先进制造技术在未来机械制造业的发展.doc
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先进制造技术在未来机械制造业的发展
摘要:
综述了先进制造技术的特点与发展现状,向集成化、精密化、自动化、高速化、智能化及网络化、全球化、虚拟化和绿色化方向发展,阐述了机械制造业的当前现状及未来发展方向,总述了先进制造技术在未来机械制造业的发展。
关键词:
先进制造技术;发展现状;发展趋势
1先进制造技术的内容及其特征
1.1先进制造技术的内容
先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology),人们往往用AMT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,就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。
主要包括:
计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。
AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一,但并非充分条件,其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理,有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。
先进制造技术在传统制造技术的基础上融合了计算机技术、信息技术、自动控制技术及现代管理理念等,所涉及的内容非常广泛,学科跨度大。
本书围绕先进制造技术的各主题,系统地介绍了各先进制造技术的基本知识、关键技术及其在实际中的应用等。
制造技术是使原材料成为人们所需产品而使用的一系列技术和装备的总称,是涵盖整个生产制造过程的各种技术的集成。
从广义来讲,它包括设计技术、加工制造技术、管理技术等三大类。
其中设计技术是指开发、设计产品的方法;加工制造技术是指将原材料加工成所设计产品而采用的生产设备及方法;管理技术是指如何将产品生产制造所需的物料、设备、人力、资金、能源、信息等资源有效地组织起来,达到生产目的的方法[1][2][3]
1.2先进制造技术的特点
1.2.1是面向21世纪的技术
先进制造技术是制造技术的最新发展阶段,是由传统的制造技术发展起来的,既保持了过去制造技术中的有效要素,又要不断吸收各种高新技术成果,并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。
先进制造技术与现代高新技术相结合而产生了一个完整的技术群,它是具有明确范畴的新的技术领域,是面21世纪的技术。
1.2.2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、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容,并将它们结合成一个有机的整体。
先进制造技术的应用特别注意产生最好的实际效果,其目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合实力的增长。
目的是要提高制造业的综合经济效益和社会效益。
1.2.3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、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代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。
1.2.4是面向全球竞争的技术
20世纪80年代以来,市场的全球化有了进一步的发展,发达国家通过金融、经济、科技手段争夺市场,倾销产品,输出资本。
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,它的主体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。
1.2.5是市场竞争三要素的统一
在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。
因此,市场竞争的核心是如何提高生产率。
到了20世纪80年代以后,制造业要赢得市场竞争的主要矛盾已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的矛盾。
先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来,使三者达到了统一。
除此之外,制造业不是“夕阳产业”,但是,制造技术中确有“夕阳技术”,这是同信息化格格不入、同高科技发展不相适应的技术,是缺乏市场竞争力的
技术,甚至还可能是危害可持续发展的技术。
