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簡(jiǎn)要闡述了先進(jìn)制造技術(shù)的理論，提出了先進(jìn)制造技術(shù)框圖，并給出了工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)的劃分方法，以及在目前國(guó)情下國(guó)有工程機(jī)械企業(yè)優(yōu)先發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的重點(diǎn)和方法。
自1995年國(guó)家將先進(jìn)制造技術(shù)作為專項(xiàng)列入《全國(guó)科技發(fā)展“九五” 計(jì)劃和到2010年長(zhǎng)期規(guī)劃》中以來(lái)，先進(jìn)制造技術(shù)的理論研究和應(yīng)用在我國(guó)得到了迅猛的發(fā)展。不同學(xué)者和研究人員針對(duì)各自領(lǐng)域提出了不同的觀點(diǎn)和看法，也相應(yīng)的提出了在不同領(lǐng)域和行業(yè)應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)的方法和步驟。筆者在廣泛查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)工程機(jī)械這個(gè)典型行業(yè)在面對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)的殘酷局面和新技術(shù)、新工藝的挑戰(zhàn)中，探討了先進(jìn)制造技術(shù)如何在該領(lǐng)域的應(yīng)用問(wèn)題。
1 先進(jìn)制造技術(shù)理論
1.1 先進(jìn)制造技術(shù)理論簡(jiǎn)介
先進(jìn)制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造技術(shù)不斷吸收機(jī)械、電子、信息、材料、能源及現(xiàn)代管理等方面的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、管理、銷售、使用、服務(wù)的制造全過(guò)程， 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，并取得理想技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的制造技術(shù)的總稱。
隨著經(jīng)濟(jì)的全球化和社會(huì)的信息化，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，顧客需求日趨多樣化。制造企業(yè)為了在競(jìng)爭(zhēng)激烈的全球市場(chǎng)求得生存與發(fā)展，必須解決TQCS難題，即以最快的上市速度(T—Tine to market)，最好的質(zhì)量(Q—Quantity)，最低的成本(C— Cost)，最優(yōu)的服務(wù)(S—Service)，來(lái)滿足不同顧客的需求。
狹義的先進(jìn)制造技術(shù)是指先進(jìn)的制造技術(shù)、制造工藝，比如超高速加工技術(shù)、電火花加工、高能束加工、復(fù)合加工、快速原型制造技術(shù)等等。廣義的先進(jìn)制造技術(shù)是建立在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上的先進(jìn)制造體系，包括以設(shè)計(jì)為中心的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，以制造為中心的虛擬制造，以管理、控制為中心的企業(yè)資源管理，以及建立在先進(jìn)制造工藝基礎(chǔ)上的先進(jìn)制造工廠等等。根據(jù)前人的觀點(diǎn)和行業(yè)的實(shí)際情況，筆者總結(jié)了“金字塔”形先進(jìn)制造技術(shù)框圖，如圖1所示。
1.2 先進(jìn)制造技術(shù)的特點(diǎn)
先進(jìn)制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，其顯著的特點(diǎn)是：
(1)先進(jìn)制造技術(shù)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高產(chǎn)品對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)力為目標(biāo)。
(2)先進(jìn)制造技術(shù)不局限于制造工藝，而是覆蓋了市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工和裝配、銷售、維修、服務(wù)，以及回收再生的全過(guò)程。
(3)強(qiáng)調(diào)技術(shù)、人、管理和信息的四維集成，不僅涉及到物質(zhì)流和能量流，還涉及到信息流和知識(shí)流，即四維集成和四流交匯是先進(jìn)制造技術(shù)的重要特點(diǎn)。
(4)先進(jìn)制造技術(shù)更加重視制造過(guò)程組成和管理的合理化和革新，它是硬件、軟件、智能(人)與組織的系統(tǒng)集成。
作為先進(jìn)制造技術(shù)一個(gè)重要組成部分的虛擬制造技術(shù)，計(jì)算機(jī)仿真是實(shí)現(xiàn)虛擬制造的主要手段。虛擬制造的最終實(shí)現(xiàn)就是利用不同層次的仿真手段來(lái)模擬和優(yōu)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)最短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、最低的生產(chǎn)成本和最高的生產(chǎn)效率。
