淺談先進制造技術的發展趨勢和特色

李華楹

（岳陽職業技術學院，湖南 岳陽 414000）

20世紀上半葉，以機械技術和機電自動化技術為基礎的制造業的生產空前發展。以大批量生產為主的機械制造業，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，在美國發明了數字控制（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等數字化制造技術相繼問世和應用。就目前世界的經濟發展來看，以美國、日本、西歐為代表的工業化國家，在AMT上都有雄厚的實力。

先進制造技術是傳統制造技術與微電子、計算機、自動控制等現代高新技術相交叉融和的結果，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。現將先進制造技術的發展趨勢和特色闡述如下：

1 “數”是發展的核心

“數”，是指制造領域的數字化。

其包括以設計為中心的數字制造，以控制為中心的數字制造和以管理為中心的數字制造。對數字化制造設備而言，其控制參數均為數字化信號；對數字化制造企業而言，各種信息（如圖形、數據、知識、技能等等）均以數字形式通過網絡在企業內傳遞，在多種數字化技術的支持下，企業對產品信息、工藝信息與資源信息進行分析、規劃與重組，實現對產品設計和產品功能的仿真，對加工過程與生產組織過程的仿真或完成原型制造，從而實現生產過程的快速重組和對市場的快速反應。對全球制造業而言，在數字制造環境下，用戶借助網絡發布信息，各類企業通過網絡應用電子商務，實現優勢互補，形成動態聯盟，迅速協同設計并制造出相應的產品。

2 “精”是發展的關鍵

“精”，是指加工精度及其發展。

20世紀初，超精密加工的誤差是10μm，70～80年代為0.01μm，現在僅為0.001μm，即1 nm。從海灣戰爭、科索沃戰爭，到阿富汗戰爭、伊拉克戰爭來看，武器的命中率越來越高，其實質就是武器越來越“精”，也可以說，關鍵就是打“精度”戰。在現代精密機械中，對精度要求極高，如人造衛星的儀表軸承，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，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，顆粒數少于0.1個 /inch3；

（2）超純。芯片材料有害雜質，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，就沒有先進電子技術裝備；當然，沒有先進電子技術與信息技術，也就沒有先進制造裝備。先進制造技術與先進信息技術是相互滲透，相互支持，緊密結合的。

3 “極”是發展的焦點

“極”，就是極端條件，是指生產特需產品的制造技術，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、奇形怪狀的產品等，都屬于特需產品。“微機電系統”就是其中之一。這是工業發達國家高度關注的一項前沿科技，亦即所謂微系統微制造。“微機電系統”用途十分廣泛。在信息領域中，用于分子存儲器、原子存儲器、芯片加工設備等；生命領域中，用于克隆技術、基因操作系統、蛋白質追蹤系統、小生理器官處理技術、分子組件裝配技術等；軍事武器中，用于精確制導技術、精確打擊技術、微型慣性平臺、微光學設備等；航空航天領域中，用于微型飛機、微型衛星、“納米”衛星（0.1 kg以內）；微型機器人領域中，用于各種醫療手術、管道內操作、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。“微機電系統”可以完成特種動作與實現特種功能，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”是發展的條件

“自”，就是自動化。其為減輕、強化、延伸、取代人的有關勞動的技術或手段。

自動化總是伴隨有關機械或工具來實現的。可以說，機械是一切技術的載體，也是自動化技術的載體。第一次工業革命，以機械化這種形式的自動化，來減輕、延伸或取代人的有關體力勞動；第二次工業革命，即電氣化進一步促進了自動化的發展。據統計，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、計算機化與網絡化，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。今天的自動化的內涵與水平，已遠非昔比，從控制理論、控制技術，到控制系統、控制元件等等，都有著極大的發展。自動化已成為先進制造技術發展的前提條件。

5 “集”是發展的方法

“集”，就是集成化。目前，“集”主要指：

（1）現代技術的集成。機電一體化是個典型，是高技術裝備的基礎。

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

（3）企業的集成。即管理的集成，包括生產信息、功能、過程的集成，也包括企業內部的集成和企業外部的集成。

從長遠看，還有一點很值得注意，即由生物技術與制造技術集結而成的“微制造的生物方法”，或所謂的“生物制造”。其依據是，生物是由內部生長而成“器件”，而非同一般制造技術那樣，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域，作用難以估量。

