中國先進制造業(yè)現狀及發(fā)展

1、我國先進機械制造技術的現狀及發(fā)展方向作者 任川 2010-5-22【摘 要】 機械制造技術不僅是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標志，也是國際間科 技競爭的重點。 本文對我國機械制造技術的現狀及技術特點進行分析， 論述了先進制造 的前沿 科學，并簡述了 21 世紀機械制造技術的發(fā)展方向 ?！娟P鍵詞】 先進制造技術 前沿科學 技術特點 發(fā)展方向制造業(yè)是 現代 國民 經濟 和綜合國力的重要支柱，其生產總值一般占 一個國家國內生產總值的 20%55%。在一個國家的 企業(yè) 生產力構成中，制 造技術的作用一般占 60%左右。專家認為，世界上各個國家經濟的競爭，主 要是制造技術的競爭。其競爭能力最終體現在所

2、生產的產品的市場占有率 上。隨著經濟技術的高速發(fā)展以及顧客需求和市場環(huán)境的不斷變化，這種競 爭日趨激烈，因而各國政府都非常重視對先進制造技術的 研究 。我國正處 于經濟發(fā)展的關鍵時期，制造技術是我們的薄弱環(huán)節(jié)。只有跟上先進制造技 術的世界潮流，將其放在戰(zhàn)略優(yōu)先地位，并以足夠的力度予以實施，才能盡 快縮小與發(fā)達國家的差距，才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地一、我國機械制造技術發(fā)展的現狀分析機械制造技術是研究產品設計、生產、加工制造、銷售使用、維修服務乃 至回收再生的整個過程的工程學科，是以提高質量、效益、競爭力為目標， 包含物質流、信息流和能量流的完整的系統(tǒng)工程。20 世紀 70 年代以前，產品

3、的技術相對比較簡單，一個新產品上市，很 快就會有相同功能的產品跟著上市。 20世紀 80 年代以后，隨著市場全球化 的進一步發(fā)展，市場競爭變得越來越激烈。20世紀90年代初，隨著CIMS技術的大力推廣應用，包括有 CIMS實驗 工程中心和 7個開放實驗室的研究環(huán)境已建成。 在全國范圍內， 部署了 CIMS 的若干研究項目，諸如 CIMS軟件工程與標準化、開放式系統(tǒng)結構與發(fā)展戰(zhàn) 略，CIMS總體與集成技術、產品設計自動化、工藝設計自動化、柔性制造技 術、管理與決策信息系統(tǒng)、質量保證技術、 網絡 與數據庫技術以及系統(tǒng)理論 和方法等均取得了豐碩成果，獲得不同程度的進展。但因大部分大型機械制 造企業(yè)和

4、絕大部分中小型機械制造企業(yè)主要限于 CAD和管理信息系統(tǒng)，底層 基礎自動化還十分薄弱，數控機床由于編程復雜，還沒有真正發(fā)揮作用。因 此，與工業(yè)發(fā)達國家相比，我國的制造業(yè)仍然存在一個階段性的整體上的差 距。目前，我國已加入 WTO機械制造業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)與新的機遇。因 此，我國機械制造業(yè)不能單純的沿著 20 世紀凸輪及其機構為基礎采用專用 機床、專用夾具、專用刀具組成的流水式生產線剛性自動化發(fā)展。而是 要全面拓展，面向五化發(fā)展，即全球化、網絡化、虛擬化、自動化、綠色化。當前制造科學要解決的問題主要集中在以下幾方面：（1）制造系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)，為滿足制造系統(tǒng)敏捷性、快速響應 和快速重組的能

5、力，必須借鑒信息科學、生命科學和 社會 科學等多學科的 研究成果，探索制造系統(tǒng)新的體系結構、制造模式和制造系統(tǒng)有效的運行機 制。制造系統(tǒng)優(yōu)化的組織結構和良好的運行狀況是制造系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu) 化的主要目標。 制造系統(tǒng)新的體系結構不僅對制造企業(yè)的敏捷性和對需求的 響應能力及可重組能力有重要意義， 而且對制造企業(yè)底層生產設備的柔性和 可動態(tài)重組能力提出了更高的要求。生物制造觀越來越多地被引入制造系 統(tǒng)，以滿足制造系統(tǒng)新的要求。（2）為支持快速敏捷制造，幾何知識的共享已成為制約現代制造技術中產品開發(fā)和制造的關鍵問題。例如在計算機輔助設計與制造（CAD/CAM集 成、坐標測量（CMM和機器人學等方面，

6、在三維現實空間（3-Real Space）中, 都存在大量的幾何算法設計和 分析 等問題，特別是其中的幾何表示、幾何 計算和幾何推理問題；在測量和機器人路徑規(guī)劃及零件的尋位（如 Localization） 等方面，存在C-空間（配置空間Con figuration Space）的幾何計算和幾何推理問題； 在物體操 作（夾持、抓取和裝配等 ）描述和機器人多指抓取規(guī)劃、裝配運動規(guī)劃和操作 規(guī)劃方面則需要在旋量空間 （Screw Space） 進行幾何推理。制造過程中物理 和力學現象的幾何化研究形成了制造科學中幾何計算和幾何推理等多方面 的研究課題，其 理論 有待進一步突破，當前一門新學科 - 計算

