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先进制造技术小结 毕节学院机械工程学院 2011级（2）班 刘丽琴摘 要： 随着社会经济和高新科学技术的发展，可持续发展战略的提出与实施，以及制造业的快速发展，先进制造技术应用越来越广泛，其可分类为以下五类：现代设计技术、先进制造技术、加工自动化技术、现代管理技术、先进制造生产模式及系统。每项技术在社会生产中都起非常重要的作用。介绍了先进制造技术与机械制造业的相互关系，和先进制造业的应用领域等。以及先进制造技术的应用，有传统制造业向观念现代机械制造业的转变，先进制造技术现状及其发展趋势，以及日益国际化的制造方式，以及柔性制造系统等在先进制造技术中的运用，和先进制造技术工艺特点等以及未来发展方向。关键词：先进制造技术；机械制造业；柔性制造、先进制造业 一 、引 言 制造业是现代国民经济和综合国力的支柱，其创造了国民生产总值的1/3，工业生产总值的4/5，提供了国家财政收入的1/3。由此可见，支柱技术的水平将对一个国家的经济实力和科技发展的水平产生重要的影响。制造技术尤其是先进制造技术将主宰一个国家的命运，因而，各国政府都非常重视先进制造技术的研究和发展，先进制造技术源于20世纪80年代的美国，是为提高制造业的竞争力和促进国家经济增长而提出的。同时，一计算机为中心的新一代信息技术的发展，推动了制造技术的飞跃发展，逐步形成了先进制造技术的概念。近年来，随着科学技术的不断发展和学科间的相互融合，先进制造技术迅速发展，不断涌现出新技术，新概念。例如：成组技术（GT）、精益技术（LP）、并行工程（CE）、敏捷制造（AM）、快速成型技术（RPM）、虚拟制造技术（VMT）等。先进制造技术是发展国民经济的重要基础之一，对我国的制造业发展有着举足轻重的作用。尤其在经济全球化条件下，随着国际分工的深化，出现国际产业大转移。制造业布局大调整的趋势。其中广泛采用先进制造技术和先进制造模式，是当今国际制造业发展的突出现象。一制造业快速发展为标志的工业化阶段，是经济发展的必经阶段，把握先进制造业的发展趋势，借鉴有益的国际经验对于我国实施“十二五”发展战略，推动制造业转型升级，具有重要的现实意义。 二、先进制造技术的含义和特点 1.先进制造技术的含义先进制造技术AMT（Advanced Manufacturing Technology）是在传统制造基础上，不断吸收机械、电子、信息（计算机与通信、控制理论、人工智能等）、材料、能源和现代管理技术等方面的成果，将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，一实现优质、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的制造技术的总称，也是取得理想技术经济效益的制造技术的总称。当前的金融危机也许还会催生新的先进制造技术，特别在生产管理技术方面。2.先进制造技术的特点 1）是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、产品开发机工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，并给它们结合成一个有机的整体。2）是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、传感器技术、自动化技术、新材料技术和知道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。3）是面向全球竞争的技术 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，它的主题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。 4）现代制造技术贯穿了从市场预测、产品设计、采购和生产经营管理、制造装配、质量保证、市场销售、售后服务、报废处理回收再利用等整个制造过程。2.现代制造技术注重技术、管理、人员三者的集成；是多学科交叉融合的产物，核心是信息技术、现代管理技术和制造技术的有机结合。 5）现代制造技术的主要目标是提高制造业对市场的适应能力和竞争力。 6）现代制造技术重视环境保护和资源的合理利用。 三、 先进制造技术的内涵与体系结构及分类 1. 先进制造技术的内涵及技术构成 先进制造技术在不同发展水平的国家的不同发展阶段，有不同的技术内涵和构成，对我国而言，它是一个多层次的技术群。先进制造技术的内涵和层次及其技术构成如图。 