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          發布時間:2020-05-20 00:00:00

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          影響我國制造業發展的八大機械工程技術問題

          影響我國制造業發展的八大機械工程技術問題

          • 分類:行業動態
          • 作者:
          • 來源:
          • 發布時間:2013-10-31
          • 訪問量:0

          【概要描述】全球進入空前的創新密集和產業變革時代,科學技術領域發生革命性突破的先兆愈加明顯。信息技術向其它領域加速滲透和向深度應用發展,將引發以智能、泛在、融合為特征的新一輪信息產業變革,引領機械產品向智能化方向發展。增長模式深度調整的巨大壓力,將促進新型環保節能技術、新能源技術加速突破和廣泛應用

          影響我國制造業發展的八大機械工程技術問題

          【概要描述】全球進入空前的創新密集和產業變革時代,科學技術領域發生革命性突破的先兆愈加明顯。信息技術向其它領域加速滲透和向深度應用發展,將引發以智能、泛在、融合為特征的新一輪信息產業變革,引領機械產品向智能化方向發展。增長模式深度調整的巨大壓力,將促進新型環保節能技術、新能源技術加速突破和廣泛應用

          • 分類:行業動態
          • 作者:
          • 來源:
          • 發布時間:2013-10-31
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          詳情

            全球進入空前的創新密集和產業變革時代,科學技術領域發生革命性突破的先兆愈加明顯。信息技術向其它領域加速滲透和向深度應用發展,將引發以智能、泛在、融合為特征的新一輪信息產業變革,引領機械產品向智能化方向發展。增長模式深度調整的巨大壓力,將促進新型環保節能技術、新能源技術加速突破和廣泛應用,推動機械產品綠色化發展。同時,重大技術創新將更多地出現在學科交叉領域,各類技術之間的相互融合也將更加頻繁,將會產生新的技術系統變革、重大學科突破以及新一輪科技革命及產業革命??梢灶A計,在今后的5~20年,這些技術將發生重大創新突破,并將有可能引發機械工程技術的巨大變革,推動機械工業向綠色化、智能化、服務化方向發展。

            未來20年是我國制造業實現由大變強,確立在世界領先地位的關鍵歷史時期,中國機械工程學會組織編寫了《中國機械工程技術路線圖》,不僅提出11個領域的技術路線圖,而且在其基礎上凝練出若干能影響到機械工業,以至制造業發展進程的重大、前沿性、標志性的8大技術問題。

            1 復雜系統的創意、建模、優化設計技術

            建模、仿真、優化及協同管理是機械設計技術不變的核心和關鍵。復雜機電系統擁有復雜的層次結構,組成復雜系統的各分系統、子系統與元素之間既相對獨立,又相關聯,上級系統擁有下級系統不具備的屬性和功能。復雜機電系統往往是機、電、液、控等多領域物理與信息技術的高度融合,具有多層次、多目標、多時空、高維度、非線性、不確定性、開放性等特征。隨著計算、通信、感知、控制等技術的相互融合,復雜機電系統將進一步呈現出智能化、網絡化、復合化、分布式和嵌入式等技術特征。

            進入21世紀以來,復雜機電產品所要滿足的需求層次越來越豐富和多樣,如何有效地將用戶的文化與情感需求融入到復雜機電產品的創意設計之中,是需要人們繼續探求的課題。歐美日韓等國制定了符合地域文化與情感的設計發展規劃和產業集群模式,美國建立了以技術和互聯網文化為代表的硅谷、歐洲研發了現代技術與傳統品牌文化相融合的產品。融入文化與情感的創意設計技術屬于多學科交叉結合的新技術,其關鍵技術主要有:創意認知與協同設計技術,情感表達與評價技術,文化品牌、文化構成及多元文化融合設計技術等。

            航空航天設備、大型交通運輸工具、精密制造和加工設備、成套物料處理過程設備、工程機械、微納機械、光電通訊設備都是復雜機電系統,掌握復雜機電系統創意、建模、仿真和優化設計技術,必將大幅提升我國重大裝備的自主設計能力和我國機械工業的技術創新能力。

