先进制造技术及其发展趋势

先进制造技术及其开展趋势
0.前言
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、科技开展与国家平安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,要紧是先进制造技术的竞争,其竞争能力又表达在所生产产品的市场占有率上。

随着经济的高速开展以及顾客需求和市场环境的不断变化,这种竞争日趋剧烈,因而各国政府都特不重视对先进制造技术(advancedmanufactuingtechnology,先进制造技术)的研究。

1.先进制造技术的概述
先进制造技术,往往用先进制造技术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。

具体地讲,先进制造技术是制造业不断汲取信息技术和现代治理技术的成果,并将其综合应用于产品设计、加工、检测、治理、销售、使用、效劳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。

与传统的制造技术相比,当代的先进制造技术以其高效率、高品质和关于市场变化的快速响应能力为要紧特征。

先进制造技术是生产力的要紧构成因素,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开展的/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开展,要是没有先进制造技术作为根底,是全然不可能的。

2.先进制造技术的体系结构
先进制造技术要紧包括以下3个技术群(图1):a)主体技术群:这是制造技术的核心,它包括两个全然局部:有关产品设计技术和工艺技术。

1)面向制造的设计技术群。

面向制造的设计技术群系指用于生产预备的工具群和技术群。

设计技术对新产品开发生产费用、产品品质以及新产品上市时刻都有特别大碍事。

产品和制造工艺的设计能够采纳一系列工具,例如计算机辅助设计(CAD)以及工艺过程建模和仿真等,生产设施、装备和工具,甚至整个制造企业都能够采纳先进技术进行有效地设计。

2)制造工艺技术群(制造技术环境)。

制造工艺技术群是指用于物质产品生产的过程及设备。

制造工艺技术群是有关加工和装配的技术,也是制造技术的传统领域。

b)支撑技术群:支撑技术群是指支持设计和制造工艺两方面取得进步的根底性的核心技术。

全然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、生产方案的操纵以及包装等。

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、手段和系统集成的根底技术。

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)传感器和操纵技术:单机加工单元和过程的操纵、执行机构、传感器和传感器组合、生产作业方案;5)其他。

c)制造技术根底设施:制造技术根底设施是指为了治理好各种适当的技术群的开发并鼓舞这些技术在整个国家制造行业内推广应用而采取的各种方案和机制。

制造技术的根底设施是使先进的制造技术与企业组织治理体制和使用技术的人员协调工作的系统工程,是先进制造技术不可分割的一个组成局部。

图1AMT体系结构3.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要紧标志,是国家工业的根底和支柱。

目前,世界各工业兴盛国家已充分熟悉到开展先进制造技术的重要性和紧迫感,纷纷对此进行广泛深进的研究,展开了剧烈的竞争。

各种创新成果和先进技术不断涌现。

它们要紧包括:计算机集成制造系统(computerintegratedmanufacturingsystem,CIMS),灵敏制造(agilemanufacturing,AM),并行工程(concurrentengineering,CE),虚拟制造(virtualmanufactur2ing,VM)以及可持续开展技术等等。

a)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治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。

b)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,设计中的咨询题或缺乏,要分不在加工、装配或售后效劳中才能被发现,然后再修改设计,先进加工、装配或售后效劳(包括维修效劳)。

而CE确实是根基将设计、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(图2)。

图2串、并行工程时序的对比c)AM是指企业实现灵敏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、职员授权、制造商和提供商关系、总体品质治理及企业重构。

AM是借助于计算机网络和信息集成根底结构,构造有多个企业参加的/VM0环境,以竞争合作的原那么,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,进行快速和最正确生产。

d)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受到今后产品的性能或者制造系统的状态,从而能够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推测和评价,从而缩短产品的设计与制造周期,落低产品的开发本钞票,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。

e)可持续设计是在生态哲学的指导下,将设计行为纳进/
社会2经济2环境2人类0的系统中,既实现社会价值又保卫人与自然的共同繁华,旨在平衡环境、社会、经济三方面的设计实践和设计治理。

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考虑,是产品设计学科的新的开展方向。

目前可持续设计并不成熟,要紧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,可持续设计能够讲是人类文明的巨大进步。

4.先进制造的开展趋势
先进制造业追求的目标是:高品质、高效率、高柔性、低本钞票、低劳动力、低消耗、品种多和规格全的产品,因此,ATM的开展趋势应表达在以下几个方面:
a)制造技术向自动化与智能化方向开展:随着电子技术、信息技术和计算机技术的开展,推动了制造技术向更深层次开展。

