先进制造技术发展趋势

第9章先进制造技术发展趋势9.1概述9.1.1什么是先进制造技术9.1.2先进制造技术的特点9.1.3先进制造技术的产生背景9.1.1什么是先进制造技术先进制造技术是当代信息技术、自动化技术、现代企业管理技术和通用制造技术的有机结合；是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理技术成果，将其综合应用于制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，获得理想技术经济效果的制造技术的总称。包括计算机技术、自动控制理论、数控技术、机器人、CAD／CAM技术、CIM技术以及网络通信技术等在内的信息自动化技术的迅猛发展，为先进制造技术的发展和应用提供了日益增多的高效能手段。先进制造技术主要包括三个技术群：主体技术群、支撑技术群和制造技术基础设施群。其具体内容主要有：现代设计技术、精密及超精密加工技术、精密快速成型技术、特种加工技术、制造业综合自动化、过程工业综合自动化、系统管理技术等。1.先进制造技术中的主体技术群主体技术群包括面向制造的设计技术群与制造工艺技术群。(1)设计技术群。指用于生产准备的工具群与技术群。包括产品、工艺过程和工厂设计，如计算机辅助设计(CAD)及工艺过程建模和仿真、系统工程集成技术、快速样件成型技术、并行工程技术(CE)、面向环境的设计(DFE)。(2)制造工艺技术群。指用于产品制造的过程及设备，包括材料生产工艺、加工工艺，连接和装配、测试和检验技术。2.先进制造技术中的支撑技术群支撑技术群是使主体技术群发挥作用的基础和核心，是实现先进制造系统的工具、手段和系统集成的基础技术，包括信息技术、传感器技术和控制技术。信息技术中包括网络和数据库技术、集成平台和集成框架技术、接口和通信、基于知识的决策支持系统以及软件工程方面的技术。先进制造系统中的控制技术将向智能控制方面发展。智能控制系统具有根据过程和环境模型以及传感器数据实时决策的能力。这方面具有潜力的领域是人工神经网络和模糊逻辑的研究。网络和数据库技术是先进制造技术中的关键技术。通过全球网络实现信息的快速传递和共享，使企业之间的联合成为可能。3先进制造技术中的制造技术基础设施群这是指为了管理好各种适当技术群的开发，促进技术在整个国家工业企业内推广应用而采用的各种方案和机制；是使先进的制造技术与企业组织管理体制，以及使用技术的人员协调工作的系统工程。它主要包括质量管理、用户／供应商交互作用、人员培训和教育、全局监督和基准评测、技术获取和利用。在利用先进制造技术的未来企业中，继续教育和培训已变得日益重要。未来的企业面临的是多变的市场和激烈竞争的环境。聘用职员的关键是看他能否多专、多能地、能动地迅速适应产品变化、工作岗位变化、所需技能变化以及促进这些变化的知识能力。显然，教育和培训是抵消环境不断变化所带来的潜在打击和忧虑的要素。所以，对于企业而言，要想有效提高其竞争能力，综合教育和培训计划是基础。9.1.2先进制造技术的特点21世纪的市场竞争，就是先进制造技术的竞争。先进制造技术贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维修等全过程，因此，21世纪的先进制造技术应具有下列特点：1.以低消耗创造高效益、高劳动生产率低消耗意味着低成本，从而可以创造高效益。降低能源的消耗和有效地利用能源成为未来制造业十分关心的问题。工业生产消耗了发达国家大量能源。人们希望不断提高生活水准，但也会带来全球能源的高消耗，从而引起人们对节能的关注。改进原有生产过程可以有效地降低工业过程的能耗。例如：大范围内实现质量控制，不仅在其他方面受益，而且也节省了用于生产不合格产品而消耗的能源。2.提供有竞争力的优质可售产品先进制造企业提出了产品终身质量保证。“质量”一词的含义已不仅仅是“零缺陷”了。由于越来越多的公司都能有效地保证产品无缺陷，因此，人们把“质量”重新定义为“零缺陷”与“用户满意”。产品的工程设计过程也不仅仅是为保证其无缺陷，而且还要从许多方面使用户满意。