智能制造先进制造技术.docx

1、智能制造先进制造技术 （智能制造）先进制造技术了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科-计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破。（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛

2、应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。二、现代机械工程的前沿科学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

3、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

4、。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。2.1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

5、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。2.2微机械及其制造技术研究微型电子

6、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5m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

7、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60120m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

8、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。三、现代制造技术的发展趋势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，如美国的先进制造技术计划AMTP、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级现代技术国家计划(G-7)、德国的制造2000计划和

9、欧共体的ESPRIT和BRITE-EURAM计划。随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，未来现代制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。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。

10、3.1先进制造技术先进制造技术(AdvancedManufactuingTechnology),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。先进制造技术主要包括以下三个技术群:3.2主体技术群这是制造技术的核心,它包括两个基本

11、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计技术群系指用于生产准备(制造准备)的工具群和技术群。设计技术对新产品开发生产费用、产品质量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更有效地进行设计。近几年发展起来的产品和工艺的并行设计具有双重目的,一是缩短新产品上市的周期,二是可以将生产过程中产生的废物减少到最低程度,使最终产品成为可回收、可再利用的,因此对实现面向保护环境的制造而言是必不可少的。(2)制造工艺技术群(加工和装配技

12、术群)制造工艺技术群是指用于物质产品(物理实体产品)生产的过程及设备。例如,模塑成形、铸造、冲压、磨削等。随着高新技术的不断渗入,传统的制造工艺和装备正在产生质的变化。制造工艺技术群是有关加工和装配的技术,也是制造技术或称生产技术的传统领域。3.3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,诸如:测试和检验、物料搬运、生产(作业)计划的控制以及包装等。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

13、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、检验标准、接口框架。(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)其它3.4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工业(基地)内推广应用而采取的各种方案和机制。由于技术只有应用适当地会产生效用,所以其技术基础设施的各要素和基本技术本身同样重要。这些要素包括了车间工人、工程技术人员和。3.5美国ATM计划1993年，美国政府批准了由联邦科学、工程与技术管理人员在各种先进生产技术和方案方面的培

14、训和教育,这些技术和方案将提高企业的生产竞争力。可以说,制造技术的基础设施是使制造技术适应具体企业应用环境充分发挥其功能、取得最佳效益的一系列措施,是使先进的制造技术与企业组织管理体制和使用技术的人员协调工作的系统工程,是先进制造技术生长和壮大的土壤,因而是其不可分割的一个组成部分。美国AMT计划目标是：研究开发世界领先的先进制造技术，以满足美国制造业对先进制造技术的需求，提高制造业的竞争力；通过教育与培训计划提高劳动力素质；促进具有环境意识的制造等。美国AMT计划中的项目包括：(1)设计技术制造准备阶段所需的设计工具与技术；(2)制造技术实际生产过程中所需的加工工艺和设备；(3)支持技术为前

15、两类开发项目提供所需的基础核心技术；(4)制造技术基础设施为有效地管理项目的开发，以及推动将这些项目应用于生产实践中的方法与机制。AMT计划的集成创新重点领域有：(1)下一代智能制造单元与设备；(2)适用于快速而有效地设计新产品、工艺、设备及企业集成化设计工具；(3)确保企业能广泛了解和应用先进制造技术而进行的基础设施建设。现代设计的方法和技术主要有：1.绿色设计。绿色技术就是为了减轻环境污染或减少原材料、自然资源使用的技术、工艺或产品的总称。绿色设计的目的是克服传统设计的不足，使产品满足环保的要求。它包括产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、重用及处理等各个阶段。绿色设计从根本上防

