先进制造技术概述.docx
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先进制造技术概述
现代制造技术
1 前言
传统的制造业是建立在规模经济的基础上，靠大规模批量生产、重复性劳动来获得
竞争优势，它强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率。
在当今知识经济
时代，传统制造业面临巨大的挑战，主要表现在产品的生命周期缩短、用户需求多样
化、新技术广泛应用等方面。
面对挑战，如何才能具有良好的竞争优势，持续提高企
业的效益，为社会提供优质的产品是每个企业必须考虑的问题。
技术的更新是推动企业向前发展的根本动力，对于制造行业来说尤其如此。
现代
制造技术主要包括先进的生产组织方式，先进的加工手段，先进的设计方法等方面。
先进的生产组织方式包括敏捷制造、精益生产、并行工程、智能制造、全能制造
和绿色制造等，其中以精益生产方式应用最广。
先进的加工手段包括数控技术、机器人技术、柔性制造技术和智能制造技术等，
其中数控技术和机器人技术是柔性制造技术和智能制造技术的基础。
先进的设计方法包括计算机辅助设计、计算机辅助工程、优化设计和可靠性设计
等，在实际应用上将计算机辅助设计（三维建模）、计算机辅助工程（有限分析）和优
化设计结合起来叫虚拟样机技术。
本文主要从精益生产方式、机器人技术和虚拟样机技术三个方面加以论述。
2 精益生产方式
精益生产方式就是丰田生产方式，起源于日本丰田公司的汽车生产流水线。
上个世纪 50 年代初，丰田公司副总裁大野耐一注意到制造过程中的浪费是制造
生产率低下和增加成本的根结，他从美国的超级市场受到启迪，形成了看板系
统的构想，提出了准时生产制，进而形成了精益生产方式，之后被多许多制造
企业所采用。
其基本思想是“彻底杜绝浪费”，追求产品制造的合理性以及节约
成本。
2.1 精益生产的体系
精益生产的核心内容是准时制生产方式 JIT（Just-in-time），该种方式通
过看板管理，成功地制止了过量生产，实现了“在必要的时刻生产必要数量的
必要产品”，从而彻底消除产品制造过程中的浪费，以及由之衍生出来的种种间
接浪费，实现生产过程的合理性、高效性和灵活性。
其组织结构如下图所示。
公司利润增加
经济性适应性
降低成本提高竞争力
准时化生产
看板管理
良好的外部
协作关系
均衡化生产
质量保证小批量生产同步化生产
全面质
量管理
自动化 设备的快
速准备
设备的合
理布局
标准作
业
多技能
作业员
全员参与的改善和合理化活动
良好的企业文化、良好的企业人力资源管理制度
图 2-1 精益生产方式组织结构图
精益生产的基础是良好的企业文化和良好的企业人力资源管理制度，在这
个基础之上，全员可以参与改善和合理化制造过程的活动，从而可以实现全面
质量管理、自动化水平的提高、设备的快速准备、设备的合理布局以及标准化
的作业模式。
全面质量管理和自动化水平的提高是产品质量的保证；设备的快
速准备和设备的合理布局是快速实现小批量生产的前提；标准的作业模式、设
备的合理布局以及多技能的作业员为同步化生产提供有力的保障。
小批量生产
和同步化生产结合在一起构成了均衡化生产。
质量保证、外协关系以及均衡化
生产通一由看板系统来管理，这样就实现了准时化生产。
这一过程减少了浪费，
从经济性角度讲，降低了产品的生产成本，从适用性角度讲，提高了产品的市
场竞争力。
在精益生产组织方式中，看板管理系统是核心。
2.2 看板管理
看板是用来控制生产现场的生产排程工具，也是一种传递信息的载体。
具
体而言，是一张卡片，卡片的形式随不同的企业而有差别，大到公司的生产计
划板，小到零件入库出库牌，都是看板的具体形式，如下图所示。
看板的共同
特点就是放在外面，全员都能看到，都能利用。
图 2-2 看板
看板的本质是在需要的时间，按需要的量对所需零部件发出生产指令的一
种信息媒介体，而实现这一功能的形式可以是多种多样的。
总体上分为三大类：
传送看板、生产看板和临时看板。
1．传送看板，主要是用来指示零件的出处及去向，或者是上序已经完成的
工艺及要进行的下序工艺。
对于单个的零件，传送看板一般挂在零件上；对于
成批的零件，传送看板一般挂在零件的存放区。
2．生产看板，一般放置在车间或工厂的显眼位置，标示出当前的产量、目
标的产量、班组产量及生产进度的信息。
3．临时看板，进行设备安全、设备修理、临时任务、或需要加班生产时所
使用。
在生产的各个方面，根据不同的使用要求都可以使用不同的看板，进行不
同的看板管理，从而实现准时生产的目的。
2.3 精益生产方式特点
精益生产方式主张消除一切不生产附加价值的活动和资源，将企业中的所
有的功能合理地加以组合，以利用最少的资源、最低的成本获得最大利润和最
佳应变能力，总结一下其特点有以下几个方面：
1.简化生产制造过程，合理利用时间，实行拉动式的准时生产，杜绝一切
超前、超量生产。
2.组织结构简化，权利下放给项目小组，发挥项目组的作用，采用项目组
协作方式而不是等级关系。
项目组不仅完成生产任务而且参与企业管理，从事
各种改进活动。
3.精简岗位与人员，每一个生产岗位必须是增值的，否则就撤除。
在一定
的岗位员工都是一专多能，及所谓的“多面手”，互相替补，而不是严格的专业
分工。
4.JIT 的供货方式，保证最小的库存和最少的在制品数。
为实现这种关系，
应与供货商建立起良好的合作关系，相互信任，相互支持，利益共享。
5.“零缺陷”的工作目标，即以最低陈本、最好质量、无废品、零库存与
产品的多样性。
3 机器人技术
应该说中国是最需要又最不需要机器人的国家。
中国人口众多，劳动力资
源丰富且廉价，从这一层面说用一个贵而笨重的机器人还不如雇一个人来的便
宜，但是我国要做世界强国就必须用最少的资源作更多的事，我们的企业必须
尽可能的采用高新技术来获得更高效率的生产，以高竞争力取胜，这就需要很
多的机器人，人是没有机器人那样的精确率，准确率和高效率的。
可能会有人
