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制造自动化技术发展展望
王艳超
摘要：我国科技的快速发展，使得机械自动化技术在各个领域都得到了广泛应用，特别是机械制造领域，先进的自动化技术不断为作业员提供更简洁、更方便的操作方式。目前，自动化领域取得突破进展，产品质量越来越高，工作环境越来越好，服务领域越来越全。随着计算机技术与信息技术的发展，新型的自动化技术的磅礴发展，自动化将占据更为宽泛的制造市场，必将导致21世纪工业领域的伟大变革。
关键词：全球化、敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化、全盘自动化、数控加工、工业机器人、柔性制造

0引言
制造自动化从原材料到最终成品的全过程都不需要人工干预，极大地解放了生产力，提高了生产效率，在当今制造业发展中越来越占主导地位。制造自动化集检测自动化、信息自动化、加工自动化、装配自动化一体的先进制造技术。
制造自动化具有全球化、敏捷化、网络化、虚拟化、柔性化、智能化、数字化、节能化、绿色化的发展趋势。制造自动化能够减少手工操作，降低产品报废率，提高产品质量，使加工成品精度更高，材料利用率更高，制造成本更低，对人的伤害更少。当前自动化技术正在向着满足市场需求，提高自动化水平的方向上前进。数控加工技术、工业机器人、柔性制造系统的产生与发展，都对自动化领域产生着深远的影响。
1制造自动化技术的发展方向
1.1全球化
制造全球化的概念出现于美、日、欧洲等发达国家地区的智能系统计划。随着网络全球化，制造过程中自动化理念被各个国家相继采用，生产空间上也呈现出愈来愈广泛的应用范围。制造自动化的内容诸多，譬如：国际化市场，产品销售的全球网络渠道正在发展；产品设计和开发之间的国际合作；产品制造的跨国化；制造企业在全球的构建与重组；制造原料的跨国采购、共享利用。国际间的技术引进、互补，促进了制动自动化向着全球化的方向发展。
1.2敏捷化
敏捷制造（AM）的核心是使企业对面临的市场竞争作出快速响应，利用国内国际各方面的优势，形成动态联盟，缩短产品开发周期，尽快抢占市场。制造的敏捷化决定了一个企业的生存与发展的竞争优势，决定了制造自动化程度的高低。
敏捷化对企业的要求是改善制造业企业内部以及整个供应链各个环节的管理、调度及资源配置，迅速适应客户的新需求和市场新机遇的能力，快速有效地实施信息化。它是是面向新世纪制造活动的必然趋势。例如：易掌管MES实现车间生产敏捷化管理。
1.3网络化
快速发展和日益普及的网络技术，使得网络化成为了机械制造自动化技术发展的必然趋势。自动化产品随着网络化的普及变得越来越多，特别是网络的远程监控及检测技术已经得到了极为广泛的应用。此外，借助网络的远程监控和检测技术，可以不断对机械设计漏洞进行完善，从而为提高自动化产品的设计性能及使用性能奠定基础。通过对终端生产数据分析，可以发现生产中存在的问题并进行改进优化，采取措施提高生产效益。例如：单位时间内适量地提高生产量。
利用网络应用于制造业的网络制造包括制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成；制造环境与制造企业的网络化，实现制造环境与企业中的工程设计、管理信息系统等各子系统的集成；企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用；通过网络，实现异地制造。
1.4虚拟化
制造虚拟化主要指虚拟制造（VM），又称拟实制造。虚拟制造是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、虚拟现实技术和多媒体技术等多种高新科技技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。它是敏捷制造的核心和关键，是一种虚拟制造系统，或称拟实制造系统，它是虚拟的，又是现实的。
由于一般情况下，机械制造企业如果想要得到新产品的最终设计图纸，那么就一定要经历设计、筛选、整合以及实验等工序，这样的做法不但费时费力，同时还会对企业优化合理配置资金形成阻碍作用，不利于企业获得进一步发展。针对信息时代带来的计算机技术在很大程度上方便了人们的生活和工作，如果将计算机技术有效地运用到制造自动化中，就可以利用计算机技术对设计方案进行模拟试验其可行性，从而简化试验环节，促使机械设计的效率的提高，为企业实现经济效益的最大化奠定基础。例如：CAXA数控车、数控仿真系统、SolidWorks以及CAX等的使用，减少了手工操作，提高了设计生产效率。此外，网络的日益普及同样为制造自动化的发展打下了基础，技术人员可以利用网络快速、安全地发送数据资料，促使设计双方实现无障碍的沟通与合作，为设计方案得到进一步完善提供了条件。
