先进制造技术论文

先进制造技术

先进制造技术AMT(Advanced Manufacturing Tecnology)是在传统制造的基础上，不断吸收机械、电子、信息、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，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，也是取得理想技术经济效益的制造技术的总称。

随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，越来越多的制造企业开始将大量的人力、财力和物力投入到先进的制造技术和先进的制造模式的研究和实施策略之中。改革开放以来，我国制造科学技术有日新月异的变化和发展，确立了社会主义市场经济体制，但与先进的国家相比仍有一定差距，为了迎接新的挑战，对先进制造技术及制造模式的研究和实施是摆在我们面前刻不容缓的重要任务，必须认清制造技术的发展趋势，缩短与先进国家的差距，使我国的产品上质量、上效率、上品种和上水平，以增强市场竞争力，实现我国机械制造业跨入世界先进行列之梦想。

一、先进制造技术的体系结构及分类

先进制造技术是系统的工程技术，可以划分为三个层次和四个大类。三个层次：一是优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术。二是新型的制造单元技术。三是先进制造的集成技术。四个大类：一是现代设计技术二是先进制造工艺技术三是制造自动化技术四是系统管理技术。

1、现代设计技术

现代设计技术是先进制造技术的一个组成部分，是制造技术的第一个环节。根据德国工程师协会文件VDI2225 的调查分析，产品设计成本约占产品成本的5% 7%，但却决定了产品制造成本的75%- 80%。为此，世界各国都非常重视产品的设计问题。而现代设计技术在机械设计技术中的地位同样重要。机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述以人为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械性能的最主要的因素。

现代设计技术受产品功能需求和市场竞争的影响。又应用现代科学技术知识．再加上设计人员的创造性思维过程。设计出可以制造的方案。并使这个可行的方案付诸于实践。现代设计技术是交叉性很强的技术．具有创造性、优化性、和综合性、系统性特点。机械产品开发的现代设计技术是对传统设计技术的革新，传统设计方法中，有人工计算速度慢，产品开发周期长，设计的形象形比较差等缺点．比如传统设计主要是在大量的经验数据的基础上使用直觉法、类比法设计。在现代设计技术领域将设计法提升到逻辑的。理性的高度。机械产品开发应用现代设计技术，是市场竞争的需要，可以提高产品质量，降低成本。

常规设计技术是以经验总结为基础，运用力学和数学形成的公式、图表、手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计，是一种直觉设计、经验设计和静态设计，它目前已经远远不能满足产品的功能和市场需求。现代设计技术是以电子计算机为手段，以网络为基础，建立在现代管理技术之上，运用工程设计的新理论和新方法，实现计算结果最优化，设计过程高效化和自动化的设计技术。它是一种定量的、动态的和科学的设计技术。

现代制造技术的特点包括以下几点：（1）系统性现代设计技术是逻辑系统的设计技术，强调用系统工程处理技术系统问题。同时考虑技术系统与外界的联系，即人- 机- 环境的大系统关系。（2）创造性突出人的创造性，发挥集体智慧，力求探寻更多突破性方案，开发创新产品。（3）社会性现代设计技术开发新产品的整个过程，从产品的概念形成到报废处理的全生命周期的所有问题，都要以面向社会、面向市场为指导思想全面考虑解决。（4）最优化现代设计技术重视综合集成，在性能、技术、经济、制造工艺、使用、环境等各种约束条件下，通过计算机以高效率寻求最优方案和参数。（5）动态化现代设计技术在静态分析的基础上，考虑载荷谱、负载率等随机变量，根据概率论和统计学方法，进行动态多变量最优化设计。（6）宜人性现代设计技术强调产品内在质量的实用性，外观质量的美观性、艺术性、时代性，在保证产品功能的前提下，要求对用户产生新颖、舒畅等精神功能。（7）智能化现代设计技术坚持“以人为本”的指导思想，充分发挥人的主观能动性。同时通过计算机模仿人的智能活动，从而力求设计出高智能化的产品。（8）CA 化现代设计技术广泛使用计算机，应用各种功能强大的软件，使设计-计算- 绘图- 制造- 改进一体化，从而提高了设计的精度、稳定性和效率。

现代设计技术的前景依旧乐观。这主要是由于企业要在不断变化的产品需求和激烈的市场竞争中立于不败之地，就要不断的改进设计理念，使用先进设计制造技术，提高产品质量，降低成本，提高生产率，生产出符合用户需求的高科技产品，这也是现代设计技术的发展方向。具体来说现代设计技术的发展趋势主要有：①设计将从作为企业产品质量成本第一的竞争策略转向企业快速响应市场的竞争策略；

②从满足产品功能属性向同时满足生态与环境属性发展；③从需求时面向制造和经营管理发展；④从传统的串行向并行工作模式、协同工作方式发展；⑤使人们从设计过程数字化中逐步确立主动地位，激发主动创造性。

