一文解惑：談談什么才是真正的先進制造技術

先進制造技術不僅是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標志，也是國際間科技競爭的重點。我國正處于工業(yè)化經濟發(fā)展的關鍵時期，制造技術是我們的薄弱環(huán)節(jié)。只有跟上發(fā)展先進制造技術的世界潮流，將其放在戰(zhàn)略優(yōu)先地位，并以足夠的力度予以實施,，進一步推進國企改革，推動建立強大的企業(yè)集團。推進技術創(chuàng)新，推動大型企業(yè)盡快建立技術開發(fā)中心，廣泛吸引人才，在重大技術創(chuàng)新項目中實行產學研結合，才能盡快縮小同發(fā)達國家的差距，才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地。本文將詳細介紹先進制造技術的含義、特點以及在我國的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢。  

1 先進制造技術的含義和特點  

1.1 含義  
先進制造技術（AMT）是以人為主體，以計算機技術為支柱，以提高綜合效益為目的，是傳統(tǒng)制造業(yè)不斷地吸收機械、信息、材料、能源、環(huán)保等高新技術及現代系統(tǒng)管理技術等方面最新的成果，并將其綜合應用于產品開發(fā)與設計、制造、檢測、管理及售后服務的制造全過程，實現優(yōu)質、高效、低耗、清潔、敏捷制造，并取得理想技術經濟效果的前沿制造技術的總稱。  

1.2 先進制造技術的特點
  1） 是面向工業(yè)應用的技術   
先進制造技術并不限于制造過程本身，它涉及到產品從市場調研、產品開發(fā)及工藝設計、生產準備、加工制造、售后服務等產品壽命周期的所有內容，并將它們結合成一個有機的整體。
2） 是駕馭生產過程的系統(tǒng)工程  
先進制造技術特別強調計算機技術、信息技術、傳感技術、自動化技術、新材料技術和現代系統(tǒng)管理技術在產品設計、制造和生產組織管理、銷售及售后服務等方面的應用。它要不斷吸收各種高新技術成果與傳統(tǒng)制造技術相結合，使制造技術成為能駕馭生產過程的物質流、能量流和信息流的系統(tǒng)工程。  
3）是面向全球競爭的技術  
隨著全球市場的形成，使得市場競爭變得越來越激烈，先進制造技術正是為適應這種激烈的市場競爭而出現的。因此，一個國家的先進制造技術，它的主體應該具有世界先進水平，應能支持該國制造業(yè)在全球市場的競爭力  

2 先進制造技術的組成  
先進制造技術是為了適應時代要求提高競爭能力，對制造技術不斷優(yōu)化和推陳出新而形
成的。它是一個相對的，動態(tài)的概念。在不同發(fā)展水平的國家和同一國家的不同發(fā)展階段，有不同的技術內涵和構成。從目前各國掌握的制造技術來看可分為四個領域的研究，它們橫跨多個學科，并組成了一個有機整體：  

2.1 現代設計技術  
1）計算機輔助設計技術  
包括：有限元法，優(yōu)化設計，計算機輔助設計技術，模糊智能CAD等。
2）性能優(yōu)良設計基礎技術
包括：
可靠性設計；
安全性設計；
動態(tài)分析與設計；
斷裂設計；
疲勞設計；
防腐蝕設計；
減小摩擦和耐磨損設計；
測試型設計；
人機工程設計等

3）競爭優(yōu)勢創(chuàng)建技術
包括：
快速響應設計；
智能設計；
仿真與虛擬設計；
工業(yè)設計；
價值工程設計；
模塊化設計。  

4）全壽命周期設計
  包括：
并行設計；
面向制造的設計；
全壽命周期設計。

5）可持續(xù)性發(fā)展產品設計  主要有綠色設計。

6）設計試驗技術  
包括：
產品可靠性試驗；
產品環(huán)保性能實驗與控制。  

2.2 先進制造工藝  
1） 精密潔凈鑄造成形工藝；     
2） 精確高效塑性成形工藝；
3） 優(yōu)質高效焊接及切割技術；  
4） 優(yōu)質低效潔凈熱處理技術；
5） 高效高精度機械加工工藝；  
6） 新型材料成形與加工工藝；
7） 現代特種加工工藝；         
8） 優(yōu)質清潔表面工程新技術；
9） 快速模具制造技術；         
10） 擬實制造成形加工技術。

