我國先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵

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[關(guān)鍵詞]現(xiàn)代設(shè)計 加工制造

　一,、 概述

　　我國制造業(yè)產(chǎn)值占國民生產(chǎn)總值的40％，預(yù)計未來15年內(nèi)制造業(yè)的年平均增長率將高于國民生產(chǎn)總值的年平均增長率,。隨著市場的全球化、多樣化以及信息時代的到來,，振興國家的經(jīng)濟(jì),、提高綜合國力的根本動力在于制造業(yè)的振興。

　　對于制造業(yè)而言,，競爭的核心是創(chuàng)新工藝和創(chuàng)新產(chǎn)品,。進(jìn)入90年代以來，各國都把制造技術(shù)的研究和開發(fā)作為國家的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)先發(fā)展,，如美國的先進(jìn)制造技術(shù)計劃AMTP,、日本的智能制造技術(shù)（IMS）國際合作計劃、韓國的高級先進(jìn)技術(shù)國家計劃（G－7）和歐共體的ESPRIT和BRITE－EURAM計劃,。面臨著市場,、信息、環(huán)境和資源的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),，我國制造業(yè)的緊迫任務(wù)是要提高企業(yè)產(chǎn)品市場競爭力,。而產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵在于創(chuàng)新，“設(shè)計是制造業(yè)的靈魂”,，現(xiàn)代的設(shè)計理論和方法是我國制造業(yè)發(fā)展的首要問題,。

　　二、 先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵與外延

　　先進(jìn)制造技術(shù)（Advanced Manufacturing Technology,，AMT）是在制造全過程以及制造理念上融入信息科學(xué),、電子科學(xué)，計算機科學(xué),、材料科學(xué),、環(huán)境科學(xué)等新的知識和技術(shù)，產(chǎn)生出與傳統(tǒng)的面向制造的生產(chǎn)技術(shù)有本質(zhì)區(qū)別的,，面向市場,、面向用戶的涵蓋從設(shè)計,、制造、生產(chǎn)管理,、產(chǎn)品維護(hù)以至到報廢的整個生產(chǎn)周期的集成制造技術(shù),，以實現(xiàn)快速、靈活,、高效,、清潔的生產(chǎn)模式。

　　先進(jìn)制造技術(shù)是一個大制造的概念,，涵蓋了市場分析,、產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃,、制造裝配,、監(jiān)控檢測、質(zhì)量保證,、生產(chǎn)管理,、售后服務(wù)等整個生產(chǎn)過程。綜合國內(nèi)外在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展,，其外延歸結(jié)如下,。

　　1．現(xiàn)代設(shè)計理論和方法

　　市場競爭對產(chǎn)品設(shè)計的要求是要面向市場、面向用戶的,。并行工程（CE）的設(shè)計方法,，以及由此派生出的一系列新的設(shè)計理念，如面向制造的設(shè)計（Design for Manufacturability,，DFM）,、面向裝配的設(shè)計（Design for Assembly，DFA）,、面向檢測的設(shè)計（Design for Testability）,、可負(fù)擔(dān)性設(shè)計（Design for Affordability）、綠色設(shè)計等,，使設(shè)計與制造系統(tǒng)的全過程相結(jié)合,，產(chǎn)品開發(fā)的重點向產(chǎn)品設(shè)計過程轉(zhuǎn)移，使設(shè)計涵蓋了從產(chǎn)品概念設(shè)計到產(chǎn)品報廢處理的整個生命周期中的所有因素,，包括質(zhì)量,、成本、進(jìn)度計劃和用戶需求,，并通過CAD/CAPP/CAM,、快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）、虛擬制造技術(shù)（Virtual Manufacturing,，VM）等在設(shè)計的初期對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),、工藝進(jìn)行優(yōu)化，對產(chǎn)品的性能進(jìn)行預(yù)測,。

　　2．先進(jìn)的加工制造技術(shù)

　　產(chǎn)品的加工制造是AMT的基礎(chǔ),，是實現(xiàn)快速、靈活地生產(chǎn)出創(chuàng)新產(chǎn)品的主體,，進(jìn)入90年代以來,，加工制造技術(shù)有以下的發(fā)展趨勢：

