淺談先進(jìn)制造的幾種關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢

牟海 王懷坤

1 先進(jìn)制造技術(shù)提出的背景

全球工業(yè)革命先后經(jīng)歷了以蒸汽機、電力和信息技術(shù)為代表的3次變革，目前正邁入以人工智能、機器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實、量子信息技術(shù)、可控核聚變、清潔能源以及生物技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)為代表的第4次工業(yè)革命時代（4次工業(yè)革命的變遷詳見圖1）。新工業(yè)革命也可以稱之為綠色工業(yè)革命，它將給全球經(jīng)濟增長帶來無限生機和動能。

在全球化市場中，先進(jìn)制造技術(shù)已成為一個國家制造業(yè)的核心競爭力。世界各國紛紛把先進(jìn)制造技術(shù)提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略計劃，德國部署“工業(yè)4.0”，側(cè)重于借助信息產(chǎn)業(yè)將原有的先進(jìn)工業(yè)模式智能化和虛擬化；美國提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，主旨在于通過信息技術(shù)重塑工業(yè)結(jié)構(gòu)，激活產(chǎn)業(yè)活力。異于德美，我國工業(yè)既不具備德國工業(yè)的雄厚基礎(chǔ)，也沒有美國領(lǐng)先的信息技術(shù)，工業(yè)發(fā)展還處于2.0和3.0并行的階段。為了發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)要素中的優(yōu)化配置作用，將其創(chuàng)新成果廣泛應(yīng)用于社會經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，2015年5月國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》，這一綱領(lǐng)描繪了我國實現(xiàn)2.0到4.0跨越發(fā)展、中國制造由大到強的宏偉藍(lán)圖。

2 先進(jìn)制造技術(shù)的概念和幾種關(guān)鍵技術(shù)

先進(jìn)制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造業(yè)在吸收信息學(xué)、材料學(xué)、機械工程技術(shù)以及現(xiàn)代管理等最新成果的基礎(chǔ)上，利用計算機控制技術(shù)、傳感技術(shù)與機、光、電一體化技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計制造全過程，滿足人們對產(chǎn)品要求的不斷提高，取得良好經(jīng)濟技術(shù)效益的一門綜合型、交叉性的前沿科學(xué)與技術(shù)。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新和各學(xué)科之間的互相融合，先進(jìn)制造技術(shù)迅速發(fā)展，不斷提出許多新的關(guān)鍵技術(shù)。例如成組技術(shù)、精益生產(chǎn)、并行工程、敏捷制造、虛擬現(xiàn)實等。

2.1 成組技術(shù)

成組技術(shù)就是從許多本質(zhì)不同的個體，挖掘相似和共性特質(zhì)，遵循制定的成組標(biāo)準(zhǔn)將其歸類成組，通過統(tǒng)一方案解決各事物存在的共性問題，以達(dá)到人資成本、費用成本和時間成本的優(yōu)化。就制造業(yè)而言，成組技術(shù)通常是指將各工序制造的不同型號、規(guī)格的產(chǎn)品、零件按照一定的原則區(qū)分成組，并以預(yù)定基礎(chǔ)原則組織開展生產(chǎn)制造，從而實現(xiàn)產(chǎn)品從研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、到生產(chǎn)管理全過程的有效運行機制。

2.2 精益生產(chǎn)

隨著社會的進(jìn)步，制造業(yè)自動化水平也日益提高，許多企業(yè)采用自動化生產(chǎn)的過程中，也產(chǎn)生諸多困擾，如何設(shè)計設(shè)備布局，如何促進(jìn)工序產(chǎn)量平衡，如何提高生產(chǎn)效率等，成為急需解決的重要問題。日本豐田最早提出了準(zhǔn)時化（JIT）與自動化生產(chǎn)的概念。該生產(chǎn)方式將自動化融入工業(yè)工程（IE）、五常法則、信息目視化、六西格瑪思想，通過過程控制、作業(yè)控制、動作控制減少浪費，使生產(chǎn)系統(tǒng)能夠靈活適應(yīng)客戶需求的變化。該體系包含了庫存、生產(chǎn)計劃、流程再造、成本管控、供應(yīng)鏈、產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)線、工作臺、作業(yè)方法、質(zhì)量管理、人力與設(shè)備資源、市場開發(fā)和銷售等諸多層面，具有品種多、批量小、生產(chǎn)效率高適應(yīng)柔性化的特征，被贊譽為精益生產(chǎn)。

