现代广义制造论(1)

现代广义制造论 清华大学机械学院精密仪器与机械学系制造工程研究所王先逵2004年8月 1制造的永恒性2广义制造论3机械制造系统及其自动化4精密工程和纳米技术 1制造技术的永恒性 1 1先进制造技术的范畴1 2制造技术的重要性1 3先进制造技术的特点1 4先进制造技术的发展 1 1先进制造技术的范畴 先进制造技术是20世纪80年代提出的 它是由机械制造技术发展而来 通常可以认为它是将机械 电子 信息 材料 能源和管理等方面的技术 进行交叉 融合和集成 综合应用于产品全生命周期的制造全过程 包括市场需求 产品设计 工艺设计 加工装配 检测 销售 使用 维修 报废处理等 以实现优质 敏捷 高效 低耗 清洁生产 快速响应市场的需求 可以看出 它是以产品为中心 以光机电一体化的机械制造技术为主体 以广义制造为手段 强调了 先进 和 现代 具有先进性和时代感 所以 先进制造技术又称之为现代制造技术 1 2制造技术的重要性 制造技术是一个永恒的主题 是设想 概念 科学技术物化的基础和手段 是国家经济与国防实力的体现 是国家工业化的关键 制造业的发展和其他行业一样 随着国际国内形势的变化 有高潮期也有低潮期 有高速期也有低速期 有国际特色也有民族特色 但必须重视 且要持续不断的发展是不变的 1 社会经济发展的物质基础当前 全世界的经济主流是市场经济 在国际和国内的经济竞争中 根据市场需求具有能够快速响应和决策的能力是十分重要的 它取决于制造能力和水平 强有力的制造技术能够缩短上市时间 快速推出具有世界水平的全新产品 并提供给全世界 赢得市场 因此 制造技术是市场竞争快速响应能力的体现 2 制造技术是科学技术物化的手段从设想到现实 从精神到物质 是靠制造来转化的 制造是科学技术物化的手段 科学技术的发展反过来又提高了制造的水平 3 制造技术是所有工业的支柱制造技术的涉及面非常广 冶金 建筑 水利 机械 电子 信息 运载 农业等各个行业都要有制造业的支持 因此 制造业是各种产业的支柱工业 各种产业的发展有赖于制造业的支持 其中包括尖端 专用设备的提供 高水平通用设备的供应等 制造业是一个支柱产业 在不同的历史时期有不同的发展重点 但需要制造技术的支持是永恒的 当然 各个行业有其本身的主导技术 但制造技术已成为其重要组成部分 因此 制造技术既有普遍性 基础性的一面 又有特殊性 专业性的一面 制造技术具有共性 又有个性 4 国力和国防的后盾一个国家的国力主要体现在政治实力 经济实力 军事实力上 而经济和军事实力与制造技术的关系十分密切 只有在制造上是一个强国 才能在军事上是一个强国 一个国家不能靠外汇去购买别国的军事装备来保卫自己 必须有自己的军事工业 有了国力和国防才有国际地位 才能立足于世界 1 3先进制造技术的特点 1 制造技术形成了制造系统工程学2 制造技术强调了产品生命周期的全过程3 精密特种加工技术是制造技术的关键4 敏捷制造 虚拟制造 协同制造成为先进制造技术的重要制造模式5 智能制造是先进制造技术发展的高级阶段 1 制造技术形成了制造系统工程学 由系统论 信息论 控制论 方法论和协同论形成的系统科学 从系统各组成部分之间的相互联系 相互作用 相互制约的关系分析和研究制造过程 出现了制造系统的概念 形成了现代制造系统工程学 协同论 协同论即协同学 它是一门协同解决复杂问题的学科理论 现代协同学出自20世纪60年代 由于制造技术的复杂性 需要协同解决产品在全生命周期中所存在的各种问题 如企业内部和外部的协同设计 协同生产制造等 现在的网络制造 全球制造中 为了争取产品的上市时间 往往形成动态联盟 可扩展企业进行产品的协同开发 生产 制造系统工程学的结构体系 2 制造技术强调了产品生周期的全过程 先进制造技术是一个从产品概念开始到产品形成 使用 