现代制造业的高新技术基础

一、现代制造业的高新技术基础

现代高新技术群的突破，将为制造业的产业结构、产品结构和创工艺技术的调整、开发和创新带来新的巨大动力。例如当代汽车工业，宝马745的电子元器件成本已占到总成本的45%，轿车工业越来越向自动化、信息化、智能化和绿色化发展。所以人们说，当代各大汽车厂家拼的是什么？高新技术！它不仅融入了汽车产品，也融入了汽车的设计、包装、储运、物流、营销、维修保养、售后服务和贸易等所有环节。

发达国家对制造业的重视首先表现在它们用高新技术加强技术基础，以保持它们在国际上拥有的优势地位。例如日本特别强调加强制造业的技术基础，它们认为，如果说科学技术是产业的种子，那么金属加工等制造业就是培育种子的土壤。日本政府1999年起草了《振兴制造业基础技术基本法》。美国政府1993年曾把“先进制造技术计划”列为1994年预算扶持的惟一科技领域。

1.数控技术

1952年，出现了由电子线路控制的数控机床，这种机床是将加工程序、加工要求和操作信息用数字及文字代码存储起来，通过计算后发出指令，控制伺服机构驱动机床的工作台或刀具进行加工。

1959年又制造了能按数字指令自动更换刀具并完成多种加工工序的数控机床，即加工中心(MC)。相对数控机床来说，加工中心的自动化程度、加工精度、生产效率和通用性都又提高了一步。20世纪70年代初，计算机逐步代替了数控机床中的逻辑控制电子线路，实现了计算机数控(CNC)。不久，又出现了由计算机直接控制多台机床的系统，即所谓的群控或直接数控(DNC)系统。20世纪70年代是数控技术大发展并达到普及的时期。我国1958年开始自制数控系统，研究数控技术，到20世纪80年代引进了国外先进的计算机数字控制装置，使数控技术进入了实用阶段。

数控技术的优点是:可以一次装卡定位，不但缩短了加工的辅助时间，而且减少了人为的加工误差，提高了加工精度，减轻了人的体力劳动；适于进行复杂外形零件的加工，其生产效率比普通机床提高了几十倍；只要按所要求的加工数据修改变换数控机床的控制程序，就可以加工多种零件，具有很大的灵活性，即具有了柔性，特别适于中小批量多品种的多工序零件的加工，能满足产品经常变更品种规格的需要；缩短了产品试制的周期，对市场的需求能做出迅速反应，从而使制造业发生了巨大的变化。

机械工业是国民经济的主要产业，它的产值占制造业总产值的40%。机床业则是机器大工业生产的技术基础。机床数控化是机床业技术进步的必由之路。数控技术为实现柔性生产系统、计算机集成制造系统、自动化工厂打下了坚实的技术基础。

多品种中小批量生产机制已成为现代制造业的明显特征。采用数控设备使中小批量生产效率大大提高了，所以，以数控技术为基础的柔性生产自动化不但在机械制造业中得到了普及应用，而且在纺织、钢铁等部门也得到了推广。

2.工业机器人

20世纪60年代工业机器人(图12-1)问世，并在与电子计算机、微电子技术相互渗透中，获得了飞速的发展。工业机器人实现了机械、微电子、信息技术的有机结合，是典型的机电一体化产品。

图12-1　工业机器人

工业机器人是机器人的一种，它由手臂、腕、末端执行器、机身和控制装置所组成，具有类似人的上肢运动和操作的功能。较高级的工业机器人装有感觉装置、电脑或者行走装置，具有感觉、识别、判断、决策和行走的功能。因此，又称为智能机器人。应用工业机器人有许多益处:①提高文明生产水平。机器人把人从单调、繁重、恶劣环境下的劳动中解放出来。②节省人力。一台机器人可以代替十几名，甚至几十名工人的工作，而且不用休息。③提高产品质量，降低成本。不论是简单的还是复杂的工作，哪怕重复千万次，机器人的工作仍然一样精细，不会疲劳、厌烦、偷懒、违规违制，并且很少出差错。④提高生产率。⑤易于改变产品品种。机器人是一种通用性好、灵活性强的自动化机器。⑥完成人难以完成的任务。机器人能在深海、严重灾害和污染的环境下工作，并能从事超精密加工(加工精度要求为零点几微米)和超洁净加工等。使用工业机器人有如此多的好处，自然引起世界各国对它的重视。现在工业机器人在发达工业国家已得到广泛的应用。例如，在汽车工业中，从运送原料到加工、焊接、喷漆、装配检验，绝大部分工作都是由工业机器人来完成。其他部门也广泛采用了工业机器人。工业机器人已成为自动化技术向智能化发展的骨干技术设备。

