机械制造业的发展趋势与先进制造模式

　　本文介绍了21世纪的先进制造模式，阐述了机械制造发展的精密化、自动化、信患化、柔性化、集成化和智能化趋势，在分析了我国机械制造发展存在的差距的基础上，提出了我国机械制造发展发展策略。

　　随着科学技术的飞速发展和市场竞争日益激烈，越来越多的制造食业开始将大量的人力、财力和物力投入剑先进的制造技术和先进的制造模式的研究和实施策略之中。改革开放30年，我国制造科学技术有日新月异的变化和发展，确立了社会主义市场经济体制，但与先进的国家相比仍有一定差距，为了迎接21世纪的挑战，必须认清制造技术的发展趋势，缩短与先进国家的差距，使我国的产品上质量、上效率、上品种和上水平。

　　1 先进的制造模式

　　机械制造业发展趋势表明，只有采用先进的制造技术并能实施在相匹配的制造模式中才能符合上述的趋势。制造模式足指企业体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形态和运作模式。

　　1.1 敏捷制造与虚拟制造

　　美国通用汽车公司与里海大学于1988年提出了敏捷制造(AM)，AM是在不可预测的持续变化的竞争环境中取得繁荣成长，并具有能对客户需求的产品和服务驱动市场作出迅速响应的生产模式。

　　AM的特征是：
　　
　　①企业间联作集成。充分发挥各企业的长处，针对限定市场的目标要求共同合作完成任务。
　　②具有高度的制造柔性。制造柔性是指制造企业对市场要求迅速转产和能实现产品多品种变批量的快速制造。
　　③充分发挥人的作用，不断提高企业职工素质和教育水平，优化人机功能分配。

　　虚拟制造(VM)是国际上提出的新概念。VM与AM联系密切。VM的特征是：

　　当市场新的机遇出现时，组织几个有关公司联作，把不同的公司，不同地点的工厂或车间重新组织协调工作。在运行之前必须分析组合是否最优，能否协调运行，以及投产后的效益和风险进行评估，这种联作公司称虚拟公司。虚拟公司通过虚拟制造系统运行。因此研究开发虚拟制造技术(VMT)和虚拟制造系统(VMS)意义重大，美国称AM为2l世纪制造业发展战略。

　　1.2 集成制造与智能制造

　　美国哈林顿博士在《计算机和集成制造》一书中提出计算机和集成制造(CIM)的概念。集成制造的核心内容是：制造企业从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理克至售后服务是一个不可分割的整体，需要统筹考虑。整个制造过程的实质是信息采集、传递和加工过程，最终生产的产品可看作是信息的物质表现。集成是CIM的核心，这种集成不仅是物的集成，更主要的是以信息集成为特征的技术集成和功能集成，计算机是集成的工具，计算机和辅助各单元技术是集成的基础，信息交换是桥梁，信息共享是关键。集成的目的在于制造企业组织结构和运行方式的合理化和最优化，以提高今业对市场变化的动态响应速度，并追求最高整体效益和长期效益。

　　智能制造(IM)是美国出版研究IM和IMS书籍中首先提出的。它的特征是：在制造工业的各个环节的高度柔性与高度集成的方式，通过计算机和模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展。制造智能的目的是：通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制对制造工人的技能与人类专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人干预的情况下进行小批量生产。

　　1.3 绿色制造

　　(1)绿色制造的定义

　　绿色制造又称环境意识制造和面向环境的制造等。即综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式。其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的全生命周期中，废弃物和有害排放物最小，对环境的负面影响最小，对健康无害，资源利用率最高，使企业经济效益和社会效益更高。

　　(2)绿色制造的体系构造

　　包括两个目标，即资源优化利用和环境保护；三相基本内容，即绿色材料、绿色能源和绿色生产过程中制造出绿色产品；两个层次的全过程控制，即指在物料转化过程和产品全生命周期过程(包括构思、设计、制造、装配、包装、运输、销售、服务、报废、回收环节)中，充分考虑资源和环境问题，实现最大限度地优化利用资源和减少环境污染。

