试论先进制造技术的特点及其发展趋势

武汉工业职业技术学院 张小亚

试论先进制造技术的特点及其发展趋势

武汉工业职业技术学院 张小亚

先进制造技术是20世纪90年代兴起的制造业高技术，具有贯穿设计——加工——装配——市场全过程、动态技术体系、多学科集成、系统工程、高效低耗、适应能力强等特点；衡量先进制造技术水平主要包括少或无缺陷、快速响应、精益化、柔性化和可持续性等指标；先进制造技术正朝着现代化、集成化、网络化、智能化、自动化、虚拟化、绿色化和人性化的趋势发展。

先进制造技术；集成；柔性；智能；绿色；虚拟

先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology）是美国于20世纪80年代末期提出的，笔者认为先进制造技术应该是集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。本文尝试对先进制造技术的特点及其发展趋势进行分析，旨在深化人们对先进制造技术的认识，以推动先进制造技术又好又快的发展。

1 先进制造技术的特征

1.1 先进制造技术集设计——制造——管理——市场一体化

先进制造技术极大地拓展了传统制造技术的应用范围。传统制造技术一般仅指原材料加工和装配工艺，而先进制造技术运用现代高新技术改造传统制造技术，建立了包括设计技术、制造技术、自动化技术、系统管理技术等的完整技术群，不仅使原有加工和装配工艺产生了质的变化，而且涵盖了市场信息分析、产品决策、产品设计、生产淮备、加工与装配、质量监测、销售使用、售前售后服务、产品报废的处理和回收等全生命周期的制造全过程。

1.2 先进制造技术是具有整体性、动态性、开放性的技术体系

先进制造技术突破了传统专业分工的界限，运用现代系统理论和方法，构建了集机械、电子、信息、材料、自动化、管理等多门技术于一体的综合性先进制造技术体系。先进制造技术体系具有整体性、动态性、开放性等显著特征。一是应用目标的整体性，它以整体效益最优化为目标，通过对人、技术、管理、资金、工具、物料、信息等系统构成要素的优化组合，实现经济效益、社会效益和生态效益的协调统一；二是技术构成的动态性，它不断地吸收当代高技术前沿新成就，计算机技术、信息技术、自动化技术等与传统制造技术的有机结合，形成了以计算机辅助设计技术（CAD）、精密成型技术 、超精密加工技术 、数控技术、计算机集成制造（CIMS）和分散网络化制造（DNM）为主要标志的先进制造技术体系；三是先进制造技术体系的开放性，它与各种专业技术相融合，形成了全面涵盖新材料、新能源、航天、激光、生物工程等高技术领域的先进制造技术群。

1.3 先进制造技术是多学科的集成

先进制造技术克服传统制造技术的学科单一、专业细化的局限，强调学科之间、专业之间相互渗透、交叉融合，将系统论、信息论、控制论、智能理论与控制技术有机融合为一体，朝着系统化、集成化的方向发展，目前巳经发展成为集机械、电子、信息、材料、环保、管理等科学等于一体的新型交叉学科，包括制造系统及其过程的数学物理模型、制造信息传递及知识获取理论与方法、制造模式与生产管理理论与方法、制造过程及系统的测量、监控及制造自动化理论等，多学科交叉融合不仅使制造科学更趋完善，而且成为现代制造技术创新发展的源泉。

1.4 先进制造技术是包括物质流、能量流、资金流和信息流的系统工程

传统制造技术通常仅仅涉及生产过程中的物质流、能量流和资金流。当代制造技术引入先进的电子、信息技术，将IT技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，引起传统制造技术发生了质的变化，实现了产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装备的数控化、咨询服务的网络化，以信息化为主要趋势和特征的先进制造技术驾驭整个生产经营过程的物质流、能量流、资金流和信息流，全面提升了制造业的竞争力。

1.5 先进制造技术是低耗、高效、节能、减排的绿色新技术

传统制造技术只是根据市场需求设计、生产和销售产品，能源和原材料消耗和浪费大。传统的制造模式是一个开环系统，即原料——工业生产——产品使用——报废。在资源短缺和环境污染已经成为世界各国经济持续发展的严重制约因素的21世纪，先进制造技术顺应节约资源和保护环境的趋势，构建了闭式循环绿色制造技术系统，即在保证产品质量和功能的前提下，以系统集成的观点综合考虑环境影响和资源效率，采用绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装和绿色管理生产出绿色产品，产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用，使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，资源利用率最高，能源消耗最低。先进制造技术实现了优质、低耗、高效、节能、减排、清洁、灵活的生产，有利于经济和社会的可持续发展。