直至处理报销的集成活动和系统 它包括了产品生命周期的全过程 包含了四个方面 产品技术生产技术拆卸技术再循环技术 产品生命周期设计 绿色制造 3 精密特种加工技术是制造技术的关键 精密特种加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标之一 在精密和超精密加工技术上 微型机械和纳米技术代表了其发展的水平和研究热点 也是在先进制造中最活跃的因素 许多精密工程和纳米技术需要特种加工的支持 4 敏捷制造 虚拟制造 协同制造成为先进制造技术的重要制造模式 近年来 在制造模式上有了很大发展 相继提出了制造单元 生产单元 成组技术 精良生产 柔性制造 集成制造 并行工程 敏捷制造 虚拟制造 协同制造 动态联盟 可扩展企业 可重组制造 网上制造 全球制造等多种制造模式 敏捷制造的核心是使企业对面临的市场竞争做出快速响应 其关键是虚拟制造技术 5 智能制造是先进制造技术发展的高级阶段 制造技术的发展可以归纳为四个阶段 自动生产线 即刚性自动线 柔性制造系统计算机集成制造系统智能制造系统就制造系统而言 其发展可归纳为三个阶段 柔性制造系统集成制造系统智能制造系统 1 4先进制造技术的发展 先进制造技术 2广义制造论 2 1广义制造论的概念2 2材料加工成形机理及方法 2 1广义制造论的概念 广义制造 大制造 的概念包括设计和制造 产品生命全周期设计 多种工程的综合 光机电一体化 微电子 生物 航天 农林等 多种工业的需求 与社会经济 体制政策 文化艺术 管理等关系密切 计算机辅助制造的硬件和软件环境 计算机系统工具 框架 平台 数据库 网络及其通信 2 2材料加工成形机理及方法 1 材料加工成形机理2 材料的分离成形方式3 零件的整体成形和分层成形 1 材料加工成形机理去除加工又称分离加工 是从工件上去除一部分材料而成形 结合加工 是利用理化方法将相同材料或不同材料结合 bonding 在一起而成形 是一种堆积成形 分层制造方法 按结合机理和结合强弱又可分为 附着 deposition 注入 injection 连接 jointed 变形加工 又称流动加工 是利用力 热 分子运动等手段使工件产生变形 改变其尺寸 形状和性能 如锻造 铸造等 加工方法的范畴 2 材料的分离成形方式 外切削方式内切削方式 内切削方式内切削加工过程 激光光束 被加工材料 透明塑料 工件 球 加工后切割分离 形成上模原型 下模原型和工件 工件 上模 下模 内切削加工形成的工艺品 马 透明塑料 内切削加工过程 激光光束 透明塑料 马 加工后切割分离 形成上模原型 下模原型和工件 工件 马 上模 下模 3 零件的整体成形和分层成形 平面分层曲面分层卷绕分层 卷绕成形过程运动分析 R型电力变压器铁心 三角型 全焊式不锈钢筛管结构图 排铺成形 电动自行车用盘式电机外形 汽车用盘式电机铁心结构 3机械制造系统及其自动化 3 1并行工程3 2产品族型集群制造 3 1并行工程 1 并行工程的概述2 并行工程的涵义3 并行体系结构4 并行工程的关键技术5 并行工程的应用和发展 机械制造生产发展历史的三个阶段 手工业生产方式 体脑结合 设计与制造形成一体 大工业生产方式 设计与制造实行专业分工 由于分工严格 造成了设计与制造脱节 体脑分离 该生产模式是串行的 形成了需求分析 方案设计 结构设计 工艺设计 加工制造 检验测试的生产过程 虚拟工业生产方式 其特点是要快速响应市场需求 缩短产品开发周期 提出了虚拟制造 并行工程 协同制造等概念 进行了无图纸制造 电子预装配 异地制造等协同生产过程 为多品种单件小批生产的自动化提供了有效途径 机械制造的手工生产方式 产品需求分析 产品销售使用 产品设计制造 机械制造的大工业生产方式 产品需求分析 产品方案设计 产品结构设计 