先进制造技术与制造模式

7.1.2 先进制造技术的定义与特点
“先进制造技术（AMT）是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术 的成果，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，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称”。 先进制造技术具有以下特点： 1）AMT是一项综合性技术 2）AMT是一项面向21世纪的动态发展技术 3）AMT是面向工业应用的技术 4）AMT强调环境技术
7.3.2快速原型技术的主要工艺方法
1.光固化法LSL(Laser Stero Lithography)
扫描控制器 万向反射镜 激光发生器 升降台控制器 升降台 成形零件 控制 系统 溶液槽 工作台 液面
紫外线光束
光敏树脂溶液
CAD
系统
图7. 5 LSL快速原型法工作原理
2.迭层法LOM（Laminated Object Manufacturing）
工程设计 数据库
管理信息 数据库
制造信息 数据库 质量管理信息 数据库
图7.3 CIMS的组成
7.3 快速原型技术
快速原型技术（Rapid Prototyping Technology,RPT）是20世纪80年 代国外发展起来的一种新技术，它完全是顺应快速开发产品的客观需 要而产生的。 快速原型技术是一种快速产品开发和制造的技术，利用光、电、热等 手段，通过固化、烧结、粘结、熔结等方式，将材料逐层或逐点堆积， 形成所需的制件。
7.1.3先进制造技术的发展趋势
1.传统制造技术向高效化，敏捷化，清洁化方向发展 2．先进制造技术向精密化、多样化、复合化方向发展 3．制造系统向柔性化，集成化，智能化，全球化方向发展 4．制造科学，技术与管理向交叉化，综合化方向发展
7.2 机械制造自动化技术
7.2.1机械制造自动化的概念
机械制造系统自动化技术自20世纪20年代出现以来，经历了三个主要 发展阶段，即刚性自动化、柔性自动化及综合自动化三种方式 。
成品
三维实体
进行快速原型技术制造实体样件时，按照以下步骤进行：
1）由CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型，按照一定的厚度 在Z向对生成的CAD模型进行切面分层，生成每个截面的二维平面信 息。 2）对二维层面信息进行工艺处理，选择合适的加工参数，系统自动 生成刀具移动轨迹和数控加工代码。 3）对加工过程进行仿真，确保数控加工代码正确无误。 4）利用数控装置控制激光束或其他工具的运动，在当前层上进行轮 廓扫描，加工出适当的截面形状。 5）铺上一层新的成形材料，进行下一层面的加工，如此重复，直到 整个零件加工完毕。
LOM方法是利用片状材料 （如纸片、塑料薄膜或复 合材料），用CO2激光器 发出的激光为能源，激光 束切割片材的边界线形成 某一轮廓，各层间加热、 加压成形制成零件的一种 快速成形方法
x -y 扫 描 装 置
边角料
激光器 光电系统 加热辊
工件 工作平台 材料带 收料辊 供料辊
图7.6 迭层法成形原理
2.绿色制造的定义及内涵
节省资源制造技术 清洁化制造过程 环保型制造技术 20世纪90年代提出绿色制造 （Green Manufacturing，GM）， 再制造技术 又称清洁生产（Green 绿色制造 Production,GP），或面向环境的 节能 制造（Manufacturing For Environment，MFE）。绿色制造 绿色产品 节省资源 技术是指在保证产品的功能、质量、 环保 成本的前提下，综合考虑环境影响 便于回收利用 和资源效率的现代制造模式。它使 产品从设计、制造、使用到报废整 个产品生命周期中节约资源和能源， 图7.12 绿色制造的内容 不产生环境污染或使环境污染最小 化。 绿色制造包含制造过程和产品两个 方面
7.5.4虚拟制造
1．虚拟制造的定义
虚拟制造（Virtual Manufacturing,VM）技术是在20世纪90年代以后 虚拟现实（Virtual Rerlity,VR）技术发展成熟以后出现的一种全新的 先进制造技术。这里的“虚拟”不是虚幻或者虚无，是指物质世界的 数字化，也就是对真实世界的动态模拟，即虚拟现实；而“制造”则 是指的虚拟现实技术在制造中的应用或者实现。综合地讲，虚拟制造 技术就是利用仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支 持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预测产品功能、性能及 可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造的本质过程，包括 产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测等，并进行 过程管理和控制。