新型产业及市场需求带动 （重大设备、高新产业、社会协调发展） CIMS 系 先进技术 极限加工 微 统 基础方法 技术 电 工 清洁生 子 程 产技术 工艺模拟及 及 及 工艺设计技术 计 管 系统管理 优质高效 算 理 技术 低耗清洁 制造业自动 机 科 FMS 基础制造 化单元技术 IMS 应 学 技术 用 （基础技术） 技 质量与可 新材料成形 术 靠性技术 激光等 与加工技术 特种加工 集成技术 激光等新能源的技术 新材料技术 先进制造技术内涵、层次及其技术构成示意图 1.基础技术 第一层次是优质、高效、低耗、少污染基础制造技术。2.新型单元技术 第二层次是新型的先进制造单元技术。3.集成技术 第三层次是先进制造集成技术。 以上三个层次都是先进制造技术的组成部分，但其中每一个层次都不等于先进制造技术的全部。 先进制造技术的核心是优质、高效、低耗、清洁生产的基础制造技术。其目的是满足用户个性化、多样化的市场需求，提高制造业的综合经济效益，赢得激烈的生产竞争。为此，先进制造技术更加注重技术与管理的结合，重视制造注重和管理体制的简化及合理化。与传统制造技术比较，先进制造技术具有系统性、广泛性、集成性、动态性、实用性特点。 2. 先进制造技术的体系结构 1994年，美国联邦科学、工程和技术协调委员会（FCCSEF）下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群：主体技术群；支撑技术群；制造技术环境。这三个技术群相互联系、相互促进，组成一个完整的体系，每部分均不可缺少，否则就难发挥预期的整体功能效益。如下图。 主体技术群 面向制造的设计技术群 制造工艺技术群 产品、工艺设计 材料生产工艺 计算机辅助设计 加工工艺 工艺过程建模和仿真 联接与装配 系统工程集成 测试和检测 工作环境设计 环保技术 快速成型技术 维修技术 并行工程 其他 支撑技术群 信息技术 标准和框架 接口和通信 数据库 数据标准 产品定义和标准 集成框架 软件工程 工艺标准 检验标准 人工智能 决策支持 接口框架 机床和工具技术 传感器和控制技术 制造技术环境 质量管理 全国监督和基准评测 用户/供应商交互作用 技术获取和利用 工作人员培训和教育 先进制造技术的体系结构 先进制造技术的体系结构体系：先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有不同的技术内涵和构成，对我国而言，它是一个多层次的技术群。 1）基础技术 第一层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。经过优化的基础工艺如铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等。 2）新型的制造单元技术 第二个层次是新型的先进制造单元技术。这是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新的制造技术。 3）集成技术 第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息、计算机和系统管理技术对上述两个层次的技术局部或系统集成而形成的先进制造技术的高级阶段。如：FMS、CIMS、IMS等。 以上三层次都是先进制造技术的组成部分，但其中每一个层次都不等于先进制造技术的全部。3.先进制造技术的分类将目前各国掌握的制造技术系统化，对先进制造技术的研究分为下述4大领域，它们横跨多个学科，并组成一个有机整体。1）现代设计技术 （1）计算机辅助设计技术。包括：有限元法；优化设计；计算机辅助设计；反求工程技术；模糊智能CAD；工程数据库。 （2）性能优良设计基础技术。包括：可靠性设计；安全性设计；动态分析与设计；防断裂设计；疲劳设计；防腐蚀设计；减摩和耐磨损设计；健壮设计；耐环境设计；维修性设计和维修性保障设计；测试性设计；人机工程设计。 （3）竞争优势创建技术。包括：快速响应设计；智能设计；仿真与虚拟设计；工业设计；模块化设计。（4）全寿命周期设计。包括：并行设计；面向制造设计；全寿命周期设计。（5）可持续性发展产品设计。主要有绿色设计。（6）设计试验技术。包括：产品可靠性试验；产品环保性能试验与控制、仿真试验与虚拟试验。2）先进制造工艺（1）精密洁净铸造成形工艺。包括：外热冲天炉熔炼、处理、保护成套技术；钢液精炼与保护技术；近代化学固化砂铸造工艺；高效金属型铸造工艺与设备；气化膜铸造工艺与设备；铸造成形工艺模拟和工艺CAD。(2)精确高效塑性成形工艺。包括：热锻生产线成套技术；冷温成形成套技术；精密辊锻和楔横轧技术；大型覆盖件冲压成套技术；精密冲裁工艺；超塑和等温成形工艺；锻造成形模拟和工艺CAD。（3）优质高效焊接机切割。包括：新型焊接电源及控制技术；激光焊接技术；优质高效低稀释率堆焊技术；精密焊接技术；焊接机器人；现代切割技术；超塑和等温成形工艺；焊接过程的模拟仿真与专家系统。