2013-2014年度 数字化制造技术前沿 Course Work（最终版）

第一篇：2013-2014年度 数字化制造技术前沿 Course Work（最终版）

2013－2014年度春季――《数字化制造技术前沿》研究生课程(16hours)

“数字化制造技术前沿”课程的Course Work.分组：5组*（4-5）人 考核方式：

1）相关研究方向的前沿技术综述（6000-8000字），每人贡献，小组汇总完成(占50分)

2）PPT Presentation,每个小组推荐一人在课堂介绍，20min(占50分)相关研究方向：

1、查阅相关资料，了解和阐述非接触式三维数字化测量技术领域的国内外研究现状与发展趋势

以及目前存在的关键技术问题（尤其是超大尺寸零件和微纳零件的精密测量技术）；说明这一技术在装备制造领域的应用情况。（要求：文章中凡引用的文字、图表和数字必须标出参考文献及其出处。）

2、查阅相关资料，了解和阐述面向电子制造装备领域的精密运动平台的关键技术、国内外的热

点研究内容和发展趋势，以及目前存在的关键技术问题。（要求：文章中凡引用的文字、图表和数字必须标出参考文献及其出处。）

3、查阅相关资料，了解和阐述工业机器人领域的国内外研究现状、内容和发展趋势以及目前存

在的关键技术问题，列举实例说明其应用状况。（要求：文章中凡引用的文字、图表和数字必须标出参考文献及其出处。）

4、查阅相关资料，了解精密/超精密加工工艺与装备的领域定义和研究范围，重点阐明这一领

域的研究现状和发展趋势以及目前存在的关键技术问题，列举实例说明其应用状况。（要求：文章中凡引用的文字、图表和数字必须标出参考文献及其出处。）

5、查阅相关资料，了解和阐述复杂零件五轴数控技术的研究现状和发展趋势，以及目前存在的关键技术问题，列举实例说明其应用状况。（要求：文章中凡引用的文字、图表和数字必须标出参考文献及其出处。）

6、查阅相关资料，重点阐述反求技术在工业制造与医学领域中的研究现状与发展趋势，指出目

前存在的关键技术问题；给出对应领域的成功应用实例。（要求：文章中凡引用的文字、图表和数字必须标出参考文献及其出处。）

7、查阅相关资料，了解传感网、物联网在工业生产制造过程监测、低碳节能等方面的国内外研

究现状与发展趋势；重点阐述该领域的关键技术及难点问题；列举实例说明其应用状况。（要求：文章中凡引用的文字、图表和数字必须标出参考文献及其出处。）

第二篇：航空数字化制造技术技术报告-齐鹏

航空数字化制造技术

齐

鹏

200808125

摘要

本文从我国航空数字化现状讲起，首先介绍了数字化总体框架研究的概念，设计要求，系统组成，基础环境，工作机制等内容，然后在实际应用层面着重介绍了MAZATROL FUSION 640系统，并简单介绍了数字化装配过程仿真验证技术以及飞机数字化装配技术。

关键词：数字化 总体框架 智能化 网络化 信息化

数字化装配

一、我国航空数字化现状

我国的航空制造业数字化经过多年的发展，取得了一定的成效，在产品的三维数字化设计、数字样机应用、工装数字化定义、预装配、主要零件的数控加工，产品数字仿真与试验、工艺数值模拟与仿真、产品数据和制

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造过程管理等方面有了较深入的应用，但是，我们也应清醒地认识到，产品全生命周期的信息通道尚未打通，数字化工程体系还未形成，数字化技术的巨大效能远未发挥。与发达国家相比我们还存在巨大差距，尽管我们在航空制造业实施了并行工程，但仍然停留在以产品为中心的产品研制理念，而发达国家已经转向以客户为中心的产品研制理念，即产品研制过程中，产品的目标从（可）制造性向服务性转化，采用面向产品全生命周期的管理模式。美国对于高风险的大型武器装备的研制，率先采用一体化产品与过程设计模式，将系统工程方法和新的质量工程方法相结合，并应用一系列决策支持过程，在计算机综合环境中集成，有效控制了产品的质量和风险。著名的JSF项目（新一代联合攻击战斗机）的研制，完全建立在网络化环境上，采用数字化企业集成技术，联合美国、英国、荷兰、丹麦、挪威、加拿大、意大利、新加坡、土耳其和以色列等几十个航空关联企业，提出“从设计到飞行全面数字化”的产品研制模式，用强势联合体来化解风险。

目前，国家正在大力推进制造业的数字化。制造业企业急需从战略的高度，构造面向产品全生命周期的、—2—

支持跨企业联合的数字化工程体系。本文根据相关的研究和实践，总结多年的应用成果，以航空制造业为背景，提出制造业数字化的总体框架，给制造业数字化应用平台的建设提供参考。

二、航空制造业数字化总体框架研究

（一）总体框架设计要求

面对竞争激烈的市场大环境，制造业的唯一出路是在最短的时间内以最有效的方式生产出最能满足客户需要的产品。制造业企业间既有竞争又有联合，只有发挥各自的技术和资源优势，才能降低成本，分摊风险，共享市场。构建数字化工程体系是达到以上目的最有效的方法和手段。

数字化工程体系的核心是信息共享和过程管理，因此，制造业数字化工程的总体框架必须能实现制造业企业内部和企业间的信息共享和过程控制。

产品数据信息和产品生命周期相关的其他信息在各企业、各部门、各专业之间的顺畅流转，是产品研制顺利进行的重要保障。总体框架的设计要有利于实施全生命周期的产品数据管理，实现单一产品数据源，打通企

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业间的信息流。

过程管理的内涵是面向产品的管理，而不是面向企业（或组织）的管理。它需要数字化体系能够把设计、试验和制造部门与客户、供应商、协作单位联系起来，采用IPT组织的方法，优化产品研制流程，达到控制成本、降低风险、缩短产品研制周期的目标。

针对当今信息化技术的快速发展，要求制造业数字化体系能够支持企业业务变更的需求，支持流程再造和组织重构的要求，满足通用性和专业性的要求。

（二）数字化框架组成 1.数字样机系统

数字样机是产品的数字化描述，贯穿于产品从概念设计到售后服务的全生命周期，是工程设计、功能分析、试验仿真、加工制造、直至产品售后服务等的信息交换媒介。随着产品研制的不断深入，数字样机由表及里，由粗到细，成熟度不断增长。

数字样机系统生成了数字样机，也提供了对数字样机进行分析、评估、仿真等功能。2.产品数据管理系统

产品数据管理系统管理并维护与产品相关的所有工

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程数据，包括产品的几何模型、说明性文档、技术状态数据等，产品数据管理同时也管理与维护产品数据间的关联信息，如产品结构、构型、版本等信息。3.工程协同系统

