機(jī)械自動(dòng)化制造系統(tǒng)的思考探析和構(gòu)建

于云峰 金葆青

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223001）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)開始與新興的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，獲取了新的活力。近年來，機(jī)械制造技術(shù)、制造系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使傳統(tǒng)的機(jī)械加工水平得到了提升。因此，機(jī)械自動(dòng)化制造系統(tǒng)成為制造業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 機(jī)械自動(dòng)化制造系統(tǒng)的內(nèi)涵

機(jī)械自動(dòng)化制造系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將機(jī)械設(shè)備和自動(dòng)化相結(jié)合，從而產(chǎn)生更加先進(jìn)、更加高效的制造技術(shù)?，F(xiàn)在的機(jī)械自動(dòng)化制造技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（computer Aided Manufacturing，CAM）、柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacture System，F(xiàn)MS）、大規(guī)模計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）、先進(jìn)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)及加工技術(shù)以及數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[1]。機(jī)械自動(dòng)化制造系統(tǒng)主要應(yīng)用的領(lǐng)域是工廠的數(shù)控機(jī)床和加工中心。這些技術(shù)和系統(tǒng)的應(yīng)用提高了我國制造業(yè)的工作效率，降低了制造業(yè)的生產(chǎn)成本，促進(jìn)了我國制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，提高了產(chǎn)品的國際競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)了我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 制造企業(yè)經(jīng)營策略的變化歷程

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，制造業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)周期以及生產(chǎn)成本收益比成為制造業(yè)不得不考慮的現(xiàn)實(shí)問題。如何及時(shí)、快速滿足客戶需求，降低庫存成本，提高工廠作業(yè)效率，成為制造業(yè)企業(yè)必須解決的困難。為了提高采購、庫存和生產(chǎn)之間的配合度，解決產(chǎn)品生產(chǎn)周期過長、生產(chǎn)的零部件不配套以及資金周轉(zhuǎn)效率低等問題，制造業(yè)企業(yè)開始探索新的制造管理方法，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)經(jīng)營策略，以滿足市場(chǎng)和客戶的需求，提高企業(yè)的經(jīng)營能力和市場(chǎng)地位。

20世紀(jì)70年代以前，制造企業(yè)的經(jīng)營策略主要關(guān)注的是成本。究其原因，20世紀(jì)70年代之前我國制造業(yè)技術(shù)水平發(fā)展較為緩慢，難以在質(zhì)量上有所突破。制造企業(yè)的關(guān)注點(diǎn)多在于成本控制，通過控制成本來實(shí)現(xiàn)盈利。

20世紀(jì)70年代至80年代初，制造企業(yè)的經(jīng)營策略以質(zhì)量為主。在這段時(shí)期，我國加大了與國外各國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的交流，逐漸改變了以單一的成本控制為中心的經(jīng)營理念，關(guān)注重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了提升產(chǎn)品質(zhì)量，以求通過高質(zhì)量的產(chǎn)品獲取消費(fèi)者和市場(chǎng)的青睞。

20世紀(jì)80年代至90年代初，制造業(yè)的經(jīng)營策略主要關(guān)注的是產(chǎn)品交貨期。此時(shí)，我國的經(jīng)濟(jì)得到了進(jìn)一步發(fā)展，制造業(yè)成為國民經(jīng)濟(jì)中較為重要的一環(huán)。由于國家大力發(fā)展重工業(yè)和制造業(yè)，使得我國制造業(yè)得到了快速發(fā)展，獲得了更多的市場(chǎng)需求。越來越多的客戶訂單要求制造企業(yè)不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程，快速完成產(chǎn)品生產(chǎn)，及時(shí)為客戶提供高質(zhì)量的產(chǎn)品。