　　2 机械制造业的发展趋势

　　先进的制造业是将物料、能源、设备、资金、技术、信息和人力等制造资源通过先进的制造技术，先进的管理技术和先进的制造过程转变成人类需求产品的行业。行业追求的目标是：高质量、高效率、高柔性、低成本、低劳动力、低消耗、品种多和规格全的产品，因此，面向21世纪的机械制造技术的发展趋势体现在以下几个方面：

　　2.1 精密化

　　精密加工、超精密加工技术、微型机械是现代化机械制造技术发展的方向之一。精密和超精密加工技术包括精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特种加工和复合加上(如机械化学研磨、超声磨削和电解抛光等)三大领域。超精密加工技术己向纳米(1nm=0.001μm)技术发展。纳米技术己在纳米机械学、纳米电子学和纳米材料技术得到了应用。因此，它促进了机械科学、光学科学、测最科学和电子科学的发展。美国1997年首次制造出直径仅为60μm的静电微型电机，以及几十微米的微型齿轮、弹簧及微型机构。武汉大学研制成纳米级超微电极，将其插入活体细胞后首次测出细胞内部神经递质的动态信息。只前各国科学家正在进行微型机器人的研究，微型机器人可以潜入人体血管、脏器去疏通血管、诊治疾病。据国外预测，21世纪将是微型机械电子技术和微型机器人的时代，因此有人将纳米技术与微型机械称为21世纪的核心技术。

　　2.2 自动化

　　自动化技术的成功应用，不但提高了效率，保证了产品质量，还可以代替人去完成危险场合的工作。对于批量较大的生产自动化，可通过机床自动化改装、应用自动机床、专用组合机床、自动生产线来完成。小批量生产自动化可通过NC，MC，CAM，FMS，CIM，IMS等来完成。在末来的自动化技术实施过程中，将更加重视人在自动化系统中的作用。同时自动化开始面向中小型企业，以经济实用为出发点，满足不断发展的产品多样化和个性化需要。

　　2.3 信息化

　　信息、物质和能源是制造系统的三要素。随着计算机、自动化与通讯网络技术红制造系统中的应用，信息的作用越来越重要。产品制造过程中的信息投入，己成为决定产品成本的主要因素。制造过程的实质是对制造过程中各种信息资源的采集、输入、加工和处理过程，最终形成的产品可看作是信息的物质表现，因此可以把信息看作是一种产业，包括在制造之中。为此一些企业开始利用网络技术、计算机联网、信息高速公路、卫星传递数据等实现异地生产。使生产分散网络化，以适应21世纪高柔性生产的需要。

　　2.4 柔性化

　　随着科学技术的飞速发展和人民生活水平不断提高，促使产品更新换代的速度不断加快，这就要求现代企业必须具备一定的生产柔性来满足市场多变的需要。所谓柔性，是指一个制造系统适应各种生产条件变化的能力，它与系统方案、人员和设备有关。系统方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人员柔性是指操作人员能保证加工任务，完成数量和时间要求的适应能力。设备柔性是指机床能在短期内适应新零件的加工能力。柔性制造自动化的形式很多，如美国提出的敏捷制造(AM)其主线就是高柔性生产。上海同济大学张曙教授提出的独立制造岛(AMI)也是高柔性生产模式。

　　2.5 集成化

　　集成的作用是将原来独立运行的多个单元系统集成一个能协调工作的和功能更强的新系统。集成不是简单的连接，是经过统一规划设计，分析原单元系统的作用和相互关系并进行优化重组而实现的。集成化的目的是实现制造企业的功能集成，功能集成要借助现代管理技术、计算机技术、自动化技术和信息技术实现技术集成，同时还要强调人的集成，由于系统中不可能没有人，系统运行的效果与企业经营思想、运行机制、管理模式都与人有关，凶此在技术上集成的同时，还应强调管理与人的集成。集成化生产将成为面向21世纪占主导的生产方式。

