第1篇 机械现代制造技术总论.PDF

“ “ “ “ 第一篇 机械现代制造技术总论 第一章现代制造技术的发展现状与趋势 第一节现代制造技术的发展现状 一、 现代制造技术的提出 进入 “ 年代以来， 各国制造业面临复杂多变的外部环境 科学技术突飞猛进， 供求 关系变化频繁， 产品更新日新月异， 各国经济与国际市场纵横交错， 竞争对手林立等等。 因此， 当局和企业界都在寻求对策， 以获取全球范围内竞争优势。传统的制造技术已变 得越来越不适应当今快速变化的环境， 先进的制造技术， 尤其是计算机技术和信息技术 在制造业中的广泛应用， 使人们正在或已经摆脱传统观念的束缚， 跨入制造业的新纪元。 先进制造技术 （ 等人在 和 /A 等） 已握有很大一部分计算机市场。西欧清楚地知道 如果欧洲共同体成员保持各自分离的市场， 那将无法同美日抗衡。正如德国总理科尔所 说“任何一个欧洲国家都不可能仅靠自身的力量有效地对付美国和日本的技术挑战， 欧 洲只有把财力和人力集中起来， 才能保持自己在未来世界上的经济地位” 。法国总统密 特朗提出， 要使欧洲不致落后太多， 一个统一的欧洲是激发国家创造力的重要支柱，“欧 洲必须团结在一项伟大工程的周围” 才能拯救欧洲。““* 年由显赫的企业家和政治家们 共同掀起了一场旨在通过 “欧共体统一市场法案” （） 的运动。这项法案得到公众 的多数支持。这些国家已表明， 为避免在工业上落后， 他们是愿意在政治上付出代价的。 “5 年， 欧共体的白皮书阐明了统一的初期阶段， 然而不到五年， 就采纳了建立统一 4 第一篇机械现代制造技术总论 市场的决定。““ 年 月 日， 欧洲统一市场正式生效， 拥有约 万亿美元的巨额市场。 ““ 年 月 日， 欧洲经济一体化协议 （ -./01） ， 反求工程技术 （4- 1--3/10） 等。 （） 由简单的、 具体的、 细节的设计转向复杂的总体设计和决策， 要通盘考虑包括设 第一章现代制造技术的发展现状与趋势 计、 制造、 检测、 销售、 使用、 维修、 报废等阶段的产品的整个生命周期。 （） 由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、 经济和社会因素。设计不是单纯追求 某项性能指标的先进和高低， 而注意考虑市场、 价格、 安全、 美学、 资源、 环境等方面的影 响。 四、 成形制造技术向精密成形或净成形的方向发展 展望 “ 世纪， 成形制造技术正在从制造工件的毛坯、 从接近零件形状 （’ * ,’-.//） 向直接制成工件即精密成形或称净成形 （ * ,’-.//） 的方向发展。 主要技术是 （） 精密铸造技术。 （“） 精密塑性成形技术。 （0） 精密连接技术。 五、 加工制造技术向着超精密、 超高速以及发展新一代制造装备的方向发展 （） 超精密加工技术。目前世界已达到加工精度为 121“34， 表面粗糙度 为 12134， 进入纳米级加工的时代。超精切削加工技术， 其切削厚度由目前的红外波段正 朝着可见光波段甚至更短波段趋近； 超精加工机床向多功能模块化方向发展； 超精加工 材料由金属扩大到非金属。 （“） 超高速切削。目前超高速切削铝合金切削速度已超过 51146 478； 铸铁为 31146 478； 超耐热镍合金达 01146 478 钛合金达 “1146 478。超高速切削的发展已转 移到一些难加工材料的切削加工上。 （0） 新一代制造装备的发展。市场竞争和新产品、 新技术、 新材料的发展推动着新型 加工设备的研究与开发， 其中典型的例子是 “并联桁架式结构数控机床”（或俗称 “六腿” 机床） 的发展。它突破了传统机床结构方案， 采用通过六个轴长短的变化以实现刀具相 对于工件的加工位姿的变化。 六、 新型加工方法以及复合工艺不断发展 （） 激光、 电子束、 离子束、 分子束、 等离子体、 微波、 超声波、 电液、 电磁、 高压水束流 等新能源或能源载体的引入， 形成了多种崭新的特种加工及高密度能束切割、 焊接、 熔 炼、 锻压、 热处理、 表面保护等加工工艺。其中以多种形式的激光加工发展最为迅速。 （“） 超硬材料、 高分子材料、 复合材料、 工程陶瓷、 非晶微晶合金、 功能材料等新型材 料的应用， 扩展了加工对象， 导致某些崭新加工技术的产生， 如 超塑成形、 等温锻造、 扩 1 第一篇机械现代制造技术总论 散焊接及其复合工艺 （超塑成形扩散连接） ； 加工陶瓷材料的热等静压、 粉浆浇注、 注射 成形； 超硬材料的高能束加工； 高分子材料、 复合材料的水束流切割； 沉积 “、 “、 、 人造金刚石等超硬薄膜的 ’、 ’、 ’ 等。 七、 应用快速原型制造技术的快速制造技术得到快速发展和应用 快速原型制造技术是一项具有广泛应用前景、 能给制造业带来革命性变化的高技 术。快速制造技术包括 （*） 基于三维曲面设计的快速设计技术。 （） 快速三坐标测量技术。 （,） 快速原型制造技术。 （-） 快速零件制造技术。 （.） 并行工程。 八、 虚拟技术将广泛应用 虚拟制造技术是以计算机支持的仿真技术为前提， 对设计、 加工、 装配等过程统一建 模， 形成虚拟的环境、 虚拟的过程、 虚拟的产品。主要包括 （*） 虚拟设计。 （） 虚拟制造。 （,） 虚拟研究开发中心。将异地、 各具优势的研究开发力量， 通过网络和视像系统联 系起来， 进行异地开发、 网上讨论。 （-） 虚拟企业。为了快速响应某一市场需求， 通过信息高速公路， 使产品制造得到一 个由不同公司临时组建成的没有围墙、 超越空间约束、 靠计算机网络联系、 统一指挥的合 作组织实体。 九、 工艺模拟技术得到迅速发展 先进制造技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析， 加工工艺 由技艺发展为工程科学。 热加工过程的数值模拟与物理模拟是一个重要发展方向， 它是使热加工工艺由技艺 走向科学的重要标志。应用数值模拟于铸造、 锻压、 焊接、 热处理等工艺设计中并与物理 模拟和专家系统结合， 来确定工艺参数、 优化工艺方案， 预测加工过程中可能产生的缺陷 及采取的防止措施， 控制和保护加工工件的质量。采用这种科学的模拟技术并与少量的 实验验证相结合， 以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法， 不仅可以节省大量的 ** 第一章现代制造技术的发展现状与趋势 人力和物力， 而且还可以通过数值模拟来解决一些目前尚无法在实验室进行直接研究的 复杂问题。 工艺模拟也发展并应用于金属切削加工过程、 产品设计过程。最新的进展是在并行 工程环境下， 开展虚拟成形制造， 使得在产品的设计完成时， 成形制造的准备工作 （如铸 造） 也同时完成。 十、 技术创新将成为 “ 世纪企业竞争的焦点 随着市场的动态多变性， 迫使企业必须及时调整经营策略。 美国制造业的经营策略变化历程如下 年代 规模效益第一； 年代 价格 第一； 年代 质量第一； ’ 年代 市场响应速度第一； 预计 “ 世纪将是技术创新 第一。 “ 第一篇机械现代制造技术总论 第二章现代制造技术的内涵与特点 第一节现代制造技术的内涵 一、 现代制造技术的定义 先进制造技术是为了适应时代要求提高竞争能力， 对制造技术不断优化及推陈出新 而形面的。它是一个相对的、 动态的概念。先进制造技术作为一个专有名词提出后， 至 今没有一个明确的、 一致公认的定义， 经过近来对发展先进制造技术方面开展的工作， 通 过对其内涵、 特征的分析研究， 可以定义为“先进制造技术是制造业不断吸收机械、 电 子、 信息 （计算机与通信、 控制理论、 人工智能等） 、 能源及现代系统管理等方面的成果， 并 将其综合应用于产品设计、 制造、 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， 提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能 力的制造技术的总称” 。 二、 现代制造技术的内涵与技术构成 先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段， 有不同的技术内 涵和构成， 对我国而言， 它是一个多层次的技术群。先进制造技术的内涵和层次及其技 术构成如图 “ “ 。 