先进制造技术的现状和发展趋势.doc

浅谈先进制造技术现状和发展趋势
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先进制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。我国正处于工业化经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施,，进一步推进国企改革，推动建立强大的企业集团。推进技术创新，推动大型企业尽快建立技术开发中心，广泛吸引人才，在重大技术创新项目中实行产学研结合，才能尽快缩小同发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。本文将详细介绍先进制造技术的含义、特点以及在我国的发展状况和发展趋势。
1 先进制造技术的含义和特点
1.1 含义
先进制造技术（AMT）是以人为主体，以计算机技术为支柱，以提高综合效益为目的，是传统制造业不断地吸收机械、信息、材料、能源、环保等高新技术及现代系统管理技术等方面最新的成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想技术经济效果的前沿制造技术的总称。
1.2 先进制造技术的特点
1） 是面向工业应用的技术 先进制造技术并不限于制造过程本身，它涉及到产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，并将它们结合成一个有机的整体。
2 是驾驭生产过程的系统工程 先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。它要不断吸收各种高新技术成果与传统制造技术相结合，使制造技术成为能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。
3）是面向全球竞争的技术 随着全球市场的形成，使得市场竞争变得越来越激烈，先进制造技术正是为适应这种激烈的市场竞争而出现的。因此，一个国家的先进制造技术，它的主体应该具有世界先进水平，应能支持该国制造业在全球市场的竞争力
2 先进制造技术的组成
先进制造技术是为了适应时代要求提高竞争能力，对制造技术不断优化和推陈出新而形成的。它是一个相对的，动态的概念。在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有不同的技术内涵和构成。从目前各国掌握的制造技术来看可分为四个领域的研究，它们横跨多个学科，并组成了一个有机整体：
2.1 现代设计技术
1）计算机辅助设计技术 包括：有限元法，优化设计，计算机辅助设计技术，模糊智能CAD等。
2）性能优良设计基础技术 包括：可靠性设计；安全性设计；动态分析与设计；断裂设计；疲劳设计；防腐蚀设计；减小摩擦和耐磨损设计；测试型设计；人机工程设计等
3）竞争优势创建技术 包括：快速响应设计；智能设计；仿真与虚拟设计；工业设计；价值工程设计；模块化设计。
4）全寿命周期设计 包括：并行设计；面向制造的设计；全寿命周期设计。
5）可持续性发展产品设计 主要有绿色设计。
6）设计试验技术 包括：产品可靠性试验；产品环保性能实验与控制。
2.2 先进制造工艺
1） 精密洁净铸造成形工艺； 2） 精确高效塑性成形工艺；
3） 优质高效焊接及切割技术； 4） 优质低效洁净热处理技术；
5） 高效高精度机械加工工艺； 6） 新型材料成形与加工工艺；
7） 现代特种加工工艺； 8） 优质清洁表面工程新技术；
9） 快速模具制造技术； 10） 拟实制造成形加工技术。
2.3 自动化技术
1） 数控技术； 2） 工业机器人；
3） 柔性制造系统（FMS）； 4）计算机集成制造系统（CIMS）；
5） 传感技术； 6） 自动检测及信号识别技术；
7） 过程设备工况监测与控制。
2.4 系统管理技术
1） 先进制造生产模式； 2） 集成管理技术；3） 生产组织方法。
3先进制造技术的国内外现状
3.1国外先进制造技术现状
在制造业自动化发展方面, 发达国家机械制造技术已经达到相当水平, 实现了机械制造系统自动化。产品设计普遍采用计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助产品工程(CAE) 和计算机仿真等手段, 企业管理采用了科学的规范化的管理方法和手段, 在加工技术方面也已实现了底层的自动化, 包括广泛地采用加工中心(或数控技术)、自动引导小车(AGV) 等。在这个基础上再提高制造系统的自动化水平, 对于改善企业的TQCS(T—尽量缩短产品的交货时间或提早新产品上市时间、Q—提高产品质量、C—降低产品成本、S—提高服务水平) 已无明显的作用。因此, 近10 余年来, 发达国家主要从具有全新制造理念的制造系统自动化方面寻找出路, 提出了一系列新的制造系统，如计算机集成制造系统、智能制造系统、敏捷制造、并行工程等。
