試論先進制造技術的特點及其發(fā)展趨勢

武漢工業(yè)職業(yè)技術學院 張小亞

試論先進制造技術的特點及其發(fā)展趨勢

武漢工業(yè)職業(yè)技術學院 張小亞

先進制造技術是20世紀90年代興起的制造業(yè)高技術，具有貫穿設計——加工——裝配——市場全過程、動態(tài)技術體系、多學科集成、系統(tǒng)工程、高效低耗、適應能力強等特點；衡量先進制造技術水平主要包括少或無缺陷、快速響應、精益化、柔性化和可持續(xù)性等指標；先進制造技術正朝著現(xiàn)代化、集成化、網絡化、智能化、自動化、虛擬化、綠色化和人性化的趨勢發(fā)展。

先進制造技術；集成；柔性；智能；綠色；虛擬

先進制造技術（Advanced Manufacturing Technology）是美國于20世紀80年代末期提出的，筆者認為先進制造技術應該是集機械工程技術、電子技術、自動化技術、信息技術等多種技術為一體所產生的技術、設備和系統(tǒng)的總稱。本文嘗試對先進制造技術的特點及其發(fā)展趨勢進行分析，旨在深化人們對先進制造技術的認識，以推動先進制造技術又好又快的發(fā)展。

1 先進制造技術的特征

1.1 先進制造技術集設計——制造——管理——市場一體化

先進制造技術極大地拓展了傳統(tǒng)制造技術的應用范圍。傳統(tǒng)制造技術一般僅指原材料加工和裝配工藝，而先進制造技術運用現(xiàn)代高新技術改造傳統(tǒng)制造技術，建立了包括設計技術、制造技術、自動化技術、系統(tǒng)管理技術等的完整技術群，不僅使原有加工和裝配工藝產生了質的變化，而且涵蓋了市場信息分析、產品決策、產品設計、生產淮備、加工與裝配、質量監(jiān)測、銷售使用、售前售后服務、產品報廢的處理和回收等全生命周期的制造全過程。

1.2 先進制造技術是具有整體性、動態(tài)性、開放性的技術體系

先進制造技術突破了傳統(tǒng)專業(yè)分工的界限，運用現(xiàn)代系統(tǒng)理論和方法，構建了集機械、電子、信息、材料、自動化、管理等多門技術于一體的綜合性先進制造技術體系。先進制造技術體系具有整體性、動態(tài)性、開放性等顯著特征。一是應用目標的整體性，它以整體效益最優(yōu)化為目標，通過對人、技術、管理、資金、工具、物料、信息等系統(tǒng)構成要素的優(yōu)化組合，實現(xiàn)經濟效益、社會效益和生態(tài)效益的協(xié)調統(tǒng)一；二是技術構成的動態(tài)性，它不斷地吸收當代高技術前沿新成就，計算機技術、信息技術、自動化技術等與傳統(tǒng)制造技術的有機結合，形成了以計算機輔助設計技術（CAD）、精密成型技術 、超精密加工技術 、數(shù)控技術、計算機集成制造（CIMS）和分散網絡化制造（DNM）為主要標志的先進制造技術體系；三是先進制造技術體系的開放性，它與各種專業(yè)技術相融合，形成了全面涵蓋新材料、新能源、航天、激光、生物工程等高技術領域的先進制造技術群。

1.3 先進制造技術是多學科的集成

先進制造技術克服傳統(tǒng)制造技術的學科單一、專業(yè)細化的局限，強調學科之間、專業(yè)之間相互滲透、交叉融合，將系統(tǒng)論、信息論、控制論、智能理論與控制技術有機融合為一體，朝著系統(tǒng)化、集成化的方向發(fā)展，目前巳經發(fā)展成為集機械、電子、信息、材料、環(huán)保、管理等科學等于一體的新型交叉學科，包括制造系統(tǒng)及其過程的數(shù)學物理模型、制造信息傳遞及知識獲取理論與方法、制造模式與生產管理理論與方法、制造過程及系統(tǒng)的測量、監(jiān)控及制造自動化理論等，多學科交叉融合不僅使制造科學更趨完善，而且成為現(xiàn)代制造技術創(chuàng)新發(fā)展的源泉。

