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基于數字化技術的先進制造技術

作者:admin 更新時間:2019年03月19日 17:08:16

  【摘要】分析了先進制造技術的主要特征,論述了先進制造技術的發展與數字化技術的關系,探討了數字化技術在先進制造技術領域的應用狀況及發展趨勢。指出數字化制造是先進制造技術的核心技術,對數字化先進制造技術的幾個關鍵技術進行了具體闡述。


  【關鍵詞】數字化;先進制造;機械;信息化


  1先進制造技術的含義


  先進制造技術AMT(AdvancedManufactoriesTechnology)是指以提高制造企業綜合效益為目的,綜合利用信息、能源、環保等高新技術以及現代系統管理技術,對傳統制造過程中及產品的整個壽命周期中的使用、維護、回收、利用等有關環節進行研究并發行的所有適用技術的總稱[1-2]。


  相對傳統制造技術,數字化制造技術是一項融合數字化技術和制造技術,且以制造工程科學為理論基礎的重大的制造技術革新,是先進制造技術的核心。數字化先進制造是在計算機和網絡技術與制造技術的不斷融合、發展和廣泛應用的基礎上誕生的。它是對制造過程進行數字化的描述,將制造信息采用數字化的表征、存儲、處理、傳遞和加工,從而在數字空間中完成產品的制造過程[3-6]。


  2數字化是先進制造技術的基礎


  2.1先進制造技術的基本特征


  先進制造技術包括以下五個基本特征。


  (1)先進性。制造工藝作為先進制造技術的基礎,必須是經過優化的先進工藝。先進制造技術的基礎必須是優質、高效、低耗、清潔工藝,它從傳統制造工藝發展起來,并與新技術實現了局部或系統集成。


  (2)通用性。先進制造技術不是單獨分割在制造過程的某一環節,它覆蓋了產品設計、生產設備、加工制造、銷售使用、維修服務,甚至回收整個過程。


  (3)系統性。隨著微電子、信息技術的引入,先進制造技術的駕馭信息生成、采集、傳遞、反饋、調整的信息流動過程。先進制造技術是可以駕馭生產過程的物質流、能量流和信息流的系統工程。


  (4)集成性。先進制造技術由于專業、學科間的不斷滲透、交叉、融合,界限逐漸淡化甚至消失,技術趨于系統化、集成化,已發展成為集機械、電子、信息、材料和管理技術為一體的新興交叉學科。


  (5)技術與管理的更緊密結合。對市場變化做出更敏捷的反應及對最佳技術經濟效益的追求,使先進制造技術十分重視生產過程組織管理體制的合理化和最佳化。


  2.2基于數字化的先進制造技術


  數字化制造技術符合先進制造技術的上述五個基本特征。先進制造技術時代是數字化信息的時代,數字化技術是數字的生產、采集、存貯、變換、傳遞、處理及廣泛利用的新興科技領域。制造業從50年代數控機床的發明,標志著機械制造業向著數字化走出了第一步,隨后制造信息化沿著三個方面推進,一是現場生產方面,如:NC/CNC/DNC/PLC/FMS/AC等;二是產品和工藝設計方面,如APT/CAD/CAM/CAE等;三是生產管理和集成方面,如MRP/PDM/ERP/CIMS等。可以說信息技術改變了當代制造業的面貌。


  3數字化是先進制造技術發展的核心


  3.1數字化先進制造的核心技術


  數字化是先進制造技術的核心,它是在計算機和網絡技術與制造技術的不斷融合、發展和廣泛應用的基礎上誕生的。數字化先進制造主要包括以下幾個核心技術[4,6]:


  (1)制造過程的建模與仿真。制造過程的建模與仿真是在一臺計算機上用解析或數值的方法表達或建模制造過程,建模通常基于制造工藝本身的物理和化學知識,并為實驗所驗證。


  (2)網絡化敏捷設計與制造。利用快速發展的網絡技術,改善企業對市場的響應性。我國企業向國際接軌就必須在此領域開展研究,盡快掌握并趕上國外先進水平。


  (3)虛擬產品開發。虛擬產品開發有四個核心要素:數字化產品和過程模型、產品信息管理、高性能計算與通訊和組織、管理的改變。


  3.2數字化對先進制造技術的實現


  (1)數字制造的全球實現―網絡制造。隨著數字化技術、計算機網絡技術及交通運輸事業的迅速發展,這些企業可利用協同工作技術,在一定的時間、一定的空間內,利用計算機網絡,小組成員共享通過數字網絡在企業內部傳遞的知識與信息。


  (2)數字制造的動態聯盟―敏捷制造。為實現高增值、高產品質量及優質服務,只有借助于高性能計算機和高速網絡,在數字化環境中,充分利用其他企業制造過程的信息流和數據庫等有用的數字化資源,才能對變化市場做出快速的響應。對于某些產品一個企業不可能快速、經濟地獨立開發和制造其全部,必須根據任務,由一個公司的某些部門或不同公司按資源、技術和人員的最優配置。于是,一種以數字制造為平臺的先進制造技術即數字制造的動態聯盟―敏捷制造嶄露頭角。(3)數字制造的計算機實現―虛擬制造。數字化表征與傳遞、建模與仿真是數字制造的核心科學問題。這種能實現制造形狀與過程的數字化表征、非符號化制造知識的表征、制造信息的可靠獲取及其傳遞的、由整個制造信息形成的數字空間,為計算機和計算機網絡的應用提供了用武之地。


