2020年先进制造技术的状态和发展方向

1、nrxx 折 XXON快置矗蝮套赛)曜根ffito精w-密噌】浅谈先进制造技术现状和发展趋势xxxxxxxxxxxxxxxx先进制造技术不仅是衡量壹个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重 点。我国正处于工业化经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先 进制造技术的世界潮流，将其放于战略优先地位，且以足够的力度予以实施，进壹步推进国 企改革，推动建立强大的企业集团。推进技术创新，推动大型企业尽快建立技术开发中心， 广泛吸引人才，于重大技术创新项目中实行产学研结合，才能尽快缩小同发达国家的差距， 才能于激烈的市场竞争中立于不败之地。本文将详细介绍先进制造技术的含义、

2、特点以及于 我国的发展情况和发展趋势。1先进制造技术的含义和特点1.1含义先进制造技术（AMT）是以人为主体，以计算机技术为支柱，以提高综合效益为目的， 是传统制造业不断地吸收机械、信息、材料、能源、环保等高新技术及现代系统管理技术等 方面最新的成果，且将其综合应用于产品开发和设计、制造、检测、管理及售后服务的制造 全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，且取得理想技术经济效果的前沿制造技 术的总称。1.2先进制造技术的特点1）是面向工业应用的技术先进制造技术且不限于制造过程本身，它涉及到产品从市场 调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容， 且将它

3、们结合成壹个有机的整体。2）是驾驭生产过程的系统工程先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术、传感技 术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术于产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。它要不断吸收各种高新技术成果和传统制造技术相结合，使制造 技术成为能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。3）是面向全球竞争的技术随着全球市场的形成，使得市场竞争变得越来越激烈，先进制造技术正是为适应这种激烈的市场竞争而出现的。因此，壹个国家的先进制造技术，它的 主体应该具有世界先进水平，应能支持该国制造业于全球市场的竞争力2先进制造技术的组成先进制造技术是为了适应时代要求提高竞争

4、能力，对制造技术不断优化和推陈出新而形 成的。它是壹个相对的，动态的概念。于不同发展水平的国家和同壹国家的不同发展阶段， 有不同的技术内涵和构成。从目前各国掌握的制造技术来见可分为四个领域的研究，它们横 跨多个学科，且组成了壹个有机整体：2.1现代设计技术1 ）计算机辅助设计技术包括：有限元法，优化设计，计算机辅助设计技术，模糊智能 CAD 等。2）性能优良设计基础技术包括：可靠性设计；安全性设计；动态分析和设计；断裂设 计；疲劳设计；防腐蚀设计；减小摩擦和耐磨损设计；测试型设计；人机工程设计等3）竞争优势创建技术包括：快速响应设计；智能设计；仿真和虚拟设计；工业设计； 价值工程设计；模块化设

5、计。4）全寿命周期设计包括：且行设计；面向制造的设计；全寿命周期设计。5）可持续性发展产品设计主要有绿色设计。6）设计试验技术包括：产品可靠性试验；产品环保性能实验和控制。2.2先进制造工艺1）精密洁净铸造成形工艺；2）精确高效塑性成形工艺;3 ）优质高效焊接及切割技术；4 ）优质低效洁净热处理技术;5）高效高精度机械加工工艺；6 ）新型材料成形和加工工艺;7）现代特种加工工艺；8）优质清洁表面工程新技术；9）快速模具制造技术；10）拟实制造成形加工技术。2.3自动化技术1）数控技术；2）工业机器人；3）柔性制造系统（FMS）；4）计算机集成制造系统（CIMS）；5）传感技术；6）自动检测及信

6、号识别技术；7）过程设备工况监测和控制。2.4系统管理技术1）先进制造生产模式；2）集成管理技术；3）生产组织方法。3先进制造技术的国内外现状3.1 国外先进制造技术现状于制造业自动化发展方面，发达国家机械制造技术已经达到相当水平，实现了机械制造系 统自动化。产品设计普遍采用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助产品工程（CAE）和计算机仿 真等手段，企业管理采用了科学的规范化的管理方法和手段，于加工技术方面也已实现了底层 的自动化，包括广泛地采用加工中心（或数控技术）、自动引导小车（AGV）等。于这个基础上再 提高制造系统的自动化水平，对于改善企业的TQCS（T尽量缩短产品的交货时间或提早新产

