2020年先進制造技術的狀態(tài)和發(fā)展方向

1、nrxx 折 XXON快置矗蝮套賽)曜根ffito精w-密噌】淺談先進制造技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢xxxxxxxxxxxxxxxx先進制造技術不僅是衡量壹個國家科技發(fā)展水平的重要標志，也是國際間科技競爭的重 點。我國正處于工業(yè)化經濟發(fā)展的關鍵時期，制造技術是我們的薄弱環(huán)節(jié)。只有跟上發(fā)展先 進制造技術的世界潮流，將其放于戰(zhàn)略優(yōu)先地位，且以足夠的力度予以實施，進壹步推進國 企改革，推動建立強大的企業(yè)集團。推進技術創(chuàng)新，推動大型企業(yè)盡快建立技術開發(fā)中心， 廣泛吸引人才，于重大技術創(chuàng)新項目中實行產學研結合，才能盡快縮小同發(fā)達國家的差距， 才能于激烈的市場競爭中立于不敗之地。本文將詳細介紹先進制造技術的含義、

2、特點以及于 我國的發(fā)展情況和發(fā)展趨勢。1先進制造技術的含義和特點1.1含義先進制造技術（AMT）是以人為主體，以計算機技術為支柱，以提高綜合效益為目的， 是傳統(tǒng)制造業(yè)不斷地吸收機械、信息、材料、能源、環(huán)保等高新技術及現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術等 方面最新的成果，且將其綜合應用于產品開發(fā)和設計、制造、檢測、管理及售后服務的制造 全過程，實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗、清潔、敏捷制造，且取得理想技術經濟效果的前沿制造技 術的總稱。1.2先進制造技術的特點1）是面向工業(yè)應用的技術先進制造技術且不限于制造過程本身，它涉及到產品從市場 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， 且將它

3、們結合成壹個有機的整體。2）是駕馭生產過程的系統(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(xiàn)代系統(tǒng)管理技術于產品設計、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和傳統(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。3）是面向全球競爭的技術隨著全球市場的形成，使得市場競爭變得越來越激烈，先進制造技術正是為適應這種激烈的市場競爭而出現(xiàn)的。因此，壹個國家的先進制造技術，它的 主體應該具有世界先進水平，應能支持該國制造業(yè)于全球市場的競爭力2先進制造技術的組成先進制造技術是為了適應時代要求提高競爭

4、能力，對制造技術不斷優(yōu)化和推陳出新而形 成的。它是壹個相對的，動態(tài)的概念。于不同發(fā)展水平的國家和同壹國家的不同發(fā)展階段， 有不同的技術內涵和構成。從目前各國掌握的制造技術來見可分為四個領域的研究，它們橫 跨多個學科，且組成了壹個有機整體：2.1現(xiàn)代設計技術1 ）計算機輔助設計技術包括：有限元法，優(yōu)化設計，計算機輔助設計技術，模糊智能 CAD 等。2）性能優(yōu)良設計基礎技術包括：可靠性設計；安全性設計；動態(tài)分析和設計；斷裂設 計；疲勞設計；防腐蝕設計；減小摩擦和耐磨損設計；測試型設計；人機工程設計等3）競爭優(yōu)勢創(chuàng)建技術包括：快速響應設計；智能設計；仿真和虛擬設計；工業(yè)設計； 價值工程設計；模塊化設

5、計。4）全壽命周期設計包括：且行設計；面向制造的設計；全壽命周期設計。5）可持續(xù)性發(fā)展產品設計主要有綠色設計。6）設計試驗技術包括：產品可靠性試驗；產品環(huán)保性能實驗和控制。2.2先進制造工藝1）精密潔凈鑄造成形工藝；2）精確高效塑性成形工藝;3 ）優(yōu)質高效焊接及切割技術；4 ）優(yōu)質低效潔凈熱處理技術;5）高效高精度機械加工工藝；6 ）新型材料成形和加工工藝;7）現(xiàn)代特種加工工藝；8）優(yōu)質清潔表面工程新技術；9）快速模具制造技術；10）擬實制造成形加工技術。2.3自動化技術1）數控技術；2）工業(yè)機器人；3）柔性制造系統(tǒng)（FMS）；4）計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）；5）傳感技術；6）自動檢測及信