16、止了污染，节约了资源和能源。因此，绿色设计也是现代机械制造业进行产品设计开发的一个重要原则。2.并行工程。并行工程是现代设计的一个重要方法。传统的顺序工程设计，是先进胜需求分析，然后进行产品设计，再进行生产制造，最后是产品上市。这种设计方法，信息是单向依次地传递。采用并行工程方法，则将各个工程设计过程与其后续过程并行进行设计，而且上下过程之间的信息交流是双向的，并据此作出决策。这意味着，采用并行工程方法，从一开始就要考虑产品整个生命周期中的所有因素，如用户要求概念形成、成本质量、报废处理等。这就有利于提高产品质量、降低成本、缩短研制周期。3.计算机辅助设计。计算机辅助设计是以计算机为工具，帮助

17、设计人员进行设计的适用技术的总称。在设计过程中，人们可以进行创造性思维活动，完成设计方案构思、工作原理拟定，并将设计思想和设计方法经过综合、分析，转换成计算机可以处理的数学模型和解析这些模型的程序。在程序运行过程中，人们可以评价设计结果，控制设计过程，计算机则可以发挥其分析和存储信息的能力，完成信息管理、绘图、模拟、优化和其他数值分析任务。计算机辅助设计包括的内容很多，如概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机绘图等。4.虚拟技术得到广泛应用。虚拟技术是以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、加工、装配等工序统一建模，形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品以及虚拟的企业。面对新的挑战和

18、竞争，过去那种大而全的企业已越来越没有优势，各种开放式的合作开发、生产与销售与日俱增。用户订货、产品创意设计、零部件生产、总成装配、销售及售后服务等各个环节都可分别由不同地域的企业按某种契约进行互利合作。通过国际互联网、区域网和企业网，世界上任何地方的用户都可订货，还能进行异地设计、异地制造，然后在最接近用户的地方交货。先进制造技术一、先进制造技术工艺过程先进制造工艺以及自动化技术在整个机械制造的过程中，工艺过程是最主要的过程。由于机械制造业本身的需要，形成和发展了许多先进的制造工艺及自动化技术，从而充实、发展了整个先进制造技术群，带动了其他制造业的发展。这些先进制造工艺及自动化技术主要包括以

19、下几个方面。1.毛坯制造工艺。毛坯制造是机械制造工艺的基础和前提。近几年，出现了许多先进的制造工艺及技术。铸造方面出现了一套精密洁净铸造成形工艺，例如，外热风冲天炉熔炼、处理、保护成套技术；钢液精炼与保护技术；高效金属型铸造工艺及设备；气化模铸造工艺与设备等。锻压方面出现了精确高效塑性成型技术，主要有热精锻生产线成套技术；冷温成型成套技术；辊锻和楔横轧成形技术；精密冲裁工艺及设备等。焊接与切割方面出现了新型焊接电源及控制技术；激光焊接技术；微连接技术；数控切割技术等。2.机械加工工艺。机械加工是机械制造工艺过程的主要组成部分，在这方面的趋势是向高效、高精度方向发展。主要有精密加工和超精密加工；

20、高速切削与高速磨削；复杂型面的数控加工；游离磨料的高效加工等。3.表面处理。随着机械产品表面质量的要求越来越高，出现了许多表面处理工程新技术，包括化学镀非晶态合金技术；新型节能表面涂装技术；高速燃气喷涂技术；等离子体化学气相沉积技术；离子束辅助镀膜技术等。4.热处理。热处理工艺近几年出现了可控气氛热处理、真空热处理、离子化学热处理、激光表面合金化等先进技术。5.自动化技术。在机械制造过程中，除了发展应用先进制造工艺以外，自动化技术的发展与应用是另一大特征。这些自动化技术包括机床数控技术、工业机器人、柔性制造技术、传感技术、集成制造技术、自动检测及信号识别技术等。二、先进制造国内外的现状1.我国

21、先进制造技术的现状自建国以来，尤其是改革开发20多年以来，我国机械制造业得到了迅速地发展。机械工业是我国工业中发展最快的行业之一。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。20世纪80年代以后，随着市场全球化的进一步发展，市场竞争变得越来越激烈。20世纪90年代初，随着CIMS技术的大力推广应用，包括有CIMS实验工程中心和7个开放实验室的研究环境已建成。在全国范围内，部署了CIMS的若干研究项目，诸如CIMS软件工程与标准化、开放式系统结构与发展战略，CIMS总体与集成技术、产品设计自动化、工艺设计自动化、柔性制造技术、管理与决策信息系统