            20世紀90年代,計算機輔助設計、計算機輔助工程、計算機輔助制造、產品數據管理(C3P:CAD/CAE/CAM/PDM)技術在國際工業界普及,相關軟件成了產品建模、仿真、優化不可缺少的工具。近10年來,為適應復雜機電產品的設計需求,C3P發展成為M3P,即多體系統(Multibody System)動態設計、多學科協同(Multi-discplines colaberative)設計、基于本構融合的多領域物理建模(Multi-domain physical Modeling)及全生命周期管理(PLM)技術組成了當今計算機輔助產品建模、仿真、優化及管理的新一代技術特征。

            以信息物理融合為標志的復雜技術系統,實際上是計算進程與物理進程的統一體,是集計算、通信與控制于一體的新一代智能系統。歐洲學者研發的多領域統一建模語言Modelica具有領域無關的通用模型描述能力,能夠實現復雜系統的不同領域子系統模型間的無縫集成。以美國為首的領域學者提出了信息-物理系統融合(Cyber-Physical System,CPS),旨在在統一框架下實現計算、通訊、測量以及物理等多領域裝置的統一建模、仿真分析與優化。國際多領域物理統一建模協會在Modelica3.0基礎上,最近推出多領域物理表達規范Modelica3.3,力圖在此基礎上支持網絡化、分布式、嵌入式系統建模與仿真。我國啟動了題為《支持工業嵌入式應用建模與仿真的三維功能樣機設計平臺》的跟蹤性研究計劃。

            基于CPS的復雜技術系統建模、仿真和優化技術的發展和普及將大大加速汽車、航空航天、國防、工業自動化、精密儀器、重大基礎設施等領域裝備的轉型升級,不斷提高其市場競爭力;將催生出眾多具有計算、通信、控制、協同和自治性能的功能創新產品,甚至產生新的行業。

            2 零件精確成形技術

            零件精確成形技術是指應用先進的成形工藝、嚴格的幾何尺寸(控形)和內在質量控制(控性)技術,生產高幾何尺寸精度、高內在質量的零件或零件毛坯的先進制造技術。零件精確成形技術的先進性體現在:(1)節約材料與能源:材料利用率一般較傳統的成形工藝提高20%-40%,冷精鍛精確成形可使材料利用率提高到98%以上,精確鑄造成形技術也可達到90%以上。精確塑性成形技術大多數是在室溫下實施的,免除了加熱工序,節約了加熱能量,大大減少了零件生產過程的能量消耗。(2)免除或減少成形后續加工:凈成形零件的幾何形狀與尺寸,已全部達到零件的使用要求,成形后即可使用,完全免除后續加工;近凈成形產品,關鍵部位已達到使用要求,不需后續加工,一般可節約加工工時50%以上;精密成形產品,一部分尺寸已滿足使用要求,其余部分留有較小的加工余量,一般可減少加工工時30%以上。(3)提高零件的內在質量:成形過程中還同時考慮通過控制溫度、壓力、流體場、電磁場等外部載荷的施加,使得最終零件達到相應的性能。因此,發展零件精確成形技術,對機械工業節約資源、能源和環境友好,實現可持續發展意義重大。

            工業發達國家非常重視零件精確成形技術的發展。上世紀90年代初,美國針對汽車車身生產提出了“2毫米工程”目標,即一輛汽車車身所有覆蓋件組裝后的累積誤差不超過2毫米,顯而易見,分配到每一個工件的誤差就更小。這一工程的實施,使汽車車身制造水平上了一個新臺階。美國又提出新的目標:到2020年,塑性成形零件加工廢屑減少90%,能耗減少25%,成本降低60%。日本、德國等工業發達國家也提出了相應目標。日本、德國是零件精確成形技術發達的國家,冷溫精確成形件精度普遍達到8級精度,小型軸承環、小型傘齒輪已達到7級精度,冷溫精確成形件已占模鍛件的25%。我國冷溫精確成形件比德日兩國低一級,普遍達到9級精度,少量達到8級精度,精確成形件只占模鍛件的5%。德日兩國精確成形大多數是在全自動生產線上實現,而我國全自動生產線鳳毛麟角,差距較大。上世紀80年代在國外發展起來的增量制造技術(也稱為快速成形技術)采用CAD數據直接驅動材料進行累加,精確制造原型或零件,使得復雜零件的制造效率大幅度提高。國外的許多企業將增量制造技術應用在復雜結構的制造上。美國通用電氣公司在采用金屬選區激光燒結技術制造航空發動機的復雜零部件,與傳統加工方式相比,增量制造技術可以加工復雜零部件,且更省材料、時間和能源,因此,在航空航天、大型艦船復雜結構零部件制造和維護方面具有優勢。