这样的产品才有竞争力。3.采用适用、先进的工艺装备计算机技术、自动化技术、新材料技术、传感技术、管理技术等的引入，使制造技术成为一个能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。适用、先进的工艺和装备能快速生产出产品，并保证质量。4.具有迅捷响应市场的能力当前，工业正进入市场和经济因素高度分散、快速变化、不可预测的时代。企业为了求得生存就必须对付这些频繁的变化，要想在不断变化的环境中做到迅速响应，就必须重视技术与管理的结合；重视制造过程组织和管理体制的简化与合理化，使硬件、软件和人集成的大系统的组成和体系结构具备前所未有的柔性。这体现了未来制造系统的先进性。5.满足环境保护和生态平衡的要求现今，环境问题已成为企业运行的关键因素。随着社会对环境问题越来越关注，要求企业工艺系统以及设备向“环境安全型”组织转化。面对环境的日益破坏，世界范围内环保热潮不断高涨。政府及民间组织对制造业提出更严格的要求。于是，人们提出了面向环境的设计(DFE)。美国IBM，DEC及AT&T等大公司率先采用了DFE思想。DFE节约了材料和能源的消耗，提高产品的重新利用率，增强了企业的经济效益。9.1.3先进制造技术的产生背景先进制造技术的产生和发展是与现代高新技术的飞速发展及制造业所面临的市场竞争环境密不可分的。随着“冷战”时代的结束及世界市场的发展，市场竞争日趋激烈，TQCS(T：Timetomarket,Q:Quality,C:Cost,S:Service)成为企业共同追求的目标。早期的市场竞争主要是围绕如何降低成本，特别是劳动力成本，于是刚性大规模生产线就应运而生。进入20世纪70年代后，随着电子信息技术的发展，产品成本因素的组成发生了根本变化，降低成本的焦点转到了如何提高企业的整体效率。美国从20世纪70年代开始提出CIM哲理；日本采用准时生产JIT(JustInTime)准则压缩库存，提高资金周转率；采用精良生产(LeanProduction)方法，去掉生产过程中一切不产生价值的环节。这些都获得了一定的成功。20世纪80年代，工厂的一切活动转到以满足用户要求为核心，为了赢得市场，必须提高新产品的上市速度，于是产生了并行工程CE(ConcurrentEngineering)的思想，在20世纪90年代初，欧洲制造业出现了一个新现象，人们开始把注意力集中在以CIMS为基础的“以人为中心的生产系统APS(AnthropocentricProductionSystem)”，APS是组织管理、人、技术三者的集成，其中人是核心。新的竞争环境要求企业具有极大的柔性，能快速响应市场。为了夺回在制造业的领先地位，美国在CIM和CE的基础上，又认真研究了日本的JIT和精良生产，于1991年进一步提出了敏捷制造(AgileManufacturing)的新概念。与APS相似，如何提高制造系统的智能，如何把人更有效地集成到CIM中，人们又提出了智能制造(IntelligentManufacturing)的思想。而敏捷制造被认为是全面提高企业竞争能力的21世纪制造策略，是在CIM和CE基础上更大范围内企业之间的集成。在这种策略下的虚拟公司(VirtualCompany)通过信息高速公路和其他公司进行合作，以对市场机遇作出敏捷的响应。虚拟制造(VM)则是在计算机上模拟产品的制造和装配全过程，以期尽早发现可能发生的问题。9.2几种典型先进制造技术简介9.2.1智能制造9.2.2敏捷制造9.2.3并行工程9.2.4虚拟制造系统9.2.1智能制造一、智能制造研究的背景近年来，由于市场竞争的冲击和信息技术的推动，传统的制造产业正经历着一场重大的变革，围绕提高制造业水平这一中心的新概念、新技术层出不穷，智能制造正是在这一背景下孕育而生的。从市场竞争方面来看，当前和未来企业面临的是一个多变的市场和激烈竞争的环境。社会的需求正从大批量产品转向小批量、甚至单件产品上。企业要在这样的市场环境中立于不败之地，必须从产品的时间、质量、成本和服务(TQCS)等方面提高自身的竞争力，以快速响应市场频繁的变化。