6、號識別技術；7）過程設備工況監(jiān)測和控制。2.4系統(tǒng)管理技術1）先進制造生產模式；2）集成管理技術；3）生產組織方法。3先進制造技術的國內外現(xiàn)狀3.1 國外先進制造技術現(xiàn)狀于制造業(yè)自動化發(fā)展方面，發(fā)達國家機械制造技術已經達到相當水平，實現(xiàn)了機械制造系 統(tǒng)自動化。產品設計普遍采用計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助產品工程（CAE）和計算機仿 真等手段，企業(yè)管理采用了科學的規(guī)范化的管理方法和手段，于加工技術方面也已實現(xiàn)了底層 的自動化，包括廣泛地采用加工中心（或數控技術）、自動引導小車（AGV）等。于這個基礎上再 提高制造系統(tǒng)的自動化水平，對于改善企業(yè)的TQCS（T盡量縮短產品的交貨時間或提早新產

7、 品上市時間、Q一提高產品質量、C一降低產品成本、S一提高服務水平）已無明顯的作用。 因此，近10余年來，發(fā)達國家主要從具有全新制造理念的制造系統(tǒng)自動化方面尋找出路提出 了壹系列新的制造系統(tǒng)，如計算機集成制造系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)、敏捷制造、且行工程等。1）計算機集成制造系統(tǒng)它是于自動化技術、信息技術和制造技術的基礎上，通過計算機及軟件，將制造廠全部生產活動有關的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來且適合于多品 種、中小批量生產的總體高效率、高柔性的制造系統(tǒng)。計算機集成制造系統(tǒng)于概念上，主要 強調倆點：首先于功能上，它包含了壹個工廠的全部生產運營活動,即從市場預測、產品設計、 加工工藝、制造、管理至

8、售后服務以及報廢處理的全部活動。因此它比傳統(tǒng)的工廠自動化的 范圍要大得多，是壹個復雜的大系統(tǒng)，是工廠自動化的發(fā)展方向。其次于集成上，它涉及的 自動化不是工廠各個環(huán)節(jié)的自動化的簡單疊加，而是于計算機網絡和分布式數據庫支持下的 有機集成。這種集成主要體當下以信息和功能為特征的技術集成，即信息集成和功能集成， 以便縮短產品開發(fā)周期、提高質量、降低成本。2）智能制造系統(tǒng)是指將專家系統(tǒng)、模糊推理、人工神經網絡等人工智能技術應用到制造 系統(tǒng)中，以解決復雜的決策問題，提高制造系統(tǒng)的水平和實用性。人工智能的作用是要代替熟 練工人的技藝，學習工程技術人員的實踐經驗和知識，且用于解決生產中的實際問題，從而 將工人

9、、工程技術人員多年來積累起來的豐富而又寶貴的實踐經驗保存下來，于實際的生產 中長期發(fā)揮作用。3）且行工程又稱同步工程或同期工程,是針對傳統(tǒng)的產品串行開發(fā)（需求分析一一概念 設計詳細設計過程設計一一加工制造試驗檢測一一設計修改的流程，稱為 產品從設計到制造的串行生產?；蜻^程而提出的壹個概念、壹種哲理和方法。4）敏捷制造又稱靈捷制造、迅速制造和靈活制造等，它是將柔性生產技術、熟練掌握生 產技能和有知識的勞動力和促進企業(yè)內部和企業(yè)之間相互合作的靈活管理集成于壹起，通過 所建立的共同基礎結構，對迅速改變或無法預見的消費者需求和市場時機作出快速響應。市場 的快速響應是敏捷制造的核心。3.2國內先進制造技

10、術現(xiàn)狀我國的裝備制造業(yè)經過數十年努力，已具有相當規(guī)模，積累了大量的技術和經驗?？墒请S著經濟全球化的發(fā)展，由于我國的巨大市場和豐富的勞動力資源，國外技術、資金、產品 大量涌入，企業(yè)面臨前所未有的國內外激烈的競爭局面。競爭要求企業(yè)產品更新?lián)Q代快，產 品質量高，價格低，交貨及時和服務好。近年來，我國的制造業(yè)不斷采用先進制造技術，但 和工業(yè)發(fā)達國家相比，仍然存于壹個階段性的整體上的差距。1）管理體制方面工業(yè)發(fā)達國家國有企業(yè)所占比重較小，絕大部分企業(yè)是規(guī)范的股份XX 公司。我國國有企業(yè)所占比重較大，裝備制造業(yè)存于著帶根本性的問題，制造業(yè)的人均勞動 生產率遠遠落后于發(fā)達國家，產業(yè)主體技術依靠國外，國有企業(yè)

