浅谈现代机械制造技术的新发展

          0.前言 目前，随着电子、信息等高新技术的不断发展及市场需求个性化与多样化，世界各国都把机械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，将其他学科的高技术成果引入机械制造业中。 因此机械制造业的内涵与水平已今非昔比，它是基于先进制造技术的现代制造产业。纵观现代机械制造技术的新发展，其重要特征主要体现在它的绿色制造、计算机集成制造、柔性制造、虚拟制造、智能制造、并行工程、敏捷制造和网络制造等方面。 1.现代机械制造技术的特征 （1）机械制造科学是由机械、计算机、信息、材料、自动化等学科有机结合而发展起来的一门跨学科的综合科学，它随不同对象和时间而改变功能结构及信息系统。 （2）柔性、集成、并行工作。现代机械制造系统具有多功能性和信息密集性，能够制造生产成本与批量无关的产品，能按订单制造，满足产品的个性要求。 （3）制造智能化。能够代替熟练工人的技艺，具有学习工程技术人员多年实践经验和知识的能力，并用以解决生产实际问题。智能制造系统能发挥人的创造能力和具有人的智能和技能，强调以人为系统的主导者这一总的概念。在智能制造系统中，智能和集成并列，集成是智能的重要支撑，反过来智能又促进集成水平的提高。 （4）设计与工艺一体化。传统的制造工程设计和工艺分步实施，造成了工艺从属于设计、工艺与设计脱离等现象，影响了制造技术的发展。产品设计往往受到工艺条件的制约，受到制造可靠性、加工精度、表面粗糙度、尺寸等限制。因此，设计与工艺必须密切结合，要以工艺为突破口，形成设计与工艺的一体化。 （5）精密加工技术是关键。精密和超精密加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标之一。当前，纳米加工技术代表了制造技术的最高精度水平。 （6）产品生命周期的全过程。现代制造技术是一个从产品概念开始，到产品形成、使用，一直到处理报废的集成活动和系统。在产品的设计中，不仅要进行结构设计、零件设计、装配设计，而且特别强调拆卸设计。使产品报废处理时，能够进行材料的再循环。节约能源，保护环境。 （7）人、组织、技术三结合。现代制造技术强调人的创造性和作用的永恒性，提出了由技术支撑转变为人、组织、技术的集成；强调了经营管理、战略决策的作用。在制造工业战略决策中，提出了市场驱动、需求牵引的概念，强调用户是核心，用户的需求是企业成功的关键，并且强调快速响应市场需求的重要性。 2．现代机械制造技术的内容和发展方向 2.1 绿色制造（GM） 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造是可持续发展战略在制造业中的重要体现。其目标是使产品在设计、制造、装配、运输、销售及使用的整个过程中努力做到资源的优化利用、清洁生产和废弃物的最少化及综合利用。要力求实现切削加工工艺的绿色化。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。而干切削和干磨削一般是大气氛围中(氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术)不使用切削液进行的切削。不过对某些加工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削和干磨削在实际中很难实现，故又出现了使用极微量润滑(MQL)的准干切削。目前，在欧洲的大批量机械加工中，已有10％～15％的加工使用了干切削和准干切削。 2.2 计算机集成制造（CIM） CIM就是通过计算机实现信息集成，实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益，使企业能够持续稳定的发展。随着计算机的普及应用，计算机集成制造已成为规模生产的主要科技，企业从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理直至售后服务是一个不可分割的整体，需要统筹考虑，集成制造主要指： （1）人员集成，管理者、设计者、制造者、保障者(负责质量、销售、采购、服务等的人员)以及用户应集成为一个协调整体。 （2）信息集成，产品生命周期中各类信息的获取、表示、处理和操作工具集成为一体，组成统一的管理控制系统。特别是产品信息模型（PIM：Product Information Model）和产品数据管理（PDM：Product Data Management）在系统中应得到一体化的处理。 （3）功能集成，产品生命周期中企业各部门功能集成以及产品开发与外部协作企业间功能的集成。 （4）技术集成，产品开发全过程中涉及的多学科知识以及各种技术、方法的集成，形成集成的知识库和方法库，以利CIMS的实施。 2.3 柔性制造（FM） 柔性制造系统（FMS）是由统一的控制系统（信息流）、物料（工件、刀具）和输送系统（物料流）连接起来的一组加工设备，能在不停机的情况下实现多品种、小批量零件的加工，并具有一定管理功能的自动化制造系统。