國內外先進制造技術的現狀與發展趨勢

張云，梁光順

清華大學 北京 100084

1 序言

制造業是國民經濟發展的重要基礎，隨著數字化、信息化及人工智能等技術的發展，傳統制造業與新的數字化技術不斷融合，國內外的制造技術都發生了很大的變化。先進制造技術AMT（Advanced Manufacturing Technology）是衡量一個國家科技發展水平的重要標志，智能制造是先進制造的領頭羊。我國要想實現工業現代化，成為制造強國，離不開先進制造技術的助力。

先進制造技術是制造業融合了機械、電子、計算機與通信、控制理論和人工智能等方面的成果，并被綜合應用于設計、制造、檢測、管理、銷售、使用乃至回收的全過程，以實現優質、高效、低耗、清潔和靈活生產，提高對動態多變的市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱。其集成了現代科學技術和工業創新的成果，充分利用了信息技術，使制造技術提高到新的高度。先進制造技術是不斷利用新技術逐步發展和完善的技術，因而具有動態性和相對性。其以提高企業競爭能力為目標，應用于產品整個制造過程，強調優質、高效、清潔及靈活生產，體現了環境保護、可持續發展和制造的柔性化。

許多發達國家發布一系列國家戰略，以增強在實體經濟領域的競爭力，如美國的“再工業化戰略”、德國的“工業4.0”計劃、日本的“新機器人戰略”及英國的“高價值制造戰略”等。盡管這些戰略或計劃各有側重點，但都包括發展智能制造，以適應新的要素和市場環境，豐富先進制造的內涵。

2 中國先進制造技術成果

推動制造業高質量發展，促進新技術為制造業賦能。將智能化與數字化作為未來制造業發展的重點。改革開放四十余年，我國已成為制造業大國，世界各地涌現“中國造”，從側面顯現出我國制造水平所取得的歷史性飛躍。我國在智能制造方面取得了突出的成果，促進了先進制造技術的發展。

2.1 工業機器人技術

工業機器人技術的發展，為智能制造帶來新的動力。工業機器人具有生產操作穩定、改善勞動環境、減輕勞動強度及提高勞動生產率等特點，被制造業眾多企業廣泛應用。其中中國中車在車輛生產的各個環節應用了焊接機器人、打磨機器人（見圖1）、組對機器人和噴涂機器人等。使用機器人代替工人完成作業是制造業發展的走向，也是近年來先進制造的重要表現形式。

圖1 打磨機器人

2.2 智能工廠

娃哈哈是中國飲料行業的龍頭企業，也是飲料行業“中國制造”的典范，目前也實現了智能工廠的規劃。通過信息技術與制造技術的深度融合，實現從傳感器到企業資源管理系統ERP的全過程信息集成。在底層，西門子的PLC等通信網絡覆蓋整條生產線，借助SIMATIC解決方案，娃哈哈打破了各個設備的信息孤島，實現了內部高效的精細管理、優化外部供應鏈的協同，推動了整個產業鏈向數字化、智能化及綠色化發展。娃哈哈飲料智能生產線如圖2所示。

圖2 娃哈哈飲料智能生產線

2.3 5G通信技術

華為的5G通信技術為智能制造增添了新的活力，“中國制造”正在高速轉型為“中國智造”。對于汽輪機的裝配而言，5G三維掃描建模檢測系統利用激光掃描技術，能夠準確迅速地截取物體表面的三維數據并生成模型，再利用5G網絡實時傳輸，并將測量的大數據上傳到云端。云端服務器對實際模型和理想模型迅速校核，判斷兩者的相似程度。這就讓檢測時間大大縮短，既實現產品全量檢測，又能得到質量信息數據庫，以便后期質量分析，節約成本，提高效益。21世紀，5G技術助推傳統制造向智能制造轉型，聯結各領域的人、機器和設備，為工業升級提供互聯網支持。

在汽車生產線的自動化控制中，5G 可連接工人和制造機器，形成信息系統，實現暢快的信息共享。尤其是跨工廠、跨地域等生產場景，5G 技術增強生產的同步性。

2.4 智能數控系統

華中數控在2021年第十七屆中國國際機床展上發布的“華中9型智能數控系統”，集成AI芯片，融合AI算法，實現數控系統的自主感知、自主學習、自主決策和自主執行，堪稱AI與先進制造融合的典范。華中數控以“華中9型智能數控系統”為平臺，與秦川機床集團等機床企業聯手研制了智能精密加工中心、智能五軸加工中心等不同領域、多種類型的智能機床。該系統推動了機床的智能化轉型升級，助力機床動態精度由絲入微。

3 國外先進制造技術成果

“德國工業4.0”的核心是“智能+網絡化”，即通過信息物理系統（CPS）構建智能工廠，實現智能制造。先進制造生產線是智能工廠的標配，它是加工單元、機械手、運輸裝置和檢測設備協同完成的系統工程，先進制造生產線布局如圖3所示。西門子PLC通信網絡為先進制造生產線提供了豐富的網絡解決方案（見圖4），可以有效地解決其中的控制問題。該公司的Mind Sphere工業互聯網平臺，可以大范圍采集工業數據，進行數據建模、模型部署及模型分析等，為企業提供凝聚了豐富技術經驗和數據價值的各種Mind Apps，以解決企業多維度的需求。