2.CIMS的构成
从功能上看，CIMS包括了一个制造企业中设计、制造、经营管理和 质量保证等主要功能，并运用信息集成技术和支撑环境使以上功能有 效集成。图7.3描述了各功能模块及其联系。
工程设计自动化系统 （CAD/CAPP/CAE） 经营管理信息系统 （MIS） 制造自动化系统 （MA） 质量管理信息系统 （QIS）
图7.7 烧结法成形原理
Z向 驱 动
x/y驱 动
4.熔融沉积法FDM(Fused Deposition Modeling)
FDM方法是用蜡丝为原料， 利用电加热方式将熔丝熔化 成半流动成形材料，由喷头 挤到一定位置固化的一种快 速成形方法，如图7.8所示。
扫描装置 激光束 零件 辊子
激光器
光学装置
3.烧结法SLS（Selective Laser Sintering）
丝材
SLS方法是采用各种粉末（金属、 陶瓷、蜡粉、塑料）为材料， 加热头 利用滚子铺粉，用CO2高功率 激光器对粉末进行加热，直至 烧结成块的一种成形方法。如 零件 图7.17所示，一层完成后再重复 作下一层烧结，直至零件成形， 最后去掉多余粉末。
3．敏捷制造技术的基本特点
1）AM是自主制造系统 2）AM是虚拟制造系统 3）AM是可重构的制造系统
7.5.3 精良生产
1.精良生产的概念
精良生产（Lean Production，LP）也称为精益生产，是首先在日本 成功实施，后来由美国麻省理工学院于20世纪90年代提出的一种新型 制造系统模式。精良生产的中心思想是在各个环节去掉无用的东西， 每个员工及其岗位的安排原则必须保证增值，不能增值的岗位加以撤 除。精良生产是制造系统重构设计的典型策略之一。它具有如下的特 征： 1)以“简化”为主要手段。“简化”是实习精良生产的基本手段，具 体做法有：精简组织机构，简化产品开发过程，强调并行设计并成立 高效率的产品开发小组；简化零部件的制造过程；协调总装厂与协作 厂的关系，避免相互之间的利益冲突。 2）以人为中心。人包括整个制造系统所涉及到的所有人。 3）以尽善尽美为追求目标。
1.刚性自动化 2.柔性自动化
3.机械制造自动化的发展及趋势
1）高度智能集成性 2）人机结合的适度自动化 3）强调系统的柔性和敏捷性 4）功能扩展化 5）环保化
7.2.2计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）
1.CIMS的概念
计算机集成制造系统是在信息技术、自动化技术、计算机技术及制造 技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂的全部生产活动── 设计、制造及经营管理（包括市场调研、生产决策、生产计划、生产 管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营）等与整个生产 过程有关的物料流与信息流实现计算机高度统一的综合化管理，把各 种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整的生产系 统，从而获得更高的整体效益，缩短产品开发制造周期，提高产品质 量，提高生产率，提高企业的应变能力，以赢得竞争。
2．精益生产的内涵及体系
精益生产体系
精益生产的核心内容是准时制生 产方式JIT，这种方式通过看板管 准时 成组技术 质量 理，成功地制止了过量生产，实 生产 GT 管理 JIT JIT TQC 现了“在必要的时刻生产必要数 量的必要产品”的目标，从而彻 计算机网络支持下的并行 工作方式和小组化工作方式 底消除产品制造过程中的浪费， 以及由之 精益生产是在JIT生产方式、成组 图 7.11 技术GT以及全面质量管理 TQC 的 精益生产的体系构成 基础上逐步完善的，构造了一幅 以LP为屋顶，以JIT、GT、TQC 为三根支柱，以CE和小组化工作 方式为基础的建筑画面，如图 7.21所示
7.4.2 敏捷制造
敏捷制造（Agile Manufacturing,AM），敏捷制造目前尚无统一、公 认的定义，一般可以这样认为：敏捷制造是在“竞争合作（或协同）” 机制作用下，企业通过与市场（用户）、合作伙伴在更大范围、更高 程度上的集成，提高企业竞争能力，最大限度地满足市场（用户）的 需求，实现对市场需求作出灵活快速反应的一种制造生产新模式。