柔性制造技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。数控技术的成熟及单台数控设备的问世，使许多工业发达国家开始了柔性制造系统的研究。FMS包括许多个柔性制造单元，它能根据制造任务和生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量的生产。着重突破了成批生产的经济效益一定大于单件生产的传统观念。FMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，在计算机及软件的支撑下构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统，以实现全局动态最优化，总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的智能制造系统。 2.4 虚拟制造（VM） 虚拟制造主要就是利用计算机技术和装备产生一个虚拟环境，应用人类知识、技术和感知能力，与虚拟对象进行交互作用，对产品设计和制造活动进行全面的建模和仿真。虚拟制造技术从根本上改变了设计、试制、修改设计和规模生产的传统制造模式。在产品真正制造以前，首先在虚拟制造环境中生产软产品原形（Soft Prototype），代替传统的硬样（Hard Prototype)，预测产品的设计和制造的合理性、产品性能和制造周期等，从而使产品的开发生产周期最短、成本最低、质量最优，最终提高快速响应市场多变的能力。 2.5 智能制造（IM） 智能制造技术作为一种模式，通过知识工程、软件制造系统和机器人技术，对工人的技能和专家知识进行建模，能够在无人干预的情况下进行小批量的生产。它的突出之处就是将人工智能融入制造过程的各个环节，借助模拟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。 2.6 并行工程（CE） 并行工程的实质是在产品的设计阶段就充分地预报该产品的制造、装配、销售、使用、售后服务以及报废、回收等环节中的“表现”，发现可能存在的问题，及时地进行修改与优化。并行工程的目的是减少产品开发中的弯路与反复，缩短产品的周期，甚至做到产品开发一次成功。在传统的串行开发过程中，设计中的问题或不足，要分别在加工、装配或售后服务中才能被发现，然后蒋回过头来修改设计，改进加工、装配或售后服务（包括维修服务）。而并行工程就是将设计、工艺和制造结合在一起，利用计算机互联网并行作业，大大缩短生产周期。 2.7 敏捷制造（AM） 制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内生产出低成本、高质量的不同品种产品的能力，从而去面对市场的挑战。敏捷制造是将柔性生产技术、熟练掌握生产技能的劳动力，与促进企业内部和企业之间相互合作的灵活管理集成在一起，通过所建立的共同基础结构，对迅速改变或无法预见的市场作出快速反应。它旨在不可预测的持续变化的环境中使企业具有卓越的自适应能力，从而占据主导地位的总体战略，同时也是对市场需求做出快速响应、快速重组的生产模式；敏捷制造是一种哲理或管理哲学，是企业管理的战略性变革。其特征是：制造柔性和成员合作，制造柔性是敏捷制造的组成部分，包括人员、设备和软件3方面的柔性。提高从产品设计、制造和销售全过程的整体柔性，进而保证敏捷制造系统快速响应、快速重组的能力。目前，敏捷制造在西方国家已初见成效。 2.8 网络制造（NM） 随着信息技术和网络技术的飞速发展，网络化制造作为一种现代制造新模式，正日益成为制造业研究和实践的热门领域，网络制造业将给现代制造业带来一场深刻的变革。网络化制造应用服务（MASP，Manufacturing Application Service Provider）可为产品设计和制造过程提供服务和优化，并且可以进行虚拟的工艺仿真作为产品设计和工艺制定的参考。通过网络化应用服务中心进行产品及其制造工艺的模拟仿真与优化设计和协同制造，能够大大节省企业的投资并提高生产效率。另外企业的技术人员也可以由客户端直接在远程服务器上进行产品与工艺的优化设计或模拟仿真。 3． 结语 我国是世界上使用与发展机械最早的国家之一。机械制造具有悠久的历史。解放以来，我国机械工业有了很大的发展，已经成为工业产业中门类比较齐全、具有相当规模和一定技术基础的部门之一。 改革开放以来，机械工业充分利用国内外的技术资源，进行技术改造，依靠科技进步，已经取得了长足的发展。但与世界先进水平相比，我国的机械制造业的产品在功能、质量等方面还有较大的差距，产品构成落后，精度保持性差、科研开发能力较薄弱、人员技术素质还跟不上现代机械制造业飞速发展的需要。因此，我国机械制造业必须不断增强技术力量，培养高水平的人才和提高现有人员的素质，学习和引进国外先进科学技术，使我国的机械制造工业早日赶上世界先进水平。