20世紀(jì)90年代至90年代末，制造企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略的關(guān)注點(diǎn)在服務(wù)。20世紀(jì)90年代，歐美等發(fā)達(dá)國家逐步將部分制造業(yè)工廠轉(zhuǎn)移到我國，以獲取廉價(jià)勞動(dòng)力，降低生產(chǎn)經(jīng)營成本。國內(nèi)本土制造企業(yè)也在對(duì)外開放過程中不斷成長和吸收借鑒國外的先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)，將經(jīng)營重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到為客戶提供更滿意的服務(wù)。不僅包括按期提供符合質(zhì)量的產(chǎn)品，也包括培養(yǎng)客戶對(duì)產(chǎn)品的忠誠度，從而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中形成自己的品牌優(yōu)勢(shì)。

制造企業(yè)只有自己掌握核心技術(shù)，才能在國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)重要地位。目前，雖然我國制造業(yè)企業(yè)發(fā)展迅速，覆蓋范圍廣，但是這種發(fā)展模式已經(jīng)難以滿足我國經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展需求。我國制造業(yè)企業(yè)特別是生產(chǎn)簡(jiǎn)單組件和將組件加工組合的企業(yè)，仍處于國際產(chǎn)業(yè)鏈下游的低附加值階段。這些企業(yè)獲得的利潤較小，難以有技術(shù)上的突破，因此國際競(jìng)爭(zhēng)力不足。隨著國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本的增加，部分產(chǎn)業(yè)開始向成本更低的東南亞等國家轉(zhuǎn)移。進(jìn)入21世紀(jì)以來，制造企業(yè)經(jīng)歷了國外核心技術(shù)封鎖和貿(mào)易壁壘的困境，逐漸意識(shí)到技術(shù)創(chuàng)新的重要性。企業(yè)要想獲得長久發(fā)展，必須要轉(zhuǎn)變過去技術(shù)依賴進(jìn)口的局面，加大技術(shù)創(chuàng)新力度[2]。

3 機(jī)械自動(dòng)化制造系統(tǒng)的發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信息化程度不斷提高，制造業(yè)的生產(chǎn)方式隨之發(fā)生了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。1960年，以前所使用的計(jì)算機(jī)為電子管計(jì)算機(jī)。因?yàn)殡娮庸苌l(fā)熱量過大，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)常常因?yàn)殡娮庸鼙粺龎亩罊C(jī)，所以此時(shí)的計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)研究和工程計(jì)算，尚未對(duì)制造業(yè)的自動(dòng)化產(chǎn)生較大影響。另外，由于當(dāng)時(shí)市場(chǎng)需求較為單一，制造業(yè)的生產(chǎn)方式為剛性制造線和大批量生產(chǎn)。

20世紀(jì)60年代到80年代，隨著晶體管計(jì)算機(jī)的發(fā)展，第二代計(jì)算機(jī)的程序語言由機(jī)器語言轉(zhuǎn)變?yōu)閰R編語言，且該時(shí)期計(jì)算機(jī)的體積和成本都有了較大下降，計(jì)算機(jī)在商業(yè)上的應(yīng)用逐漸變多。此時(shí)，制造業(yè)的信息化程度有所提高，且由于剛性系統(tǒng)難以滿足多樣化和個(gè)性化市場(chǎng)需求，制造系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝灾圃煜到y(tǒng)，從而使制造業(yè)進(jìn)入柔性制造與多品種小批量時(shí)代。柔性制造系統(tǒng)主要包含柔性制造系統(tǒng)、柔性制造單元、柔性制造線以及各種數(shù)控加工技術(shù)。該系統(tǒng)能夠用可編性、多功能的數(shù)字控制設(shè)備，在自動(dòng)化加工的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)物料流和信息流的自動(dòng)化，并能根據(jù)制造人物和生產(chǎn)品種的變化迅速進(jìn)行調(diào)整。我國第一條自行研發(fā)的完整意義上的柔性制造系統(tǒng)是由原國防科工委組織、南京理工大學(xué)、長春55研究所以及綿陽58研究所聯(lián)合承研的BQ-FMS柔性制造系統(tǒng)，是一個(gè)車間級(jí)的FMS，主要包括運(yùn)行控制、加工、物流與運(yùn)輸以及檢測(cè)監(jiān)控4個(gè)子系統(tǒng)[3]。

