先进制造技术的发展趋势及其关健技术

0 前言

先进制造技术AMT(advanced manufacturing technology)是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、生产、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。它集成了现代科学技术和工业创新的成果，充分利用了信息技术，使制造技术提高到新的高度。近年来，随着科学技术的迅猛发展和学科间的交叉融合，先进制造技术不断发展，呈现出一些新的特点和趋势，新技术、新概念层出不穷，如并行工程(CE)、敏捷制造(AM)、虚拟制造(VM)、智能制造(IM)、绿色制造(GM)等都代表了AMT的发展方向。

1 先进制造技术的发展趋势

进入21世纪后，全球化竞争日益加剧，市场需求越来越个性化与多样化，因此未来先进制造技术的发展趋势将是向着信息化、智能化、网络化、集成化和环保化的方向发展。

1.1 信息化

当今时代是一个信息社会，随着计算机、自动化与通讯网络技术在制造系统中的应用，信息的作用越来越重要。据统计，机械制造业80％的从业人员不直接与材料打交道，而是与各种信息打交道。在制造系统和制造过程中最活跃、最起决定作用的是信息，现代制造系统正在从能量驱动型转变为信息驱动型而发展成为一种信息系统。因此，信息化的制造技术仍将是新世纪先进制造技术的主要发展方向，而且将有新的发展，主要表现为数字化制造技术和网络化制造技术的快速发展。

近年来，信息技术不断地与制造技术相融合，使制造业日益走向数字化。采用数字化制造技术不仅能够满足市场需求多样化和个性化的趋势，还能够快速响应市场，降低生产成本；将数字化技术注入产品也是提高产品精度和可靠性的有效途径，数字化产品既直观又方便，便于与计算机连接，通过计算机控制产品，进行信息处理及传递。例如，美国波音公司采用数字化制造技术，完成了波音777飞机的设计与制造，成功地实现了全球化异地协作，并且在三年内从设计到一次试飞成功，创造了飞机史上的一个奇迹。

随着计算机网络技术的迅猛发展，Internet技术已成为制造业应用系统的重要支撑平台，是实现各种制造系统自动化的基础。基于Web技术的产品数据管理(PDM)系统、CAD／CAM系统、供应链管理系统、数据交换转换系统等成为产品的主流。专家预测，未来基于网络制造的分布式网络化生产系统DNPS(distributed network productionsystem)将在生产中占主导地位。

因此，以微电子技术、软件技术为核心，以数字化、网络化为特征的信息化制造技术将是先进制造技术的重要发展方向。

我国将大力推进制造业信息化，到2010年底，90％的国有大中型制造企业要采用计算机辅助设计和计算机集成制造技术，基本实现制造业信息化。

1.2 智能化

所谓智能化，就是应用人工智能技术实现产品生命周期(包括产品设计、制造、发货、支持、用户到产品报废等)备个环节的智能化、生产设备的智能化，以及实现人与制造系统的融合及人在其中智能的充分发挥。

智能化是未来制造技术的发展趋势之一。在现代机械制造业中，人们不仅需要摆托繁重的体力劳动，而且需要从繁琐的计算、分析等脑力劳动中解放出来，以便用更多精力从事高层次的创造性劳动。因此，生产制造系统的智能化是必然发展趋势，智能化将进一步提高制造系统的柔性化和自动化水平，使生产系统具有更完善的判断与适应能力。智能制造是这一趋势的典型代表。

1.3 集成化

未来的制造系统集成化程度更高，这种集成是“多集成”，即不仅包括信息、技术的集成，而且包括管理、人员和环境的集成。

以前，在制造系统中，往往只强调信息和技术的集成，这是不够的。因为系统中不可能没有人，系统运行的效果及企业经营思想、运行机制、管理模式都与人息息相关，因此在技术上集成的同时，还应强调管理与人的集成。只有将人、信息、技术、管理、环境等真正集成起来，融合成一个统一的整体，才能最大限度地发挥制造系统的综合能力。集成化生产将成为2l世纪占主导地位的生产方式。计算机集成制造将得到进一步发展。