3.计算机辅助设计与制造

产品设计是制造业的灵魂。一般来说，设计开发阶段就决定着产品价值的80%，因此，工业设计的能力、水平、质量和效率成为一个制造企业市场竞争力的关键因素。现代产品的设计理论和方法的重心是将设计过程、开发过程和生产过程紧密地结合在一起。核心是对产品的功能结构、可加工性、价格、安全性、环境相容性和工业造型等进行综合优化，工具是计算机辅助设计与制造。

计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)是工业自动化向智能化发展中的另一关键性技术。

CAD/CAM是计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)相结合而组成的计算机应用系统。所谓计算机辅助设计，就是由计算机来完成产品设计中的计算、分析、模拟、制图、编制文件等工作。它是用计算机帮助设计人员进行设计的一种专门技术。

计算机辅助设计系统主要由计算机、输入装置、显示装置、快速绘图机、数据库以及程序软件等组成。

用计算机辅助设计系统进行设计的一般过程是:设计人员首先用键盘、数字板、光笔等输入工具，把设计方案输入到计算机中去，在显示器的荧光屏上便可以看到由计算机设计的产品图样。显示的图样是立体的，很清晰。图样可以按照设计人员的需要进行放大、缩小、平移、旋转，以便从各个角度观察所设计出的产品，并且进行修改，直到满意为止。由于计算机内早已存储了各种设计程序，所以在用计算机进行设计、计算和分析时，能选出最好的方案，设计出最好的产品。然后计算机控制绘图机，自动地画出产品的零件图、部件图。这些图的图形、符号、文字等都很正确、整齐，符合标准。最后，计算机还会编制必要的说明文件，并打印出来供生产者及以后查询资料者使用。

计算机辅助制造，就是用计算机对生产产品的设备进行管理、控制和操纵，最后完成产品的加工制造。具体说，就是让计算机根据设计出的图纸及生产文件，帮助人们制订生产计划、确定零部件加工顺序、选择加工机械和刀具，并确定加工数据。然后再将有关数据指令输送到个自动机器中进行自动加工，计算机根据各种传感器测出的数据，监视、修改其加工过程。最后再由计算机控制搬运机械进行运送，并控制检验机器进行必要的检验……总之，由计算机控制整个(或局部)加工过程，直到产品制造出来为止。

计算机辅助设计在20世纪60年代就得到了较为广泛的应用，80年代得到了普及和发展。计算机辅助制造原来使用计算机实现直接数控生产并监督生产过程，为操作人员提供校正操作的参数，后来则用于管理控制整个加工过程为生产管理提供数据和信息，以实现间接控制生产。20世纪70年代末计算机辅助设计与计算机辅助制造逐步结合起来，在80年代成为一项引人注目的自动化系统。90年代，计算机辅助设计与制造在标准化、系列化、模块化基础上，将进一步朝着网络化、集成化和智能化的方向发展。

采用计算机辅助设计与制造除能提高产品质量、性能、价值之外，更主要的是，采用计算机辅助设计与制造技术开发新产品，成本和开发时间均可减少1/3左右。对于现代产品的生产机制(多品种、中小批量生产)来说，计算机辅助设计与制造技术在生产体系结构、设计和制造信息处理模式等方面，都使传统生产方式发生了革命性改变。例如，1990年美国波音公司，在研制B-777飞机时，成功地利用计算机辅助设计(CAD)技术，在三天半时间里完成了“无纸设计”，成为制造业划时代的成就。