  (4)數字制造的快速實現―快速原型制造。制造業面臨兩個重要的挑戰:一是要大大減少開發時間,二是產品的個性化。雖然計算機輔助設計和制造(CAD和CAM)已在很大程度上改善了傳統的產品設計和制造方法,但在計算機輔助設計和計算機輔助制造集成實踐過程中仍有許多障礙。


  虛擬制造技術在計算機上實現了產品實際的制造過程,對縮短產品開發的周期、減少開發費用、提高市場競爭能力做出了重大貢獻。通過長期的探索與實踐,催生了制造技術上的又一次新的變革―快速成型制造技術。


  (5)數字制造的環保化實現―綠色設計與制造。制造業為人類的繁榮昌盛做出了巨大貢獻的同時,每年產生了近55億噸的無害廢品和7億噸的有害廢品。因此,為了有效地保護環境,一定要在制造的各個階段進行污染控制。有必要使用能在各個階段評估環境被影響的后果的工具和方法學來支持設計和制造,一種具有意識的先進制造技術―綠色設計與制造ECD&M(EnvironmentallyConsciousDesignandManufacturing)。


  4數字化是先進制造技術發展的未來


  目前,計算機和網絡已成為制造業企業的基礎環境和重要手段,目前世界500強企業無一例外地建立了內部網。制造業在知識經濟到來時呈現明顯的信息化趨勢,可以說信息技術在促進當代制造業發展過程中的作用是第一位的,信息技術將在更深層次上滲透和改造傳統制造業。


  當前,數字化制造正在深入發展,其主要趨勢呈以下四點:


  (1)由二維向三維的轉變―形成以MBD/MBI(ModelBasedDefinition,MBD基于模型的定義/Model-BasedInstructions,MBI基于模型的作業指導書)為核心的設計與制造。MBD是用集成的三維實體模型來完整的表達產品生命周期各階段的產品定義技術標準,為設計人員服務,解決的是要制造什么的問題;MBI是以三維模型表達的車間工作規范和方法,為加工、裝配、檢測人員服務,解決的是怎么制造的問題。MBD/MBI技術將使工程技術人員從繁瑣的二維圖紙和表格文化中解放出來,可將更多精力轉移到需求分析和產品創新研發上。


  (2)真正并行和協同的實現-數字化制造中的直觀可視化工作環境以及建模和仿真技術,為并行和協同工作提供了友好的協同工作環境及有效的實驗驗證手段和評估優化工具。數字化制造是制造業信息化發展的新階段,也是目前制造業的重要發展方向,如精密化、智能化、網絡化、極端化等,無一不與數字化制造技術的發展密切相關。


  (3)數字化裝配與維修的應用―裝配是產品生命周期中的重要環節。虛擬現實技術(VR,VirtualReality)的發展為解決裝配序列規劃和裝配性能仿真提供新的思路和方法,虛擬裝配技術可在無物理樣機的情況下對產品可裝配性、可拆卸性、可維修性和裝配過程中的裝配精度、裝配性能等進行分析、預測和驗證,并支持面向生產現場的裝配工藝過程的動態仿真、規劃與優化。目前虛擬裝配技術已從簡單的幾何裝配正朝著考慮精度、物性、過程、環境等多方面因素的裝配技術方向發展,這是推進虛擬裝配技術實用化發展的重要一步。


  (4)數字化車間與數字化工廠―數字化工廠是數字化制造技術在車間和和工廠集成應用和高效運營的全新生產模式。它在三維工藝過程、工藝裝備、生產線布局和生產管理綜合優化和集成的基礎上,實現產品在工廠、車間和生產線上由設計到制造的數字化執行、管理和控制問題,是實現企業挖潛和增效的最有效形式。目前,生產線建模仿真技術和車間布局規劃已日益受到重視,它為高效物流實施以及精益生產、可重構制造、單元化制造等先進制造模式提供科學分析工具,尤其對多品種、變批量和混線生產等復雜生產模式具有重要指導意義。


  5結束語


  先進制造技術是改造傳統制造業的有效手段,為了有效地在我國利用先進制造技術改造傳統制造業,需要明確研究、開發和應用先進制造技術的重點。綜觀以上先進制造技術的現狀和發展,可以看出數字制造實為先進制造技術的核心技術,是實施其他先進制造技術的平臺。


  數字化先進制造技術是席卷全球的數字化浪潮中的重要一環,其本質是支持數字化或信息化制造業的技術。充分運用當代數字化技術,大力發展數字化先進制造技術符合本世紀制造業的發展趨勢。作者:李雪,馬林

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