7、 品上市时间、Q一提高产品质量、C一降低产品成本、S一提高服务水平）已无明显的作用。 因此，近10余年来，发达国家主要从具有全新制造理念的制造系统自动化方面寻找出路提出 了壹系列新的制造系统，如计算机集成制造系统、智能制造系统、敏捷制造、且行工程等。1）计算机集成制造系统它是于自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机及软件，将制造厂全部生产活动有关的各种分散的自动化系统有机地集成起来且适合于多品 种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的制造系统。计算机集成制造系统于概念上，主要 强调俩点：首先于功能上，它包含了壹个工厂的全部生产运营活动,即从市场预测、产品设计、 加工工艺、制造、管理至

8、售后服务以及报废处理的全部活动。因此它比传统的工厂自动化的 范围要大得多，是壹个复杂的大系统，是工厂自动化的发展方向。其次于集成上，它涉及的 自动化不是工厂各个环节的自动化的简单叠加，而是于计算机网络和分布式数据库支持下的 有机集成。这种集成主要体当下以信息和功能为特征的技术集成，即信息集成和功能集成， 以便缩短产品开发周期、提高质量、降低成本。2）智能制造系统是指将专家系统、模糊推理、人工神经网络等人工智能技术应用到制造 系统中，以解决复杂的决策问题，提高制造系统的水平和实用性。人工智能的作用是要代替熟 练工人的技艺，学习工程技术人员的实践经验和知识，且用于解决生产中的实际问题，从而 将工人

9、、工程技术人员多年来积累起来的丰富而又宝贵的实践经验保存下来，于实际的生产 中长期发挥作用。3）且行工程又称同步工程或同期工程,是针对传统的产品串行开发（需求分析一一概念 设计详细设计过程设计一一加工制造试验检测一一设计修改的流程，称为 产品从设计到制造的串行生产模或过程而提出的壹个概念、壹种哲理和方法。4）敏捷制造又称灵捷制造、迅速制造和灵活制造等，它是将柔性生产技术、熟练掌握生 产技能和有知识的劳动力和促进企业内部和企业之间相互合作的灵活管理集成于壹起，通过 所建立的共同基础结构，对迅速改变或无法预见的消费者需求和市场时机作出快速响应。市场 的快速响应是敏捷制造的核心。3.2国内先进制造技

10、术现状我国的装备制造业经过数十年努力，已具有相当规模，积累了大量的技术和经验。可是随着经济全球化的发展，由于我国的巨大市场和丰富的劳动力资源，国外技术、资金、产品 大量涌入，企业面临前所未有的国内外激烈的竞争局面。竞争要求企业产品更新换代快，产 品质量高，价格低，交货及时和服务好。近年来，我国的制造业不断采用先进制造技术，但 和工业发达国家相比，仍然存于壹个阶段性的整体上的差距。1）管理体制方面工业发达国家国有企业所占比重较小，绝大部分企业是规范的股份XX 公司。我国国有企业所占比重较大，装备制造业存于着带根本性的问题，制造业的人均劳动 生产率远远落后于发达国家，产业主体技术依靠国外，国有企业

11、深化改革远未到位，企业集 中度低，大型骨干企业少，围绕大型骨干企业的中小企业群体也未形成。2）企业运营管理方面工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产 模式的更新发展，推出了准时生产（JIT X灵敏制造（AMX精益生产（LP X且行工程（CE） 等新的管理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数中小型企 业仍处于经验管理阶段。3）产品开发设计方面工业发达国家不断更新设计数据和准则，采用新的设计方法，广 泛采用计算机辅助设计技术（CAD/CAM），大型企业开始无图纸的设计和生产。我国采用 CAD/CAM技术的比例较低。于应用技术及技术集成方面的能力仍比较低，

12、关联的技术规范 和标准的研究制定相对滞后。4）加工制造工艺方面工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术 等新型加工方法。我国普及率不高，尚于开发、学习阶段。例如：于高速超高速加工的各关 键领域如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面总体水平同国 外尚有较大差距；于超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套方 面和国外比，仍有相当大的差距。5)加工机床和自动化技术方面工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元(FMC 柔性制造系统(FMS X计算机集