失业，但创造的就业机会更多，社会所得利益会更多。
3.1 机器人
图 3-1 变形金刚图 3-2 本田机器
人
提到机器人，大部分人可能会想到变形金刚或日本人形机器人，但是工业
领域机器人是完全不同的。
1956 年第一台工业机器人的诞生。
随着机器人的不
断发展和完善，对于机器人的定义也是多种多样的。
美国人认为，工业机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装
置的通过可编程序动作来执行种种任务的，并且有编程能力的多功能机械手。
日本人认为，机器人是一种装备有记忆装置的末端执行器，能够转动并通
过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器
而比较通用的定义是，工业机器人（Industrial Robot，简称 IR）是指在
工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、
多用途的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。
这种操作机可以固定在一个地方，也可以在往复运动的小车上。
在无人参
与的情况下，工业机器人可以自动按不同轨迹、不同运动方式完成规定动作和
各种任务。
图 3-3 工业机器
人
工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。
主体即机座
和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。
由于工业机
器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70 年代起，
常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。
3.2 机器人控制系统
机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成
特定的工作任务,主要包括以下几个部分：
1．控制计算机控制系统的调度指挥机构。
一般为微型机、微处理器有 32
位、。
64 位等，如奔腾系列 CPU；
2.示教盒示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥
有自己独立的 CPU 以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交
互;
3.操作面板 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作;
4.储存器 存储机器人工作程序。
5.数字和模拟量输入输出接口 各种状态和控制命令的输入或输出;
6.打印机接口 打印或记录需要输出的各种信息。
7.传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、
触觉和视觉传感器。
8.轴控制器 完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。
9.通信接口实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接
口、网络接口等。
图 3-4 机器人控制系统组成框图
3.4 机器人的主要应用领域
1.焊接机器人
焊接是机器人应用的主要领域，我国机器人焊接技术领域的学术研究与应
用推广工作开展大约 15 年左右的历史了。
焊接机器人体现多学科的综合。
包括
机器人焊接系统，配套设备系统，机器人焊接自主规划，焊缝跟踪传感控制，
焊接过程传感，智能化焊接技术等。
实现焊接生产的自动化突出表现为生产系
统的柔性化和焊接控制系统的智能化。
目前则要求精确控制轨迹的多自由度的
弧焊机器人。
2.喷漆机器人
喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成。
多采
用 5 或 6 自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运
动，其腕部一般有 2～3 个自由度，可灵活运动。
较先进的喷漆机器人腕部
采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能
方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。
喷漆机器人一般采用液
压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示
数来实现示教。
喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部
门。
图 3-5 焊接机器人图 3-6 喷漆机器人
3 柔性制造系统
机器人技术最重要的应用是与数控机床一起构成柔性制造系统。
柔性制造
系统是一个计算机控制的生产系统；该系统一般由数台数控机床和相应的物料
输送系统组成。
其中，数控机床提供了灵活的加工工艺，物料输送系统将数控
机床互相联系起来，计算机对设备的动作进行监控及控制。
由于柔性制造系统
工序的无序性，所以物料传送系统一般由机器人和传送带来配合实现。
典型的
柔性制造系统如图 3-7 所示。
图 3-7 柔性制造系统中的机器人
4 数字化样机技术
数字化样机技术是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用
而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。
目前它主要包括：
优化设
计、虚拟设计、有限元分析方法等。
在项目设计中要综合运用各种技术，实现
项目的高效、低耗地完成。
4.1 优化设计