基于CAD/CAM技术的CIMS是制造业自动化的一个重要方向。

CIMS通过CAX(CAD,CAPP,CAE,CAM)系统和PDM系统,进行产品的数字化设计、仿真,并结合数字化制造设备,进行自动加工。

并采纳MRPII/ERP系统,对整个企业的物流、资金流、治理信息流和人力资源进行数字化治理。

智能制造技术(IMT)是将人工智能融进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局部脑力劳动,在制造过程中系统能自动监测其运行状态,在外界干扰或内部鼓舞下能自动调整其参数,以到达最正确状态和具备自组织能力。

例如机器人
加工确实是根基将机床与机器人、传感器、操纵器组合而成的智能制造系统,它具有信息处理和知觉反响、决策能力,可同时操纵指挥多种操作,从而能提高效率、保证品质和落低本钞票。

b)周密成形与加工:周密加工、超周密加工技术、微型机械是先进制造技术开展的方向之一。

周密和超周密加工技术包括周密和超周紧密削加工、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。

超周密加工技术己向纳米技术开展。

纳米技术已在纳米机械学、纳米电子学和纳米材料技术得到了应用。

c)新型特种加工方法的形成:特种加工亦称非传统加工或现代加工方法,泛指用电能、光能、热能、电化学能、化学能、声能及特别机械能等能量到达往除或增加材料的加工方法。

它包括激光加工技术、电子束加工技术、离子束加工技术、等离子加工技术、电加工技术等。

今后,特种加工将从实际动身,在融合传统技术和现代技术的根底上大力开发特种加工领域中的新方法,包括微细加工和复合加工。

d)制造业中广泛应用VM技术和柔性制造技术:制造过程中的VM 是指面向产品生产过程的模拟和检验。

VM的核心是计算机仿真,通过仿真软件来模拟真实系统,以保证产品设计和产品工艺的合理性,保证产品制造的成功和生产周期,发现设计、生产中不可防止的缺陷和错误。

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,完成数量和时刻
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。

e)网络化和全球化:随着网络通讯技术的迅速开展和普及,企业的产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售等都能够异地或跨越国界进行。

此外,网络通讯技术的快速开展,加速技术信息的交流、加强产品开发的合作和经营治理的学习,推动了企业向着既竞争又合作的方向开展。

因此制造业开展的必定是由网络化迅速向全球化迈进。

f)实施无污染绿色制造:绿色制造是通过绿色生产过程、绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色治理等生产出绿色产品,产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。

采纳绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面碍事,同时使原材料和能源的利用效率到达最高。

关于目前世界资源紧张,环境恶化的现状以及人类的持续开展的要求来讲,绿色制造是必定的趋势。

5.柔性制造技术
柔性
柔性能够表述为两个方面。

第一方面是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰(如机器出现故障)情况下，系统的生产率与无干扰情况下的生产率期瞧值之比来衡量。

“柔性〞是相关于“刚
性〞而言的，传统的“刚性〞自动化生产线要紧实现单一品种的大批量生产。

其优点是生产率特别高，由于设备是固定的，因此设备利用率也特别高，单件产品的本钞票低。

但价格相当宝贵，且只能加工一个或几个相类似的零件，难以应付多品种中小批量的生产。

随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在特别大程度上取决于它是否能在特别短的开发周期内，生产出较低本钞票、较高质量的不同品种产品的能力。

柔性已占有相当重要的位置。

柔性要紧包括：
①机器柔性。

当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。

②工艺柔性。

一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。

③产品柔性。

一是产品更新或完全转向后，系统能够特不经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的接着能力和兼容能力。

④维护柔性。

采纳多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。

⑤生产能力柔性。

当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。

关于依据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。

⑥扩展柔性。

当生产需要的时候，能够特别轻易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。

⑦运行柔性。

利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。

柔性制造技术是对各种不同外形加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。

柔性制造技术是技术密集型的技术群，我们认为但凡侧重于柔性，适应于多品种、中小批量(包括单件产品)的加工技术都属于柔性制造技术。

目前，按规模大小划分为：
.1柔性制造系统〔FMS〕
FMS包含2台以上具有自动刀具交换和自开工件托盘交换装置的数控机床，以加工中心为核心设备，配有自动物料传递和治理系统，如有轨运输小车或自动导引运输小车，并在中心计算机统一操纵和治理下，动态地平衡资源地有效利用，具有生产调度和对加工过程的实时监控能力，可动态地实现多种零件族的自动加工。

