新产品上市,很快就会有相同功能的产品跟着上市。
因此,市场竞争的核心是如何提高生产率。
到了20世纪80年代以后,制造业要赢得市场竞争的主要矛盾已经从提高劳动生
产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的矛盾。
先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来,使三者达到了统一。
1.3制造技术发展的主要历程
阶段
年代
生产模式
制造策略
装备特点
组织管理
1
10~40
福特制
工时定额(泰勒制)
机械化装备
专业化部门
2
40~50
大批量自动化
生产过程动态统计
组合机床刚性自动线
以质量为核心的部门间协调
3
50~60
中小批量自动化
柔性自动化
数控机床加工中心
成组技术应用
4
60~80
多品种小批量自动化
CAX
工业机器人
CAE、CADCAM、CAPP
按用户订单组织生产
5
80~90
CIMS
设计、制造和管理集成信息系统
FMC/FMS
CAD/CAM/CAPP
JIT
6
90~
快速响应的智能化制造系统
并行工程、精益生产、敏捷制造
柔性制造设备
技术管理和人员集成为一个系统
1.4先进制造技术的体系结构
先进制造技术主要包括三个技术群:
主体技术群、支撑技术群和制造技术基础设施群。
其具体内容主要有:
现代设计技术、精密及超精密加工技术、精密快速成型技术、特种加工技术、制造业综合自动化、过程工业综合自动化、系统管理技术等。
1.先进制造技术中的主体技术群
主体技术群包括面向制造的设计技术群与制造工艺技术群。
(1)设计技术群。
指用于生产准备的工具群与技术群。
包括产品、工艺过程和工厂设计,如计算机辅助设计(CAD)及工艺过程建模和仿真、系统工程集成技术、快速样件成型技术、并行工程技术(CE)、面向环境的设计(DFE)。
(2)制造工艺技术群。
指用于产品制造的过程及设备,包括材料生产工艺、加工工艺,连接和装配、测试和检验技术。
2.先进制造技术中的支撑技术群
撑技术群:
支撑技术群是指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性的核心技术。
基本的生产过程需要一系列的支撑技术,如:
测试和检验、物料搬
运、生产计划的控制以及包装等。
它们也是用于保证和改善主体技术的协调运行所需的技术,是工具、手段和系统集成的基础技术。
支撑技术群包括:
1)信息技术:
接口和通信、数据库技术、集成框架、软件工程人工智能、专家系统和神经网络、决策支持系统;2)标准和框架:
数据标准、产品定义标准、工艺标准、3)机床和工具技术;4)传感器和控制技术:
单机加工单元和过程的控制、执行机构、传感器和传感器组合、生产作业计划。
3.先进制造技术中的制造技术基础设施群
这是指为了管理好各种适当技术群的开发,促进技术在整个国家工业企业内推广应用而采用的各种方案和机制;是使先进的制造技术与企业组织管理体制,以及使用技术的人员协调工作的系统工程。
它主要包括质量管理、用户/供应商交互作用、人员培训和教育、全局监督和基准评测、技术获取和利用。
在利用先进制造技术的未来企业中,继续教育和培训已变得日益重要。
未来的企业面临的是多变的市场和激烈竞争的环境。
聘用职员的关键是看他能否多专、多能地、能动地迅速适应产品变化、工作岗位变化、所需技能变化以及促进这些变化的知识能力。
显然,教育和培训是抵消环境不断变化所带来的潜在打击和忧虑的要素。
所以,对于企业而言,要想有效提高其竞争能力,综合教育和培训计划是基础。
2先进制造技术的现状
先进制造技术是现代技术和工业创新的集成和典范,是国家制造业水准的主要标志,是国家工业的基础和支柱。
目前,世界各工业发达国家已充分认识到发展先进制造技术的重要性和紧迫感,纷纷对此进行广泛深入的研究,展开了激烈的竞争。
各种创新成果和先进技术不断涌现。
它们主要包括:
计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS),敏捷制造(AgileManufacturing,AM),并行工程(ConcurrentEngineering,CE),虚拟制造(VirtualManufacturing,VM)以及可持续发展技术等等。
2.1计算机集成制造系统
CIMS是现代信息技术条件下的新一代制造系统。
它以计算机来辅助制造系统的集成,以充分的、及时的信息交流或信息共享将企业的设计、工艺、生产车间以及供销和管理部门集成为一个有机的整体,使他们相互协调地运作,以提高产品品质,缩短产品开发周期,提高生产效率,确保企业的整体效益,提高企业的竞争能力和生存能力。
2.2敏捷制造
AM是指企业实现敏捷生产经营的一种制造哲理和生产模式。
AM包括产品制造机械系统的柔性、员工授权、制造商和供应商关系、总体品质管理及企业重构。
AM是借助于计算机网络和信息集成基础结构,构造有多个企业参加的/VM0环境,以竞争合作的原则,在虚拟制造环境下动态选择合作伙伴,组成面向任务的虚拟公司,进行快速和最佳生产。
2.3并行工程
CE是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。
在传统的串行开发过程中,设计中的问题或不足,要分别在加工、装配或售后服务中才能被发现,然后再修改设计,改进加工、装
配或售后服务(包括维修服务)。
而CE就是将设计、工艺和制造结合在一起,利用计算机互联网并行作业,大大缩短生产周期。
2.4虚拟制造
VM是虚拟现实(virtualreality,VR)技术在制造中的应用。
VM实际上是一种计算机科学技术,以信息技术、仿真技术、VR技术为支柱,在产品设计或制造系统的物理实现之前,就能使人体会到或感觉到未来产品的性能或者制造系统的状态,从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。
VM技术是对真实制造过程的动态模拟、仿真,是在计算机上制造数字化产品,在VM环境中生成软产品原型代替传统的硬样品进行试验,对其性能和可制造性进行预测和评价,从而缩短产品的设计与制造周期,降低产品的开发成本,提高系统快速响应市场变化的能力。
VM技术是CE,AM,精益生产的支撑技术,是品质工程实现的有力保证。
2.5可持续发展技术
可持续设计是在生态哲学的指导下,将设计行为纳入社会经济、环境人类的系统中,既实现社会价值又保护人与自然的共同繁荣,旨在平衡环境、社会、经济三方面的设计实践和设计管理。
可持续设计包含并超越了传统的产品设计,并代表了人类对传统产品设计的新思考,是产品设计学科的新的发展方向。
目前可持续设计并不成熟,主要设计工具有生命周期评价(LCA);面向环境的设计(DFE);面向材料选择的设计(DFMS);面向拆装的设计(DFD);面向回收的设计(DFR)等,可持续设计可以说是人类文明的巨大进步。