第二章现代制造技术的内涵与特点 图 “ “ 先进制造技术的内涵、 层次及其技术构成示意图 基础技术 第一层次是优质、 高效、 低耗、 少无污染基础制造技术。铸造、 锻压、 焊接、 热处理、 表 面保护、 机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、 经济适用的技术， 这些基础工艺 经过优化而形成的优质、 高效、 低耗、 少无污染基础制造技术是先进制造技术的核心及重 要组成部分。这些基础技术主要有精密下料、 精密成形、 精密加工、 精密测量、 毛坯强韧 化、 少无氧化热处理、 气体保护焊及埋弧焊、 功能性防护涂层等。 新型单元技术 第二个层次是新型的先进制造单元技术。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 形成的崭新的制造技术。如 制造业自动化单元技术、 极限加工技术、 质量与可靠性技 术、 系统管理技术、 现代设计基础与方法、 清洁生产技术、 新材料成形与加工技术、 激光与 高密度能源加工技术、 工艺模拟及设计优化技术等。 集成技术 第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息、 计算机和系统管理技术对上述两个 层次的技术局部或系统集成而形成的先进制造技术的高级阶段。如 ’、 *’、 *’ 等。 以上三个层次都是先进制造技术的组成部分， 但其中每一个层次都不等于先进制造 技术的全部。 第一篇机械现代制造技术总论 第二节现代制造技术的特点 “ 先进性。作为制造技术的基础 制造工艺， 必须是经过优化的先进工艺， 因而， 先进制造技术的核心和基础必须是优质、 高效、 低耗、 清洁工艺， 它从传统制造工艺发展 起来， 并与新技术实现了局部或系统集成。 “ 广泛性。先进制造技术不是单独分割在制造过程的某一环节， 而是将其综合运用 于制造的全过程， 它覆盖了产品设计、 生产设备、 加工制造、 销售使用、 维修服务， 甚至回 收再生的整个过程。 “ 实用性。先进制造技术的发展是针对某一具体的制造目标 （如汽车制造、 电子工 业） 的需求， 而发展起来的先进、 适用技术， 有明确的需求导向 先进制造技术不是以追求 技术的高新度为目的， 而是注重产生最好的实践效果， 以提高企业竞争力和促进国家经 济增长和综合实力为目标。 “ 系统性。随着微电子、 信息技术的引入， 先进制造技术能驾驭信息生成、 采集、 传 递、 反馈、 调整的信息流动过程。先进制造技术是可以驾驭生产过程的物质流、 能量流和 信息流的系统工程。 “ 集成性。先进制造技术由于专业、 学科间的不断渗透、 交叉、 融合， 界限逐渐淡化 甚至消失， 技术趋于系统化、 集成化， 已发展成为集机械、 电子、 信息、 材料和管理技术为 一体的新兴交叉学科， 因此有人称其为 “制造工程” 。 ’“ 动态性。先进制造技术不是一成不变的， 而是一门动态技术。它要不断地吸收各 种高新技术， 将其渗透到企业生产的所有领域和产品寿命循环的全过程， 实现优质、 高 效、 低耗、 清洁、 灵活的生产。同时反映在不同时期和不同的国家地区， 先进制造技术就 有其自身不同的特点、 目标和内容等。 “ 技术与管理的更紧密结合。对市场变化作出更敏捷的反应及对最佳技术经济效 益的追求， 使先进制造技术十分重视生产过程组织管理体制的合理化和最佳化， 它是技 术与管理、 自然科学与社会科学紧密结合的产物。 “ 先进制造技术强调的是实现优质、 高效、 低耗、 清洁、 灵活生产。先进制造技术的 核心和基础是优质、 高效、 低耗、 清洁、 少无污染工艺， 它是从传统的制造工艺发展起来 的， 并与新技术实现了局部或系统集成， 其重要的特征是实现优质、 高效、 低耗外， 还要针 对 世纪人类面临的有限资源与日益增长的环保压力的挑战， 实现可持续发展， 要求实 第二章现代制造技术的内涵与特点 现低耗、 清洁。此外， 先进制造技术也必须面临人类在 “ 世纪消费观念变革的挑战， 满 足对日益 “挑剔” 的市场的需求， 实现灵活生产。 先进制造技术是面向 “ 世纪的技术系统， 其目的是提高制造业的综合经济效益， 赢得激烈的市场竞争。 “ 第一篇机械现代制造技术总论 第三章现代制造技术的体系结构与分类 第一节现代制造技术的体系结构 ““ 年， 美国联邦科学、 工程和技术协调委员会 （’） 下属的工业和技术委员 会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群 主体技术群；“支撑技 术群； 制造技术环境。 这三个技术群相互联系、 相互促进， 组成一个完整的体系， 每个部分均不可缺少， 否 则就很难发挥预期的整体功能效益。见图 * 先进制造技术的体系结构。 第二节现代制造技术的分类 将目前各国掌握的制造技术系统化， 对先进制造技术的研究分为下述 大领域， 它 们横跨多个学科， 并组成一个有机整体。 现代设计技术 （） 计算机辅助设计技术。包括 有限元法； 优化设计； 计算机辅助设计； 反求工程技 术； 模糊智能 ,-； 工程数据库。 （.） 性能优良设计基础技术。包括 可靠性设计； 安全性设计； 动态分析与设计； 防断 裂设计； 疲劳设计； 防腐蚀设计； 减摩和耐磨损设计； 健壮设计； 耐环境设计； 维修性设计 和维修性保障设计； 测试性设计； 人机工程设计。 / 第三章现代制造技术的体系结构与分类 图 “ “ 先进制造技术的体系结构 （） 竞争优势创建技术。包括 快速响应设计； 智能设计； 仿真与虚拟设计； 工业设 计； 价值工程设计； 模块化设计。 （） 全寿命周期设计。包括 并行设计； 面向制造的设计； 全寿命周期设计。 （） 可持续性发展产品设计。主要有绿色设计。 （） 设计试验技术。包括 产品可靠性试验； 产品环保性能试验与控制、 仿真试验与 虚拟试验。 ’ 先进制造工艺 （） 精密洁净铸造成形工艺。包括 外热冲天炉熔炼、 处理、 保护成套技术； 钢液精炼 与保护技术； 近代化学固化砂铸造工艺； 高效金属型铸造工艺与设备； 气化膜铸造工艺与 设备； 铸造成形工艺模拟和工艺 *。 （’） 精确高效塑性成形工艺。包括 热锻生产线成套技术 冷温成形成套技术； 精密 辊锻和楔横轧技术； 大型覆盖件冲压成套技术； 精密冲裁工艺； 超塑和等温成形工艺； 锻 造成形模拟和工艺 *。 （） 优质高效焊接及切割技术。包括 新型焊接电源及控制技术； 激光焊接技术； 优 质高效低稀释率堆焊技术； 精密焊接技术； 焊接机器人； 现代切割技术 焊接过程的模拟 , 第一篇机械现代制造技术总论 仿真与专家系统。 （） 优质低耗洁净热处理技术。包括 可控气氛热处理； 真空热处理； 离子热处理； 激 光表面合金化； 可控冷却。 （“） 高效高精机械加工工艺。包括 精密加工和超精密加工； 调整切削与高速磨削； 变速切削； 复杂型面的数控加工； 游离磨料的高效加工。 （） 现代特种加工工艺。包括 激光加工 复合加工； 微细加工和纳米技术； 水力加工。 （） 新型材料成形与加工工艺。包括 新型材料的铸造成形； 新型材料的塑性成形； 新型材料的焊接； 新型材料的热处理； 新型材料的机械加工。 （） 优质清洁表面工程新技术。包括 化学镀非晶态技术； 新型节能表面涂装技术； 铝及铝合金表面强化处理技术； 超声速喷涂技术； 热喷涂激光表面重熔复合处理技术； 等 离子化学气相沉积技术； 离子辅助沉积技术。 （） 快速模具制造技术。包括 锻模 ’* ’ 一体化技术； 快速原型制造技术。 （,-） 拟实制造成形加工技术。包括 材料热加工拟实制造成形； 机械加工的拟实制 造技术 机械产品的拟实装配技术。 ./ 自动化技术 （,） 数控技术。包括 数控装置； 进给系统和主轴系统； 数控机床的程序编制。 （0） 工业机器人。包括 机器人操作机 机器人控制系统； 机器人传感器； 机器人生产 线总体控制。 （.） 柔性制造系统 （12） 。包括 12 的加工系统 12 的物流系统 12 的调度 与控制 12 的故障诊断。 （） 计算机集成制造系统 （’32） 。 （“） 传感技术。 （） 自动检测及信号识别技术。包括 自动检测 ’4 信号识别系统； 数据获取； 数据 处理； 特征提取； 识别。 （） 过程设备工况监测与控制。包括 过程监视控制系统； 在线反馈质量控制。 / 系统管理技术 （,） 先进制造生产模式。