虚拟制造思路新颖、结构合理，一经问世就受到各国的青睐和重视，一时间虚拟制造、网络制造、全球制造等风起云涌，发展迅速。
1.5柔性化
柔性自动化与刚性自动化相对应的新的制造方式。柔性可以表述为两个方面。第一方面是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰（如机器出现故障）情况下，这时系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔性。
柔性化要求多品种单件、小批量生产的自动化。单一品种大批量生产自动化的问题早在50年代就较好地解决了，而柔性化对于制造业一直是一个难题，随着数控技术和计算机技术的发展、信息技术进入制造领域，才得以使柔性化有了解决的途径。
（l）相似性和相似工程的发展，零件从原始相似性和二次相似性进行成组分类，出现了成组工艺、成组夹具、成组生产线，成组技术已成为计算机辅助制造的基础。
（2）组合夹具、组合机床的发展加速了制造设备和工艺装备的开发过程，有效地增加了制造的柔性。
（3）柔性制造系统（FMS）是20世纪的重大制造技术成就。柔性生产线实际上是一种柔性制造系统与自动线的结合体，实用性较强。
柔性化的应用在机械工程领域具有较强的适应能力，这一创新发展会在健全自动化系统的基础上使得先进制造技术进一步满足市场经济对产品的需求、满足人们日常生活对机械制造业的需要。
1.6智能化
在未来，智能化将会成为制造自动化技术的主要发展趋势。为了能够实现人机智能制造技术，相关的技术人员需要将方便操作的人机一体化智能系统构建出来。这种系统不但能够被用来从事简单的人工劳动，如分析、归纳、筛选以及整理原始数据资料等，还可以替代比较高级的人工脑力劳动，如对设计方案的构思、拟定等。这在很大程度上使技术人员减少了工作量，能够帮助企业实现财力、物力、人力等资源的优化配置，为机械制造业以后的发展打下坚实的基础。
智能制造系统是制造系统发展的第3个阶段，即从柔性制造系统、集成制造系统向智能制造系统发展。智能制造包含了智能计算机、智能机器人、加工设备、智能生产线等多个方面。智能制造系统能够代替熟练工人的技艺，包含了工程技术人员多年实际工作的经验和能力，可用以解决生产实际问题，因此是当前最高级的制造系统。作为机器人与机床的结合所出现的虚拟轴机床，又称变异式加工中心（VARIAX），是20世纪末期机床制造业的一项创举。该机床结构新颖，特色突出，颇具智能性。它的产生对制造自动化技术的硬件和软件都有较大的推动作用，特别是对软件开发有积极意义。
1.7数字化
数字控制技术从50年代出现数控机床以来，发展十分迅速，从一般数控（NC）、计算机数控（CNC）、计算机多台设备数控（DNC），直到自适应控制（AC），数控机床也由一般数控机床发展为加工中心（MC）。
数控技术不仅在机床上发展很快，在工业控制上也已广泛应用，与模拟控制的竞争日趋激烈。由于其易于控制、可靠性好，大有逐渐取代模拟控制之势，出现了许多全数字工业产品。同时，数字技术已逐渐进入人们的生活文化领域，出现了数字电视、数字相机、数字图书、数字图形等。有人断言，21世纪将是数字化时代。
1.8节能化
现阶段，全球范围内的污染都呈现出比较严重的状态，我国更是将将资源节约型以及环境友好型的社会建设纳入国策。机械生产中要考虑最低限度原料的去除率，提高原料的使用率，减少毛坯的切削量。另外，也要求制造业做好资源的循环利用，多次使用。
机械行业要对环保节能的重要性形成深刻的认识，减少原料造成的浪费现象，规范管理生产投入，将其渗透到机械生产的所有环节当中，使机械产品既能够适应客户的需要，又能立足于科学发展观，将全面可持续发展理念有效地体现在制造自动化技术当中，促使机械行业实现更好更快的发展。
1.9绿色化
环境保护和生态平衡是20世纪人们对自然深刻认识的体现，保护人类的生存环境，保护各种动、植物的生存环境就是保护人类自己，对产品的全生命周期的各个过程进行控制，这是制造自动化发展的一个极其重要的方向。
在机械工业发展过程中，能源问题尤为突出，因此需要加强在机械自动化技术绿色化方面的研究和应用，尽可能降低机械运行过程中的能源消耗，并且减少工业废物的排放和噪音问题。机械自动化技术的发展前景需要实现社会效益和经济效益的统一，因此更需要考虑到生态环境问题和资源消耗问题。企业的产品研发、产品生产以及产品回收都要充分贯彻绿色化的相关理念，并尽可能的降低对生态环境的负面影响，从而促进机械制造业的可持续发展。