所谓的“先进制造技术”,其实就是:
“制造技术”加“信息技术”和“管理科学”,再加上有关的科学技术交融而形成的制造技术。
先进制造技术以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产,提高产品对动态多变市场的适应能力和竞争力为目标。
它不局限于制造工艺,而是覆盖了市场分析、产品设计、加工和装配、销售、维修、服务,以及回收再生的全过程。
强调技术、人、管理和信息的四维集成,不仅涉及到物质流和能量流,还涉及到信息流和知识流,即四维集成和四流交汇是先进制造技术的重要特点。
先进制造技术更加重视制造过程组成和管理的合理化和革新,它是硬件、软件、脑件(人)与组织的系统集成。
[1][2][3]
2我国先进制造技术的形势
2.1制造技术的发展现状
2.1.1发达国家21世纪制造业发展战略
制造业在美国经济的重要性
强大的制造基础对国家的经济和军事力量是至关重要的。
一个国家只有生产得好,才能生活得好。
如美国2100万就业者(占总劳动力的17%)从事20%~30%高报酬的工作;雇佣了75%的科学家和工程师进行90%的的非军事性的。
发达国家制造业发展战略
工业发达国家都把先进制造技术作为国家级关键技术和优先发展领域。
尽管决定国家综合竞争力的因素有多种,但制造业的基础地位不能忽视。
20世纪90年代以来,各发达国家,如美国、日本、欧共体、德国等都针对先进制造技术的研发提出了国家级发展计划,旨在提高本国制造业的国际竞争能力。
如网络化制造作为未来的重要的制造模式,已经引起各国政府、研究机构和企业界的广泛重视。
20世纪90年代初,美国政府提出“先进制造技术”计划,将基于信息高速公路的敏捷制造作为美国21世纪的制造战略。
1991年美国里海大学(LehighUniversity)提出“美国企业网”(FAN,FactoryAmericanNet)计划,该计划的目的是研究如何利用信息高速公路,把美国的制造企业联系在一起。
随后,美国相继开展了“敏捷制造使能技术”(TechnologiesEnablingAgileManufactur2ing,TEAM)的研究(1994~1999)、以敏捷制造和虚拟企业为心内容的“下一代的制造”模式的研究(1995年)、计算机辅助制造网(CAMNet)的研究(1996年)、俄罗斯-美国虚拟企业网(Rus2sian-AmericanVirtualEnterpriseNetwork,RA-VEN)的研究(1997年)等。
为了支持中小企业技术创新、提高中小企业技术创新能力和效率,美国政府还帮助中小企业建立了信息网络,为中小企业免费提供广泛的信息服务。
日本政府出台了《信息化社会基本法》,计划在21世纪前5年建成全国超高速信息通信网,最大限度地普及因特网,争取成为世界上最先进的信息化国家之一。
1998年12月,欧洲联盟公布了“第五框架计划(1998~2002)”,将虚拟网络企业列入研究主题。
2002年,欧盟提出了“第六框架计划”,选定了需要重点攻关的7大领域,其中包括信息和网络技术。
欧盟第六框架计划的目的是,通过各种方法刺激信息技术的快速发展,加强信息的产业化,使所有欧洲公民从以信息和网络为主体的知识社会和发展中获益。
2000年,美国洛克希德-马丁公司提出了F-22飞机研制的虚拟工厂概念,打通了从设计、生产到管理的全数字化信息流。
2001年,该公司采用产品全生命周期管理(PLM)技术,为完成美国联合攻击战斗机(JSF)研制和采购项目,构建了全球虚拟企业,在整个飞机的生命周期内很好地保证了跨地区、跨企业的协同设计、协同制造和维护过程。
总之,工业化国家大都把先进制造技术作为本国的科技优先发展领域和高技术的实施重点;发展中国家也十分重视制造业信息化,都把信息技术作为改造传统企业和产业结构调整的主要战略;新兴工业化国家希望通过加快制造业信息化,跻身世界先进行列,众多发展中国家也希望以信息化推进工业化,以缩小与先进国家的差距。
[2][3][4]
2.1.2我国先进制造技术的发展现状
2.1.2.1管理方面
工业发达国家广泛采用计算机管理,重视组织和管理体制、生产模式的更新发展,推出了准时生产(JIT)、敏捷制造(AM)、精益生产(LP)、并行工程(CE)等新的管理思想和技术。
我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理,多数小型企业仍处于经验管理阶段。
2.1.2.2设计方面
工业发达国家不断更新设计数据和准则,采用新的设计方法,广泛采用计算机辅助设计技术(CAD/CAM),大型企业开始无图纸的设计和生产。
我国采用CAD/CAM技术的比例较低。
2.1.2.3制造工艺方面
工业发达国家较广泛地采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术及复合加工技术等新型加工方法。
我国普及率不高,尚在开发、掌握之中。