　　（1）精密成形技術(shù) 包括精密鑄造,、精密鍛造,、精密焊接以及精密超精密機加工。

　�,。�2）特種加工技術(shù) 如激光,、電子、離子束,、高壓水束、電化學(xué)及電火花加工技術(shù),。

　�,。�3）快速原型制造技術(shù)RPM（Rapid Prototyping manufacturing）。

　�,。�4）CAD/CAE/CAM/PDM集成的制造系統(tǒng),。

　　（5）柔性快速制造系統(tǒng)FMS,。

　�,。�6）微米/納米加工技術(shù)。

　�,。�7）少無污染制造與報廢產(chǎn)品的可拆卸重組技術(shù),。

　　（8）制造過程自動化 如數(shù)控（NC）技術(shù),、CIMS,，虛擬制造（Virtual Manufacturing）、全能制造（Holonic Manufacturing）,、智能制造（Intelligent Manufacturing）,、敏捷制造（Agile Manufacturing）、智能4M（Modeling,，Manufacturing,，Measurement，Manipulation）技術(shù)等,。

　　3．先進(jìn)的生產(chǎn)資源管理模式

　　制造企業(yè)從社會大市場中獲得資金,、物資,、人才等資源，又將資源轉(zhuǎn)化為某種社會需求的產(chǎn)品,，因而制造企業(yè)必須用最少的資源消耗,，獲取最大的增值。有效的資源獲取,、轉(zhuǎn)換和分配就成為制造企業(yè)經(jīng)營活動的主要內(nèi)容,，如編制滿足需求數(shù)量和交付期的計劃，監(jiān)督和控制該計劃的實現(xiàn),，并且保證資源的分配最合理和消耗最少,。從60年代初的物料需求計劃（Material Requirement Planning，MRP）到制造資源計劃（Manufacturing Resource Planning,，MRPⅡ）,，以至準(zhǔn)時化生產(chǎn)（Just-In-time，JIT）,、企業(yè)資源計劃（Enterprise Resources Planning,，ERP），形成以MRPⅡ/ERP為代表的,，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的,，包含先進(jìn)管理哲理、理論和方法的,，進(jìn)行企業(yè)資源計劃與控制的高度集成的管理信息系統(tǒng),，成為對企業(yè)影響深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略工具。

　　同時,，產(chǎn)品的質(zhì)量已經(jīng)成為企業(yè)生存的命脈,，對制造全過程進(jìn)行質(zhì)量管理，把形成產(chǎn)品質(zhì)量的設(shè)計試制過程,、制造過程,、輔助生產(chǎn)過程、使用過程都管起來的全面質(zhì)量管理（Total Quality Control,，TQC）應(yīng)運而生,，它不僅全面提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且還要保證使用質(zhì)量,，把質(zhì)量管理從原來的生產(chǎn)制造過程擴展到市場調(diào)研,、質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃、研究開發(fā),、設(shè)計,、試制、試驗、工藝技術(shù),、原材料供應(yīng),、檢測儀表、生產(chǎn),、工序控制,、成品檢驗、包裝,、銷售,、用戶服務(wù)等各個環(huán)節(jié)。

　　三,、 我國發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的經(jīng)驗和教訓(xùn)

　　1．產(chǎn)品的研究開發(fā)與生產(chǎn)制造過程脫節(jié)

　　制造業(yè)中廣泛存在市場意識淡薄的問題,。長期以來，產(chǎn)品品種單調(diào),，競爭力不強,，特別是市場需求對企業(yè)的要求不能有效地反映在技術(shù)創(chuàng)新上，科研,、教育機構(gòu)對企業(yè)的技術(shù)需求也認(rèn)識不夠,，這也反映了國家科技政策中對技術(shù)服務(wù)于市場才能創(chuàng)造新的生產(chǎn)力的忽視，最終的結(jié)果表現(xiàn)為官,、產(chǎn),、學(xué)、研的脫節(jié),。

　　2．國外先進(jìn)制造技術(shù)的引進(jìn)與國產(chǎn)化弱的矛盾

　　一是我國在引進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù)的過程中,，很多企業(yè)存在盲目引進(jìn)的狀況,，不注重引進(jìn)后的消化吸收,，而且在一些具體技術(shù)的引進(jìn)中，買到的技術(shù)往往要有一定的滯后性,，如果不能很好的消化吸收并進(jìn)行提升的話,，只能是“引進(jìn)一代，落后一代”,。

　　二是在引進(jìn)中“重硬輕軟”,，大型生產(chǎn)線、設(shè)備引進(jìn)的巨大投資與對先進(jìn)的管理機制,、管理模式的忽視很不協(xié)調(diào),，這在汽車、船舶,、機床等行業(yè)都普遍存在,。以MRPⅡ為例，在引進(jìn)上投入的巨資達(dá)80億，但用得好的企業(yè)并不多,。因為MRPⅡ并不單純是一個硬件的先進(jìn)程度和計算機用得好不好的問題,，更重要的是其內(nèi)涵的管理思想和模式。