6 “網”是發展的道路

“網”，就是網絡化。制造技術的網絡化是先進制造技術發展的必由之路。

制造業在市場競爭中，面臨多方的壓力：采購成本不斷提高，產品更新速度加快，市場需求不斷變化，全球化所帶來的沖擊日益加強等等。企業要避免這一系列問題，就必須在生產組織上實行某種深刻的變革，拋棄傳統的“小而全”與“大而全”的“夕陽技術”，把力量集中在自己最有競爭力的核心業務上。科學技術，特別是計算機技術、網絡技術的發展，使這種變革的需要成為可能。制造技術的網絡化，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，在談判協商的基礎上，建立密切合作關系，形成動態的“虛擬企業“或動態的”“企業聯盟”。此時，各企業致力于自己的核心業務，實現優勢互補，實現資源優化動態組合與共享。

7 “智”是發展的前景

“智”，就是智能化。制造技術的智能化是制造技術發展的前景。

近20年來，制造系統正在由原先的能量驅動型，轉變為信息驅動型，這就要求制造系統不但要具備柔性，而且還要表現出某種智能，以便應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境，因此智能制造越來越受到重視。

與傳統的制造相比，智能制造系統具有以下特點：

（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展的高技術含量和高技術水平的先進制造系統，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。其突出之處，是在制造諸環節中，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、構思和決策，取代或延伸制造環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的主要生產模式之一，潛力極大，前景廣闊。

8 “綠”是發展的必然

“綠”，就是“綠色”制造。人類必須從各方面促使自身的發展與自然界和諧一致，制造技術也不例外。

制造業的產品從構思開始，到設計、制造、銷售、使用與維修，直到回收、再制造等各階段，都必須充分顧及環境保護與改善。不僅要保護與改善自然環境，還要保護與改善社會環境、生產環境以及生產者的身心健康。其實，保護與改善環境，也是保護與發展生產力。在此前提下，制造出價廉、物美、供貨期短、售后服務好的產品。作為“綠色”制造，產品必須力求同用戶的工作、生活環境相適應，給人以高尚的精神享受，體現物質文明與精神文明的高度交融。因此，發展與采用一項新技術時，必須樹立科學的發展觀，使制造業不斷邁向“綠色”制造。

上面所講的“數、精、極、自、集、網、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”這個基礎上，也就是說，要研究與發展“機械”本身與“制造”本身的理論與機理。8個方面的技術，要以此理論與機理為基礎來研究、開發、發展，要與此基礎相輔相成，最終服務于制造業的發展。值得注意的是，在科學技術高度發達與高速發展的今天，“先進制造技術”如同一切先進技術一樣，是不可能不“以人為本”的，不能見“物”不見“人”，見“技術”不見“文化”、不見“精神”。離開人，離開人的精神，先進技術就失去了“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，培養出合乎時代潮流與我國國情的制造業的科技人才與管理人才。科技是關鍵，人才是根本，教育是基礎。要從根本、從長遠、從全面著想，不斷推動我國先進制造技術的發展。

9 “低碳”是發展的目標

隨著經濟全球化深入發展，降低能耗和減排溫室氣體，成為國際社會面臨的嚴峻挑戰，以低能耗、低污染為基礎的“低碳經濟”成為國際熱點，成為繼工業革命、信息革命之后又一波可能對全球經濟產生重大影響的新趨勢。據預測，走“低碳經濟”的發展道路，每年可為全球經濟產生25000億美元的收益，到2050年，低碳技術市場至少會達到5000億美元。為此，一些發達國家大力推進向“低碳經濟”轉型的戰略行動，著力發展“低碳技術”，并對產業、能源、技術、貿易等政策進行重大調整，以搶占產業先機。

“低碳技術”包括在節能、煤的清潔高效利用、油氣資源和煤層氣的勘探開發、可再生能源及新能源、二氧化碳捕獲與埋存等領域開發的有效控制溫室氣體排放的新技術，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 結束語

先進制造技術不是一門具體的、單一的科學技術，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[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]張平亮，等.先進制造技術[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]馮憲章.先進制造技術基礎[M].北京：北京理工大學出版社，2009.