國(guó)內(nèi)外先進(jìn)制造技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張?jiān)?，梁光?/p>

清華大學(xué) 北京 100084

1 序言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，隨著數(shù)字化、信息化及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)與新的數(shù)字化技術(shù)不斷融合，國(guó)內(nèi)外的制造技術(shù)都發(fā)生了很大的變化。先進(jìn)制造技術(shù)AMT（Advanced Manufacturing Technology）是衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，智能制造是先進(jìn)制造的領(lǐng)頭羊。我國(guó)要想實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化，成為制造強(qiáng)國(guó)，離不開先進(jìn)制造技術(shù)的助力。

先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)融合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)與通信、控制理論和人工智能等方面的成果，并被綜合應(yīng)用于設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、管理、銷售、使用乃至回收的全過程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔和靈活生產(chǎn)，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的制造技術(shù)的總稱。其集成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)創(chuàng)新的成果，充分利用了信息技術(shù)，使制造技術(shù)提高到新的高度。先進(jìn)制造技術(shù)是不斷利用新技術(shù)逐步發(fā)展和完善的技術(shù)，因而具有動(dòng)態(tài)性和相對(duì)性。其以提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力為目標(biāo)，應(yīng)用于產(chǎn)品整個(gè)制造過程，強(qiáng)調(diào)優(yōu)質(zhì)、高效、清潔及靈活生產(chǎn)，體現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展和制造的柔性化。

許多發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)布一系列國(guó)家戰(zhàn)略，以增強(qiáng)在實(shí)體經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，如美國(guó)的“再工業(yè)化戰(zhàn)略”、德國(guó)的“工業(yè)4.0”計(jì)劃、日本的“新機(jī)器人戰(zhàn)略”及英國(guó)的“高價(jià)值制造戰(zhàn)略”等。盡管這些戰(zhàn)略或計(jì)劃各有側(cè)重點(diǎn)，但都包括發(fā)展智能制造，以適應(yīng)新的要素和市場(chǎng)環(huán)境，豐富先進(jìn)制造的內(nèi)涵。

2 中國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)成果

推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)新技術(shù)為制造業(yè)賦能。將智能化與數(shù)字化作為未來制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。改革開放四十余年，我國(guó)已成為制造業(yè)大國(guó)，世界各地涌現(xiàn)“中國(guó)造”，從側(cè)面顯現(xiàn)出我國(guó)制造水平所取得的歷史性飛躍。我國(guó)在智能制造方面取得了突出的成果，促進(jìn)了先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。

2.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為智能制造帶來新的動(dòng)力。工業(yè)機(jī)器人具有生產(chǎn)操作穩(wěn)定、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，被制造業(yè)眾多企業(yè)廣泛應(yīng)用。其中中國(guó)中車在車輛生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用了焊接機(jī)器人、打磨機(jī)器人（見圖1）、組對(duì)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人等。使用機(jī)器人代替工人完成作業(yè)是制造業(yè)發(fā)展的走向，也是近年來先進(jìn)制造的重要表現(xiàn)形式。

圖1 打磨機(jī)器人

2.2 智能工廠

娃哈哈是中國(guó)飲料行業(yè)的龍頭企業(yè)，也是飲料行業(yè)“中國(guó)制造”的典范，目前也實(shí)現(xiàn)了智能工廠的規(guī)劃。通過信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)從傳感器到企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP的全過程信息集成。在底層，西門子的PLC等通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋整條生產(chǎn)線，借助SIMATIC解決方案，娃哈哈打破了各個(gè)設(shè)備的信息孤島，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部高效的精細(xì)管理、優(yōu)化外部供應(yīng)鏈的協(xié)同，推動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈向數(shù)字化、智能化及綠色化發(fā)展。娃哈哈飲料智能生產(chǎn)線如圖2所示。

圖2 娃哈哈飲料智能生產(chǎn)線

2.3 5G通信技術(shù)

華為的5G通信技術(shù)為智能制造增添了新的活力，“中國(guó)制造”正在高速轉(zhuǎn)型為“中國(guó)智造”。對(duì)于汽輪機(jī)的裝配而言，5G三維掃描建模檢測(cè)系統(tǒng)利用激光掃描技術(shù)，能夠準(zhǔn)確迅速地截取物體表面的三維數(shù)據(jù)并生成模型，再利用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸，并將測(cè)量的大數(shù)據(jù)上傳到云端。云端服務(wù)器對(duì)實(shí)際模型和理想模型迅速校核，判斷兩者的相似程度。這就讓檢測(cè)時(shí)間大大縮短，既實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全量檢測(cè)，又能得到質(zhì)量信息數(shù)據(jù)庫，以便后期質(zhì)量分析，節(jié)約成本，提高效益。21世紀(jì)，5G技術(shù)助推傳統(tǒng)制造向智能制造轉(zhuǎn)型，聯(lián)結(jié)各領(lǐng)域的人、機(jī)器和設(shè)備，為工業(yè)升級(jí)提供互聯(lián)網(wǎng)支持。