1.4 先進制造技術是包括物質流、能量流、資金流和信息流的系統(tǒng)工程

傳統(tǒng)制造技術通常僅僅涉及生產過程中的物質流、能量流和資金流。當代制造技術引入先進的電子、信息技術，將IT技術、自動化技術、現(xiàn)代管理技術與制造技術相結合，引起傳統(tǒng)制造技術發(fā)生了質的變化，實現(xiàn)了產品設計制造和企業(yè)管理的信息化、生產過程控制的智能化、制造裝備的數(shù)控化、咨詢服務的網絡化，以信息化為主要趨勢和特征的先進制造技術駕馭整個生產經營過程的物質流、能量流、資金流和信息流，全面提升了制造業(yè)的競爭力。

1.5 先進制造技術是低耗、高效、節(jié)能、減排的綠色新技術

傳統(tǒng)制造技術只是根據市場需求設計、生產和銷售產品，能源和原材料消耗和浪費大。傳統(tǒng)的制造模式是一個開環(huán)系統(tǒng)，即原料——工業(yè)生產——產品使用——報廢。在資源短缺和環(huán)境污染已經成為世界各國經濟持續(xù)發(fā)展的嚴重制約因素的21世紀，先進制造技術順應節(jié)約資源和保護環(huán)境的趨勢，構建了閉式循環(huán)綠色制造技術系統(tǒng)，即在保證產品質量和功能的前提下，以系統(tǒng)集成的觀點綜合考慮環(huán)境影響和資源效率，采用綠色設計、綠色材料、綠色設備、綠色工藝、綠色包裝和綠色管理生產出綠色產品，產品使用完以后再通過綠色處理后加以回收利用，使產品從設計、制造、使用到報廢整個產品生命周期中不產生環(huán)境污染或環(huán)境污染最小化，資源利用率最高，能源消耗最低。先進制造技術實現(xiàn)了優(yōu)質、低耗、高效、節(jié)能、減排、清潔、靈活的生產，有利于經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。

1.6 先進制造技術是以不斷適應產品市場新需求和增強企業(yè)競爭力為目標的技術

在市場需求多元化和商業(yè)競爭日趨激烈的當今時代，產品質量、款式、交貨期、品質價格比、環(huán)保、物耗、能耗等成為影響市場競爭力的決定性因素，為了確保企業(yè)在市場競爭中立于不敗之地，先進制造技術通過技術和管理的優(yōu)化組合，建立了面向市場的的柔性制造系統(tǒng)，系統(tǒng)地應用于市場分析、產品設計、制造工程、檢測監(jiān)控，生產管理和質量保證、售后服務等設計制造的全過程，通過對產品品質、成本、交貨期、性能價格比、環(huán)境相容性等的優(yōu)化，達到經濟效益、社會效益和生態(tài)效益的完美統(tǒng)一，從而取得最佳市場競爭力。尤其是隨著世界自由貿易體制的日益完善，先進制造技術超越了地域乃至國家的邊界，它以增強國際經濟競爭力和提高國家綜合實力為目標，注重技術的超前性和創(chuàng)新性，并充分利用全球通信網絡和交通運輸體系.形成了全球化的模式。

2 先進制造技術的評定指標

先進制造技術的產生，應該是科技創(chuàng)新的結果?？萍紕?chuàng)新一般分為基礎型創(chuàng)新、集成（綜合）型創(chuàng)新和改進型創(chuàng)新3種類型?；A型創(chuàng)新又稱原始創(chuàng)新，是對自然界規(guī)律的新認識，包括從實驗數(shù)據中總結與歸納出的規(guī)律；集成（綜合）創(chuàng)新型式多學科知識、技術的集成（綜合）、融合而創(chuàng)新的科技；改進型創(chuàng)新是對現(xiàn)有技術、系統(tǒng)（包括引進技術、系統(tǒng)）單一改進或綜合改進而產生的創(chuàng)新。對工程技術創(chuàng)新而言，集成（綜合）型創(chuàng)新和改進型創(chuàng)新是最主要的創(chuàng)新方式。