2 制造自动化的当前发展趋势
目前，制造自动化正朝着以下方向发展：
2.1 自动化的发展历程
2.1.1从手动走向半自动和自动
随着制造业的发展，手动控制已满足不了要求，而产生的半自动和自动机床解决了单一品种大批量生产的问题，在20世纪50年代达到了顶峰，目前仍在发展中。
2.1.2全盘自动化
从自动生产线（简称自动线）向自动化车间和自动化工厂发展，满足了单一品种大量生产的需求。但技术难度比较大，成本较高，在20世纪70年代左右经历了一段争论后而逐渐有所收敛。目前来讲，要实现也是技术难题，而且解放了劳动力，反而导致失业率的上升，只可能在小部分实现，要实现大范围的使用必须经历漫长的发展过程。
2.1.3高自动化高柔性的制造系统
由于多品种小批量生产的市场需求，在20世纪70年代出现了柔性制造系统，通过加工中心、自动化运输小车、立体仓库等以及计算机控制，进行柔性化的自动化生产，但事实并未如愿。首先是柔性制造系统非常昂贵，生产厂家的投资大、技术难度大；第二，大多数工厂都处于批量生产的状态，单件生产是少数，因此对高度柔性的需求有限，柔性制造系统的作用就不易充分发挥，投资不易很快回收，市场需求走向低谷。
2.1.4 市场需求自动化
从20世纪90年代开始，制造者逐渐构思能经济实惠地实现自动化生产，不盲目追求全盘自动化，提出了将自动线的物流装置与柔性制造系统的立体仓库和加工中心结合起来，形成柔性传输生产线。
2.2从单一自动化走向综合自动化
制造技术的发展从单一学科走向了综合学科，现代的制造技术涉及到机理扩展、管理技术和电子商务。
2.3从质量、安全、减轻劳动走向快速响应市场需求
对于一些有害于人体健康的环境或人的器官不能直接达到的空间，采用自动化技术是必要的；另外自动化可以减轻工作者的劳动强度，特别是一些繁重、重复的劳动。
2.4从单元自动化走向总体自动化
目前主轴单元已发展为具有电机和主轴一体化、能够变速和控制的功能部件；进给伺服单元也形成独立的能够在较宽范围调速和控制的功能部件。
2.5 从刚性自动化走向智能自动化
刚性自动化适应单一品种大批量生产的要求；柔性自动化适应多品种单件小批生产的需求；集成自动化强调信息的综合，使产品开发各阶段信息能够集成起来，实现信息共享和分布式控制；智能自动化强调了人工智能技术，使自动化工作能够代替人的部分脑力劳动，从资源经济走向知识经济，进行技术创新。
2.6从工业自动化走向绿色自动化
绿色制造、环境保护、生态平衡与人类生存密切相关，是科学技术研究的重点和工业生产的基点。
这是一个新领域，制造自动化在这方面要做的工作很多：
（1）研究无污染的材料、能被地球降解或吸收的材料、具有丰富资源的材料。
（2）创建无污染的制造环境。制造中的废料、废水应有效地处理，制造环境应保证操作人员的身体健康，近年来出现的干切削、干磨削就是一例。
3典型的制造自动化技术应用及发展方向
3.1 数控加工技术
数控是数字控制(NC)的简称，是借用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量与机械流向有关的开关量。
数控机床综合了微电子技术、计算机应用技术、自动化控制技术以及精密机床设计与制造技术，具有专用机床的高效率、精密机床的高精度和通用机床的高柔性等显著特点，适用于多变、复杂、精密零件的高效、自动化加工。在普通数控机床的基础上，发展出来的加工中心，实现了对工件一次装夹后进而进行多工序加工的数控机床。
数控机床是在传统的手动机床的基础上，通过计算机伺服系统来实现自动化控制。当前的数控加工正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精密化、多功能化、智能化、系统化和高可靠性等方向发展。具体表现高速度与高精度化、多功能化、智能化、高可靠性、小型化、数控编程自动化等方向发展。
3.2工业机器人
工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，一般用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作。例如：在汽车制造、摩托车制造等行业自动化生产线中，完成点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配，以及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。