在汽車生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制中，5G 可連接工人和制造機(jī)器，形成信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)暢快的信息共享。尤其是跨工廠、跨地域等生產(chǎn)場(chǎng)景，5G 技術(shù)增強(qiáng)生產(chǎn)的同步性。

2.4 智能數(shù)控系統(tǒng)

華中數(shù)控在2021年第十七屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展上發(fā)布的“華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)”，集成AI芯片，融合AI算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的自主感知、自主學(xué)習(xí)、自主決策和自主執(zhí)行，堪稱AI與先進(jìn)制造融合的典范。華中數(shù)控以“華中9型智能數(shù)控系統(tǒng)”為平臺(tái)，與秦川機(jī)床集團(tuán)等機(jī)床企業(yè)聯(lián)手研制了智能精密加工中心、智能五軸加工中心等不同領(lǐng)域、多種類型的智能機(jī)床。該系統(tǒng)推動(dòng)了機(jī)床的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，助力機(jī)床動(dòng)態(tài)精度由絲入微。

3 國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)成果

“德國(guó)工業(yè)4.0”的核心是“智能+網(wǎng)絡(luò)化”，即通過信息物理系統(tǒng)（CPS）構(gòu)建智能工廠，實(shí)現(xiàn)智能制造。先進(jìn)制造生產(chǎn)線是智能工廠的標(biāo)配，它是加工單元、機(jī)械手、運(yùn)輸裝置和檢測(cè)設(shè)備協(xié)同完成的系統(tǒng)工程，先進(jìn)制造生產(chǎn)線布局如圖3所示。西門子PLC通信網(wǎng)絡(luò)為先進(jìn)制造生產(chǎn)線提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)解決方案（見圖4），可以有效地解決其中的控制問題。該公司的Mind Sphere工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以大范圍采集工業(yè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、模型部署及模型分析等，為企業(yè)提供凝聚了豐富技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)價(jià)值的各種Mind Apps，以解決企業(yè)多維度的需求。

圖3 先進(jìn)制造生產(chǎn)線布局

圖4 西門子PLC 通信網(wǎng)絡(luò)

在航空航天領(lǐng)域，位于發(fā)動(dòng)機(jī)低溫壓氣機(jī)側(cè)的整體葉盤由鈦合金制成，高溫渦輪側(cè)的整體葉盤由高溫合金HRSA制成。高溫合金和鈦合金都屬于難加工材料，對(duì)加工工藝及切削刀具的要求都非常高。山特維克可樂滿針對(duì)鈦合金的切削制造專門研制了CoroMill?Plura HFS整體硬質(zhì)合金立銑刀（見圖5 ），其獨(dú)有的冷卻增強(qiáng)器采用了用于改進(jìn)溫度分散的專利冷卻液流槽設(shè)計(jì)，能解決切削區(qū)域的排屑和溫度控制難題。山特維克可樂滿在為高精尖制造業(yè)提供切削刀具、滿足金屬切削行業(yè)苛刻要求的同時(shí)，引領(lǐng)世界進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代。

圖5 CoroMill? Plura HFS整體硬質(zhì)合金立銑刀

一些發(fā)達(dá)國(guó)家在高端數(shù)控機(jī)床的性能及技術(shù)方面仍比我國(guó)領(lǐng)先，且部分國(guó)家已著眼于新一代數(shù)控機(jī)床的研發(fā)。如德國(guó)DST公司Ecospeed系列臥式加工中心（見圖6），其電主軸的功率最大可達(dá)80kW，主軸在Z軸方向的最大行程可達(dá)670mm，加工效率為同類用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的雙擺角五軸數(shù)控機(jī)床的5～10倍。

圖6 Ecospeed 系列臥式加工中心

4 中國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

先進(jìn)制造技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際間科技競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，我國(guó)要想在世界制造業(yè)的變革中立于潮頭，取得主動(dòng)，就不可避免要朝著全球化、自主化、智能化、集成化和綠色化等方向發(fā)展。

4.1 全球化

目前，世界各國(guó)制造業(yè)裝備的生產(chǎn)銷售依然在經(jīng)濟(jì)全球化的框架下進(jìn)行。我國(guó)自改革開放以來，特別是加入世貿(mào)組織后，就積極推進(jìn)企業(yè)間的跨國(guó)合作，互利互惠，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展也方便了地球各個(gè)角落間的交流。對(duì)于機(jī)械制造領(lǐng)域的一些難題，我們?nèi)孕杓橙?guó)外成功案例的經(jīng)驗(yàn)，與各國(guó)攜手合作，拓寬科學(xué)的邊緣。

