先进制造技术6

第1章先进制造技术概论12331.1先进制造技术的提出和发展1.2先进制造技术的内涵和体系结构

1.3先进制造技术的发展趋势返回1.1

先进制造技术的提出和发展先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology,AMT)这一概念是美国于20世纪80年代末期提出来的,其根本原因是由于美国竞争力不断减弱,贸易逆差剧增,许多美国原来占绝对优势的产品都在竞争中输给日本。为此,美国政府和企业界投入巨资,组织大量专家进行研究和分析,得出的结论是:“振兴美国经济的出路在于振兴美国的制造业”,“经济竞争归根到底是制造技术和制造能力的竞争”。因而,美国政府采取了一系列措施:1988年投资进行大规模的“21世纪制造业战略的研究”;克林顿总统也于1993年2月发表专题报告,提出“要促进先进制造技术的发展”;成立国家级、地区级、大学和企业等各种层次的先进制造技术协调、推广和应用研究中心。下一页返回1.1

先进制造技术的提出和发展这些措施收到了良好的效果,如美国汽车制造水平大幅度提高,产量重新超过日本;总结并提出了一系列先进制造技术的新理论,如并行工程、精益生产、敏捷制造等。自从美国提出先进制造技术这一概念以来,日本、西欧各国以及亚洲各新兴工业国家也相继做出了响应,纷纷将先进制造技术列为国家的高新技术和优先发展项目。1.1.2先进制造技术的发展概况1.美国在促进AMT的发展方面,美国走在世界的前面。20世纪90年代以来,其制定和实施了一系列发展AMT的科技政策、战略和规划。(1)六点行动上一页下一页返回1.1

先进制造技术的提出和发展美国20世纪90年代科技政策的特点是:重视产业技术的发展,以制造业为中心,注重技术推广,强调产业整体技术水平和市场竞争能力的提高。美国总统克林顿关于发展先进制造技术提出六点行动:①对先进制造技术的研究开发提供更多的资助,开发新汽车和新建筑技术;②支持敏捷制造;③建立全国制造技术推广中心网;④促进本地区建立技术联盟;⑤促进制造工程教育的发展;⑥促进考虑环境的制造技术的发展。(2)先进制造技术计划上一页下一页返回1.1

先进制造技术的提出和发展1993年,美国政府批准了由联邦科学、工程与技术协调委员会(FCCSET)主持实施的AMT计划。1994年,美国商务部国家标准与技术研究所(NIST)发起了面向制造应用的系统集成(SystemsIntegrationforManufacturingApplications,SIMA)计划,该计划属于美国政府实施的高性能计算与通信(HPCC)计划的一部分。NIST的所有7个实验室均参加了SIMA计划。该计划主要研究开发能够提高制造系统集成水平的相关技术与标准,到1995年,其已经开发、测试和演示验证了能将支持设计、规划和生产等企业活动的各种软件应用集成在一起的集成技术。利用这些集成技术,再结合网络通信技术来改造企业的制造系统,使它们成为模块化、开放式、可重构和智能化的系统。该计划的研究领域包括:上一页下一页返回1.1

先进制造技术的提出和发展①制造系统环境,包括面向设计的信息协议、适用于电子元件信息交换的电子商务、框架集成、制造企业集成、生产/产品数据管理、快速反应制造、供应链集成、面向制造的虚拟环境及可视化等15个项目。②标准开发环境(SDE),包括应用协议开发环境、产品模型数据交换标准(StandardfortheExchangeofProductModelData,STEP)一致性测试和STEP实施原型3个项目。③试验平台与技术转让环境(TTTE),包括先进制造系统与网络测试平台、适用于评价与优化产品和工艺设计的分析工具等9个项目。(4)敏捷制造使能技术战略发展计划上一页下一页返回1.1

先进制造技术的提出和发展1995年11月,美国正式发布了敏捷制造使能技术战略发展计划(TechnologiesEnablingAgileManufacturingStrategicPlan,TEAM),其每年投资3000万美元,该计划到1999年结束。美国国防部、美国国家标准与技术研究所、美国国家科学基金会等部门都参加了TEAM计划的实施。另外,,有3000多家私营企业、60多家公司、16所大学和国际财团以及许多政府机构直接参与了此项计划。2.德国德国是世界制造业的传统强国,以良好的质量和生产工艺闻名于世。制造业是德国重要的经济生产部门,其机械产品在国际市场上享有盛誉,产品占世界同类产品的1/5左右,研发获得的发明专利数量居世界首位。上一页下一页返回1.1