工程协同系统是由数字化设计系统、数字化试验系统、数字化制造系统等业务系统所组成的集合，从信息化的意义上来说，业务系统就是使能工具。工程协同系统是工程数据的主要生成源，各个业务系统通过数字样机进行数据交换。该系统包括：

（1）数字化设计系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业业务软件，包含产品设计的各种专业软件和工具，专业仿真软件工具，设计评估工具等。

（2）数字化试验系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业试验系统包括：数字化强度试验、飞控试验、系统试验、电气试验、航电武器试验、地面联合试验等试验业务系统。

（3）数字化制造系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业制造系统，包括：数控加工系统、数字化复合材料生产线、数字化钣金生产线、数字化切削生产线、数字化工装生产线、数字化焊接生产线、数字化

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电缆管线生产线等制造业务系统。

（4）数据转换接口：业务系统之间的数据格式转换接口。

4.工程过程控制系统

工程过程控制系统包括基于数字样机的并行过程控制系统和项目管理系统。

并行过程控制系统实现了设计、试验、制造等业务系统的过程集成。并行过程控制系统确定了一个任务应涉及哪些业务系统，并通过控制数字样机的成熟度，确定业务系统是否启用，是否能够访问数字样机，同时并行过程控制系统也监视业务系统的状态，从而使之围绕特定任务协调有序地运行。

项目管理系统完成项目任务的计划、资源调配、IPT组织管理、进度和质量监控等管理控制过程。

5.工程支持系统

工程支持系统主要向工程协同系统提供工程过程中所需的支持信息，包括质量、五性（可靠性、可维修性、可测性、保障性和安全性）、标准、适航、情报资料、研制知识等信息，这些信息可以是模板、文件以及其他对象等形式。该系统同时也提供了质量、五性、标准和适

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航等方面的控制和评估功能。

（三）基础环境

基础环境包括计算机系统、网络系统和数据库系统等，是企业内部和企业间信息交换的基础。

（四）总体框架工作机制

产品研制业务关系表现在业务数据关系和业务流程关系两个方面，从信息化的角度来看，总体框架应实现信息的集成和过程的集成。因此，制造业数字化的总体框架由纵向的工程过程控制、横向的工程工作面和作为支撑的基础环境所构成，其中工程过程控制实现过程的集成，工程工作面实现信息的集成。

工程工作面是产品研制过程的时间断面。在工程工作面中，工程协同系统是工程研制中数字化设计、试验和生产等方面业务系统的集合；数字样机系统对产品数据进行映射生成了数字样机；产品数据管理系统负责管理产品相关的所有数据；工程支持系统提供工程支持信息的共享。

工程协同系统中的业务系统之间的数据交换是通过数字样机来进行的；数字样机系统根据业务系统的不同要求，对产品数据管理系统所管理的产品数据进行过滤，—7—

生成相应的数字样机；工程协同系统可以从工程支持系统中得到质量、标准等信息。工程工作面实现了信息的集成。

工程过程控制分为两条主线：一条主线是基于数字样机的并行过程，所控制的对象是工程协同系统中的各个业务系统，并行过程采用成熟度控制的机制；另一条主线是项目管理过程，采用任务节点控制的机制。

项目管理过程控制的是点，而并行过程控制的是线，并行过程由项目管理过程触发，工程过程控制实现了过程的集成。

项目管理过程可以理解为对工程过程的任务节点（里程碑）的控制过程，任务节点主要描述了任务的进度、资源需求和任务间的关系等。在一个任务开始前，需要配置相应的资源（包括人员和物料、设备等），由IPT小组执行此项任务。通常，一个任务是否完成，是由并行过程控制系统返回的状态来确定的，对里程碑（阶段评审）来说，需要阶段评审的结论来支持。阶段评审的内容可以包括：质量、标准、五性和用户意见等方面。

当一个任务结束后，为之所配置的资源将被释放，随着一个新任务的启动，新的资源配置也将完成。因此，—8—

项目管理过程同时也包含了IPT组织的动态变化过程。

按照过程定义，并行过程确定哪些业务系统参与任务的执行。业务系统之间的协同是以数字样机为共同的信息基础，并行过程通过控制数字样机的成熟度，来限制各个业务系统访问数字样机。并行过程监控各业务系统的运行状态，并根据数字样机的成熟度、过程定义实现对各个业务系统的协同控制。

工程工作面、工程过程控制和基础环境，三个部分构成了以数字样机为中心、以产品数据管理为手段、以工程过程控制为主线的制造业数字化总体框架。

三、数字化制造助力航空制造业发展

随着电子计算机软硬件技术和网络技术的发展，在产品的设计开发、虚拟制造、工厂的管理软件和电子商务方面，都有大量比较成熟的硬件平台和软件供使用，然而，产品最重要的一个环节--生产制造方面，目前来讲还是一个瓶颈，制约了数字化的应用和发展。

在这种大的环境和背景下，对生产制造关键环节的信息化要求就越来越迫切。数控机床虽然经历了几十年

—9— 的发展，无论从功能还是从精度来讲都已经发展到了一个新的高度，但是长久以来，数控机床网络化的应用更多的还是停留在由计算机向机床传输程序、机床参数和加工参数等原始的应用内容方面，而机床的工作状态如何我们无法知晓。很显然，这样的数控机床很难跟上这个时代的步伐，无法适应当今智能化，网络化和信息化方面的需要。为了适应发展的需要，MAZATROL FUSION 640系统应用而生：

（一）MAZATROL FUSION 640系统简介 MAZATROL FUSION 640系统是MAZAK公司开发的新一代数控系统。该系统将CNC和PC紧密地融合起来，兼具传统CNC和现代PC双方面的优势，使很多智能化和网络化的功能得以实现。

采用人机对话式编程方式的MAZATROL 640系统对编程操作人员的要求大大地降低，同时也提高了编程的准确性和效率。操作者只需要输人被加工零件的材质、使用的刀具材质、加工部位的最终要求、被加工工件的形状数据和工件的安装位置，数控系统就会通过内置的专家系统自动决定零件的加工参数(比如主轴转速、进给速度等)以及自动计算并确定刀具路径，避免了绝大部分的

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编程错误。系统还有三维实体模拟加工功能，可以立即对编程的结果加以验证；系统的加工向导预测功能可以根据切削条件计算出主轴的功率负荷和加工时间，据此，编程操作人员可以对程序进行进一步的优化，以平衡主轴输出负荷，提高加工效率。

系统的语音提示和导航功能可以在开机后用语音问候操作者，提示操作者机床的状态并做安全确认，防止出现误操作；震动抑制功能可以将机床加减速引起的机械震动消除，从而提高零件的加工质量和刀具的使用寿命；同时，可以进行虚拟加工，在机床、工件、刀具和夹具的3D模型下实现加工程序与实际加工环境一样的模拟加工，从而在实际加工前就可以检查加工中可能出现的干涉，还有智能安全保护功能，在手动操作时可以进行干涉确认，在干涉发生前停止机床，不用担心发生撞车;虚拟加工、自动加工过程中的干涉检查，使得编程更加放心、快捷、简单。

