[原创]先进制造技术概述

 

先进制造技术概述

 

一、背景

先进制造技术最早由美国于20世纪80年代末提出。在20世纪80年代之前美国政府对产业技术不予支持，主张由企业自主发展。70年代一批美国学者鼓吹美国已经进入后工业社会，制造业是夕阳工业，结果导致美国在经济上的竞争力下降，日本产品大量涌入美国市场。在这样的背景下，80年代发生了轰动一时的东芝事件，使得美国政府认识到了问题的严重性。1988年美国政府投资进行“21世纪制造企业战略”的研究。90年代美国经济开始又一次繁荣，并提出了一系列新思想、理论，如并行工程、精益生产等，这均得益于对制造业的正确认识。因此，各国政府、研究机构和企业对于制造业及其相关理论、技术的重视，也就是理所当然的了。先进制造技术的提出正是处于这样的背景之下。

二、基本概念

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全生命周期过程中，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能力的制造技术的总称^[2]。在这里，现代制造已不仅仅是传统意义上的机械制造，它的基本特点是大制造、全过程、多学科。大制造包括光机电产品的制造、工业流程制造、材料制备等，是广义制造的概念。而制造方法也大大的拓展了，不仅包括机械加工方法，还包括高能束加工、电化学加工等。全过程不仅指毛坯到成品，还包括市场信息分析、产品决策、设计、加工制造、销售、售后服务、报废产品的处理回收，以致产品全生命周期的设计、制造、管理。多学科指现代制造技术涉及微电子、计算机、自动化、网络通信等信息科学、管理科学、生命科学、材料科学与工程和制造科学的交叉。

三、发展

现代制造在不同历史阶段的主要科学基础有所不同。在大批量、自动化生产阶段的科学基础是力学和统计学。多品种、小批量生产方式的科学基础是以离散事件动态系统为代表的系统控制理论。而以CIMS、敏捷制造、智能制造系统等为代表的制造系统模式，则是随着系统理论、人工智能和知识工程等理论的出现、发展而提出的。

由于制造战略不断变化，制造理念和模式也随之不断创新。在20世纪70年代出现了车间、工厂极的NC、FMS。到了随后的80年代中期，CIMS、并行工程、精益生产得以在公司一级的范围内实施。在90年代初期，虚拟制造和敏捷制造的出现意味着制造系统所考虑的因素已经扩展到了公司做处的市场环境――社会。90年代后期，随着经济全球化的进一步深入发展，企业运作空间也空前扩大，达到了全球范围。因之全球制造、绿色制造和智能制造方兴未艾。

纵观制造理念和模式演化的过程，可以看出制造理念和模式的发展有以下几个特点：

l         企业的运作空间不断扩大，表明资源优化配置和开发利用的空间范围不断扩大，合理性不断提升，经济性不断提高。

l         资源开发利用越来越广。

l         信息技术是支撑技术。

l         制造理念和模式的发展永无止境。

四、体系结构

美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）下属的工业和技术委员会先进技术工作组于1994年提出了先进制造技术的分类目录。其简要内容如下：

1.         主体技术群

1.1.        面向制造的设计技术群

1.1.1.       产品工艺过程和工厂设计：包括CAD、CAE、面向制造的设计（DFM）、面向装配的设计（DFA）、模块化设计、工艺过程建模和仿真、CAPP等技术。

1.1.2.       快速原型制造

1.1.3.       并行工程

1.1.4.       其他技术

1.2.        制造工艺技术群

1.2.1.       材料生产工艺

1.2.2.       加工工艺

1.2.3.       连接与装配技术

1.2.4.       测试与检验技术

1.2.5.       节能与清洁化生产技术

1.2.6.       维修技术

1.2.7.       其他技术

2.         支撑技术群

2.1.        信息技术

2.2.        标准和框架

2.3.        机床和工具技术

2.4.        传感和控制技术

2.5.        其他技术

3.         制造技术基础设施

3.1.        新型企业组织形式与科学管理

3.2.        准时信息系统

3.3.        工作人员的招聘、使用、培训、教育

3.4.        全面质量管理

3.5.        全局监督与基准评测

3.6.        技术获取和利用

3.7.        其他

 

下面是美国机械科学研究院（AMST）提出的多层次先进制造技术体系：

l         现代设计、制造工艺基础技术：CAD、CAPP、精密下料、精密加工、精密测量、现代管理技术等。

l         新型制造单元技术

l         系统集成技术

 

