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1、第十八章 先进制造技术第一节 柔性自动化加工技术第二节 现代集成制造系统第三节 快速原型制造技术第四节 先进制造模式第十八章 先进制造技术 现代科学技术的发展与交叉融合，不仅给制造技术提出了新的要求，也给制造技术提供了强大的支持。因此，近年来涌现出了许多先进制造技术，主要分为现代设计技术、先进制造工艺技术、柔性自动化制造技术、系统管理技术四大研究领域。由于教材篇幅所限，此处不能一一介绍。根据先进制造技术的发展趋势，结合我国国情，本章将扼要介绍柔性自动化加工技术、现代集成制造系统、快速原型制造技术和先进制造模式四方面的内容。第一节 柔性自动化加工技术 制造自动化是制造业发展的标志，通常将制造自动
2、化的发展分为五个阶段。从早期的满足大批大量生产要求的刚性自动化，发展到以计算机数控为基础的柔性自动化，依靠了许多基础单元技术、系统集成技术及其相关装备的长足发展。其中，计算机数字控制技术（CNC）、分布式数字控制技术（DNC）、柔性制造系统（FMS）等的发展，已能较好地解决多品种、中小批量的自动化加工问题。图18-1 制造自动化发展的五个阶段 一、数控加工技术数控机床集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础。它的广泛使用给机械制造业的生产方式、产品结构、产业结构带来了深刻的变化。数控机床是制造
3、业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产业，其水平的高低及拥有量是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。数控机床的特点如下：（1）加工精度高、加工质量稳定（2）加工生产率高（3）减轻劳动强度、改善劳动条件（4）实应性强、经济效益好（5）有利于生产管理的现代化 从经济角度出发，数控机床适用于加工：1）多品种小批量零件；2）结构较复杂，精度要求较高的零件；3）需要频繁改型的零件；4）价格昂贵，不允许报废的关键零件；5）需要最小生产周期的急需零件。二、计算机数控（CNC）系统1、CNC系统的基本原理 2、CNC系统的核心 3、CNC机床 CNC系统
4、是一个位置控制系统，其主要任务是根据加工程序及相关数据，进行刀具与工件的相对运动控制，完成零件的自动加工。三、柔性制造系统柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）源于机械加工领域，其兼顾了生产效率和柔性这对矛盾，因此具有强大的生命力。FMS是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的柔性自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中等批量生产。所谓柔性就是通过编程或稍加调整就可同时加工不同的工件。图18-2 FMS的基本组成 2自动加工系统加工系统主要由数控机床、加工中心等加工设备；工件清洗、在
5、线检测等辅助设备构成。加工设备在工件、刀具和控制三个方面都具有可与其它子系统相连接的标准接口。加工系统的性能直接影响着FMS的性能，加工系统也是FMS中耗资最多的部分，因此恰当地配置和选用加工系统是FMS成功与否的关键。3物流系统在FMS中流动的物料主要包括工件、刀具、夹具、切屑及切削液。物流系统是FMS从进口到出口，实现对上述物料自动识别、存储、分配、输送、交换和管理的系统。由于工件和刀具的流动频率较高，故FMS的物流系统主要由工件流系统和刀具流系统两部分组成。图18-3 两种托盘交换器 第二节 现代集成制造系统CIMS 信 息 化 是 制 造 业 发 展 的 重 要 手 段。随着 计 算
6、机 技 术、自 动 化 技 术、科 学 管 理技 术、网 络 技 术 等 的 发 展，全 球 市 场、全 球 制 造 的 逐 步 形 成，制 造 业 信 息 化、制 造 系 统 集 成 化 技 术 也 有 了 更 加 广 度 和深 度 的 发 展，并 由 此 形 成 了 现 代 集 成 制造系统。1计算机集成制造 图18-4 CIMS轮图（1985年SME发表）图18-5 CIMS轮图（1993年SME发表）2、现代集成制造系统1998年，我国863计划/CIMS主题专家组根据全球制造业的发展趋势和中国国情，提出了现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufac
7、turing Systems，CIMS）的概念及其相关论点。现代集成制造系统是一种基于计算机集成制造理念的、数字化、信息化、智能化、绿色化、集成化的综合制造系统，是利用现代信息技术、现代管理技术与制造技术，在全球的制造环境范围内，将产品生命周期各阶段与企业内外部相关的活动和资源集成起来，力争使企业的运行相对于优化达到其理想运行状态。图18-6 现代集成制造系统 第三节 快速原型制造技术随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为竞争的主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发（快速设计和快速工模具）的能力成为制造业全球竞争的实力基础。同时，制造业为满足日益变化的用户需求
8、，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变得十分关键了。快速原型制造技术（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）就是在这种社会背景下，于80年代后期产生于美国并很快扩展到日本及欧洲，是近年来制造技术领域的一项重大突破。一、快速原型制造技术的原理 图18-7 RPM技术原理 二、RPM技术的典型工艺方法RPM技术的具体工艺有30余种，根据采用材料及对材料处理方式的区别，可归纳为以下4类方法。1选择性液体固化2选择性层片粘接 3选择性粉末熔结粘接 4挤压成形 图18-9 分层实体制造工艺原理
9、图 图18-10 选择性激光烧结原理图 图18-11 熔融挤压成形方法 三、RPM的应用RPM在国民经济极为广阔的领域得到了应用，并且还在向新的领域发展，除在制造业得到应用外，在医学、康复、考古工程、建筑工程等领域均有应用。第四节 先进制造模式生产管理是制造业发展的杠杆。世界制造业的发展经历了少品种小批量生产、少品种大批量 生产和多品种小批量生产模式的变化，先后出现了物料需求计划（Material Requirements Planning，MRP）、准时制（Just in Time，JIT）生产、精益生产、敏捷制造、绿色制造（Green Manufacturing，GM）等科学的生产管理理念
10、与制造模式。一、敏捷制造敏捷制造（Agile Manufacturing，AM）是美国通用汽车公司和里海大学1991年提出的一种新型生产模式，其应用“竞争合作一协同”机制，使制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的市场需求做出快速反映。敏捷制造企业通过采用现代通信技术，以敏捷、动态、优化的形式，组织新产品开发，通过动态联盟、先进生产技术和高素质员工的全面集成，快速响应客户需求，及时将开发的新产品投放市场，提高企业的竞争能力，从而赢得竞争的优势。二、精益生产美国曾以福特方法（即用于汽车生产的流水线技术）赢得了全世界制造技术的优势，但是，这种优势因当今市场需求的发生变化而逐渐丧失，而日本的绝大多数企业在借鉴福特方法的基础上，不断更新技术和改进管理，适应了不断变化着的市场需求，创造出了一种“全企业的灵活的生产系统”。三、绿色制造绿色制造也称环境意识制造ECM（Environ-mentally Conscious Manufacturing）、面向环境的制造MFE（Manufacturing For Environment）等。美国制造工程师协会（SME）于1996年发表了绿色制造的蓝皮书Green Manufacturing，系统地提出了绿色制造的概念、内涵和主要内容。