中国先进制造业现状及发展

《我国先进机械制造技术的现状及发展方向》作者任川2010-5-22【摘要】机械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。本文对我国机械制造技术的现状及技术特点进行分析，论述了先进制造的前沿科学，并简述了21世纪机械制造技术的发展方向。【关键词】先进制造技术前沿科学技术特点发展方向制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞争能力最终体现在所生产的产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常重视对先进制造技术的研究。我国正处于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，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地一、我国机械制造技术发展的现状分析机械制造技术是研究产品设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程的工程学科，是以提高质量、效益、竞争力为目标，包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。20世纪70年代以前，产品的技术相对比较简单，一个新产品上市，很快就会有相同功能的产品跟着上市。20世纪80年代以后，随着市场全球化的进一步发展，市场竞争变得越来越激烈。20世纪90年代初，随着CIMS技术的大力推广应用，包括有CIMS实验工程中心和7个开放实验室的研究环境已建成。在全国范围内，部署了CIMS的若干研究项目，诸如CIMS软件工程与标准化、开放式系统结构与发展战略，CIMS总体与集成技术、产品设计自动化、工艺设计自动化、柔性制造技术、管理与决策信息系统、质量保证技术、网络与数据库技术以及系统理论和方法等均取得了丰硕成果，获得不同程度的进展。但因大部分大型机械制造企业和绝大部分中小型机械制造企业主要限于CAD和管理信息系统，底层基础自动化还十分薄弱，数控机床由于编程复杂，还没有真正发挥作用。因此，与工业发达国家相比，我国的制造业仍然存在一个阶段性的整体上的差距。目前，我国已加入WTO，机械制造业面临着巨大的挑战与新的机遇。因此，我国机械制造业不能单纯的沿着20世纪凸轮及其机构为基础采用专用机床、专用夹具、专用刀具组成的流水式生产线——刚性自动化发展。而是要全面拓展，面向五化发展，即全球化、网络化、虚拟化、自动化、绿色化。当前制造科学要解决的问题主要集中在以下几方面：（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-RealSpace)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在C-空间(配置空间ConfigurationSpace)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(ScrewSpace)进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科--计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破。（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系二、机械制造技术的特点做好基础自动化的工作仍是我国制造企业一项十分紧迫而艰巨的任务。但加工中心无论是数量还是利用率都很低。可编程控制器的使用并不普及，工业机器人的应用还很有限。因此，我们要立足于我国的实际情况，在看到国际上制造业发展趋势的同时扎扎实实地做好基础工作。1.机械制造技术是一个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。2.机械制造技术是一个综合性技术先进制造技术应用的目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合实力的增长。因此，它并不限于制造过程本身，它涉及产品从市场调研、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。以便提高制造业的综合经济效益和社会效益。3.机械制造技术是市场竞争要素的统一体市场竞争的核心是如何提高生产率。随着市场全球化的进一步发展，20世纪80年代以后，制造业要赢得市场竞争的主要矛盾已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的矛盾。先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来，使三者达到了统一。4.机械制造技术是一个世界性技术20世纪80年代以来，随着全球市场的形成，发达国家通过金融、经济、科技手段争夺市场，倾销产品，输出资本，使得市场竞争变得越来越激烈，为适应这种激烈的市场竞争，一个国家的先进制造技术应具有世界先进水平，应能支持该国制造业在全球市场的竞争力。