先进制造技术的提出和发展3.日本为继续保持经济强国地位和经济持续发展势头,日本决定通过发展本国尖端技术、开拓现有技术来开发新产品、新工艺,创造新市场和新产业,力争成为一个以创造性科学技术为基础的国家。对于先进的、将成为竞争热点的预竞争力(Pre-competitive)以及能加强国家未来工业技术基础的计划,其主要由政府统一规划和协调。从20世纪80年代末期开始,日本相继出台了4项重大计划,即:(1)智能制造系统计划智能制造系统(IntelligentManufacturingSystem,IMS)计划是日本通产省(MITI)于1989年发起的一项国际合作研究计划,美国、加拿大、澳大利亚、欧共体和欧洲自由贸易联盟等国家和地区组织纷纷加入进来.上一页下一页返回1.1

先进制造技术的提出和发展它是迄今为止制造业领域内最大的一项国际合作研究,其目标是全面展望21世纪先进制造技术的发展趋势,先行开发下一代制造技术,以解决全球制造业面临的共同问题,如提高产品质量和性能,促进科技成果转化,改善地球环境,推动全球制造、信息制造技术的体系化和标准化,快速响应制造业的全球化等。该计划先后经历了可行性研究(1992—1994年)和全面实施(1995—2005年)两个阶段。(2)未来计划1996年,日本文部省下属的日本科学振兴会(JSPS)发起未来计划(FutureProgram)。⑤通过将生命科学与化学技术的集成来生产新型材料(6个课题)。(3)风险企业型实验室计划1995年,日本文部省发起风险企业型实验室计划。该计划的主要目的是促进创新性研究开发活动,为新工业和风险企业培养年轻的科技人才。上一页下一页返回1.1

