先进制造核心技术的研究

随着社会的不断进步，制造已不仅指单一的加工过程，整个制造系统可看成是制造生产的运行过程，包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造装配、检验出厂、产品销售及售后服务等各个环节的制造全过程。先进制造技术AMT(Advanced Manufactur-ing Technology)是一个多层次的技术群，被称为面向21世纪的制造技术，是制造业不断吸收机械、电子、信息、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。

先进制造技术是一个多学科体系，其内涵远远超越了传统制造技术企业及车间甚至国家间的界限，包容了从市场需求、环境需求、创新设计、工艺技术，到生产过程的组织与监控以及市场信息的反馈在内的工程系统。产品设计思想和设计技术是先进制造技术的核心，决定了产品的核心竞争力。本文在研究先进制造技术的构成和特点的基础上，重点探讨了先进制造技术的设计思想和技术特点。

1 先进制造技术的构成和特点

1.1 先进制造技术的构成

1.1.1 先进制造技术的基础理论

先进制造技术的基础理论包括从传统的机械设计、机械制造的基本理论，到现代制造业运行管理所需要的经济学、运筹学、社会学等，是构成先进制造技术的理论基础。主要包括机械学、电子学、材料学、摩擦学、力学、管理学、运筹学、经济学、社会学、系统论、信息论和控制论等。

1.1.2 先进制造技术的核心技术

先进制造技术的核心技术是设计制造产品的基本技术，主要包括：概念设计、反向设计、并行设计、可靠性设计、精度设计、质量设计、功能设计、人机工程、面向“X”的设计技术(DFX)、快速原型制造RP、高速加工技术(HSM)和工艺过程建模与仿真等。

1.1.3 先进制造技术的支撑技术

先进制造技术的支撑技术是使先进制造技术得以发挥的技术支撑，主要包括计算机技术(计算机网络技术、数据库技术)、通讯技术、标准和标准化等。

1.1.4 先进制造技术的运行管理技术

适合于先进制造技术的运行管理模式主要有：成组技术(GT)、独立制造岛(AMI) ,计算机集成制造系统(CIMS)、智能制造系统(IMS)、精益生产(LP)、敏捷制造(AM)、虚拟制造(VM)、制造资源计划(MPRII)等。

1.2 先进制造技术的特点

先进制造技术强调人、技术、管理3者的有机结合，是一门多学科交叉融合的技术，具有以下6个特点。

(1)先进性。先进制造技术相对传统制造技术具有先进性特点，它通过不断淘汰落后技术，补充新技术而保持其先进性。

(2)系统性。先进制造技术不仅能够驾驭制造过程中信息的生成、采集、传递、反馈和调整，还能够驾驭生产过程中物质流和能量流，是一个系统工程。

(3)集成性。先进制造技术由于专业、学科间的不断渗透、交叉、融合，界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新兴交叉学科，被称为现代制造工程。

(4)动态性。先进制造技术是一门动态的技术，在不同时期和不同地区，有不同的特点、目标和内容。它要不断吸收各种高新技术并将其渗透到企业生产中，以达到优质、高效、清洁、灵活生产的目的。

(5)广泛性。先进制造技术不是单独分割在制造过程的某一环节，而是将其综合运用到制造的全过程，它覆盖了产品设计、生产设备、加工制造、销售使用、维修服务，甚至回收的整个过程。

(6)实用性。先进制造技术是针对某一具体制造目标的需求而发展起来的实用技术，以提高企业竞争力和促进国家综合实力为目标，具有明确的需求导向。

2 先进制造核心技术

现代设计技术是先进制造技术的重要组成部分，是制造技术的第一个环节。据资料介绍，产品设计成本约占产品成本的10%，但却决定了产品制造成本的70%~80 %。在产品质量事故中，约有50%是由于不良设计造成的，所以，设计技术在先进制造技术中处于核心地位。

2.1 设计思想

先进制造技术的设计思想就是在最短时间内完成新产品的开发设计过程，以便在当前激烈的市场竞争中除了确保产品的功能、质量外还要有创新和快速响应的能力。面向“X”的设计、并行工程、反向工程等设计思想都从不同角度缩短了产品开发的时间过程。

2.1.1 并行工程CE(Concurrent Engineering)

并行工程(或称并行设计)是指集成地、平行地处理产品设计制造及其相关过程的系统方法并行设计要求产品的设计开发者一开始就考虑产品从概念设计到产品报废整个生命周期的所有因素。它改变了传统的串行工作方法，使得在设计阶段就有制造和营销人员的介人和彼此信息的交互。可以避免失误，减少反复，从而达到提高质量、缩短开发周期和降低成本的目的。