近年来,机械工业企业自主开发创新能力有所增强,1997年科技人员总数达48万人,技术开发经费支出达85亿元,占全行业销售收入的0.62%,有57家大型企业建立了国家级技术中心,有9%的企业建立了专门技术开发机构,行业整体技术水平有了明显进步,主要表现在:
为国民经济提供成套技术装备和汽车的能力有较大提高;产品结构正向合理化方向发展。
尽管机械工业的综合技术水平近几年有了大幅度提高,但与工业发达国家相比,仍存在着阶段性的差距。
主要问题在于:
传输的内容进行加密,而这些都是模拟电视所无法做到的。
全球数字电视渗透率比较数字电视分为四个等级:
有限清晰度电视(LDTV)、标准清晰度电视(SDTV)、改良清晰度电视(EDTV)和高清晰度电视(HDTV)。
HDTV与当前采用模拟信号传输的传统电视系统不同,HDTV采用了数字信号传输:
从电视节目的采集、制作,
到电视节目的传输,到用户终端的接收,全部实现数字化,因此HDTV给我们带来了极高的清晰度及大屏幕显示亲临影院的感觉。
同时信号抗噪能力也大大加强,在声音上带给人Hi-Fi级别的听觉享受。
和模拟电视相比,数字电视具有高清晰画面、高保真立体声伴音、电视信号可以存储、可与计算机完成多媒体系统、频率资源利用充分等多种优点。
HDTV也是DTV标准中最高的一种,拥有最佳的视频、音频效果。
HDTV规定了视频必须至少具备720线非交错式(720p,即常说的逐行)或1080线交错式隔行(1080i,即常说的隔行)扫描(DVD标准为480线),屏幕纵横比为16∶9。
决定清晰度的标准只有两个:
分辨率与编码算法。
美国的高清标准主要有两种格式,分别为1280×720p/60和1920×1080i/60,采用隔行扫描模式;欧洲倾向于1920×1080i/50,是通过两次扫描来完成的,每场实际扫描线数只有一半,即1080/2=540线。
其中以720p为最高格式,需要的行频支持为45kHz。
它采用的是逐行扫描模式,一幅完整画面一次显示完成,单次扫描线数可达720线,水平扫描达到1280点,同时由于场频为60Hz,画面既稳定清晰又不闪烁。
我们经常看到的HDTV分辨率是1280×720和1920×1080,但如果提高分辨率对于如今的显示器而言是不小的考验,很难在现有的显示器上获得更加出色的画质,因为此时的瓶颈在于显示设备。
另外编码算法也是不可忽视的环节。
HDTV基本可以分为MPEG2-TS、WMV-HD和H.264三种算法,不同的编码技术自然在压缩比和画质方面有着区别。
MPEG2-TS的“压缩比”较差,WMV-HD和H.264先进一些。
由于压缩的SDTV数字信号小于压缩HDTV信号,发送一个HDTV节目的播送设备可同时发送五个SDTV节目,称多信道广播。
SDTV及HDTV是数字电视的分类。
数字电视可分为低清晰度电视(LDTVLowDefinitionTeleVision)、标准清晰度电视(SDTVStandardDefinitionTeleVision)、高清晰度电视(HDTVHighDefinitionTeleVision)三种显示模式。
目前应用于广播级的后期制作中的视频标准主要是SDTV及HDTV。
HDTV的高清晰度的显示模式是各专业视频制作者争相追求的目标。
2.2我国当前制造科学问题的集中体现
如今人类社会已进入知识经济时代,全球竞争异常激烈,制造业作为我国的战略产业正面临着剧烈的挑战并经历着一场深刻的技术变革。
我们在学习和应用先进制造技术时不可避免地存在着各种各样的困难和问题。
如何解决这些困难?
我认为首先应该认清本身的情况,然后发展适合本国国情的先进制造技术。
2.2.1中国是制造业大国,不是制造业强国,制造技术水平低
近几年中国制造业发展很快,于是一些国家便认为中国已经成为“世界制造中心”。
但是我们应看到中国制造业虽然世界排名第四,但总体规模仅相当于美国的1/5,日本的1/4。
统计资料显示,我国已有100多种制造产品产量跃居世界第一位,但整体的粗放式发展,也使我国制造业与发达国家之间的差距暴露无遗。
美国98.4%的典型产品技术源于本国研发,而我国只有43%。
制造业新产品贡献率美国达到52%,而我国只有5.9%。
我国光纤制造设备的100%,集成电路芯片制造设备的85%,石油化工设备的80%,轿车工业设备、数控机车、纺织机械、胶印设备的70%左右被进口产品所占领。
我国机床生产企业年均产650台普通机床,而日本精密机床公司一家的年产量就达4500台。
所有这些资料说明,我们的制造业生产的仅仅是技术含量低,低附加值的产品。
我们与发达国家相比还存在很大差距。
2.2.2人口众多,但高素质人才缺乏
国家劳动和社会保障部提供的数据显示,我国拥有1.4亿名产业工人,其中,技术工人为7000万人,居世界各国之首,令许多发达国家叹为观止。
但是,我国技术工人素质状况不容乐观。
高级工只有245万人,仅占技术工人总数的3.5%,与发达国家高级工所占比重相差36.5%。
目前,全国拥有技师100万余人,约占技术工人总数的1.4%,约占职工总数0.4%。