产品工艺设计 工装设计与制造 产品加工制造 产品检验测试 产品的销售和维修 虚拟工业生产方式 2 并行工程的涵义1 制造业自动化的发展历程 2 并行工程的要点 并行工程是在集成的基础上 集成地 并行地设计产品及其相关的各种过程的系统方法 并行并非指齐头并进 而是并行有序地工作 具有并行处理产品全生命周期各阶段问题的能力 并行设计是并行工程的主体 要求产品开发人员在设计一开始就考虑整个生命周期中从概念形成到报废处理的所有因素 包括用户要求 设计制造 质量控制 成本核算 销售 报废等 全部工作通过过程管理与控制来进行 采用由上下游相关因素共同决策的机制和工作方式 通过宏循环和微循环的信息流闭环体系进行信息反馈 使产品在开发的早期就能及时发现产品开发全过程的问题 并行工程利用各种使能技术 如计算机辅助工具和手段等 通过组成多学科的产品开发小组进行群组协同工作 3 并行工程的使能技术 计算机辅助工程技术 CAx 面向工程的设计技术 DFx 计算机仿真技术产品数据管理技术 PDM 信息集成及功能集成技术协同工作环境技术 PDM体系结构 产品数据管理 PDM 统一产品数据模型和数字化产品定义 DPD 产品数字化定义的四维空间模型 3 并行工程的体系结构 4 并行工程的应用和发展 1 国际上并行工程的发展和应用2 国内并行工程的发展和应用3 并行工程的应用效果4 当前并行工程中的一些问题5 并行工程的发展方向 1 国际上并行工程的发展和应用 以波音777大型客机的研制为例 对产品进行数字化定义 为 无图纸 研制的飞机 建立电子样机 取消原型样机的研制 采用计算机预装配查出零件干涉2500多处 减少工程更改50 采用群组协同工作 参加该机研制的各种人员共有7000多人 组成了200多个研制小组 缩短研制周期 只用了27个月 比波音767减少了13个月 2 国内应用并行工程的应用和发展 航天并行工程一期框架 航天并行工程二期机械部分框架 航空计算机集成制造系统 航空CIMS系统是一个由中航一集团及沈阳601所 成都611所 西安603所 上海640所 西安631所 北京625所 成都飞机制造公司 西安飞机制造公司构成的行业层次现代集成制造系统 上壁 后端框 地板 侧壁 进气道 模拟油箱结构立体图 前端框 油箱 X1工程并行设计制造 产品模型 可维护性检查仿真 装配型架设计 工艺设计与NC编程 3 并行工程的应用效果 我国实施的第一个 典型复杂机械结构并行工程 其产品设计周期缩短了60 工程绘图周期从2个月减少到3周 工艺检查周期减少50 更改反馈次数降低50 工艺设计 规划 时间减少30 工装准备周期减少30 数控加工编程与调试周期减少50 毛坯成品率由30 50 提高到70 80 降低成本20 同时提高了产品的开发能力 加强了团队的协作精神 实现了网络环境下的并行设计工作 3 2产品族型集群制造 1 产品族型集群制造的概念2 产品族型集群制造系统的结构模型3 产品族型集群制造系统的运行方式4 产品族型集群制造系统的使能技术研究 1 产品族型集群制造的概念 企业集群是指大量生产相同或相似产品的企业在某个区域内集聚的现象 如美国硅谷的微电子 生物技术企业集群 意大利北部的 第三意大利现象 在我国 企业集群已成为长三角和珠三角地区经济的重要载体 如浙江省年产值超亿元的区域集群制造体有519个 广东省经济规模达20亿的专业镇有125个 我国沿海地区典型的企业集群 根据调研资料整理 2 产品族型集群制造系统的结构模型 3 产品族型集群制造系统的运行方式 多条并行生产的产品供应链 多样化产品的批量生产公共服务资源的集中配置 区域性分散生产与全球性分散化消费的低成本对接产品族型集群制造系统的资源融合与系统构建 4 产品族型集群制造系统的使能技术研究 