圖3 先進制造生產線布局

圖4 西門子PLC 通信網絡

在航空航天領域，位于發動機低溫壓氣機側的整體葉盤由鈦合金制成，高溫渦輪側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鈦合金的切削制造專門研制了CoroMill?Plura HFS整體硬質合金立銑刀（見圖5 ），其獨有的冷卻增強器采用了用于改進溫度分散的專利冷卻液流槽設計，能解決切削區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提供切削刀具、滿足金屬切削行業苛刻要求的同時，引領世界進入工業4.0時代。

圖5 CoroMill? Plura HFS整體硬質合金立銑刀

一些發達國家在高端數控機床的性能及技術方面仍比我國領先，且部分國家已著眼于新一代數控機床的研發。如德國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80kW，主軸在Z軸方向的最大行程可達670mm，加工效率為同類用于飛機結構件加工的雙擺角五軸數控機床的5～10倍。

圖6 Ecospeed 系列臥式加工中心

4 中國先進制造技術的發展趨勢

先進制造技術是當前國際間科技競爭的焦點，我國要想在世界制造業的變革中立于潮頭，取得主動，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展。

4.1 全球化

目前，世界各國制造業裝備的生產銷售依然在經濟全球化的框架下進行。我國自改革開放以來，特別是加入世貿組織后，就積極推進企業間的跨國合作，互利互惠，網絡通信技術的迅猛發展也方便了地球各個角落間的交流。對于機械制造領域的一些難題，我們仍需汲取國外成功案例的經驗，與各國攜手合作，拓寬科學的邊緣。

4.2 自主化

近年來，在龐大市場需求的牽引，以及國家重大科技專項的支持下，我國的高檔數控機床、工業機器人、增材制造裝備、業務管理系統及工業控制系統等智能制造關鍵技術裝備和核心工業軟件取得了一系列重要突破，在一定程度上滿足了國內智能制造的發展需求。但是，國內高端數控機床領域的市場長期被德國、日本等企業壟斷，進口依賴度仍然超過 90%。

復雜的國際環境和日益激烈的貿易摩擦倒逼我國制造業智能升級和擴大內需，進一步發展自主科技創新和增強自主知識產權實力，整體市場環境逼迫我國智能制造關鍵技術裝備、核心工業軟件以及系統解決方案的自主供應能力進一步提升。目前，五軸聯動數控機床仍是解決重型發電機和航空發動機葉片、葉輪及船用螺旋槳等具有復雜空間加工曲面零部件的唯一手段，但在這些領域國外工業發達國家一直對我國進行技術封鎖，我國只有對五軸聯動機床開展獨立自主的科研攻關，突破卡脖子的關鍵技術，才能真正實現制造業的現代化。

4.3 智能化

5G通信技術、物聯網等助力制造業大數據的采集、傳輸，并將其存儲于云服務平臺，方便企業隨時調用。計算機仿真和深度學習的融合，為設計者提前準備好解決方案，縮短研發周期，降低研發成本。人工智能與工業的深度融合將逐步從通用性技術領域向技術縱深程度更高的專業技術場景轉變，實現從上游設計、原料投遞，到中游制造、人機協作，再到下游服務、監測運維，最終指導工業設計和技術升級的應用閉環。

近年來我國投身于人工智能領域的人才數不勝數，且“互聯網+智能制造”已取得初步成效，包括阿里云產業大腦、百度智慧工廠以及京東智慧供應鏈等。他們也將為制造業的發展注入新的前進動力，解決傳統制造領域一些棘手的難題。

4.4 集成化

先進制造技術并不只是計算機、信息的集成，還囊括到化學、生物等領域的知識和數據。它的集成性體現在了各類現代科技的有機融合，學界普遍提倡多學科交叉，各專業間不斷滲透、融合，為我國先進制造業的創新成果開辟新的思路。

4.5 綠色化

先進制造技術提倡“變廢為寶”，減少制造過程中向外界環境排放的廢棄物，對產品進行分類回收再利用，提升原材料的利用率，達到節約能源、減少環境污染的目的，引領制造業實現可持續發展。在貫徹落實中國高質量發展戰略的過程中，綠色制造不容忽視，主要體現在綠色工廠、綠色產品、綠色園區和綠色供應鏈的建設中。

5 結束語

制造業是國家經濟和綜合國力的基礎，一個國家的機械制造技術水平將深刻影響該國的經濟發展以及現代化進程。隨著我國工業水平的發展，尤其是航空航天技術的發展，先進制造技術顯得越發重要。在信息技術和互聯網技術的加持下，先進制造技術的應用案例不斷涌現，尤其是智能制造，極大地提高了企業生產的效率和服務質量。未來的制造業正朝著產品優質、生產高效、能源低耗、綠色環保和信息安全等方向發展。作為制造業大國，我國與一些發達國家仍存在差距，因此應加強對先進制造技術的探索，掌握核心科技，提升我國制造業的整體水平，向制造業強國的目標邁進。