　　3．設(shè)計開發(fā)的方法和手段落后

　　當(dāng)前世界上現(xiàn)代的設(shè)計理論和方法已經(jīng)形成體系,，如全壽命設(shè)計,、綠色設(shè)計、可靠性設(shè)計等,，將生產(chǎn)的全過程和環(huán)保等要求貫穿于設(shè)計中,。而我國的大多數(shù)企業(yè)還是停留在經(jīng)驗設(shè)計階段，缺乏自主開發(fā)能力,，即使在開發(fā)成功的機電產(chǎn)品中,，也有相當(dāng)一部分是要利用國外的技術(shù)。

　　從設(shè)計手段上來講,，以CAD技術(shù)為例,，大多數(shù)企業(yè)還是局限在甩圖板的水平。而目前的世界水平已經(jīng)達(dá)到三維快速實體造型,、結(jié)構(gòu)強度分析以及工藝優(yōu)化的整體設(shè)計,。第一架無圖紙、無樣機上天的飛機――波音777,，開創(chuàng)了制造技術(shù)史上的新時代,。當(dāng)前工業(yè)發(fā)達(dá)國家的CAD技術(shù)普及率已達(dá)到60％，而我們國家平均僅為5％左右,，無論從質(zhì)上還是量上都亟待發(fā)展,。

　　四、 先進(jìn)的設(shè)計理論,、方法和手段是發(fā)展我國先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵

　　缺乏自主開發(fā)能力,，產(chǎn)品缺乏市場競爭力是我國制造業(yè)的突出問題。如果沒有好的產(chǎn)品,，再好的CIMS系統(tǒng),、柔性加工系統(tǒng)，或者M(jìn)RPⅡ,、ERP以及TQC,、并行工程等用得再好，企業(yè)也無法生存,。因此,，發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的首要問題是更新傳統(tǒng)的設(shè)計方式，建立基于知識,、面向市場的設(shè)計,。

　　現(xiàn)代的設(shè)計是基于知識的設(shè)計,，知識信息以數(shù)字化的形式存在于設(shè)計制造過程。產(chǎn)品和工藝越來越復(fù)雜,，包含越來越多的規(guī)則,，要求多個遠(yuǎn)程的組織和個人進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。而且,，對產(chǎn)品可靠性和安全性的進(jìn)一步認(rèn)識要求更安全的設(shè)計,；對環(huán)境惡化與全球人口膨脹的認(rèn)識要求更具有環(huán)境友好性的產(chǎn)品和工藝設(shè)計；對可持續(xù)性發(fā)展的認(rèn)識也要求對產(chǎn)品報廢后的可回收性進(jìn)行設(shè)計,。以下對我國未來21世紀(jì)工程設(shè)計理論和技術(shù)進(jìn)行分析,。

　　1．設(shè)計決策的準(zhǔn)確評價與虛擬技術(shù)

　　設(shè)計是一個建立在決策理論上的、基于規(guī)則的決策過程,，決策理論包含三方面的因素：決策目標(biāo)選項的獲取與識別,、選項結(jié)果的預(yù)估或期望、優(yōu)選項的確定過程中參數(shù)或取值的使用,。對設(shè)計的評價需要各方面的分析,，如有限元分析、傳熱分析,、流體分析等,，所使用的技術(shù)主要依賴計算機技術(shù)，而虛擬設(shè)計（Virtual Design）就是未來有潛力的進(jìn)行設(shè)計決策評價的有效工具,。

　　CAD通常只考慮產(chǎn)品各個子部件的幾何特征和相互間的幾何約束,。而虛擬技術(shù)在虛擬現(xiàn)實（VR）的環(huán)境中，將安全性,、人機工程學(xué),、易維護(hù)性和裝配標(biāo)準(zhǔn)等多種所需滿足的條件集成到設(shè)計過程中一并考慮。這一技術(shù)以信息技術(shù),、仿真技術(shù),、虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支持，在產(chǎn)品進(jìn)入物質(zhì)流程以前,，在信息流程中通過對虛擬環(huán)境下的軟產(chǎn)品原型（Soft prototype）進(jìn)行感受,、試驗,，對產(chǎn)品將來的性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測和評價,，從而縮短設(shè)計開發(fā)周期，降低開發(fā)成本,，提高企業(yè)的快速響應(yīng)能力,。

　　虛擬設(shè)計將制造信息加入到產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計過程中，以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計及工藝過程,，其發(fā)展趨勢有：