1.6 先进制造技术是以不断适应产品市场新需求和增强企业竞争力为目标的技术

在市场需求多元化和商业竞争日趋激烈的当今时代，产品质量、款式、交货期、品质价格比、环保、物耗、能耗等成为影响市场竞争力的决定性因素，为了确保企业在市场竞争中立于不败之地，先进制造技术通过技术和管理的优化组合，建立了面向市场的的柔性制造系统，系统地应用于市场分析、产品设计、制造工程、检测监控，生产管理和质量保证、售后服务等设计制造的全过程，通过对产品品质、成本、交货期、性能价格比、环境相容性等的优化，达到经济效益、社会效益和生态效益的完美统一，从而取得最佳市场竞争力。尤其是随着世界自由贸易体制的日益完善，先进制造技术超越了地域乃至国家的边界，它以增强国际经济竞争力和提高国家综合实力为目标，注重技术的超前性和创新性，并充分利用全球通信网络和交通运输体系.形成了全球化的模式。

2 先进制造技术的评定指标

先进制造技术的产生，应该是科技创新的结果。科技创新一般分为基础型创新、集成（综合）型创新和改进型创新3种类型。基础型创新又称原始创新，是对自然界规律的新认识，包括从实验数据中总结与归纳出的规律；集成（综合）创新型式多学科知识、技术的集成（综合）、融合而创新的科技；改进型创新是对现有技术、系统（包括引进技术、系统）单一改进或综合改进而产生的创新。对工程技术创新而言，集成（综合）型创新和改进型创新是最主要的创新方式。

目前，衡量一项先进制造技术是否达到世界领先水平，通常涉及到以下5项指标。

2.1 少无缺陷

世界级水平制造技术应保证制造过程少无缺陷，其要求缺陷率为为0.3%～0.1%，即每百万次采样数的缺陷率为300～1 000，也就是说生产1百万件，允许缺陷件为300～1 000件；或有1百万道工序，允许产生缺陷的工序为300～1 000道。为了达到这么高的制造质量，就应：具有高质量的输入、输出与工艺过程；进行100%的检验；广泛采用傻瓜型设备，出现故障及时报警，防止缺陷扩散；产品设计不仅满足顾客需求，也考虑易于制造，且不易产生缺陷、废品，即具有优良的可制造结构工艺性。

2.2 快速响应

世界级水平制造技术要能快速响应市场需求。在世界级水平制造技术条件下，客户的订单处理时间短，总的制造提前期比传统已有方式缩短一半。为此，需保障物流通畅，减少或消除一些不必要的过程，保持制造过程流线化，并加强网络通信，尽快获得市场动态信息。

2.3 精益化

当生产相同质量与数量的产品时，应比传统方法使用少得多的资源。因此，要尽量减少库存、场地空间、机器人员，可应用高生产率、高产出的生产方式解决；在管理上采用“拉动式”生产，按市场驱动的订单生产；培养多技能工人，精减非直接工作人员。

2.4 柔性化

所谓柔性化，其关键是在很短的调整时间内，从一种生产模式变换成另一种生产模式。计算机数控、柔性制造系统具有软件的柔性化特征，而可重构制造系统（RMS）则具有硬件、软件两方面的柔性特征。为了达到高的柔性，要求在生产计划安排、制造设备的布局、设备本身的可重构、可调整等方面进行改进与创新。

2.5 可持续性

世界级水平制造技术要求运行不仅高效，而且可实现清洁生产，保证环境安全，符合可持续发展策略；产品可循环、可修炼、可重新制作、可重用、可生物降解，实现无废弃物的制造（生产），符合科学发展观，也充分体现出机械制造离散型生产的特点。

3 先进制造技术的发展趋势

进入21世纪以来，人类社会全面进入信息时代，信息技术的迅猛发展和全面渗透正在使制造技术的面貌焕然一新。适应当今世界需求多样化、技术人性化、效益最优化、环境生态化的必然要求，未来先进制造技术将朝着精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展，主要体现在以下几个方面。

3.1 设计技术不断现代化

产品设计是先进制造技术的灵魂，未来设计技术的发展趋势主要表现为，一是设计手段的计算机化；二是设计思想与方法更新，如并行设计、面向X的设计、健壮设计、优化设计、反求工程技术等；三是向全生命周期设计发展；四是设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济、社会和生态因素。