            精確成形技術在汽車、航天航空、大型艦船等制造業具有廣闊的應用前景,發展先進精確成形技術,對于大批量產品以及多品種、小批量、復雜性零部件的生產具有十分重要的作用,它可大大提高零件的制造水平,并且節約資源和能源。

            3 大型結構件成形技術

            大型鑄、鍛、焊結構件是大型裝備中的關鍵核心構件,其受力繁重,工況特殊,安全可靠性與技術要求極高。大型結構件的成形制造涉及冶金、鑄造、鍛造、焊接、熱處理等多種制造工藝,制造過程復雜,技術含量高,涉及眾多學科領域的集成。

            2005年我國大型結構件的使用量已占世界總量的60%,成為世界大型鑄鍛件使用的第一大國。我國在大型結構件鑄造能力上已經有了重大突破。2009年采用重560t的特大型鋼錠在160MN水壓機上成功鍛造我國首支1100MW核電發電機半速轉子,鍛造的轉子直徑2050mm,總長16400mm,坯料重310噸。但從總體看,我國大型結構件的成形技術的整體水平遠落后于發達國家。例如:我國急需的重大裝備-超臨界汽輪發電機機組的高中壓轉子全部依賴進口。發達國家的大型件生產制造技術對中國嚴格保密,甚至嚴格限制產品出口。

            隨著我國經濟在今后20年里繼續快速增長,能源、冶金、石化、船舶、航空航天等產業的發展對大型結構件成形技術的發展帶來了更為廣闊的前景,提出了更高的要求。如發展不銹鋼鑄件鑄造成形技術,高溫合金單晶葉片定向凝固技術,復雜結構件精密體積成形技術,大型焊接結構的自動化、智能化焊接技術。

            4 高速精密加工技術

            機械工業,特別是汽車工業的發展對生產效率提出了更高的要求,提高效率的一條重要途徑是提高加工的速度,實現高速化。同時,航空航天等領域某些特殊難加工材料也必須采用高速加工才能達到設計要求。國際上,金屬切削機床的主軸轉速已達到20000r/min、進給速度最高可達100m/min、加速度1g。

            高速精密加工具有生產效率高、加工精度高、表面質量高和生產成本低的優點。高速切削刀具的發展改變了加工工藝,“以切代磨”使加工后的表面質量提高,可直接加工硬度達50-60HRC的淬硬材料。另一方面,強力成型磨削工藝可實現“以磨代切”,一次磨削25~32mm,比普通磨床要快數百倍。高速精密加工正成為機械工業應用最廣泛的加工方法之一,在航空航天、汽車及零部件、模具等行業發展迅速,高速高精密數控機床在這些行業中將逐漸占主導地位。與此同時,新型刀具如超硬刀具、新型涂層刀具層出不窮,使得高速高效切削條件下刀具壽命顯著增長,將進一步拓展高速精密切削技術的應用范圍。

            高速精密加工技術主要應用在宏觀尺度零件加工和部分微細零件加工,提高加工速度、幾何精度和降低表面粗糙度,以保證實現所構成機器部件配合的可靠性,運動副運動的的精準性,長壽命、低能耗和低運行費用。傳統的精密加工將會在現代科學技術的推動下,創造新一代高速、高精度加工新技術。預計到2020年,1--10μm精密加工級高速加工,表面粗糙度可達0.02-0.4μm,用于鋼鐵的銑削速度達到400-500m/min。預計到2030年,0.5--1μm超精密加工級高速加工,表面粗糙度可達0.01-0.2μm,用于鋼鐵的銑削速度達到1500-2500m/min,并為深亞微米精度級高速加工技術(精度優于0.3μm)提供技術支持。

            5 微納器件與系統(MEMS)

            微納器件與系統是利用微納和精密加工技術,集約電子、機械、材料、控制等新技術發展,針對物聯網、生物、醫療、汽車、機械制造等產業的需求,研制能夠解決傳感、測量、驅動、能源等問題的器件、部件和系統。目標是以批量制造技術生產低成本、高精度、高可靠性的微納器件,拓展終端產品功能,提高終端產品性能,降低終端產品功耗和成本。

            微納器件與系統的主要特征是:微型化。器件特征結構尺寸范圍0.1mm-1mm。集成化。集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通訊和電源等于一體。高性能。體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短、性能穩定。批量化。有利于大批量生產,降低生產成本。