.2柔性制造单元〔FMC〕
FMC可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向开展的一种产物，它由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，其特点是实现单机柔性化及自动化，具有适应加工多品种产品的灵活性，现已进进普及应用时期。

.3柔性制造线〔FML〕
FML是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。

其加工设备能够是通用的加工中心、CNC机床，亦
可采纳专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。

它以离散型生产中的柔性制造系统和连续生产过程中的分散型操纵系统(DCS)为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，现已进进有用化时期。

.4柔性制造工厂〔FMF〕
FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采纳从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。

它包括了CAD/CAM，并使计算机集成制造系统〔CIMS〕投进实际，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产治理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。

FMF将制造、产品开发及经营治理的自动化连成一个整体，以信息流操纵物质流的智能制造系统〔IMS〕为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。

6.计算机集成制造系统
计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystems,
简称CIMS),是随着计算机辅助设计与制造的开展而产生的。

它借助
于计算机的硬件、软件技术,综合运用现代治理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。

对企业的生产作业、治理、方案、调度、经营、销售等整个生产过程中的信息进行统一处理,并对分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统的功能进行有
机地集成,并优化运行,从而缩短产品开发周期、提高质量、落低本钞
票。

它是工厂自动化的开展方向,今后制造业工厂的模式,是当代生产自动化领域的前沿学科,也是集中多种高新技术为一体的现代化制造技术。

6.1CIMS系统的功能组成
一般CIMS有六局部组成
(1)治理信息系统(MIS):具有生产方案与操纵、经营治理、销售管理、采购治理、财务治理等功能,处理生产任务方面的信息。

(2)工程设计应用分系统(CAD&CAPP):由计算机辅助设计、计算机
辅助工艺编制和数控程序编制等功能组成,用以支持产品的设计和工艺预备,处理有关产品结构方面的信息。

(3)车间治理与自动化应用分系统(CAM):也能够称为计算机辅助
制造分系统,它包括各种不同自动化程度的制造设备和子系统,用来实现信息流对物流的操纵和完成物流的转换。

它是信息流和物流的接合部,用来支持企业的制造功能。

(4)计算机辅助质量保障分系统(CAQ):具有制订质量治理方案、实
施质量治理、处理质量方面信息、支持质量保证等功能。

(5)数据库存治理分系统:用以治理整个CIMS的数据,实现数据
的集成与共享。

(6)计算机与网络分系统:用以传递CIMS各分系统之间和分系统
内部的信息,实现CIMS的数据传递和系统通信功能。

它们的联接关
系如图1示:
6.2CIMS系统的技术优势分析
6.保障和提高了新产品开发的质量
CIMS(包括并行工程和虚拟制造技术等)使企业提高了产品创新
设计的深度,大大有利于提高企业产品的技术含量。

CIMS建立了企业从产品设计、生产制造、经营治理全方位的计算机集成制造环境,做到了企业信息流、物流、资金流的集成。

市场综合反响信息在CIMS(MIS 局部:治理信息分系统)的支持下,迅速反响到CIMS~程设计自动化分系统(CAD/CAPP/CAM/CAE),产品设计人员在PDM(产品数据治理)、CAD 等系统支持下,综合产品过往设计成果及各项信息(包括零部件明细、价格、供货质量、生产加工能力等),在MIS过来的市场综合反响信息地推动下,就能不断设计出更加满足市场需求的高争论、低本钞票、适销对路的产品
6.缩短了新产品的上市周期
CIMS是一个集成化的生产模式,覆盖了市场分析、经营决策、新
产品研制、工程设计、加工制造、库存提供、质量保证、销后效劳等整个制造业的活动,并力图实现三流集成。

在这种环境支持下,通过企业信息的快速流淌,加速了产品的设计周期。

同时,由于在设计时参考了产品的可制造性等特性,在MIS及制造自动化系统的支持下,也极大地提高了产品的生产及销售分派效率,这些都保证了企业新产品上市周期的显著改善。