包括 精益生产； ’32； 敏捷制造； 分散网络化制造系统； 智 能制造。 （0） 集成管理技术。包括 并行工程； 56 与 734 的集成生产组织方法； 基于作业 的成本管理 （8’） ； 现代质量保障体系； 现代管理集息系统； 生产率工程； 制造资源的快 速有效集成。 （.） 生产组织方法。包括 虚拟公司理论与组织； 企业组织结构的变革； 以人为本的 团队建设； 企业重组工程。 , 第三章现代制造技术的体系结构与分类 第四章现代制造技术的范畴与技术前沿 第一节现代制造技术的范畴 如上所述， 现代制造技术已不是一般所指加工过程的工艺方法， 而包含了从产品设 计、 加工制造到产品销售、 用户服务等整个产品生命周期全过程的所有相关技术， 涉及到 设计、 工艺、 加工自动化及管理等多个领域。它不仅需要相应的基础科学， 还需要系统科 学、 控制技术、 计算机技术、 信息科学、 管理科学以至社会科学。现代制造业已不同于传 统工业的概念， 而是一个用现代技术进行改造、 充实和发展的多学科交叉和综合的充满 生命力的工业。 现代制造技术所涉及的学科较多， 所包含的技术内容较为广泛。““ 年美国联邦科 学、 工程和技术协调委员会将现代制造技术分为如表 所示的三个技术群 即主 体技术群、 支撑技术群和制造基础设施。 表 现代制造技术体系结构 主体技术群支撑技术群制造基础设施 面向制造的设计技术群 产品、 工艺设计 计算机辅助设计 工艺过程建模和仿真 工艺规程设计 系统工程集成 工作环境设计 “快速成型技术 并行工程 制造工艺技术群 材料生产工艺 “加工工艺 联接和装配 测试和检验 环保技术 维修技术 ’其他 信息技术 接口和通信 数据库 集成框架 软件工程 人工智能 决策支持 “标准和框架 数据标准 质量管理 “用户 供应商交互作用 工作人员培训和教育 全国监督和基准评设 技术获取和利用 ’ 第一篇机械现代制造技术总论 主体技术群支撑技术群制造基础设施 产品定义标准 工艺标准 检验标准 接口框架 机床和工具技术 “传感器和控制技术 这三个技术群相互联系、 相互促进， 组成一个完整的体系， 每个部分均不可缺少， 否 则就很难发挥预期的整体功能效益。 “ 现代设计技术 现代设计技术是根据产品功能要求， 应用现代技术和科学知识， 制定方案并使方案 付诸实施的技术。它是一门多学科、 多专业相互交叉的综合性很强的基础技术。其出发 点在于使机械产品设计建立在科学的基础上， 促使产品由低级向高级转化， 促进产品功 能不断发展， 质量不断提高。现代设计技术所包含的内容有 （） 现代设计方法。现代设计方法包括产品动态分析和设计、 摩擦学设计、 防蚀设 计、 可靠性和可维护性及安全设计、 优化设计及智能设计等。 （） 设计自动化技术。设计自动化技术指应用计算机技术， 进行产品造型和工艺设 计、 工程分析计算与模拟仿真、 多变量动态优化， 从而达到整体最优功能目标， 实现设计 自动化。 （） 工业设计技术。工业设计技术指开展机械产品色彩设计和中国民族特色与世界 流派相结合的造型设计， 增强产品的国际竞争力。 “ 现代制造工艺技术 现代制造工艺技术包括精密和超精密加工技术、 精密成型技术以及特种加工技术等 方面。 （） 精密和超精密加工技术。精密、 超精密加工技术是指对工件表面材料进行去除， 使工件的尺寸、 表面性能达到产品要求所采取的技术措施。根据加工的尺寸精度和表面 粗糙度， 大致分为三个不同的档次 精密加工 精度为 “’， 表面粗糙度值为 “ “ ’； 超精密加工 精度为 “ “’， 表面粗糙度值为 “ “*’， 或称亚微米 加工； 纳米加工 精度高于 “’， 表面粗糙度值小于 “* ’。 （） 精密成型技术。精密成型技术是生产局部或全部无余量或少余量半成品的工艺 方法的统称。包括精密凝聚成型技术、 精密塑性加工技术、 粉末材料构件精密成型技术、 第四章现代制造技术的范畴与技术前沿 精密焊接技术及复合成型技术等。其目的在于使成型的制品达到或接近成品形状的尺 寸， 并达到提高质量、 缩短制造周期和降低成本的效果， 其发展方向是精密化、 高效化、 强 韧化和轻量化。 （） 特种加工技术。