先进制造技术之初探

PAGEPAGE1先进制造技术之初探张龙泉内容摘要：本文初步讨论了先进制作技术的涵义及研究方向，重点介绍了先进制作工艺中的RPM技术，对其他几个方面作了简单说明。通过讨论，使大家对先进制作技术的内涵和作用有了一定的认识。本文关键词语：先进制作技术RPM技术现代设计技术TU741A1672-3791〔2013〕04〔a〕-0105-02机械系统设计及制作技术是把机器看作具有特定功能的、互相间存在有机联络的统一体。机械系统设计从系统的观点来进行机器的设计，并从使用效果为终结点来制作，将会有利于机器设计及制作的创新性、多样化和综合最优化。先进制作技术，简称AMT，即AdvancedManufacturingTechnology，是美国于80年代提出。当时，各国制作业面临复杂多变的外部环境，传统的制作技术变得越来越不适应快速变化的环境，先进的制作技术，尤其是计算机技术和信息技术在制作业中广泛应用，美国根据本国制作业的挑战与机遇，为了加强其制作业的竞争能力和促进国民经济增加提出先进制作技术这一专有名词，一经提出，立即获得欧洲各国、日本及亚洲新兴工业化国家的响应。先进制作技术是制作业不断吸收机械、电子、信息〔计算机与通信、控制理论、人工智能等〕、能源及现代化系统管理等方面的结果，并将其综合应用于产品设计、制作、检测、管理、销售、使用、效劳乃至回收的制作全经过，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵敏生产，提升对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制作技术的总称。对先进制作技术的研究可分为四大领域，分别是：现代设计技术，先进制作工艺，自动化技术，系统管理技术。现代设计技术是根据产品功能要求和市场竞争〔时间、质量、价格等〕的需要，应用现代技术科学知识，经过设计人员创造性思维、规划和决策，制订能够用于制作的方案，并使方案付诸施行的技术。现代设计技术使产品设计建立在科学工作者的基础上。随着科学工作者技术落后的不断发展，其设计范畴也不断地扩大，从单纯的产品设计扩展到全寿命周期设计，包含考虑环境因素的绿色设计；在设计的组织方式上，从传统的顺序设计方式过渡到并行设计方式；在设计手段上，从传统的手工设计向现代化计算机辅助设计过渡。先进制作工艺技术是先进制作技术的核心和基础。它是机械制作工艺不断变化和发展后所构成的制作工艺技术，包含了惯例工艺经优化后的工艺，以及不断出现和发展的新型加工方法。其重要技术体系由先进成形加工技术、外表工程技术等技术构成及先进制作加工技术。在这里重点提一下快速原型制作技术。快速原型/零件制作〔RapidPrototype/PartManufacturing，简称RPM〕技术是20世纪后期起源于美国，并很快发展起来的一种先进制作技术，RPM技术是近20年来制作技术领域的一次重大突破。RPM技术是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术集成以实现从零件设计到三维实体原型制作一体化的系统技术。RPM技术采取〔软件〕离散/〔材料〕堆积的原理而制作零件通过离散获得堆积的顺序、路径、限制和方式，通过堆积材料“叠加〞起来构成三维实体。离散/堆积的工作经过由CAD模型开始，先将CAD模型离散化，沿某一方向〔常取Z向〕切成很多层面，即分层〔属信息处理经过〕，然后在分层信息控制下顺序加工各片层并层层结合，堆积出三维零件，该零件作为CAD模型的物理具体表现出与之对应，此为物理经过。RPM技术中，物理堆积经过详细是通过采取粘结、熔结、聚合作用或化学反应等手段，逐层可选择地固化树脂、切割薄片、烧结粉末、材料熔覆或材料喷洒等方式来实现的，进而快速堆积制造出所要求形状的零件〔或模型〕。各种RPM技术的经过流都包含CAD模型建立、前处理〔如生成STL文件格式，将模型分层切片〕、快速原型经过〔原型制造〕和后处理〔如去除支架、清理外表、固化处理〕等四个步骤。快速成形原理如〔图1〕示所示。RPM技术的内涵即其成形机理和工艺控制与传统成形方式有很大差异不同，重要表如今：RPM不是使用一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段〔其中激光是经常应用的〕实现材料的转移与堆积；原型是通过堆积不断增大，其力学性能不只取决于成形材料自己，而且与成形中所施加的能量大小及施加方式有亲密关系；在成形工艺控制方面，需要对多个坐标进行精到准确的动态控制。能量在成形物理经过中是一个极为关键因素，在以往的去除成形〔切削磨削加工〕和受迫成形〔锻造锻压〕中，能量是被动地供应的，一般无须对加工能量进行精到准确的预测与控制，而在离散/堆积类型的RPM中，单元体〔分层体〕制作中能量是自动地供应的，需要精确地预测与控制，对成形中的能量形式、强度、分布、供应方式以及变化等进行有效的控制，进而经由单元体的制作而完成成形。当前，国外有几种典型和较成熟的商品化RPM技术，如光固化立体成形，叠层实体制作，选择性激光烧结，熔融沉积成形，三维印刷工艺等。快速成型技术即可用于产品的概念设计、功能测试等方面，又可直接用于工件设计、模具设计和制作等领域，RPM技术在汽车、电子、家电、医疗、航空航天、工艺品制造以及玩具等行业有着广泛的应用。快速成型技术应用于产品加工时不消刀具，不需要前期投入专门安装，在逆向工程〔ReverseEngineering〕中有着广泛的应用。快速成型制作技术可实现低成本、高生产率和短周期的生产特点。从设计和工艺的角度出发能够设计形状复杂的零件，无需受时间、成本、可制作性方面的限制。RPM技术系统的设计经过是一个创造性经过，同时也是一个不断完善的反复经过。进行系统设计时必需遵守两个基本原则。〔1〕目的集华夏则：在一个时间阶段内考虑和解决的问题不能过多，否则会干扰重要问题的解决。〔2〕知足目的原则：要求所设计出的新系统能知足系统的目的要求，使所设计的系统到达预期的目的。〔图2〕为系统设计步骤的框图，表示了系统设计的概要内容。在系统设计完成之后，对于构造和内容比较复杂的系统，为了进一步确定它的可信水平，往往采取系统仿真技术，对系统的各构成构造的性质及其互相关系建立具有一定逻辑关系和数学性质的仿真模型，根据仿真模型对系统进行定量分析，以获得鉴定所需的信息。制作自动化技术是先进制作技术的主要构成部分，重要是指制作系统开放式智能体系构造优化与调度理论、生产经过和设备自动化技术以及产品研究与开发经过自动化技术等。它包含数控技术、工业机器人、柔性制作系统、计算机集成制作系统、传感技术、自动检测及信号辨别技术、经过设备工况监测与控制等。系统管理技术包含先进制作生产形式、集成管理技术、生产组织方法等。随着机械制作技术的不断深切进入发展，将会越来越多的融入更高层次的人工智能技术，这需要我们机械制作从业者