11、深化改革遠未到位，企業(yè)集 中度低，大型骨干企業(yè)少，圍繞大型骨干企業(yè)的中小企業(yè)群體也未形成。2）企業(yè)運營管理方面工業(yè)發(fā)達國家廣泛采用計算機管理，重視組織和管理體制、生產 模式的更新發(fā)展，推出了準時生產（JIT X靈敏制造（AMX精益生產（LP X且行工程（CE） 等新的管理思想和技術。我國只有少數大型企業(yè)局部采用了計算機輔助管理，多數中小型企 業(yè)仍處于經驗管理階段。3）產品開發(fā)設計方面工業(yè)發(fā)達國家不斷更新設計數據和準則，采用新的設計方法，廣 泛采用計算機輔助設計技術（CAD/CAM），大型企業(yè)開始無圖紙的設計和生產。我國采用 CAD/CAM技術的比例較低。于應用技術及技術集成方面的能力仍比較低，

12、關聯(lián)的技術規(guī)范 和標準的研究制定相對滯后。4）加工制造工藝方面工業(yè)發(fā)達國家較廣泛的采用高精密加工、精細加工、微細加工、微型機械和微米/納米技術、激光加工技術、電磁加工技術、超塑加工技術以及復合加工技術 等新型加工方法。我國普及率不高，尚于開發(fā)、學習階段。例如：于高速超高速加工的各關 鍵領域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面總體水平同國 外尚有較大差距；于超精密加工的效率、精度可靠性，特別是規(guī)格（大尺寸）和技術配套方 面和國外比，仍有相當大的差距。5)加工機床和自動化技術方面工業(yè)發(fā)達國家普遍采用數控機床、加工中心及柔性制造單元(FMC 柔性制造系統(tǒng)(FMS X計算機集

13、成制造系統(tǒng)(CIMS)，實現(xiàn)了柔性自動化、 知識智能化、集成化。我國尚處于單機自動化、岡帷自動化階段，柔性制造單元和系統(tǒng)僅于 少數企業(yè)使用。相比美國、德國和日本等機床發(fā)達國家，我國數控機床產品于設計水平、質 量、精度、性能方面差距較大。從整體上來說，我國數控機床和國外先進相塞10年；于 高精尖技術方面的差距則達到了1015年。于高級數控系統(tǒng)、高速精密主軸單元、高速滾 動部件和數控動力刀架等核心零部件方面，我國仍無法國產化，主要依賴于進口。4先進制造技術的發(fā)展趨勢近年來，制造工程領域的新技術像雨后春筍般相繼誕生如計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS),虛 擬生產(VM)，智能制造(IM)，綠色制造(GM

14、)等,這些新技術的產生的運用決定了先進制造業(yè)未來的發(fā)展方向。現(xiàn)將先進制造技術的發(fā)展趨勢和特色闡述如下:4.1是發(fā)展的核心數，是指制造領域的數字化。其包括以設計為中心的數字制造，以控制為中心的數 字制造和以管理為中心的數字制造。對數字化制造設備而言，其控制參數均為數字化信號； 對數字化制造企業(yè)而言，各種信息(如圖形、數據、知識、技能等等)均以數字形式通過網 絡于企業(yè)內傳遞，于多種數字化技術的支持下，企業(yè)對產品信息、工藝信息和資源信息進行 分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產品設計和產品功能的仿真，對加工過程和生產組織過程的仿真 或完成原型制造，從而實現(xiàn)生產過程的快速重組和對市場的快速反應。對全球制造業(yè)而言