22、、质量保证技术、网络与数据库技术以及系统理论和方法等均取得了丰硕成果，获得不同程度的进展。但因大部分大型机械制造企业和绝大部分中小型机械制造企业主要限于CAD和管理信息系统，底层基础自动化还十分薄弱，数控机床由于编程复杂，还没有真正发挥作用。因此，与工业发达国家相比，我国的制造业仍然存在一个阶段性的整体上的差距。此外，我国还掌握了一批先进的重大成套设备的核心技术。2.国外先进制造技术的现状在产品设计方面，普遍采用计算机辅助产品设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)和计算机仿真技术；在加工技术方面，巳实现了底层(车间层)的自动化，包括广泛地采用工中心(或数控技术)、自动引导小车(AGV)等

23、近10余年来，发达国家主要从具有全新制造理念的制造系统自动化方面寻找出路，提出了一系列新的制造系统。如计算机集成制造系统、智能制造系统、并行工程、敏捷制造等。计算机集成制造系统(CIMS)它是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来，是适合于多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的制造系统。首先在功能上，它包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工工艺、制造、管理至售后服务以及报废处理的全部活动因此它比传统的工厂自动化的范围要大得多，是一个复杂的大系统，是工厂自动化的发展方向。其次，在集成上

24、，它涉及的自动化不是工厂各个环节自动化的简单叠加，而是在计算机网络和分布式数据库支持下的有机集成。这种集成主要体现在以信息和功能为特征的技术集成，即信息集成和功能集成。计算机集成制造系统的核心技术是/cAM技术。智能制造系统(IMS)是指将专家系统、模糊逻辑、人工神经网络等人工智能技术应用到制造系统中，以解决复杂的决策问题，提高制造系统的水平和实用性。人工智能的作用是要代替熟练工人的技艺，学习工程技术人员的实践经验和知识，并用于解决生产中的实际问题，从而将工人、工程技术人员多年来积累起来的丰富而又宝贵的实践经验保存下来，在实际的生产中长期发挥作用。智能制造系统的核心技术是人工智能。三、先进制造

25、技术的特点先进制造技术计划（AdvancedManufacturingTechnologyAMT)是美国根据本国制造业面临的挑战和机遇,为增强制造业的竞争力和促进国家经济增长,首先提出了先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology)的概念。此后,欧洲各国、日本以及亚洲新兴工业化国家如韩国等也相继作出响应。(1)先进制造技术是制造技术的最新发展阶段,是面向21世纪的技术制造业是社会物质文明的保证,是与人类社会一起动态发展的,因此,制造技术必然也将随着科技进步而不断更新。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而来,保持了过去制造技术中的有效要素

26、;但随着高新技术的渗入和制造环境的变化,已经产生了质了变化,先进制造技术是制造技术与现代高新技术结合而产生的一个完整的技术群,是一类具有明确范畴的新的技术领域,是面向21世纪的技术。(2)先进制造技术是面向工业应用的技术先进制造技术应能适合于在工业企业推广并可取得很好的经济效益,先进制造技术的发展往往是针对某一具体的制造业(如汽车工业、电子工业)的需求而发展起来的适用的先进制造技术,有明显的需求导向的特征。先进制造技术不是以追求技术的高新度为目的,而是注重产生最好的实践效果,以提高企业的竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。(3)先进制造技术是面向全球竞争的目前每一国家都处于全球化市场中。