目前，工业机器人主要应用在汽车制造、机械制造、电子器件、集成电路、塑料加工等较大规模的生产行业。当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。
3.3 柔性制造系统
随着经济的发展和消费水平的提高，人们对商品的需求不断增长，同时更关注产品的不断更新和多样化，而柔性制造系统正好满足消费者的这种需要。
柔性制造系统（FMS）是指具有柔性且自动化程度高的制造系统，它是集数控技术、计算机技术、机器人技术及现代生产管理技术为一体的现代制造系统，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。其工艺范围正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。目前投入使用的FMS，大都用于切削加工，也有用于冲压和焊接的。
随着制造业的发展，对柔性制造系统的要求越来越高，其应用范围越来越广、使用普遍化。柔性制造系统作为计算机/现代集成制造系统（CIMS）的重要组成部分，必然会随着CIMS的发展而发展。朝着进步系统柔性、生产率、设备利用率，降低刀具用度，减少刀具损耗，消除人为错误，进步产品质量，延长无人操纵时间的方向发展。
4总结与展望
制造业是一个国家民族兴旺发达的基础，制造自动化的程度的高低更是一个国家工业发达的标志。随着经济的发展，先进制造技术被应用的越来越广，实现的加工层次越来越多，其地位越来越高，现代工业、农业、国防工业均离不开制造自动化技术。它从工序自动化发展到机床自动化、生产线自动化、车间自动化、工厂自动化，使整个生产的水平大大提高。同时它从单元自动化发展到系统自动化，使制造技术产生了质的变化。
21世纪是信息技术时代，以计算机为标志之一的第三次工业革命持续带动全球经济的发展。对制造业来说，不断产生的计算机辅助设计（CAX）方便人们学习的同时，更带动了制造自动化的突破性发展，而这种发展仍将以计算机为载体。一个以信息技术为龙头，以制造自动化技术为基础的现代制造技术浪潮已经到来，它必将对世界的经济产生重大影响。
制造自动化将沿着它既有的趋势和方向发展下去，同时它的发展方向不是一成不变的。在世界经济大形势及社会主义政策方针和市场调节下，它将不断地推陈出新，动态地形成符合我国社会主义市场经济要求下的制造自动化的发展模式。

参考文献
[1] 王晓健，姜军生．机械自动化技术的应用及发展前景[J]．轻工标准与质量，2014(4):76~80.
[2] 王燚．机械设计制造与自动化的发展趋势[A]．通讯世界，2015（31）:212.
[3] 吴朝辉．机械工程及自动化的创新实践探析[J]．科技论坛，2014（23）:216.
[4] 刁荣飞．浅谈机械工程及自动化技术的发展[J]，科技创新与应用，2014（35）:116.
[5] 张青，曾晓超，杨瑶．机械自动化技术的应用与发展前景[J]．科技传播，2012(18):38~39.
[6] 马利杰．先进制造技术．北京：北京师范大学出版社，2011.
[7] 孙建亮，等．机械工程自动化技术存在的问题及措施[J].信息系统，2013（5）:131~132.
[8] 刘飞．制造自动化技术的回顾与展望[J].机械工艺师，1999,1:4~5.
[9] 费东旭．基于机械工程中自动化技术的研究[J]．房地产导刊，2013, 4（4）:113.
[10] 周骥平．机械制造自动化技术（第一版）[M]．北京：机械工业出版社，2001.
[11] 张永伟．先进机械制造技术及发展模式[J]．中国机械，2001(1 ): 57-58.
[12] 刘飞，杨丹，陈进．制造系统工程[M]．北京∶国防工业出版社，1996.
[13] 张华，刘飞．绿色制造的体系结构及其实施中的几个战略问题[J]．计算机集成制造系统，1997,3(2):11～14.
[14] 周立强．浅谈我国机械自动化现状及发展趋势[J]．现代企业教育，2011(22):147~148.
[15] 高文龙．现代制造技术[M]．机械工业出版社，2004.
[16] 王先逵．现代制造技术手册[M]．北京：国防工业出版社，2000.
[17] 陶素连．基于工作过程导向的机械制造与自动化专业人才培养模式的研究[J]．机械管理开发，2011,4:76~78.
[18] 秦世引．展示面向21世纪自动化新技术的IFAC [J]．自动化信息，2000(6):30~40.

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