先进制造技术的提出和发展该计划共资助了21所日本著名国立大学的实验室,这些实验室的研究领域以微型机械制造、虚拟现实硬件与软件技术、毫微米技术等为主。(4)促进创新性工业技术研究开发计划1995年,日本通产省新能源与工业技术开发组织(NEDO)发起促进创新性工业技术研究开发计划(NewIndustryCreativeTypeTechnologyR&DPromotionProgram)。4.英国英国政府在支持工程和技术规划(EngineeringandTechnologyProgramme)及制造系统工程(ManufacturingSystemEngineering)研究方面开展了如下先进制造技术研究:上一页下一页返回1.1先进制造造技术的的提出和和发展5.韩韩国1991年年底底,韩国国政府提提出了极极先进技技术国家家计划(HighlyAdvancedNationalProject,HANP),由韩国国科技部部、工商商部、能能源部和和交通部部联合实实施。该该计划的的目标是是:到2000年把韩韩国的技技术实力力提高到到世界一一流工业业发达国国家水平平。这一一计划包包括先进进制造系系统、新新能源、、电气车车辆、人人机接口口技术等等7个大大项目,其中先先进制造造系统的的含义是是将市场场需求、、设计、、制造和和销售等等集成在在一起的的系统。。先进制制造系统统项目从从1992年12月开开始实施施,为期期10年年,共分分3个部部分:基基础技术术,开发发集成化化的开放放式系统统、标准准化技术术以及系系统性能能评价方方法;下下一代加加工系统统,开发发下一代代加工设设备、机机械技术术与生产产工艺技技术;电电子产品品的装配配和检验验技术,开发下下一代印印刷版装装配和检检验技术术、高性性能装配配机构和和制造系系统、系系统操作作集成技技术和智智能技术术等。上一页返回1.2先进制造造技术的的内涵和和体系结结构先先进制造造技术的的内涵和和特点随着社会会需求个个性化、、多样化化的发展展,生产产规模沿沿小批量量→大批批量→多多品种变变批量的的方向发发展,以以及以计计算机为为代表的的高技术术和现代代化管理理技术的的引入、、渗透与与融化,不断地地改变着着传统制制造技术术的面貌貌和内涵涵,从而而形成了了先进制制造技术术。1.先先进制造造技术的的内涵目前对先先进制造造技术尚尚没有一一个明确确的、一一致公认认的定义义,经过过近年来来对发展展先进制制造技术术方面开开展的工工作,通通过对其其特征的的分析研研究,可可以认为为:先进进制造技技术是制制造业不不断吸收收信息技技术和现现代管理理技术的的成果,是将其其综合应应用于产产品设计计、制造造、检测测、管理理、销售售、使用用、服务务乃至回回收的制制造全过过程,以以实现优优质、高高效、低低耗、清清洁和灵灵活生产产,提高高对动态态多变的的市场的的适应能能力和竞竞争能力力的制造造技术的的总称。。下一页返回1.2先进制造造技术的的内涵和和体系结结构2.先先进制造造技术的的特点(1)先先进制造造技术的的实用性性先进制造造技术最最重要的的特点在在于,它它首先是是一项面面向工业业应用,具有很很强实用用性的新新技术。。先进制制造技术术的发展展过程、、其应用用于制造造全过程程的范围围和其达达到的目目标与效效果,无无不反映映这是一一项应用用于制造造业,并并对制造造业和国国民经济济的发展展可以起起重大作作用的实实用技术术。先进进制造技技术的发发展往往往是针对对某一具具体的制制造业(如汽车车制造、、电子工工业)的的需求而而发展起起来的先先进、适适用的制制造技术术,具有有明确需需求导向向的特征征;先进进制造技技术不是是以追求求技术的的高新为为目的,而是注注重产生生最好的的实践效效果,以以提高效效益为中中心,以以提高企企业的竞竞争力、、促进国国家经济济增长和和增强国国家综合合实力为为目标。。(2)先进制制造技术应用用的广泛性上一页下一页返回1.2先进制造技术术的内涵和体体系结构先进制造技术术相对传统制制造技术在应应用范围上的的一个很大不不同点在于,传统制造技技术通常只是是指各种将原原材料变成成成品的加工工工艺,而先进进制造技术虽虽然仍大量应应用于加工和和装配过程中中,但由于其其组成中包括括了设计技术术、自动化技技术、系统管管理技术,因因而则将其综综合应用于制制造的全过程程,覆盖了产产品设计、生生产准备、加加工与装配、、销售使用、、维修服务甚甚至回收再生生的整个过程程。(3)先进制制造技术的动动态特征由于先进制造造技术本身是是针对一定的的应用目标,不断地吸收收各种高新技技术逐渐形成成和发展的新新技术,因而而其内涵不是是绝对的、一一成不变的。。反映在不同同的时期,先先进制造技术术有其自身的的特点;反映映在不同的国国家和地区,先进制造技技术有其本身身重点发展的的目标和内容容,并通过重重点内容的发发展以实现这这个国家和地地区制造技术术的跨越式发发展。