            從上世紀80年代以來,以美國、日本、西歐為代表的發達國家特別注重發展MEMS技術。我國微納器件和系統的發展起源于上世紀90年代,從“九五”起,經過三個五年計劃的支持,已經在制造平臺建設和工藝研究、以慣性器件為主的器件研究、便攜式儀器研究、微流體器件和系統、以微納衛星為代表的集成微系統等方面取得了一系列突破。目前在整體技術水平上與國外尚有明顯差距,但在個別領域,已經達到國際先進甚至領先水平。

            未來20年,微納器件和系統將取得突破性的進展,朝著微納結合、集成化、儀器化、智能化的方向迅速發展。NEMS器件占微納傳感器件的份額將提高到50%以上;黑硅材料成為光伏器件的主流,轉換效率達到50%以上;將有望用MEMS技術解決復明、復聰等問題。

            6 智能制造裝備

            20世紀50年代誕生的數控技術、以及隨后出現的機器人技術和CAD技術,開創了數字制造的先河,加速了制造技術與信息技術的融合,從此,信息技術成為制造技術發展的重要驅動力之一。智能制造是研究制造活動中的信息感知與分析、知識表示與學習、智能決策與執行的一門綜合交叉技術,是實現知識屬性和功能的必然手段。智能制造技術推動了機械制造、航空航天、電子制造、化工冶金等行業的智能化進程,孕育和促進以制造資源軟件中間件、制造資源模型庫、材料及工藝數據庫、制造知識庫、智能物流管理與配送等為主要產品、為制造企業提供咨詢、分析、設計、維護和生產服務的現代制造服務業。智能制造技術主要包括制造智能技術、智能制造裝備技術、智能制造系統技術、智能制造服務技術。

            智能制造裝備是注入了數字化技術和智能化技術的制造設備,是實現智能制造的核心載體,其主要特征是:對制造過程狀況(工況或環境)實時感知、處理和分析能力;實時辨識和預測制造過程狀況變化的能力;根據制造過程狀況變化的自適應規劃、控制和動態補償能力;對自身故障自診斷、自修復能力;對自身性能劣化的主動分析和維護能力;具有參與網絡集成和網絡協同的能力。智能制造裝備是制造技術、計算機技術、控制技術、傳感技術、信息技術、網絡技術以及智能化技術的有機結合體,是實現高效、高品質、安全可靠的成形加工和生產的新一代制造裝備。

            未來智能制造的產品主要是:智能機床/智能加工中心;智能機器人;智能成形設備;特種智能制造裝備。

            7 智能化集成化傳動技術

            智能化集成化傳動技術是指將傳統的動力傳動技術與數字技術、信息技術、總線技術、網絡技術相融合,實現液壓/氣動/密封、齒輪、軸承等傳動件在線實時控制、在線監測、自我診斷、自我修復及多種元件與功能的集成。智能化集成化傳動將提高產品性能、簡化系統、提高系統柔性,提升傳動效率、產品安全性、可靠性,是機械傳動技術和傳動件發展的重要方向。

            關鍵基礎件是現代裝備發展的基礎,特別是高效、節能、長壽命、高安全性、高可靠性、高精度、高功率密度、適應復雜環境苛刻要求的傳動件是未來需要大力發展的產品?,F代重大裝備裝機功率越來越大,工作環境越來越嚴酷,結構越來越復雜,對傳動系統的平穩性、準確性、位置、速度、柔性等技術要求越來越高,智能化、集成化的傳動技術和傳動元件能適應這些發展的要求,是裝備制造業的關鍵核心技術,對提升我國關鍵基礎件自主創新能力,突破重大裝備自主化發展瓶頸起著重要作用。

            智能化集成化傳動的特點:(1)具有在線監測、自診斷、自維護功能;(2)可實現遠程在線實時控制;(3)是多種元器件(包括傳感器、傳動件、控制元件、執行元件、軟件或數據庫)的集成和多種功能的集成;(4)即插即用。是指快速簡易安裝傳動組件即可投入使用,而不需安裝驅動程序或重新配置系統。

            近幾年,智能化集成化新型傳動件或組件相繼問世,是傳動技術發展的前沿。具有模塊設計、數字電氣接口、高層次通訊功能、自由組合、智能接合、方便集成功能的元件和系統是未來工業智能化的基礎,新型模塊化智能化電-液、電-氣復合機電系統將廣泛應用。