目前，衡量一項先進制造技術是否達到世界領先水平，通常涉及到以下5項指標。

2.1 少無缺陷

世界級水平制造技術應保證制造過程少無缺陷，其要求缺陷率為為0.3%～0.1%，即每百萬次采樣數(shù)的缺陷率為300～1 000，也就是說生產1百萬件，允許缺陷件為300～1 000件；或有1百萬道工序，允許產生缺陷的工序為300～1 000道。為了達到這么高的制造質量，就應：具有高質量的輸入、輸出與工藝過程；進行100%的檢驗；廣泛采用傻瓜型設備，出現(xiàn)故障及時報警，防止缺陷擴散；產品設計不僅滿足顧客需求，也考慮易于制造，且不易產生缺陷、廢品，即具有優(yōu)良的可制造結構工藝性。

2.2 快速響應

世界級水平制造技術要能快速響應市場需求。在世界級水平制造技術條件下，客戶的訂單處理時間短，總的制造提前期比傳統(tǒng)已有方式縮短一半。為此，需保障物流通暢，減少或消除一些不必要的過程，保持制造過程流線化，并加強網絡通信，盡快獲得市場動態(tài)信息。

2.3 精益化

當生產相同質量與數(shù)量的產品時，應比傳統(tǒng)方法使用少得多的資源。因此，要盡量減少庫存、場地空間、機器人員，可應用高生產率、高產出的生產方式解決；在管理上采用“拉動式”生產，按市場驅動的訂單生產；培養(yǎng)多技能工人，精減非直接工作人員。

2.4 柔性化

所謂柔性化，其關鍵是在很短的調整時間內，從一種生產模式變換成另一種生產模式。計算機數(shù)控、柔性制造系統(tǒng)具有軟件的柔性化特征，而可重構制造系統(tǒng)（RMS）則具有硬件、軟件兩方面的柔性特征。為了達到高的柔性，要求在生產計劃安排、制造設備的布局、設備本身的可重構、可調整等方面進行改進與創(chuàng)新。

2.5 可持續(xù)性

世界級水平制造技術要求運行不僅高效，而且可實現(xiàn)清潔生產，保證環(huán)境安全，符合可持續(xù)發(fā)展策略；產品可循環(huán)、可修煉、可重新制作、可重用、可生物降解，實現(xiàn)無廢棄物的制造（生產），符合科學發(fā)展觀，也充分體現(xiàn)出機械制造離散型生產的特點。

3 先進制造技術的發(fā)展趨勢

進入21世紀以來，人類社會全面進入信息時代，信息技術的迅猛發(fā)展和全面滲透正在使制造技術的面貌煥然一新。適應當今世界需求多樣化、技術人性化、效益最優(yōu)化、環(huán)境生態(tài)化的必然要求，未來先進制造技術將朝著精密化、柔性化、網絡化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化、全球化的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 設計技術不斷現(xiàn)代化

產品設計是先進制造技術的靈魂，未來設計技術的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為，一是設計手段的計算機化；二是設計思想與方法更新，如并行設計、面向X的設計、健壯設計、優(yōu)化設計、反求工程技術等；三是向全生命周期設計發(fā)展；四是設計過程由單純考慮技術因素轉向綜合考慮技術、經濟、社會和生態(tài)因素。

3.2 專業(yè)、學科、技術、企業(yè)之間的關系集成化

目前，集成化主要指如下幾方面：一是信息集成。其主要目的是通過網絡和數(shù)據庫把各自動化系統(tǒng)和設備及異種設備互相連起來，實現(xiàn)執(zhí)政系統(tǒng)中數(shù)據的交換和信息的共享，幫助人作出正確的決策；二是功能集成。主要實現(xiàn)企業(yè)要素，即人、技術、管理組織的集成，進而實現(xiàn)企業(yè)生產經營各功能部分的整體集成；三是過程集成。主要通過產品開發(fā)過程的并行和以多功能項目組為核心的企業(yè)扁平化組織，實現(xiàn)產品開發(fā)過程、企業(yè)經營過程的集成；四是企業(yè)的集成。通過采用敏捷化企業(yè)組織形式、并行工程環(huán)境、全球計算機網絡或國家信息基礎設施，實現(xiàn)跨地區(qū)甚至跨國家的企業(yè)間的動態(tài)聯(lián)盟，即動態(tài)集成，由此能迅速集結和運籌該產品所需的知識、技術和資源，從而迅速開發(fā)出新產品，響應市場需求，贏得競爭。

