浅谈先进制造技术的发展趋势

浅谈柔性制造发展方向及前沿科技摘要：介绍了先进制造技术的概念、发展趋势，并对先进制造技术的前沿技术做了举例阐述。关键词：先进制造技术；发展趋势；前沿技术Ontheadvancedmanufacturingtrendsandcutting-edgetechnologyAbstract:Thispaperintroducestheconceptofadvancedmanufacturingtechnology,trends,cutting-edgetechnologyandadvancedmanufacturingtechnologycitedasanexample.Keywords:advancedmanufacturingtechnology;developmenttrends;cutting-edgetechnology1、引言世界经济竞争格局正在发生深刻变革和调整，加速培育和发展先进制造技术，既是构建国际竞争新优势，掌握发展主动权的迫切需要，也是转变经济发展方式，推进产业结构升级的内在要求。自20世纪80年代以来，基于先进的计算机技术和自动化技术发展了各种先进的单元制造技术发展，为制造业多品种、中小量的生产提供了强有力的装备支持和技术保障。随着经济全球化的逐渐加深，工业发达国家普遍认为：在未来的竞争中，谁掌握了先进制造技术谁就掌握了市场。在一定程度上讲，先进制造技术已成为一个国家命运的主宰。2、先进制造概念先进制造技术作为现代制造业的核心技术，将易制造过程与信息化、自动化和现代管理技术相融合，具有鲜明的知识型技术结构特征，这决定了劳动者的工作任务,主要是通过智力活动来完成。它是传统制造业不断地吸收机械、信息、材料及现代管理技术等方面最新的成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想技术经济效果的前沿制造技术的总称。先进制造技术是为了适应时代要求，提高竞争力，对制造技术不断优化而形成的。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。其特点主要在于以提高制造企业对市场的适应能力和竞争力为目标，强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合，注重信息技术、现代管理技术在整个制造过程中的综合应用等。3、先进制造发展方向进入21世纪后，制造业面临新的挑战和机遇，先进制造技术也处于不断变化和完善之中。随着以信息技术为代表的高新技术的持续发展，为适应市场需求的多变性和多样化，先进制造技术正朝着数字化、集成化、精密化、网络化、柔性化、虚拟化、智能化和环保化的方向发展。（1）数字化:指制造领域的数字化。它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。它包含了三大部分：以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。（2）集成化:综合自动化的一个重要特征，它的发展将使制造企业各部门之间以及制造活动各阶段之间的界限逐渐淡化，并最终向一体化的目标迈进。集成化是以计算机技术为基础，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、与物质流有机集成，并实现最优化。它特别强调信息的集成和信息的共享，通过网络数据库使企业的所有生产活动紧密地联系在一起，充分发挥技术、管理和人的作用，全面提高企业的管理水平、产品质量和经济效益。（3）精密化:现在制造业发展的必然趋势之一。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。超精密加工技术已向纳米技术发展，近年来纳米技术的出现，促使超精密加工向其极限加工精度一原子级加工进行挑战。纳米技术促进了机械科学、材料科学、光学科学、测量科学和电子科学的发展。（4）网络化：随着经济的全球化也开始步入全球的一体化。从采购、设计到制造加工，再到销售，已不再局限于某个企业、某个集团或是某个国家。地域的分散性，必将给企业的经营和管理带来诸多不便，随之而来的是制造成本的增加。随着网络通讯技术的迅速发展和普及，企业可以通过制造的网络化，有效组织管理分散在各地的制造资源。另外，制造企业也可以基于网络实现世界范围内的动态联盟。这些都属于虚拟市场，基于信息化与虚拟化技术的进一步延伸。（5）柔性化：自动化系统发展大致过程是“刚性自动化——可编程自动化——综合自动化”制．造系统的柔性随着这个过程也变得越来越大。进一步的发展要求能快速实现制造系统的重组。模块化设计是提高企业制造自动化系统柔性的重要策略和方法。它可以有效改善设计工作柔性和制造系统柔性，并能够根据需要迅速实现制造系统的重组。（6）虚拟化：虚拟现实技术应用于制造业虚拟制造技术将从根本上改变设计、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(SoftPrototype)代替传统的硬样品(HardPrototype)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，提高系统对市场变化的快速响应能力。虚拟制造技术在制造自动化中将获得越来越多的应用。（7）智能化：智能化制造模式的基础是智能制造系统，它是智能和技术的集成而形成的应用环境，也是智能制造模式的载体。它突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。当前的研究和应用集中在基于神经网络的智能检测、故障诊断、设计和优化，基于遗传算法的优化设计，基于框架的专家系统等方面。由于在知识的表达与获取、人类学习、进化、自组织与创新机制等方面的研究还有待深入，目前只能制作的应用水平与人们期望还相差甚远。（8）环保化：环境问题是人类社会所面临的共同问题，是关系到人类生存的大问题，也是社会能否持续发展的重要问题。