另外，刀其的寿命管理功能、机床维护保养提示和在线服务等智能化的功能也为机床的使用和维护提供了很好的手段。

（二）智能生产中心CPC(Cyber Production Center)

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管理软件

随着企业的不断发展和生产规模的不断扩大，企业需要更多的生产设备来满足生产的需要，但是随着生产设备的增多，生产管理的工作量也越来越大，因此，MAZAK公司在单机的智能化网络化基础上，开发了智能生产中心CPC管理软件，一套软件可以管理多达250台的数控机床。该软件包含4个独立的模块:加工程序自动编制(CAMWARE)、智能化日程管理(Cyber Scheduler),智能刀具管理(Cyber Tool Manager)和智能监控(Cyber Monitor)。

加工程序自动编制是一种易学易用的人机对话式零件加工自动编程系统，该系统使用通用的DXE或者IGES格式从CAD图纸中获取零件的形状信息，根据每台加工设备的设备信息和工厂内的刀具数据库刀具信息，通过简单的操作针对现有的设备和刀具配置生成零件的加工程序以及刀具需求、加工时间等数据，并通过网络将这些数据直接传送到相应的加工单元和管理系统软件。这些数据就可以自动生成工时成本，进行刀具准备，实现了加工工艺编制、加工程序编制、工艺路线安排和刀具资源配置的并行作业。而且该软件还有加工程序管理方

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面的功能，方便客户对大量的程序资源进行准确、高效的管理。

智能化日程管理软件能够根据营业单要求的数量、交货期以及CAM WARE提供的加工时间数据和工时成本信息，迅速自动编制出对顾客的交货周期和报价。另外根据合同要求的交货周期以及生产现场的每个单元、工位的现状做出零件、部件的作业计划和整机的装配和出货计划，对临时出现的紧急情况也可以方便快速地对计划做出调整，并通过网络自动将精确的日工作计划发送到每个现场终端和每台机床的控制器上。通过智能化日程管理，工厂的每个加工单元、加工工位都实现了实时精确的作业调度，最大限度地减少了机器的空闲时间，给顾客报出的交货周期和价格更具准确性和竞争力。

智能刀具管理软件能够根据智能编程软件提供的刀具信息和智能化日程管理软件提供的工作任务信息，对每台设备的刀具数据进行分析，结合控制系统的刀具寿命管理功能将刀库内现有的刀具清单和需要的刀具清单进行对照分析；再针对每个加工任务提出刀具需求和状态，比如加工工件需要而刀具库中没有的刀具清单、刀具库中多余的刀具清单、刀具库中虽然有但是加工过程

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中将要达到寿命的刀具清单;然后通过网络将这些信息发送到每个相应的加工单元和刀具室。有了这些信息，操作者和刀具管理人员就可以对刀具进行快捷、高效的管理。

智能监控软件将现场每台机床以及每个工位的加工状态通过网络实时反馈到管理者和相关部门的电脑上，使管理者以及相关部门在任何有网络的地方都可以实时地了解到加工现场的工作情况和计划的执行情况，随时监督机床的运转状态、参数设定是否合适、加工完成情况而无需人工汇报;同时，能够做出准确的判断，必要时及时下达相应指令。另外，MAZATROL FUSION 640数控系统的双向通信功能可以让管理软件直接调用其工况记录数据库，使得工场工作量的统计完全由计算机自动进行。智能监控的应用使管理者无论身在何处，都能够清楚地了解工厂的生产状况，从而对瞬息万变的市场做出及时淮确的反应。

（三）智能生产中心结合MAZATROL 640系统的优势功能

智能生产中心软件结合MKP,PDM和ERP等等管理软件，可以实现从订单输入、产品设计、库存管理、生产

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制造订单发行、生产购买订单发行、生产管理、半成品和成品管理全过程控制，实现了作业日程安排、工艺管理以及数控机床运行状态的监控，使生产全过程控制由车间级细化到每台数控机床，保证了生产进度和生产成本控制，使机床开动率大幅提高。使用一般的生产管理模式和CNC机床时，有75%的时间是用来进行准备的(设计、工艺、编程、刀夹量具准备、调度、工时或成本核算等)，只有25%的时间是用来加工的。用智能生产中心后，准备时间由75%降为50%，加工时间由25%上升至50%，使工厂的生产和管理过程实现了并行化、网络化，大幅度降低了生产过程中的辅助时间，从而有效提高了生产效率。

对于工厂的管理者来讲，最想知道的是昂贵的数控设备在生产现场是如何运转从而创造利润的，以及如何合理地安排这些资源以满足客户对质量和交货周期的要求。智能化、网络化的MAZATROL 640系统加上智能生产中心软件可以帮助管理者随时随地了解这些信息。

比如管理者想知道每台机床每天的工作时间、工作状况、生产了多少零件、机床的开动率等信息，智能化的MAZATROL 640系统会自动记录机床的工作状态，管理

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者可以很方便地了解每台机床每天的运行记录:机床什么时候开机，什么时候停机，开机时什么时候处于自动运行状态，什么时候处于调整状态，什么时候发生机床报警，都加工了什么工件，加工了多少工件，机床的主轴转速及负荷是多少等等，方便管理者及时把握现场的机床运转状况，并根据现场的情况及时作出调整计划。

另外，系统还可以对记录的这些工作状况进行运算处理，并用图形把它直观地表达出来，如以时间为坐标，用条形图显示出机床每天每一时段的状态，还可以用饼图表示一段时间内各种工作状态所占的比率，这样可以很方便地统计出机床的开动率，工厂的管理者和计划人员可以依据这些信息进行管理和计划。

MAZATROL 640系统将PC和CNC融合在一起，具有非常强大的网络化功能，可以方便地接入任何类型的计算机网络环境，这些功能都可以通过软件和网络来实现。无论在办公室、家里还是出差，只要有网络存在，我们都可以通过计算机网络对机床进行全方位的监控，实现了机械加工的信息化，完全满足了现代化、信息化管理的需要，给传统的制造业经营管理模式带来巨大的变革。因此，它为用户带来的不仅仅是一种工具，而是公司管

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理方式的一种变革，这种变革可以对市场的变化作出快速的反应，从而提高了企业的生产效率和综合竞争能力。

基于网络的制造已经成为21世纪的主要制造模式，各个行业无不在互联网这个平台上进行着产品的开发设计、制造、销售和服务。互联网贯穿了整个产品的生命周期，成为各个企业快速响应市场需求、不断推出新产品、赢得市场竟争力和自身不断发展的主要手段。具有智能化、网络化的MA7ATROL FUSION 640系统和智能生产中心软件使机械加工这个瓶劲环节迅速地融入到现代信息社会中，为航空企业的发展提供了有力的工具，使航空企业走在时代的前列。

