淺談先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢和特色

李華楹

（岳陽職業(yè)技術(shù)學院，湖南 岳陽 414000）

20世紀上半葉，以機械技術(shù)和機電自動化技術(shù)為基礎(chǔ)的制造業(yè)的生產(chǎn)空前發(fā)展。以大批量生產(chǎn)為主的機械制造業(yè)，成為制造活動的主體。20世紀中葉（1946年）電子計算機問世。在計算機誕生2年后，由于飛機制造（飛機蒙皮壁板、梁架）的需要，在美國發(fā)明了數(shù)字控制（NC）機床。不久計算機又開始用于輔助編制NC機床的加工程序，推出了自動編程工具APT語言（Automatically Programmed Tools），此后 CNC、DNC、FMC、FMS、CAX、MIS、MRP、MRPII、ERP、PDM、Web-M等數(shù)字化制造技術(shù)相繼問世和應(yīng)用。就目前世界的經(jīng)濟發(fā)展來看，以美國、日本、西歐為代表的工業(yè)化國家，在AMT上都有雄厚的實力。

先進制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造技術(shù)與微電子、計算機、自動控制等現(xiàn)代高新技術(shù)相交叉融和的結(jié)果，是一個集機械、電子、光學、信息科學、材料科學、生物科學、管理學等新成就于一身的新興技術(shù)?，F(xiàn)將先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢和特色闡述如下：

1 “數(shù)”是發(fā)展的核心

“數(shù)”，是指制造領(lǐng)域的數(shù)字化。

其包括以設(shè)計為中心的數(shù)字制造，以控制為中心的數(shù)字制造和以管理為中心的數(shù)字制造。對數(shù)字化制造設(shè)備而言，其控制參數(shù)均為數(shù)字化信號；對數(shù)字化制造企業(yè)而言，各種信息（如圖形、數(shù)據(jù)、知識、技能等等）均以數(shù)字形式通過網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)內(nèi)傳遞，在多種數(shù)字化技術(shù)的支持下，企業(yè)對產(chǎn)品信息、工藝信息與資源信息進行分析、規(guī)劃與重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品功能的仿真，對加工過程與生產(chǎn)組織過程的仿真或完成原型制造，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速重組和對市場的快速反應(yīng)。對全球制造業(yè)而言，在數(shù)字制造環(huán)境下，用戶借助網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息，各類企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用電子商務(wù)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，形成動態(tài)聯(lián)盟，迅速協(xié)同設(shè)計并制造出相應(yīng)的產(chǎn)品。

2 “精”是發(fā)展的關(guān)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10μm，70～80年代為0.01μm，現(xiàn)在僅為0.001μm，即1 nm。從海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭，到阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭來看，武器的命中率越來越高，其實質(zhì)就是武器越來越“精”，也可以說，關(guān)鍵就是打“精度”戰(zhàn)。在現(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0.1 nm；細微加工、納米加工技術(shù)，可達納米以下的要求，如果借助于掃描隧道顯微鏡與原子力顯微鏡的加工，則可達0.1 nm。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＜1μm，顆粒數(shù)少于0.1個 /inch3；

（2）超純。芯片材料有害雜質(zhì)，其含量要＜1/109；

（3）超精。加工精度達納米級。

顯然，沒有先進制造技術(shù)，就沒有先進電子技術(shù)裝備；當然，沒有先進電子技術(shù)與信息技術(shù)，也就沒有先進制造裝備。先進制造技術(shù)與先進信息技術(shù)是相互滲透，相互支持，緊密結(jié)合的。

