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新制造改造“Made in China”
作者:曾娜
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CAD硬件/先进制造技术展厅
图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ...
目前,全球以计算机集成制造系统(CIMS)为主导方向的制造业已经进入了集成化、网络化、智能化的时代,作为制造大国,中国提升制造业技术水平和竞争能力的关键是新技术、新工艺的推广和应用。特别是,先进制造技术是传统制造业不断吸收机械、信息、材料的现代管理技术等方面的最新成果,并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程。

在此,本刊选取了5项先进制造领域涉及面广、应用研究十分活跃的关键技术——柔性制造、虚拟制造、敏捷制造、工业机器人和绿色制造,分析介绍其最新的研究成果与应用实例。

柔性制造

有关柔性制造的定义一直未形成统一的认识。不过无论如何,其主要特征是依靠有高度柔性的以计算机数控机床为主的制造设备,来实现多品种、小批量的生产。其总趋势是:生产线越来越短,越来越简洁,设备投资越来越少;中间库存越来越少,场地利用率越来越高;生产周期越来越短,交货速度越来越快;各类损耗越来越少,效率越来越高。

实现柔性制造可以大大降低生产成本,强化企业的竞争力。为了在残酷的竞争中生存和发展,企业就必须研究一些低成本并且能够快速反应的制造方法,柔性制造就是这些方法的总称。因此,与其说柔性制造是一种生产方式,不如说柔性制造是一种制造理念。

20世纪60年代末至70年代初,美国、日本、前苏联、德国等发达国家先后开展了柔性制造技术以及装备的研制工作。1976年,日本法纳科公司展出的柔性制造单元为发展柔性制造提供了设备基础。1980年代,随着柔性制造技术的成熟,柔性制造得到了迅速发展,并主要应用于飞机、汽车制造等。

以汽车制造业为例,依靠计算机、加工中心和数控机床组成的柔性自动加工系统,使从前的单一品种大批量的生产方式,转向中小批量、多品种、适应市场要求的精益生产方式,使汽车生产企业的经济效益和管理水平有了较大提高。

国外汽车工业中,主要汽车厂商如通用、福特、宝马、奔驰等公司都采用了柔性制造系统。例如,日本汽车业在1970年代开始大力发展柔性制造,到1987年已经形成较大规模,拥有数控机床2万余台,柔性制造生产线21条。柔性制造为日本汽车工业生产率追上并超过美国创造了条件。

中国国内汽车制造业也较早在一些工艺流程和产品制造中尝试了柔性制造。如第一汽车集团在焊装车间等使用多种机器人,在生产工序上机械手以及其他自动化设备不断增多,一定程度上可实现多品种的混线生产;上海通用汽车公司的柔性化生产线涵盖了各大总成及整车等制造环节,提高了产品换代速度。

随着各类先进加工技术的相继问世,柔性制造技术本身也在不断完善和提高。如瑞士的一家公司采用由激光加工中心及CNC自动车床和自动磨床组成的柔性制造单元,该单元由于改用激光加工中心来代替原来的铣床,生产率提高了很多倍,而且产品精度高、质量好。各种相关技术的不断进步,促使柔性制造规模不断扩大,将给制造业带来深刻的影响。

但需要指出的是,近30年的实践证明,尽管柔性制造生产模式大大推动了制造业的发展,但由于受到各方因素的制约,它的实际效果距人们的期望值还相差甚远。

虚拟制造

虚拟制造又称拟实制造,是1980年代后期美国首先提出来的一种新思想,它是利用信息技术、仿真技术、计算机技术等对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真,以发现制造中可能出现的问题,在产品实际生产前就采取预防措施,使得产品一次性制造成功,以达到降低成本、缩短产品开发周期、增强企业竞争力的目的。

在虚拟制造中,产品从初始外形设计、生产过程的建模、模型装配到检验,整个生产周期都是在计算机上进行模拟和仿真的,不需要实际生产出产品来检验模具设计的合理性,因而可以减少前期设计给后期加工制造带来的麻烦,更可以避免模具报废的情况出现,从而达到提高产品开发的一次成品率、缩短产品开发周期、降低企业制造成本的目的。

