智能制造技术

现代制造技术现代制造技术 吴文乐 摘要 摘要 现代制造技术是在传统制造技术的基础上 不断吸收和发展机械 电 子 能源 材料 信息及现代管理技术的成果 将其综合应用于产品设计 制 造 检验 管理服务等产品生命周 期的全过程 以实现优质 高效 低耗 灵 活 清洁的生产技术模式 取得理想的技术经济效果的制造技术的总称传统的自 动化生产技术可以显著提高生产效率 然而其局限性也显而易见 即无法很好 地适应中小批量生产的要求 随着现代制造技术的发展 特别是自动控制技术 数控加工技术 工业机器人技术等的迅猛发展 柔性制造技术 FMI 应运而生 关键词 关键词 现代制造技术 自动控制技术 柔性制造技术 1 1 现代制造技术发展综述现代制造技术发展综述 现代制造技术在系统论 方法论 信息论和协同 论等的基础上形成制造系 统工程学 是一种广义制造的概念 亦称之为 大制造 的概念 它体现了制 造概念的扩展 广义制造概念的形成过程主要有以下几方面原因 1 1 制造设计一体化 体现制造和设计的密切结合 形成了设计制造一体化 设计不仅是指产品设计 而且包括工艺设计 生产调度设计 质量控制设计等 2 材料成形机理的扩展 现在加工成形机理明确地将加工分为去除加工 结合加工和变形加工 3 制造技术的综合性 现代制造技术是一门以 机械为主体 交叉融合光 电 信息 材料等学科的综合体 并与管理科学 社会科学 文化 艺术 人 机工 程 生物工程和生命科学等相结合 拓展了新领域 现代制造技术应包 括硬件和软件两大方面 硬 软件工具 平台和支撑环境有了很大的发展 4 产品的全生命周期 制造的范畴从过去的设计 加工和装配发展为产品 的全生命周期 包括市场调研 设计 制造 销售 维修和报废处理等 5 生产制造模式的发展 计算机集成制造技术 是制造技术与信息技术结合 的产物 集成制造系统强 调信息集成 其后出现了柔性制造 敏捷制造 虚拟 制 造 网络制造 大规模定制 绿色制造 智能制造和协 同制造等多种制造 模式 有效地提高了制造技术的水平 扩展了制造技术的领域 2 现代制造技术的发展主要沿着 广义制造 或称 大制造 的方向发展 其具体的发展可以归纳为四个方面和多个大项目 3 如图 1 所示 图 1 现代制造技术方向 针对现代制造技术 本文从柔性制造技术的角度对现代制造技术进行学习 对柔性制造在实际中的应用进行深入的研究 2 柔性制造柔性制造 2 1 柔性制造简述 所谓 柔性 是指制造系统 企业 对系统内部及外部环境的一种适应能力 也是指制造系统能够适应产品变化的能力 柔性可分为瞬时 短期和长期柔性 4 瞬时柔性是指设备出现故障后 自动排除故障或将零件转移到另一台设备上继 续进行加工的能力 短期柔性是指系统在短时期内 适应加工对象变化的能力 包括在任意时期混合进行加工 2 种以上零件的能力 长期柔性则是指系统在长 期使用中 能够加工各种不同零件的能力 迄今为止 柔性还只能定性地加以 分析 尚无科学实用的量化指标 因此 凡具备上述 3 种柔性特征之一的 具 有物料或信息流的自动化制造系统都可以称为柔性制造系统 柔性制造技术是 计算机技术在生产过程及其装备上的应用 是将微电子技术 智能技术与传统 制造技术融合在一起 具有自动化 柔性化 高效率的特点 是目前自动化制 造系统的基本单元技术 5 柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种 技术的总和 6 柔性制造技术是技术密集型的技术群 我们认为凡是侧重于柔 性 适应于多品种 中小批量 包括单件产品 的加工技术都属于柔性制造技术 目前按规模大小划分为 7 1 柔性制造系统 FMS 关于柔住制造系统的定义很多 权威性的定义 有 美国国家标准局把 FMS 定义为 由一个传输系统联系起来的一些设备 传输装置把工件放征其他联结装置上送到各加工设备 使工件加工准确 迅速 和自动化 2 柔性制造单元 FMC M S 是 FMS 向廉价化及小型化方向发展的一 种产物 它是由 l 2 台加工中心 工业机器人 数控机床及物料运送存贮设备 构成 其特点是实现单机柔性化及自动化 具有适应加工多品种产品的灵活性 迄今已进入普及应用阶段 3 柔性制造线 FML 它是处于单一或少品种人批量非柔性自动线与中小 批量多品种 FMS 之间的生产线 其加工设备可以是通用的加工中心 CNC 机 床 亦可采用争用机床或 NC 专用机床 对物料搬运系统柔性的要求低于 FMS 但生产率更高 它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的 分散型控制系统 D C S 为代表 其特点是实现生产线柔性化及自动化 其技术 已日趋成熟 迄今已进入实用化阶段 4 柔性制造工厂 FMF FMF 是将多条 FMS 连接起来 配以自动化屯体仓 库 用计算机系统进行联系 采用从订货 设计 加工 装配 检验 运送至 发货的完整 F M S 它包括了 CAD CAM 并使计算机集成制造系统 CIMS 投 入实际 实现生产系统 柔性化及自动化 进而实现全厂范围的生产管理 产品 加工及物料贮运进程的全盘化 FMF 是自动化生产的最高水平 反映出世界上 最先进的自动化应用技术 它是将制造 产品开发及经营管理的自动化连成一 个整体 以信息流控制物质流的智能制造系统 