　�,。�1） 產(chǎn)品及工藝建模,，通過映射、抽象等方法提取產(chǎn)品實施中各活動所需的模型,，建立將工藝參數(shù)與影響制造功能的產(chǎn)品設(shè)計屬性聯(lián)系起來的,，包括物理和數(shù)學(xué)模型、統(tǒng)計模型,、計算機工藝仿真,、制造數(shù)據(jù)表和制造規(guī)則的工藝模型。

　�,。�2） 仿真技術(shù),，利用產(chǎn)品建模仿真、設(shè)計過程規(guī)劃仿真,、設(shè)計思維過程和設(shè)計交互行為仿真,，對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行評價，實現(xiàn)設(shè)計過程的早期反饋,。

　�,。�3） 以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，建立虛擬研究開發(fā)中心,、虛擬企業(yè),，將異地的研究開發(fā)力量和經(jīng)濟(jì)實體聯(lián)系起來，以聯(lián)合設(shè)計和資源共享為制造提供全球性的技術(shù)支持,。

　　2．并行設(shè)計（Concurrent Design）

　　并行工程（Concurring Engineering,，CE）的首要目的，就是通過各生產(chǎn)準(zhǔn)備部門的并行工作,，而使產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備時間顯著縮短,。其次，由于各部門的工作同步進(jìn)行,，各種相關(guān)問題在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段便能得到及時溝通和解決,，不至于將問題拖到日后正式投產(chǎn)時才暴露，防止對生產(chǎn)可能造成的極大損失,。從這一意義上說,，CE還有保證并提高產(chǎn)品質(zhì)量的功能，而且縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間,，有利于降低成本,。

　　現(xiàn)行的CAD技術(shù)是一種順序設(shè)計，往往不能排除實際生產(chǎn)中屢見不鮮的工程更改問題,。這種工程更改往往導(dǎo)致在制品半途而廢,、已準(zhǔn)備好的工藝裝備不能使用，從而造成不應(yīng)有的生產(chǎn)中斷,、生產(chǎn)費用增加以及產(chǎn)品交貨期的延遲,。CE這種系統(tǒng)的集成方法,，在現(xiàn)行CAD的基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)的不同考慮,，進(jìn)一步發(fā)展DFX設(shè)計方法,，如面向制造的設(shè)計、面向裝配的設(shè)計,、面向檢測的設(shè)計,、可負(fù)擔(dān)性設(shè)計等。目的是使設(shè)計人員在新產(chǎn)品的設(shè)計階段便考慮到它們應(yīng)該易于制造,、裝配和檢測維修,，從而使新產(chǎn)品在制造與裝配過程中的工程更改減少到最小程度。

　　如何有效地將產(chǎn)品仿真模型的幾何信息轉(zhuǎn)化為制造信息是并行設(shè)計的關(guān)鍵,，由CAD產(chǎn)生模型的幾何信息通過處理,、轉(zhuǎn)換后，生成制造模型后直接用于可制造性評價,、數(shù)控編程,，CAD/CAPP/CAM的一體化使設(shè)計和制造在制造模型輔助下并行地進(jìn)行。并行工程的思想要求CAD將不再只是單純的利用計算機軟件繪圖,，而是要利用先進(jìn)的計算機技術(shù),，進(jìn)行產(chǎn)品的三維實體造型、機構(gòu)學(xué)分析,、結(jié)構(gòu)強度的校核,、制造工藝的優(yōu)化等全方位的設(shè)計，是C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）以及CAPP技術(shù)的整合,，并以RPM及VM等技術(shù)與制造過程相銜接,。

　　3．協(xié)同設(shè)計與設(shè)計信息管理

　　在設(shè)計過程中，設(shè)計數(shù)據(jù)及設(shè)計所需的各種文件需要方便快捷的數(shù)據(jù)庫來管理和維護(hù),，而且現(xiàn)代的工程設(shè)計已經(jīng)成為由多個遠(yuǎn)程的團(tuán)隊和個體進(jìn)行協(xié)同工作的過程,，這些團(tuán)隊包括不同組織的設(shè)計人員，他們的設(shè)計目標(biāo)往往有一定的交叉,，因而,，從數(shù)學(xué)上理解，協(xié)同設(shè)計是一種合作決策,。在這種合作中,，多個設(shè)計人員要同時對設(shè)計數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問和修改，并且,，由一個設(shè)計人員所作的修改能迅速更新并為其他人員所獲得,。為實現(xiàn)這種協(xié)同設(shè)計,，要由計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)保證優(yōu)質(zhì)的傳輸協(xié)議,、有效的信息集成和快速安全的通信,，如SDRC公司在其剛剛發(fā)布的I-DEALS7.0版本中，增加了利用普通瀏覽器從網(wǎng)絡(luò)上查閱產(chǎn)品設(shè)計信息的功能,，為遠(yuǎn)程的協(xié)同工作提供支持,。

