先进制造技术发展研究

先进制造技术发展研究陈宝洲（南华大学机械工程学院湖南衡阳邮编：421001）摘要：本文介绍了先进制造技术的概念，分析了国内外现代机械制造技术的现状，阐述了其发展趋势，并提出了我国机械工业发展先进制造技术应采取的对策。关键词：先进制造技术；现状；发展趋势；对策StudyonthedevelopmentofadvancedmanufacturingtechnologyCHENBaozhou(CollegeofMechanicalEngineering,UniversityofSouthChina,HengYang,421001,China)Abstract：Thisarticledescribestheconceptofadvancedmanufacturingtechnology,analyzedthepresentsituationofmodernmechanicalmanufacturingtechnologyathomeandabroadandillustratesitstrend,China'smachineryindustrydevelopmentandadvancedmanufacturingtechnologycountermeasures.Keywords:advancedmanufacturingtechnology;status;trends;countermeasures1．引言随着社会发展和人类文明进程的加快，与人类生产生活息息相关的各项实践活动正发生着深刻的变革。制造业的发展尤为明显，从石器时代经历青铜器和铁器时代，到蒸汽机时代，再到内燃机的发明，每一次生产的技术变革都对人类的文明起到极大地推动作用。特别是到了近现代，随着通信技术的发展，电子计算机和集成电路的出现，以及运筹学、现代控制理论、系统工程等软件科学的产生和发展，制造业又产生了一次新的飞跃。制造已经不再是传统意义上简单的将原材料变为成品的过程，而是在先进工程技术的基础上，集成了包括信息技术[1]、网络技术等各项新兴技术在内的生产活动；而且越来越多地融入了先进制造哲理、先进管理技术以及先进生产模式。在近50年的发展过程中，逐渐形成了先进制造技术（AdvancedManufactuingTechnology，AMT）。纵观历史,现代制造技术与制造业的形成和发展至今也只有200年,而先进制造技术的提出只是近10年间的事。20世纪70年代,美国的一批学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”,力图将经济发展的重点由制造业转向服务业等第三产业,甚至有人把传统的制造业视为“夕阳工业”,因而制造技术的发展受到极大的阻碍。从那时起,美国根据本国面临的挑战与机遇,对其制造业存在的问题进行了深刻反省,重新认识到制造业在国民经济中的地位和作用。同时,以计算机为中心的新一代信息技术的发展,也全面推动了制造技术的飞跃发展。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,纷纷制定多种发展计划,以支持发展先进制造技术。先进制造技术[2]的概念正是在这种背景下提出来的。2．先进制造技术概述什么是先进的制造技术，对此目前尚没有一个明确的、一致的定义。但普遍公认的含义[3]是：先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、生产管理、产品销售、使用、回收等制造全过程的制造技术的总称。与传统的制造技术相比,当代的AMT以其高效率、高品质和对于市场变化的快速响应能力为主要特征。AMT是生产力的主要构成因素,是国民经济的重要支柱。它担负着为国民经济各部门和科学技术的各个学科提供装备、工具和检测仪器的重要任务,成为国民经济和科学技术赖以生存和发展的土壤。尤其是一些尖端科技,如航空、航天、微电子、光电子、激光、分子生物学和核能等技术的出现和发展,如果没有AMT[4]作为基础,是根本不可能的。3．现代机械制造技术的现状3.1国外情况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[4]。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[5]、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[6]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[7]。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[8]。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[9]、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国内情况我国机械制造技术水平与发达国家相比还非常低，大约落后20年。近十几年来，我国大力推广应用CIMS[10]技术，20世纪90年代初期已建成研究环境，包括有CIMS实验工程中心和7个开放实验室。