特种加工技术是指那些不属于常规加工范畴的加工， 如高能束 流 （电子束、 离子束、 激光束） 加工、 电加工 （电解和电火花加工） 、 超声波加工、 高压水加工 以及多种能源的组合加工。特种加工技术由于其各自的独特性能， 在机械、 电子、 化工、 轻工、 航空、 建筑、 国防等行业以及材料、 能源和信息等领域得到了广泛的应用。 （“） 表面改性、 制膜和涂层技术。表面改性、 制膜和涂层技术是采用物理、 化学、 金属 学、 高分子化学、 电学、 光学和机械学等技术及其组合技术对产品表面进行改性、 制膜和 涂层， 赋于产品耐磨、 耐蚀、 耐 （隔） 热、 抗疲劳、 耐辐射以及光、 热、 磁、 电等特殊功能， 从而 达到提高产品质量、 延长使用寿命和赋于新性能的新技术统称， 是表面工程的重要组成 部分。 制造自动化技术 制造自动化是指用机电设备取代或放大人的体力， 甚至取代和延伸入的部分智力， 自动完成特定的作业， 包括物料的存储、 运输、 加工、 装配和检验等各个生产环节的自动 化。制造自动化技术涉及到数控技术、 工业机器人技术和柔性制造技术， 是机械制造业 最重要的基础技术之一。其目的在于减轻劳动强度、 提高生产效率、 减少在制品数量、 节 省能源消耗以及降低生产成本。 “ 现代管理技术 现代管理技术是指企业在市场开发、 产品设计、 生产制造、 质量控制到销售服务等一 系列的生产经营活动中， 为了使制造资源 （材料、 设备、 能源、 技术、 信息以及人力） 得到总 体配置优化和充分利用， 使企业的综合效益 （质量、 成本、 交货期） 得到提高而采取的各种 计划、 组织、 控制及协调的方法和技术的总称。它是现代制造技术体系中的重要组成部 分， 对企业的最终效益提高起着重要的作用。 现代生产制造系统 现代生产制造系统是面向企业生产全过程， 将现代信息技术与生产技术相结合的一 种理念。其功能覆盖企业的预测、 产品设计、 加工制造、 信息与资源管理直至生产销售和 售后服务等各项活动， 是制造业综合自动化的新模式。它包括计算机集成制造系统 （’） 、 敏捷制造系统 （’） 、 智能制造系统 （’） 以及精良生产 （*） 、 并行工程 （,） 等先进的生产组织管理和控制方法。 -- 第一篇机械现代制造技术总论 第二节现代制造技术的技术前沿 制造业为迎接 ““ 年的重大挑战， 经美国国家科学研究委员会工程技术委员会制 造与工程设计院 “制造业挑战委员会” 经过专题研讨和调研、 预测， 优选出 “ 项具备较大 技术潜力的技术领域， 这些技术领域可作为迎接 ““ 年重大挑战的必须解决和发展的 关键技术与支撑技术。 可重组制造系统 开发能够满足用户对产品质量、 性能及服务等广泛需求的集成工艺及装备系统， 包 括硬件、 软件、 子工艺、 子系统等。该系统适应性强， 易重组。能以易编程的方式与跨越 产品整个寿命周期的高层工艺和系统相结合。支持可重组制造系统的研究主要有以下 五个方面 （） 制造工艺与工装。适应性强、 可重组的制造工艺包括 可编程的、 无需硬工装的 净成形工艺 （如自由成形制造） ， 快速原型工艺技术， 直接由分子标准元件制成的材料、 零 部件的纳米制造， 将各种分子聚合在一起， 生产出具有各种功能与特性的生物工艺。工 装将从能在生产线上快速更换的工装发展到硬工装可由软件所代替的新型工装。 （） 基础理论。该系统需要研究以面向工艺特性的制造系统仿真理论、 自适应系统 理论。 （） 新的制造系统。该系统可进行大量的产品制造， 优化系统价值等， 为此， 需要在 自组织制造系统上开发自主制造模型、 生物工艺技术、 混沌理论、 合弄理论以及区分制造 设备、 工具、 人力组织资源和软件系统的新概念和模型。 （’） 建模与仿真。在可重组企业中， 具备对整个企业的系统评价 （包括工艺和企业经 营的建模与仿真能力） 是十分重要的。它可使制造者对企业的技术和经营进行优选， 寻 求最佳方案。主要技术包括优化重组方法、 神经网络和人工智能等。 （） 控制和通信。适应性强的或易于重组的工艺需要柔性的传感器和控制算法， 以 便对一系列工艺和环境进行精确的过程控制。