            智能化集成化一體化液壓傳動。液壓元件與、內嵌式傳感器和微處理器一體化提高了系統的集成度和緊湊性;采用更高層次總線通訊技術和無線傳輸技術,提高了分布式智能電液控制系統的性能;在智能控制器中采用傳感器進行狀態監控、檢測摩擦磨損和泄漏狀態,用于系統故障診斷、預測、排除與維護,提高了系統的品質和可靠性。

            智能化集成化模塊化氣動元件和組件。具有有線或無線聯網遠程實時監控、故障預測及自我診斷等功能的智能化模塊化氣動元件、組件、閥島已實現工業應用。工業自動化人機界面技術及產品推動氣動元件與傳感器、智能視覺系統的結合,以滿足智能工業遠程檢測、診斷及控制的要求。

            智能化密封。根據密封件使用狀況,調整密封能力、監測密封水平、預測密封壽命,可大幅度提高密封的可靠性與壽命及安全性與可維修性,減少泄漏、停機維修成本和能源消耗。

            智能化齒輪傳動。汽車用電子控制自動變速器是齒輪傳動向智能化發展一個典型例子,它通過各種傳感器,對發動機轉速、節氣門開度、車速、輪轂軸承運動、發動機水溫、自動變速器液壓油溫等參數進行測量,并輸入電子控制器中,控制換擋執行機構的動作,從而實現自動換擋。大型火電機組用齒輪調速裝置則是齒輪傳動與液力傳動及其控制系統集成的典型產品,具有無級調速、節能、安全保護等功能。

            智能化集成化軸承組件。具有智能監控與早期預警技術,融合主機或功能一體化、設備性能的多樣性要求的軸承技術已成為軸承產品的發展趨勢。如集成防抱死制動系統的三代轎車輪轂軸承單元、具有狀態實時監測與早期預警功能的高速鐵路軸承單元。

            8 數字化工廠

            數字化工廠是利用數字化技術,特別是泛在網絡(包括互聯網、物聯網和無線網)技術,實時獲取工廠內外相關數據和信息,集成相關人員知識,智慧地進行產品設計、生產、管理、銷售、服務的現代化工廠模式。目標是使供應鏈、工廠和加工單元的效率最高、對環境的不良影響最小、員工和用戶的滿意度最高。

            數字化工廠的主要特征是:透明性。工廠對內外環境、員工工作狀況及創新能力具有很強的感知能力。集成化。工廠的各種數據、信息、過程和信息系統高度集成,企業間密切協同。智慧型。集成全體員工的智慧,通過人機優勢互補,實現系統整體最優。

            數字化工廠將提供透明的工廠環境,使工廠管理高效和精準;提供大范圍高效實時的信息集成系統,使企業資源得到最優配置組合,實現浪費最小,效率最高;提供公平、公正、客觀、完整的員工評價機制和系統,充分調動全體員工的積極性和創造性;提供內嵌專業知識的整體解決方案,實現設計、制造和管理的最優化,降低產品全生命周期成本,使用戶在產品全生命周期中都很滿意,最大程度節約資源,實現環境友好。

            數字化工廠適合在制造高度復雜產品(如大型商業飛機)、超大型尺寸產品(如大型艦船)、超微小產品(如大規模集成電路)的行業,以及對人有害的作業環境(如汽車油漆生產線)下優先發展。

            數字化工廠在國際上發展非常迅速。發達國家采用數字化技術支持全球協同設計和制造;各種集成專業知識的企業數字化系統快速發展;面向服務的信息系統集成技術幫助企業集成各種信息系統;基于物聯網技術的智慧地球概念拓展到智慧企業,實現低碳制造;基于Web2.0的大眾協同建設技術帶來全新的發展模式;應用服務提供(ASP)、計算網格和云計算為數字化工廠提供了高效、便捷的實現平臺。

            機械工程技術路線圖的實施需要得到政府的理解和政策環境的支持,企業積極主動的參與和有關部門的緊密合作,良好的人才育成和技術創新環境,一系列有力舉措和實際行動,只有具備了創新、人才、體系、機制、開放等關鍵要素,路線圖的實施才能成為廣泛、深入、創造性的實踐,路線圖的目標才可能實現。期望《中國機械工程技術路線圖》經得起實踐檢驗,期望中國機械工程技術取得創新突破,期望中國機械工業由大變強,期望中國盡快成為制造強國乃至創造強國!

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