21 世纪是“设计的世纪”，这是着名华裔物理学家杨振宁博士和德国哲学家沃尔冈·韦尔施不约而同对设计者的提醒。世界各国都十分清楚美国人所提出的“为竞争的优势而设计”的口号的重要意义。面对全球化的竞争，我国要想从一个制造业大国变成制造业强国，关键是要大力发展推广先进制造技术。而作为先进制造技术的核心环节———现代设计技术更要快速超前发展。为此，深入研究现代设计技术，大力发展现代设计技术，是制造业在市场中立于不败之地的关键所在，也是科技工作者当前最主要的工作。

2、先进制造工艺技术

（1）高效精密、超精密加工技术，包括精密、超精密磨削、车削，细微加工技术，纳米加工技术。超高速切削。精密加工一般指加工精度在10～0.1μm（相当于IT5级精度和IT5级以上精度），表面粗糙度Ra值在0.1μm以下的加工方法，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精研、砂带磨、镜面磨削和冷压加工等。用于精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密滚动轴承等，在当前制造工业中占有极重要的地位。超精密加工是指被加工零件的尺寸公差为0.1～0.01μm数量级，表面粗糙度Ra值为0.001μm数量级的加工方法。此外，精密加工与特种加工一般都是计算机控制的自动化加工。

（2) 精密成型制造技术，包括高效、精密、洁净铸造、锻造、冲压、焊接及热处理与表面处理技术。

（3）现代特种加工技术，包括高能束流（主要是激光束、以及电子束、离子束等）加工，电解加工与电火花（成型与线切割）加工、超声波加工、高压水加工等。电火花加工(Electrical discharge machining (EDM)电火花加工 electric spark machining )是指在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电的电蚀作用对工件进行的加工。能对任何导电材料加工而不受被加工材料强度和硬度的限制。可分为电火花成型加工(EDM)和电火花线切割加工(电火花线切割加工 electrical discharge wire – cutting--EDW)两大类。一般都采用CNC控制。

（4）快速成型制造（RPM).快速成形技术是在计算机控制下，基于离散堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。从成型角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加而成。从CAD电子模型中离散得到点、面的几何信息，再与成型工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。

(5)先进制造工艺发展趋势

1）采用模拟技术，优化工艺设计； 2）成形精度向近无余量方向发展；3）成形质量向近无“缺陷”方向发展；4）机械加工向超精密、超高速方向发展； 5）采用新型能源及复合加工，解决新型材料的加工和表面改性难题；6）采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制；7）采用清洁能源及原材料，实现清洁生产；8）加工与设计之间的界限逐渐谈化，并趋向集成及一体化； 9）工艺技术与信息技术、管理技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展。

3、制造自动化技术

制造自动化的含义是生产车间内产品的机械加工和装配检验过程的自动化，包括切削加工自动化、工件装卸自动化、工件储运自动化、零件与产品清洁及检验自动化。断屑与排屑自动化、装配自动化、机器故障诊断自动化等。制造自动化包含了产品设计自动化、企业管理自动化、加工过程自动化和质量

控制自动化等产品制造全过程以及各个环节综合集成自动化，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时、洁净的目标。机械制造系统自动化技术自20世纪20年代出现以来，大致经历了刚性自动化、柔性自动化及综合自动化三个阶段。?综合自动化常常与计算机辅助制造、计算机集成制造等概念相联，它是制造技术、控制技术、现代管理技术和信息技术的综合应用，旨在全面提高制造业的劳动生产率和对市场的响应速度。

机械自动化的特点很多:第一,机械自动化是面向21世纪的技术,是具有明确的范畴的新的技术领域;第二,机械自动化技术是面向工业应用的技术,可以提高制造业的综合经济效益和社会效益;第三,机械自动化技术是面向全球竞争的技术,同时是驾驭生产过程的系统工程,是市场竞争核心时间、质量和成本三要素的统一。在工业生产中,机械自动化的作用很大:第一,机械自动化的应用,可以提高生产过程的安全性;第二,机械自动化可以提高生产效率;第三,机械自动化可以提高产品的质量;第四,机械自动化可以减少生产过程的原材料和能源损耗。我国处于机械自动化的初期,需要循序渐进,不断努力,创造条件,向自动化的高级理想阶段迈进。

（1）数控技术与数控机床；数控加工技术是为了实现机床控制自动化要求而发展的。它是指用代码化的数字、字母及符号表示加工要求、零件尺寸及其参数、加工步骤等，通过控制介质，输入到控制装置，经过微机进行处理与计算，发出各种控制信号与数据，使机床各部件自动协调运动，实现自动加工的技术。采用数控加工技术的机床，称为数控机床。数控加工的主要特点是：加工的零件精度高；生产效率高；特别适合加工形状复杂的轮廓表面；有利于实现计算机辅助制造；对操作者（不含编程人员）技术水平的要求相对较低；初始投资大、加工成本高。此外，数控机床是技术密集型的机电一体化产品，数控加工技术的复杂性和综合性加大了维修工作的难度，需要配备素质较高的维修人员和维修设备。

