1、先进制造技术与制造模式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，总结20世纪机械制造学科取得的成就，展望其面向21世纪的发展趋势，机械制造技术的新发展，主要表现在三个方面：（1）与微电子、信息处理技术融合的柔性制造自动化技术；（2）与微型机械、微小尺度关联的精密加工和超精密加工技术；（3）以现代管理理论为基础的先进生产模式和方法。7.1概述7.2 机械制造自动化技术7.3 快速原型技术7.4 先进制造生产模式7.1概述20世纪80年代末，美国首先提出了先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，简称AMT）
2、的新概念。20世纪70年代，美国认为制造业是“夕阳工业”1988年，美国政府开始投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究 20世纪90年代，美国经济空前繁荣，并提出了一系列先进制造技术的新理论、新思想。如并行工程(CE)、精良生产(LP)、敏捷制造(AM)、虚拟制造(VM)7.1.1 先进制造技术产生的背景7.1.2 先进制造技术的定义与特点“先进制造技术（AMT）是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称”。先进制造
3、技术具有以下特点：1）AMT是一项综合性技术 2）AMT是一项面向21世纪的动态发展技术3）AMT是面向工业应用的技术 4）AMT强调环境技术7.1.3先进制造技术的发展趋势1.传统制造技术向高效化，敏捷化，清洁化方向发展2先进制造技术向精密化、多样化、复合化方向发展3制造系统向柔性化，集成化，智能化，全球化方向发展4制造科学，技术与管理向交叉化，综合化方向发展7.2 机械制造自动化技术机械制造系统自动化技术自20世纪20年代出现以来，经历了三个主要发展阶段，即刚性自动化、柔性自动化及综合自动化三种方式 。1.刚性自动化2.柔性自动化7.2.1机械制造自动化的概念3.机械制造自动化的发展及趋势
4、1）高度智能集成性2）人机结合的适度自动化3）强调系统的柔性和敏捷性4）功能扩展化5）环保化7.2.2计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）1.CIMS的概念 计算机集成制造系统是在信息技术、自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂的全部生产活动设计、制造及经营管理（包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营）等与整个生产过程有关的物料流与信息流实现计算机高度统一的综合化管理，把各种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整的生产系统，从而获得更高的
5、整体效益，缩短产品开发制造周期，提高产品质量，提高生产率，提高企业的应变能力，以赢得竞争。2.CIMS的构成 从功能上看，CIMS包括了一个制造企业中设计、制造、经营管理和质量保证等主要功能，并运用信息集成技术和支撑环境使以上功能有效集成。图7.3描述了各功能模块及其联系。图7.3 CIMS的组成7.3 快速原型技术快速原型技术（Rapid Prototyping Technology,RPT）是20世纪80年代国外发展起来的一种新技术，它完全是顺应快速开发产品的客观需要而产生的。快速原型技术是一种快速产品开发和制造的技术，利用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、熔结等方式，将材料逐层或逐
6、点堆积，形成所需的制件。 7.3.1.快速原型技术的基本原理快速原型技术是采用软件离散化和材料堆积的原理实现实体的成形 图7.14 快速原型技术原理 进行快速原型技术制造实体样件时，按照以下步骤进行： 1）由CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型，按照一定的厚度在Z向对生成的CAD模型进行切面分层，生成每个截面的二维平面信息。2）对二维层面信息进行工艺处理，选择合适的加工参数，系统自动生成刀具移动轨迹和数控加工代码。3）对加工过程进行仿真，确保数控加工代码正确无误。4）利用数控装置控制激光束或其他工具的运动，在当前层上进行轮廓扫描，加工出适当的截面形状。5）铺上一层新的成形材料，进行下一层面
7、的加工，如此重复，直到整个零件加工完毕。RP技术较之传统的诸多加工方法展示了以下的优越性1）可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。2）大幅度缩短新产品的开发成本和周期。3）曲面制造过程中，CAD数据的转化（分层）可百分之百地全自动完成，而不象在切削加工中需要高级工程人员数天复杂的人工辅助劳动才能转化为完全的工艺数按代码。4）不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。任意复杂零件的加工只需在一台设备上完成，其加工效率亦远胜于数控加工。5）属非接触式加工，没有刀具、夹具的磨损和切削力所产生的影响。6）加工过程中无振动、噪声和切削废料。7）设备购置投资低于数
8、控机床。7.3.2快速原型技术的主要工艺方法1.光固化法LSL(Laser Stero Lithography)扫描控制器激光发生器升降台控制器万向反射镜升降台液面溶液槽紫外线光束成形零件工作台光敏树脂溶液控制系统CAD系统图7. 5 LSL快速原型法工作原理2.迭层法LOM（Laminated Object Manufacturing）LOM方法是利用片状材料（如纸片、塑料薄膜或复合材料），用CO2激光器发出的激光为能源，激光束切割片材的边界线形成某一轮廓，各层间加热、加压成形制成零件的一种快速成形方法 激光器光电系统加热辊材料带供料辊收料辊工作平台工件边角料x-y扫描装置图7.6 迭层法成
