先进制造技术对我国制造业提出新要求

作者：同济大学机械工程学院 沈旭东

欢迎访问e展厅 展厅 8 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, ... 摘要：文章概括了我国制造技术的发展里程，提出数字化、精密化、极端化、自动化、集成化、网络化、智能化和绿色制造等8个方面将成为未来先进制造技术（AMT）的发展新趋势。并从串行制造的弊端、传统技术与高新技术的矛盾、环境保护与治理不够、单元技术与行业结合的矛盾、人才缺乏5个角度分析了我国制造技术发展所遇到的瓶颈问题。 关键词：制造业；先进制造技术；AMT；数字化；创新 改革开放以来，随着我国制造业的迅速发展，制造技术水平也进入世界前列。尽管，目前我国制造业的科技创新能力有了不同程度的提高，但是平均水准还比较低，基本上都是渐进性创造和产品创新为主，突破性创新和工艺创新还很少，生产产品品种少，附加值和技术含量低。另一方面，随着社会需求个性化、多样化的发展，生产规模沿小批量——大批量——多品种变批量的方向发展，以及以计算机为代表的高技术和现代化管理技术的引入、渗透和融化，不断改变着传统制造技术的面貌和内涵。因此，有必要重新审视我国先进制造技术（AMT）在新时期面临的机遇与挑战。 1 制造技术的发展里程 我国制造技术的发展可以分为三个阶段： 1.1手工生产阶段 这一阶段，制造的手段和水平都比较低，为个体和小作坊生产，体现了体脑结合，设计与制造一体，技术水平取决于经验，多为单件、小批量生产方式，基本上适应了当时人类发展的需求。 1.2大工业生产阶段 在市场经济的驱动下，市场需求量有了很大的提高，此外，科学技术水平的提高以及国外技术的引入使制造手段和水平有了很大的提高，形成了大工业生产方式。严格的分工和生产进度形成了自动化流水生产线，单一品种的大批量生产是这个阶段最大的特点，但同时也带来了设计与制造分家、体脑分离的局面。随着我国经济的不断发展、人民对物质文化需求的不断提升以及全世界科学技术日新月异的发展，产品更新换代的速度不断加快，快速响应多品种单件小批生产产品的市场需求就成了一个突出的矛盾。 1.3虚拟现实工业生产阶段 从制造技术及制造业的发展过程来看，我国在21世纪将长期把信息技术、计算机技术、网络技术融入AMT的理念中，大规模地采用集成制造、并行工程、计算机仿真、虚拟制造、动态联盟和电子商务等举措，将设计与制造高度结合，用虚拟现实的方法，将产品的设计阶段和制造阶段融为一体，在设计中就能发现制造中的问题。此外，这一阶段的另一个特点就是可聚集全世界的制造资源来进行全世界范围的合作生产，缩短上市时间，提高产品质量。 2 AMT对我国制造业提出新要求 2.1数字化制造——AMT的核心 数字化技术和制造技术的融合形成数字化制造技术，其主要内涵是： （1）以QFD/CADD/DFX/VM/RP/CAM/CAE以及成型和加工工艺仿真等为主体的上游骨干技术群。 （2）由NC/NGC/CNC/DNC/FMC/PFMC/FMS/PFMS/Web-based制造、无图纸制造和机器人、物流系统等组成的下游数字控制技术群。 （3）以IGES/STEP/MRP II/ERP/MIS/PDM/TDM，工程数据库和因特网等为主题的制造信息支持技术群。 2.2精密化——AMT发展的关键 精密化一方面指对产品、零件的精度要求越来越高；另一方面指对产品、零件的加工精度要求越来越高。加工精度及其发展可分为精密加工、细微加工、纳米加工等等。20世纪初，超精密加工的误差是10μm，至今达到0.00lμm，即lnm。微电子芯片的制造有所谓的“三超”：（1）超净，加工车间尘埃颗粒直径小于lμm，颗粒数＜0.1个／0.028m3；（2）超纯，芯片材料有害杂质，其含量小于十亿分之一；（3）超精，加工精度达纳米级。显然，没有先进制造技术，就没有先进电子技术装备。 2.3极端化——AMT发展的焦点 极端化是指在极端条件下工作的或有极端要求的产品，从而也是指这类产品的制造技术有“极”的要求。在高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等条件下工作的，或有高硬度、大弹性等要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的。如工业发达国家高度关注的一项前沿科技“微机电系统（MEMS）”，其运用于信息领域中的分子存储器、芯片加工设备；生命领域中的克隆技术、基因操作系统；军事武器中的精确制导技术，精确打击技术；航空航天领域中的微型飞机，微型卫星，“纳米”卫星（0.1kg以内）；以及医用微型机器人等等。 2.4 自动化——AMT发展的条件 从自动控制、自动调节、自动补偿和自动辨识发展到自学习、自组织、自维护和自修复等，自动控制的内涵与水平是今非昔比。在控制理论（Agent系统的理论与方法、基于网络的控制理论、复杂系统的控制理论等）、控制技术（智能化检测、多媒体信息检测等）、系统（网络控制系统、复杂系统等）、控制元件（具有生物特征的传感元件等）的依托下，自动化技术是AMT发展的前提条件。 2.5 集成化——AMT发展的方法 AMT的集成化包括以下几个方面： （1）现代技术的集成（例如机、电、液、气一体化技术）。现代技术的集成往往涉及检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、精密机械技术、系统总体技术、液压/气压传动等多学科的交叉。 （2）加工技术的集成（例如特种加工技术及其装备）。 （3）企业集成（例如并行工程、敏捷制造、精益生产、CIMS等）。包括生产信息、功能、过程的集成；包括生产过程的集成、全寿命周期过程的集成；也包括企业内部的集成，企业外部的集成。 