机械工业的先进制造模式及制造技术
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引言
21世纪的机械制造业是以信息为主导，采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理形式的全新的机械制造业。它的特征是集成化、数字化、全球化、网络化、虚拟化、智能化以及环保协调的绿色制造。制造工程领域的先进制造技术(AMT)像雨后春笋般相继诞生，我国机械科学院提出的先进制造技术多层次技术群体系。可见，第1层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术，它是先进制造技术的核心，它在铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺中大量采用；第2层次是新兴的制造单元技术，这是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新制造技术，如数控技术、清洁生产技术、机器人技术等；第3层次是先进制造集成技术，这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对前两个层次的技术集成而形成，如CIMS、IMS及虚拟技术等。1 21世纪的先进制造技术
在21世纪，现有的AMT将继续不断改进、完善和发展，新的AMT更会大量涌现。对于企业来说，开发和应用AMT应能使其内部以及和其它企业、市场之间的各种活动灵活、敏捷、智能、高效、协调运行，以达到产品上市快、质量好、成本低、服务好、环境清洁、资源消耗少等目的。21世纪AMT重点发展的方向有:1.1 纳米制造技术
纳米技术是指实现纳米级精度或某一维尺寸在纳米级的技术，是一种在纳米尺度上研究原子和分子结构、物质的特性及其相互作用与运动，并应用这些特性为人类服务的高新技术。纳米技术对制造业已经产生了很大的影响，给制造方法、制造工艺与手段带来了巨大冲击。与制造技术相融合而产生的纳米制造技术，其最终目标是直接以原子和分子为原材料，在纳米尺度上制造具有特定功能的产品，其应用范围将非常广泛，包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米装配技术、纳米测量技术和纳米机械学等。纳米技术用于检测可揭示超精密表面的纳米级、原子级特性，从而发现人类以前所不知的新信息、新特征和新规律；用于微细加工和原子操作将会极大地推动集成芯片和“分子器件”制作技术的发展；用于按需要布列原子可制作出比现行磁盘存储密度高1亿倍的高密度数据存储器；用于制作原子译码器、原子栅可进行操作原子和分子组装的亚纳米级CNC“分子加工机床”。1.2 柔性生产及智能制造
柔性生产一般泛指采用FMS和CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)进行制造的模式。它是对以往大批量生产过程的一种扬弃。柔性生产主要依靠有高度柔性的以计算机数控机床为主的制造设备来实现多品种、小批量生产，从而增强制造企业的灵活性和应变能力，缩短产品生产周期，提高设备使用效率和员工劳动生产率，以及改善产品质量等。智能制造是在制造生产的各个环节中，以一种高度柔性和高度集成的方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存贮、完善、共享、继承和发展。柔性生产和智能制造的共同特征是实现制造过程在更高层次上的自动化。我国863/CIMS的研究和应用实践，经历了信息集成—过程集成—企业集成。对CIMS环境下的物流系统、工程需求、工程设计数据库开发、生产与销售管理信息化、产品品质保证体系等方面都有一定的研究、开发和应用。这些研发工作给更多的企业实施CIMS、适应快捷多变的市场提供了理论依据和可行性方案。1.3 敏捷制造
敏捷制造AM(Agile Manufacturing)指企业采用现代化通信手段，通过快速配置各种资源(包括技术、管理和人员)，以有效和协调的方式响应用户需求，实现制造的敏捷性。它依赖于各种现代技术和方法，最具代表性的是虚拟企业的组织方式和虚拟制造的开发手段。如果说，CIMS侧重于企业内部各部门、各环节之间的集成与信息交流，那么，敏捷制造则发展到企业之间的集成与信息交流。以计算机网络支持的、按照动态联盟的方式运作的、并采用工作小组的组织形式的敏捷制造系统是实现顾客化大生产的理想企业组织结构，也将是下一个世纪的最重要的生产模式。1.4 并行工程及虚拟样机可视化技术