同时，机械制造技术是面向21世纪的技术，应与现代高新技术相结合，应是有明确范畴的新的技术领域。5．现代机械工程的前沿科学不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚集，经济的发展和社会的进步对科学技术产生了新的要求和期望，从而形成前沿科学。前沿科学也就是已解决的和未解决的科学问题之间的界域。前沿科学具有明显的时域、领域和动态特性。工程前沿科学区别于一般基础科学的重要特征是它涵盖了工程实际中出现的关键科学技术问题。超声电机、超高速切削、绿色设计与制造等领域，国内外已经做了大量的研究工作，但创新的关键是机械科学问题还不明朗。大型复杂机械系统的性能优化设计和产品创新设计、智能结构和系统、智能机器人及其动力学、纳米摩擦学、制造过程的三维数值模拟和物理模拟、超精度和微细加工关键工艺基础、大型和超大型精密仪器装备的设计和制造基础、虚拟制造和虚拟仪器、纳米测量及仪器、并联轴机床、微型机电系统等领域国内外虽然已做了不少研究，但仍有许多关键科学技术问题有待解决。信息科学、纳米科学、材料科学、生命科学、管理科学和制造科学将是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界的面貌。因此，与以上领域相交叉发展的制造系统和制造信息学、纳米机械和纳米制造科学、仿生机械和仿生制造学、制造管理科学和可重构制造系统等会是21世纪机械工程科学的重要前沿科学。三、我国机械制造技术的发展方向改革开放以来，通过技术改造和引进国外先进制造技术，使我国的制造工业有了长足的进步，但和先进国家相比还存在很大差距，表现在：技改投入相对不足，原有技术基础和研究开发能力薄弱，制造业产品落后，技术水平低，信息含量少，更新换代慢，以及市场营销、经营管理、人才素质相对落后，缺乏国际竞争能力。面对这样形势，发展先进制造技术、实施先进的制造模式已经到了刻不容缓的地步。先进制造技术是制造技术的最新发展阶段，是由传统的制造技术发展起来的，既保持了过去制造技术中的有效要素，又要不断吸收各种高新技术成果，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。20世纪80年代，随着扫描显微镜的发明和使用，人类认识世界和改造世界的能力进入纳米尺度，纳米技术是指实现纳米级精度，是一种在纳米尺度上研究原子和分子结构，物质特性及相互作用与运动，并运用这种技术为人类服务的高新技术，纳米技术对制造业产生了很大的影响，其应用范围将非常广泛，包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米装配技术和纳米测量技术等。超精密加工的加工精度在2000年已达到纳米级，在21世纪初开发的分子束生长技术、离子注入技术和材料合成、扫描隧道工程（STE）可使加工精度达到0.0003～0.0001μm，现在精密工程正向其终极目标——原子级精度的加工逼近，也就是说，可以做到移动原子级别的加工。现代机械制造技术的发展主要表现在两个方向上：一是精密工程技术，以超精密加工的前沿部分、微细加工、纳米技术为代表，将进入微型机械电子技术和微型机器人的时代；二是机械制造的高度自动化，以CIMS和敏捷制造等的进一步发展为代表。1.精密成形技术成形制造技术包括铸造、焊接、塑性加工等。精密成形技术包括：精密铸造（湿膜精密成形铸造、刚型精密成形铸造、高精度造芯）、精密锻压（冷湿精密成形、精密冲裁）、精密热塑性成形、精密焊接与切割等。2.无切削液加工无切削液加工的主要应用领域是机械加工行业，无切削液加工简化了工艺、减少了成本并消除了冷却液带来的一系列问题，如废液排放和回收等等。3.快速成形技术快速原型零件制造技术（RPM），其设计突破了传统加工技术所采用的材料去除的原则，而采用添加、累积的原理。其代表性技术有分层实体制造（LOM），熔化沉积制造（FDM）等等。4.建立与发展我国自主的NC、MC、CAD、CAM、FMS、CAT、CIM、IMS等制造自动化单元技术，结合实际情况实现与现有成熟技术的有效结合。同时要有组织有计划的引进先进制造技术进行消化和吸收。对于引进的并行工程(CE)、敏捷制造(AM)、精良生产(LP)、智能制造(IM)等先进制造模式要根据它们的技术构思和特征开发创新成适合我国国情的生产模式，(如独立制造岛)以使企业适应市场经济的需要。5.提高制造业现代化管理水平。现代管理核心是信息管理、物质管理、质量管理、生产过程管理和市场信息管理、加强企业人才的培养同时与国际接轨，开展ISO9000系列管理体系认证，加快现代企业制度改革，为先进制造技术的发展奠定良好的基础。由于以上工艺和技术不仅减少了原材料和能源的耗用量或缩短了开发周期、减少了成本，而且有些工艺的改进对环境起到保护作用，因此被称为绿色制造工艺。绿色制造是人类社会可持续发展在制造业中的体现。这一切除了工艺革新外，还必须依靠信息技术，通过计算机的模拟、仿真，才能实现。四、结论现代制造技术是现代技术和工业创新的集成，是国家制造业的水平的主要标志，也是国家工业的基础和支柱。随着社会的发展，人们对产品的要求也发生了很大变化，要求品种要多样、更新要快捷、质量要高档、使用要方便、价格要合理、外形要美观、自动化程度要高、售后服务要好、要满足人们越来越高的要求，就必须采用先进的机械制造技术。因此