而发达国家则分别占20%和10%。
高级技师更加少得可怜,全国只有7万多人,约占技术工人总数的0.1%,约占职工总数的0.05%。
更为严重的是,目前,技师和高级技师的平均年龄普遍在52岁以上。
人员少,年龄老化,已成为我国制造业新的隐忧。
技术工人素质低下导致的直接结果是,我国企业产品的平均合格率只有70%,每年因产品质量问题造成的经济损失就高达2000亿元左右。
因此我们在推行先进制造技术过程中还存在着很多困难,很多企业花巨资引进的先进设备,只有极少数技术工人通过培训能够操作。
但由于受文化素质和操作技能不高的影响,引进设备平均利用率只有70%左右。
虽然我们拥有一流的设备,但生产不出一流的产品。
2.2.3缺乏科学管理
先进制造技术的核心是制造技术与信息技术和现代管理技术有机结合的一项技术,它特别强调信息技术和现代管理技术在整个制造过程中的综合应用,而很多企业常常是只注重信息技术和制造技术的综合应用,而忽视了现代管理技术的应用。
从而导致企业的管理混乱,效率低下。
还通常造成外行管内行的问题,使很多员工摸不清企业发展方向,不能充分发挥积极性和创造性,尤其在产品开发中,这通常是造成一些产品失败的致命问题。
缺乏先进的管理,企业内的各种信息流、物质流等就不能合理流动,资源因此得不到合理配置,严重削弱了企业的市场竞争力和应变能力。
2.2.4在技术引进过程中,指导思想不正确,缺乏自主创新
目前市场上销售的汽车,特别是乘用车的背后,大多数都有外国汽车品牌的影子。
毫不夸张地说,当今中国汽车市场上的所谓竞争,说到底在很大程度上还是跨国汽车巨头之间的竞争。
产生这种状况的根本原因还在于在我们引进国外技术的同时,产生了过度的依赖性,甚至丢弃了自己原有的优势技术,认为没有了国外的先进技术就无法生存,自己的东西不如国外的好。
诚然,我们的先进制造技术与发达国家还存在一定差距,但是如果我们不去自主开发、自主创新,我们永远只能作为发达国家的加工工厂,赚取微薄的加工费。
2.3发展中国化的先进制造技术
2.3.1以信息化、集成化为基础加大对现有制造业的改造
自1990年代以来,先进制造技术在我国得到了广泛的应用,并且取得了很大成效,但其应用很多局限于各单项技术,并没有充分发挥其应有的潜力。
各单项技术也是在不同部门之间各行其是。
为此,我们可以在现有基础上实现CAD,CAPP,CAM,NC,GT等各项技术集成的计算机集成制造技术(CIMS)。
特别是在信息化的时代,计算机技术、网络技术使企业在生产组织上,以及产品开发上实现生产模式的深刻的变革。
制造技术的网络化还会导致一种新的制造模式,即虚拟制造组织,这使得异地分布的、相互独立的多个企业,在谈判协商的基础上,建立密切合作关系,形成动态的“虚拟企业”或动态的“企业联盟”。
这样各企业可以致力于自己的优势项目,优化配置资源,实现资源共享,增强企业的市场竞争力。
2.3.2加强科学管理和技术创新,树立人力资源是第一资源的思想
先进制造技术本身就是一个系统工程,在管理上应以企业的整个供应链为管理核心,将企业内部所有资源整合在一起,对采购、生产、成本、库存、分销、运输、财务、人力资源进行规划,使企业资源达到最佳组合,取得最佳效益,实现企业资源计划(ERP)管理。
在我们发展先进制造技术的同时,还应有与之相应的高素质人才作后盾。
只有以充足和相对稳定的技术力量为基础,企业才能健康、快速地发展,才能在激烈的竞争中立于不败之地。
人在生产力中是最活跃的因素,是财富的创造者,因此我们应该首要树立把人力资源作为第一资源的思想。
2.3.3不断进行理论创
无论是从各发达国家的振兴还是发展来看,只有在基础理论方面有新的创新和突破,才能使制造业处于领先地位,才能在市场竞争中立于不败之地。
理论创新是先进制造技术发展的基础,面对国际上复杂的竞争环境,我们必须把握好制造业未来发展趋势,不断进行理论创新,开发先进的理论来武装我们的制造业,发展以数字化为核心,以信息化、网络化为依托,尖端的、绿色的先进制造技术,使我们的制造业立于世界先进水平之列。
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3先进制造技术的发展趋势
3.1先进制造技术发展趋势
为适应21世纪对制造技术的需要,未来先进制造技术的总趋势是向系统化、集成化、智能化方向发展。
3.1.1设计技术不断现代化
产品设计是制造业的灵魂。
现代设计技术的主要发展趋势是:
(1)设计方法和手段的现代化,它突出反映在数值仿真或虚拟现实技术的发展,以及现代产品建模理论的发展上。
(2)新的设计思想和方法不断出现,如并行设计,面向“X”的设计DFX(DesignForX),健壮设计(RobustDesign);优化设计(OptimalDesign),反求工程技术(ReverseEngineering)。
(3)由简单的、具体的、细节的设计转向复杂的总体设计和决策,要通盘考虑包括设计、制造、检测、销售、使用、维修、报废等阶段的产品的整个生命周期。