7、機幾何正在 受到日益廣泛和深入的研究。（3）在現代制造過程中，信息不僅已成為主宰制造產業(yè)的決定性因素， 而且還是最活躍的驅動因素。 提高制造系統(tǒng)的信息處理能力已成為現代制造 科學發(fā)展的一個重點。由于制造系統(tǒng)信息組織和結構的多層次性，制造信息 的獲取、集成與融合呈現出立體性、信息度量的多維性、以及信息組織的多 層次性。在制造信息的結構模型、制造信息的一致性約束、傳播處理和海量 數據的制造知識庫管理等方面，都還有待進一步突破。（4）各種人工智能工具和計算智能 方法 在制造中的廣泛應用促進了制 造智能的發(fā)展。一類基于生物進化算法的計算智能工具，在包括調度問題在 內的組合優(yōu)化求解技術領域中，受到越來越

8、普遍的關注，有望在制造中完成 組合優(yōu)化問題時的求解速度和求解精度方面雙雙突破問題規(guī)模的制約。 制造 智能還表現在：智能調度、智能設計、智能加工、機器人學、智能控制、智 能工藝規(guī)劃、智能診斷等多方面。這些問題是當前產品創(chuàng)新的關鍵理論問題，也是制造由一門技藝上升為 一門科學的重要基礎性問題。這些問題的重點突破，可以形成產品創(chuàng)新的基 礎研究體系二、機械制造技術的特點做好基礎自動化的工作仍是我國制造企業(yè)一項十分緊迫而艱巨的任務。 但 加工中心無論是數量還是利用率都很低?？删幊炭刂破鞯氖褂貌⒉黄占?，工 業(yè)機器人的應用還很有限。因此，我們要立足于我國的實際情況，在看到國 際上制造業(yè)發(fā)展趨勢的同時扎扎實實地

9、做好基礎工作。1. 機械制造技術是一個系統(tǒng)工程先進制造技術特別強調 計算 機技術、信息技術、傳感技術、自動化技術、 新材料技術和 現代 系統(tǒng)管理技術在產品設計、制造和生產組織管理、銷售及 售后服務等方面的應用。 它要不斷吸收各種高新技術成果與傳統(tǒng)制造技術相 結合，使制造技術成為能駕馭生產過程的物質流、能量流和信息流的系統(tǒng)工 程。2. 機械制造技術是一個綜合性技術先進制造技術應用的目標是為了提高企業(yè)競爭和促進國家經濟和綜合實力的增長。因此，它并不限于制造過程本身，它涉及產品從市場調研、產 品開發(fā)及工藝設計、生產準備、加工制造、售后服務等產品壽命周期的所有 內容，并將它們結合成一個有機的整體。以便

10、提高制造業(yè)的綜合經濟效益和 社會效益。3. 機械制造技術是市場競爭要素的統(tǒng)一體市場競爭的核心是如何提高生產率。隨著市場全球化的進一步發(fā)展， 20 世紀 80 年代以后，制造業(yè)要贏得市場競爭的主要矛盾已經從提高勞動生產 率轉變?yōu)橐詴r間為核心的時間、成本和質量的三要素的矛盾。先進制造技術 把這三個矛盾有機結合起來，使三者達到了統(tǒng)一。4. 機械制造技術是一個世界性技術20世紀80年代以來，隨著全球市場的形成， 發(fā)達國家通過 金融、經濟、 科技手段爭奪市場，傾銷產品，輸出資本，使得市場競爭變得越來越激烈， 為適應這種激烈的市場競爭，一個國家的先進制造技術應具有世界先進水 平，應能支持該國制造業(yè)在全球市

11、場的競爭力。同時，機械制造技術是面向 21 世紀的技術，應與現代高新技術相結合， 應是有明確范疇的新的技術領域。5現代機械工程的前沿科學不同科學之間的交叉融合將產生新的科學聚集，經濟的發(fā)展和社會的進 步對科學技術產生了新的要求和期望，從而形成前沿科學。前沿科學也就是 已解決的和未解決的科學問題之間的界域。前沿科學具有明顯的時域、領域 和動態(tài)特性。 工程前沿科學區(qū)別于一般基礎科學的重要特征是它涵蓋了工程 實際中出現的關鍵科學技術問題。超聲電機、超高速切削、綠色設計與制造等領域，國內外已經做了大量 的研究工作，但創(chuàng)新的關鍵是機械科學問題還不明朗。大型復雜機械系統(tǒng)的 性能優(yōu)化設計和產品創(chuàng)新設計、智能