2.3 自動化技術
1） 數控技術；                 
2） 工業(yè)機器人；  
3） 柔性制造系統(tǒng)（FMS）；      
4）計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）；
5） 傳感技術；                 
6） 自動檢測及信號識別技術；
7） 過程設備工況監(jiān)測與控制。

2.4 系統(tǒng)管理技術  
1） 先進制造生產模式；
2） 集成管理技術；
3） 生產組織方法。  

3先進制造技術的國內外現狀  
3.1國外先進制造技術現狀
在制造業(yè)自動化發(fā)展方面, 發(fā)達國家機械制造技術已經達到相當水平, 實現了機械制造系統(tǒng)自動化。產品設計普遍采用計算機輔助設計(CAD) 、計算機輔助產品工程(CAE) 和計算機仿真等手段, 企業(yè)管理采用了科學的規(guī)范化的管理方法和手段, 在加工技術方面也已實現了底層的自動化, 包括廣泛地采用加工中心(或數控技術)、自動引導小車(AGV) 等。在這個基礎上再提高制造系統(tǒng)的自動化水平, 對于改善企業(yè)的TQCS(T—盡量縮短產品的交貨時間或提早新產品上市時間、Q—提高產品質量、C—降低產品成本、S—提高服務水平) 已無明顯的作用。因此, 近10 余年來, 發(fā)達國家主要從具有全新制造理念的制造系統(tǒng)自動化方面尋找出路, 提出了一系列新的制造系統(tǒng)，如計算機集成制造系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)、敏捷制造、并行工程等。  

1) 計算機集成制造系統(tǒng)   
它是在自動化技術、信息技術和制造技術的基礎上，通過計算機及軟件，將制造廠全部生產活動有關的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來, 并適合于多品種、中小批量生產的總體高效率、高柔性的制造系統(tǒng)。計算機集成制造系統(tǒng)在概念上，主要強調兩點：首先在功能上，它包含了一個工廠的全部生產經營活動, 即從市場預測、產品設計、加工工藝、制造、管理至售后服務以及報廢處理的全部活動。因此它比傳統(tǒng)的工廠自動化的范圍要大得多，是一個復雜的大系統(tǒng)，是工廠自動化的發(fā)展方向。其次, 在集成上，它涉及的自動化不是工廠各個環(huán)節(jié)的自動化的簡單疊加，而是在計算機網絡和分布式數據庫支持下的有機集成。這種集成主要體現在以信息和功能為特征的技術集成，即信息集成和功能集成，以便縮短產品開發(fā)周期、提高質量、降低成本。  

2) 智能制造系統(tǒng)  
是指將專家系統(tǒng)、模糊推理、人工神經網絡等人工智能技術應用到制造系統(tǒng)中，以解決復雜的決策問題, 提高制造系統(tǒng)的水平和實用性。人工智能的作用是要代替熟練工人的技藝，學習工程技術人員的實踐經驗和知識，并用于解決生產中的實際問題，從而將工人、工程技術人員多年來積累起來的豐富而又寶貴的實踐經驗保存下來，在實際的生產中長期發(fā)揮作用。

3) 并行工程   
又稱同步工程或同期工程, 是針對傳統(tǒng)的產品串行開發(fā)“( 需求分析——概念設計——詳細設計——過程設計——加工制造——試驗檢測——設計修改”的流程，稱為產品從設計到制造的串行生產模式) 過程而提出的一個概念、一種哲理和方法。  

4) 敏捷制造  
又稱靈捷制造、迅速制造和靈活制造等，它是將柔性生產技術、熟練掌握生產技能和有知識的勞動力與促進企業(yè)內部和企業(yè)之間相互合作的靈活管理集成在一起, 通過所建立的共同基礎結構,對迅速改變或無法預見的消費者需求和市場時機作出快速響應。市場的快速響應是敏捷制造的核心。