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专题。各项研究均取得了丰硕成果，获得不同程度的进展。但大部分大型机械制造企业【11】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,因底层(车间层)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。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，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。我们在看到国际上制造业发展趋势【12】的同时,还要立足于我国的实际情况,扎扎实实地把基础自动化工作搞上去，才能在稳步前进的基础上开展制造业自动化系统的研究与应用。4．先进制造技术的发展趋势先进制造技术是美国在20世纪80年代末,根据制造业面临日本的挑战,为增强制造业的竞争能力和振兴美国经济提出的,它是以信息技术【13】为支撑,研究并改造作用于产品整个生命周期的所有技术的总称,它综合了机械、电子、信息生物、光学、材料、能源、环保、管理等领域的最新成果,目的是获得优质、高效、低耗、清洁的产品。21世纪先进制造技术的发展趋势体现在以下几个方面:a)精密化【14】:20世纪60年代,一般加工精度为100Lm,精密加工精度为1Lm,超精密加工精度为0.1Lm;到20世纪末,一般加工精度1Lm,精密加工精度为0.01Lm,超精密加工精度为0.001Lm。在现代超精密机械中,对精度要求极高,如人造卫星的仪表轴承,其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级。譬如,电子制造中所要求的控制精度趋于纳米级、加工精度趋于亚纳米级。精密和超精密加工技术包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特种加工和复合加工【15】(如机械化学研磨、超声磨削和电解抛光等)三大领域。超精密加工技术已向纳米技术发展,近年来纳米技术的出现,促使超精密加工向其极限加工精度)原子级加工进行挑战。纳米技术促进了机械科学、材料科学、光学科学、测量科学和电子科学的发展。b)自动化:自动化技术自20世纪初出现以后,经历了由适合于单一品种大批量生产的刚性自动化、到多品种小批量的柔性自动化【16】、多品种变批量的综合自动化的发展过程,自动化技术的成功应用,极大地提高了产品的生产率,有效地向用户提供优质产品,同时还可以完成高危工作环境的任务。对于像汽车、发动机这样生产批量较大的行业的自动化,可通过机床自动化改造、使用自动机床、组合机床、自动生产线来完成。小批量生产自动化可通过NC,IMS,MC,CAM,FMS,CIM,IMS等来完成。未来的自动化将更多的考虑人、机、环境等的协调关系。c)网络化【17】:制造过程中的市场开发、原料采购、产品设计、零件加工、机器装配、成品销售等环节,已不局限于一个企业、一个集团或者是一个国家,借助网络技术,特别是Internet,跨越不同的企业之间存在的空间差距,组织、管理和利用分散在各地的制造资源【18】,建立灵活有效、互惠互利的异地、跨国界动态企业联盟,通过企业之间的信息集成、业务过程集成、资源共享,对企业开展异地协同的设计制造,网络营销、供应链管理等提供技术支撑环境和手段,实现产品商务的协同、产品设计的协同、产品制造的和供应链的协同,极大地缩短了产品的研制周期,降低了研制费用,提高整个产业链和制造群体的竞争力。d)集成化:随着时间的推移,在传统制造工艺技术【19】不断发展的基础上,将计算机技术、信息技术、新材料技术和管理技术等有机融合于产品生命周期中去,形成多专业学科的交叉渗透的技术综合体【20】,先进制造技术其内涵跨越了传统制造技术和企业及加工车间的边界,它是一个包含从市场需求、创新设计、工艺技术到生产过程组织与监控、市场信息反馈、企业文化在内的工程系统;是以先进制造工艺、计算机应用技术为核心的信息、设计方法、工艺技术、能源工程及相应的工程管理技术集成的现代制造工程。e)智能化:信息时代借助机器实现人的脑力劳动部分机械化【21】和自动化,使人摆脱繁琐的计算和分析,有更多的精力从事创造性劳动。智能化【22】是制造技术的发展趋势之一,智能化促进了制造系统的柔性化,使它具有更为完善的判断与适应能力,保证制造系统以最佳的状态在运行过程。f)绿色化:绿色制造是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现,绿色织造主要涉及到资源的优化利用、清洁生产和废弃物的最少化和利用,对产品而言,绿色制造覆盖产品的设计、生产、包装、运输、流通、消费及报废等整个产品生命周期。在绿色设计方面,选择绿色无毒、无污染、易回收、可再用或易降解的材料;提高产品的可拆卸性能,产品只有通过拆卸和分类才能较彻底地进行材料的回收和零部件的再循环利用；设计时充分考虑产品的各种材料组分的回收利用的可能性、回收处理方法及工艺、回收费用等与产品有关的一系列问题,从而达到简化回收处理过程、减少资源浪费