1) 计算机集成制造系统 它是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机及软件，将制造厂全部生产活动有关的各种分散的自动化系统有机地集成起来, 并适合于多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的制造系统。计算机集成制造系统在概念上，主要强调两点：首先在功能上，它包含了一个工厂的全部生产经营活动, 即从市场预测、产品设计、加工工艺、制造、管理至售后服务以及报废处理的全部活动。因此它比传统的工厂自动化的范围要大得多，是一个复杂的大系统，是工厂自动化的发展方向。其次, 在集成上，它涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化的简单叠加，而是在计算机网络和分布式数据库支持下的有机集成。这种集成主要体现在以信息和功能为特征的技术集成，即信息集成和功能集成以便缩短产品开发周期、提高质量、降低成本。
2) 智能制造系统 是指将专家系统、模糊推理、人工神经网络等人工智能技术应用到制造系统中，以解决复杂的决策问题, 提高制造系统的水平和实用性。人工智能的作用是要代替熟练工人的技艺，学习工程技术人员的实践经验和知识，并用于解决生产中的实际问题，从而将工人、工程技术人员多年来积累起来的丰富而又宝贵的实践经验保存下来，在实际的生产中长期发挥作用。
3) 并行工程 又称同步工程或同期工程, 是针对传统的产品串行开发“( 需求分析——概念设计——详细设计——过程设计——加工制造——试验检测——设计修改”的流程，称为产品从设计到制造的串行生产模式) 过程而提出的一个概念、一种哲理和方法。
4) 敏捷制造 又称灵捷制造、迅速制造和灵活制造等，它是将柔性生产技术、熟练掌握生产技能和有知识的劳动力与促进企业内部和企业之间相互合作的灵活管理集成在一起, 通过所建立的共同基础结构,对迅速改变或无法预见的消费者需求和市场时机作出快速响应。市场的快速响应是敏捷制造的核心。
3.2 国内先进制造技术现状
我国的装备制造业经过数十年努力，已具有相当规模，积累了大量的技术和经验。但是随着经济全球化的发展，由于我国的巨大市场和丰富的劳动力资源，国外技术、资金、产品大量涌入，企业面临前所未有的国内外激烈的竞争局面。竞争要求企业产品更新换代快，产品质量高，价格低，交货及时和服务好。近年来，我国的制造业不断采用先进制造技术，但和工业发达国家相比，仍然存在一个阶段性的整体上的差距。
1）管理体制方面 工业发达国家国有企业所占比重较小，绝大部分企业是规范的股份公司。我国国有企业所占比重较大，装备制造业存在着带根本性的问题，制造业的人均劳动生产率远远落后于发达国家，产业主体技术依靠国外，国有企业深化改革远未到位，企业集中度低，大型骨干企业少，围绕大型骨干企业的中小企业群体也未形成。
2）企业经营管理方面 工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产（JIT）、灵敏制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）等新的管理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数中小型企业仍处于经验管理阶段。
3）产品开发设计方面 工业发达国家不断更新设计数据和准则，采用新的设计方法，广泛采用计算机辅助设计技术（CAD/CAM），大型企业开始无图纸的设计和生产。我国采用CAD/CAM 技术的比例较低。在应用技术及技术集成方面的能力还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后。
4）加工制造工艺方面 工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/ 纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术等新型加工方法。我国普及率不高尚在开发、学习阶段。例如：在高速超高速加工的各关键领域如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面总体水平同国外尚有较大差距；在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套方面与国外比，还有相当大的差距。
5）加工机床和自动化技术方面 工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业使用。相比美国、德国和日本等机床发达国家，我国数控机床产品在设计水平、质量、精度、性能方面差距较大。从整体上来说，我国数控机床与国外先进相差5～10 年；在高精尖技术方面的差距则达到了10～15 年。在高级数控系统、高速精密主轴单元、高速滚动部件和数控动力刀架等核心零部件方面，我国仍无法国产化，主要依赖于进口。
4先进制造技术的发展趋势