上一页下一页返回1.2先进制造技术术的内涵和体体系结构(4)先进制制造技术的集集成性传统制造技术术的学科、专专业单一独立立,相互间的的界限分明;先进制造技技术由于专业业和学科间的的不断渗透、、交叉、融合合,界线逐渐渐淡化甚至消消失,技术趋趋于系统化、、集成化,并并已发展成为为集机械、电电子、信息、、材料和管理理技术为一体体的新型交叉叉学科,因此此可以称其为为“制造工程程”。(5)先进制制造技术的系系统性传统制造技术术一般只能驾驾驭生产过程程中的物质流流和能量流。。随着微电子子、信息技术术的引入,先先进制造技术术还能驾驭信信息生成、采采集、传递、、反馈、调整整的流动过程程。(6)先进制制造技术强调调的是实现优优质、高效、、低耗、清洁洁、灵活的生生产上一页下一页返回1.2先进制造技术术的内涵和体体系结构先进制造技术术的核心是优优质、高效、、低耗、清洁洁等基础制造造技术,它是是从传统的制制造工艺发展展起来的,并并与新技术实实现了局部或或系统集成,其重要的特特征是实现优优质、高效、、低耗、清洁洁、灵活的生生产。(7)先进制制造技术最终终目标是要提提高对动态多多变的产品市市场的适应能能力和竞争能能力为确保生生产和经济效效益持续稳步步的提高能对对市场变化做做出更敏捷的的反应,以及及对最佳技术术效益的追求求,以提高企企业的竞争能能力,先进制制造技术比传传统的制造技技术更加重视视技术与管理理的结合,更更加重视制造造过程组织和和管理体制的的简化以及合合理化,从而而产生了一系系列先进的制制造模式。随随着世界自由由贸易体制的的进一步完善善,以及全球球交通运输体体系和通信网网络的建立,制造业将形形成全球化与与一体化的格格局,新的先先进制造技术术也必将成为为全球化的模模式。上一页下一页返回1.2先进制造技术术的内涵和体体系结构先先进制造技技术的体系结结构及其分类类1.先进制制造技术体系系结构先进制造技术术是一个多学学科体系,其其自身具有复复杂的体系结结构,因此,人们对先进进制造技术的的体系结构认认识也不统一一。(1)AMST多层次先先进制造技术术体系AMST提出出的由多层次次技术群构成成的体系结构构强调先进制制造技术从基基础制造技术术、新型制造造单元技术到到先进制造集集成技术的发发展过程,AMST体系系结构如图1.1所示。上一页下一页返回1.2先进制造技术术的内涵和体体系结构1994年年年初,美国联联邦科学、工工程和技术协协调委员会(FCCSET)下属的的工业和技术术委员会先进进制造技术工工作组做出了了有关制造技技术的分类目目录,这是对对先进制造技技术内涵的首首次较系统的的说明。根据据这一定义,先进制造技技术主要包括括以下三个技技术群:①主体技术术群;②支撑技术术群;③制造基础础设施(制造造技术环境)。上述三部分相相互联系,相相互促进,组组成一个完整整的体系,每每一部分均不不可缺少,否否则就很难发发挥预期的整整体功能效益益。FCCSET先进制制造技术的系系统结构及主主要内容如图1.2所示。上一页下一页返回1.2先进制造技术术的内涵和体体系结构2.先进制制造技术的分分类先进制造技术术横跨多个学学科,主要可可以概括为以以下几个方面面:先进设计计技术、先进进制造工艺技技术、制造自自动化技术、、先进制造模模式和先进生生产管理技术术。(1)先进设设计技术先进设计技术术是在传统设设计的基础上上继承和发展展起来的,是是一门多专业业、多学科相相互交叉的综综合性很强的的基础技术科科学。其定义义如下:先进进设计技术是是根据产品功功能要求和市市场竞争(时时间、质量、、价格等)的的需要,应用用现代技术和和科学知识,经过设计人人员创造性思思维、规划和和决策,制订订可以用于制制造的方案,并使方案付付诸实施的技技术,它包括括了有关的各各项工程技术术,如计算机机辅助设计、、计算机辅助助工程、计算算机辅助工艺艺设计、反求求工程、模块块化设计、动动态设计、可可靠性设计和和优化设计等等。上一页下一页返回1.2先进制造技术术的内涵和体体系结构(2)先进制制造工艺技术术先进制造工艺艺技术是先进进制造技术的的核心和基础础,任何高级级的自动控制制系统都无法法取代先进制制造工艺技术术的作用。美美国国防关键键技术计划指指出:“制造造工艺是将先先进技术转化化为可靠、经经济、精良武武器装备的关关键。”随着着机械工业的的发展和科学学技术的进步步,机械制造造工艺的内涵涵和面貌不断断发生变化,而且变化和和发展速度越越来越快:常常规工艺不断断优化并得到到普及,新型型加工方法不不断出现和发发展。目前,主要的新型型加工方法类类型有精密加加工和超精密密加工、超高高速加工、微微细加工、特特种加工及高高密度能源加加工、快速原原型技术、新新型材料加工工、大件及超超大件加工和和复合加工等等加工方法。。(3)制造自自动化技术上一页下一页返回1.2先进制造技术术的内涵和体体系结构制造自动化是是指在广义的的制造过程所所有环节中采采用自动化技技术,实现制制造全过程的的自动化。制制造自动化技技术就是研究究对制造过程程的规划、运运作、管理、、组织、控制制与协调优化化等的自动化化技术,以使使产品制造过过程实现高效效、优质、低低耗、灵活和和清洁的目标标。