2.3 并行工程

工程研發(fā)設(shè)計階段，將產(chǎn)品特征、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品工藝與最終需要結(jié)合起來，保障以最快的速度最高的質(zhì)量完成任務(wù)。各項工作以項目組形式完成，采用適當(dāng)?shù)男畔⑾到y(tǒng)工具，利用現(xiàn)代計算機集成制造（CIM）技術(shù)，在產(chǎn)品研究開發(fā)階段，幫助工程實現(xiàn)并行化。

2.4 敏捷制造

敏捷制造是采用靈活多變的組織結(jié)構(gòu)，模塊化、柔性化的設(shè)計方案和可重組的工藝設(shè)備，利用信息技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)、管理、人力資源、標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化的系統(tǒng)集成，最大限度調(diào)動和發(fā)揮人的作用，打破時間和空間限制的新型制造組織形式，具有更靈敏、更快捷的特征。其中，技術(shù)、作業(yè)和管理的有效結(jié)合，為主導(dǎo)生產(chǎn)制造的3大要素。

2.5 虛擬制造技術(shù)

虛擬制造技術(shù)基于計算機仿真技術(shù)，結(jié)合實時三維圖形系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、分布式計算理論、VR交互技術(shù)，對產(chǎn)品實際生產(chǎn)活動中的真實環(huán)境進(jìn)行虛擬建模，在計算機上得到制造各層級各環(huán)節(jié)的數(shù)字化模型進(jìn)而對生產(chǎn)活動進(jìn)行分析、評估、實時調(diào)整運行參數(shù)。該技術(shù)涵蓋了并行、開放、分布、集成、和人機交互等諸多特點，是一種能夠分析和解決各環(huán)節(jié)制造技術(shù)問題的全過程軟硬件綜合系統(tǒng)。

3 我國先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1978年12月，十一屆三中全會中國開始實行對外開放的以來，我國制造業(yè)取得了長足進(jìn)步，在衛(wèi)星導(dǎo)航、載人航天、探月工程、超級計算機、載人深潛、射電望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域不斷突破發(fā)展，高鐵、核電、特高壓等成為中國高端制造業(yè)走向世界的閃耀名片。但與美德等工業(yè)大國相比，我國的制造技術(shù)仍十分落后，“大而不強”的問題仍然十分突出，集中表現(xiàn)在我國產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系創(chuàng)新主體缺失、產(chǎn)品研發(fā)和制造過程脫節(jié)、自主創(chuàng)新能力不強、工藝裝備落后、自動化水平不高、共性技術(shù)供給不足、能源和資源消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)達(dá)國家、環(huán)境污染問題嚴(yán)重等方面。在專利、技術(shù)、品牌和服務(wù)方面還處在價值鏈曲線的低端，產(chǎn)品附加價值低（圖2），網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施水平與發(fā)達(dá)國家還有很大差距。

4 先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

在社會、經(jīng)濟、科技快速發(fā)展的今天，產(chǎn)品市場需求更趨向多元化與個性化發(fā)展，以企業(yè)為主導(dǎo)的市場運營模式逐漸轉(zhuǎn)向以客戶為中心，中國與世界的聯(lián)系原來越緊密，先進(jìn)制造技術(shù)必然會朝著全球化、綠色化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。