12、結構和系統(tǒng)、智能機器人及其動力學、 納米摩擦學、制造過程的三維數值模擬和物理模擬、超精度和微細加工關鍵 工藝基礎、大型和超大型精密儀器裝備的設計和制造基礎、虛擬制造和虛擬 儀器、納米測量及儀器、并聯軸機床、微型機電系統(tǒng)等領域國內外雖然已做 了不少研究，但仍有許多關鍵科學技術問題有待解決。信息科學、納米科學、材料科學、生命科學、管理科學和制造科學將是 改變 21 世紀的主流科學， 由此產生的高新技術及其產業(yè)將改變世界的面貌。 因此，與以上領域相交叉發(fā)展的制造系統(tǒng)和制造信息學、納米機械和納米制 造科學、仿生機械和仿生制造學、 制造管理科學和可重構制造系統(tǒng)等會是 21 世紀機械工程科學的重要前沿科學

13、。三、我國機械制造技術的 發(fā)展 方向改革開放以來， 通過技術改造和引進國外先進制造技術， 使我國的制造工 業(yè)有了長足的進步，但和先進國家相比還存在很大差距，表現在：技改投入 相對不足，原有技術基礎和研究開發(fā)能力薄弱，制造業(yè)產品落后，技術水平 低，信息含量少，更新換代慢，以及市場營銷、經營管理、人才素質相對落 后，缺乏國際競爭能力。面對這樣形勢，發(fā)展先進制造技術、實施先進的制 造模式已經到了刻不容緩的地步。先進制造技術是制造技術的最新發(fā)展階段， 是由傳統(tǒng)的制造技術發(fā)展起 來的，既保持了過去制造技術中的有效要素，又要不斷吸收各種高新技術成 果，并滲透到產品生產的所有領域及其全部過程。20世紀 80

14、年代，隨著掃描顯微鏡的發(fā)明和使用，人類認識世界和改造 世界的能力進入納米尺度，納米技術是指實現納米級精度，是一種在納米尺 度上研究原子和分子結構，物質特性及相互作用與運動，并運用這種技術為 人類服務的高新技術，納米技術對制造業(yè)產生了很大的影響，其應用范圍將 非常廣泛，包括納米材料技術、納米加工技術、納米裝配技術和納米測量技 術等。超精密加工的加工精度在 2000年已達到納米級， 在 21世紀初開發(fā)的分 子束生長技術、離子注入技術和材料合成、掃描隧道工程（STE可使加工精度達到0.0003o.oool卩m現在精密工程正向其終極目標一一原子級精 度的加工逼近，也就是說，可以做到移動原子級別的加工。

15、現代機械制造技術的發(fā)展主要表現在兩個方向上：一是精密工程技術，以超精密加工的前沿部分、微細加工、納米技術為代表，將進入微型機械 電 子技術和微型機器人的時代；二是機械制造的高度自動化，以CIMS 和敏捷制造等的進一步發(fā)展為代表。1. 精密成形技術成形制造技術包括鑄造、焊接、塑性加工等。精密成形 技術包括：精密鑄造（濕膜精密成形鑄造、 剛型精密成形鑄造、 高精度造芯）、 精密鍛壓（冷濕精密成形、精密沖裁） 、精密熱塑性成形、精密焊接與切割 等。2. 無切削液加工無切削液加工的主要應用領域是機械加工行業(yè)， 無切削 液加工簡化了工藝、減少了成本并消除了冷卻液帶來的一系列問題，如廢液 排放和回收等等。

16、3快速成形技術快速原型零件制造技術（RPM,其設計突破了傳統(tǒng)加工 技術所采用的材料去除的原則，而采用添加、累積的原理。其代表性技術有 分層實體制造（LOM,熔化沉積制造（FDM等等。4. 建立與發(fā)展我國自主的 NC、MC、CAD、CAM、FMS、CAT、CIM、IMS 等 制造自動化單元技術，結合實際情況實現與現有成熟技術的有效結合。同時 要有組織有計劃的引進先進制造技術進行消化和吸收。 對于引進的并行工程 （CE）、敏捷制造（AM）、精良生產（LP）、智能制造（IM）等先進制造模式要根 據它們的技術構思和特征開發(fā)創(chuàng)新成適合我國國情的生產模式， （如獨立制 造島 ） 以使企業(yè)適應市場經濟的需要

17、。5. 提高制造業(yè)現代化管理水平?，F代管理核心是信息管理、物質管理、 質量管理、生產過程管理和市場信息管理、加強企業(yè)人才的培養(yǎng)同時與國際 接軌，開展ISO9000系列管理體系認證，加快現代企業(yè)制度改革，為先進制 造技術的發(fā)展奠定良好的基礎。由于以上工藝和技術不僅減少了原材料和能源的耗用量或縮短了開發(fā) 周期、減少了成本，而且有些工藝的改進對環(huán)境起到保護作用，因此被稱為 綠色制造工藝。綠色制造是人類社會可持續(xù)發(fā)展在制造業(yè)中的體現。這一切 除了工藝革新外，還必須依靠信息技術，通過 計算機的模擬、仿真，才能實 現。四、結論現代制造技術是現代技術和 工業(yè)創(chuàng)新的集成， 是國家制造業(yè)的水平的主要標志，也是國家工業(yè)的基礎和支柱。隨著社會的發(fā)展，人們對產品的要求也 發(fā)生了很大變化， 要求品種要多樣、 更新要快捷、 質量要高檔、 使用要方便、 價格要合理、外形要美觀、自動化程度要高、售后服務要