“金”字形先進(jìn)制造技術(shù)框圖
圖1 “金”字形先進(jìn)制造技術(shù)框圖
1.3 先進(jìn)制造技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)
1.3.1 先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
(1)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)得到了普及，提高了企業(yè)的設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力。
(2)快速原型制造技術(shù)由起步邁向成熟，應(yīng)用初具規(guī)模。精密成形與加工技術(shù)水平大幅度提高，在汽車零部件、重大裝備制造中獲廣泛應(yīng)用。激光加工在基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)方面有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用獲得一定經(jīng)濟(jì)效益。
(3)熱加工工藝模擬優(yōu)化技術(shù)取得重要進(jìn)展，使材料熱加工逐步由“技藝”走向“科學(xué)”。
(4)數(shù)控技術(shù)取得重要進(jìn)展，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率有所提高。
(5)現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表研究開(kāi)發(fā)獲重要進(jìn)展，應(yīng)用已有一定基礎(chǔ)。
(6)微型機(jī)械研究進(jìn)展迅速，標(biāo)志著先進(jìn)制造技術(shù)正向微觀領(lǐng)域擴(kuò)展。
(7)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)研究和應(yīng)用取得突破，在國(guó)際上占有一席之地。
(8)新生產(chǎn)模式的研究和實(shí)踐具有特色，推動(dòng)了我國(guó)制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和管理現(xiàn)代化。
1.3.2 先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
(1)信息技術(shù)對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。
(2)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷現(xiàn)代化。
(3)成形技術(shù)向精密成形或凈成形的方向發(fā)展。
(4)加工技術(shù)向著超精密、超高速以及發(fā)展新一代制造裝備的方向發(fā)展。
(5)制造工藝、設(shè)備和工廠的柔性和可重構(gòu)性將成為企業(yè)裝備的顯著特點(diǎn)。
(6)虛擬制造技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)將廣泛應(yīng)用。
(7)智能化、數(shù)字化是先進(jìn)制造技術(shù)和機(jī)電產(chǎn)品的發(fā)展方向。
(8)以提高市場(chǎng)快速反應(yīng)目標(biāo)的制造技術(shù)將得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。
(9)綠色制造已成為21世紀(jì)制造業(yè)的重要特征。
(10)21世紀(jì)的企業(yè)面臨管理創(chuàng)新。
2 工程機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn)
2.1 工程機(jī)械行業(yè)目前的發(fā)展形勢(shì)
隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)投資的調(diào)控，工程機(jī)械行業(yè)從2003年、2004年的高速發(fā)展態(tài)勢(shì)有所回落，整體需求量增長(zhǎng)放緩。另外，根據(jù)對(duì)世界不同地區(qū)市場(chǎng)具體形勢(shì)的分析，2OO6年世界工程機(jī)械市場(chǎng)的增長(zhǎng)前景將明顯減弱。中國(guó)市場(chǎng)繼2004年明顯減緩增長(zhǎng)后，預(yù)計(jì)在2006年會(huì)繼續(xù)減緩乃至出現(xiàn)下降，從而進(jìn)入一個(gè)調(diào)整期。但是，鑒于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期增長(zhǎng)潛力和各類工程建設(shè)的長(zhǎng)期需求，預(yù)計(jì)中國(guó)市場(chǎng)將在第十一個(gè)五年計(jì)劃期間恢復(fù)增長(zhǎng)。
2.2 在工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展、應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)的理由