近年来,制造工程领域的新技术像雨后春笋般相继诞生,如计算机集成制造系统(CIMS),虚拟生产(VM),智能制造(IM),绿色制造(GM)等,这些新技术的产生的运用决定了先进制造业未来的发展方向。现将先进制造技术的发展趋势和特色阐述如下：
4.1 “数”是发展的核心
“数”，是指制造领域的数字化。其包括以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。对数字化制造设备而言，其控制参数均为数字化信号；对数字化制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式通过网络在企业内传递，在多种数字化技术的支持下，企业对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组和对市场的快速反应。对全球制造业而言，在数字制造环境下，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计并制造出相应的产品。
4.2 “精”是发展的关键
“精”，是指加工精度及其发展。20 世纪初超精密加工的误差是10 μm，70～80 年代为0.01μm，现在仅为0.001 μm，即1 nm。从海湾战争、科索沃战争，到阿富汗战争、伊拉克战争来看，武器的命中率越来越高，其实质就是武器越来越“精”，也可以说，关键就是打“精度”战。在现代精密机械中，对精度要求极高，如人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等，均达到纳米级；基因作机械其移动距离为纳米级，移动精度为0.1 nm；细微加工、纳米加工技术，可达纳米以下的要求，如果借助于扫描隧道显微镜与原子力显微镜的加工，则可达0.1 nm。至于微电子芯片的制造，有所谓的“三超”：
1）超净 加工车间尘埃颗粒直径＜1 μm，颗粒数少于0.1 个/ inch3；
2）超纯 芯片材料有害杂质，其含量要＜1/109；
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；当然，没有先进电子技术与信息技术，也就没有先进制造装备。先进制造技术与先进信息技术是相互渗透，相互支持，紧密结合的。
4.3 “极”是发展的焦点
“极”，就是极端条件，是指生产特需产品的制造技术，必须达到“极”的要求。例如，能在高温、高压、高湿、强冲击、强磁场、强腐蚀等条件下工作，或有高硬度、大弹性等特点，或极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的产品等，都属于特需产品。“微机电系统”就是其中之一。这是工业发达国家高度关注的一项前沿科技，亦即所谓微系统微制造。“微机电系统”用途十分广泛。在信息领域中，用于分子存储器、原子存储器、芯片加工设备等；生命领域中，用于克隆技术、基因操作系统、蛋白质追踪系统、小生理器官处理技术、分子组件装配技术等；军事武器中，用于精确制导技术、精确打击技术、微型惯性平台、微光学设备等；航空航天领域中，用于微型飞机、微型卫星、“纳米”卫星（0.1 kg 以内）；微型机器人领域中，用于各种医疗手术、管道内操作、窃听与收集情报等；此外，还用于微型测试仪器\微传感器、微显微镜、微温度计、微仪器等等。“微机电系统”可以完成特种动作与实现特种功能，乃至可以沟通微观世界与宏观世界，其深远意义难以估量。
4.4 “自”是发展的条件
“自”，就是自动化。其为减轻、强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段。自动化总是伴随有关机械或工具来实现的。可以说，机械是一切技术的载体，也是自动化技术的载体。第一次工业革命，以机械化这种形式的自动化，来减轻、延伸或取代人的有关体力劳动；第二次工业革命，即电气化进一步促进了自动化的发展。据统计，从1870～1980 年，加工过程的效率提高为20倍，即体力劳动得到了有效的解放，但管理效率只提高1.8 至2.2 倍，设计效率只提高1.2 倍，这表明脑力劳动远没有得到有效的解放。信息化、计算机化与网络化，不但可以极大地解放人的身体，而且可以有效提高人的脑力劳动水平。今天的自动化的内涵与水平，已远非昔比，从控制理论、控制技术，到控制系统、控制元件等等，都有着极大的发展。自动化已成为先进制造技术发展的前提条件。
4.5 “集”是发展的方法
“集”，就是集成化。目前，“集”主要指一下三方面：
1）现代技术的集成 机电一体化是个典型，是高技术装备的基础。
2）加工技术的集成 特种加工技术及其装备是个典型，如激光加工、高能束加工、电加工等等。
3）企业的集成 即管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成，也包括企业内部的集成和企业外部的集成。从长远看，还有一点很值得注意，即由生物技术与制造技术集结而成的“微制造的生物方法”，或所谓的“生物制造”。其依据是，生物是由内部生长而成“器件”，而非同一般制造技术那样，由外加作用以增减材料而成“器件”。这是一个崭新的充满活力的领域，作用难以估量。
