先进制造技术论文(中英文翻译)

先进制造技术

制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，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。先进制造技术是集制造技术、电子技术、信息技术、自动化技术、能源技术、材料科学以及现代化管理技术等众多技术的交叉、融合和渗透而发展起来的，设计到制造业中产品的设计、加工装配、检验测试、经营管理、市场营销等产品生命周期全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对动态市场的适应能力和竞争能力的一项综合技术。先进制造技术已经成为制造企业在激烈市场竞争中立于不败之地并求得迅速发展的关键因素，成为世界经济发展和满足人类日益增长需求的重要支撑，成为加速高新技术发展和实现国防现代化的助推器。

先进制造技术包括以下几个方面的内容：制造业和先进制造技术、现代设计技术、先进制造工艺技术、制造自动化技术、现代生产管理技术、先进生产制造模式。

当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：

（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。

现代设计技术是先进制造技术中的首要关键技术，它是现代科技发展和全球市场竞争的产物。产品设计是以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计方法和手段创造出产品结构的过程。市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现，推动了设计方法和技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入现代设计。

现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。虽然目前对现代设计尚无确切定义，但可从以下特征来理解。⑴以计算机技术为核心：设计手段的更新、产品表示的改变、设计方法的发展、工作方式的变化、设计与制造一体化、管理水平的提高、组织模式的开放。⑵以设计理论为指导：现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。

现代设计的内涵就是以市场为驱动，以知识为依托，以知识获取为中心，以产品全生命周期为对象，人、机、环境相容的设计理念。它是以运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面为技术基础的。无论是设计对象的描述，设计信息的处理、加工、推理与映射及验证，都离不开设计方法学、产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的多种理论与方法及手段的支撑。

设计原则是为设计产品应满足的条件，也是对设计行为的约束。受设计水平、观念、体制等限制，传统设计所考虑的原则着眼于产品的功能和技术范畴，而设计的影响贯穿产品整个生命周期，所以设计原则必须面向生命周期内的各个阶段。现代设计原则是传统设计原则的扩充和完善，两者并无本质区别。可归纳为以下几类。（1）功能满足原则。（2）质量保障原则：性能指标、可靠性、强度原则、刚度原则、稳定性、抗磨损性、抗腐蚀性、抗蠕变性、动态特性、平衡特性、热特性。（3）工艺优良原则：可制造性、可装配性、可测试性。（4）经济合理原则。（5）社会使用原则：环境友好性、环境适应性、人机友好性、可维修性、安全性、可安装性、可拆卸性、可回收性。现代设计方法实质上是科学方法论在设计中的应用。概括

为十一论：突变论、信息论、智能论、系统论、优化论、对应论、功能论、控制论、离散论、模糊论、艺术论。这些论与广义设计(有目的的意识活动)直接有关，有的已形成单一学科，有的正在形成。目前所指的现代设计技术：1）现代设计方法学。2）计算机辅助设计技术。3）可信性设计。

现代设计技术的特点：设计理论与方法的延伸、思维的变化及设计范畴的扩展。多种设计技术、理论与方法的交叉与综合。设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化。并行化、最优化和智能化的设计过程。面向产品寿命周期全过程的可信性设计。多种设计试验技术的综合运用。展望现代设计技术的发展趋势，大致有以下几方面：1)设计过程的数字化。2)设计过程的自动化和智能化研究。3)动态多变量优化和工程不确定模型优化(模糊优化)、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究。4)网络化并行设计及协同设计技术、方法及软件的研究。5)虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术的深入研究。6)大力普及、推广与发展CAD技术的应用研究，其重点是研制开发功能强的商品化软件。7)面向集成制造和分布式经营管理的设计方法、人员组织及规划的研究。8)微型机电系统的设计理论及设计方法和技术的研究。9)面向生态环境的绿色设计理论与方法的研究。10)注重基础性设计理论及共性设计技术的深层次研究。

机械制造工艺技术是把各种原材料、半成品加工成机械产品的方法和过程。随着机械制造的发展和科学技术的进步，机械制造工艺的内涵和面貌正不断地发生变化。近一二十年来机械制造工艺技术体系的发展和主要内容表现在以下几方面。1）常规工艺的不断优化及传统加工工艺的改造和革新。2）超精密工程包括精密加工、超精密加工技术、细微加工技术等。3）特种加工方法又称非传统加工方法，它是指一些物理、化学的加工方法。超高速加工技术是指采用超硬材料刀具、磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到材料切除率的现代化制造加工技术。其与常规切削相比在提高生产率、降低生产成本、减少热变形和以及实现高精度、高质量、零件加工等方面具有明显优势。超精密加工和精密加工是相对而言的，其间的界随时间的推移而不断变化，而精密和超精密在不同时期应该以不同的尺度来区分。超精密加工所涉及的技术领域：1）加工技术：超精密车削、超精密砂轮磨削、超精密研磨和抛光等。2）材料技术：超精密加工刀具材料、刀具磨具制备及刃磨技术。3）加工设备：超精密切削机床、各种研磨机等。4）必须在稳定的加工环境下进行，必须具备各种物理效应恒定的环境等。特种加工是将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改变性能等非传统加工方法。现代生产管理技术是在西方国家建立和发展的一种先进的管理方法和模式。随着国际市场经济逐渐走向成熟和世界经济一体化进程的推进，人们逐渐将眼光从较为封闭的企业内部转向其视野可能达到的世界任何一个角落，生产管理的研究对象也就不仅仅局限于制造业内部的类似于计划经济模式的有形产品的加工过程，而是在向企业的上游和下游延伸的同时，向第三产业延伸，包括金融、商业贸易，直至国家各级政府。这个延伸和发展的过程反映了传统的“生产管理学”已不再适应企业管理的需要，因为顾客变得越来越挑剔，引发了市场的瞬息万变，导致企业间的竞争变得似乎无序。生产与运作管理在于探索