四、数字化装配过程仿真验证技术

三维数字化装配过程仿真验证技术是在软件虚拟装配环境中，调入产品三维数模、资源三维数模和设计的装配工艺过程，通过软件模拟完成零件、组件、成品等数模上架、定位、装夹、装配(连接)、下架等工序的虚拟操作，实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真，验证工艺设计的准确度，以发现装配过程工艺设计中的错误。仿真是一个反复迭代的过程，不断地调整工艺设

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计，不断地仿真，直到得到一个最优的方案。

（一）装配干涉的仿真

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并示给出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。该项检查是零件沿着模拟装配的路径，在移动过程中零件的几何要素是否与周边环境有碰撞。在三维环境中，检查过程非常直观。

（二）装配顺序的仿真

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真，验证每个零件按设计的工艺顺序是否能无阻碍的装配上去，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。虽然装配顺序设计是按先里后外的原则设计的，但实际装配时候就发现有零件装不上去，无奈只有拆除别的零件，先装这个零件。

（三）人机工程的仿真

产品装配的过程，少不了人的参与，产品移动的过

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程也就是人动作的过程。在产品结构和工装结构环境中，按照工艺流程进行装配工人可视性、可达性、可操作性、舒适性以及安全性的仿真。将标准人体的三维模型放入虚拟装配环境中，针对零件的装配，对工人以下工作特性进行分析。

（四）装配现场三维工艺布局仿真

在数字化环境下，建立厂房、地面、起吊设备等三维制造资源模型，将已经建立的各装配工艺模型和装配型架、工作平台、夹具等制造资源三维模型放入厂房中，按照确定的装配流程进行全面的工艺布局设计。三维工艺布局比传统的二维工艺布局更直观，充分体现了三维空间的状况。并且在数字环境下可以仿真生产流程。

（五）可视化装配

经过仿真验证的三维数字化装配过程仿真文件，可在不同的工位节点或A O节点通过程序打包传递到车间，也就是将产品的三维数模和工艺信息(装配顺序说明或动画、装配产品结构等信息)传递到操作者手中。操作者能够采用终端电脑或手持电脑读取这些信息，使工人能够准确、迅速地查阅装配过程中需要的信息，提高装配的准确性和装配效率，缩短装配时间，降低装配成本。

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在生产现场指导工人对飞机进行装配，帮助工人直观了解装配全过程，实现可视化装配。也可用于维护人员的上岗前培训。

五、飞机数字化装配技术

飞机数字化装配技术是数字化装配技术实际应用的一个方面，下面简单介绍该技术的应用过程：

1.利用设计部门发放的产品三维数模和EBOM，在三维可视环境下进行产品的装配工艺规划及工艺设计。将三维数模数据(属性)导入产品节点，并将三维数模数图形的路径关联到每个零件上，在编制工艺的任何时候都可预览零件和组件的三维图形，直观地反映装配状态。

2.在产品工艺分离面划分的基础上，对每个工艺大部件进行初步装配流程设计，划分装配工位，确定在每个工位上装配的零组件项目，在三维数字化设计环境下构建各装配工位的段件装配工艺模型，并制定出产品各工位之间关系的装配流程图，形成装配PBOM。

3.在装配工位划分的基础上，对每个工位依据段件装配工艺模型在三维数字化环境下进一步进行各工位内的装配过程设计，确定每个工位内的段件装配工艺模型

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零组件的装配顺序，并且将相关的资源(设备、工装、工具、人)关联到工位上。确定该工位需要由多少个装配过程实现，并定义装配过程对应的AO号。

4.在装配AO划分基础上，对每本AO依据段件装配工艺模型进行详细的装配工艺过程设计，定义该工艺过程所需要的零组件、标准件、工装等，在三维数字化环境下确定该装配过程零组件、标准件、成品等装配顺序，明确装配工艺方法、装配步骤，并选定该装配过程所需要的工装、夹具、工具、辅助材料等资源，形成用于指导生产的AO和MBOM

六、结束语

综上所述，先进的数字化技术已经广泛应用于航空制造业的各个方面，而且近几年发展迅速并对各国的先进制造行业产生了深远的影响。但是数字化技术的普及还有待深入、提高，尤其是我国的航空数字化制造技术与欧美一些国家、日本相比还有很大差距。应当大力开展航空数字化制造技术的研究开发，使数字化制造技术普遍应用于航空制造工业，并不断改进完善传统的制造工业。这是我国制造业发展的大势所趋，国家、企业和

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从业于制造业的各类人员都应给予高度重视。

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第三篇：钣金件数字化制造技术典型应用实例

钣金件数字化制造技术典型应用实例

钣金件是构成航空航天等产品外形、结构和内装的主要零件。以飞机产品为例，三代机与二代机对比，钣金件总

零件减少，但其数量比例并未减少，约占飞机零件数量的50%。在航空航天产品研制中，大型整体壁板、曲线弯

边框肋零件、导弹加强框等复杂钣金件精密成形是关键性技术之一。基于数字化技术发展精密成形是世界各国在

钣金成形技术发展趋势方面一致的认识。本课题首先描述了钣金零件制造技术的发展需求和数字化制造技术基础，分析了钣金数字化制造技术的核心，最后介绍了典型应用实例。

航空航天产品对钣金件制造技术的要求

随着航空航天产品的发展，对钣金零件的表面质量、形状精度、成形过程稳定性、成形后性能、产品合格率

等的要求日益提高。新型飞机气动外形要求更严、寿命要求长，钣金件不许敲击成形，对钣金件的要求不只是贴

合，而且要有稳定的质量和性能状态，飞机机翼外形相对理论外形的偏差一般要小于0.5，不平滑度小于

0.05~0.15，钣金件弯边高度的精度要求是H+0.2-0.1。而靠样板等模拟量协调制造的工装外形误差往往达 0.2~0.3mm，局部甚至高达0.5mm，要提升钣金成形技术水平，钣金件制造的数字化是必然选择。

与其他加工制造方法相比，钣金制造数字化有着更为复杂的技术难题。首先，钣金件外形复杂、薄板料，制

造过程包括下料、成形等多个工序，其数字化定义不仅包括零件本身的定义，更包括工序件的定义和优化。为达

到精密成形，如何在考虑塑性变形特点、成形回弹等因素的基础上进行毛坯定义、成形工艺数模定义，如何解决

钣金件制造中模具型面的传递与控制等问题变得十分复杂。其次，钣金件成形是塑性变形过程，由于物理上的非

线性所带来的不唯一性、不可逆性等引起的工艺上的不确定性，在影响钣金成形质量和生产效率的诸多因素中，能够完全定量把握的并不多。第三，钣金成形过程是一次性的，在较短时间内完成成形过程。成形过程中需控制 的主要是成形力、温度等工艺过程参数，而非坐标等几何参数，控制难度更大。由于材料性能的不稳定性和随机