3.2 國內先進制造技術現狀  

我國的裝備制造業(yè)經過數十年努力，已具有相當規(guī)模，積累了大量的技術和經驗。但是隨著經濟全球化的發(fā)展，由于我國的巨大市場和豐富的勞動力資源，國外技術、資金、產品大量涌入，企業(yè)面臨前所未有的國內外激烈的競爭局面。競爭要求企業(yè)產品更新換代快，產品質量高，價格低，交貨及時和服務好。近年來，我國的制造業(yè)不斷采用先進制造技術，但和工業(yè)發(fā)達國家相比，仍然存在一個階段性的整體上的差距。  

1）管理體制方面   
工業(yè)發(fā)達國家國有企業(yè)所占比重較小，絕大部分企業(yè)是規(guī)范的股份公司。我國國有企業(yè)所占比重較大，裝備制造業(yè)存在著帶根本性的問題，制造業(yè)的人均勞動生產率遠遠落后于發(fā)達國家，產業(yè)主體技術依靠國外，國有企業(yè)深化改革遠未到位，企業(yè)集中度低，大型骨干企業(yè)少，圍繞大型骨干企業(yè)的中小企業(yè)群體也未形成。

2）企業(yè)經營管理方面  
工業(yè)發(fā)達國家廣泛采用計算機管理，重視組織和管理體制、生產模式的更新發(fā)展，推出了準時生產（JIT）、靈敏制造（AM）、精益生產（LP）、并行工程（CE）等新的管理思想和技術。我國只有少數大型企業(yè)局部采用了計算機輔助管理，多數中小型企業(yè)仍處于經驗管理階段。  

3）產品開發(fā)設計方面   
工業(yè)發(fā)達國家不斷更新設計數據和準則，采用新的設計方法，廣泛采用計算機輔助設計技術（CAD/CAM），大型企業(yè)開始無圖紙的設計和生產。我國采用CAD/CAM 技術的比例較低。在應用技術及技術集成方面的能力還比較低，相關的技術規(guī)范和標準的研究制定相對滯后。

4）加工制造工藝方面   
工業(yè)發(fā)達國家較廣泛的采用高精密加工、精細加工、微細加工、微型機械和微米/ 納米技術、激光加工技術、電磁加工技術、超塑加工技術以及復合加工技術等新型加工方法。我國普及率不高，尚在開發(fā)、學習階段。例如：在高速超高速加工的各關鍵領域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面總體水平同國外尚有較大差距；在超精密加工的效率、精度可靠性，特別是規(guī)格（大尺寸）和技術配套方面與國外比，還有相當大的差距。  

5）加工機床和自動化技術方面   
工業(yè)發(fā)達國家普遍采用數控機床、加工中心及柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），實現了柔性自動化、知識智能化、集成化。我國尚處在單機自動化、剛性自動化階段，柔性制造單元和系統(tǒng)僅在少數企業(yè)使用。相比美國、德國和日本等機床發(fā)達國家，我國數控機床產品在設計水平、質量、精度、性能方面差距較大。從整體上來說，我國數控機床與國外先進相差5～10 年；在高精尖技術方面的差距則達到了10～15 年。在高級數控系統(tǒng)、高速精密主軸單元、高速滾動部件和數控動力刀架等核心零部件方面，我國仍無法國產化，主要依賴于進口。  

4先進制造技術的發(fā)展趨勢  
近年來,制造工程領域的新技術像雨后春筍般相繼誕生,如計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS),虛擬生產(VM),智能制造(IM),綠色制造(GM)等,這些新技術的產生的運用決定了先進制造業(yè)未來的發(fā)展方向�，F將先進制造技術的發(fā)展趨勢和特色闡述如下：  

4.1 “數”是發(fā)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(yè)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(yè)內傳遞，在多種數字化技術的支持下，企業(yè)對產品信息、工藝信息與資源信息進行分析、規(guī)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(yè)而言，在數字制造環(huán)境下，用戶借助網絡發(fā)布信息，各類企業(yè)通過網絡應用電子商務，實現優(yōu)勢互補，形成動態(tài)聯盟，迅速協(xié)同設計并制造出相應的產品。  