IMS 为代表 其特点是实现工厂 柔性化及自动化 8 2 2 柔性制造所采用的关键技术 1 计算机辅助设计未来 CAD 技术发展将会引入专家系统 使之具有智能化 可处理各种复杂的问题 当前设计技术最新的一个突破是光敏立体成形技术 该项新技术是直接利用 CAD 数据 通过计算机控制的激光扫描系统 将二维 数字模型分成若干层二维片状图形 并按二维片状图彤对池内的光敏树脂液面 进行光学扫描 被扫描到的液面则变成固化塑料 如此循环操作 逐层扫描成 形 并自动地将分层成形的各斤状固化塑料粘合在一起 仅需确定数据 数小 时内便呵制出精确的原型 它有助于加快开发新产品和研制新结构的速度 2 模糊控制技术模糊数学的实际应用是模糊控制器 最近开发出的高性能 模糊摔制器具有自学习功能 可在控制过程中不断获取新的信息井自动地对控 制量作调整 使系统性能大为改善 其中尤其以基于人工神经网络的自学方法 更引起人们极大的关注 3 人工智能 专家系统及智能传感器技术迄今 柔性制造技术中所采用的 人工智能大多指基础规则的专家系统 专家系统利用专家知识和推理规则进行 推理 求解各类问题 如解释 预测 诊断 查找故障 设汁 计划 监视 修复 命 令及控制等 由于专家系统能简便地将各种事实及经验证过的理论 与通过经验获得的知识相结合 因而专家系统为柔性制造的诸方面工作增强综 合性 展望未来 以知识密集为特征 以知识处理为手段的人工智能 包括专 家系统 技术必将在柔性制造 尤其智能型 中起着非常重要的关键性的作用 目前对未来智能化柔性制造技术具有重要意义的一个正在急速发展的领域是智 能传感器技术 该项技术是伴随计算机应用技术和人工智能产生的 它使传感 器具有内在的 决策 功能 4 人工神经网络技术人工神经网络 ANN 是模拟智能生物的神经网络对信息 进行并处理的一种方法 故人工神经网络也就是一种人工智能工具 在自动控 制领域 神经网络不久将并列到专家系统和模糊控制系统 成为现代自动化系 统中的一个组成部分 9 3 3 国内现代制造技术状况国内现代制造技术状况 近年来 世界各国都投入了巨大的财力和物力 强化作为光机电一体化制 造业基础的先进制造业的技术和产业发展的战略研究 美国 德 国 日 本 等 国 已 经 开 发 出 了 数 控 NC 计算机数控 CNC 直接数控 CAM 计 算机集成制造系统 CIMS 制造资源规则 MRP 柔性制造单元 TMC 柔性 制造系统 FMS 机器人 计算机辅助设计 制造 CAD CAM 精益生产 LP 智能制造系统 MS 并行工程 CE 和敏捷制造 AM 等多项现代制 造技术与制造模式 这些技术的推广与应用 不仅使本国企业的国际竞争力得 到巩固 也使得世界先进制造业发展迅猛 10 我国制造业市场的巨大潜力 为 现代制造技术发展提供了广阔的市场空间 但是 与制造业发达国家和地区相 比 国内的现代制造技术的研发与市场拓展还不均衡 其中 国内机械基础件 制造行业中的数控化率极低 不足 1 6 先进加工工艺 技术和装备的普及程 度不足 10 CAD CAM 系统应用的普及率在国内骨干企业仅有 35 产业规 模较小 另外 在相关行业中如印刷业 电力行业和医疗器械行业等 技术装 备的低数控化率也远不能满足市场对中高档先进产品的需求 纵观国际制造业 的竞争与发展 面对国际 国内两个制造业市场的日渐融合 如何立足国内制 造业的市场需求 整合分散的科研与企业资源 尽快形成自己在先进制造产业 竞争中的技术优势 已经是摆在我国制造业面前的迫在眉睫的课题了 11 总之 重视制造业和现代制造技术已成为全球化的大趋势 现代制造技术 不是一项具体技术 而是利用系统工程技术将各种相关技术集成的一个有机整 体 现代制造技术是一种动态技术 而不是一成不变的 它需要不断吸收各种 高新技术成果 并将其渗透到产品的所有领域 结合成一个有机整体 实现优 质 高效 低耗 清洁和灵活的生产 12 现代制造技术的目的是提高制造业的 综合效益 其不摒弃传统技术 而是有赖于不断用科技新手段去研究它和传承 它 并应用科技新成果去改造它和充实它 现代制造技术在强调环境保护的同 时 还强调各专业学科之间的相互渗透 融合和淡化 并消除其间的界限 我 国先进制造技术的发展应结合自身的特点 形成特色 大力发展一些关键前沿 技术 比如新一代材料成型技术 微米及纳米技术 快速原型制造以及智能制 造等 13 在不久的将来 现代制造技术将得到更大的发展和壮大 发展和应用 先进制造技术是每个国家为提高企业的国际竞争力和技术创新能力的必然选择 参考文献 参考文献 1 张强 浅谈柔性制造技术的现状及发展 J 技术与市场 2008 5 39 40 2 沈向东 柔性制造技术 M 北京 机械工业出版社 2013 2 3 吴立 关于柔性制造的研究 J 机床与液压 2010 38 14 9 11 4 陈琪 制造业企业推行柔性制造的意义及对策 J 企业经济 2005 4 7 8 5 崔培枝 朱胜 姚巨坤 柔性再制造系统研究 J 机械制造 2003 11 7 9 6 王隆太 朱灯林 戴国洪 机械 CAD CAM 技术 M 北京 机械工 业出版社 2005 7 盛晓敏 邓朝辉 先进制造技术 M 北京 机械工业出版社 2003 8 李楷模 LI Kai mo 现代制造技术的发展动向 J 科技成果管理与研究 2008 6 9 蒋新松 2