性，使工艺参数设计和成形过程精确控制十分困难。因此，需从成形工艺设计、制造模型定义、模具型面控制与

设计、工艺过程模拟与综合优化等方面展开研究，形成实现复杂钣金件精密成形的数字化制造整体解决方案。

钣金数字化制造技术基础

钣金件数字化制造是在考虑塑性变形特点、成形质量要求等因素基础上，以数字化技术为手段，通过合理的

制造模型数字化定义、模具数字化设计制造、优化的加工工艺参数及成形过程精确控制，使零件成形后不需要加

工或仅需少量加工就可满足质量要求，其过程见图1。

钣金件数字化制造技术基础包括以下方面。

（1）钣金件工艺数字化设计技术：以钣金件制造模型信息为依据，完成制造指令设计、工艺参数计算，生成

钣金车间加工零件的生产性工艺文件。通过对钣金材料性能数据、典型流程、工艺参数等工艺知识进行积累，把

大量经验和试验数据转化为企业内共享知识，通过知识重用技术在钣金制造过程中从知识库中提取合适知识用于

钣金成形工艺设计，提高钣金工艺设计效率和成形质量。

（2）钣金件制造模型定义技术：钣金零件从毛坯到成品零件的成形过程由多个工序组成，下料工序的毛坯和

排样模型、成形工序的工件模型和回弹修正模型等共同构成了制造模型。制造模型的精确定义是进行成形工艺过

程和模具设计的基本依据，控制着零件精密成形过程。对钣金零件，需考虑零件材料、变形特性等因素，建立毛

坯和工艺模型的专用计算工具，为工装设计、工艺参数设计、数控编程等提供数据源，以满足零件精密成形的需 要。

（3）钣金件成形模具设计与制造技术：钣金零件刚度小，橡皮囊液压成形、蒙皮拉形、型材拉弯、导管弯曲、冲压成形等成形工艺，必须用体现零件尺寸和形状的成形模具来制造，以保证其形状和尺寸的准确度。难点在

于为了避免成形缺陷（回弹、起皱、破裂等），实现精密成形，模具形状与最终零件形状并不相同。以制造模型

为依据，运用数值模拟等技术手段建立模具型面和尺寸修正的综合优化技术，保证精密成形。

（4）钣金件成形数控编程与设备控制技术：钣金数控成形设备已得到广泛应用，一些重点钣金成形设备均采

用了数控化，如数控下料铣、数控拉形机、数控弯管机、数控拉弯机、数控喷丸机等。钣金成形设备的数控化使

生产效率、精度和产品适应性较手工成形大为提高。对蒙皮拉形、喷丸成形、数控拉弯等设备，需要控制的主要

是成形力、时间等工艺过程参数，传统上采用经过多次试验的“录返式”方法得到控制程序，无法适应提高加工

效率和质量的要求。通过解析各类设备控制程序文件的格式，开发根据工艺参数自动生成数控指令的工具，实现

数控编程的自动化和设备的精确控制。

钣金件数字化制造技术核心

钣金件数字化制造过程中，各种信息均以数字形式表达和存储，通过网络在钣金制造的工艺、生产等各业务

部门内传递和交换。从以传统的模拟量为载体向以数字量为载体的制造模式的变革，核心在于2个方面：一方面是

面向工艺链数字化定义制造模型，作为工艺、工装设计和数控代码生成的依据；另一方面是对工艺知识进行建库

和使用，作为信息定义的支撑，从而建立以数字量定义、传递与控制为主的技术体系。

1基于制造模型的数字量传递与控制

在钣金件设计模型向最终零件的移形过程中，由于成形过程中材料性能的影响以及回弹等因素，成形钣金件 的模具形状与设计的零件最终形状存在一定偏差，而不是设计模型的简单传递。制造模型与设计模型是同一对象 的2个不同部分，适用于2个不同阶段。在基于模拟量传递为主的钣金件制造模式中，钣金件制造工艺过程各环节 的几何形状没有严密的数字定义，零件制造准确度难以提高。钣金件设计模型准确描述了最终形状和尺寸，但未

考虑钣金件工艺过程的中间状态，无法解决设计信息向制造延拓的矛盾。确定工序顺序和内容后，制造模型是考

虑工艺因素，把传统制造模式中以模拟量作为载体的零件形状和尺寸信息采用如图2所示，基于制造模型的数字量传递与控制是通过面向工艺过程定义工件模型和工艺模型——移形到工艺装备——生

成数控程序——以数字量传递至数控设备这样一个并行数字化制造过程，其实质在于毛坯组合排样模型、成形工

艺模型等下料、成形、检验各控形节点中的CAD几何模型直接用于成形模具设计、检验工装设计、制造指令设计、工艺参数设计、数控加工等环节；基于工装的数字化模型，能在样板制造、模具制造中始终保持给定的公差；

考虑如图2所示，基于制造模型的数字量传递与控制是通过面向工艺过程定义工件模型和工艺模型——移形到工艺

装备——生成数控程序——以数字量传递至数控设备这样一个并行数字化制造过程，其实质在于毛坯组合排样模

型、成形工艺模型等下料、成形、检验各控形节点中的CAD几何模型直接用于成形模具设计、检验工装设计、制

造指令设计、工艺参数设计、数控加工等环节；基于工装的数字化模型，能在样板制造、模具制造中始终保持给

定的公差；考虑回弹等因素直接修正后进行模具设计；这就消除了从检验标准装备到工作装备再到零件的模拟量

传递的若干中间环节引起的误差，减少了人为不确定因素的影响，改变了反复试错的制造方式，从而实现精密、快速和低成本的制造。

2基于工艺知识的钣金件工艺过程设计

钣金件及其成形工艺的种类繁多、成形过程的多因素性决定了钣金件制造依赖于在长期实践中积累的经验知

识，钣金件工艺过程设计是知识需求密集的过程。在钣金数字化制造中，除了使用CAx系统辅助设计工作之外，同时还需要钣金制造知识的支持。对已有知识的重用包括知识建库和知识使用2个基本的过程。如图3所示，基于知识的钣金制造要素定义是对钣金制造领域知识进行建库存储，在钣金件数字化制造过程中，应用系统

