先進(jìn)制造技術(shù)之初探

摘 要：本文初步探討了先進(jìn)制造技術(shù)的涵義及研究方向，重點介紹了先進(jìn)制造工藝中的RPM技術(shù)，對其他幾個方面作了簡單說明。通過探討，使大家對先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵和作用有了一定的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)制造技術(shù) RPM技術(shù) 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)

中圖分類號：TU741 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0105-02

機械系統(tǒng)設(shè)計及制造技術(shù)是把機器看作具有特定功能的、相互間存在有機聯(lián)系的統(tǒng)一體。機械系統(tǒng)設(shè)計從系統(tǒng)的觀點來進(jìn)行機器的設(shè)計，并從使用效果為終結(jié)點來制造，將會有利于機器設(shè)計及制造的創(chuàng)新性、多樣化和綜合最優(yōu)化。

先進(jìn)制造技術(shù)，簡稱AMT，即Advanced Manufacturing Technology，是美國于80年代提出。當(dāng)時，各國制造業(yè)面臨復(fù)雜多變的外部環(huán)境，傳統(tǒng)的制造技術(shù)變得越來越不適應(yīng)快速變化的環(huán)境，先進(jìn)的制造技術(shù)，尤其是計算機技術(shù)和信息技術(shù)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，美國根據(jù)本國制造業(yè)的挑戰(zhàn)與機遇，為了加強其制造業(yè)的競爭能力和促進(jìn)國民經(jīng)濟增長提出先進(jìn)制造技術(shù)這一專有名詞，一經(jīng)提出，立即獲得歐洲各國、日本及亞洲新興工業(yè)化國家的響應(yīng)。

先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收機械、電子、信息（計算機與通信、控制理論、人工智能等）、能源及現(xiàn)代化系統(tǒng)管理等方面的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高對動態(tài)多變的產(chǎn)品市場的適應(yīng)能力和競爭能力的制造技術(shù)的總稱。

對先進(jìn)制造技術(shù)的研究可分為四大領(lǐng)域，分別是：現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，先進(jìn)制造工藝，自動化技術(shù)，系統(tǒng)管理技術(shù)。

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)RQtv7yAaENmgVAQHKFbB1osMtBLyhR3CvgouCbxUrWc=是根據(jù)產(chǎn)品功能要求和市場競爭（時間、質(zhì)量、價格等）的需要，應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)科學(xué)知識，經(jīng)過設(shè)計人員創(chuàng)造性思維、規(guī)劃和決策，制定可以用于制造的方案，并使方案付諸實施的技術(shù)。現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)使產(chǎn)品設(shè)計建立在科學(xué)工作者的基礎(chǔ)上。隨著科學(xué)工作者技術(shù)落后的不斷發(fā)展，其設(shè)計范疇也不斷地擴大，從單純的產(chǎn)品設(shè)計擴展到全壽命周期設(shè)計，包括考慮環(huán)境因素的綠色設(shè)計；在設(shè)計的組織方式上，從傳統(tǒng)的順序設(shè)計方式過渡到并行設(shè)計方式；在設(shè)計手段上，從傳統(tǒng)的手工設(shè)計向現(xiàn)代化計算機輔助設(shè)計過渡。

先進(jìn)制造工藝技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心和基礎(chǔ)。它是機械制造工藝不斷變化和發(fā)展后所形成的制造工藝技術(shù)，包括了常規(guī)工藝經(jīng)優(yōu)化后的工藝，以及不斷出現(xiàn)和發(fā)展的新型加工方法。其主要技術(shù)體系由先進(jìn)成形加工技術(shù)、表面工程技術(shù)等技術(shù)構(gòu)成及先進(jìn)制造加工技術(shù)。在此重點提一下快速原型制造技術(shù)?？焖僭?零件制造（Rapid Prototype/Part Manufacturing，簡稱RPM）技術(shù)是20世紀(jì)后期起源于美國，并很快發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)，RPM技術(shù)是近20年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。RPM技術(shù)是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、機械工程、電子技術(shù)及激光技術(shù)的技術(shù)集成以實現(xiàn)從零件設(shè)計到三維實體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。RPM技術(shù)采用（軟件）離散/（材料）堆積的原理而制造零件通過離散獲得堆積的順序、路徑、限制和方式，通過堆積材料“疊加”起來形成三維實體。離散/堆積的工作過程由CAD模型開始，先將CAD模型離散化，沿某一方向（常取Z向）切成許多層面，即分層（屬信息處理過程），然后在分層信息控制下順序加工各片層并層層結(jié)合，堆積出三維零件，該零件作為CAD模型的物理體現(xiàn)與之對應(yīng)，此為物理過程。RPM技術(shù)中，物理堆積過程具體是通過采用粘結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段，逐層可選擇地固化樹脂、切割薄片、燒結(jié)粉末、材料熔覆或材料噴灑等方式來實現(xiàn)的，從而快速堆積制作出所要求形狀的零件（或模型）。各種RPM技術(shù)的過程流都包括CAD模型建立、前處理（如生成STL文件格式，將模型分層切片）、快速原型過程（原型制作）和后處理（如去除支架、清理表面、固化處理）等四個步驟?？焖俪尚卧砣纾▓D1）示所示。