3.3 制造技術的網絡化是先進制造技術發(fā)展的必由之胳

當代制造業(yè)在激烈的市場競爭中，面臨市場需求不斷變化、采購成本不斷提高、產品更新速度加快等多方面的壓力，要求企業(yè)必須在生產組織上實行深刻的變革，從而網絡化制造模式的興起，即在產品設計、加工與生產管理等活動乃至企業(yè)整個業(yè)務流程中全面采用網絡技術，實現(xiàn)對整個制造業(yè)的結構調整、資源合理配置、優(yōu)化組合及共用。制造技術網絡化將并行工程、虛擬制造、虛擬企業(yè)等先進制造理念、方法和技術引入制造業(yè)，為制造系統(tǒng)和制造過程提供了快速方便的信息交互手段和環(huán)境，導致“虛擬制造組織”的興起，它通過網絡化制造服務平臺將地理上異地分布、組織上平等獨立的多個企業(yè)聯(lián)為一體，建立起密切合作的“虛擬企業(yè)”或“企業(yè)聯(lián)盟”，實現(xiàn)資源集成、優(yōu)勢互補、資源共享，以提高制造業(yè)的競爭力、提升制造企業(yè)的快速反應能力和市場競爭力。

3.4 制造技術的智能化是制造技術發(fā)展的前景

當代制造系統(tǒng)正在由傳統(tǒng)的能量驅動型轉變?yōu)樾畔Ⅱ寗有?，面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，這就要求制造系統(tǒng)不僅要具備柔性，而且還要具有某種智能，因而智能制造應運而生：智能制造系統(tǒng)綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，具有人機一體化、自律能力強、自組織與超柔件、學習能力與自我維護能力等特點，實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，可以自動修正、調節(jié)與補償加工過程中的各項參數(shù)，實行在線診斷和智能化故障處理；未來的先進制造系統(tǒng)將具有更高級的“思維能力”，集數(shù)字化、自動化、集成化、網絡化和智能化于一身，成為由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化系統(tǒng)。它在制造諸環(huán)節(jié)中，以柔性化、集成化、模塊化、網絡化有機結合的方式，建立高度智能化的閉環(huán)控制體系結構，借助計算機模擬人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構思和決策，延伸或替代制造過程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。該技術目前尚處在起步階段，然而，它的前景廣闊。

3.5 自動化已經成為先進制造技術研究的重點領域

自動化是機器或裝置在無人干預的情況下按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制的過程。人們對自動化的理解經歷了一個動態(tài)演化的過程。起初，人們認為自動化就是以機械的動作代替人力操作，自動地完成特定的作業(yè)。從這個意義上說，近代第一次技術革命中瓦特發(fā)明的離心式調速器標志著自動化技術的興起，開創(chuàng)了工業(yè)領域應用自動調節(jié)裝置的新時代﹐并對20世紀40年代控制理論的建立產生了深遠的影響；20世紀40年代中期以來，隨著電子和信息技術的發(fā)展，特別是計算機的問世和廣泛應用，自動化的概念進一步拓展為采用機器代替人的體力勞動和代替或輔助人的腦力勞動，以自動地完成特定的作業(yè)。制造自動化技術研究已經突破了以往只是研究數(shù)控技術、過程控制、過程監(jiān)控和計算機輔助技術等單元和專門技術的范圍，目前關于制造系統(tǒng)中的集成技術和系統(tǒng)技術的研究正方興未艾，逐漸成為制造自動化研究的重點領域。