其主要包包括数控技术术、工业机器器人技术、自自动化加工装装备技术、物物流系统及辅辅助过程自动动化技术、网网络制造技术术、传感技术术、自动检测测技术、信号号处理和识别别技术、制造造过程监测与与控制技术等等方面。(4)先进制制造模式和先先进生产管理理技术先进制造模式式是应用与推推广先进制造造的组织方式式,它以获取取生产有效性性为首要目标标,以制造资资源快速有效效集成为基本本原则,其工工作重点在于于组织的创新新和人的因素素的发挥。上一页下一页返回1.2先进制造技术术的内涵和体体系结构先进制造模式式包括精益生生产(LP)、计算机集集成制造(CIM)、敏敏捷制造(AM)、智能能制造(IM)等。先进进生产管理技技术是企业中中采取的各种种计划、组织织、控制及协协调的方法和和技术的总称称,包括生产产信息管理(PMM)、、产品数据管管理(PDM)和工装流流程管理(WPM)等。。上一页返回1.3先进制造技术术的发展趋势势1.“数”是是发展的核心心“数”是指制制造领域的数数字化,它包包含数字化设设计、数字化化制造和数字字化控制。对对数字化制造造企业而言,各种信息(如图形、数数据、知识、、技能,等等等)均以数字字形式通过网网络在企业内内传递,在多多种数字化技技术的支持下下,企业对产产品信息、工工艺信息与资资源信息进行行分析、规划划与重组,实实现对产品设设计和产品功功能及对加工工过程与生产产组织过程的的仿真或完成成原型制造,从而实现生生产过程的快快速重组和对对市场的快速速反应。对全全球制造业而而言,在数字字化制造环境境下,用户借借助网络发布布信息,各类类企业通过网网络应用电子子商务,实现现优势互补,形成动态联联盟,迅速协协同设计并制制造出相应的的产品。2.“精”是是发展的关键键“精”是指加加工精度及其其发展。20世纪初,超超精密加工的的误差是10μm,20世纪七八十十年代为0.01μm,现在仅为0.001μμm,即1nm。下一页返回1.3先进制造技术术的发展趋势势从海湾战争、、科索沃战争争,到阿富汗汗战争、伊拉拉克战争,武武器的命中率率越来越高,其实质就是是武器越来越越“精”,也也可以说,关关键就是打““精度”战。。现代超精密密机械对精度度要求极高,如人造卫星星的仪表轴承承,其圆度、、圆柱度、表表面粗糙度等等均达到纳米米级;基因操操作机械其移移动距离为纳纳米级,移动动精度为0.1nm;细细微加工、纳纳米加工技术术可达纳米以以下的要求,如果借助于于扫描隧道显显微镜与原子子力显微镜的的加工,则可可达0.1nm。至于微微电子芯片的的制造,有所所谓的“三超超”:3.“极”是是发展的焦点点“极”就是极极端条件,是是指生产特需需产品的制造造技术必须达达到“极”的的要求。例如如,能在高温温、高压、高高湿、强冲击击、强磁场、、强腐蚀等条条件下工作,或有高硬度度、大弹性等等特点,或极极大、极小、、极厚、极薄薄、奇形怪状状的产品等,都属于特需需产品。“微微机电系统””就是其中之之一,这是工工业发达国家家高度关注的的一项前沿科科技,亦即所所谓微系统微微制造.上一页下一页返回1.3先进制造技术术的发展趋势势。“微机电系系统”用途十十分广泛,其其在信息领域域中用于分子子存储器、原原子存储器、、芯片加工设设备;在生命命领域中用于于克隆技术、、基因操作系系统、蛋白质质追踪系统、、小生理器官官处理技术、、分子组件装装配技术;在在军事武器中中用于精确制制导技术、精精确打击技术术、微型惯性性平台、微光光学设备;在在航空航天领领域中用于微微型飞机、微微型卫星、““纳米”卫星星(0.1kg以内);在微型机器器人领域中用用于各种医疗疗手术、管道道内操作、窃窃听与收集情情报。此外,其还用于微微型测试仪器器、微传感器器、微显微镜镜、微温度计计、微仪器,等等。“微微机电系统””可以完成特特种动作与实实现特种功能能,乃至可以以沟通微观世世界与宏观世世界,其深远远意义难以估估量。4.“自”是是发展的条件件“自”就是自自动化,它是是减轻、强化化、延伸或取取代人的有关关劳动的技术术或手段。自自动化总是伴伴随有关机械械或工具来实实现的。上一页下一页返回1.3先进制造技术术的发展趋势势可以说,机械械是一切技术术的载体,也也是自动化技技术的载体。。第一次工业业革命以机械械化这种形式式的自动化来来减轻、延伸伸或取代人的的有关体力劳劳动,第二次次工业革命即即电气化进一一步促进了自自动化的发展展。5.“集”是是发展的方法法“集”就是集集成化。目前前“集”主要要包括以下几几方面的内容容:①现代技术术的集成。如如机电一体化化,它是高技技术装备的基基础。②加工技术术的集成。特特种加工技术术及其装备,如激光加工工、高能束加加工、电加工工,等等。③企业的集集成,即管理理的集成,包包括生产信息息、功能和过过程的集成,也包括企业业内部的集成成和企业外部部的集成。上一页下一页返回1.3先进制造技术术的发展趋势势6.“网”是是发展的道路路“网”就是网网络化。制造造技术的网络络化是先进制制造技术发展展的必由之路路。制造业在在市场竞争中中面临多方的的压力:采购购成本不断提提高,产品