中國先進(jìn)制造業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展

1、我國先進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向作者 任川 2010-5-22摘 要】 機(jī)械制造技術(shù)不僅是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，也是國際間科 技競爭的重點。 本文對我國機(jī)械制造技術(shù)的現(xiàn)狀及技術(shù)特點進(jìn)行分析， 論述了先進(jìn)制造 的前沿 科學(xué)，并簡述了 21 世紀(jì)機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展方向關(guān)鍵詞】 先進(jìn)制造技術(shù) 前沿科學(xué) 技術(shù)特點 發(fā)展方向制造業(yè)是 現(xiàn)代 國民 經(jīng)濟(jì) 和綜合國力的重要支柱，其生產(chǎn)總值一般占 一個國家國內(nèi)生產(chǎn)總值的 20%55%。在一個國家的 企業(yè) 生產(chǎn)力構(gòu)成中，制 造技術(shù)的作用一般占 60%左右。專家認(rèn)為，世界上各個國家經(jīng)濟(jì)的競爭，主要是制造技術(shù)的競爭。其競爭能力最終體現(xiàn)在所生產(chǎn)的產(chǎn)品

2、的市場占有率 上。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的高速發(fā)展以及顧客需求和市場環(huán)境的不斷變化，這種競 爭日趨激烈，因而各國政府都非常重視對先進(jìn)制造技術(shù)的 研究 。我國正處 于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵時期，制造技術(shù)是我們的薄弱環(huán)節(jié)。只有跟上先進(jìn)制造技 術(shù)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，才能盡快縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地一、我國機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀分析機(jī)械制造技術(shù)是研究產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、加工制造、銷售使用、維修服務(wù)乃 至回收再生的整個過程的工程學(xué)科，是以提高質(zhì)量、效益、競爭力為目標(biāo)， 包含物質(zhì)流、信息流和能量流的完整的系統(tǒng)工程。20 世紀(jì) 70 年代以前，產(chǎn)品的技術(shù)相對比

3、較簡單，一個新產(chǎn)品上市，很快就會有相同功能的產(chǎn)品跟著上市。 20世紀(jì) 80年代以后，隨著市場全球化 的進(jìn)一步發(fā)展，市場競爭變得越來越激烈。20世紀(jì)90年代初，隨著CIMS技術(shù)的大力推廣應(yīng)用，包括有 CIMS實驗工程中心和 7個開放實驗室的研究環(huán)境已建成。 在全國范圍內(nèi)， 部署了 CIMS的若干研究項目，諸如 CIMS軟件工程與標(biāo)準(zhǔn)化、開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與發(fā)展戰(zhàn)略，CIMS總體與集成技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計自動化、工藝設(shè)計自動化、柔性制造技術(shù)、管理與決策信息系統(tǒng)、質(zhì)量保證技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò) 與數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及系統(tǒng)理論 和方法等均取得了豐碩成果，獲得不同程度的進(jìn)展。但因大部分大型機(jī)械制 造企業(yè)和絕大部分中小型機(jī)械制造企

4、業(yè)主要限于 CAD和管理信息系統(tǒng)，底層基礎(chǔ)自動化還十分薄弱，數(shù)控機(jī)床由于編程復(fù)雜，還沒有真正發(fā)揮作用。因此，與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國的制造業(yè)仍然存在一個階段性的整體上的差 距。目前，我國已加入 WTO機(jī)械制造業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)與新的機(jī)遇。因此，我國機(jī)械制造業(yè)不能單純的沿著 20 世紀(jì)凸輪及其機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)采用專用 機(jī)床、專用夾具、專用刀具組成的流水式生產(chǎn)線剛性自動化發(fā)展。而是 要全面拓展，面向五化發(fā)展，即全球化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、自動化、綠色化。當(dāng)前制造科學(xué)要解決的問題主要集中在以下幾方面：1）制造系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，為滿足制造系統(tǒng)敏捷性、快速響應(yīng)和快速重組的能力，必須借鑒信息科學(xué)、生命科學(xué)和

5、社會 科學(xué)等多學(xué)科的 研究成果，探索制造系統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)、制造模式和制造系統(tǒng)有效的運行機(jī) 制。制造系統(tǒng)優(yōu)化的組織結(jié)構(gòu)和良好的運行狀況是制造系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu) 化的主要目標(biāo)。 制造系統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)不僅對制造企業(yè)的敏捷性和對需求的 響應(yīng)能力及可重組能力有重要意義， 而且對制造企業(yè)底層生產(chǎn)設(shè)備的柔性和可動態(tài)重組能力提出了更高的要求。生物制造觀越來越多地被引入制造系 統(tǒng)，以滿足制造系統(tǒng)新的要求。（2）為支持快速敏捷制造，幾何知識的共享已成為制約現(xiàn)代制造技術(shù)中產(chǎn)品開發(fā)和制造的關(guān)鍵問題。例如在計算機(jī)輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM集 成、坐標(biāo)測量（CMM和機(jī)器人學(xué)等方面，在三維現(xiàn)實空間（3-Real Spa