3 “極”是發(fā)展的焦點

“極”，就是極端條件，是指生產(chǎn)特需產(chǎn)品的制造技術(shù)，必須達到“極”的要求。

例如，能在高溫、高壓、高濕、強沖擊、強磁場、強腐蝕等條件下工作，或有高硬度、大彈性等特點，或極大、極小、極厚、極薄、奇形怪狀的產(chǎn)品等，都屬于特需產(chǎn)品?！拔C電系統(tǒng)”就是其中之一。這是工業(yè)發(fā)達國家高度關(guān)注的一項前沿科技，亦即所謂微系統(tǒng)微制造。“微機電系統(tǒng)”用途十分廣泛。在信息領(lǐng)域中，用于分子存儲器、原子存儲器、芯片加工設(shè)備等；生命領(lǐng)域中，用于克隆技術(shù)、基因操作系統(tǒng)、蛋白質(zhì)追蹤系統(tǒng)、小生理器官處理技術(shù)、分子組件裝配技術(shù)等；軍事武器中，用于精確制導技術(shù)、精確打擊技術(shù)、微型慣性平臺、微光學設(shè)備等；航空航天領(lǐng)域中，用于微型飛機、微型衛(wèi)星、“納米”衛(wèi)星（0.1 kg以內(nèi)）；微型機器人領(lǐng)域中，用于各種醫(yī)療手術(shù)、管道內(nèi)操作、竊聽與收集情報等；此外，還用于微型測試儀器微傳感器、微顯微鏡、微溫度計、微儀器等等?！拔C電系統(tǒng)”可以完成特種動作與實現(xiàn)特種功能，乃至可以溝通微觀世界與宏觀世界，其深遠意義難以估量。

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(guān)勞動的技術(shù)或手段。

自動化總是伴隨有關(guān)機械或工具來實現(xiàn)的。可以說，機械是一切技術(shù)的載體，也是自動化技術(shù)的載體。第一次工業(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(guān)體力勞動；第二次工業(yè)革命，即電氣化進一步促進了自動化的發(fā)展。據(jù)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(shè)計效率只提高1.2倍，這表明腦力勞動遠沒有得到有效的解放。信息化、計算機化與網(wǎng)絡(luò)化，不但可以極大地解放人的身體，而且可以有效提高人的腦力勞動水平。今天的自動化的內(nèi)涵與水平，已遠非昔比，從控制理論、控制技術(shù)，到控制系統(tǒng)、控制元件等等，都有著極大的發(fā)展。自動化已成為先進制造技術(shù)發(fā)展的前提條件。

5 “集”是發(fā)展的方法

“集”，就是集成化。目前，“集”主要指：

（1）現(xiàn)代技術(shù)的集成。機電一體化是個典型，是高技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。

（2）加工技術(shù)的集成。特種加工技術(shù)及其裝備是個典型，如激光加工、高能束加工、電加工等等。

（3）企業(yè)的集成。即管理的集成，包括生產(chǎn)信息、功能、過程的集成，也包括企業(yè)內(nèi)部的集成和企業(yè)外部的集成。

從長遠看，還有一點很值得注意，即由生物技術(shù)與制造技術(shù)集結(jié)而成的“微制造的生物方法”，或所謂的“生物制造”。其依據(jù)是，生物是由內(nèi)部生長而成“器件”，而非同一般制造技術(shù)那樣，由外加作用以增減材料而成“器件”。這是一個嶄新的充滿活力的領(lǐng)域，作用難以估量。

6 “網(wǎng)”是發(fā)展的道路

“網(wǎng)”，就是網(wǎng)絡(luò)化。制造技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化是先進制造技術(shù)發(fā)展的必由之路。

制造業(yè)在市場競爭中，面臨多方的壓力：采購成本不斷提高，產(chǎn)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)要避免這一系列問題，就必須在生產(chǎn)組織上實行某種深刻的變革，拋棄傳統(tǒng)的“小而全”與“大而全”的“夕陽技術(shù)”，把力量集中在自己最有競爭力的核心業(yè)務(wù)上。科學技術(shù)，特別是計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使這種變革的需要成為可能。制造技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化，會導致一種新的制造模式，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)，在談判協(xié)商的基礎(chǔ)上，建立密切合作關(guān)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(wù)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，實現(xiàn)資源優(yōu)化動態(tài)組合與共享。

7 “智”是發(fā)展的前景

“智”，就是智能化。制造技術(shù)的智能化是制造技術(shù)發(fā)展的前景。

近20年來，制造系統(tǒng)正在由原先的能量驅(qū)動型，轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔Ⅱ?qū)動型，這就要求制造系統(tǒng)不但要具備柔性，而且還要表現(xiàn)出某種智能，以便應(yīng)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。

