先进制造技术研究概况及发展趋势

先进制造技术课程大作业2014年10月先进制造技术研究概况及发展趋势曹德胜天津大学机械学院机械工程专业2014级硕士生摘要：以先进制造技术为核心，介绍了先进制造技术的概念与特征，分析了先进制造技术的产生背景以及其现在的大致发展状况。重点研究讨论了先进制造技术在未来数十年的发展趋势及我国在先进制造技术迅猛发展的时代背景下所面临的挑战和机遇。文章最后强调了人才培养对我国先进制造技术领域良性发展的重要作用。关键词：先进制造技术（AMT）现状发展趋势机遇及挑战0.前言恩格斯在《自然辩证法》中说到:“直立和劳动创造了人类,而劳动是从制造工具开始的。”制造业的发展是伴随着人类从蛮荒走向文明而不断取得突破的，人类现代社会的每一次大变革无不体现在制造业水平的提高上。制造业已经与材料、能源、信息一道成为人类文明取得不断进步的四大基石[1,2]。国际上通常认为，当一个产业的增加值超过一个国家国内生产总值（GDP）的5%就可以认为该产业是这个国家的支柱产业，而据我国国家统计局年报支出，我国机械制造业的这一数据一直保持在6%以上。由此可见，机械制造业作为“永远不落的太阳”将是我国迈向强国道路的重要支柱，其发展的好坏具有重要的战略价值及政治意义。目前，我国经济建设取得举世瞩目的重大成就，经济总量已经跃居全球第二，改革发展进入关键时期。面对人与自然日益紧张的关系，仍然依靠过去的粗放型经济发展模式显然是难以为继的，只有走可持续的发展道路才能保证我国在21世纪真正实现伟大复兴。这一过程中，先进制造技术的兴起发展无疑将起到积极强大的作用。1.先进制造技术简介1.1先进制造技术概念通俗的来说，制造技术就是在将原材料变成产品的过程中所采用的一系列技术手段。人类社会科技水平发展到今天，以凸轮及其他机构为基础，采用机床、夹具、刀具、量具组成生产流水线的传统机械制造技术逐渐向先进制造技术（advancedmanufacturingtechnology，AMT）转变。目前，对于先进制造技术的准确定义尚未能达成统一意见，杨叔子等[1]认为先进制造技术就是制造技术+信息技术+管理科学。文献[3]中认为先进制造技术可以分为三个部分a）现代设计技术；b）先进制造工艺和装备；c）系统管理技术；谷峰等在文献[4]认为先进制造技术是传统制造业不断吸收机械、信息、材料及现代管理技术等方面最新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，并取得理想的技术效果、经济效果的前沿制造技术的总称。闫存富等[5]认为先进制造技术是将工程设计、制造自动化、制造工艺技术、现代管理技术以及相关技术的支持环境和条件应用于产品整个寿命周期的所有实用技术的总称。唐勤生等在文献[6]中则认为先进制造技术主要涵盖了四大方面，分别是a）先进的制造工艺与装备；b）柔性的自动化制造过程；c）先进的设计方法与手段；d）科学的组织与系统管理技术。这些对先进制造的认识总体上来看是大同小异，虽然表述不一，但其本质均是认为相比于传统的制造技术，先进制造技术（AMT）早已经脱离了制造工艺技术这一狭隘的范畴，而是具有更为鲜明的特点、更为广泛的内涵，其覆盖了从产品的市场分析、产品设计、加工、装配、销售、维修、服务直到废旧产品的回收再利用这一全生命周期的完整过程。先进制造技术更加重视加工技术与管理技术的结合，注重2014年10月曹德胜：先进制造技术研究概况及发展趋势过程组织和管理体制的简化与合理化。1.2先进制造技术特性如前所述，先进制造技术不同于传统制造运用单一学科专业将材料变成产品的加工工艺，已经将生产提升到一个全新的模式，其是一个具有多学科背景，具有鲜明的综合性、交叉性、覆盖面广泛的庞大科学系统，是人类科技综合能力发展的最佳体现。先进制造技术不仅仅使得传统的学科界限已经逐渐打破并且变得越来越模糊直至最终消失，更要使得我们的工业生产过程是面向产品的整个生命周期乃至回收再利用。