根据钣金零件信息从知识库中检索已有知识而使知识重现，形成问题的解，同时创建的新知识不断更新到知识库 中。

在对企业钣金工艺设计大量调研的基础上，对钣金工艺知识进行分类形成型谱图，对基本类型知识进一步分

解为信息后建立钣金工艺知识库框架；对知识采集和入库，首先定义钣金工艺领域术语，在此基础上创建制造指

令知识、各种成形工艺参数设计知识、成形模具设计知识等内容。采用基Web的架构对知识进行管理，分布式环

境便于工艺人员查阅、选用、修正和不断积累。

典型应用案例

1框肋零件橡皮囊液压成形

框肋零件是飞机机体骨架中的组件，担负着确定飞机外形和承受气动载荷的双重任务。框肋零件的结构要素

包括腹板、弯边、加强窝、加强槽、减轻孔、下陷等。弯边按几何形状分为直线弯边、凸曲线弯边、凹曲线弯边，有气动外形要求的零件弯边有较严格的精度要求。

采用基于制造模型的数字量传递方法，橡皮囊液压成形模具外形的设计（见图4）依赖于制造模型中的成形工

艺模型而不是直接依赖零件原始数模。成形工艺模型考虑了零件的回弹等因素，给出修正方案及修正参考值，对

型面和尺寸进行了合理的预修正。通过对框肋零件回弹修正设计知识的整理和存储，建立框肋零件回弹修正模型

设计知识库，支持框肋零件回弹量的预测。以制造模型为框肋零件橡皮囊液压成形工艺过程的数据源，改变了反

复试错的制造方式，简化了模具设计的工作，减少了人为不确定因素的影响，提高了模具设计的效率，同时可保

证零件成形后的精度，提高零件制造的质量，实现零件的精密、快速和低成本的制造。

2型材拉弯成形

航空航天产品结构中型材零件有框、肋梁的缘条和长桁零件等，是构成产品骨架的主要结构件。以导弹加强

框为例，该类零件是导弹横向承力元件，除了维持弹身外形，其主要的功用是承受弹身的横向集中载荷，由于导 弹产品对零件强度的要求使得零件壁厚、材料硬度大，难于成形。通过发展拉弯过程精确成形与智能控制技术，建立数字化拉弯系统，如图5所示。

根据拉弯毛料的材料特性、几何形状、模具外形尺寸、机床工作参数、加载方式、摩擦润滑情况，结合塑性

力学与工艺参数设计知识库，计算拉弯工艺参数，根据计算参数自动生成数控加工程序，用以控制数控拉弯机成

形过程，该技术已将回弹角控制精度由1.2°提高至0.2°，实现型材零件精密成形。

结束语

数字化是现代制造技术发展的核心。航空航天产品钣金件种类繁多、结构复杂，既具有共同的生产特性，又

具有各自的工艺特点，制造模型和工艺知识是钣金件数字化制造的核心所在。由于钣金工艺的特点其实现数字化 的难点，钣金精密制造技术发展需要从基础研究、应用研究、成果工程化这样一个过程紧密衔接，经过长时间的

自主研究和工程化过程，绝非引入几套设备、软件就可以形成实现精密成形的钣金件数字化制造技术能力。近年 来，国内在国防基础科研、民机专项等项目支持下，结合型号产品的研制，已突破了多项关键技术，为我国全面

掌握精密成形技术奠定了基础。

数字量表达和定义，是工艺资源设计和工艺过程进一步设计的依据。其作用包括用于工艺装备设计、工艺参 数和数控程序设计。

第四篇：先进制造技术前沿发展与未来趋势

现代制造技术前沿发展与未来趋势

毕节学院 机械工程学院 机械一班 金钦 32321101008

摘要：本文介绍了当今制造技术面临的问题，论述了先进制造的前沿科学，并展望了先进制造技术的发展前景，最后提出我国制造技术要跨入世界先进行列可行的实施策略。随着科学技术的飞速发展和市场竞争日益激烈，越来越多的制造企业开始将大量的人力、财力和物力投入到先进的制造技术和先进的制造模式的研究和实施策略之中。改革开放以来，我国制造科学技术有日新月异的变化和发展，确立了社会主义市场经济体制，但与先进的国家相比仍有一定差距，为了迎接新的挑战，对先进制造技术及制造模式的研究和实施是摆在我们面前刻不容缓的重要任务，必须认清制造技术的发展趋势，缩短与先进国家的差距，使我国的产品上质量、上效率、上品种和上水平，以增强市场竞争力，实现我国机械制造业跨入世界先进行列之梦想。

关键词：制造科学； 先进制造技术； 机械制造； 发展趋势

引言

制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。当前制造科学要解决的问题

当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：

（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。

（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-Real Space)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在C-空间(配置空间Configuration Space)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(Screw Space)进行几何推理[1]。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破。

（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。

这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。现代制造工程的前沿科学

不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。

超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。

信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。

2．1 制造科学与信息科学的交叉--制造信息科学

机电产品是信息在原材料上的物化。许多现代产品的价值增值主要体现在信息上。因此制造过程中信息的获取和应用十分重要。信息化是制造科学技术走向全球化和现代化的重要标志。人们一方面对制造技术开始探索产品设计和制造过程中的信息本质，另一方面对制造技术本身加以改造，以使得其适应新的信息化制造环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深，研究者们正试图以全新的概念和方式对其加以描述和表达，以进一步达到实现控制和优化的目的。

与制造有关的信息主要有产品信息、工艺信息和管理信息，这一领域有如下主要研究方向和内容：

(1)制造信息的获取、处理、存储、传递和应用，大量制造信息向知识和决策转化。(2)非符号信息的表达、制造信息的保真传递、制造信息的管理、非完整制造信息状态下的生产决策、虚拟管理制造、基于网络环境下的设计和制造、制造过程和制造系统中的控制科学问题。

这些内容是制造科学和信息科学基础融合的产物，构成了制造科学中的新分支--制造信息学。

2．2 微机械及其制造技术研究

微型电子机械系统(MEMS)，是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS的发展将极大地促进各类产品的袖珍化、微型化，成数量级的提高器件与系统的功能密度、信息密度与互联密度，大幅度地节能、节材。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如用尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3mm大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在制造业、航空、航天、交通、通信、农业、生物医学、环境监控、军事、家庭以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景[2]。

微机械是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想，1962年第一个硅微型压力传感器问世。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力。微机械技术有可能像20世纪的微电子技术那样，在21世纪对世界科技、经济发展和国防建设产生巨大的影响。近10年来，微机械的发展令人瞩目。其特点如下：相当数量的微型元器件(微型结构、微型传感器和微型执行器等)和微系统研究成功，体现了其现实的和潜在的应用价值；多种微型制造技术的发展，特别是半导体微细加工等技术已成为微系统的支撑技术；微型机电系统的研究需要多学科交叉的研究队伍，微型机电系统技术是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和科学。

目前对微观条件下的机械系统的运动规律，微小构件的物理特性和载荷作用下的力学行为等尚缺乏充分的认识，还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法，因此只能凭经验和试探的方法进行研究。微型机械系统研究中存在的关键科学问题有微系统的尺度效应、物理特性和生化特性等。微系统的研究正处于突破的前夜，是亟待深入研究的领域。2．3 材料制备／零件制造一体化和加工新技术基础