6、ce）中,都存在大量的幾何算法設(shè)計和 分析 等問題，特別是其中的幾何表示、幾何 計算和幾何推理問題；在測量和機(jī)器人路徑規(guī)劃及零件的尋位（如Localization） 等方面，存在C-空間（配置空間Con figuration Sp ace）的幾何計算和幾何推理問題； 在物體操作（夾持、抓取和裝配等 ）描述和機(jī)器人多指抓取規(guī)劃、裝配運動規(guī)劃和操作規(guī)劃方面則需要在旋量空間 （Screw Space） 進(jìn)行幾何推理。制造過程中物理 和力學(xué)現(xiàn)象的幾何化研究形成了制造科學(xué)中幾何計算和幾何推理等多方面 的研究課題，其 理論 有待進(jìn)一步突破，當(dāng)前一門新學(xué)科 - 計算機(jī)幾何正在 受到日益廣泛和深入的研究。3）

7、在現(xiàn)代制造過程中，信息不僅已成為主宰制造產(chǎn)業(yè)的決定性因素，而且還是最活躍的驅(qū)動因素。 提高制造系統(tǒng)的信息處理能力已成為現(xiàn)代制造 科學(xué)發(fā)展的一個重點。由于制造系統(tǒng)信息組織和結(jié)構(gòu)的多層次性，制造信息 的獲取、集成與融合呈現(xiàn)出立體性、信息度量的多維性、以及信息組織的多 層次性。在制造信息的結(jié)構(gòu)模型、制造信息的一致性約束、傳播處理和海量 數(shù)據(jù)的制造知識庫管理等方面，都還有待進(jìn)一步突破。4）各種人工智能工具和計算智能 方法 在制造中的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了制 造智能的發(fā)展。一類基于生物進(jìn)化算法的計算智能工具，在包括調(diào)度問題在 內(nèi)的組合優(yōu)化求解技術(shù)領(lǐng)域中，受到越來越普遍的關(guān)注，有望在制造中完成 組合優(yōu)化問題時的求

8、解速度和求解精度方面雙雙突破問題規(guī)模的制約。 制造 智能還表現(xiàn)在：智能調(diào)度、智能設(shè)計、智能加工、機(jī)器人學(xué)、智能控制、智 能工藝規(guī)劃、智能診斷等多方面。這些問題是當(dāng)前產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵理論問題，也是制造由一門技藝上升為 一門科學(xué)的重要基礎(chǔ)性問題。這些問題的重點突破，可以形成產(chǎn)品創(chuàng)新的基 礎(chǔ)研究體系二、機(jī)械制造技術(shù)的特點做好基礎(chǔ)自動化的工作仍是我國制造企業(yè)一項十分緊迫而艱巨的任務(wù)。 但 加工中心無論是數(shù)量還是利用率都很低?？删幊炭刂破鞯氖褂貌⒉黄占?，工 業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用還很有限。因此，我們要立足于我國的實際情況，在看到國 際上制造業(yè)發(fā)展趨勢的同時扎扎實實地做好基礎(chǔ)工作。1. 機(jī)械制造技術(shù)是一個系統(tǒng)工程先

9、進(jìn)制造技術(shù)特別強(qiáng)調(diào) 計算 機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、自動化技術(shù)、 新材料技術(shù)和 現(xiàn)代 系統(tǒng)管理技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、制造和生產(chǎn)組織管理、銷售及 售后服務(wù)等方面的應(yīng)用。 它要不斷吸收各種高新技術(shù)成果與傳統(tǒng)制造技術(shù)相 結(jié)合，使制造技術(shù)成為能駕馭生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)工 程。2. 機(jī)械制造技術(shù)是一個綜合性技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用的目標(biāo)是為了提高企業(yè)競爭和促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)和綜合 實力的增長。因此，它并不限于制造過程本身，它涉及產(chǎn)品從市場調(diào)研、產(chǎn) 品開發(fā)及工藝設(shè)計、生產(chǎn)準(zhǔn)備、加工制造、售后服務(wù)等產(chǎn)品壽命周期的所有 內(nèi)容，并將它們結(jié)合成一個有機(jī)的整體。以便提高制造業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益和 社會效益。3. 機(jī)