并行工程是一种设计思想，也是一门管理艺术。其主要特征：一是强调团队合作(Team work )精神。要求不同专业的技术人员协同工作；二是强调产品的生产准备过程和设计过程并行进行。要求在产品设计的同时进行工艺设计；三是强调产品设计过程的系统集成性。不仅注重企业内部的技术和信息、集成，也重视与企业外部供应商、营销商和最终用户之间的信息交互和集成，采用公共的CAD/LAPP/CAM软件平台，综合考虑产品质量、成本、生产进度等因素，尽可能将产品可能产生的缺陷消灭在萌芽状态。

正确运用并行工程的设计思想有利于缩短新产品的开发和上市时间，有利于提高产品质量、降低成本，从根本上提高产品的核心竞争力。

2.1.2 面向“X”的设计DF“X”(Design for “X”)

面向“X”的设计最初是面向制造的设计(DFM)和面向装配的设计(DFA)。传统设计主要考虑产品使用性能，很少考虑制造、维修、回收等因素，存在着较多的弊端。面向制造的设计强调在产品设计过程中考虑产品的加工因素，即考虑产品的可加工性和加工方便性；面向装配的设计则强调在设计过程中考虑产品的装配因素，即产品的装配成本、可装配性和装配方便性。

面向“X”的设计是产品设计向产品生命周期各阶段扩展的结果，并逐渐形成一个技术族。“X”包含很多内容，如制造、装配、质量、成本、维修、寿命、操作和环保等。面向“X”的设计对于提高产品的设计质量，降低产品的制造成本和使用成本具有重要意义。

2.1.3 反向工程RE( Reverse Engineering)

反向工程也称反求工程或反向设计，是根据已有的产品实物测得数据，构造出CAD模型，并将这些模型和设计特征应用于产品的设计和制造的一种设计思想。此外，还有集成反向工程IRE，是在减少人工干预的情况下，采用面向对象的思想，将系统中各种类型的数据和特征按类集合起来，以适应制造过程不同工艺流程的要求，达到直接从实物模型创造出产品模型的目的。

反向工程和集成反向工程的产品设计通过对多种方案的筛选和评估，集中各种方案的优点，能实现方案的优选，同时，集成反向工程可由计算机辅助进行，缩短了方案的设计时间，提高了方案的可靠性。反求工程虽不属于创造性设计过程，但作为一种设计思想，对于消化吸收国外先进技术，提高我国制造业的设计水平具有重要的意义。

2. 2 设计技术

产品设计是制造业的灵魂，设计技术是先进制造技术中的核心技术，产品的性能、质量、成本等因素都是在设计阶段形成的，它直接关系到产品的全生命周期成本。

2.2.1 可靠性设计(Reliability Design)

在设计过程中，不仅要把系统设计得满足功能要求，还应设计得使其能有效地执行功能，因而就必须对系统进行可靠性设计。可靠性设计就是在满足产品(系统)功能、成本等要求的同时，根据产品的失效规律确定产品的可靠度、平均故障间隔、故障率等可靠性指标。

可靠性设计包括可靠性预测和可靠性分配2部分设计内容。系统可靠性预测是根据已知单元和子系统的可靠度计算而求得的，按单元→子系统→系统自下而上地落实可靠性指标，是一种合成的方法；系统的可靠性分配是将已知系统的可靠性指标合理地分配到其组成的各子系统和单元上去，从而求出各单元的可靠度，按系统→子系统→单元自上而下地落实可靠性指标，是一种分解方法，比可靠性预测复杂。

2.2.2 鲁棒设计(Robust Design )

鲁棒设计又称健壮设计，是指三次设计理论中的参数设计，随着模糊数学的发展与应用，已经由传统鲁棒设计发展为模糊鲁棒设计。模糊鲁棒设计是综合考虑产品设计、制造、使用过程中客观存在的各种随机因素，研究这些因素引起质量不确定性的规律，从而使产品设计达到优质低价的现代设计方法。三次设计理沦是一种系统化设计方法，其核心思想是在产品设计阶段就进行质量控制，用最低的生产成本制造出满足顾客要求的、对社会造成损失最小的产品。三次设计是指将产品设计分成系统设计、参数设计和公差设计3个阶段。系统设计相当于传统的概念设计和结构设计，公差设计就是确定各个参数的误差范围，从而在保证产品质量的同时使成本最低，三次设计的重点在鲁棒设计阶段。