先进制造技术主要有以下几个特征[1,7,8]:1.2.1多学科交叉集成特性先进制造技术由于专业、学科间的不断渗透、交叉、融合,各个学科之间的界限逐渐淡化甚至消失,从性质上先进制造技术跨越联合了自然科学、环境科学和社会科学等大学科门类，也特别注意吸收经济学和管理科学的优势为己所用，同时也与其他的技术科学和门类众多的工程技术相联系，最终形成了先进制造技术多种学科交叉集成的特性。1.2.2覆盖产品生命全周期特性21世纪的制造技术所考虑和操作的绝不止于产品的设计与生产，而应包括从市场调查、产品开发和改进、制造加工、销售、售后服务，到产品报废、解体、回收，再到循环使用、循环利用的产品整个生命周期和多个生命周期，其目标将从注重数量和质量转向服务，体现全方位为顾客为社会服务精神1.2.3综合效益提高为目标的全系统特性制造企业本身就是一个集技术、经济、社会为一体的综合体，为了提高制造企业的综合性整体利益，制造企业会使用其所能够使用的全部技术手段，这是制造企业在激烈的市场竞争中得以生存发展的根本动力，先进制造技术正是这种所谓的手段。1.2.4高投入高产出长期化特性先进制造技术事关国家命运战略发展，能够为国家安全提供保障，相对于其他工程技术更为复杂、困难，不仅像传统制造业那样是资金密集型产业，更需要一大批的高素质人力资源，而这样的高投入是不一定能够带来预期的丰厚回报，获得的科研成果不一定能够转化成生产力成果，具有不确定性的风险性，但是这种回报一旦产生将是非常喜人，带来划时代的变革，极大提升国家竞争力。而这种资金和人力资源的大规模投入又必须是长期坚持的，一旦中断很难跟上世界先进水平，地位相对变得被动。西方发达国家普遍非常重视先进制造技术的投入规模，美、日、德三国用于先进制造技术的投入是理论研究的300倍，是应用研究的15倍[9]。2.先进制造技术的产生背景上世纪末，制造业市场逐渐从卖方市场转向为买方市场，传统的“以产品为中心”的大规模生产理念逐渐被新型的“以顾客为中心”单件小批量或大规模定制所替代。信息技术、管理技术的加入更使得传统制造技术从形式到内容发生了更本性变革。先进制造技术（AMT）这一重要概念最早是由美国政府在20世纪80年代提出的，上世纪后期美国因为忽视制造业发展导致本国国际竞争力下降至历史最低点，典型例子就是美国海湾战争中大量使用的“爱国者”导弹芯片产自日本，这直接使美国政府认为“国家安全受到严重威胁”。随即克林顿政府提出“先进制造技术计划”并投入巨资，这一措施使得美系汽车水平得以大幅提高，重新超过日本取得领先，在对先进制造技术的研究过程中提出了敏捷制造（AM）、精益生产（LP）并行工程（CE）等新理论[10]。之后，美国政府又相继提出TRP计划、ATP计划、SIMA计划和MANTECH计划。日本、欧洲以及新兴国家随即纷纷制定本国先进制造技术计划以期望奋起直追，德国政府1995年制定了“2000年制造生产计划”，2002年又分别推出了“IT2006研究计划”和“光学技术-德国制造计划”，日本在1989年提出了“智能制造系统计划（IMS）”后,又继续推出“新型工业创新性技术研究开发促进计划”和“新产业创造战略”，韩国政府也提出“高级先进技术国家计划（G7计划）”，发达国家先进制造技术的理论得以进一步深化拓展，极大支撑了先进装备制造，为这些国家保持领先地位起到关键作用。我国对先进制造技术也是非常重视，先后两次在首都北京召开先进制造技术科技大会，并且对先进制造技术开展了广泛而深入的研究[3,11,12]。3.先进制造的研究发展现状当今社会，先进制造技术无疑处于科学技术2014年10月曹德胜：先进制造技术研究概况及发展趋势发展的最前沿，为人类社会生产力的提高发挥无可替代的重要作用，更是各个国家在日益激烈的国际竞争中保持领先地位的根本保证。历史的事实表明：制造技术是基础理论研究和产品开发研究提升价值和经济效益的最终手段。先进制造技术所带来的丰厚回报正是吸引各国投入巨大资源的最初目的和终极追求，而这种回报又反过来作用于先进制造技术，更加推动了其不断向前发展，形成良性循环。