浅谈先进制造技术的发展趋势和特色

李华楹

（岳阳职业技术学院，湖南 岳阳 414000）

20世纪上半叶，以机械技术和机电自动化技术为基础的制造业的生产空前发展。以大批量生产为主的机械制造业，成为制造活动的主体。20世纪中叶（1946年）电子计算机问世。在计算机诞生2年后，由于飞机制造（飞机蒙皮壁板、梁架）的需要，在美国发明了数字控制（NC）机床。不久计算机又开始用于辅助编制NC机床的加工程序，推出了自动编程工具APT语言（Automatically Programmed Tools），此后 CNC、DNC、FMC、FMS、CAX、MIS、MRP、MRPII、ERP、PDM、Web-M等数字化制造技术相继问世和应用。就目前世界的经济发展来看，以美国、日本、西欧为代表的工业化国家，在AMT上都有雄厚的实力。

先进制造技术是传统制造技术与微电子、计算机、自动控制等现代高新技术相交叉融和的结果，是一个集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、管理学等新成就于一身的新兴技术。现将先进制造技术的发展趋势和特色阐述如下：

1 “数”是发展的核心

“数”，是指制造领域的数字化。

其包括以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。对数字化制造设备而言，其控制参数均为数字化信号；对数字化制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式通过网络在企业内传递，在多种数字化技术的支持下，企业对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组和对市场的快速反应。对全球制造业而言，在数字制造环境下，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计并制造出相应的产品。

2 “精”是发展的关键

“精”，是指加工精度及其发展。

20世纪初，超精密加工的误差是10μm，70～80年代为0.01μm，现在仅为0.001μm，即1 nm。从海湾战争、科索沃战争，到阿富汗战争、伊拉克战争来看，武器的命中率越来越高，其实质就是武器越来越“精”，也可以说，关键就是打“精度”战。在现代精密机械中，对精度要求极高，如人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等，均达到纳米级；基因作机械其移动距离为纳米级，移动精度为0.1 nm；细微加工、纳米加工技术，可达纳米以下的要求，如果借助于扫描隧道显微镜与原子力显微镜的加工，则可达0.1 nm。至于微电子芯片的制造，有所谓的“三超”：

（1）超净。加工车间尘埃颗粒直径＜1μm，颗粒数少于0.1个 /inch3；

（2）超纯。芯片材料有害杂质，其含量要＜1/109；

（3）超精。加工精度达纳米级。

显然，没有先进制造技术，就没有先进电子技术装备；当然，没有先进电子技术与信息技术，也就没有先进制造装备。先进制造技术与先进信息技术是相互渗透，相互支持，紧密结合的。

3 “极”是发展的焦点

“极”，就是极端条件，是指生产特需产品的制造技术，必须达到“极”的要求。

例如，能在高温、高压、高湿、强冲击、强磁场、强腐蚀等条件下工作，或有高硬度、大弹性等特点，或极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的产品等，都属于特需产品。“微机电系统”就是其中之一。这是工业发达国家高度关注的一项前沿科技，亦即所谓微系统微制造。“微机电系统”用途十分广泛。在信息领域中，用于分子存储器、原子存储器、芯片加工设备等；生命领域中，用于克隆技术、基因操作系统、蛋白质追踪系统、小生理器官处理技术、分子组件装配技术等；军事武器中，用于精确制导技术、精确打击技术、微型惯性平台、微光学设备等；航空航天领域中，用于微型飞机、微型卫星、“纳米”卫星（0.1 kg以内）；微型机器人领域中，用于各种医疗手术、管道内操作、窃听与收集情报等；此外，还用于微型测试仪器微传感器、微显微镜、微温度计、微仪器等等。“微机电系统”可以完成特种动作与实现特种功能，乃至可以沟通微观世界与宏观世界，其深远意义难以估量。

4 “自”是发展的条件

“自”，就是自动化。其为减轻、强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段。

自动化总是伴随有关机械或工具来实现的。可以说，机械是一切技术的载体，也是自动化技术的载体。第一次工业革命，以机械化这种形式的自动化，来减轻、延伸或取代人的有关体力劳动；第二次工业革命，即电气化进一步促进了自动化的发展。据统计，从1870～1980年，加工过程的效率提高为20倍，即体力劳动得到了有效的解放，但管理效率只提高1.8至2.2倍，设计效率只提高1.2倍，这表明脑力劳动远没有得到有效的解放。信息化、计算机化与网络化，不但可以极大地解放人的身体，而且可以有效提高人的脑力劳动水平。今天的自动化的内涵与水平，已远非昔比，从控制理论、控制技术，到控制系统、控制元件等等，都有着极大的发展。自动化已成为先进制造技术发展的前提条件。

5 “集”是发展的方法

“集”，就是集成化。目前，“集”主要指：

（1）现代技术的集成。机电一体化是个典型，是高技术装备的基础。

（2）加工技术的集成。特种加工技术及其装备是个典型，如激光加工、高能束加工、电加工等等。

（3）企业的集成。即管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成，也包括企业内部的集成和企业外部的集成。