并行工程CE(Concurrent Engineering)的核心是并行一体化设计，强调产品设计及其相关过程同时交叉进行，即在设计阶段就要考虑制造、装配等下游活动所涉及的所有环节和因素。企业实行并行运行机制，要求设计、制造等各个过程的多项任务同时进行、交叉进行，减少设计过程的多次反复。并行工程的协同效应使得各部门协调工作，能够对众多方案进行及时准确地评价，以达到最优方案。在传统的产品串行开发过程中，设计中的问题或不足要分别在往后的加工、装配或售后服务中才能被发现，然后再回过头来修改设计或改进加工、装配或售后服务(包括维修服务)。这样，产品开发、改进、定型及投放市场的时间就拉得很长，成本也很高。采用并行设计的产品开发过程则不然，它在产品的设计过程中就通过计算机仿真预测所设计的产品在加工、装配、使用和维修等环节中的情况、结果和可能出现的问题，并及时地修改设计，直到认为满意了再投入生产。这样，在实际的产品生产过程和使用过程中可能碰到的问题与返工就会大为减少，甚至可以消除。现代制造技术重点研究品质、服务、周期和成本，在保证品质、服务的前提下，制造周期、成本成了参与竞争的主要目标。虚拟样机可视化技术是一种新的制造模式，可实现对产品设计、工艺流程制造加工等活动的一体化建模。在产品的设计阶段就仿真出产品，这样就能早期预测产品性能，进行各种动力学、强度、刚度等的校核，有助于开发出更加先进的产品并更有效地组织生产，从而提高生产效率。该技术在计算机的协同支持下，通过设计组的并行工作完成一项产品的开发。它在产品的研发中所体现的独特优势是:①它不用实际生产，即可按用户要求研制新产品，并校验性能；②紧密结合先进的计算机技术，节约资源和时间；③迅速推出虚拟样机，适应市场要求。1.5 测控技术
产品的质量、自动化及智能化都要依靠测控来实现。测量的目的不仅仅是为了判断产品质量，而越来越多地直接用于控制生产或机器的运行，将测量与控制形成一个整体，即测控技术。中小尺寸的测试技术相对来说比较成熟，而大尺寸、微米、纳米领域的测试技术存在问题较多，高新技术的发展对这两头的测试技术提出了十分迫切的要求。薄膜、原子力显微镜是测量微米、纳米尺寸和微米、纳米表面最常用的仪器，它的测量力仅为10nN。原子力显微镜和其它各种扫描探测显微镜的垂直向分辨率已做到优于011nm，除了各种扫描探测显微镜，近场光学显微镜在微米、纳米测量中也极有应用前景。光学测量方法没有测量力，这在微米、纳米测量中有很大的优越性，由于它工作在离被测件只有若干纳米的近场，克服了衍射对光学系统分辨率的限制。电容传感器等也可达到纳米级的分辨率，但需要经过标定。光学测量具有不接触、没有测量力、精度高、光斑可以做得很小、提供的信息丰富等优点，在大尺寸、常规尺寸、微米、纳米领域都有广泛应用，可以说是测量技术中发展最快的领域。1.6 精密加工、超精密加工、特种加工技术
社会的发展对机械产品的质量提出了越来越高的要求，诸如一些军工产品、航空航天产品、仪器仪表产品、电子产品、微型机械产品，其精度要求已达到微米级、亚微米级、甚至纳米级，这样的精度要求是普通加工方法难以达到或根本不能达到的，这决定了发展精密加工、超精密加工技术以及诸如激光加工、电火花加工等特种加工技术是机械制造未来的一个重点。其中激光技术应用于制造业中，有着更广泛的意义。例如，纽约Akron strippit-Houdaille公司将激光器与小组合冲孔机结合，因为激光束直径仅仅是人头发的两倍那么粗细，编程人员可以根据所设想的两维、三维空间形状加以切割与冲凿，同时可以切割小半径转角，沿任何方向、以任意角度移动和转动。它能切割一般冲孔机所不能切割的小角弧面与冲凿曲面工艺品，这也为模具制造带来了莫大的福音和便利。目前，发达国家采用超精密特种加工方法已能加工出纳米级的大规模集成电路芯片(加工精度2.5nm，粗糙度4.5nm)，超精密加工的对象已由加工单件、小批量的工具、量具等扩展到大批量工件生产和高科技产品(如磁盘、录像机磁头、大规模集成电路、精密雷达等)的加工。此外，超高速加工等高效节能加工技术也是当前的发展趋势，比如采用陶瓷刀具切削速度已达到800m/s～1000m/s。1.7 微型系统制造技术
微系统(Micro System)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硅微型静电电机。微系统技术有可能象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。微型系统制造技术具有常规技术无法比拟的广阔应用前景。如用该技术制作的微型机器人可以完成光导纤维的引线、粘接、对接等复杂操作和细小管道、电路的检测；可进行集成芯片的生产、精密装配、细胞解剖；可检测人手或其它设备难以到达的地方；可以驱除消灭农田害虫、监测农田墒情并进行自动化灌溉；可以去除血管内壁上多余的脂肪、清除血液淤塞、打通血栓、杀死癌细胞，可接通神经、修复人体、做眼科手术，可记录、发出人体内的温度等信息，可搜集情报、进行军事侦察。用该技术制作的“纳米卫星”布设成局部星团和分布式星座，可保证在任何时刻对地球上任何一点的连续覆盖。[1] [2] 下一页
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