虚拟制造从提出到现在已历经了20多年,技术上得到了很大发展,应用方面也得到了广泛的扩展。许多学校、研究所、科研单位、大型企业等都在不断研究和应用虚拟制造技术。近年来,虚拟现实技术已较多应用到汽车开发工作中,并初步形成一种集专业理论、工程设计、科学试验等为一身的较为完整的应用体系。例如,美国福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术,大大缩短了产品的发布时间;日本几家大型汽车公司如三菱、丰田、本田,都在应用虚拟制造方面取得了较大的成果;法国雷诺汽车公司应用的全息技术的虚拟现实系统,具有很好的可视化水平,把虚拟技术在汽车模具中的应用推向了一个新的台阶。此外,波音公司设计的777大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机.它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

与国外研究相比,中国在虚拟制造方面的研究多数还停留在系统框架和总体技术上,实质性的面向应用的关键技术还有待提高。一些高校联合研究所和企业在虚拟制造理论方面进行了大量的研究,也开发出许多适合中国企业的技术。如同济大学与香港理工大学联合机械科学研究院研究的分散网络化制造、异地设计与制造等技术已经取得了不少进展;武汉理工大学智能设计与制造研究所与上海振华港机股份有限公司合作,开发出“集装箱装卸桥计算机辅助设计和仿真系统”;清华大学在虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究也取得很大的进展。但是,由于受到CAD/CAM/CAE/CAPP等基础软件、仿真软件、建模技术的制约,中国虚拟制造技术的研究多为虚拟制造的一些单元技术,研究的内容基本上为虚拟产品的装配、机床总体方案设计、虚拟测试以及虚拟企业等。

当前中国企业的虚拟制造主要是应用于生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。在对产品性能具有高科技含量要求的行业中,如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域,随着研究的不断深入和相关技术的发展,虚拟制造必将得到日益广泛的应用。

敏捷制造

1991年,美国里海大学的几位教授在美国国会和国防部的支持下,会同美国众多工业界的主要决策人在向美国国会提交的《美国21世纪制造战略报告》中,第一次提出推行敏捷制造。这是一种面向21世纪的新型制造模式,是为了提高企业的竞争能力,在“竞争—合作/协同”机制作用下,实现对市场需求做出灵活快速反应的新制造生产模式。

企业要在激烈的市场竞争中求得生存和发展,必须具有敏捷性,即具有在瞬息万变中把握各种机遇,并通过不断技术创新、产品创新来领导市场潮流的能力。敏捷制造作为现代生产管理模式之一,是一种以柔性生产技术和动态组织为特点,以高素质与协同良好的工作人员为核心,采用企业间网络技术,从而形成快速适应市场的社会化制造体系。与传统的生产管理模式相比,它是高度柔性化、无库存的生产组织方式,是以动态联盟为基础的生产组织模式,具有对市场需求反应敏捷、产品服务可以全程面向用户、达到充分的资源共享、充分调动和发挥“人”的作用的优势。

敏捷制造的战略着眼点是基于对产品和市场的综合分析,快速响应市场和用户的需求。因此,一方面要求企业在实施敏捷制造时必须不断提高企业应变能力,实现技术、管理和人员的全面、协调地集成,使产品设计、开发、生产等各项工作并行地进行;另一方面,要求企业必须不断提高新产品的研制开发能力,从而达到不断改进老产品,迅速设计和制造出高质量的新产品,以满足市场和用户不断提高的要求。

企业的敏捷制造实施方案主要包括市场分析与评估、敏捷化设计、敏捷化销售与服务合作等功能。方案实施是复杂的过程,需要领导推动,统一协调,完成相应的转变,选择适当的技术支持;需要对实施方案进行空间上、时间上、逻辑上的细化;需要经过方案设计、方案实施、运行与评价、方案改进、再实施的循环提高过程,逐步实施,不断改进。

1998年,时任长安汽车公司总裁尹家绪决定在长安实施“以实现敏捷管理为目标的信息化建设”,全面提升管理水平。长安汽车公司通过业务流程再造,计算机网络化管理、柔性制造技术等先进的管理技术或方法,在公司的财务、计划、生产、营销、产品研发等方面实现了以信息集成为核心的敏捷管理,从而提高了企业的竞争能力。

此外,宝钢集团研发的“客户驱动的宝钢敏捷制造系统”,获得了2004年度上海市科技进步一等奖。马钢、涟钢、攀钢等钢铁企业推广应用这一技术成果后,不仅实现了网上订货作业,还利用电子商务平台降低了上下游企业之间的过程管理成本,利用集成制造系统共享管理信息和设备数据提高了管理水平。该成果自推广应用以来,共创造直接经济效益约15亿元。