通信和控制系统的重组依赖于通用的编 程和控制结构， 也依赖于柔性的和适应性强的软件， 这种软件无需重新编程， 但能给操作 者提供丰富的实时工艺信息， 以便进行有效的干预、 故障诊断和控制。 无浪费工艺 使生产浪费最小、 能量消耗最低的制造工艺是未来的一项关键技术。通过不产生废 第四章现代制造技术的范畴与技术前沿 弃物的工艺 （如用自由成形制造来代替切削加工） 、 产生的废弃物可在后续的制造中作为 原料加以重新利用的工艺、 能使能耗最低的工艺 （如以室温下粘接代替高温固化的工 艺） ， 保护资源、 降低成本， 而且能降低能量生产中间接产生的环境影响。 为满足无浪费生产需要在以下两个重要领域进行研究 （） 废弃物的减少和利用。减少对环境影响的最有效的方法是采用无副产品的工 艺， 其中包括净成形工艺 （包含净成形、 铸造和直接沉积） 、 在化学合成中减少或消除副产 品的新工艺路线以及生物构建工艺。另一个减少浪费的关键研究领域是副产品的再利 用工艺， 即将废弃物在本厂进行循环再利用， 也可以将产生的废弃物作为另一生产线的 原料再利用。为此， 必须研究开发一个多种材料利用的数据库， 以便将废弃的材料与潜 在的用户建立起联系。 （“） 产品设计和分析。在整个生命周期内对环境无害的可持续的产品生产， 需要对 设计进行改进并按照 “面向再利用的设计” 原理设计， 它包含对主要零部件或子系统的回 收， 对它们重新利用。 新的材料工艺 新材料和零件的工艺创新其目标是开发出具有超常物理性能的新材料 （如具有高强 度、 高耐磨性、 良好电磁性能等） 。随着产品向微型化发展， 对于亚微米级的微型化产品 而言， 需要具有能够对其在分子级上进行控制其性能的材料。特别是对于亚微米级大小 的元件， 需要研究原子和分子物理化学性能的设计方法学。在许多情况下， 这些新材料 是有机物， 而且其设计方法学也是建立在生物学基础上的。制造这些材料和元件的工艺 可能要在其原子级上进行处理 （纳米制造） ， 这些工艺类似于基因链接， 也可能是生物工 艺。 支持具有超常性能新型材料工艺的开发的研究可在下列三大领域展开 （） 创新的工艺过程。创新的工艺方法包括纳米制造和改进的净成形工艺。其主要 技术包括纳米加工 （如纳米固化成形、 超精研磨加工、 利用原子力显微技术和扫描隧道显 微技术等对原子和分子进行放置） 、 物理化学工艺过程 （如分子自集合、 自组织结构和超 细粒子生产） 、 生物工艺。在纳米制造技术真正实现之前， 工艺测量和控制技术、 支持设 计和建模能力的工艺基础研究都必须首先有巨大的进步。 可编程的净成形工艺使得适应性强的、 可重组工艺方法成为可能。一旦可以不需要 硬工装而直接根据数字描述来生产产品， 将使成本效益最佳的、 用户化的、 几近零浪费的 小批量生产工艺成为可能。 另一个研究领域是可用于亚微米大小级别的测量和控制技术的开发 （如扫描隧道显 微技术、 虚拟现实和正反馈控制） 。随着设计、 工艺和从分子级到宏观大小各种级别尺寸 “ 第一篇机械现代制造技术总论 制造过程精密控制的传感和控制技术的发展， 将可以生产出无缺陷结构的产品， 而且这 些产品的可靠性和耐用性将远远超出目前的产品。 （） 设计和分析方法。创新工艺能力的提高需要对全寿命周期材料设计的新思想进 行研究， 包括复杂系统的设计和分析方法， 如 “新式的 （“） ” 材料 （能适应服务需求变 化） 、 仿生材料 （根据生物模型生成的材料） 和功能梯度材料等。 （’） 理论基础。新材料工艺需要有对极小尺寸材料进行计量和描述的能力、 依据基 本原理来设计材料和元件的能力以及精确控制工艺和材料结构的能力。 生物制造技术 生物制造技术研究将基于对生物制造过程的精度和柔性的理解以及能否找到某种 办法来克服其本身的固有缺陷 （如工艺过程慢和对可用材料的限制等） 。这一技术的突 破有可能导致创新的新产品和制造工艺产生革命性的进展。 新型生物注入和生物派生 （*,-“./0 -0 *,0/1/0） 产品不仅包括生物存储体和逻 辑装置 （这些逻辑装置具有生物组织识别环境刺激、 学习和适应变化等优点） ， 还包括基 于生物结构的特殊材料和经久耐用的超软薄膜材料。 工艺方面的进步包括利用设计酶、 细胞组织和生物催化剂的零部件制造， 还包括自 组织制造系统和利用生物原料生产新颖、 特制材料的遗传工程。 