材料是人类进步的里程碑，是制造业和高技术发展的基础。每一种重要新材料的成功制备和应用，都会推进物质文明，促进国家经济实力和军事实力的增强。21世纪中，世界将由资源消耗型的工业经济向知识经济转变，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化的特性；要求材料和零件的设计实现定量化、数字化；要求材料和零件的制备快速、高效并实现二者一体化、集成化。材料和零件的数字化设计与拟实仿真优化是实现材料与零件的高效优质制备／制造及二者一体化、集成化制造的关键。一方面，通过计算机完成拟实仿真优化后可以减少材料制备与零件制造过程中的实验性环节，获得最佳的工艺方案，实现材料与零件的高效优质制备／制造；另一方面，根据不同材料性能的要求，如弹性模量、热膨胀系数、电磁性能等，研究材料和零件的设计形式。进而结合传统的去除材料式制造技术、增加材料式覆层技术等，研究多种材料组分的复合成形工艺技术。形成材料与零件的数字化制造理论、技术和方法，如快速成形技术采用材料逐渐增长的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，加工过程不需要工具或模具，能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。

2．4 机械仿生制造

21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。

地球上的生物在漫长的进化中所积累的优良品性为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，“仿生制造”则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程[3]。

仿生制造所涉及的科学问题是生物的“自组织”机制及其在制造系统中的应用问题。所谓“自组织”是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的“自组织”机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。

仿生制造属于制造科学和生命科学的“远缘杂交”，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。

仿生制造的研究内容目前有两个方面： 2．4．1 面向生命的仿生制造

研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等；

2．4．2 面向制造的仿生制造

研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。

机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。3 现代制造业的先进生产模式

制造业发展趋势表明，只有采用先进的制造技术并能实施在相匹配的生产模式中才能符合上述的趋势。生产模式是指企业体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形态和运作模式。

（一）精良生产(LP)与独立制造岛(AMI)20世纪90年代美国麻省理工学院(MIT)提出精良生产(LP)概念。它的特征是：（1）重视客户需求，以最快的速度和适宜的价格提供质量优良的适销新产品去占领市场，并向客户提供优质服务。（2）重视人的作用，强调一专多能，推行小组自治工作制，赋予每个工段有一定的独立自主权，运行企业文化。（3）精简一切生产中不创造价值的工作，减少管理层次，精简组织结构，简化产品开发过程和生产过程，减少非生产费用，强调一体化质量保证。（4）精益求精、持续不断的改进生产、降低成本、零废品、零库存和产品品种多样化。

独立制造岛是张曙教授根据在引进先进技术的同时，必须改革生产组织的角度提出新的生产模式。独立制造岛的技术构思是：以GT为基础，以NC机床为核心，强调信息流的自动化和以人为中心的生产模式，它的特征是：组织、人员和技术三者的有机集成，面向车间、权力下放、综合治理，并以获取经济效益为主要目标[4]。AMI是发展中国家走向工厂自动化的重要途径，它的推广对中国机械制造业转向市场机制，参与国际竞争意义重大。

（二）敏捷制造与虚拟制造

美国通用汽车公司与里海大学于1988年提出了敏捷制造(AM)，AM是在不可预测的持续变化的竞争环境中取得繁荣成长，并具有能对客户需求的产品和服务驱动市场做出迅速响应的生产模式。AM的特征是：（1）制造资源的集成性，企业间联作集成。充分发挥各企业的长处，针对限定市场的目标要求共同合作完成任务。（2）具有需求响应的快捷性和高度的制造柔性。制造柔性是指制造企业对市场要求迅速转产和能实现产品多品种变批量的快速制造。（3）充分发挥人的作用，不断提高企业职工素质和教育水平，优化人机功能分配。

虚拟制造(VM)是国际上提出的新概念。VM与AM联系密切。VM的特征是：当市场新的机遇出现时，组织几个有关公司联作，把不同的公司，不同地点的工厂或车间重新组织协调工作。在运行之前必须分析组合是否最优，能否协调运行，以及投产后的效益和风险进行评估，这种联作公司称虚拟公司。虚拟公司在一定的环境和条件下通过虚拟制造系统运行，包括物理基础、法律保障、社会环境和信息技术[5]。因此研究开发虚拟制造技术VMT)和虚拟制造系统(VMS)意义重大，美国称AM为21世纪制造业发展战略。

（三）集成制造与智能制造

美国哈林顿博士在“计算机和集成制造”一书中提出计算机和集成制造(CIM)的概念。集成制造的核心内容是：制造企业从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理直至售后服务是一个不可分割的整体，需要统筹考虑。整个制造过程的实质是信息采集、传递和加工过程，最终生产的产品可看作是信息的物质表现。集成是CIM的核心，这种集成不仅是物的集成，更主要的是以信息集成为特征的技术集成和功能集成，计算机是集成的工具，计算机和辅助各单元技术是集成的基础，信息交换是桥梁，信息共享是关键。集成的目的在于制造企业组织结构和运行方式的合理化和最优化，以提高企业对市场变化的动态响应速度，并追求最高整体效益和长期效益。

智能制造(IM)是美国出版研究IM和IMS书籍中首先提出的。它的特征是：在制造工业的各个环节的高度柔性与高度集成的方式，通过计算机和模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展。先进制造技术的发展趋势

先进的制造业是将物料、能源、设备、资金、技术、信息和人力等制造资源通过先进的制造技术、先进的管理技术和先进的制造过程转变成人类需求产品的行业。行业追求的目标是：高质量、高效率、高柔性、低成本、低劳动力、低消耗、品种多和规格全的产品，因此，21世纪的机械制造技术的发展趋势体现在以下几个方面：

（一）精密化

精密加工、特种加工、超精密加工技术、微型机械是现代化机械制造技术发展的方向之一。精密和超精密加工技术包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特种加工和复合加工(如机械化学研磨、超声磨削和电解抛光等)三大领域。超精密加工技术己向纳米(l nm=10-3μm)技术发展。纳米技术己在纳米机械学、纳米电子学和纳米材料技术得到了应用。因此，它促进了机械科学、光学科学、测量科学和电子科学的发展。

（二）自动化

自动化技术自20世纪初出现以后，经历了由刚性自动化向柔性自动化的发展过程，自动化技术的成功应用，不但提高了效率，保证了产品质量，还可以代替人去完成危险场合的工作。对于批量较大的生产自动化，可通过机床自动化改装、应用自动机床、专用组合机床、自动生产线来完成。小批量生产自动化可通过NC、MC、CAM、FMS、CIM、IMS等来完成。在未来的自动化技术实施过程中，将更加重视人在自动化系统中的作用。