面向集群系统的模块化产品族规划方法面向产品族型集群制造系统的产品配置技术 面向集群系统的模块化产品族规划方法 面向集群制造系统的模块化产品族规划方法采用产品模块化和产品核心平台相结合的方法 通过界面关联分析和界面处理来提高产品结构的模块化深度 通过界面关联聚类 实现产品族初步模块规划 通过界面关联分析处理和界面关联敏感性分析 确定产品族核心平台 通过界面关联分析处理将模块之间的关联集中于核心平台与其它模块之间 以便将产品开发过程中的协同活动限定在装配企业和不同模块企业之间 最终建立产品族模块信息关联图 面向产品族型集群制造系统的产品配置过程 构建产品族型集群制造系统是发展有竞争力的企业集群的可行途径 产品族型集群制造系统能够通过并行生产和并行创新实现多样化产品的批量生产和多变性产品的可持续生产 我国沿海地区的许多中小企业集群由于缺乏集群制造的使能技术 没有形成产品族型集群制造系统 企业集群的技术创新能力和整体竞争力尚未充分显现 开发集群制造的使能技术成为发展有竞争力的企业集群的重要研究课题 4精密工程和纳米技术4 1精密加工的发展4 2精密工程的范畴4 3精密加工和超精密加工4 4微细加工技术4 5纳米技术与微型机械 4 2精密工程的范畴 精密工程是精密加工和超精密加工技术的总称 精密加工是指加工精度为1 0 1微米 表面粗糙度为Ra0 1 0 01微米的加工技术 超精密加工是指加工误差小于0 1微米 表面粗糙度小于Ra0 025微米的加工技术 又称为亚微米加工技术 纳米技术通常是指纳米0 1nm 100nm的材料 产品设计 加工 检测 控制等一系列技术 它是科技发展的一个新兴领域 它不是简单的 精度提高 和 尺寸缩小 而是从物理的宏观领域进入到微观领域 一些宏观的几何学 力学 热力学 电磁学等都不能正常描述纳米级的工程现象与规律 精密加工的尺度精密加工按零件尺寸大小可分为 宏尺度加工即一般零件加工 具有宏观尺寸特点 中尺度加工尺寸介于宏观尺寸与微观尺寸之间 立足于宏观尺寸的加工方法 但零件尺寸较小 如微型飞机 微型电机等 微尺度加工零件尺寸很小 立足于微细加工方法和纳米加工技术 如光刻 电子束 离子束加工和激光束加工等 着重于微观结构的加工 4 3精密加工和超精密加工1 机械超精密加工技术 金刚石刀具超精密切削金刚石微粉砂轮超精密磨削精密研磨和抛光其它 虚拟轴机床 机床与机器人的结合 虚拟轴机床 机床与机器人的结合 虚拟轴机床 机床与机器人的结合 虚拟轴机床 机床与机器人的结合 进给速度要与高速主轴相匹配 达到60m min或更髙具有很高的传动精度 定位精度和重复定位精度加速度要大 瞬间达到高速度 至少1 2g动态性能要好 具有高精度和高刚度 高速加工和精密加工对进给系统提出的新要求 直线电机进给伺服单元 利用电磁作用原理 将电能直接转换成直线运动动能直径无限大 长度有限的旋转电机 直线电机定义 非机械接触传动 力产生于气隙速度和加速度性能优越行程不受限制系统精度仅取决于反馈装置机械结构简单 维护方便 优点 存在严重的端部效应推力波动大控制难度大安装困难 需要隔磁成本髙 缺点 进 典型的直线进给系统加工中心 Renault公司的UraneSX概念机床 Indramat公司永磁式直线电机 交流同步直线电机 LSM 动子 电缆通道 滚动导轨 工作台 静子 位置检测装置 永磁式 PM 交流同步伺服直线电机结构 基板 软铁底板 永久磁铁 直线滚动导轨 工作台 冷却水系统 动子铁心 动子线圈 位置检测装置 气隙 交流永磁式大推力长行程直线伺服电机 清华大学 800N高精度高频响直流直线电机 清华大学 功率器 功率器 电路介面 计算机 Z轴交流伺服电机 主轴 主轴回转位置检测传感器 直线电机位移检测装置 工件 活塞 X轴交流伺服电机 直线电机 刀具 直线电机用于精密活塞数控车床 G CNCP200活塞