20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初期，計(jì)算機(jī)進(jìn)入中小規(guī)模集成電路時(shí)代，此時(shí)的計(jì)算機(jī)在體積、價(jià)格和運(yùn)行速度等各方面均有了較大提升。為了提高企業(yè)生產(chǎn)部門和非生產(chǎn)部門之間的協(xié)調(diào)能力，縮短生產(chǎn)周期，計(jì)算機(jī)逐漸應(yīng)用于制造企業(yè)內(nèi)部的各個(gè)環(huán)節(jié)，促使制造業(yè)進(jìn)入敏捷制造與大批量定制時(shí)期。

隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入大規(guī)模集成電路時(shí)代和互聯(lián)網(wǎng)的興起，為了進(jìn)一步集約化、規(guī)?；a(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，控制產(chǎn)品質(zhì)量，制造業(yè)的機(jī)械自動(dòng)化水平越來越高，制造業(yè)開始進(jìn)入設(shè)計(jì)制造與網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，出現(xiàn)了根據(jù)CIMS理念研發(fā)的集計(jì)算機(jī)化、智能化和集成優(yōu)化于一身的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)。現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)由管理信息、技術(shù)信息、制造自動(dòng)化和質(zhì)量信息4個(gè)應(yīng)用分系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)2個(gè)支撐分系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)資料文檔、質(zhì)量文檔、原材料、成品以及辦公等自動(dòng)化，并及時(shí)根據(jù)市場(chǎng)信息進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整，從而滿足質(zhì)量要求[4]。我國第一個(gè)863/CIMS主題的示范系統(tǒng)由相關(guān)專家主持，10多所高校、研究所聯(lián)合研制，主要由管理信息系統(tǒng)、工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、制造自動(dòng)化系統(tǒng)以及支撐系統(tǒng)等組成。

4 機(jī)械自動(dòng)化相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

4.1 輔助技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[5]。第一，目前的機(jī)械設(shè)備精密程度很高。在機(jī)械圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，人工繪制存在諸多困難，可以有效利用圖紙?jiān)O(shè)計(jì)軟件（如CAM、CAD等）進(jìn)行繪圖。第二，利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可以更加直觀地了解機(jī)械設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，便于設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用過程中存在的問題。第三，與傳統(tǒng)的手工繪圖相比，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可以更快完成圖紙的多次編輯，大大提升了工作效率。

4.2 3D技術(shù)的應(yīng)用

3D技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于機(jī)械設(shè)計(jì)過程中能夠立體化處理設(shè)計(jì)圖紙中的數(shù)據(jù)信息，使完整的機(jī)械設(shè)施通過圖像呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)者面前。另外，該技術(shù)可以在機(jī)械設(shè)施生產(chǎn)階段，通過建模方式分析設(shè)施的工作能力及相關(guān)信息，改變了傳統(tǒng)通過樣品試驗(yàn)才能得到機(jī)械設(shè)備運(yùn)營狀況的模式，從而節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

4.3 仿真技術(shù)的應(yīng)用

隨著可視化和虛擬技術(shù)的逐步成熟，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。將成熟的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)，可以突破煩瑣的機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程，使之變得簡(jiǎn)單、高效、合理。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）等技術(shù)的快速發(fā)展，根據(jù)實(shí)際需要在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中建立涉及制造的機(jī)械設(shè)備數(shù)字模型并開展仿真試驗(yàn)，成為當(dāng)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的重要環(huán)節(jié)[6]。

