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先進制造技術之初探

作者:admin 更新時間:2019年03月19日 17:05:19

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


  關鍵詞:先進制造技術,RPM技術,現代設計技術


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


  機械系統設計及制造技術是把機器看作具有特定功能的、相互間存在有機聯系的統一體。機械系統設計從系統的觀點來進行機器的設計,并從使用效果為終結點來制造,將會有利于機器設計及制造的創新性、多樣化和綜合最優化。


  先進制造技術,簡稱AMT,即AdvancedManufacturingTechnology,是美國于80年代提出。當時,各國制造業面臨復雜多變的外部環境,傳統的制造技術變得越來越不適應快速變化的環境,先進的制造技術,尤其是計算機技術和信息技術在制造業中廣泛應用,美國根據本國制造業的挑戰與機遇,為了加強其制造業的競爭能力和促進國民經濟增長提出先進制造技術這一專有名詞,一經提出,立即獲得歐洲各國、日本及亞洲新興工業化國家的響應。


  先進制造技術是制造業不斷吸收機械、電子、信息(計算機與通信、控制理論、人工智能等)、能源及現代化系統管理等方面的成果,并將其綜合應用于產品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務乃至回收的制造全過程,以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活生產,提高對動態多變的產品市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱。


  對先進制造技術的研究可分為四大領域,分別是:現代設計技術,先進制造工藝,自動化技術,系統管理技術。


  現代設計技術是根據產品功能要求和市場競爭(時間、質量、價格等)的需要,應用現代技術科學知識,經過設計人員創造性思維、規劃和決策,制定可以用于制造的方案,并使方案付諸實施的技術。現代設計技術使產品設計建立在科學工作者的基礎上。隨著科學工作者技術落后的不斷發展,其設計范疇也不斷地擴大,從單純的產品設計擴展到全壽命周期設計,包括考慮環境因素的綠色設計;在設計的組織方式上,從傳統的順序設計方式過渡到并行設計方式;在設計手段上,從傳統的手工設計向現代化計算機輔助設計過渡。


  先進制造工藝技術是先進制造技術的核心和基礎。它是機械制造工藝不斷變化和發展后所形成的制造工藝技術,包括了常規工藝經優化后的工藝,以及不斷出現和發展的新型加工方法。其主要技術體系由先進成形加工技術、表面工程技術等技術構成及先進制造加工技術。在此重點提一下快速原型制造技術。快速原型/零件制造(RapidPrototype/PartManufacturing,簡稱RPM)技術是20世紀后期起源于美國,并很快發展起來的一種先進制造技術,RPM技術是近20年來制造技術領域的一次重大突破。RPM技術是綜合利用CAD技術、數控技術、材料科學、機械工程、電子技術及激光技術的技術集成以實現從零件設計到三維實體原型制造一體化的系統技術。RPM技術采用(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合,堆積出三維零件,該零件作為CAD模型的物理體現與之對應,此為物理過程。RPM技術中,物理堆積過程具體是通過采用粘結、熔結、聚合作用或化學反應等手段,逐層可選擇地固化樹脂、切割薄片、燒結粉末、材料熔覆或材料噴灑等方式來實現的,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。快速成形原理如(圖1)示所示。


  RPM技術的內涵即其成形機理和工藝控制與傳統成形方式有很大差別,主要表現在: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(其中激光是經常應用的)實現材料的轉移與堆積;原型是通過堆積不斷增大,其力學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小及施加方式有密切關系;在成形工藝控制方面,需要對多個坐標進行精確的動態控制。能量在成形物理過程中是一個極為關鍵因素,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行精確的預測與控制,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,需要準確地預測與控制,對成形中的能量形式、強度、分布、供給方式以及變化等進行有效的控制,從而經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,如光固化立體成形,疊層實體制造,選擇性激光燒結,熔融沉積成形,三維印刷工藝等。


  快速成型技術即可用于產品的概念設計、功能測試等方面,又可直接用于工件設計、模具設計和制造等領域,RPM技術在汽車、電子、家電、醫療、航空航天、工藝品制作以及玩具等行業有著廣泛的應用。快速成型技術應用于產品加工時不用刀具,不需要前期投入專門安裝,在逆向工程(ReverseEngineering)中有著廣泛的應用。快速成型制造技術可實現低成本、高生產率和短周期的生產特點。從設計和工藝的角度出發可以設計形狀復雜的零件,無需受時間、成本、可制造性方面的限制。


  RPM技術系統的設計過程是一個創造性過程,同時也是一個不斷完善的反復過程。進行系統設計時必須遵循兩個基本原則。


  (1)目標集中原則:在一個時間階段內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)滿足目標原則:要求所設計出的新系統能滿足系統的目標要求,使所設計的系統達到預期的目的。


  (圖2)為系統設計步驟的框圖,表示了系統設計的概要內容。


  在系統設計完成之后,對于結構和內容比較復雜的系統,為了進一步確定它的可信程度,往往采用系統仿真技術,對系統的各組成結構的性質及其相互關系建立具有一定邏輯關系和數學性質的仿真模型,根據仿真模型對系統進行定量分析,以獲得鑒定所需的信息。


  制造自動化技術是先進制造技術的重要組成部分,主要是指制造系統開放式智能體系結構優化與調度理論、生產過程和設備自動化技術以及產品研究與開發過程自動化技術等。它包括數控技術、工業機器人、柔性制造系統、計算機集成制造系統、傳感技術、自動檢測及信號識別技術、過程設備工況監測與控制等。系統管理技術包括先進制造生產模式、集成管理技術、生產組織方法等。


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


  結語


  先進制造技術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,應用了先進制造技術可以使普通機床成為數控機床乃至加工中心;但先進制造技術還需充分利用計算機技術、傳感技術和可控驅動元件特性,以實現機械系統的現代化、智能化和自動化。作者: 張龍泉

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