6.经营治理科学化,同时落低了产品的本钞票
在经营治理方面,使企业的经营决策和生产治理趋于科学化。

使
企业能够在市场竞争中,快速、正确地报价,赢得时刻;在实际生产中,解决“瓶颈〞咨询题,减少再制品,同时,落低了库存资金的占用。

调查材料讲明,采纳计算机集成制造系统后,企业新产品的各项因素发生了明显的变化,。

7超周密加工技术
超周密加工是在超周密机床设备上利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动对材料进行微量切削，以获得极高外形精度和极低外表粗糙度的加工过程，其精度从微米到亚微米，乃至纳米。

它与当代一些要紧科学技术的开展有紧密的关系，是当代科学开展的一个重要环节。

而且，超周密加工技术的开展也促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的开展。

7.1超周密加工的技术范畴
由于加工技术水平的开展，超周密加工划分的界限逐渐向前推移，但在具体数值上没有固定的界定。

依据目前技术水平及国内外专家的瞧法，对中小型零件的加工外形误差△和外表粗糙度Ra的数量级可分为以下档次。

周密加工:Δ=1.0~0.1μm，Ra=0.1~0.03μm；超周密加工：Δ=0.1~0.01μm，Ra=0.03~0.005μm；纳微米加工：Δ<0.01μm，Ra<0.005μm。

随着科学技术的飞速开展，超周密加
工技术日趋成熟，已形成系列，它包括超周紧密削、超周密磨削、超周密微细加工、超周密计量等，并向更高层次开展。

超周密加工的碍事因素许多，只有广泛研究和综合采纳各种新技术，并在各方面精益求精，才能突破目前常规加工技术不能到达的精度界限。

实现超周紧密削加工的条件要紧包括超周密加工机床、超周紧密削刀具、超周密加工环境、超周密加工的工件材质、超周密加工用夹具和超周密测控技术等多项技术。

超周密加工技术实际上确实是根基这些技术的综合应用。

7.2超周密加工的要害技术
主轴
机床的主轴在加工过程中直截了当带开工件或刀具运动，故主轴的回转精度直截了当碍事到工件的加工精度。

现在超周密加工机床中精度最高的主轴采纳的是空气静压轴承，其有用精度可达0.05μm，但还不能满足纳米级加工的要求。

近年来磁悬浮轴承的开展特不迅速，有瞧在今后有所突破，但目前还达不到空气静压轴承的精度。

而提高空气轴承主轴回转精度的途径之一是提高轴及轴套的圆度，因为理论上这两者是成正比的。

另外，还要想方法提高气孔供气的平稳性。

通过多孔粉末冶金材料的小孔供气是理想的供气形式，有待进一步研究。

此外，还能够利用操纵技术以补偿的形式来减小或消除回转误差。

7.直线导轨
总的来讲，从精度角度瞧，空气导轨是现在最好的导轨。

尽管它没有液体静压导轨的刚性大，但气浮导轨优点也特别明显，如无需进行油温操纵，对环境没有污染。

此外，纳米级精度加工机床的负荷和行程没有那么大，因此应优先考虑空气导轨。

目前，空气导轨的直线度可达〔〕μm/250mm，国内303所也可做到0.1μm/200mm的水平。

纳米水平的机床导轨行程比上述要短，通过补偿技术还可进一步提高导轨的直线度。

国防科技大学利用二维微进给装置补偿导轨直线度，取得了较好的效果，可补偿到0.1μm/300mm的精度水平。

在导轨的结构设计上还有潜力可挖，如采纳多根导轨并联来加强气膜的误差匀化作用，加大气垫式导轨跨度来缩小直线度误差等。

由于空气导轨的气膜厚度大概只有10μm，在使用过程中防尘显得特别重要，假设不保证洁净的环境，导轨有可能因为灰尘而受损伤，这种损伤经常是难以修复的。

7.传动系统
传统进给装置的要紧任务之一是把旋转运动转化成直线运动，要紧使用滚珠丝杠。

与轴承一样，为了克服摩擦引起的爬行和反向间隙现象，出现了静压丝杠。

由于介质膜的均化作用，目前的空气静压丝杠分辨率可到达0.01μm，进给精度比C0级滚珠丝杠高2个数量级，但刚度有所欠缺。

因此，又出现了传动原理类似齿轮齿条传动的摩擦传动，它能够实现无反向间隙的传动，同时因为结构特不简单，弹性变形因。