由目前國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)的主要配套件如發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、回轉(zhuǎn)減速器等長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，這對(duì)企業(yè)降低成本、加快上市時(shí)間帶來(lái)不可預(yù)料的影響。而其他零部件在國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)方式也較為落后，設(shè)計(jì)手段和方法較之國(guó)外更差一大截。在國(guó)外企業(yè)爭(zhēng)相利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)手段，提高產(chǎn)品的人性化需求的時(shí)候，國(guó)內(nèi)企業(yè)還在用價(jià)格戰(zhàn)廝殺和爭(zhēng)奪市場(chǎng)，在產(chǎn)品的技術(shù)升級(jí)換代上也落后于國(guó)外同行。
在國(guó)外工程機(jī)械領(lǐng)域，最先應(yīng)用的是虛擬樣機(jī)技術(shù)(VPT)。Caterpillar 公司是世界上最大的拖拉機(jī)、裝載機(jī)和工程機(jī)械制造商之一。Caterpiliar公司VPT技術(shù)從根本上改進(jìn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)了快速虛擬試驗(yàn)多種設(shè)計(jì)方案，從而使產(chǎn)品成本降低，性能卻更加優(yōu)越。同樣，作為生產(chǎn)工程機(jī)械的著名廠商John Deere公司，為了解決工程機(jī)械在高速行駛時(shí)的蛇行現(xiàn)象及在重載下的自激振動(dòng)問(wèn)題，公司的工程師利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，不僅找到了原因，而且提出了改進(jìn)方案，并且在虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上得到了驗(yàn)證，從而大大提高了產(chǎn)品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能。
因此，綜合虛擬樣機(jī)技術(shù)、先進(jìn)制造工藝等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的先進(jìn)制造技術(shù)，它在工程機(jī)械領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用，將加快縮短我國(guó)和國(guó)外工程機(jī)械的差距，提升國(guó)產(chǎn)配套件的質(zhì)量，減少國(guó)外配套件對(duì)國(guó)產(chǎn)工程機(jī)械的束縛。這一點(diǎn)，已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)的認(rèn)同。
3 先進(jìn)制造技術(shù)在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用初探
3.1 結(jié)合工程機(jī)械行業(yè)國(guó)情。優(yōu)先發(fā)展現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)
先進(jìn)制造技術(shù)是相對(duì)的，具有一定的功能和目的性。一定的先進(jìn)制造技術(shù)必須在相應(yīng)的環(huán)境中才能發(fā)揮其優(yōu)異的先進(jìn)性。先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展要結(jié)合國(guó)情及廠情，結(jié)合用戶需求、市場(chǎng)導(dǎo)向、本單位的發(fā)展方向，根據(jù)現(xiàn)存的技術(shù)水平、生產(chǎn)水平和企業(yè)能力，考慮先進(jìn)制造技術(shù)能否發(fā)揮其優(yōu)越性，以及對(duì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行多方論證，避免盲目地追求目前實(shí)施有一定困難的理想的先進(jìn)制造技術(shù)，力求使方案優(yōu)化并切實(shí)可行。
作為工程機(jī)械的標(biāo)志性產(chǎn)品— —挖掘機(jī)，有太多的課題待解決，太多的現(xiàn)象值得思考。幾乎所有國(guó)外著名品牌的挖掘機(jī)廠商都在中國(guó)投資，合資或提供技術(shù)，以便在中國(guó)龐大的市場(chǎng)中占領(lǐng)一席之地。面對(duì)國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)的巨大市場(chǎng)，中國(guó)品牌的挖掘機(jī)市場(chǎng)占有率不足10%，尤其是市場(chǎng)銷量最大、競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的20t級(jí)挖掘機(jī)，中國(guó)品牌更是不足5%。雖然我們擁有廉價(jià)的勞動(dòng)力成本，但是面對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的技術(shù)壁壘，國(guó)產(chǎn)品牌只有價(jià)格戰(zhàn)一條路可走。當(dāng)可靠性成為用戶的第一考慮因素而非價(jià)格因素時(shí)，國(guó)外品牌毫不謙虛的擠兌了國(guó)產(chǎn)品牌，原因很簡(jiǎn)單，國(guó)產(chǎn)挖掘機(jī)很少有自己的專有技術(shù)，而配套件基本上依賴進(jìn)口則直接導(dǎo)致上市時(shí)間，受制于人。