3先进制造技术的发展趋势
3.1 当前制造科学面临的问题
1.制造系统是一个复杂的大系统,为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力,必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果,探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。
制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。
制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义,而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。
生物制造观越来越多地被引入制造系统,以满足制造系统新的要求。
2.为支持快速敏捷制造,几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。
例如在计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面,在三维现实空间(3-Real Space)中,都存在大量的几何算法设计和分析等问题,特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题;在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面,存在C-空间
(配置空间Configuration Space)的几何计算和几何推理问题;在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(Screw Space)进行几何推理。
制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题,其理论有待进一步突破,当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。
3.在现代制造过程中,信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素,而且还是最活跃的驱动因素。
提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。
由于制造系统信息组织和结构的多层次性,制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。
在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面,都还有待进一步突破。
4.各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。
一类基于生物进化算法的计算智能工具,在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中,受到越来越普遍的关注,有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。
制造智能还表现在:
智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。
这些问题是当前产品创新的关键理论问题,也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。
这些问题的重点突破,可以形成产品创新的基础研究体系。
3.2当今社会对先进制造技术的挑战
制造技术要适应21世纪社会发展的需求,面临以下挑战:
(1)信息时代的挑战人类社会自20世纪90年代已开始进入信息时代,信息产业成为21世纪全球经济中最宠大、最具活力的产业。
信息将给21世纪世界经济和社会带来革命性的变化。
21世纪的制造业正在从以机器为特征的传统技术时代向着以信息为特征的系统技术时代迈进。
制造技术的发展也必然与信息技术的发展密不可分。
(2)有限的资源与日益增长的环保压力的挑战地球作为宇宙中的一个村落已日益变得更小,环境污染正威胁着人类的生存,而有限的资源正威胁着人类的继续发展。
因而如何实现可持续发展已是21世纪人类的一个重要课题。
绿色制造是21世纪制造技术的一个重要特征。
绿色设计技术、汽车的拆卸与回收技术、生态工厂的循环式制造技术将得到迅速发展。
(3)制造全球化和贸易自由化的挑战随着世界自由贸易体制的进一步完善以及全球交通运输体系和通信网络的建立,国际经济合作与交往日趋紧密,全球产业界进入结构大调整的重要时期,世界正在形成一个统一的大市场。
制造业的全球化与一体化的格局已经初步形成。
制造技术的发展必须与此适应,新的先进制造生产模式必将是全球化的生产模式。
(4)消费观念变革的挑战21世纪消费者的行为更加具有选择性,“客户化、小批量、快速交货”的要求不断增加,批量生产的产品逐渐为个性化、多样化的产品所取代,产品的生产和服务的界限越来越模糊,市场的动态多变性迫使制造业改变策略。
3.3 现代机械工程中的先进制造技术
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。
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。
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。
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. 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"自组织"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"自组织"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:
(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;
(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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 先进 制造 技术
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)