9、形原理 3.烧结法SLS（Selective Laser Sintering）SLS方法是采用各种粉末（金属、陶瓷、蜡粉、塑料）为材料，利用滚子铺粉，用CO2高功率激光器对粉末进行加热，直至烧结成块的一种成形方法。如图7.17所示，一层完成后再重复作下一层烧结，直至零件成形，最后去掉多余粉末。 丝材加热头零件x/y驱动Z向驱动 图7.7 烧结法成形原理4.熔融沉积法FDM(Fused Deposition Modeling)FDM方法是用蜡丝为原料，利用电加热方式将熔丝熔化成半流动成形材料，由喷头挤到一定位置固化的一种快速成形方法，如图7.8所示。扫描装置激光束零件光学装置激光器辊子Z轴升降台
10、图7.8 熔融沉积法成形原理 7.4 先进制造生产模式1986年美国提出了“并行工程”的概念，即：“并行工程是集成地，并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。” 并行工程是一种系统的集成方法，它具有如下一些特性：1）并行特性 2）整体特性 3）协同特性4）约束特性7.4.1 并行工程CE(Concurrent Engineering)7.4.2 敏捷制造敏捷制造（Agile Manufacturing,AM），敏捷制造目前尚无统一、公
11、认的定义，一般可以这样认为：敏捷制造是在“竞争合作（或协同）”机制作用下，企业通过与市场（用户）、合作伙伴在更大范围、更高程度上的集成，提高企业竞争能力，最大限度地满足市场（用户）的需求，实现对市场需求作出灵活快速反应的一种制造生产新模式。1敏捷制造技术的内涵敏捷制造是指制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求的快速反应。其敏捷能力应当反映在以下六个方面：1）对市场的快速反应能力 2）竞争力 3）柔性 4）快速 5）企业策略上的敏捷性 6）企业日常运行的敏捷性 2敏捷制造技术的主要概念1）全新企业概念。2）全新的组织管理概念。3）全新的产品概念。4）全新的生产概念。 3敏捷制造
12、技术的基本特点1）AM是自主制造系统2）AM是虚拟制造系统3）AM是可重构的制造系统7.5.3 精良生产精良生产（Lean Production，LP）也称为精益生产，是首先在日本成功实施，后来由美国麻省理工学院于20世纪90年代提出的一种新型制造系统模式。精良生产的中心思想是在各个环节去掉无用的东西，每个员工及其岗位的安排原则必须保证增值，不能增值的岗位加以撤除。精良生产是制造系统重构设计的典型策略之一。它具有如下的特征：1)以“简化”为主要手段。“简化”是实习精良生产的基本手段，具体做法有：精简组织机构，简化产品开发过程，强调并行设计并成立高效率的产品开发小组；简化零部件的制造过程；协调总
13、装厂与协作厂的关系，避免相互之间的利益冲突。2）以人为中心。人包括整个制造系统所涉及到的所有人。3）以尽善尽美为追求目标。1.精良生产的概念2精益生产的内涵及体系精益生产的核心内容是准时制生产方式JIT，这种方式通过看板管理，成功地制止了过量生产，实现了“在必要的时刻生产必要数量的必要产品”的目标，从而彻底消除产品制造过程中的浪费，以及由之精益生产是在JIT生产方式、成组技术GT以及全面质量管理TQC的基础上逐步完善的，构造了一幅以LP为屋顶，以JIT、GT、TQC为三根支柱，以CE和小组化工作方式为基础的建筑画面，如图7.21所示精益生产体系准时生产JIT质量管理TQC成组技术GTJIT计算
14、机网络支持下的并行工作方式和小组化工作方式图7.11 精益生产的体系构成7.5.4虚拟制造1虚拟制造的定义虚拟制造（Virtual Manufacturing,VM）技术是在20世纪90年代以后虚拟现实（Virtual Rerlity,VR）技术发展成熟以后出现的一种全新的先进制造技术。这里的“虚拟”不是虚幻或者虚无，是指物质世界的数字化，也就是对真实世界的动态模拟，即虚拟现实；而“制造”则是指的虚拟现实技术在制造中的应用或者实现。综合地讲，虚拟制造技术就是利用仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的
15、问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测等，并进行过程管理和控制。2虚拟制造系统的体系结构1）虚拟开发平台2）虚拟生产平台3）虚拟企业平台4）基于PDM的虚拟制造集成平台7.5.5绿色制造1.绿色制造的提出在生产力高度发展和物质产品空前丰富的今天，世界却面临着一系列令人忧虑的问题： 在经历了几百年工业发展之后，人类逐渐认识到工业文明所带来的负面影响已明显显现越来越短的产品使用寿命（并非产品丧失了原有的功能，而是消费者选择了更好、更新的产品）造成数量越来越多的废弃物；资源过快开发和过量消耗，造成资源短缺和面临衰竭；环境污染和自然生态破坏已严重威胁到人类
16、的生存条件。如再不采取有效措施，后果将不堪设想。在这种背景卜，绿色制造技术应运而生。2.绿色制造的定义及内涵20世纪90年代提出绿色制造（Green Manufacturing，GM），又称清洁生产（Green Production,GP），或面向环境的制造（Manufacturing For Environment，MFE）。绿色制造技术是指在保证产品的功能、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。它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中节约资源和能源，不产生环境污染或使环境污染最小化。绿色制造包含制造过程和产品两个方面 图7.12 绿色制造的内容3.绿色制造过程1）节省资源的制造技术2）环保型制造技术3）再制造技术4.绿色产品绿色产品要求在制造过程中节省资源，在使用过程中节省能源、无污染，在产品报废后便于回收和再利用。1）节省资源2）节省能源3）减少污染4)报废后的回收与再利用本章结束!