国内路甬祥在《关于先进制造技术》^[3]一文中提出了先进制造技术的要素。现结合国内一些相关教材的逻辑结构，总结出先进制造技术的要素内容如下：

l         现代设计理论与方法。包括CAD、CAE、CAPP、PDM、模块化设计、DFX、优化设计、三次设计与健壮设计、创新设计、反向工程、协同产品商务、虚拟现实技术、虚拟样机技术、并行工程等。

l         先进制造技术。包括少无余量精密成型技术，精密、超精密加工技术，微细加工与纳米技术、特种加工技术、制造自动化技术、新型材料的成型与加工技术，构件或材料之间的联接技术，表面新技术，快速成型技术，虚拟轴机床，微机电系统和微制造，超高速切削。

l         自动控制技术。传感及控制技术，测量及检验技术，焊接、搬运、装配机器人，环保技术，

l         信息技术和综合自动化。包括计算机网络技术、数据库、产品数据标准、多媒体技术、接口与通讯、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、系统监督与诊断、CIMS、智能制造系统。

l         管理技术、制造哲理与生产模式。包括成组技术、全面质量管理、精益生产与JIT、敏捷制造、并行工程、柔性制造、计算机集成制造、虚拟制造、智能制造、网络化制造、绿色制造、生物制造、可重构制造、MRP、MRPII、ERP、SCM、CRM、计算机辅助后勤支援（Computer Aided Logistic Support,CALS）、电子商务、知识管理。

 

五、特点

先进制造技术具有以下特点：

l         实用性

先进制造技术是一项面向工业应用，具有很强实用性的新技术。从先进制造技术的发展过程，从其应用于制造全过程的范围，特别是达到的目标与效果，都反映这是一项应用于制造业，对制造业、对国民经济的发展可以起重大作用的实用技术。先进制造技术的发展有明确的需求导向的特征；先进制造技术不是以追求技术的高新为目的，而是注重产生最好的实践效果，以提高效益为中心，以提高企业的竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。

l         综合性技术

先进制造技术由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，界线逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化、已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科。

l         系统性

一项先进制造技术的产生往往要系统地考虑到制造的全过程，从全局出发、系统地考虑问题。

l         动态发展的技术

由于先进制造技术本身是在针对一定的应用目标，不断地吸收各种高新技术逐渐形成、不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同的时期，先进制造技术有其自身的特点和内容。

l         面向全球竞争

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，制造业将形成全球化与一体化的格局，新的先进制造技术也必将是全球化的模式。

六、趋势

先进制造技术的发展趋势是：

1.         信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用

信息化是当今社会发展的趋势，信息技术正在以人们想象不到的速度向前发展。信息技术也正在向制造技术注入和融合，促进着制造技术的的不断发展。可以说先进制造技术的形成与发展，无不与信息技术的应用与注入有关。它使制造技术的技术含量提高，使传统制造技术发生质的变化，在21世纪对先进制造技术的各方面发展将起着更重要的作用。

信息技术促进着设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。各种先进生产模式的发展，如CIMS、并行工程、精益生产、灵捷制造、虚拟企业与虚拟制造，也无不以信息技术的发展为支撑。

2.         传统制造技术不断改进，新型制造技术迅速发展

2.1.        产品设计

改进的技术包括CAD、CAE等技术不断继续发展、完善，并得到更全面的应用。

新的发展包括并行工程、DFX、健壮设计、优化设计、反向工程技术。

现代设计技术的主要发展趋势是：

（1）       设计手段的计算机化

在实现了计算机计算、绘图的基础上，当前突出反映在数值仿真或虚拟现实技术在设计中的应用，以及现代产品建模理论的发展上，并且向智能化设计方向发展。

（2）       新的设计思想和方法不断出现

如并行设计、面向“X”的设计（Design For X－－DFX）、健壮设计（Robust Design）、优化设计Optimal Design）、反求工程技术（Revese Engineering）等。

（3）       向全寿命周期设计发展

传统的设计只限于产品设计，全寿命周期设计则由简单的、具体的、细节的设计转向复杂的总体的设计和决策，要通盘考虑包括设计、制造、检测、销售、使用、维修、报废等阶段的产品的整个生命周期。

（4）       设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素

设计不只是单纯追求某项性能指标的先进和高低、而是注意考虑市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。

2.2.        零件制造

以前的铸造、塑性加工得到了很大的改进，而新的技术也层出不穷。

展望21世纪，成形制造技术正在从制造工件的毛坯、从接近零件形状（ Near  Net  Shape Proccess）向直接制成工件精密成形或称净成形（ Net  Shape Proccess）的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，到下世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。改性技术主要包括热处理及表面工程各项技术。主要发展趋势是通过各种新型精密热处理和复全处理达到零件性能精确、形状尺寸精密以及获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时大大减少能耗及完全消除对环境的污染。

3.         加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展。

目前的进展具体来说包括超精密加工技术、超高速切削、虚拟轴机床等   

4.         绿色制造将成为21世纪制造业重要特征。

当前世界各国对环境保护的呼声越来越高，而资源也越来越短缺，使绿色制造业显得越来越重要。绿色制造技术也将获得快速的发展。主要体现在：

（1）       绿色产品设计技术

（2）       绿色制造技术   在整个制造过程，使得对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高。绿色制造技术主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品三方面的内容。

（3）       产品的回收和循环再制造 

5.         信息技术、管理技术、工业技术紧密结合，先进生产模式不断完善和发展

6.         虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用 

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）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。

虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。 

 

参考文献

1 张世琪，李迎，孙宇等编著 现代制造引论 北京：科学出版社 2003

2 张世昌编著 先进制造技术 天津：天津大学出版社 2004.4

3 路甬祥 关于先进制造技术 自然杂志 1996年4期

4 钱锐 先进制造技术 机械制造 1996年12期

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