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1、先进制造技术及其发展趋势0 .前言31. 先进制造技术的概述32. 先进制造技术的体系结构43. 先进制造技术的现状54. 先进制造的发展趋势75. 柔性制造技术105.1柔性105.2柔性制造技术115.2.1 柔性制造系统（FMS）115.2.2 柔性制造单元（FMC）125.2.3 柔性制造线（FML）125.2.4 柔性制造工厂（FMF）126 .计算机集成制造系统136.1 CIMS 系统的功能组成136.2 CIMS 系统的技术优势分析146.2.1 保障和提高了新产品开发的质量146.2.2 缩短了新产品的上市周期156.2.3 经营管理科学化, 同时降低了产品的成本157 超精
2、密加工技术157.1 超精密加工的技术范畴167.2 超精密加工的关键技术177.2.1 主轴177.2.2 直线导轨177.2.3 传动系统187.2.4 超精密测控技术187.2.5 微进给技术197.2.6 超精密环境控制技术207.2.7 加工原理217.3 结论218 结语220 .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、科技发展与国家安全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, 主要是先进制造技术的竞争, 其竞争能力又体现在所生产产品的市场占有率上。随着经济的高速发展以及顾客需求和市场环境
3、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( advancedmanufactuing technology, 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。具体地说, 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
4、术以其高效率、高品质和对于市场变化的快速响应能力为主要特征。先进制造技术是生产力的主要构成因素, 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发展的/ 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发展, 如果没有先进制造技术作为基础, 是根本不可能的。2. 先进制造技术的体系结构先进制造技术主要包括以下3个技术群(图1):a) 主体技术群: 这是制造技术的核心, 它包括两个基本部分: 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
5、计技术群系指用于生产准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间都有很大影响。产品和制造工艺的设计可以采用一系列工具, 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可以采用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基础性的核心技术。基本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、生产计划
6、的控制以及包装等。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、手段和系统集成的基础技术。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) 传感器和控制技术: 单机加工单元和过程的控制、执行机构、传感器和传感器组合、生产作业计划;5) 其他。c) 制造技术基础设施: 制造技术基础设施是指为了管理好各种适当的技术群的开发并鼓励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。制造技术的基础设施是使先进的制造技术与企业组织
7、管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部分。图1 AM T 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主要标志, 是国家工业的基础和支柱。目前, 世界各工业发达国家已充分认识到发展先进制造技术的重要性和紧迫感, 纷纷对此进行广泛深入的研究, 展开了激烈的竞争。各种创新成果和先进技术不断涌现。它们主要包括: 计算机集成制造系统( computer integrated manufacturing system,CIMS), 敏捷制造( agile manu factur ing, AM), 并行工程(
8、 concurrent engineer ing, CE ), 虚拟制造( virtua lmanufactur2ing, VM)以及可持续发展技术等等。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管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
9、计中的问题或不足, 要分别在加工、装配或售后服务中才能被发现, 然后再修改设计,改进加工、装配或售后服务(包括维修服务)。而CE就是将设计、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、并行工程时序的比较c) AM 是指企业实现敏捷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、员工授权、制造商和供应商关系、总体品质管理及企业重构。AM是借助于计算机网络和信息集成基础结构, 构造有多个企业参加的/ VM0环境, 以竞争合作的原则, 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, 进行快速和最佳生产。d) VM是虚拟现实(
10、 virtual reality, 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觉到未来产品的性能或者制造系统的状态, 从而可以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。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
11、。e) 可持续设计是在生态哲学的指导下, 将设计行为纳入/ 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护人与自然的共同繁荣, 旨在平衡环境、社会、经济三方面的设计实践和设计管理。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思考, 是产品设计学科的新的发展方向。目前可持续设计并不成熟, 主要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, 可持续设计可以说是人类文明的巨大进步。4. 先进制造的发展趋势先进制造业追求的目标是: 高品质、高效率、高柔性
12、、低成本、低劳动力、低消耗、品种多和规格全的产品, 因此,ATM的发展趋势应体现在以下几个方面:a) 制造技术向自动化与智能化方向发展: 随着电子技术、信息技术和计算机技术的发展, 推动了制造技术向更深层次发展。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。并采用MRPII /ERP系统, 对整个企业的物流、资金流、管理信息流和人力资源进行数字化管理。智能制造技术( IMT )是将人工智能融入制造过程的各个环节, 通过模拟人
13、类专家的智能活动, 取代或延伸制造系统中的部分脑力劳动, 在制造过程中系统能自动监测其运行状态, 在外界干扰或内部激励下能自动调整其参数, 以达到最佳状态和具备自组织能力。例如机器人加工就是将机床与机器人、传感器、控制器组合而成的智能制造系统, 它具有信息处理和知觉反馈、决策能力, 可同时控制指挥多种操作, 从而能提高效率、保证品质和降低成本。b) 精密成形与加工: 精密加工、超精密加工技术、微型机械是先进制造技术 发展的方向之一。精密和超精密加工技术包括精密和超精密切削加工、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。超精密加工技术己向纳米技术
14、发展。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、声能及特殊机械能等能量达到去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, 特种加工将从实际出发, 在融合传统技术和现代技术的基础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
15、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、生产中不可避免的缺陷和错误。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, 完成数量和时间要求的适应能力。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发展和普及, 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可以异地或跨越国界进行。此外, 网络通讯技术的快速发展, 加速技术信息的交流、加强产品开发的合作和经营管理的学习, 推动了企业向着既竞争又
16、合作的方向发展。因此制造业发展的必然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、绿色管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。采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响, 同时使原材料和能源的利用效率达到最高。对于目前世界资源紧张, 环境恶化的现状以及人类的持续发展的要求来讲, 绿色制造是必然的趋势。5. 柔性制造技术 5.1柔性柔性可以表述为两个方面。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望值之比来衡量。“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性