RPM技術(shù)的內(nèi)涵即其成形機理和工藝控制與傳統(tǒng)成形方式有很大差別，主要表現(xiàn)在：RPM不是使用一般意義上的模具或刀具，而是利用光、熱、電等物理手段（其中激光是經(jīng)常應(yīng)用的）實現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移與堆積；原型是通過堆積不斷增大，其力學(xué)性能不但取決于成形材料本身，而且與成形中所施加的能量大zoiUnDkCVdsn551IC0XWYMprAzX0aeqRY3ZKvx/m5Tg=小及施加方式有密切關(guān)系；在成形工藝控制方面，需要對多個坐標(biāo)進(jìn)行精確的動態(tài)控制。能量在成形物理過程中是一個極為關(guān)鍵因素，在以往的去除成形（切削磨削加工）和受迫成形（鑄造鍛壓）中，能量是被動地供給的，一般無須對加工能量進(jìn)行精確的預(yù)測與控制，而在離散/堆積類型的RPM中，單元體（分層體）制造中能量是主動地供給的，需要準(zhǔn)確地預(yù)測與控制，對成形中的能量形式、強度、分布、供給方式以及變化等進(jìn)行有效的控制，從而經(jīng)由單元體的制造而完成成形。

目前，國外有幾種典型和較成熟的商品化RPM技術(shù)，如光固化立體成形，疊層實體制造，選擇性激光燒結(jié)，熔融沉積成形，三維印刷工藝等。

快速成型技術(shù)即可用于產(chǎn)品的概念設(shè)計、功能測試等方面，又可直接用于工件設(shè)計、模具設(shè)計和制造等領(lǐng)域，RPM技術(shù)在汽車、電子、家電、醫(yī)療、航空航天、工藝品制作以及玩具等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用?？焖俪尚图夹g(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品加工時不用刀具，不需要前期投入專門安裝，在逆向工程（Reverse Engineering）中有著廣泛的應(yīng)用?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)可實現(xiàn)低成本、高生產(chǎn)率和短周期的生產(chǎn)特點。從設(shè)計和工藝的角度出發(fā)可以設(shè)計形狀復(fù)雜的零件，無需受時間、成本、可制造性方面的限制。

RPM技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計過程是一個創(chuàng)造性過程，同時也是一個不斷完善的反復(fù)過程。進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時必須遵循兩個基本原則。

（1）目標(biāo)集中原則：在一個時間階段內(nèi)思考和解決的問題不能太多，否則會干擾主要問題的解決。

（2）滿足目標(biāo)原則：要求所設(shè)計出的新系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)的目標(biāo)要求，使所設(shè)計的系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目的。

（圖2）為系統(tǒng)設(shè)計步驟的框圖，表示了系統(tǒng)設(shè)計的概要內(nèi)容。

在系統(tǒng)設(shè)計完成之后，對于結(jié)構(gòu)和內(nèi)容比較復(fù)雜的系統(tǒng)，為了進(jìn)一步確定它的可信程度，往往采用系統(tǒng)仿真技術(shù)，對系統(tǒng)的各組成結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及其相互關(guān)系建立具有一定邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)性質(zhì)的仿真模型，根據(jù)仿真模型對系統(tǒng)進(jìn)行定量分析，以獲得鑒定所需的信息。

制造自動化技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，主要是指制造系統(tǒng)開放式智能體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)度理論、生產(chǎn)過程和設(shè)備自動化技術(shù)以及產(chǎn)品研究與開發(fā)過程自動化技術(shù)等。它包括數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、傳感技術(shù)、自動檢測及信號識別技術(shù)、過程設(shè)備工況監(jiān)測與控制等。系統(tǒng)管理技術(shù)包括先進(jìn)制造生產(chǎn)模式、集成管理技術(shù)、生產(chǎn)組織方法等。

隨著機械制造技術(shù)的不斷深入發(fā)展，將會越來越多的融入更高的人工智能技術(shù)，這需要我們機械制造從業(yè)者和研究者投入更多的心血和精力。

結(jié)語

先進(jìn)制造技術(shù)對于機械制造來說是一種革命，這種變革所帶來的效果是非常巨大的，比如，應(yīng)用了先進(jìn)制造技術(shù)可以使普通機床成為數(shù)控機床乃至加工中心；但先進(jìn)制造技術(shù)還需充分利用計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和可控驅(qū)動元件特性，以實現(xiàn)機械系統(tǒng)的現(xiàn)代化、智能化和自動化。

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