4.4 數(shù)控機(jī)床技術(shù)的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中，利用數(shù)控機(jī)床技術(shù)能夠提高自動(dòng)化程度，從而更好地完成制造任務(wù)。數(shù)控機(jī)床技術(shù)主要包括數(shù)控編程和數(shù)控軟件，其中數(shù)控軟件是機(jī)械設(shè)計(jì)制造的智能化基礎(chǔ)，數(shù)控編程是實(shí)現(xiàn)智能化的技術(shù)手段。數(shù)控機(jī)床技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中的應(yīng)用提升了機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)速度和生產(chǎn)精度。隨著我國數(shù)控技術(shù)的高速發(fā)展，它在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)及自動(dòng)化中的應(yīng)用也得到了普及[7]。

5 促進(jìn)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的建議

5.1 優(yōu)化人才培養(yǎng)

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與機(jī)械設(shè)備的結(jié)合，以及機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)不斷優(yōu)化，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用水平發(fā)生了較大變化。為了適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展，為制造業(yè)提供所需的優(yōu)秀人才，相關(guān)高校和科研院所應(yīng)該根據(jù)市場(chǎng)需求和制造業(yè)的發(fā)展情況，及時(shí)調(diào)整人才培養(yǎng)模式，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)和專業(yè)技術(shù)能力。以我國長江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為例，該校立足湖北省的石油石化行業(yè)，積極按照教育部質(zhì)量工程意見“要以社會(huì)需求為導(dǎo)向，合理設(shè)置學(xué)科專業(yè)，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)的聯(lián)系，加緊緊缺人才培養(yǎng)”，為地方石油石化的建設(shè)提供了大批量畢業(yè)生[8]。

5.2 加大財(cái)政資金投入

目前，我國的機(jī)械化生產(chǎn)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他發(fā)達(dá)國家，因此必須要積極引進(jìn)國外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和人才。這需要我國加大對(duì)相關(guān)企業(yè)的資金投入，以引進(jìn)更先進(jìn)的技術(shù)，吸引更多優(yōu)秀的人才。機(jī)械行業(yè)是對(duì)技術(shù)型人才要求較高的行業(yè)，只有充分尊重技術(shù)人才，才能更有利于機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。

5.3 完善機(jī)械自動(dòng)化行業(yè)規(guī)范

良好的行業(yè)規(guī)范政策能夠使各方面發(fā)展朝著科學(xué)、穩(wěn)定的方向前進(jìn)。完善機(jī)械自動(dòng)化行業(yè)規(guī)范，有利于降低行業(yè)員工的懈怠心理，減少行業(yè)失誤率，提高生產(chǎn)效率。機(jī)械產(chǎn)業(yè)的高層人員有時(shí)會(huì)存在貪污和不良作風(fēng)問題，需要國家進(jìn)行積極引導(dǎo)，健全相關(guān)法律法規(guī)，及時(shí)監(jiān)督和處理行業(yè)不規(guī)范行為，以確保機(jī)械自動(dòng)化行業(yè)健康發(fā)展[9]。

5.4 貫徹綠色發(fā)展觀念

由于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的不科學(xué)，我國的環(huán)境和資源面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。相關(guān)產(chǎn)業(yè)要盡快落實(shí)科學(xué)、綠色生產(chǎn)方案，為員工貫徹綠色生產(chǎn)的生產(chǎn)理念，從而推動(dòng)機(jī)械化生產(chǎn)朝著零污染的方向發(fā)展。相關(guān)產(chǎn)業(yè)還要實(shí)行以人為本的管理機(jī)制，加大綠色生產(chǎn)的宣傳，從而提高機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用范圍，促進(jìn)綠色生產(chǎn)的發(fā)展。

6 結(jié)語

目前，我國機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展較快，但與一些西方發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距。因此，我國要加大支持相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新的力度，積極引進(jìn)先進(jìn)的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，培養(yǎng)相關(guān)人才，抓住機(jī)遇迎接挑戰(zhàn)，促進(jìn)我國機(jī)械化生產(chǎn)的科學(xué)化和可持續(xù)化發(fā)展。