虽然中国对敏捷制造研究的时间很短,完整的理论体系尚未形成,具体的实施方法、手段和途径有待于进一步深入探索,但敏捷制造的基本思想和方法可以应用于绝大多数类型的企业,特别是制造加工企业,实现国内企业间的优势互补,强强联合应该是完全可行的。

工业机器人

工业机器人诞生于1960年代,在1990年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,是工业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

在中国,工业机器人的真正使用到现在已经20年了,从1980年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人,其中一些已实现了规模应用。

在众多制造业领域中,应用工业机器人最广泛的领域同样是汽车及汽车零部件制造业。2005年美洲地区汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求,占该地区所有行业对工业机器人需求的61%;亚洲地区的该比例也达到33%,位于各行业之首。

尽管工业机器人在中国汽车制造领域也是应用最广,但受劳动力成本因素的影响,与国外同行对工业机器人的使用率相比仍存在差距。但也有一些应用例子,如北京奔驰-戴姆勒·克莱斯勒汽车工厂,在生产国产克莱斯勒300C中,就应用了大量的机器人技术。

除了汽车制造业,我国在IT和信息家电方面对机器人的应用也较多。上广电NEC、北京京东方等都使用了上百台MOTOMAN的机器人,用于大尺寸液晶玻璃的无尘搬运。

近年来,为了保证产品在市场上有较强的竞争力,中国制造业中的大中型国有企业一直在不断加大采购工业机器人用于技术改造。而部分民营企业也逐渐认识到利用工业机器人来帮助生产价格合理的优质产品的种种优势,对工业机器人的采用量逐步增加。

目前而言,中国的工业机器人技术及其工程应用水平与国外相比还有一定距离,如可靠性低于国外产品,机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前中国的机器人生产都是针对用户的要求,“一个客户,一次重新设计”,品种规格多,批量小,零部件通用化程度低,供货周期长,成本也不低,而且质量和可靠性不稳定。因此,迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。

绿色制造

1990年代,国际上提出了绿色制造概念,又称清洁生产和面向环境的制造。它是在保证产品的功能、质量和成本的前提下,综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式,使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中,不产生环境污染或环境污染最小化,符合环境保护要求,对生态环境无害或危害极少,使资源利用率最高,能源消耗最低。

绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。在绿色制造中,其目标已不再局限于仅实现产品的功能和满足用户的需求,而必须在生产和消费等方面满足环保和节约能源的需求。

绿色制造对未来制造业的可持续发展至关重要,因而备受全球制造业的关注,已成为先进制造技术的主要内容和各国优先发展并支持的研究项目。目前,世界各国在绿色产品设计、绿色洁净生产、废旧产品的回收利用和再制造等方面,都开展了大量研究和开发工作,并取得了初步成果。美国于1990年代初建立了国家再制造与资源回收中心,以及再制造研究所、再制造工业协会。欧洲也通过了支持再制造的相关法律法规。日本富士施乐、佳能等公司都建立有废弃复印机回收点。

具体以汽车工业为例,当前全球汽车市场竞争激烈,为抢占市场,各大汽车公司都十分热衷于开发“绿色汽车”。所谓“绿色汽车”是指“对环境友好”、“零排放”和“几乎无声”的新型车,如通用汽车公司的“零排放”电动车辆的开发。就中国而言,现已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍。如上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术的研究,与福特公司合作,研究中国轿车的回收工程问题;上海交大与法国柏林工业大学IWF研究所也建立了合作关系,在废弃工业品回收方面展开工作。合肥工业大学则开展了机械产品可回收设计理论和关键技术及回收指标评价体系的研究。华中理工大学、浙江大学、北京航空航天大学等高等院校也同样开展绿色制造技术研究。

2007年3月1日,中国《电子信息产品污染控制管理办法》将正式实施。近日,创维、中兴等50多家电子信息产业巨头齐聚深圳,率先发布了“倡导绿色制造促进产业健康发展”的“绿色产业宣言”,倡导产业与环境和谐发展,共同推动绿色制造。

未来的制造业将是清洁化的制造业,推行绿色制造不仅为中国制造业创造了机遇,同时也带来了挑战。谁掌握了绿色生产技术,谁就掌握了主动权,就会在竞争中取得成功。长期坚持“环保、节能”理念的丰田汽车,销量超越福特汽车并行将超越通用的事实,就是很好的例证。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (3/26/2007)
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