13、成制造系统(CIMS)，实现了柔性自动化、 知识智能化、集成化。我国尚处于单机自动化、冈帷自动化阶段，柔性制造单元和系统仅于 少数企业使用。相比美国、德国和日本等机床发达国家，我国数控机床产品于设计水平、质 量、精度、性能方面差距较大。从整体上来说，我国数控机床和国外先进相塞10年；于 高精尖技术方面的差距则达到了1015年。于高级数控系统、高速精密主轴单元、高速滚 动部件和数控动力刀架等核心零部件方面，我国仍无法国产化，主要依赖于进口。4先进制造技术的发展趋势近年来，制造工程领域的新技术像雨后春笋般相继诞生如计算机集成制造系统(CIMS),虚 拟生产(VM)，智能制造(IM)，绿色制造(GM

14、)等,这些新技术的产生的运用决定了先进制造业未来的发展方向。现将先进制造技术的发展趋势和特色阐述如下:4.1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 络于企业内传递，于多种数字化技术的支持下，企业对产品信息、工艺信息和资源信息进行 分析、规划和重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程和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

15、， 于数字制造环境下，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，迅速协同设计且制造出相应的产品。4.2“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10pm ,7080年代为0.01pm，当下仅为0.001pm，即1nm。从海湾战争、科索沃战争，到阿富汗战争、 伊拉克战争来见，武器的命中率越来越高，其实质就是武器越来越精，也能够说，关键 就是打精度战。于现代精密机械中，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0.1nm ; 细微加工、纳米加工技术，可

16、达纳米以下的要求，如果借助于扫描隧道显微镜和原子力显微 镜的加工，则可达0.1nm。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 1pm，颗粒数少于0.1 个/inch3；）超纯芯片材料有害杂质，其含量要 1/109 ；）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，没有先进电子技术和信息 技术，也就没有先进制造装备。先进制造技术和先进信息技术是相互渗透，相互支持，紧密 结合的。4.3“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， 能于高温、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

17、弹性等特 点，或极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的产品等，均属于特需产品。微机电系统就 是其中之壹。这是工业发达国家高度关注的壹项前沿科技，亦即所谓微系统微制造。微机 电系统用途十分广泛。于信息领域中，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（0.1kg以内）；微型 机器人领域中，用于各种医疗手术、管道内操作、窃听和收集情报等；此外，仍用于微型测试仪器微传感器、微显微镜、

18、微温度计、微仪器等等。微机电系统能够完成特种动作和实现特种功能，乃至能够沟通微观世界和宏观世界，其深远意义难以估量。4.4“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。能够说，机械是壹切技术的载体，也是自动化技术的 载体。第壹次工业革命，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，即电气化进壹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

19、有得到有效的解放。信息化、计算机化和 网络化，不但能够极大地解放人的身体，而且能够有效提高人的脑力劳动水平。今天的自动 化的内涵和水平，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，均有 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。4.5 “集”是发展的方法集，就是集成化。目前，集主要指壹下三方面:1）现代技术的集成机电壹体化是个典型，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。从长远见，仍有壹点很值得注意，即由生物技术

20、和制造技术集结而 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，而非同壹般制造技术那样，由外加作用以增减材料而成器件”。这是壹个崭新的充 满活力的领域，作用难以估量。4.6 “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。制造业于市 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。企业要避免这壹系列问题，就必须于生产组织上实行某 种深刻的变革，抛弃传统的小而全和大而全的夕阳技术，把力量集中于自己最 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

21、这种变革的需 要成为可能。制造技术的网络化，会导致壹种新的制造模式，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，于谈判协商的基础上，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和共享。4.7“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 统正于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 仍要表现出某种智能，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。和传统的制造

22、相比，智能制造系统具有以下特点：1）人机壹体化；2）自律能力强；3）自组织和超柔性；4）学习能力和自我维护能力；5）于未来，具有更高级的类人思维的能力。能够说，智能制造作为壹种模式，是集自动化、集成化和智能化于壹身，且具有不断向 纵深发展的高技术含量和高技术水平的先进制造系统，也是壹种由智能机器和人类专家共同 组成的人机壹体化系统。其突出之处，是于制造诸环节中，以壹种高度柔性和集成的方式， 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仍很漫长，可

23、是必将成为未来制造业的主要生产模式之壹， 潜力极大，前景广阔。4.8 “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和自然界和谐壹致，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、使用和维修，直到回收、 再制造等各阶段，均必须充分顾及环境保护和改善。不仅要保护和改善自然环境，仍要保护 和改善社会环境、生产环境以及生产者的身心健康。其实，保护和改善环境，也是保护和发 展生产力。于此前提下，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 明和精神文明的高度交融。因此，发展和采用壹项新技术时，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，形成壹个整体