从长远看，还有一点很值得注意，即由生物技术与制造技术集结而成的“微制造的生物方法”，或所谓的“生物制造”。其依据是，生物是由内部生长而成“器件”，而非同一般制造技术那样，由外加作用以增减材料而成“器件”。这是一个崭新的充满活力的领域，作用难以估量。

6 “网”是发展的道路

“网”，就是网络化。制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路。

制造业在市场竞争中，面临多方的压力：采购成本不断提高，产品更新速度加快，市场需求不断变化，全球化所带来的冲击日益加强等等。企业要避免这一系列问题，就必须在生产组织上实行某种深刻的变革，抛弃传统的“小而全”与“大而全”的“夕阳技术”，把力量集中在自己最有竞争力的核心业务上。科学技术，特别是计算机技术、网络技术的发展，使这种变革的需要成为可能。制造技术的网络化，会导致一种新的制造模式，即虚拟制造组织，这是由地理上异地分布的、组织上平等独立的多个企业，在谈判协商的基础上，建立密切合作关系，形成动态的“虚拟企业“或动态的”“企业联盟”。此时，各企业致力于自己的核心业务，实现优势互补，实现资源优化动态组合与共享。

7 “智”是发展的前景

“智”，就是智能化。制造技术的智能化是制造技术发展的前景。

近20年来，制造系统正在由原先的能量驱动型，转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出某种智能，以便应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，因此智能制造越来越受到重视。

与传统的制造相比，智能制造系统具有以下特点：

（1）人机一体化；

（2）自律能力强；

（3）自组织与超柔性；

（4）学习能力与自我维护能力；

（5）在未来，具有更高级的类人思维的能力。

可以说，智能制造作为一种模式，是集自动化、集成化和智能化于一身，并具有不断向纵深发展的高技术含量和高技术水平的先进制造系统，也是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。其突出之处，是在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。尽管智能化制造道路还很漫长，但是必将成为未来制造业的主要生产模式之一，潜力极大，前景广阔。

8 “绿”是发展的必然

“绿”，就是“绿色”制造。人类必须从各方面促使自身的发展与自然界和谐一致，制造技术也不例外。

制造业的产品从构思开始，到设计、制造、销售、使用与维修，直到回收、再制造等各阶段，都必须充分顾及环境保护与改善。不仅要保护与改善自然环境，还要保护与改善社会环境、生产环境以及生产者的身心健康。其实，保护与改善环境，也是保护与发展生产力。在此前提下，制造出价廉、物美、供货期短、售后服务好的产品。作为“绿色”制造，产品必须力求同用户的工作、生活环境相适应，给人以高尚的精神享受，体现物质文明与精神文明的高度交融。因此，发展与采用一项新技术时，必须树立科学的发展观，使制造业不断迈向“绿色”制造。

上面所讲的“数、精、极、自、集、网、智、绿”这 8个方面，彼此渗透，相互依赖，相互促进，形成一个整体。同时，8个方面一定要扎根在“机械”和“制造”这个基础上，也就是说，要研究与发展“机械”本身与“制造”本身的理论与机理。8个方面的技术，要以此理论与机理为基础来研究、开发、发展，要与此基础相辅相成，最终服务于制造业的发展。值得注意的是，在科学技术高度发达与高速发展的今天，“先进制造技术”如同一切先进技术一样，是不可能不“以人为本”的，不能见“物”不见“人”，见“技术”不见“文化”、不见“精神”。离开人，离开人的精神，先进技术就失去了“灵魂”，甚至造祸于民。进一步而言，要“以人为本”，就必须“教育先导”，就必须通过各种形式的教育，培养出合乎时代潮流与我国国情的制造业的科技人才与管理人才。科技是关键，人才是根本，教育是基础。要从根本、从长远、从全面着想，不断推动我国先进制造技术的发展。

9 “低碳”是发展的目标

随着经济全球化深入发展，降低能耗和减排温室气体，成为国际社会面临的严峻挑战，以低能耗、低污染为基础的“低碳经济”成为国际热点，成为继工业革命、信息革命之后又一波可能对全球经济产生重大影响的新趋势。据预测，走“低碳经济”的发展道路，每年可为全球经济产生25000亿美元的收益，到2050年，低碳技术市场至少会达到5000亿美元。为此，一些发达国家大力推进向“低碳经济”转型的战略行动，着力发展“低碳技术”，并对产业、能源、技术、贸易等政策进行重大调整，以抢占产业先机。

“低碳技术”包括在节能、煤的清洁高效利用、油气资源和煤层气的勘探开发、可再生能源及新能源、二氧化碳捕获与埋存等领域开发的有效控制温室气体排放的新技术，涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化、汽车制造、机械制造等部门。

10 结束语

先进制造技术不是一门具体的、单一的科学技术，它是一个集成的、多学科的、综合的一门学科，并且它有一个相当长的发展过程，大家需要做的工作，是向其不断接近，使其不断完善。

[1]王隆太，等.先进制造技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]张平亮，等.先进制造技术[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]冯宪章.先进制造技术基础[M].北京：北京理工大学出版社，2009.