4.2 “精”是發(fā)展的關鍵  

“精”，是指加工精度及其發(fā)展。20 世紀初，超精密加工的誤差是10 μm，70～80 年代為0.01μm，現在僅為0.001 μm，即1 nm。從海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭，到阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)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(zhàn)。在現代精密機械中，對精度要求極高，如人造衛(wèi)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＜1 μm，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。  

4.3 “極”是發(fā)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�！拔�機電系統(tǒng)”就是其中之一。這是工業(yè)發(fā)達國家高度關注的一項前沿科技，亦即所謂微系統(tǒng)微制造�！拔�機電系統(tǒng)”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(tǒng)、蛋白質追蹤系統(tǒng)、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(wèi)星、“納米”衛(wèi)星（0.1 kg 以內）；微型機器人領域中，用于各種醫(yī)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�！拔�機電系統(tǒng)”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。  

4.4 “自”是發(fā)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�？梢哉f，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(yè)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(yè)革命，即電氣化進一步促進了自動化的發(fā)展。據統(tǒng)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(tǒng)、控制元件等等，都有著極大的發(fā)展。自動化已成為先進制造技術發(fā)展的前提條件。  4.5 “集”是發(fā)展的方法  “集”，就是集成化。目前，“集”主要指一下三方面：  
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(yè)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(yè)內部的集成和企業(yè)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。  

4.6 “網”是發(fā)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(fā)展的必由之路。制造業(yè)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(yè)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(tǒng)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(yè)務上�？茖W技術，特別是計算機技術、網絡技術的發(fā)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(yè)，在談判協(xié)商的基礎上，建立密切合作關系，形成動態(tài)的“虛擬企業(yè)“或動態(tài)的”“企業(yè)聯盟”。此時，各企業(yè)致力于自己的核心業(yè)務，實現優(yōu)勢互補，實現資源優(yōu)化動態(tài)組合與共享。  

4.7 “智”是發(fā)展的前景  
“智”，就是智能化。制造技術的智能化是制造技術發(fā)展的前景。近20 年來，制造系 統(tǒng)正在由原先的能量驅動型，轉變?yōu)樾畔Ⅱ寗有�，這就要求制造系統(tǒng)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(huán)境，因此智能制造越來越受到重視。  與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造系統(tǒng)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(fā)展的高技術含量和高技術水平的先進制造系統(tǒng)，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(tǒng)。其突出之處，是在制造諸環(huán)節(jié)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(huán)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(fā)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(yè)的主要生產模式之一，潛力極大，前景廣闊。  

4.8 “綠”是發(fā)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(fā)展與自然界和諧一致，制造技術也不例外。制造業(yè)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(huán)境保護與改善。不僅要保護與改善自然環(huán)境，還要保護與改善社會環(huán)境、生產環(huán)境以及生產者的身心健康。其實，保護與改善環(huán)境，也是保護與發(fā)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(huán)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(fā)展與采用一項新技術時，必須樹立科學的發(fā)展觀，使制造業(yè)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(fā)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(fā)、發(fā)展，要與此基礎相輔相成，最終服務于制造業(yè)的發(fā)展。值得注意的是，在科學技術高度發(fā)達與高速發(fā)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(yǎng)出合乎時代潮流與我國國情的制造業(yè)的科技人才與管理人才�？萍际顷P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(fā)展。  

4.9 “低碳”是發(fā)展的目標  
隨著經濟全球化深入發(fā)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(zhàn)，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(yè)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(fā)展道路，每年可為全球經濟產生25 000 億美元的收益，到2050 年，低碳技術市場至少會達到5 000 億美元。為此，一些發(fā)達國家大力推進向“低碳經濟”轉型的戰(zhàn)略行動，著力發(fā)展“低碳技術”，并對產業(yè)、能源、技術、貿易等政策進行重大調整，以搶占產業(yè)先機�！暗吞技夹g”包括在節(jié)能、煤的清潔高效利用、油氣資源和煤層氣的勘探開發(fā)、可再生能源及新能源、二氧化碳捕獲與埋存等領域開發(fā)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。  

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(fā)展過程，大家需要做的工作，是向其不斷接近，使其不斷完善。

編輯：南極熊
作者：佚名