（4）优质低耗洁净热处理技术。包括：可控气氛热处理；真空热处理；离子热处理；激光表面合金化；可控冷却。（5）高效高精密机械加工工艺。包括：精密加工和超精密加工；调整切削与高速磨削；变速切削；复杂型面的数控加工；游离磨料的高效加工 。（6）现代特种加工。包括：激光加工；复合加工；微细加工和纳米加工；水力加工。（7）新型材料成形与加工工艺。包括：新型材料的铸造成形；新型材料的塑性成形；新型材料的焊接；新型材料的热处理；新型材料的机械加工。（8）优质清洁表面工程新技术。包括：化学镀非晶态技术；新型节能表面涂装技术；铝及铝合金表面强化处理技术；超声速喷涂技术；热喷涂激光表面重熔复合处理技术；等离子化学气相沉积技术；离子辅助沉积技术。（9）快速模具制造技术。包括：锻模CAD/CAM一体化技术；快速原型制造技术。（10）拟实制造成形加工技术。包括：材料热加工拟实制造成形；机械加工的拟实制造技术；机械产品的拟实装配技术。3）自动化技术（1）数控技术。包括：数控装置；进给系统和主轴系统；数控机床的程序编制。（2）工艺机器人。包括：机器人操作机；机器人控制系统；机器人传感器；机器人生产线总体控制。（3）柔性制造系统（FMS）。包括：FMS的加工系统； FMS的物流系统； FMS的调度与控制； FMS的故障诊断。（4）计算机集成制造系统（CIMS）。（5）传感技术。（6）自动检测及信号识别技术。包括：自动检测CAT；信号识别系统；数据获取；数据处理；特种提取；识别。（7）过程设备工况监测与控制。包括：过程监视控制系统；在线反馈质量。4）系统管理技术（1）先进在生产模式。包括：精益生产；CIMS；敏捷制造；分散网络化制造系统；智能制造。（2）集成管理技术。包括：并行工程；MRP与JIT的集成生产组织方法；基于作业的成本管理（ABC）；现代质量保障体系；知道管理信息系统；生产率工程；制造资源的快速有效集成。（3）生产组织方法。包括：虚虚拟公司理论与组织；企业组织结构的变革；以人为本的团队建设；企业重组工程。四、先进制造技术生产模式 制造哲理：是关于制造系统的世界观，是客观制造系统在人脑中得主观影像，也是人们设计或改造制造系统是所依据的基本概念、原理、思想和理论。 制造模式：是指企业体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形态和运作的模式。 制造模式与制造哲理区别：制造模式与制造哲理共同构成制造技术发展的软环境。制造哲理是关于制造系统的世界观，是客观制造系统在人脑中得主观影像，也是人们设计或改造制造系统是所依据的基本概念、原理、思想和理论。制造模式是制造哲理在制造系统中的反映，它反映了在运行过程中所遵循的规律。因此，我们应避免只重视制造技术而忽视制造模式的倾向。先进制造模式：是应用先进制造技术的生产组织和技术系统的形态与运作方式。它以获得生产有效性为首要目标，以制造资源快速集成为基本原则，以人-组织-技术相结合为实施途径，使制造系统获得精益、敏捷、优质与高效的特征，以适应市场变化对时间、质量、成本、服务和环境的新要求。 1.GT-group technology成组技术：是一门生产技术科学，研究和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它把相似的问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得期望的经济效果。 2.CIM-Computer Integrated Manufacturing计算机集成制造：是信息技术和生产技术的综合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力。 3.CE-Concurrent Engineering并行工程：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。 4.MC-Mass Customization大量定制：是一种在系统整体优化的思想指导下，即企业、顾客、供应商和环境于一体，充分利用企业已有各种资源，根据顾客的个性化需求，以大量生产的低成本、高质量、高效率提供定制产品和服务的生产模式。 5.JIT-Just-In-Time准时制生产：在制造过程中，要求按正确的时间、地点提供正确数量的合格物品，以期达到零库存、无缺陷和低成本的目标。 6.LP-Lean Manufacturing精益生产：综合了单件小批量生产与大批量生产的优点，已实现用较少的投入生产出能满足客户多方面需求的高质量的产品。把客户、销售代理商、供应商、协作单位纳入生产体系，按客户不断变化的需求同步组织生产，时刻保持产品的高质量、多样化和灵活性。