　　2.6 智能化

　　智能化是而向21世纪制造技术的发展趋势之一。智能制造技术(IMT)是将人工智能融入制造过程的各个环节，通过模拟人类专家的智能活动，取代或延伸制造系统中的部分脑力劳动，在制造过程中系统能自动监测其运行状态，在受到外界干扰或内部激励能自动调整其参数，以达到最佳状态和具备自组织能力。例如机器人加工就是将机床与机器人、传感器、控制器组合而成的智能制造系统，它具有信息处理和知觉反馈、决策能力，可同时控制指挥多种操作，从而能提高效率、保证质量和降低成本。智能化是柔性自动化和集成自动化的新发展和重要组成部分。

　　3 存在差距和实施策略

　　改革开放30年，通过技术改造和引进国外先进制造技术，使我国的制造工业有了长足的进步，但和先进国家相比还存在很大差距，表现存：一是产品创新能力较差。开发周期长。二是制造工艺装备落后，成套能力不强，我国大多数企业目前还采用较落后的制造工艺与技术装备进行生产。优质高效低耗工艺的普及率不足10%,数控机床、精密设备不足5%。三是生产自动化和优化水平低，资源综合利用率低。我国平均劳动生产率为0.263万美元，而美国为9.37万美元。我国能源综合利用率仅为32%左右，比国外的先进水平低10多个百分点。四是管理粗放，协作能力较差，国际市场开拓能力弱。我国多数企业缺少现代化管理的概念、方法和手段，众多的企业机构臃肿，富裕人员一般多达30-40%。五是工程技术人员知识陈旧，跟不上时代的要求。面对这样形势。发展先进制造技术、实施先进的制造模式已经到了刻不容缓的地步。为了使我国的制造业站在世界先进行列，必须采取相适应的措施和策略。

　　3.1 加强政策与法规建设，建立强有力的宏观调控机制

　　在市场经济环境下，国家仍应制订科学的制造产业规划和制造技术进步的总体规划，以及相应的法规政策。避免重复建设、重复生产和重复引进的事情发生，要尽可能减少和避免市场盲日竞争造成的损失。继续鼓励科技创新政策，一些技术改造和先进技术推广，仍需国家给予支持。对于引进外资，建立合资企业，应有利于我国制造技术的发展，有利于提高产品在国内市场上竞争力为原则。

　　3.2 发展适应我国国情的生产模式

　　对于一些先进的制造技术和先进的制造模式，要根据我国现实存在的技术水平和能力向前发展，避免盲目的追求目前实施有一定困难的理想的先进科学制造技术。例如我国的人工智能(AI)的研究尚处于低级和起步阶段，进展困难，其理由是我们对人类思维活动的实质尚知甚少，基于人工智能的智能机器，在智能水平上，远远不能与人类专家智能相比，因此想以人工智能全而取代制造过程中人类专家智能，进行独立分析、判断和决策等任务是不现实的，这只是未来的发展方向。

　　3.3 加强企业问合作

　　近些年规模经济在国内显示出强人的竞争力和整体效益，其成功之处在于企业问既通过竞争获得了发展的动力、提高了水平，又能够各具特色地发展自己，从而在无意间形成优势互补，在竞争中相互依存并共同获得利益。由此，竞争绝不是企业间合作的障碍，应该在竞争中建立合作意识，企业问的团结就是效益。

　　3.4 提高制造业现代化管理水平

　　现代管理核心是信息管理、物质管理、质量管理、生产过程管理和市场信息管理、加强企业人力的培养同时与国际接轨，开展IS09000系列管理体系认证，加快现代企业制度改革，为先进制造技术的发展奠定良好的基础。
综上所述，我国的制造业发展已进入了高速发展阶段，沿海地区的民营企业已经具备足够的经济实力来使企业迈向现代化，先进设备的引进和大量专业人才的涌入使许多沿海地区的制造业水平迅速提高。但足整体发展很不均衡，地区之间的差距越拉越大，这是很突出的问题。随着国家决策的科学化、民主化进程不断深入，相信我国的制造业会更快速、更健康地发展。