1.4 环保化

环境问题是人类社会所面临的共同问题，是关系到人类生存的大问题，也是社会能否持续发展的重要问题。在国民经济中，制造业从业人员多、影响范围广，加上占用资源、消耗能源的程度非其他领域可比，因而对人类居住的环境总体影响很大。虽然制造业为人类创造了大量的物质财富，但它同时又是污染环境的罪魁祸首。今天，环境问题已成为国际社会关注的焦点。在此情况下，向环保化或绿色化的方向发展就成为制造业在2l世纪的必由之路。

制造业向环保化方向的发展使人们在设计和制造产品时，不但要考虑产品的技术先进性、经济合理性，还必须考虑产品的环境友善性，并使产品在整个生命周期内都能实现“绿色化”。绿色制造、可持续发展制造就是这一趋势的典型代表。

2 未来先进制造技术发展中的关键技术

2.l 虚拟制造VM(virtual manufacturing)

VM技术是以虚拟现实VR(virtual reality)技术和仿真技术为基础发展起来的，是实际制造在虚拟环境下的映射，即在虚拟条件下模拟产晶设计、产品制造、产品测试、产品营销的全过程，并对有关技术数据和性能指标做出预测和评价，从而增强各级决策与控制能力，达到缩短产品开发周期、优化制造过程的目的。

VM技术广泛地应用于快速设计与快速原型(RP)、面向装配的设计(DFA)、面向制造的设计(DFM)、产品设计进入市场的并行处理和人员培训及产品维护等领域，为工程设计带来了革命性的进步。

由于VM技术在面对激烈市场竞争中显示出阵巨大的技术优势，目前已为各先进工业国家和公司所极度重视。如美国波音公司在设计波音777飞机时，在整机设待、部件测试、整机装配及试飞均采用VM技术，使该机型的开发周期由8年缩短为5年；美国克莱斯勒公司开发93LH系列汽车，采用VM技术，使开发时间从36个月缩短为24个月。又如SGI公司豹寝拟现实演示中心、HP公司的3D可视化技术展示已成为人们关注的焦点，其采用的人机接口技术、3D交驻技术等将成为下一代软件产品的发展方向，为拟实制造奠定更坚实的基础。

我国的客车虚拟制造系统正在探索中，它包括三维造型阶段、可靠性分析、色彩分析、成本分析、室内优化设计、市场需求分析等几个模块。它可以缩短新客车的开发周期。虚拟技术还在新型汽车车身开发中，从三维造型设计、虚拟运行仿真、虚拟装配、虚拟加工仿真和分析方面进行了探讨和研究。此外，我国对虚拟机床加工系统、虚拟数控加工过程和某些机械零部件的虚拟加工、制造等都有研究，这些为提高我国制造业的总体水平、加速制造业的自动化，以及提高我国企业在国际竞争中的能力打下了良好的基础。

与国外相比，我国在VM的理论研究方面相差不大，如浙江大学、哈尔滨工业大学、清华大学等都有相关的研究；但在VM传感设备的研制开发、技术应用方面，还有较大差距。因此，需要各有关部门相互配合，开发出更实用、更有竞争力的VM，VR产品。

2.2 智能制造IM(intelligent manufacturing)

智能制造技术是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术。其具体表现为：智能设计、智能加工、机器人操作、智能控制、智能工艺规划、智能调度与管理、智能装配、智能测量与诊断等。它强调通过“智能设套”和“自治控制”来构造新一代的智能制造系统模式。

智能制造系统具有自律能力、自组织能力、自学习与自我优化能力、自修复能力，因而适应性极强，而且由于采冀VR技术，人机界面更加友好。因此，IM技术的研究开发对于提高生产效率与产品品质、降低成本，提高制造业市场应变能力、国家经济实力和国民生活水准，具有重要意义。

智能制造是制造系统柔性自动化和集成自动化的新发展和重要组成部分，因此未来智能制造将向智能集成的方向发展，来来智能制造的研究将着重于智能传感与检测(如智能传感器、智能传感与检测技术、光纤传感技术等)。

2.3 纳米制造

纳米技术是本世纪出现的高新技术，它是加工精度或尺寸为0.1 nm一100 nm数量级的技术。纳米制造是纳米技术与制造技术相融合的产物，它包括超精加工、精密加工、超微细加工和微细加工。常用的制造技术有聚焦离子束工艺、扫描隧道效应显微镜技术等。