2.6 网络化——AMT的发展道路 制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路。它主要体现在两个方面，一是利用网络在产品设计、制造与生产管理等活动乃至企业整个业务流程中充分享用有关资源，即快速调集有机整合与高效利用有关制造资源；二是制造过程与组织的分散化、网络化，使企业把力量集中在自己最有竞争力的核心业务上。 2.7 智能化——AMT的发展前景 智能化制造模式的基础是智能制造系统，智能制造系统既是智能和技术的集成而形成的应用环境，也是智能制造模式的载体。与传统的制造相比，智能制造系统具有以下特点：（1）人机一体化；（2）自律能力；（3）自组织和超柔性；（4）学习能力和自我维护能力；（5）在未来，具有更高级的类人思维的能力。 2.8 绿色——AMT发展的必然 在制造过程中，除了综合考虑产品的TQCS（Time，Quality，Cost，Service）属性，还要注重产品的E（Environment）属性，即产品使用的绿色度，在国际环保标准ISO14000于1996年1月份正式颁布和实施以后，这将越来越成为衡量产品性能的一个重要因素。制造业的产品从构思开始，到设计阶段、制造阶段、销售阶段、使用与维修阶段，直到回收阶段、再制造各阶段，都必须充分涉及环境保护，制造必然要走向“绿色”制造。成形制造技术向净成形方向的发展、干式加工的应用、工艺模拟技术的发展、RPM/LOM/FDM等新型制造技术的涌现都是绿色制造技术应用的重要表现。 3 制约我国制造业发展的瓶颈问题 3.1 串行制造的弊端 目前，企业制造缺乏可相互操作的系统应用软件，设计数据的交换受到限制；工艺数据交换标准也因工艺个性化和集成化的困难而受到阻碍；企业在资源规划及其设计功能的集成方面遇到很大困难；产品的制造和生命周期的优化仍然难以实现。 3.2 传统技术与高新技术的矛盾 我国在20世纪60和70年代建成了一个比较完整的制造业体系，但水平还很低，而且未能加快信息技术等高新技术的发展。因此，改革开放以后我国的制造技术在体制和技术上均不能适应市场经济的需求。此外，在引进国际先进技术的同时，未能处理好引进与自力更生的关系。自力更生是基本国策，引进应该是通过消化、吸收、能达到跟踪、创新、自行生产的目的。 3.3 环境保护与治理不够 随着环境保护问题社会关注度的提高，政府在鼓励增强环境保护意识、从严治理环境、落实管理责任制等决策方面，还应加大力度。如何更有效地应用资源、增加对回收材料的使用、把废弃物生成无公害物质或制品等方面，仍有很大潜力可挖。 3.4 单元技术与行业结合的矛盾 在当前市场形势的驱动下，结合行业产品来发展制造技术才是最有效的，但我国在高、大、精、尖、热、基等行业的整体水平和科技成果的转化方面还远远不够。例如，我国的数控机床经过数十年的攻关，但成效始终不够理想，值得深思，这有技术的问题，也有组织问题和战略问题。单元技术是基础，但行业整体水平却是将科技成果实现产业化的保证。 3.5 人才缺乏 在我国，国有大中企业专业技术人员长期缺乏的局面，大大削弱了新产品新技术的开发能力。一方面，高等院校大批量的优秀人才选择出国，即使留在国内的也更愿意去外资企业和中外合资企业工作；另一方面，正规的技术培训机构往往受到轻视，这使得我国的技术工人大量流失，导致制造业的总体水平不高。 4 总 结 近二三十年来，计算机辅助设计／计算机辅助制造／计算机辅助工程（CAD/CAM/CAE）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、成组技术（GT）、计算机集成制造（CIM）、柔性制造（FM）、面向“X”的设计（DFX）、精良生产（LP）、最优生产技术（OPT）、并行工程（CE）、企业过程重组（BPR）、产品数据管理（PDM）、制造资源计划（MRP II）、企业资源计划（ERP）、供应链管理（SCM）、管理信息系统（MIS）、全面质量管理（TQM）、全面生产维护（TPM）、敏捷制造（AM）、智能制造（IM）、虚拟产品开发（VPD）、虚拟制造（VM）、协同制造（CM）、遥远控制（RM）、快速原型（RP）、绿色制造（GM）、生物型制造（BM）、现代集成制造（CIM）等AMT技术开始逐步在我国工业生产上应用，日益显示出AMT在工业上的巨大潜力。尽管有些技术才刚刚起步，但它们在企业目标、管理模式、运行机制、关键技术及生产过程方面有着许多共同之处，这些共同点构成了AMT的发展方向。 曾有学者预言：根据人类历史上工业革命的发生规律，21世纪50年代将会出现一次新的工业革命。对中国来说，这将是挑战，同时也是契机。我国应加快以企业为中心的技术创新体系的建立，实现技术创新、组织创新、管理创新和人才创新，为制造技术的发展营造一个健康积极的环境，从数、精、极、自、集、网、智、绿等多个方面去努力，那么新的工业革命在中国发生的目标将不会是梦想。 参考文献 [1]宋健.制造业与现代化.北京：制造技术与机床，2002（12） [2]朱高峰.新世纪如何提高和发展我国制造业.北京：机电产品开发与创新，2003（2） [3]杨叔子，吴波.先进制造技术及其发展趋势.机械工程学报，2003年10月 [4]王先逵.制造技术的历史回顾与面临的机遇和挑战.机械工程学报，2002N5 [5]曹来发，殷瑞芝.中国的工业化与制造业.科技情报开发与经济，2003N5 [6] ZHANG B P.et al.Some fundamental issues in manufacturing science[A]. Proc.of MST'94[C]， Beijing: International Academic Pub，1994.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/13/2006)