2 企业建模和仿真 对制造业的所有活动进行建模和仿真， 模拟企业的任何活动， 使企业能根据多变的 环境作出决策。描述整个产品生命周期的集成子模型构成的制造业的详细模型， 可以用 于制造业各层次的实时控制 （各层次是指从制造单元和工厂现场到整个全球分布的企 业） 。模型和仿真应包括各种各样的人与人之间、 人与机器之间的相互作用的描述。 支撑建模和仿真能力开发的研究主要在下面两大领域 （3） 通信与信息技术。企业模型需要开发出统一的通信方法和信息交换协议， 它们 可以用作制造业各层次工艺子模型的集成 （从个人和工艺操作到整个企业） 。关键的研 究领域包括工艺和知识的规范化表达方式， 该表达方式能够将基本的工艺信息和设计信 息转化以供不同的环境使用， 还包括可重新利用的包含新知识的软件模型、 企业模型以 及面向柔性决策模型的人工智能的应用。 企业建模需要开发信息技术， 在这方面有前途的研究课题包括可以实时决策的规划 工具、 困难的抽象和远景的表达方式 （如价值判断） 、 大量可变因素的表示 （这些可变因素 如 信息源、 内容、 可靠性、 稳定性、 确切度和应用性等） 。 （） 建模工具。对企业建模工具的研究包括“软” 建模 （如将人的行为作为系统一个 要素的模型以及信息流与通信模型） 、 混合模型的优化与集成、 硬件系统的优化、 组织结 2 第四章现代制造技术的范畴与技术前沿 构的模型、 交叉组织行为模型以及复杂的或者非线性系统与过程的模型。 “ 信息技术 将信息转化为知识以便作出有效决策的技术是一项优先发展技术。集成信息技术 将鉴别进行专门决策所需的信息， 从分散的资源中将信息合成， 过滤多余的信息以及提 供有用信息， 以便能方便而迅速地应用。信息系统结构包含用于传送、 过滤和融入数据 和信息的语义学、 协议、 算法等， 以便于人们在决策时利用。 “ 满足多层次用户需求的产品及工艺设计方法 能够满足用户广泛需求的产品及工艺设计方法将成为制造的优先发展技术。一般 说来， 模块化设计方法能用来满足快速变化的客户需求， 这种方法能够适应可变比例的、 参数化定义的系列产品和工艺， 也能适应单个的、 用户定制的产品以及大批量生产的产 品。设计工具也应该能使企业将产品的数字描述 （’ *,-.’ /0.*’,1） 直接转移到 生产工艺和工具的开发上。 设计方法还必须考虑到产品和工艺的重组、 产品和生产工艺的并行设计、 生命周期 成本优化、 模块化装配、 健壮的生产工艺、 产品的柔性以及社会和环境目标。 2“ 增强型人 3 机界面 对 4545 年的制造业来说， 在人、 设备和信息技术之间必须有增强型人 3 机接口。通 信联系必须从语义上是正确的， 考虑人们语言和文化的差异， 除了传递事实之外， 还必须 能够传递思想。该接口必须包括所有通信用的相关媒体， 以及目前虚拟现实所用的技术 指令系统的构架。理想的接口还应该是适应性强的、 可用户化的 （例如这些接口可以由 专门的人员在其使用过程中改进通信方式） 。 6“ 劳动力教育和培训 当企业全球化后， 由于工作和技能的改变以及新技术、 新工艺的采用， 人们受教育和 培训的方式也将随之改变。制造业的不断变化对人们获取和使用新知识提出了更高的 要求。基于学习理论、 认知及语言科学的教育和培训技术， 能成为各领域的人容易使用 的方式。这些学习技术将以面向交互学习、 多媒体和远程学习的信息技术以及能够为特 定的用途筛选知识和融汇知识的信息科学作支持。 主要研究包括 和语言与文化无关的教育工具的开发， 能够利用在认知科学上的成 果的技术， 仿真和虚拟现实的并互技术， 以及能够适应和满足个性化教育需求的学习模 式。 75“ 智能协作系统软件 面向协作工程的智能系统可以使全世界范围内具有不同的技术专长、 用不同的语言 交流、 且有着不同的文化背景的人们能够通过自动化的工艺和机器进行联系和协作。协 4 第一篇机械现代制造技术总论 作系统包括能适应不同使用者的技术专长、 语言和文化的人 机接口， 还包括那些能够 解决问题和有助于组织机构相互交流的算法和方法学。 这些新型工具必须完全适应包括会议、 企业协作和过程控制等在内的远程交互作用