27、一个国家的先进制造技术是支持该国制造业在全球范围市场的竞争力。因此,先进制造技术的主体应具有世界水平。但是,每个国家的国情也将影响到从现有的制造技术水平向先进制造技术的过渡战略和措施。我国正在以前所未有的速度进入全球化的国际市场,开发和应用适合国情的先进制造技术势在必行。四、我国先进制造技术目前存在的问题和解决措施半个世纪来，我国机械制造业虽然从无到有，从小到大取得了较快的发展，但与西方先进工业国家相比还存在这明显的差距，主要表现在如下方面：（1）产品档次低，高水平产品所占比例小目前我国机械工业主导产品达到当代国际先进水平的不到5%，达到上世纪90年代国际先进水平的占25%，答到80年代水平的

28、占40%。（2）创新开发能力差，新产品贡献率低我国大中型企业生产的2000多种主导产品的平均生命周期为10.5年，而美国一般仅有3-4年。美国制造业的新产品的贡献率已达到国内生产总值的52%。（3）专业化生产水平低我国基础零部件、基础工艺专业化水平与国外先进国家比较存在很大的差距。（4）企业生产管理技术落后目前，我国大部分企业的生产管理依旧停留在过去计划经济管理方式上，现金管理模式和手段未能得到实施。目前我国制造企业的技术水平与国先进水平相比较，从总体上看差距达20年左右。结合我国基本国情，解决我国先进制造技术目前问题应：（1）提高认识，全面规划，力促先进制造技术的发展。（2）深化科技体制改革

29、，推动技术创新体系的建设。（3）将引进消化国外先进制造技术与自主开发创新相结合。（4）大力发展先进高新制造技术及其产业。（5）积极培养创造性人才，努力提高制造业的全员素质。五、先进制造技术的内容1、制造系统自动化机械制造过程是一种离散的生产过程，与连续自动化过程相比，实现自动化更为困难。自动化的目的是提高生产率、改善劳动条件、保证产品质量、提高对市场变化的响应速度和竞争力。2、精密工程和微型机械精密工程包括：精密加工和超精密加工技术、微细加工和超微细加工技术、纳米技术。以纳米技术为代表的超精密加工技术和以微细加工为手段的微型机械技术代表了目前精密工程的发展方向。精密工程的发展方向主要表现在：（

30、1）超精密加工设备及其新型结构的研究（2）金刚石砂轮超精密磨削加工方式：外圆磨削、无心磨、沟槽磨和切割加工材料：难加工材料，如陶瓷、半导体研究的关键问题：金刚石砂轮整修、微粉金刚石砂轮超精密磨削（3）现金超精密研磨抛光加工（4）纳米加工和微型机械微型机械乏指尺寸范围为毫米、微米或纳米级，集微机构、微传感器、微驱动器、微执行器和微控制器为一体的的微型机电系统(MEMS)。中国在近十年期间，通过微齿轮、微泵、微电机、微马达、微型飞机和微型陀螺等研究，在MEMS领域取得了突出进展。提出和发展了由于尺度效应而产生的微机械学。MEMS技术已开始在我国的社会生产中发挥作用，如微操作机器人已开始用于生物工程

31、中的细胞分裂、显微手术和生物芯片的制造工艺;微传感器已民开始用于飞行器的加速度、压力等参数的实时测量;纳米薄膜润滑技术已应用于火箭和计算机硬盘的制造工艺。3、特种加工特种加工亦称非传统加工或现代加工方法，泛指用电能、热能、光能、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，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传统加工工艺方法的重要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。直接利用电能、热能、声能、光能、化学能

32、和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。特种加工中以采用电能为主的电火花加工和电解加工应用较广，泛称电加工。20世纪40年代发明的电火花加工开创了用软工具、不靠机械力来加工硬工件的方法。50年代以后先后出现电子束加工、等离子弧加工和激光加工。这些加工方法不用成型的工具，而是利用密度很高的能量束流进行加工。对于高硬度材料和复杂形状、精密微细的特殊零件,特种加工有很大的适用性和发展潜力,在模具,量具,刀具、仪器仪表、飞机、航天器和微电子元器件等制造中得到越来越广泛的应用。4、表面工程技术表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。表面工程技术是表面工程的核心和实质。5、快速成型制造快速成型(RP)技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术，对促进企业产品创新