與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造系統(tǒng)具有以下特點：

（1）人機一體化；

（2）自律能力強；

（3）自組織與超柔性；

（4）學習能力與自我維護能力；

（5）在未來，具有更高級的類人思維的能力。

可以說，智能制造作為一種模式，是集自動化、集成化和智能化于一身，并具有不斷向縱深發(fā)展的高技術(shù)含量和高技術(shù)水平的先進制造系統(tǒng)，也是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化系統(tǒng)。其突出之處，是在制造諸環(huán)節(jié)中，以一種高度柔性與集成的方式，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(gòu)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還很漫長，但是必將成為未來制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式之一，潛力極大，前景廣闊。

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)展與自然界和諧一致，制造技術(shù)也不例外。

制造業(yè)的產(chǎn)品從構(gòu)思開始，到設(shè)計、制造、銷售、使用與維修，直到回收、再制造等各階段，都必須充分顧及環(huán)境保護與改善。不僅要保護與改善自然環(huán)境，還要保護與改善社會環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境以及生產(chǎn)者的身心健康。其實，保護與改善環(huán)境，也是保護與發(fā)展生產(chǎn)力。在此前提下，制造出價廉、物美、供貨期短、售后服務(wù)好的產(chǎn)品。作為“綠色”制造，產(chǎn)品必須力求同用戶的工作、生活環(huán)境相適應(yīng)，給人以高尚的精神享受，體現(xiàn)物質(zhì)文明與精神文明的高度交融。因此，發(fā)展與采用一項新技術(shù)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(shù)、精、極、自、集、網(wǎng)、智、綠”這 8個方面，彼此滲透，相互依賴，相互促進，形成一個整體。同時，8個方面一定要扎根在“機械”和“制造”這個基礎(chǔ)上，也就是說，要研究與發(fā)展“機械”本身與“制造”本身的理論與機理。8個方面的技術(shù)，要以此理論與機理為基礎(chǔ)來研究、開發(fā)、發(fā)展，要與此基礎(chǔ)相輔相成，最終服務(wù)于制造業(yè)的發(fā)展。值得注意的是，在科學技術(shù)高度發(fā)達與高速發(fā)展的今天，“先進制造技術(shù)”如同一切先進技術(shù)一樣，是不可能不“以人為本”的，不能見“物”不見“人”，見“技術(shù)”不見“文化”、不見“精神”。離開人，離開人的精神，先進技術(shù)就失去了“靈魂”，甚至造禍于民。進一步而言，要“以人為本”，就必須“教育先導”，就必須通過各種形式的教育，培養(yǎng)出合乎時代潮流與我國國情的制造業(yè)的科技人才與管理人才。科技是關(guān)鍵，人才是根本，教育是基礎(chǔ)。要從根本、從長遠、從全面著想，不斷推動我國先進制造技術(shù)的發(fā)展。

9 “低碳”是發(fā)展的目標

隨著經(jīng)濟全球化深入發(fā)展，降低能耗和減排溫室氣體，成為國際社會面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，以低能耗、低污染為基礎(chǔ)的“低碳經(jīng)濟”成為國際熱點，成為繼工業(yè)革命、信息革命之后又一波可能對全球經(jīng)濟產(chǎn)生重大影響的新趨勢。據(jù)預測，走“低碳經(jīng)濟”的發(fā)展道路，每年可為全球經(jīng)濟產(chǎn)生25000億美元的收益，到2050年，低碳技術(shù)市場至少會達到5000億美元。為此，一些發(fā)達國家大力推進向“低碳經(jīng)濟”轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略行動，著力發(fā)展“低碳技術(shù)”，并對產(chǎn)業(yè)、能源、技術(shù)、貿(mào)易等政策進行重大調(diào)整，以搶占產(chǎn)業(yè)先機。

“低碳技術(shù)”包括在節(jié)能、煤的清潔高效利用、油氣資源和煤層氣的勘探開發(fā)、可再生能源及新能源、二氧化碳捕獲與埋存等領(lǐng)域開發(fā)的有效控制溫室氣體排放的新技術(shù)，涉及電力、交通、建筑、冶金、化工、石化、汽車制造、機械制造等部門。

10 結(jié)束語

先進制造技術(shù)不是一門具體的、單一的科學技術(shù)，它是一個集成的、多學科的、綜合的一門學科，并且它有一個相當長的發(fā)展過程，大家需要做的工作，是向其不斷接近，使其不斷完善。

[1]王隆太，等.先進制造技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]張平亮，等.先進制造技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]馮憲章.先進制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學出版社，2009.