优化设计是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在所有可行方案中寻
求最佳设计方案的一种现代设计方法。
在进行工程优化设计时，首先把工程问题按优化设计所规定的格式建立数
学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，
得到工程设计问题的最优设计方案。
目前，对于某项工程或产品进行优化设计，还很难处理概念设计、全系统
和全性能的优化设计问题，一般只能在某个已确定设计方案的前提下，寻求使
该方案达到最佳品质、性能或使其达到预定目标的结构参数（设计参数）的最
优组合，因而有时又称它为参数优化设计。
在建立优化设计数学模型的过程中，把影响设计方案选取的那些参数称为
设计变量；设计变量应当满足的条件称为约束条件；而设计者选定来衡量设计
方案优劣并期望得到改进的指标表示为设计变量的函数，称为目标函数。
设计
变量、约束函数、目标函数组成了优化设计问题的数学模型。
优化设计需要把
数学模型和优化算法放到计算机程序中用计算机自动寻优求解。
常用的优化算
法有：
0.618 法、鲍威尔（Power）法、变尺度法、复合型法、惩罚函数法。
优化设计的一般流程如下图所示。
机械设计问题
输出结果
是
适用否
否
定义优化设计问题
1 设计要求
2 设计参数
3 设计条件
建立数学模型
1 设计变量 x
2 准则函数 f （x）
3 设计约束条件
gu （x） ≤ 0 u = 1, 2,L , n
hv （x） = 0 v = 1, 2,L , m
方案的合理性
和实用性分析
最优设计解
**
设计的原始数据
是 否
是否最优
迭代计算
x（k+1） = x（k ） + ∆x（k ）
k = 0,1, 2,L
计算准则函数 f （x
（k+1）
）
图 4-1 优化设计的一般流程图
可以通过 ANSYS 软件进行优化设计，如果不太喜欢用的话，可以自己编优
化算法，利用 VB、VC、FORTRON 等语言。
4.2 虚拟设计
虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空
间关系以及运动学和动力学特性。
借助于这项技术，设计师可以在计算机上建
立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动
力特性并根据仿真结果精简和优化系统，通用的虚拟设计软件有
Pro/E,UG,Solid Works 等。
在产品的设计过程中，可以通过三维建模软件建立主要机构的三维模型，
检查设计数据的合理性，以及为后续分析和设计做准备。
建立的氯气压缩机的
叶轮以及其与高速轴组装后的三维模型如图所示
图 4-2 叶轮三维模型图 4-3 叶轮与高速轴组装
建立机械各个部件的三维模型之后，可以完成机体的整体组装，以及机体
整体的运动分析
图 4-4 小型氯气压缩机总体组装
图
三维模型建立之后，后续系列化的机组只要通过修改三维模型的相关参数
就可生成新的模型，可以方便地看出设计的各个尺寸是否合理，各个机构之间
时候干涉。
4.3 有限元分析法
有限元法（Finite Method）是以电子计算机为工具的一种数值计算方法。
目前，该方法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题（如结构力学、
流体力学、热传导、电磁场等方面的问题）的求解，而且还可以用于工程设计
中进行复杂结构的静态和动力学分析，并能准确地计算复杂零件的应力分布和
变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有利分析工具。
通用的有限元分析软件有很多，但 ANSYS 最为常用。
使用 ANSYS 分析
问题时一般包含三个主要的步骤：
前处理、加载及求解、后处理。
前处理是指
创建实体模型及其有限元模型等，包括创建实体模型，定义单元属性，划分有
限元网格，修正模型等几项内容；加载及求解是指定义要分析实体的边界条件
以及相应的载荷等，确认载荷及边界条件无误后进行求解运算；后处理是指对
求解结果进行观察，得出分析结论。
实例分析：
已知有轴和叶轮为过盈配合，过盈量为 0.15mm,分析在转速为
10000r/min 时，接触面的应力。
其具体过程如下图所示：
图 4-5 建
模
图 4-6 划分网格
图 4-7 加载图 4-8 结果查看
通过 ANSYS 的分析，我们就可以达到高速旋转的叶轮和中心轴的各个点的
应力的大小，为设计提供依据。
5 总结
当今社会正在由工业经济时代步入知识经济时代。
知识经济是以知识为基
础的经济，它直接依赖于知识和信息的生产、扩散和应用。
针对不同的制造企
业要从实际出发，学习先进的技术，考虑如何在在实际生产中应用，来提高企
业的市场竞争力，生产高质量的产品，增加企业的效益。
针对以上提到的先进
技术，其应用的流程如下。
客户要求
确定各设计参数
系统工艺设计
新产品研发 老产品生产
产
引入先进生产组织方式
1. 精益生产
设计问题
2. 并行工程
虚拟样机
满足加工否
N
3. 智能制造
引入先进加工手段
Y
机加工艺设计
工艺问题
1. 数控加工
2. 机器人技术
3. 柔性加工技术
满足机加否
NN
Y
样机制造满足设计否
Y
批量生产
图 5-1 先进技术应用流程图
企业的生产主要包括两个方面，新产品的研发和老产品的批量生产。
当然
新产品和老产品之间没有严格的界限，当新产品研发成功之后，开始批量生产，
就转入了老产品生产环节，当老产品需要技术改造时，就相当于开始了新产品
的研发。
而且，正是由于有老产品生产经验的积累，才可能完成新产品的研发。
在机械制造的整个过程中，成本的控制，80%以上来自于设计，也就是说，
在整个制造加工过程中，产品的结构设计起着决定性的作用。
所以，对于现代
制造企业来说，推广先进的设计方法尤为重要。
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