制造业向环保化方向的发展使人们在设计和制造产品时，不但要考虑产品的技术先进性、经济合理性，还必须考虑产品的环境友善性，并使产品在整个生命周期内都能实现“绿色化”。对制造过程而言，要求将环保意识渗透到从原材料投入到产出成品的全过程，其具体内容包括节约原材料和能源，替代有毒原材料，将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。对于产品而言，环保化覆盖构成产品的整个周期的各个阶段，即从原材料提取到产品的最终处置，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、消费及报销等要求环保，以减少对人类和环境的不利影响。4、先进制造发展中的前沿科技（1）柔性制造技术柔性制造技术是技术密集型的技术群，是集自动化技术、信息技术和制作加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。柔性制造技术是电子计算机技术在生产过程及其装备上的应用，是将微电子技术、智能化技术与传统加工技术融合在一起，具有先进性，柔性化、自动化、效率高的制造技术。我们根据按照规模的大小将其划分为柔性制造系统和柔性制造单元等。柔性制造系统（FMS）是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。目前常见的组成通常包括4台或更多台全自动数控机床（加工中心与车削中心等），由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS，日本从1991年开始实施的智能制造系统(IMS)国际性开发项目，属于第二代FMS；而真正完善的第二代FMS预计本世纪十年代后才会实现。因为FMS投资规模比较大，所以中小企业是难以承受的。于是就有了柔性制造单元（FMC）的出现。，FMC是由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，其特点是实现单机柔性化及自动化，具有适应加工多品种产品的灵活性。因为其花费低，又能起到柔性制造系统的作用，所以很受市场青睐。所以，对柔性制造单元的开发已经成为国内外许多厂商的发展之重。例如，现在许多的非标设备，采用柔性制造单元进行开发生产。柔性制造单元使用数控机床进行加工采用自动输送装置实现工件的自动运输和自动装卸，由计算机对工件的加工和输送进行控制，实现了制造过程的自动化，而其加工精度和效率高，质量稳定。由于柔性制造单元由数控设备构成，所以其具备数控设备的效率高、加工质量稳定和精度高的特点。柔性制造技术作为当今先进制造技术的前沿科技，作为世界制造业大国的中国来说，发展柔性制造技术对于我国由制造业大国到制造业强国具有重大的现实意义。（2）智能化的检测技术智能制造(IM)是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术，其具体表现为：智能设计、智能加工、机器人操作、智能控制、智能工艺规划、智能调度与管理、智能装配、智能检测与诊断等。其中智能化的检测技术已经越来越被人们所提及。为了保证柔性制造系统的正常运行及其制造质量，需要对系统运行的状态、制造产品过程中产品质量等进行实时检测和监控。检测系统用来采集、传输、处理和利用制造系统的工况数据检验数据、制造过程工艺数据、设备状态数据、产品检测数据、能源动力数据以及环境状态等等，诊断系统的故障或问题，提供系统优化和维护修理的咨询，为制造系统的运行控制和优化调度提供决策依据。由上海工程技术大学机械工程学院开发的接近开关操作频率智能检测系统就是先进制造技术智能化的成功案例。其接近开关智能检测系统主要有四个子系统组成，即机械系统、电气和控制系统以及专家系统，如图1所示。其中机械系统实现触头开关的安装与夹紧、特征识别、定位与操作执行等动作；计算机控制系统主要是通过脉冲向机械系统发送指令以实现机械系统的动作；而电气系统则是计算机控制系统与机械系统的桥梁和纽带，它接受计算机控制系统发出的脉冲信号并驱动各执行电机动作。专家系统根据产品数据库、经验数据库结合知识决策系统对操作机构进行实时智能控制。图1接近开关操作频率智能检测系统组成图通过开发先进的智能型综合检测系统，不仅能因扩大单台设备的检测品种和规格而专家系统计算机系统操作执行机构定位机构装夹机构电气系统大幅度降低检测台的购置费用，而且避免了生产过程中人为操作的随机性，有效提高产品保护特性的正确性、可靠性和稳定性，为低压电器的生产厂家提供一种评价、把关、预防和信息反馈等作用，进而间接提高产品质量、增强产品竞争力，更好地满足当前经济建设和社会发展的需求。同时，还可以节约大量能源，并可形成一系列的自主知识产权，缩短与发达国家在此领域的距离，具有较大的经济效益和产业化前景。（3）绿色制造技术“十二五规划”中，明确提出今后一段时期，要逐步提升优化我国制造业。这就要求制造业的发展要坚持走资源消耗低，环境污染少的可持续发展道路。因此，发展壮大绿色制造技术，促进生产制造过程中的绿色化环保化尤为重要。绿色制造是指在保证产品功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，它是一个动态的概念，绝对的绿色是不存在的。随着科技的发展。绿色制造的目标、内容会产生相应的变化与提高。并不断完善。绿色制造必须与市场需求、经济发展的动态相适应，它是一个不断发展的持续过程。以汽车行业为例，近年来国务院、发改委等有关部门，多次发文强调发展低能耗、小排量汽车，同时国家也积极鼓励低油耗、低排放、小排量、小型化、高动力性汽车的生产和投资，取消对小排量汽车的各种限制，得到了全社会广泛支持。各级领导也身先士卒，在去年的深圳是两会上，市委书记王荣就驾驶一辆BYD电动汽车而备受瞩目。在国外，如通用汽车公司的“零排放”电动车辆的开发；福特汽车公司最近提出的“新能源2010”概念车等。而就在前不久，宝马曾经推出过一款Pedel