从工业机器人和计算机辅助设计与制造技术可以看出，微电子技术使工业自动化向智能化方向迈出了一大步，促使了制造业新的发展模式的不断涌现。

4.准时生产制

准时生产(JIT，也有人译为“恰逢其时生产，适时生产”)和成组技术(GT)是适用于计算机集成制造系统的新技术。

准时生产是指在随机得到订单的情况下，把产品所需的成千上万个零件都排定顺序，所有的加工件、外协件、外购件都按规定时刻出现在规定的加工或装配工位上，按规定的时间生产出产品，并立即交货。采用准时生产方式，生产车间(工厂)无中间仓库(只有中间存储器，用以存放很少、很小的储备件)，也没有成品仓库和堆积站，从而使生产周期短、成本低、资金周转快，获得多品种的一种高速度、高效率的生产。现在，成组技术仅在大量生产(如汽车、家电工业)中有所突破，在一般生产部门还没有得到推广。因为推行成组技术需要大量资料，而资料的实用性、使用的方便性以及保管等都需要很好解决，才能使这种技术在现代制造业生产中得到广泛的应用。

5.并行工程

目前，在世界上十分活跃的、企业界十分称道的并行工程(CE)也是一种制造新技术。并行工程是适用于计算机集成制造系统的另一种新技术。这是集成地、并行地设计产品及其相关过程(如制造过程)的一种系统方法。过去，采用顺序工程方法设计，先进行需求分析，然后进行产品设计，再进行生产过程设计，最后得到原型产品。这种设计方法，信息是单向地依次传递。采用并行工程方法，则将各个工程设计过程与其后续过程并行进行设计，而且上下过程之间信息是双向交流的，根据上、下过程的信息作出决策。这就是说，用并行工程方法，从一开始就要考虑产品整个生命周期中所有的因素，如用户要求、概念形成、进度计划、成本质量、报废处理，等等。采用并行工程可以提高产品质量(减少废品和返修品)，降低成本(减少投标费用，降低设计、生产成本，减少库存量)，缩短研制周期，使产品性能更好。当然，不论并行工程多么优越，应用和推广都必须进行充分的研究和实验，否则将事倍功半。

6.激光技术在加工制造业中的应用

激光是20世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力。专家们认为，现在是电子技术的全胜时期，其主角是计算机，下一代将是光技术时代，其主角是激光。激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

(1)激光加工技术的应用。目前已成熟的激光加工技术包括:激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。

激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成果，根据零件的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。

激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。

激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。

激光切割技术可广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。

激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米量级到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。

激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。

激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单，可大幅度降低生产成本，可加工0.125～1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。

激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%～0.002%，比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻(0.01～0.6微米厚)与厚膜电阻(20～50微米厚)的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。

激光存储技术是利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的一种技术，是信息化时代的支撑技术之一。

激光划线技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高(线宽为15～25微米，槽深为5～200微米)，加工速度快(可达200毫米/秒)，成品率可达99.5%以上。

激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。

激光热处理、表面处理技术包括:激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。

此外，还有几种应用广泛的激光加工技术。激光相变硬化(即激光淬火)是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和抗疲劳强度，国外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段。激光包覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一，具有很好的经济性，可大大提高产品的抗腐蚀性。激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方法，是未来应用潜力最大的表面改性技术之一，适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。激光退火技术是半导体加工的一种新工艺，效果比常规热退火好得多。激光退火后，杂质的替位率可达到98%～99%，可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/2～1/3，还可大大提高集成电路的集成度，使电路元件间的间隔缩小到0.5微米。激光冲击硬化技术能改善金属材料的机械性能，可阻止裂纹的产生和扩展，提高钢、铝、钛等合金的强度和硬度，改善其抗疲劳性能。激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度，速度比无激光照射快1 000倍，对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大意义。使用该技术可使电度层的牢固度提高100～1 000倍。激光上釉技术对于材料改性很有发展前途，其成本低、容易控制和复制、有利于发展新材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术，在控制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。电子材料、电磁材料和其他电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。

(2)激光加工技术的发展趋势。把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。①小型化和组合化。国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。②高频度和高可靠性。目前，国外YAG激光器的重复频度已达2 000次/秒，二极管阵列泵浦的Nd:YAG激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到1～2万小时。③采用激元激光器进行金属加工。这是国外激光加工的一个新课题。激元激光器能发射出波长157～350纳米的紫外激光，大多数金属对这种激光的反射率很低，吸收率相应很高，因此，这种激光器在金属加工领域有很大的应用价值。