3.1国际先进制造技术发展状况从先进制造技术的提出到现在为止已经有三十余年的时间，这段时间内，先进制造技术从根本上改变了人类社会生产发展面貌。美国波音公司利用CAD技术、INTERNET和并行工程技术，3年内成功地完成从设计到一次试飞成功的目标,成倍节约设计开发时间，实现了第一架异地合作设计的、无纸化飞机。再比如用于制作原子译码器、原子栅可进行操作原子和分子组装的亚纳米级CNC“分子加工机床”[9]。大大拓展了加工尺度范围，鲜明的反映了先进制造技术在“极端化”领域取得的重大成果。类似的研究成果还有很多，目前国际上对先进制造的研究已经从不同的方面得以展开。谷峰等[4]认为主要有以下6个方面：纳米技术，精密、超精密加工，快速原型技术，智能制造技术，敏捷制造技术，微电子制造技术，这一认识也得到大多数研究人员的认可。3.2我国先进制造技术发展应用状况一方面，我国在先进制造技术方面取得了重大成就。从上世纪80年代到90年代初，我国机床厂在消化吸收来自英国的卧式加工中心基础上，大力发展本国装备制造业，现在机床出口量大幅增加。在水电装备生产中成功研制了三峡工程700MW水电机组；在石化企业中投产的千吨级加氢反应器和80吨推力的往复压缩机，在世界上也是只有少数国家可以研发生产。另一方面，我国与西方经济发达国家的差距又是十分明显的。就高档数控机床一项而言，中国数控机床的高档数控系统和功能部件仍然主要依靠进口，2012年国内高档系统的自给率不到5%，约95%依赖进口，其中日本是主要的进口来源国，约占三分之一；国产产品中高档数控系统总和不到20%,出口机床也主要以中低档产品为主。作为传统的纺织工业大国，中国高档纺织制造业却基本没有原创技术，设备和原材料也靠国外进口；中国造船产业近年来已跃居世界前列，但船体材料和技术大多依赖国外。先进制造技术作为事关国家发展战略的核心技术，具有一定的垄断性质，西方发达国家越来倾向于严格的技术封锁与限制出口，而且这一趋势越来越明显，我国必须在借鉴国外先进经验的基础上，做好自主研发先进制造技术的技术储备。上面的事实表明：我国在先进制造领域正面临着机遇和挑战。4.先进制造技术发展趋势展望目前为止先进制造技术的各项理论已经得到很大发展，区别于传统加工手段的各种先进制造技术也在工业实际生产中得到了良好的展现，表现出了巨大的实用价值，常用先进制造模式的类型及特征[13]如表4-1所示。但是随着科技发展，先进制造技术面对不断涌现的新鲜问题有时仍然是无能为力，抛开管理科学等“软技术”仅就机械加工制造这一“硬技术”而言，先进制造技术也不是所向披靡。表4-1常用先进制造模式的类型及特征序号名称特征1并行工程以产品开发为龙头，以空间换取时间，多学科人员协同工作，实现资源共享2虚拟制造将实际制造全过程引入虚拟世界，充分发挥人机协调的智力资源，大幅度压缩新产品的开发时间，提高品质降低成本3柔性制造使刚性生产线实现软性化和柔性化，从而快速响应市场的需求，多块好省地完成多品种、中小批量的生产任务4现代集成制造将技术系统、经营生产系统和人员的思想理念集成在一起，实现系统全局动态最优化和总体高效益5精益生产消除一切无效劳动和浪费，把目标确定在尽善尽美上，通过不断地降低成本、提高品质、增强生产灵活性、实现无废品和零库存等手段，确保企业在市场竞争中的优势6延迟制造尽可能扩大制造生产流程中不同产品的相同制造过程，等最终用户对产品的外观、功能与数量提出要求后，才完成产品的差异化制造过程7快速原型制造将CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术集成，以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术，无需经过模具设计制作环节，极大地提高生产效率，大大降低生产成本，缩短了生产周期8敏捷制造快速响应市场，快速调整自身结构，快速集成资源，并实现资源共享9智能制造将人工智能引入制造系统，在大范围内具有自适应、自学习和自组织的能力10成组制造将生产活动