(4)由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素。
设计时不单纯追求某项性能指标的先进和高低,而注意考虑市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面影响。
3.1.2成形制造技术向精密成形或称净成形的方向发展
成形制造技术是铸造、塑性加工、连接、热处理、粉末冶金等单元技术的总称。
展望21世纪,成形制造技术正在从接近零件形状(NearNetShapeProcess)向直接制成工件即精密成形或称净成形(NetShapeProcess)的方向发展。
有代表性的精密成形制造技术是:
(1)精密铸造技术。
(2)精密塑性成形技术。
(3)精密连接技术。
3.1.3加工制造技术向着超精密、超高速方向发展
(1)超精密加工技术 一般认为加工精度为3~0.3μm的加工称为精密加工,加工精度达0.3~0.03μm时就称为超精密加工,而加精度高于0.03μm(30纳米)称之为纳米加工。
(2)超高速切削目前认为超高速切削的范围是:
车削速度700~7000m/min;铣削为300~6000m/min;磨削为5000~10000m/min。
(3)新一代制造装备的发展市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发,其中典型的例子是“并联桁架结构式数控机床”(或俗称“六腿”机床)的发展。
它突破了传统机床结构方案,采用6个轴长短的变化以实现刀具相对于工件的加工位置的变化。
3.1.4制造专业学科界限逐步淡化、消失,新型制造技术不断得到发展
在制造技术内部,冷热加工之间,加工、检测、物流、装配过程之间,设计、材料应用、加工制造之间,其界限均逐步淡化、逐步走向一体化。
如CAD,CAPP,CAM的出现,使设计、制造成为一体。
一个典型的例子是快速原型/零件制造(RP)技术的产生,是近20年制造领域的一个重大突破,它可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构的功能的原型或直接制造零件,淡化了设计、制造的界限。
RP技术突破了传统加工技术采用材料“去除的”原则,而采用“添加、累积”的原理。
目前的主要方法有:
立体印刷(SLA),采用紫外线光源逐层对光敏树脂扫描而成形;分层实体制造(LOM),对纸进行逐层切割并粘接而成形;选择性激光烧结(SLS);熔化沉积制造(FDM),采用蜡丝等材料逐层喷射并凝固成形。
3.1.5虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用
虚拟现实技术(VirtualRealityTechnology)是20世纪90年代才提出的新概念,虚拟现实技术已开始在制造业中得到应用,主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。
虚拟制造技术将在产品真正制造出之前,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,提高系统快速响应市场变化能力。
虚拟企业、动态联盟、虚拟组织机构或虚拟公司(VirtualCompany)是相同的概念。
其含义是:
为了快速响应某一市场需求,通过信息高速公路,将产品涉及到不同公司临时组建成为一个没有围墙、超越空间的约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。
目前正在着手组织的“分散网络化制造”(DNM),就是虚拟企业的一种模式,它的目标是在中国内地和香港的2000家制造企业之间,采用国际互联网建立制造资源信息网络实施敏捷制造。
DNM既比较符合我国国情,又比笼统地称虚拟企业更加切合实际,为人们理解和接受。
3.1.6信息、管理与工艺技术紧密结合,先进制造生产模式获得不断发展
先进的制造技术必须在与之相匹配的制造模式里才能充分发挥作用。
21世纪先进制造技术发展的重要趋势是先进制造生产模式获得不断发展。
制造业在经历了少品种小批量—少品种大批量—多品种小批量生产模式的过渡后,20世纪七八十年代开始了以采用计算机集成制造系统(CIMS)进行制造的柔性生产模式。
初期的CIMS以较高的自动化程度为特征,在实验过程遇到困难。
CIMS的第二阶段是并行工程,它强调的不仅是信息集成,而是人的集成问题。
预计21世纪的CIMS将是智能制造系统,它体现了制造系统化、自动化、智能化综合发展。
精益生产(LP)是1990年提出的制造生产模式。
它的基本原则是“消灭一切浪费”和“不断改善”,其主要支柱是准时制作业(JIT)、全面质量管理(TQC)、成组技术(GT)、弹性作业人数和尊重人性。
日本丰田公司采用这种方式,使自动化程度不高的工厂取得了良好的效益。
敏
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