3.6 虛擬現(xiàn)實技術在制造業(yè)中獲得廣泛的應用

隨著計算機網絡和虛擬現(xiàn)實等先進技術的出現(xiàn)，20世紀90年代產生了“虛擬制造”這一全新的制造概念及其理論，它已成為現(xiàn)代制造技術與系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。虛擬制造是使用計算機模型對制造過程的仿真，以輔助被制造產品的設計與生產，包括從產品設計開始就實時地、并行地對產品結構、工作性能、工藝流程、裝備調試、作業(yè)計劃、物流管理資源調配及成本核算等一切生產活動進行仿真，檢查產品的可加工性和設計的合理性，預測其制造周期和使用性能，以便及時修改設計，更有效地靈活組織生產。虛擬制造可以縮短產品的研制周期，獲得最佳的產品質量、最低的成本、最短的開發(fā)周期。

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實環(huán)境的完善，虛擬制造已能對加工制造過程進行物理仿真，如切屑的形成，力、熱和幾何因素對制造誤差的影響等的仿真。虛擬制造技術的廣泛應用從根本上改變了現(xiàn)行的設計、試制、修改設計、規(guī)模生產的傳統(tǒng)制造模式，虛擬制造技術決定著企業(yè)的未來，也決定著制造業(yè)在競爭中能否立于不敗之地。

3.7 綠色制造勢必成為未來制造業(yè)的發(fā)展方向

進入21世紀以來，人類社會所面臨的資源短缺和環(huán)境污染等問題日趨嚴重，人類要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須促使人與自然界和諧一致。為此，工業(yè)發(fā)達國家正積極倡導“低碳經濟”、“循環(huán)經濟”、“綠色制造”和“清潔生產”，大力研究開發(fā)生態(tài)安全型、資源節(jié)約型制造技術?！熬G色制造”正在成為未來制造業(yè)的發(fā)展方向，綠色制造技術將貫穿于制造業(yè)各環(huán)節(jié)，主要表現(xiàn)在以下3個方面：一是綠色產品設計技術。在設計階段就將環(huán)境因素和預防污染的措施納入產品設計之中，將環(huán)境性能作為產品的設計目標和出發(fā)點，力求使產品對環(huán)境的影響為最小；二是綠色制造技術。它從設計、制造、使用到報廢整個產品生命周期中不產生環(huán)境污染或環(huán)境污染最小化，符合環(huán)境保護要求，在整個制造過程中綜合考慮環(huán)境影響和資源效率，在保證產品的功能、質量、成本的前提下，使產品制造過程對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，節(jié)約資源和能源，使資源利用率最高，能源消耗最低；三是產品的回收和循環(huán)再制造。它是“資源―產品―廢棄物―再生資源或再生產品”的反饋式循環(huán)模式?！霸僦圃臁笔且环N先進的制造邏輯與工業(yè)理念，它要求工業(yè)設計不僅要面向材料與功能，更要面向可回收再制造。再制造是通過新材料、新技術、新工藝、新裝備與新方法等一系列高新技術與手段的集成運用，因此可以保證再制造產品的性能和質量不低于新產品，甚至在某種情形下可以使其質量高于新產品。

3.8 制造過程中將貫徹以人為本的理念

發(fā)展先進制造技術的根本目的在于造福人類，這就要求在制造業(yè)中樹立“以人為本”的理念，逐步走向“制造—服務”一體化。倡導“以人為本”，就是要充分調動人在構思與設計、創(chuàng)新與改進、制造與加工、檢驗與管理、使用與維護、營銷與服務乃至在制造業(yè)產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的主動性與創(chuàng)造性，大力開發(fā)人性化的制造技術，合理使用人性化的制造技術，正確、全局地、長遠地處理好其各有關方面的關系，使之真正服務于人類，謀求社會的可持續(xù)發(fā)展。深化教育改革是走向“以人為本”的先進制造技術的根本途徑，教育理念和教學方法必須順應世界先進制造技術發(fā)展趨勢并結合我國國情，培養(yǎng)造就新一代高素質先進制造技術專業(yè)人才。

［1］宋健.制造業(yè)與現(xiàn)代化［J］.機械工程學報，2002（12）：1－9.

［2］楊叔子，吳波，李斌.再論先進制造技術及其發(fā)展趨勢［J］.機械工程學報，2006（1）：1－4.

［3］賓鴻贊，王潤孝.先進制造技術［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］朱政紅，時曉蕾.21世紀先進制造技術的發(fā)展概況［J］.工具技術，2009（3）：3－6.

2012－05－11）