綜上所述，面對(duì)目前國(guó)情，只能依托“拿來(lái)主義”，積極運(yùn)用目前逐漸成熟的先進(jìn)制造技術(shù)武裝國(guó)內(nèi)的工程機(jī)械制造業(yè)，優(yōu)先發(fā)展現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)。隨著國(guó)內(nèi)機(jī)床業(yè)、裝備業(yè)的發(fā)展，以及高素質(zhì)人才的涌現(xiàn)，可以說(shuō)，已經(jīng)具備制造的優(yōu)勢(shì)。如果再把人才的優(yōu)勢(shì)利用起來(lái)，大力發(fā)展和應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)，并優(yōu)先發(fā)展“虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì) ”，筆者認(rèn)為必將有利于快速提高國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品的技術(shù)檔次。
3.2 先進(jìn)制造技術(shù)在液壓挖掘機(jī)企業(yè)的應(yīng)用
對(duì)于挖掘機(jī)行業(yè)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)5大結(jié)構(gòu)件、斗齒、駕駛室、履帶等等，但是發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、減速馬達(dá)等主要是進(jìn)口。在整機(jī)設(shè)計(jì)方面，也通常是“照葫蘆畫(huà)瓢”，在原有機(jī)型的基礎(chǔ)上修改，或者參考設(shè)計(jì)。對(duì)于整機(jī)的結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力學(xué)分析等做得很少。
筆者根據(jù)在挖掘機(jī)廠的工作經(jīng)驗(yàn)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)基于以設(shè)計(jì)為中心的先進(jìn)制造技術(shù)理論，提出圖2所示液壓挖掘機(jī)的虛擬樣機(jī)研究框圖。
液壓挖掘機(jī)的虛擬樣機(jī)研究框圖
圖2 液壓挖掘機(jī)的虛擬樣機(jī)研究框圖
在現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)企業(yè)一般都建立了自己的研發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并相應(yīng)的采用了CAD、CAPP技術(shù)，可以說(shuō)已經(jīng)初步具備了VPD的基本條件。因此，在現(xiàn)有的條件下，應(yīng)該首先倡導(dǎo)采用VPD技術(shù)，建立挖掘機(jī)的虛擬樣機(jī)，并根據(jù)國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)的使用工況和操作者技術(shù)狀態(tài)，通過(guò)虛擬樣機(jī)分析，對(duì)挖掘機(jī)的整機(jī)性能和可靠性作研究，以彌補(bǔ)因缺少設(shè)計(jì)手段而忽略的整機(jī)分析。
在虛擬樣機(jī)分析中，應(yīng)采用專業(yè)的建模軟件加專業(yè)的虛擬樣機(jī)分析軟件進(jìn)行。比如用Pro/ENGINEER軟件建模，用ADAMS軟件作運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，用ANSYS軟件作結(jié)構(gòu)分析較好，這樣可以強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合，得到比較滿意的分析結(jié)果。
在圖2中，各個(gè)模塊是相互關(guān)聯(lián)而不是獨(dú)立的。挖掘機(jī)企業(yè)可在自身?yè)碛械募夹g(shù)資源的基礎(chǔ)上，先做最關(guān)心的模塊如運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析模塊等。
4 結(jié)論
根據(jù)對(duì)中國(guó)工程機(jī)械市場(chǎng)和配套件市場(chǎng)的預(yù)期，未來(lái)5年國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)將迎來(lái)21世紀(jì)發(fā)展和壯大的重大機(jī)遇。面對(duì)機(jī)遇和國(guó)外行業(yè)巨頭的步步逼進(jìn)。國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)應(yīng)該奮起直追，充分應(yīng)用和發(fā)揮“先進(jìn)制造技術(shù)”的優(yōu)勢(shì)，狠下苦功，提高自身設(shè)計(jì)和制造能力，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，在供貨期與質(zhì)量比價(jià)格更為重要的買方市場(chǎng)時(shí)代，占據(jù)一席之地并立于不敗。
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