10、械制造技術(shù)是市場競爭要素的統(tǒng)一體市場競爭的核心是如何提高生產(chǎn)率。隨著市場全球化的進(jìn)一步發(fā)展， 20世紀(jì) 80 年代以后，制造業(yè)要贏得市場競爭的主要矛盾已經(jīng)從提高勞動生產(chǎn) 率轉(zhuǎn)變?yōu)橐詴r間為核心的時間、成本和質(zhì)量的三要素的矛盾。先進(jìn)制造技術(shù) 把這三個矛盾有機(jī)結(jié)合起來，使三者達(dá)到了統(tǒng)一。4. 機(jī)械制造技術(shù)是一個世界性技術(shù)20世紀(jì)80年代以來，隨著全球市場的形成， 發(fā)達(dá)國家通過 金融、經(jīng)濟(jì)、 科技手段爭奪市場，傾銷產(chǎn)品，輸出資本，使得市場競爭變得越來越激烈， 為適應(yīng)這種激烈的市場競爭，一個國家的先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)具有世界先進(jìn)水 平，應(yīng)能支持該國制造業(yè)在全球市場的競爭力。同時，機(jī)械制造技術(shù)是面向21 世紀(jì)的

11、技術(shù)，應(yīng)與現(xiàn)代高新技術(shù)相結(jié)合， 應(yīng)是有明確范疇的新的技術(shù)領(lǐng)域。5現(xiàn)代機(jī)械工程的前沿科學(xué)不同科學(xué)之間的交叉融合將產(chǎn)生新的科學(xué)聚集，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn) 步對科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了新的要求和期望，從而形成前沿科學(xué)。前沿科學(xué)也就是 已解決的和未解決的科學(xué)問題之間的界域。前沿科學(xué)具有明顯的時域、領(lǐng)域 和動態(tài)特性。 工程前沿科學(xué)區(qū)別于一般基礎(chǔ)科學(xué)的重要特征是它涵蓋了工程 實際中出現(xiàn)的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。超聲電機(jī)、超高速切削、綠色設(shè)計與制造等領(lǐng)域，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量 的研究工作，但創(chuàng)新的關(guān)鍵是機(jī)械科學(xué)問題還不明朗。大型復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的 性能優(yōu)化設(shè)計和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、智能結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)、智能機(jī)器人及其動力學(xué)、 納米摩擦學(xué)、制

12、造過程的三維數(shù)值模擬和物理模擬、超精度和微細(xì)加工關(guān)鍵 工藝基礎(chǔ)、大型和超大型精密儀器裝備的設(shè)計和制造基礎(chǔ)、虛擬制造和虛擬儀器、納米測量及儀器、并聯(lián)軸機(jī)床、微型機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域國內(nèi)外雖然已做 了不少研究，但仍有許多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題有待解決。信息科學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、管理科學(xué)和制造科學(xué)將是 改變 21 世紀(jì)的主流科學(xué)， 由此產(chǎn)生的高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將改變世界的面貌。 因此，與以上領(lǐng)域相交叉發(fā)展的制造系統(tǒng)和制造信息學(xué)、納米機(jī)械和納米制 造科學(xué)、仿生機(jī)械和仿生制造學(xué)、 制造管理科學(xué)和可重構(gòu)制造系統(tǒng)等會是 21世紀(jì)機(jī)械工程科學(xué)的重要前沿科學(xué)。三、我國機(jī)械制造技術(shù)的 發(fā)展 方向改革開放以來， 通

13、過技術(shù)改造和引進(jìn)國外先進(jìn)制造技術(shù)， 使我國的制造工業(yè)有了長足的進(jìn)步，但和先進(jìn)國家相比還存在很大差距，表現(xiàn)在：技改投入 相對不足，原有技術(shù)基礎(chǔ)和研究開發(fā)能力薄弱，制造業(yè)產(chǎn)品落后，技術(shù)水平低，信息含量少，更新?lián)Q代慢，以及市場營銷、經(jīng)營管理、人才素質(zhì)相對落 后，缺乏國際競爭能力。面對這樣形勢，發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)、實施先進(jìn)的制 造模式已經(jīng)到了刻不容緩的地步。先進(jìn)制造技術(shù)是制造技術(shù)的最新發(fā)展階段， 是由傳統(tǒng)的制造技術(shù)發(fā)展起 來的，既保持了過去制造技術(shù)中的有效要素，又要不斷吸收各種高新技術(shù)成 果，并滲透到產(chǎn)品生產(chǎn)的所有領(lǐng)域及其全部過程。20世紀(jì) 80年代，隨著掃描顯微鏡的發(fā)明和使用，人類認(rèn)識世界和改造世界的