（2）工业机器人（用于物流与加工）及物流设备；工业机器人是一种可编程的智能型自动化设备，是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。最近，联合国标准化组织采用的机器人的定义是：“一种可以反复编程的多功能的、用来搬运材料、零件、工具的操作机”。在无人参与的情况下，工业机器人可以自动按不同轨迹、不同运动方式完成规定动作和各种任务。机器人和机械手的主要区别是：机械手是没有自主能力，不可重复编程，只能完成定位点不变的简单的重复动作；机器人是由计算机控制的，可重复编程，能完成任意定位的复杂运动。

（3）柔性制造系统（FMC,FMS,FML）：包括加工设备（CNC机床）、检测设备、物料输送（工业机器人、自动交换托盘（APC）、自动输送台车（RGV、AGV）等）和储存设备（立体仓库等）；数柔性制造系统（FMS）是现代机械制造业中的新型自动化生产设备，它是为填补占机械制造中70％的中小批量生产自动化而发展起来的。它主要包括若干台数控机床和加工中心（或其他直接参加产品零部件生产的自动化设备），用一套自动物料（包括工件和刀具）搬运系统连接起来，由分布式多级计算机系统进行综合管理

与控制，以适应柔性的高效率零件加工（或零部件生产）。所谓柔性的零件加工是指能够同时地和交替地加工不同的但是同系统的零件。柔性制造系统的适用范围很广，它主要解决了单件小批生产的自动化和中大批多品种的自动化加工。它把高柔性、高质量、高效率结合和统一起来，在当今具有很强的生命力（4）计算机集成制造（CIM）和工厂自动化（FA）。计算机集成制造系统（CIMS）是由计算机管理系统、计算机辅助设计与制造CAD/CAM以及柔性制造系统FMS（还可能有其他生产单元）组成。CIMS是产品生产过程的各子系统的完美集成，即把工程设计、生产制造、市场分析和其他支持功能合理地通过计算机网络有机地集合成一个整体，以实现生产的柔性化、优化、自动化和集成化，达到高效率、高质量、低成本而灵活生产的目的。

5、先进生产管理技术、制造哲理与生产模式

以计算机辅助生产管理为核心，研究和应用先进的生产管理系统和技术。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。

二、现进制造技术的新发展

不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。

超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。

信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。

1、制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学

机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制

造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。?与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和内容：

(1)?制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。

(2)?非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。

这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。

2、?微机械及其制造技术研究

微型电子机械系统(MEMS)，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3mm大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为

60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微机械的发展令人瞩目。其特点如下：相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。

目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方

法进行研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。

3、?材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础

材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备／制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。?

4、机械仿生制造

21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。

地球上的生物在漫长的进化中所积累的优良品性为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，"仿生制造"则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。仿生制造所涉及的科学问题是生物的"自组织"机制及其在制造系统中的应用问题。所谓"自组织"是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的"自组织"机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。仿生制造属于制造科学和生命科学的"远缘杂交"，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。仿生制造的研究内容目前有两个方面：一是面向生命的仿生制造?。研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；二是面向制造的仿生制造，?研究仿生制造系统

的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。

机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。

三、我国先进制造技术的发展状况

在设计方面，计算机辅助设计(CAD)技术普及化。计算机辅助设计(CAD)技术，是电子信息技术的个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上竟争能力，加速国民经济发展和国防现代化的项关键性高新技术。在应用方面，各种高新技术发展迅速，并取得了显着的成效。主要表现在以下几个方而：快速原型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模；精密成形与加工技术水平显着提高，在汽车零部件、重大装配制造中获得广泛应用；热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使材料热加工由“技艺”走向“科学”；激光加工在基础研究和技术开发方面有实质性进展，产业应用获得经济效益；现代集成制造系统研究和应用取得突破，在国际上已占有席之地。在管理方面，新生产模式的研究和实践具有特色，推动了我国制造业的技术进步和管理现代化。通过学习和引进工业发达国家的先进管理经验，采用新的管理思想和技术，通过精简机构、减少管理层次和消除各种浪费现象，显着提高了企业的经营效益。

进入21世纪以来，我国先进制造技术借鉴了国外先进经验，得到了迅速发展，并且形成了自己的方向与目标，不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。

20世纪90年代以来，世界各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展当前现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面：

(1)?信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式会获得不断发展；(2)?设计技术与手段更现代化；(3)?成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗；(4)?新型特种加工方法的形成；

(5)?开发新一代超精密、超高速制造装备；(6)?加工工艺由技艺发展为工程科学；(7)?实施无污染绿色制造；(8)?制造业中广泛应用虚拟现实技术；(9)?制造以人为本

四、总结

先进制造技术是现代制造业的关键技术，已经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，我国的制造工业己经取得了长足的进步，但和先进国家相比还存在很大差距。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，使我国由世界制造大国逐步转变为世界制造强国。