聚焦离子束工艺制造技术具有工艺简单、柔性大、生产率高的特点，特别是离子散射少，分辨率极高，故适合制造线条多而小的复杂图形。这种工艺制造的图形的最小线宽已达12 nm。

扫描隧道效应显微镜技术是当前微机械制造技术所能达到的最小加工尺寸，可以制造出最小线宽在20 nm～30 nm、深度在0．5 nm～10 nm的各种复杂结构或图形，扫描速度达100 nm／s～400 nm／s。用显微镜探头即可把具有特定理化性质的功能分子、原子，借助于分子、原子内的作用力，组成纳米尺度的分子线、膜和其他结构，例如IBM公司曾用扫描隧道显微镜搬移氙原子和铁原子而形成“IBM”字样，我国中科院曾在1994年用电流脉冲工作模式搬动Si原子，写出了“中国”字样。

纳米制造是微型机械的基础和重点方向，其应用前景十分广阔，如制成微机器人在医学、军事等领域都可大显身手，注入人体血管，可以进行健康检查乃至疏通脑血管血栓、消除心脏动脉脂肪沉积物等治疗；把分子机器人植入昆虫的神经系统中，控制昆虫的飞行方向，收集情报，或使目标丧失功能。如做成微机构可用在医学上，国际上已发明出了尖端直径为5μm的微型镊子，可以夹起一个红血球。如制成微仪器仪表、微控制器、微传感器、微传动元器件等在工业领域大有用武之地。

纳米制造是2l世纪的科技前沿，将给制造业带来一场革命，并将随着科技的不断进步而发展。

2.4 绿色制造GM(green manufacturing)

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响极小，资源利用率极高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。在绿色制造中，其目标已不再局限于仅实现产品的功能和满足用户的需求，而必须在生产和消费等方面满足环保和节约能源的要求。

绿色制造对未来制造业的可持续发展至关重要，因而倍受全球制造业的关注，已成为先进制造技术的主要内容和各国优先发展并支持的研究项目。以汽车工业为例，当前全球汽车市场竞争激烈，为抢占市场，各大汽车公司都十分热衷于开发“绿色汽车”。所谓“绿色汽车”是指“对环境友好”、“零排放”和“几乎无声”的新型车。如通用汽车公司的“零排放”电动车辆的开发；福特汽车公司最近提出的“新能源2010”概念车等。一方面，发达国家企业率先推出的这些产品已经在引导公众的消费结构而有利于可持续发展的方向转变；另一方面，消费者面对极大丰富的商品和服务市场，其消费行为渐趋理性，使得消费“绿色化”的趋势日益显著。

绿色制造的研究方兴未艾。国际经济专家分析认为，目前，“绿色产品”比例大约为5％一10％，再过10年，所有产品都将进入绿色设计家族，可回收、易拆卸，部件或整机可翻新和循环利用。可以预计，绿色产品将成为未来世界范围竞争的热点和必然的发展趋势。

国内已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍，如上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术的研究，与Ford公司合作，研究中国轿车的回收工程问题；合肥工业大学开展了机械产品可回收设计理论和关键技术及回收指标评价体系的研究；重庆大学承担了国家自然科学基金和国家863／CIMS主题资助的关于绿色制造技术的研究项目，主要研究可持续发展CIMS(S．CIMS)的体系结构研究、清洁化生产系统和体系结构及实施策略、清洁化生产管理信息系统等。华中理工大学、浙江大学、北京航空航天大学等高院校也开展了绿色制造技术研究。这些研究为我国发展绿色制造技术奠定了基础。

3 结束语

制造业是国家经济和综合国力的基础，被称为“立国之本”。而我国的制造工业与发达国家相比，差距很大，主要表现为自主开发能力和技术创新能力薄弱，核心技术、关键技术仍依赖进口。对此，我国已引起重视，在“九五”科技规划和15年科技发展规划中，将先进制造技术列为重点发展领域之一。

进入21世纪，经济全球化的进程日益加快，制造业领域的竞争日益加剧，而竞争的核心是先进制造技术。在此环境下，我们只有抓住机遇，迎接挑战，利用先进制造技术改造传统产业，实现技术创新、机制创新、管理创新及人才创新，才能实现我国跻身世界制造强国的目标。

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