14、能力進(jìn)入納米尺度，納米技術(shù)是指實現(xiàn)納米級精度，是一種在納米尺 度上研究原子和分子結(jié)構(gòu)，物質(zhì)特性及相互作用與運動，并運用這種技術(shù)為人類服務(wù)的高新技術(shù)，納米技術(shù)對制造業(yè)產(chǎn)生了很大的影響，其應(yīng)用范圍將 非常廣泛，包括納米材料技術(shù)、納米加工技術(shù)、納米裝配技術(shù)和納米測量技 術(shù)等。超精密加工的加工精度在 2000年已達(dá)到納米級， 在 21世紀(jì)初開發(fā)的分子束生長技術(shù)、離子注入技術(shù)和材料合成、掃描隧道工程（STE可使加工精度達(dá)到0.00030.0001卩m現(xiàn)在精密工程正向其終極目標(biāo)一一原子級精 度的加工逼近，也就是說，可以做到移動原子級別的加工?，F(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在兩個方向上：一是精密工程技術(shù)，以

15、超精密加工的前沿部分、微細(xì)加工、納米技術(shù)為代表，將進(jìn)入微型機(jī)械 電子技術(shù)和微型機(jī)器人的時代；二是機(jī)械制造的高度自動化，以CIMS和敏捷制造等的進(jìn)一步發(fā)展為代表。1. 精密成形技術(shù)成形制造技術(shù)包括鑄造、焊接、塑性加工等。精密成形 技術(shù)包括：精密鑄造（濕膜精密成形鑄造、 剛型精密成形鑄造、 高精度造芯）、 精密鍛壓（冷濕精密成形、精密沖裁， 、精密熱塑性成形、精密焊接與切割 等。2. 無切削液加工無切削液加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域是機(jī)械加工行業(yè)， 無切削 液加工簡化了工藝、減少了成本并消除了冷卻液帶來的一系列問題，如廢液 排放和回收等等。3.快速成形技術(shù)快速原型零件制造技術(shù)（RPM,其設(shè)計突破了傳統(tǒng)加工技

16、術(shù)所采用的材料去除的原則，而采用添加、累積的原理。其代表性技術(shù)有 分層實體制造（LOM，熔化沉積制造（FDM等等。4. 建立與發(fā)展我國自主的 NC、MC、CAD、CAM、FMS、CAT、CIM、IMS 等 制造自動化單元技術(shù),結(jié)合實際情況實現(xiàn)與現(xiàn)有成熟技術(shù)的有效結(jié)合。同時 要有組織有計劃的引進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)行消化和吸收。 對于引進(jìn)的并行工程（CE）、敏捷制造（AM）、精良生產(chǎn)（LP）、智能制造（IM）等先進(jìn)制造模式要根（ 如獨立制據(jù)它們的技術(shù)構(gòu)思和特征開發(fā)創(chuàng)新成適合我國國情的生產(chǎn)模式, 造島）以使企業(yè)適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的需要。5. 提高制造業(yè)現(xiàn)代化管理水平?，F(xiàn)代管理核心是信息管理、物質(zhì)管理、 質(zhì)量管

17、理、生產(chǎn)過程管理和市場信息管理、加強(qiáng)企業(yè)人才的培養(yǎng)同時與國際 接軌，開展IS09000系列管理體系認(rèn)證，加快現(xiàn)代企業(yè)制度改革，為先進(jìn)制 造技術(shù)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。由于以上工藝和技術(shù)不僅減少了原材料和能源的耗用量或縮短了開發(fā) 周期、減少了成本，而且有些工藝的改進(jìn)對環(huán)境起到保護(hù)作用，因此被稱為 綠色制造工藝。綠色制造是人類社會可持續(xù)發(fā)展在制造業(yè)中的體現(xiàn)。這一切 除了工藝革新外，還必須依靠信息技術(shù)，通過 計算機(jī)的模擬、仿真，才能實 現(xiàn)。四、結(jié)論現(xiàn)代制造技術(shù)是現(xiàn)代技術(shù)和 工業(yè)創(chuàng)新的集成， 是國家制造業(yè)的水平的主要 標(biāo)志，也是國家工業(yè)的基礎(chǔ)和支柱。隨著社會的發(fā)展，人們對產(chǎn)品的要求也 發(fā)生了很大變化， 要求品種要多樣、 更新要快捷、 質(zhì)量要高檔、 使用要方便、 價格要合理、外形要美觀、自動化程度要高、售后服務(wù)要