15、， 于數字制造環(huán)境下，用戶借助網絡發(fā)布信息，各類企業(yè)通過網絡應用電子商務，實現(xiàn)優(yōu)勢互 補，形成動態(tài)聯(lián)盟，迅速協(xié)同設計且制造出相應的產品。4.2“精”是發(fā)展的關鍵精，是指加工精度及其發(fā)展。20世紀初，超精密加工的誤差是10pm ,7080年代為0.01pm，當下僅為0.001pm，即1nm。從海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭，到阿富汗戰(zhàn)爭、 伊拉克戰(zhàn)爭來見，武器的命中率越來越高，其實質就是武器越來越精，也能夠說，關鍵 就是打精度戰(zhàn)。于現(xiàn)代精密機械中，對精度要求極高，如人造衛(wèi)星的儀表軸承，其圓度、 圓柱度、表面粗糙度等均達到納米級基因作機械其移動距離為納米級移動精度為0.1nm ; 細微加工、納米加工技術，可

16、達納米以下的要求，如果借助于掃描隧道顯微鏡和原子力顯微 鏡的加工，則可達0.1nm。至于微電子芯片的制造，有所謂的三超：1）超凈加工車間塵埃顆粒直徑 1pm，顆粒數少于0.1 個/inch3；）超純芯片材料有害雜質，其含量要 1/109 ；）超精加工精度達納米級。顯然，沒有先進制造技術，就沒有先進電子技術裝備；當然，沒有先進電子技術和信息 技術，也就沒有先進制造裝備。先進制造技術和先進信息技術是相互滲透，相互支持，緊密 結合的。4.3“極”是發(fā)展的焦點極，就是極端條件，是指生產特需產品的制造技術，必須達到極的要求。例如， 能于高溫、高壓、高濕、強沖擊、強磁場、強腐蝕等條件下工作，或有高硬度、大

17、彈性等特 點，或極大、極小、極厚、極薄、奇形怪狀的產品等，均屬于特需產品。微機電系統(tǒng)就 是其中之壹。這是工業(yè)發(fā)達國家高度關注的壹項前沿科技，亦即所謂微系統(tǒng)微制造。微機 電系統(tǒng)用途十分廣泛。于信息領域中，用于分子存儲器、原子存儲器、芯片加工設備等； 生命領域中，用于克隆技術、基因操作系統(tǒng)、蛋白質追蹤系統(tǒng)、小生理器官處理技術、分子 組件裝配技術等；軍事武器中，用于精確制導技術、精確打擊技術、微型慣性平臺、微光學 設備等；航空航天領域中，用于微型飛機、微型衛(wèi)星、納米衛(wèi)星（0.1kg以內）；微型 機器人領域中，用于各種醫(yī)療手術、管道內操作、竊聽和收集情報等；此外，仍用于微型測試儀器微傳感器、微顯微鏡、

18、微溫度計、微儀器等等。微機電系統(tǒng)能夠完成特種動作和實現(xiàn)特種功能，乃至能夠溝通微觀世界和宏觀世界，其深遠意義難以估量。4.4“自是發(fā)展的條件“自，就是自動化。其為減輕、強化、延伸、取代人的有關勞動的技術或手段。自動 化總是伴隨有關機械或工具來實現(xiàn)的。能夠說，機械是壹切技術的載體，也是自動化技術的 載體。第壹次工業(yè)革命，以機械化這種形式的自動化，來減輕、延伸或取代人的有關體力勞 動；第二次工業(yè)革命，即電氣化進壹步促進了自動化的發(fā)展。據統(tǒng)計，從1870 1980年， 加工過程的效率提高為20倍，即體力勞動得到了有效的解放，但管理效率只提高1.8至2.2 倍，設計效率只提高1.2倍，這表明腦力勞動遠沒

19、有得到有效的解放。信息化、計算機化和 網絡化，不但能夠極大地解放人的身體，而且能夠有效提高人的腦力勞動水平。今天的自動 化的內涵和水平，已遠非昔比，從控制理論、控制技術，到控制系統(tǒng)、控制元件等等，均有 著極大的發(fā)展。自動化已成為先進制造技術發(fā)展的前提條件。4.5 “集”是發(fā)展的方法集，就是集成化。目前，集主要指壹下三方面:1）現(xiàn)代技術的集成機電壹體化是個典型，是高技術裝備的基礎。2）加工技術的集成特種加工技術及其裝備是個典型，如激光加工、高能束加工、電加3）企業(yè)的集成即管理的集成，包括生產信息、功能、過程的集成，也包括企業(yè)內部的 集成和企業(yè)外部的集成。從長遠見，仍有壹點很值得注意，即由生物技術