RP技术较之传统的诸多加工方法展示了以下的优越性
1）可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中 刀具无法达到某些型面的限制。 2）大幅度缩短新产品的开发成本和周期。 3）曲面制造过程中，CAD数据的转化（分层）可百分之百地全自动 完成，而不象在切削加工中需要高级工程人员数天复杂的人工辅助劳 动才能转化为完全的工艺数按代码。 4）不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。任意复杂零件的加工 只需在一台设备上完成，其加工效率亦远胜于数控加工。 5）属非接触式加工，没有刀具、夹具的磨损和切削力所产生的影响。 6）加工过程中无振动、噪声和切削废料。 7）设备购置投资低于数控机床。
先进制造技术与制造模式
先进制造技术在传统制造技术的基础上融合了计算机技术、信息技术、 自动控制技术及现代管理理念等，总结20世纪机械制造学科取得的成 就，展望其面向21世纪的发展趋势，机械制造技术的新发展，主要表 现在三个方面： （1）与微电子、信息处理技术融合的柔性制造自动化技术； （2）与微型机械、微小尺度关联的精密加工和超精密加工技术； （3）以现代管理理论为基础的先进生产模式和方法。 7.1概述 7.2 机械制造自动化技术 7.3 快速原型技术 7.4 先进制造生产模式
7.3.1.快速原型技术的基本原理
实体建模 CAD 三维实体模型
软 件 离 散 化
加工参数 刀具轨迹 数控代码
快速原型技术是采用 软件离散化和材料堆 积的原理实现实体的 成形
CAPP
Z 向切面分层
二维平面Leabharlann Baidu型
分层工艺处理
加工信息
加工过程仿真
显示
铺材料
材料堆积
CAM
材料铺新
二维轮廓
加工
图7.14 快速原型技术原理
7.1概述
7.1.1 先进制造技术产生的背景
20世纪80年代末，美国首先提出了先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，简称AMT）的新概念。 20世纪70年代，美国认为制造业是“夕阳工业” 1988年，美国政府开始投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究 20世纪90年代，美国经济空前繁荣，并提出了一系列先进制造技术的 新理论、新思想。如并行工程(CE)、精良生产(LP)、敏捷制造(AM)、 虚拟制造(VM)……
2．虚拟制造系统的体系结构
1）虚拟开发平台 2）虚拟生产平台 3）虚拟企业平台 4）基于PDM的虚拟制造集成平台
7.5.5绿色制造
1.绿色制造的提出 在生产力高度发展和物质产品空前丰富的今天，世界却面临着一系列 令人忧虑的问题： 在经历了几百年工业发展之后，人类逐渐认识到工业文明所带来的负 面影响已明显显现 越来越短的产品使用寿命（并非产品丧失了原有的功能，而是消费者 选择了更好、更新的产品）造成数量越来越多的废弃物；资源过快开 发和过量消耗，造成资源短缺和面临衰竭；环境污染和自然生态破坏 已严重威胁到人类的生存条件。如再不采取有效措施，后果将不堪设 想。在这种背景卜，绿色制造技术应运而生。
Z轴 升 降 台
图7.8 熔融沉积法成形原理
7.4 先进制造生产模式
7.4.1 并行工程CE(Concurrent Engineering)
1986年美国提出了“并行工程”的概念，即：“并行工程是集成地， 并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程）的 系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个 生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、 进度计划和用户要求。” 并行工程是一种系统的集成方法，它具有如下一些特性： 1）并行特性 2）整体特性 3）协同特性 4）约束特性
1．敏捷制造技术的内涵
敏捷制造是指制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的 市场需求的快速反应。其敏捷能力应当反映在以下六个方面： 1）对市场的快速反应能力 2）竞争力 3）柔性 4）快速 5）企业策略上的敏捷性 6）企业日常运行的敏捷性
2．敏捷制造技术的主要概念
1）全新企业概念。 2）全新的组织管理概念。 3）全新的产品概念。 4）全新的生产概念。