　　4．全壽命設(shè)計的思想

　　現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計要求對設(shè)計、制造,、裝配,、安裝、維護(hù),、報廢等產(chǎn)品的整個生命周期進(jìn)行綜合考慮,，全壽命設(shè)計是面向產(chǎn)品的整個生命周期中的多個目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，以滿足市場,、用戶,、資源、環(huán)境的多方要求,。一輛汽車出廠后,，后邊的運行、維修,，一直到報廢都是設(shè)計中要考慮的問題,。

　　在全壽命設(shè)計中，設(shè)計對象是一個時變的系統(tǒng),，不僅設(shè)計師要知道設(shè)計對象的時變規(guī)律,，而且要讓用戶隨時知道產(chǎn)品使用過程中當(dāng)前的狀況，因此,，對重大的產(chǎn)品,，要考慮其狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷功能，對狀態(tài)穩(wěn)定要求高的產(chǎn)品,，狀態(tài)補償和控制結(jié)構(gòu)也是必然考慮的因素,。

　　5．綠色設(shè)計

　　制造業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展是全球可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。綠色設(shè)計是以節(jié)省資源和保護(hù)環(huán)境為指導(dǎo)思想的一種新的工業(yè)設(shè)計方法,。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計制造往往忽略了對自然環(huán)境的影響,，使得越來越多的有害廢棄物輕易地進(jìn)入環(huán)境而在無形中破壞了環(huán)境，在原料取得,、制造,、銷售過程中隨處可見廢棄物。若不將最終消費者的行為計算在整個過程內(nèi),，仍然有許多可再制或再生的資源未經(jīng)使用就被廢棄了,。全球環(huán)境的日益惡化使制造業(yè)面臨如何在獲取最大效益的同時，提高資源的利用率,、減少廢棄物排放的挑戰(zhàn),。

　　圍繞綠色設(shè)計這一設(shè)計思想,，國際上還提出了環(huán)境意識的設(shè)計與制造（Environmentally Conscious Design and Manufacturing，ECD&M）,、面向環(huán)境的設(shè)計與制造（Design and Manufacturing For Environment D&MFE）,、生態(tài)工廠（Ecofactory）、清潔化生產(chǎn)(Clean Production)等概念,，它們的研究都是全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的體現(xiàn),。

　　綠色設(shè)計要考慮以下的因素：

　　（1）環(huán)境友好 在制造和使用過程中對人體無害,，對生態(tài)環(huán)境無影響,，人體環(huán)境舒適、友好,。1993年,，美國三大汽車公司聯(lián)合實施清潔車計劃（Clean Car Initiative），提高燃料效率,、應(yīng)用輕型,、可回收材料和減少大氣污染的催化劑。

　�,。�2）節(jié)省資源 節(jié)省材料,、能源和人力資源，盡可能利用可再生或易于再生的資源,，如太陽能,、可再生生物資源（以不破壞生態(tài)平衡為準(zhǔn)）和信息資源，使產(chǎn)品在使用過程中能耗低,。

　�,。�3）可回收性 采用面向拆卸以及回收再利用（Design for Disassembly and Recycle）的設(shè)計方法，并且要盡可能地減少使用材料種類,，選用可回收,、可分解材料，以利于產(chǎn)品在報廢后分類回收和循環(huán)再利用,。

姚福生 連軍

zhaochunguang@

大有幫助 謝謝了

天氣

希望常來參與討論

zj2635

我認(rèn)為可能最難最到的就是虛擬設(shè)計,。文章給人啟發(fā)較大，過去也經(jīng)常有人談?wù)撓冗M(jìn)制造技術(shù),，但一直沒有一個完整的概念,。謝謝！

老鷹

原帖由 zj2635 于 2008-2-23 11:21 發(fā)表
我認(rèn)為可能最難最到的就是虛擬設(shè)計。文章給人啟發(fā)較大,，過去也經(jīng)常有人談?wù)撓冗M(jìn)制造技術(shù),，但一直沒有一個完整的概念。謝謝,！

虛擬設(shè)計,，能否請大俠詳細(xì)闡述一番,，引起討論,。謝謝！

zhujiajia

xiexie~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

可愛娃

正好在找關(guān)于這方面的論文呢,，樓主的貼很有幫助,，謝謝啦！�,。,。。,�,！