20、和制造技術集結而 成的微制造的生物方法，或所謂的生物制造”。其依據是，生物是由內部生長而成器 件，而非同壹般制造技術那樣，由外加作用以增減材料而成器件”。這是壹個嶄新的充 滿活力的領域，作用難以估量。4.6 “網是發(fā)展的道路網，就是網絡化。制造技術的網絡化是先進制造技術發(fā)展的必由之路。制造業(yè)于市 場競爭中，面臨多方的壓力：采購成本不斷提高，產品更新速度加快，市場需求不斷變化， 全球化所帶來的沖擊日益加強等等。企業(yè)要避免這壹系列問題，就必須于生產組織上實行某 種深刻的變革，拋棄傳統(tǒng)的小而全和大而全的夕陽技術，把力量集中于自己最 有競爭力的核心業(yè)務上。科學技術，特別是計算機技術、網絡技術的發(fā)展，使

21、這種變革的需 要成為可能。制造技術的網絡化，會導致壹種新的制造模式，即虛擬制造組織，這是由地理 上異地分布的、組織上平等獨立的多個企業(yè)，于談判協(xié)商的基礎上，建立密切合作關系，形 成動態(tài)的虛擬企業(yè)或動態(tài)的企業(yè)聯(lián)盟”。此時，各企業(yè)致力于自己的核心業(yè)務，實 現(xiàn)優(yōu)勢互補，實現(xiàn)資源優(yōu)化動態(tài)組合和共享。4.7“智是發(fā)展的前景智，就是智能化。制造技術的智能化是制造技術發(fā)展的前景。近20年來，制造系 統(tǒng)正于由原先的能量驅動型，轉變?yōu)樾畔Ⅱ寗有?，這就要求制造系統(tǒng)不但要具備柔性，而且 仍要表現(xiàn)出某種智能，以便應對大量復雜信息的處理、瞬息萬變的市場需求和激烈競爭的復 雜環(huán)境，因此智能制造越來越受到重視。和傳統(tǒng)的制造

22、相比，智能制造系統(tǒng)具有以下特點：1）人機壹體化；2）自律能力強；3）自組織和超柔性；4）學習能力和自我維護能力；5）于未來，具有更高級的類人思維的能力。能夠說，智能制造作為壹種模式，是集自動化、集成化和智能化于壹身，且具有不斷向 縱深發(fā)展的高技術含量和高技術水平的先進制造系統(tǒng)，也是壹種由智能機器和人類專家共同 組成的人機壹體化系統(tǒng)。其突出之處，是于制造諸環(huán)節(jié)中，以壹種高度柔性和集成的方式， 借助計算機模擬的人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構思和決策，取代或延伸 制造環(huán)境中人的部分腦力勞動，同時收集、存儲、處理、完善、共享、繼承和發(fā)展人類專家 的制造智能。盡管智能化制造道路仍很漫長，可

23、是必將成為未來制造業(yè)的主要生產模式之壹， 潛力極大，前景廣闊。4.8 “綠”是發(fā)展的必然綠，就是綠色制造。人類必須從各方面促使自身的發(fā)展和自然界和諧壹致，制 造技術也不例外。制造業(yè)的產品從構思開始，到設計、制造、銷售、使用和維修，直到回收、 再制造等各階段，均必須充分顧及環(huán)境保護和改善。不僅要保護和改善自然環(huán)境，仍要保護 和改善社會環(huán)境、生產環(huán)境以及生產者的身心健康。其實，保護和改善環(huán)境，也是保護和發(fā) 展生產力。于此前提下，制造出價廉、物美、供貨期短、售后服務好的產品。作為綠色” 制造，產品必須力求同用戶的工作、生活環(huán)境相適應，給人以高尚的精神享受，體現(xiàn)物質文 明和精神文明的高度交融。因此，發(fā)展和采用壹項新技術時，必須樹立科學的發(fā)展觀，使制 造業(yè)不斷邁向綠色制造。上面所講的數、精、極、自、集、網、智、綠這8個方面，彼此滲透，相互依賴， 相互促進，形成壹個整體