4.1 全球化

全球化是一個包含政治、經(jīng)濟、文化、科技、生活等多方面、多層次的概念，生產(chǎn)力發(fā)展和科技進(jìn)步是推動全球化的主要動力，而制造業(yè)是生產(chǎn)力發(fā)展水平的根本驅(qū)動，在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，全球制造一體化成為必然趨勢，小到一個筆記本，大到航天飛機，每一個零部件都可能來自世界各地的不同地方。所謂的“中國制造”再也不會像瓷器和茶葉那樣，百分百來自中國血統(tǒng)，產(chǎn)品所依賴的價值鏈也是全球合作的結(jié)果。新的生產(chǎn)方式、生產(chǎn)工具和營銷模式不斷改造，甚至某一個核心部件的創(chuàng)新，都可能帶來整體個產(chǎn)業(yè)鏈的重組，從而使研發(fā)和生產(chǎn)中心發(fā)生全球范圍的遷移和利益重配。只有抓住全球化生產(chǎn)機遇，才能促進(jìn)制造業(yè)內(nèi)部研發(fā)國際化的發(fā)展，只有加強研發(fā)合作才能形成強大的技術(shù)創(chuàng)新能力，集中優(yōu)勢資源，提高核心競爭力，實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步、降低市場成本、打造中國品牌。

4.2 綠色化

綠色制造也稱環(huán)境意識制造。近年來盲目的工業(yè)發(fā)展造成大氣污染和工業(yè)排放全面升級，生態(tài)與環(huán)境危機加劇，傳統(tǒng)發(fā)展模式給人類帶來的生產(chǎn)危機，逐漸被世界各國所意識。新一輪的工業(yè)革命發(fā)生了以自然要素投入向綠色要素的遷移，從材料選擇、產(chǎn)品包裝、回收處理等環(huán)節(jié)，加強對產(chǎn)品的動態(tài)測試、分析和控制，成為衡量產(chǎn)品性能的重要因素。消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)必將不斷朝著節(jié)能降耗、降低環(huán)境影響因素的綠色制造發(fā)展。

4.3 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化是在信息通信和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過指定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將位于不同空間位置的設(shè)備終端互相連通，從而實現(xiàn)用戶軟件、硬件和資源共享的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，既包括縱向信息化的全產(chǎn)品生命周期，也涵蓋了制造業(yè)橫向信息化所有產(chǎn)品類別的相互交織。網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品設(shè)計、物料選擇、零件制造是降低創(chuàng)新成本的最佳途徑。作為新一輪工業(yè)革命，“工業(yè)4.0”跟前3次工業(yè)革命最根本的差異就是網(wǎng)絡(luò)化，由于生產(chǎn)制造核心價值體系大量采用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，原有的價值體系將發(fā)生革命性的改變，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用，必將給人們生活帶來翻天覆地的改變。

4.4 智能化

20個世紀(jì)80年代以來，隨著人們對產(chǎn)品個性化要求的提高，對產(chǎn)品的精密度也提出了更高的要求，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能越來越多樣化，這促使產(chǎn)品從研發(fā)設(shè)計到生產(chǎn)全過程信息量的增加，制造系統(tǒng)由能力驅(qū)動向信息驅(qū)動發(fā)展，先進(jìn)制造設(shè)備離開了信息傳輸就可能面臨全面癱瘓，于是對制造系統(tǒng)提出了柔性化和智能化的需求。隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、無線射頻識別、激光技術(shù)、微型電機系統(tǒng)等的日益成熟，人們對制造技術(shù)的認(rèn)識和掌握逐漸趨向“泛在感知”的多維時空與透明化方向發(fā)展?；凇胺涸谛畔ⅰ钡闹悄苤圃旒夹g(shù)，成為我國制造技術(shù)發(fā)展的核心驅(qū)動力。據(jù)全球智能制造產(chǎn)值規(guī)模統(tǒng)計和預(yù)測情況分析顯示，2016—2022年12年間智能制造產(chǎn)值增長率為83%（圖3），這充分說明新一輪工業(yè)革命，也必將是一場深刻的智能化變革。

5 結(jié)語

只有在充分認(rèn)識先進(jìn)制造技術(shù)對制造業(yè)發(fā)展顛覆性作用的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)制造技術(shù)實現(xiàn)價值鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈與商業(yè)模式的整合，借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、傳感器等新技術(shù)，改造原有落后的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)模式，使其裝上人類智慧的“大腦”，連上萬物互聯(lián)的“云端”加快從“制造”向“智造”生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，才能強化我國制造業(yè)根基，推動我國制造業(yè)實現(xiàn)“由大變強”的跨越。

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