先进制造技术之初探

摘 要：本文初步探讨了先进制造技术的涵义及研究方向，重点介绍了先进制造工艺中的RPM技术，对其他几个方面作了简单说明。通过探讨，使大家对先进制造技术的内涵和作用有了一定的认识。

关键词：先进制造技术 RPM技术 现代设计技术

中图分类号：TU741 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）-0105-02

机械系统设计及制造技术是把机器看作具有特定功能的、相互间存在有机联系的统一体。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造，将会有利于机器设计及制造的创新性、多样化和综合最优化。

先进制造技术，简称AMT，即Advanced Manufacturing Technology，是美国于80年代提出。当时，各国制造业面临复杂多变的外部环境，传统的制造技术变得越来越不适应快速变化的环境，先进的制造技术，尤其是计算机技术和信息技术在制造业中广泛应用，美国根据本国制造业的挑战与机遇，为了加强其制造业的竞争能力和促进国民经济增长提出先进制造技术这一专有名词，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。

先进制造技术是制造业不断吸收机械、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。

对先进制造技术的研究可分为四大领域，分别是：现代设计技术，先进制造工艺，自动化技术，系统管理技术。

现代设计技术RQtv7yAaENmgVAQHKFbB1osMtBLyhR3CvgouCbxUrWc=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，制定可以用于制造的方案，并使方案付诸实施的技术。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，包括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。

先进制造工艺技术是先进制造技术的核心和基础。它是机械制造工艺不断变化和发展后所形成的制造工艺技术，包括了常规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。其主要技术体系由先进成形加工技术、表面工程技术等技术构成及先进制造加工技术。在此重点提一下快速原型制造技术。快速原型/零件制造（Rapid Prototype/Part Manufacturing，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造技术，RPM技术是近20年来制造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造一体化的系统技术。RPM技术采用（软件）离散/（材料）堆积的原理而制造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”起来形成三维实体。离散/堆积的工作过程由CAD模型开始，先将CAD模型离散化，沿某一方向（常取Z向）切成许多层面，即分层（属信息处理过程），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模型的物理体现与之对应，此为物理过程。RPM技术中，物理堆积过程具体是通过采用粘结、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，从而快速堆积制作出所要求形状的零件（或模型）。各种RPM技术的过程流都包括CAD模型建立、前处理（如生成STL文件格式，将模型分层切片）、快速原型过程（原型制作）和后处理（如去除支架、清理表面、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别，主要表现在：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，其力学性能不但取决于成形材料本身，而且与成形中所施加的能量大zoiUnDkCVdsn551IC0XWYMprAzX0aeqRY3ZKvx/m5Tg=小及施加方式有密切关系；在成形工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确的动态控制。能量在成形物理过程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（铸造锻压）中，能量是被动地供给的，一般无须对加工能量进行精确的预测与控制，而在离散/堆积类型的RPM中，单元体（分层体）制造中能量是主动地供给的，需要准确地预测与控制，对成形中的能量形式、强度、分布、供给方式以及变化等进行有效的控制，从而经由单元体的制造而完成成形。

目前，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，叠层实体制造，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、模具设计和制造等领域，RPM技术在汽车、电子、家电、医疗、航空航天、工艺品制作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用刀具，不需要前期投入专门安装，在逆向工程（Reverse Engineering）中有着广泛的应用。快速成型制造技术可实现低成本、高生产率和短周期的生产特点。从设计和工艺的角度出发可以设计形状复杂的零件，无需受时间、成本、可制造性方面的限制。

RPM技术系统的设计过程是一个创造性过程，同时也是一个不断完善的反复过程。进行系统设计时必须遵循两个基本原则。

（1）目标集中原则：在一个时间阶段内思考和解决的问题不能太多，否则会干扰主要问题的解决。

（2）满足目标原则：要求所设计出的新系统能满足系统的目标要求，使所设计的系统达到预期的目的。

（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，对于结构和内容比较复杂的系统，为了进一步确定它的可信程度，往往采用系统仿真技术，对系统的各组成结构的性质及其相互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。

制造自动化技术是先进制造技术的重要组成部分，主要是指制造系统开放式智能体系结构优化与调度理论、生产过程和设备自动化技术以及产品研究与开发过程自动化技术等。它包括数控技术、工业机器人、柔性制造系统、计算机集成制造系统、传感技术、自动检测及信号识别技术、过程设备工况监测与控制等。系统管理技术包括先进制造生产模式、集成管理技术、生产组织方法等。

随着机械制造技术的不断深入发展，将会越来越多的融入更高的人工智能技术，这需要我们机械制造从业者和研究者投入更多的心血和精力。

结语

先进制造技术对于机械制造来说是一种革命，这种变革所带来的效果是非常巨大的，比如，应用了先进制造技术可以使普通机床成为数控机床乃至加工中心；但先进制造技术还需充分利用计算机技术、传感技术和可控驱动元件特性，以实现机械系统的现代化、智能化和自动化。

参考文献

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