4.6 “网”是发展的道路
“网”，就是网络化。制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路。制造业在市场竞争中，面临多方的压力：采购成本不断提高，产品更新速度加快，市场需求不断变化，全球化所带来的冲击日益加强等等。企业要避免这一系列问题，就必须在生产组织上实行某种深刻的变革，抛弃传统的“小而全”与“大而全”的“夕阳技术”，把力量集中在自己最有竞争力的核心业务上。科学技术，特别是计算机技术、网络技术的发展，使这种变革的需要成为可能。制造技术的网络化，会导致一种新的制造模式，即虚拟制造组织，这是由地理上异地分布的、组织上平等独立的多个企业，在谈判协商的基础上，建立密切合作关系，形成动态的“虚拟企业“或动态的”“企业联盟”。此时，各企业致力于自己的核心业务，实现优势互补，实现资源优化动态组合与共享。
4.7 “智”是发展的前景
“智”，就是智能化。制造技术的智能化是制造技术发展的前景。近20 年来，制造系统正在由原先的能量驱动型，转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出某种智能，以便应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，因此智能制造越来越受到重视。
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）自律能力强； 3）自组织与超柔性；
4）学习能力与自我维护能力； 5）在未来，具有更高级的类人思维的能力。
可以说，智能制造作为一种模式，是集自动化、集成化和智能化于一身，并具有不断向纵深发展的高技术含量和高技术水平的先进制造系统，也是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。其突出之处，是在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。尽管智能化制造道路还很漫长，但是必将成为未来制造业的主要生产模式之一，潜力极大，前景广阔。
4.8 “绿”是发展的必然
“绿”，就是“绿色”制造。人类必须从各方面促使自身的发展与自然界和谐一致，制造技术也不例外。制造业的产品从构思开始，到设计、制造、销售、使用与维修，直到回收、再制造等各阶段，都必须充分顾及环境保护与改善。不仅要保护与改善自然环境，还要保护与改善社会环境、生产环境以及生产者的身心健康。其实，保护与改善环境，也是保护与发展生产力。在此前提下，制造出价廉、物美、供货期短、售后服务好的产品。作为“绿色”制造，产品必须力求同用户的工作、生活环境相适应，给人以高尚的精神享受，体现物质文明与精神文明的高度交融。因此，发展与采用一项新技术时，必须树立科学的发展观，使制造业不断迈向“绿色”制造。
上面所讲的“数、精、极、自、集、网、智、绿”这8 个方面，彼此渗透，相互依赖，相互促进，形成一个整体。同时，8 个方面一定要扎根在“机械”和“制造”这个基础上，也就是说，要研究与发展“机械”本身与“制造”本身的理论与机理。8 个方面的技术，要以此理论与机理为基础来研究、开发、发展，要与此基础相辅相成，最终服务于制造业的发展。值得注意的是，在科学技术高度发达与高速发展的今天，“先进制造技术”如同一切先进技术一样，是不可能不“以人为本”的，不能见“物”不见“人”，见“技术”不见“文化”、不见“精神”。离开人，离开人的精神，先进技术就失去了“灵魂”，甚至造祸于民。进一步而言，要“以人为本”，就必须“教育先导”，就必须通过各种形式的教育，培养出合乎时代潮流与我国国情的制造业的科技人才与管理人才。科技是关键，人才是根本，教育是基础。要从根本、从长远、从全面着想，不断推动我国先进制造技术的发展。
4.9 “低碳”是发展的目标
随着经济全球化深入发展，降低能耗和减排温室气体，成为国际社会面临的严峻挑战，以低能耗、低污染为基础的“低碳经济”成为国际热点，成为继工业革命、信息革命之后又一波可能对全球经济产生重大影响的新趋势。据预测，走“低碳经济”的发展道路，每年可为全球经济产生25 000 亿美元的收益，到2050 年，低碳技术市场至少会达到5 000 亿美元。为此，一些发达国家大力推进向“低碳经济”转型的战略行动，着力发展“低碳技术”，并对产业、能源、技术、贸易等政策进行重大调整，以抢占产业先机。“低碳技术”包括在节能、煤的清洁高效利用、油气资源和煤层气的勘探开发、可再生能源及新能源、二氧化碳捕获与埋存等领域开发的有效控制温室气体排放的新技术，涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化、汽车制造、机械制造等部门。
5 结束语
先进制造技术不是一门具体的、单一的科学技术，它是一个集成的、多学科的、综合的一门学科，并且它有一个相当长的发展过程，大家需要做的工作，是向其不断接近，使其不断完善。