企业在生产活动中的机敏性和智能就显得尤为重要。从制造系统自身来看，它是一个信息系统。制造过程是对市场信息、开发信息、制造信息、服务信息和管理信息等获取、加工和处理的过程。制造所得的产品实质上是物质、能量和信息三者的统一体。因此，制造水平提高的关键在于系统处理制造信息能力的提高。由于市场的竞争、产品性能的完善、结构的复杂和需求的个性化，导致现代制造过程中信息量的激增，信息种类多样化和信息质量的复杂化(残缺和冗余信息)，要求未来制造系统具有更强的信息加工能力，特别是信息的智能加工能力。尽管对企业和制造系统有这样的要求，但是，由于过去人们对制造技术的注意力多集中在制造过程的自动化上，从而导致在制造过程中自动化水平不断提高的同时，产品设计及生产管理效率提高缓慢。生产过程中人们的体力劳动虽然得到了极大解放，但脑力劳动的自动化程度(即决策自动化程度)却很低，各种问题求解的最终决策在很大程度上仍依赖于人的智慧。并且，随着竞争的加剧和制造信息量的增加，这种依赖程度将越来越大。另一方面，从20世纪70年代开始，发达国家为了追求廉价的劳动力，逐渐将制造业移向了发展中国家，从而引起本国技术力量向其他行业的转移，同时发展中国家专业人才严重短缺，其结果制约了制造业的发展。因此，制造产业企盼着自身的智能，以减小对人类智慧的依赖，解决人才供求的矛盾。智能制造技术IMT(IntelligentManufacturingTechnology)和智能制造系统IMS(IntelligentManufacturingSystem)正是顺应上述情况而得以发展。二、智能制造的含义智能制造技术(IMT)是指在制造工业的各个环节，以一种高度柔性与高度集成的方式，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人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展的技术。基于IMT的制造系统(IMS)则是一种借助计算机，综合应用人工智能技术、并行工程、现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术，在国际标准化和互换性的基础上，使得制造系统中的经营决策、生产规划、作业调度、制造加工和质量保证等各个子系统分别智能化，成为网络集成的高度自动化制造系统。智能制造系统的特点突出表现在：1制造系统的自组织能力自组织能力是指IMS中的各种智能设备，能够按照工作任务的要求，自行集结成一种最合适的结构，并按照最优的方式运行。完成任务后，该结构随即自行解散，以备在下一个任务中集结成新的结构。自组织能力是IMS的一个重要标志。2制造系统的自律能力IMS能根据周围环境对自身作业状况的信息进行监测和处理，并根据处理结果自行调整控制策略，以采用最佳行动方案。这种自律能力使整个制造系统具备抗干扰、自适应和容错等能力。3自学习和自维护能力IMS能以原有的专家知识为基础，在实践中不断进行学习，完善系统知识库，并删除库中有误的知识，使知识库趋向最优。同时，还能对系统故障进行自我诊断、排除和修复。4整个制造环境的智能集成IMS在强调各生产环节智能化的同时，更注重整个制造环境的智能集成。这是IMS与面向制造过程中的特定环节、特定问题的“智能化孤岛”的根本区别。IMS覆盖了产品的市场、开发、制造、服务与管理整个过程，把它们集成为一个整体，系统地加以研究，实现整体的智能化。IMS的研究是从人工智能在制造中的应用AIM(ArtificialIntelligentinManufacturing)开始的，但又有所不同。人工智能在制造领域的应用，是面向制造过程中特定对象的，研究结果导致了“自动化孤岛”的出现，人工智能在其中起辅助和支持的作用。而IMS是以部分取代制造中人的脑力劳动为研究目标的，并且要求系统能在一定范围内独立地适应周围环境，开展工作。同时，IMS不同于计算机集成制造系统CIMS，CIMS强调的是企业内部物流料的集成和信息流的集成；而IMS强调的则是更大范围的整个制造过程的自组织能力