要求杜绝浪费，合理利用资源，最大限度地消除一切不对产品增值作用的无效劳动。高度重视人的作用和团队精神，要求人们进取不懈，永不止境的追求尽善尽美。 7.AM-Agile Manufacturing敏捷制造：指的是制造企业能够把握市场机遇，及时动态地重组生产系统，在最短的时间内(与其它企业相比)向市场推出有利可图的、用户认可的、高质量的产品。 8.IM-Intelligent manufacturing智能制造：是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、构思和决策等，从而取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。同时，收集、存贮、完善、共享、继承和发展人类专家的智能。“彻底消除浪费”：(零库存)、废品量最低(零废品）、准备时间最短(零准备时间)、机械设备保持完好(零故障)，其最终目标是获得最大利润。 刚性制造模式与柔性制造模式的主要区别是什么？ 答：刚性制造模式适用于大批量，少品种生产；柔性制造模式适用于少批量，多品种生产。 计算机辅助绘图的方法：人工交互方式绘图，参数化绘图，利用图形库辅助绘图，利用实体造型绘图。 模块化设计:根据用户需求和功能分析，划分并设计出一系列通用的标准模块，通过对这些模块的选择和组合，构造出不同功能或相同功能，但性能不同、规格不同的产品的过程。 模块化设计与传统设计的主要区别：1）模块化设计面向产品系统，而传统设计面向某一专项任务。2）模块化设计是标准化设计，而传统设计总体上表现为专用性设计。3）模块化设计的程序是自上而下，而传统设计的程序则是下向上或由细到粗。4）模块化设计是组合化设计，而传统设计是整体设计。5）模块化设计是二个对象，既可以是产品也可以是模块，而传统设计的对象是产品。6）传统设计只需要凭扎实的专业设计知识和一定的设计经验就可以设计出较好的产品，而模块化设计除此以外还需要一定的新理论。 模块的分类：1）基本模块：实现系统基本功能和反复使用的基础模块；2）辅助模块：协助基本模块实现安装与连接等辅助功能的模块；3）特殊模块：实现系统某些特殊功能的模块；4）适应模块：实现系统某些适应性功能的附加模块，又称附加模块。五、先进制造国内外现状和发展趋势与技术前沿1.我国先进制造技术的现状 自建国以来，尤其是改革开放以来，我国机械制造业得到了迅速地发展。机械工业是我国工业中发展最最快的行业之一。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。20世纪80年代以后，随着市场全球化的进一步发展，市场竞争变得越来越激烈。20世纪90年代初，随着CIMS技术的大力推广应用，包括CIMS实验工程中心和7个开发实验室的研究环境已建成。在全国范围内，部署了CIMS的若干研究项目，诸如CIMS软件工程与标准化、开放式系统结构域发展战略，CIMS总体与集成技术、产品设计自动化、工艺设计自动化、柔性制造技术、管理与决策信息系统、质量保证技术、网络与数据库技术以及系统理论和方法等均取得了丰硕成果，获得不同程度的进展。但因大部分大型机械制造企业和绝大部分中小型机械制造企业主要限于CAD和管理信息系统，底层基础自动化还十分薄弱，数控机床由于编程复杂，还没有真正发挥作用。因此，与工业发达国家相比，我国的制造业仍然存在一个阶段的整体上的差距。2.国外先进制造技术的现状在产品设计方面，普遍采用计算机辅助产品设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）和计算机仿真技术；在加工技术方面，已实现了底层（车间层）的自动化，包括广泛地采用加工中心（或数控技术）、自动引导小车（AGV）等，近10余年来，发达国家主要从具有全新制造理念的制造系统自动化方面寻找出路，提出了一系列新的制造系统。如计算机基础制造系统、智能制造系统、并行工程、敏捷制造等。3.先进制造技术的发展趋势 人类已进入一个新的世纪，处于新技术革命巨大浪潮冲击下的制造业，面临着严峻的挑战和机遇：新技术革命的挑战；信息时代的挑战；有限资源日益增长的环保压力的挑战；制造全球化和贸易自由化的挑战；消费观念变革的挑战。在新世纪中，制造业发展的重要性是向全球化、网络化、虚拟化方向发展，未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、智能化、集成化、全球化方向发展。4. 先进在技术的技术前沿制造业为迎接2020年的重大挑战，经美国国家科学研究委员会工程技术委员会制造与工程设计院“制造业挑战委员会”经过专题研讨和调研、预测，优选出10项具备较大技术潜力的技术领域，这些技术领域可作为迎接2020年重大挑战的必须解决和发展的关键技术与支撑技术。