（三）信息化

信息、物质和能量是制造系统的三要素。产品制造过程中的信息投入，己成为决定产品成本的主要因素。制造过程的实质是对制造过程中各种信息资源的采集、输入、加工和处理过程，最终形成的产品可看作是信息的物质表现，因此可以把信息看作是一种产业，包括在制造之中。为此一些企业开始利用网络技术、计算机联网、信息高速公路、卫星传递数据等实现异地生产。使生产分散网络化，以适应高柔性生产的需要。

（四）柔性化

随着科学技术的飞速发展和人民生活水平不断提高，促使产品更新换代的速度不断加快，这就要求现代企业必须具备一定的生产柔性来满足市场多变的需要。所谓柔性，是指一个制造系统适应各种生产条件变化的能力，它与系统方案、人员和设备有关。系统方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人员柔性是指操作人员能保证加工任务，完成数量和时间要求的适应能力。设备柔性是指机床能在短期内适应新零件的加工能力。

（五）集成化

集成是综合自动化的一个重要特征。集成的作用是将原来独立运行的多个单元系统集成一个能协调工作的和功能更强的新系统。集成不是简单的连接，是经过统一规划设计，分析原单元系统的作用和相互关系并进行优化重组而实现的。集成化的目的是实现制造企业的功能集成，功能集成要借助现代管理技术、计算机技术、自动化技术和信息技术实现技术集成，同时还要强调人的集成，由于系统中不可能没有人，系统运行的效果与企业经营思想、运行机制、管理模式都与人有关，因此在技术上集成的同时，还应强调管理与人的集成。

（六）智能化

智能化是制造技术的发展趋势之一。智能制造技术(IMT)是将人工智能融入制造过程的各个环节，在整个制造过程中贯彻智力活动，使系统柔性的方式集成起来，通过模拟人类专家的智能活动，取代或延伸制造系统中的部分脑力劳动，在制造过程中系统能自动监测其运行状态，在受到外界干扰或内部激励能自动调整其参数，以达到最佳状态和具备自组织能力。5 我国存在的差距与可实施策略。

改革开放以来，通过技术改造和引进国外先进制造技术，使我国的制造工业有了长足的进步，但和先进国家相比还存在很大差距，表现在：技改投入相对不足，原有技术基础和研究开发能力薄弱，制造业产品落后，技术水平低，信息含量少，更新换代慢，以及市场营销、经营管理、人才素质相对落后，缺乏国际竞争能力。面对这样形势，发展先进制造技术、实施先进的制造模式已经到了刻不容缓的地步。为了使我国的制造业站在世界先进行列，必须采取相适应的措施和策略。

（一）人才是关键。发展和推广先进的制造技术、实施先进的制造模式人才是关键。我国是社会主义市场经济体制，研究先进制造技术和先进的生产模式其根本目的是制造出有竞争力的产品去占领国内市场和国际市场，科技人员必须强化市场意识，因此人才的培养要注意市场导向。要有产业观念、企业观念、信息观念、竞争观念和效益观念。科技人员要懂得市场营销、经营管理和经济法。要拓宽学科领域，更新教育内容与方法，培养一支了解和掌握机械工程科学的前沿技术人才，加速先进制造技术的推广和实施，为市场经济服务。

（二）加强政策与法规建设，建立强有力的宏观调控机制。在市场经济环境下，国家仍应制订科学的制造产业规划和制造技术进步的总体规划，以及相应的法规政策。避免重复建设、重复生产和重复引进的事情发生，要尽可能减少和避免市场盲目竞争造成的损失。

（三）发展适应我国国情的生产模式。对于一些先进的制造技术和先进的制造模式，要根据我国现实存在的技术水平和能力向前发展，避免盲目的追求目前实施有一定困难的理想的先进科学制造技术。目前要积极发展适应我国国情的制造模式。

（四）建立与发展我国自主的 NC、MC、CAD、CAM、FMS、CAT、CIM、IMS等制造自动化单元技术，结合实际情况实现与现有成熟技术的有效结合。同时要有组织有计划的引进先进制造技术进行消化和吸收。对于引进的并行工程(CE)、敏捷制造(AM)、精良生产(LP)、智能制造(IM)等先进制造模式要根据它们的技术构思和特征开发创新成适合我国国情的生产模式，(如独立制造岛)以使企业适应市场经济的需要[7]。

（五）提高制造业现代化管理水平。现代管理核心是信息管理、物质管理、质量管理、生产过程管理和市场信息管理、加强企业人才的培养同时与国际接轨，开展ISO9000系列管理体系认证，加快现代企业制度改革，为先进制造技术的发展奠定良好的基础。

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[16]刘颖(编者), 李树奎(编者)，工程材料及成形技术基础，北京理工大学出版社;第1版(2009年7月1日)[16]刘飞主编.先进制造系统.北京.中国科学出版社，2001 [17]王英杰，金属材料及其成形加工，机械工业出版社，第1版，2008 [18]柳百成，沈厚发 主编，21世纪的材料成形加工技术与科学，机械工业出版社，2004 [19]胡亚民 主编，材料成形技术基础，重庆大学出版社，2008 [20]樊自田等，先进材料成形技术与理论，化学工业出版社，2006 [21]谢建新等编著，材料加工新技术与新工艺，北京：冶金工业出版社，2004

第五篇：“数字化设计与制造技术”读书报告题目和要求

“数字化设计与制造技术”报告题目和要求 课程名称：数字化设计与制造技术

考核方式：读书报告（论文）的形式

1．报告论文参考题目：

主要针对课程《数字化设计与制造技术》中涉及的各类先进制造技术在模具中的应用进行说明，可以针对课程所教授的关键技术进行选题和展开。包括：

1.快速成型方法RPM在模具设计制造中的应用与发展

2.快速成型方法RPM在逆向工程中的应用与发展

3.先进制造技术的进展及其与模具加工的关联

4.计算机辅助几何造型在模具CAD中的作用和发展

5.并行工程在模具制造中的应用

6.先进模具设计制造技术的发展

7.模具CAD/CAE/CAM一体化中的数据交换技术

8.模具CAD/CAE/CAM一体化中的集成技术

要求：

1.所有的论文均需要围绕“数字化设计与制造技术”在模具中的应用，或者结合冲模、塑模、体积成形模具等某种类型模具的先进设计开发技术进行阐述，例如《RPM在模具设计制造中的应用》，《模具CAD/CAE/CAM一体化中数据交换的发展》，《电铸法在微型高精度模具中的应用和开发》，等等。

2.字数在3000字以上（4页），打印稿。

3.符合期刊论文的要求，具有以下部分：标题、作者单位、中文摘要、关键词、英文摘要、关键词、正文（包括一般的引言、具体实质内容、结论）、参考文献等。

4.能够就数字化设计与制造技术的某个关键技术在所学专业中的应用、研究、发展进行论述，内容要有衔接，条理清晰。

5.能够反映模具数字化设计与制造技术目前技术发展的趋势和技术特点。

6.希望结合自身专业知识进行论述，体现自己的见解。