4.2 自主化

近年來，在龐大市場(chǎng)需求的牽引，以及國(guó)家重大科技專項(xiàng)的支持下，我國(guó)的高檔數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、增材制造裝備、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)及工業(yè)控制系統(tǒng)等智能制造關(guān)鍵技術(shù)裝備和核心工業(yè)軟件取得了一系列重要突破，在一定程度上滿足了國(guó)內(nèi)智能制造的發(fā)展需求。但是，國(guó)內(nèi)高端數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的市場(chǎng)長(zhǎng)期被德國(guó)、日本等企業(yè)壟斷，進(jìn)口依賴度仍然超過 90%。

復(fù)雜的國(guó)際環(huán)境和日益激烈的貿(mào)易摩擦倒逼我國(guó)制造業(yè)智能升級(jí)和擴(kuò)大內(nèi)需，進(jìn)一步發(fā)展自主科技創(chuàng)新和增強(qiáng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)實(shí)力，整體市場(chǎng)環(huán)境逼迫我國(guó)智能制造關(guān)鍵技術(shù)裝備、核心工業(yè)軟件以及系統(tǒng)解決方案的自主供應(yīng)能力進(jìn)一步提升。目前，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床仍是解決重型發(fā)電機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、葉輪及船用螺旋槳等具有復(fù)雜空間加工曲面零部件的唯一手段，但在這些領(lǐng)域國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一直對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，我國(guó)只有對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床開展獨(dú)立自主的科研攻關(guān)，突破卡脖子的關(guān)鍵技術(shù)，才能真正實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的現(xiàn)代化。

4.3 智能化

5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等助力制造業(yè)大數(shù)據(jù)的采集、傳輸，并將其存儲(chǔ)于云服務(wù)平臺(tái)，方便企業(yè)隨時(shí)調(diào)用。計(jì)算機(jī)仿真和深度學(xué)習(xí)的融合，為設(shè)計(jì)者提前準(zhǔn)備好解決方案，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。人工智能與工業(yè)的深度融合將逐步從通用性技術(shù)領(lǐng)域向技術(shù)縱深程度更高的專業(yè)技術(shù)場(chǎng)景轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)從上游設(shè)計(jì)、原料投遞，到中游制造、人機(jī)協(xié)作，再到下游服務(wù)、監(jiān)測(cè)運(yùn)維，最終指導(dǎo)工業(yè)設(shè)計(jì)和技術(shù)升級(jí)的應(yīng)用閉環(huán)。

近年來我國(guó)投身于人工智能領(lǐng)域的人才數(shù)不勝數(shù)，且“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”已取得初步成效，包括阿里云產(chǎn)業(yè)大腦、百度智慧工廠以及京東智慧供應(yīng)鏈等。他們也將為制造業(yè)的發(fā)展注入新的前進(jìn)動(dòng)力，解決傳統(tǒng)制造領(lǐng)域一些棘手的難題。

4.4 集成化

先進(jìn)制造技術(shù)并不只是計(jì)算機(jī)、信息的集成，還囊括到化學(xué)、生物等領(lǐng)域的知識(shí)和數(shù)據(jù)。它的集成性體現(xiàn)在了各類現(xiàn)代科技的有機(jī)融合，學(xué)界普遍提倡多學(xué)科交叉，各專業(yè)間不斷滲透、融合，為我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的創(chuàng)新成果開辟新的思路。

4.5 綠色化

先進(jìn)制造技術(shù)提倡“變廢為寶”，減少制造過程中向外界環(huán)境排放的廢棄物，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類回收再利用，提升原材料的利用率，達(dá)到節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的目的，引領(lǐng)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在貫徹落實(shí)中國(guó)高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的過程中，綠色制造不容忽視，主要體現(xiàn)在綠色工廠、綠色產(chǎn)品、綠色園區(qū)和綠色供應(yīng)鏈的建設(shè)中。

5 結(jié)束語

制造業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)和綜合國(guó)力的基礎(chǔ)，一個(gè)國(guó)家的機(jī)械制造技術(shù)水平將深刻影響該國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及現(xiàn)代化進(jìn)程。隨著我國(guó)工業(yè)水平的發(fā)展，尤其是航空航天技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)制造技術(shù)顯得越發(fā)重要。在信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加持下，先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用案例不斷涌現(xiàn)，尤其是智能制造，極大地提高了企業(yè)生產(chǎn)的效率和服務(wù)質(zhì)量。未來的制造業(yè)正朝著產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、生產(chǎn)高效、能源低耗、綠色環(huán)保和信息安全等方向發(fā)展。作為制造業(yè)大國(guó)，我國(guó)與一些發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在差距，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的探索，掌握核心科技，提升我國(guó)制造業(yè)的整體水平，向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)邁進(jìn)。