1） 可重组制造系统开发能够满足用户对产品质量、性能及服务等广泛需求的集成工艺及装备系统，包括硬件、软件、子工艺、子系统等。该系统适应性强，易重组。能以易编程的方式与跨越产品整个寿命周期的高层工艺和系统相结合。支持可重组制造系统的研究主要有以下五个方面：制造工艺与工装；基础理论；新的制造系统；建模与仿真；控制与通信。2） 无浪费工艺使生产浪费最小、能量消耗最低的制造工艺是未来的一项关键技术。通过不产生废弃物的工艺（如用自由成形制造来代替切削加工）、产生的废弃物可在后续制造中作为原料加以重新利用是工艺、能使能耗最低的工艺（如以温室下粘接代替高温固化的工艺），保护资源、降低成本，而且能降低能量生产中间接产生的环境影响。为满足无浪费生产需要在以下两个重要领域进行研究：废弃物的减少与利用；产品设计和分析。3） 新的材料工艺新材料和零件的工艺创新其目标是开发出具有超常物理性能的新材料（如具有高强度、高耐磨性、良好电磁性能等）。随着产品向微型化发展，对于亚微米级的微型化产品而言，需要具有能够对其在分子级上进行控制其性能的材料。特别是对于亚微米级大小的元件，需要研究原子和分子物理化学性能的设计方法学。在许多情况下，这些新材料是有机物，而且其设计方法学也是建立在生物学基础上的。制造这些材料和元件的工艺可能要在其原子级上进行处理（纳米制造），这些工艺类似于基因链接，也可能是生物工艺。支持具有超常性能新型材料工艺的开发的研究可在下列三大领域展开：创新的工艺过程；设计和分析方法；理论基础。4） 生物制造技术 生物制造技术研究将基于对生物制造过程的精度和柔性的理解以及能否找到某种方法来克服其本身的固有缺陷（如固有过程慢和对可用材料的限制等）。这一技术的突破有可能导致创新的新产品和制造工艺革命性进展。5） 企业建模和仿真对制造业的所有活动进行建模和仿真，模拟企业的任何活动，使企业能根据多变的环境作出决策。通信与信息技术；建模工具。6） 信息技术 将信息转化为知识以便作出有效决策的技术是一项优先发展技术。集成信息技术将鉴别进行专门决策所需的信息，从分散的资源中将信息合拢，过滤多余的信息以及提供有用信息，以便能方便而迅速地应用。信息系统结构包含用于传送、过滤和融入数据和信息的语义学、协议、算法等，以便于人们在决策是利用。7） 满足多层次用户需求的产品及工艺设计方法 能够满足用户广泛需求的产品及工艺设计方法将成为制造的优先发展技术。一般说来，模块化设计方法能用来满足快速发展变化的客户需求，这种方法能够适应可变比例的、参数化定义的系列产品和工艺，也能适应单个的、用户定制的产品以及大批量生产的产品。8） 增强型人机界面 对2020年的在这来说，在人、设备和信息技术之间必须有增强型人机接口。通信联系必须从语义上是正确的，考虑人们语言和文化的差异，除了传递事实之外，还必须能够传递思想。9） 劳动力教育和培训 当企业全球化之后，由于工作和技能的改变以及新技术、新工艺的采用，人们受教育和培训的方式也将随之改变。制造业的不断变化对人们获取使用新知识提出了更高的要求。10） 智能协作系统软件 面向协作工程的智能系统可以是全世界范围内具有不同的技术专长、用不同的语音交流、且有着不同的文化背景的人们能够通过自动化的工艺和机器进行联系和协作。六、 结语 制造业是国家借鉴和综合国力的基础，被称为“立国之本”。先进制造技术是现代制造业的关键技术，已成为一个国家综合实力和科技发展的重要标志，为提高一个国家的国际地位起着举足轻重的作用。经过近几年的发展，我国的制造业已取得了巨大的进步，但和先进国家相比还存在很大的差距。主要表现在：技术投入相对不足，原有技术基础和研究能力薄弱，制造业产品落后，技术水平低，信息含量少，更新换代慢，以及市场营销、经营管理、人才素质相对落后，缺乏国际竞争能力等方面。因此，我国对先进制造技术已引起高度重视，大力发展先进制造技术，培养专业人才，使我国有世界制造大国逐步转变为世界制造强国。 先进制造技术融合了众多高新技术，涉及到制造业中的产品的整个生命周期，能实现优质、高效、低耗、清洁、灵活是生产，同时也提高了对多变市场的应对能力和竞争能力。现在人类社会已经步入知识经济时代，知识和技术被认为是提高生产率和实现经济快速增长的驱动器。因而，先进制造技术已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的需求的重要支撑，成为加速高科技发展和实现国防现代化的助推器。 参考文献 1 先进制造技术 2 国家自然学科基金会工程与材料学部，机械工程科学技术前沿编委会主编机械工程科学 技术前沿 . 北京：机械工程出版社，1998 3 张伯鹏等 . 先进制造技术基础研究的现状及发展趋势 . 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