鲁棒设计的实质是利用产品输出特性和元件参数之间的非线性关系，力图用公差范围较宽的廉价元件组装出高质量的产品。它包括2项主要内容：第一项是考虑各种因素，选择最佳参数值，使产品对种种干扰的反应不灵敏；第二项是减少各种干扰因素的干扰性。

2.2.3 精度设计

精度设计是通过适当选择零部件的加工精度和装配精度，在保证产品精度要求的前提下使其制造成本最低。一般来说，精度越高，性能越好，成本相应也高。但在精度较低的区间提高精度，其制造成本增幅不大，而在精度较高的区间提高精度，其制造成本会成倍增加。因此，机械产品都存在着较为经济的精度区间。精度设计的任务就是确定产品的精度并在零部件、加工工序之间进行精度分配。

2.2.4 优化设计(Optimal Design)

产品设计方案的优化是产品设计的重要环节，从多个设计方案中寻找“尽可能好”或“最佳化”方案的过程称为优化设计。优化设计是以数学规划为理论基础，以计算机为工具，在充分考虑多种约束的前提下，寻求满足某项预定指标的最佳设计方案过程。

优化设计的基本思想是搜索、迭代和逼近。在求解时，从某一初始点x0 出发，利用函数在某一区域的性质和信息，确定下一步迭代的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点x1。然后利用x1取代x0 ，x1点的目标函数应比x0 点的值小(对极小值问题)，这样，经过不断的重复迭代，可以逐步改进目标函数值，直到最终逼近极值点。优化设计的难点在于建立优化问题的数学模型，即将产品设计方案抽象为一个有约束的单目标数学规划问题。优化数学规划的求解一般都有比较成熟的应用程序，工程设计人员可以方便地调用。

2.2.5 计算机辅助设计(Computer Aided Design)

计算机辅助设计是利用计算机作为工具，帮助设计人员进行设计过程的一项技术。计算机辅助设计包括的内容很多，如概念设计、有限元分析、计算机仿真、虚拟设计等。早期的CAD技术只能帮助设计人员进行一些分析计算和文件编写工作，后来发展到计算机辅助绘图和设计结果模拟，目前正朝着人工智能和知识工程方向发展。另外，CIMS技术也是CAD技术的发展方向。

在以人工设计和传统CAD为代表的传统设计技术阶段，设计智能活动由人类专家完成；在以智能CAD(ICAD，Intelligent CAD)为代表的现代设计技术阶段，智能活动由设计型专家系统完成；在以集成化智能CAD(IZCAD,lntegrated lntelligent CAD)为代表的先进设计技术阶段，智能活动由人机共同承担，这就是人机智能化设计系统。

3 先进制造核心技术的特点

3.1 设计范畴的扩展化

设计范畴正在不断扩大，现代设计将产品设计向前扩展到用户需求分析和产品规划，向后扩展到工艺设计，使产品设计、工艺设计形成一个有机的整体。另外，设计范畴的扩展还体现在面向“X”的设计思想，即在设计过程中同时考虑制造、维修、环保等因素。

3.2 设计过程的并行化

并行化特点体现在与产品有关各种过程的并行交叉进行，有利于加快设计进程，提高设计质量。

3.3 设计过程的智能化

在现代设计中，可以借助人工智能和专家系统技术，由计算机完成一部分创造性工作。

3.4 设计手段的可视化

由于三维造型技术、仿真和虚拟制造技术以及快速原型技术的出现，人们在产品制造出来之前就能看到它的实际效果。在设计阶段通过对虚拟样机的分析、评价和修改，保证机械产品具有优良的性能。对产品的装配和工作过程实现可视化，可以检验产品制造与加工的工艺性。

3.5 分析手段的精确化

现代设计可考虑载荷和应力的分布特性，利用有限元法等功能强大的分析工具，准确模拟系统的真实工况，得到符合实际情况的最佳解。此外，还可以运用概率论、统计学和模糊数学方法进行可靠性设计，使产品性能大大提高。

机械产品在国内外市场竞争中竞争力的强弱，在很大程度上取决于产品的质量，而产品的设计质量可赋予某种产品“先天性优劣”这种至关重要的本质特征。因此，产品设计思想和设计技术是先进制造技术的核心，产品设计在保证产品质量的过程中起着决定性的作用，是先进制造技术的核心技术。

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