3.2 专业、学科、技术、企业之间的关系集成化

目前，集成化主要指如下几方面：一是信息集成。其主要目的是通过网络和数据库把各自动化系统和设备及异种设备互相连起来，实现执政系统中数据的交换和信息的共享，帮助人作出正确的决策；二是功能集成。主要实现企业要素，即人、技术、管理组织的集成，进而实现企业生产经营各功能部分的整体集成；三是过程集成。主要通过产品开发过程的并行和以多功能项目组为核心的企业扁平化组织，实现产品开发过程、企业经营过程的集成；四是企业的集成。通过采用敏捷化企业组织形式、并行工程环境、全球计算机网络或国家信息基础设施，实现跨地区甚至跨国家的企业间的动态联盟，即动态集成，由此能迅速集结和运筹该产品所需的知识、技术和资源，从而迅速开发出新产品，响应市场需求，赢得竞争。

3.3 制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之胳

当代制造业在激烈的市场竞争中，面临市场需求不断变化、采购成本不断提高、产品更新速度加快等多方面的压力，要求企业必须在生产组织上实行深刻的变革，从而网络化制造模式的兴起，即在产品设计、加工与生产管理等活动乃至企业整个业务流程中全面采用网络技术，实现对整个制造业的结构调整、资源合理配置、优化组合及共用。制造技术网络化将并行工程、虚拟制造、虚拟企业等先进制造理念、方法和技术引入制造业，为制造系统和制造过程提供了快速方便的信息交互手段和环境，导致“虚拟制造组织”的兴起，它通过网络化制造服务平台将地理上异地分布、组织上平等独立的多个企业联为一体，建立起密切合作的“虚拟企业”或“企业联盟”，实现资源集成、优势互补、资源共享，以提高制造业的竞争力、提升制造企业的快速反应能力和市场竞争力。

3.4 制造技术的智能化是制造技术发展的前景

当代制造系统正在由传统的能量驱动型转变为信息驱动型，面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，这就要求制造系统不仅要具备柔性，而且还要具有某种智能，因而智能制造应运而生：智能制造系统综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，具有人机一体化、自律能力强、自组织与超柔件、学习能力与自我维护能力等特点，实现了高速、高精、高效控制，可以自动修正、调节与补偿加工过程中的各项参数，实行在线诊断和智能化故障处理；未来的先进制造系统将具有更高级的“思维能力”，集数字化、自动化、集成化、网络化和智能化于一身，成为由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。它在制造诸环节中，以柔性化、集成化、模块化、网络化有机结合的方式，建立高度智能化的闭环控制体系结构，借助计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，延伸或替代制造过程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。该技术目前尚处在起步阶段，然而，它的前景广阔。

3.5 自动化已经成为先进制造技术研究的重点领域

自动化是机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。人们对自动化的理解经历了一个动态演化的过程。起初，人们认为自动化就是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。从这个意义上说，近代第一次技术革命中瓦特发明的离心式调速器标志着自动化技术的兴起，开创了工业领域应用自动调节装置的新时代﹐并对20世纪40年代控制理论的建立产生了深远的影响；20世纪40年代中期以来，随着电子和信息技术的发展，特别是计算机的问世和广泛应用，自动化的概念进一步拓展为采用机器代替人的体力劳动和代替或辅助人的脑力劳动，以自动地完成特定的作业。制造自动化技术研究已经突破了以往只是研究数控技术、过程控制、过程监控和计算机辅助技术等单元和专门技术的范围，目前关于制造系统中的集成技术和系统技术的研究正方兴未艾，逐渐成为制造自动化研究的重点领域。

3.6 虚拟现实技术在制造业中获得广泛的应用

随着计算机网络和虚拟现实等先进技术的出现，20世纪90年代产生了“虚拟制造”这一全新的制造概念及其理论，它已成为现代制造技术与系统发展的必然趋势。虚拟制造是使用计算机模型对制造过程的仿真，以辅助被制造产品的设计与生产，包括从产品设计开始就实时地、并行地对产品结构、工作性能、工艺流程、装备调试、作业计划、物流管理资源调配及成本核算等一切生产活动进行仿真，检查产品的可加工性和设计的合理性，预测其制造周期和使用性能，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产。虚拟制造可以缩短产品的研制周期，获得最佳的产品质量、最低的成本、最短的开发周期。

随着计算机技术的迅猛发展，虚拟现实环境的完善，虚拟制造已能对加工制造过程进行物理仿真，如切屑的形成，力、热和几何因素对制造误差的影响等的仿真。虚拟制造技术的广泛应用从根本上改变了现行的设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式，虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。

3.7 绿色制造势必成为未来制造业的发展方向

进入21世纪以来，人类社会所面临的资源短缺和环境污染等问题日趋严重，人类要实现可持续发展必须促使人与自然界和谐一致。为此，工业发达国家正积极倡导“低碳经济”、“循环经济”、“绿色制造”和“清洁生产”，大力研究开发生态安全型、资源节约型制造技术。“绿色制造”正在成为未来制造业的发展方向，绿色制造技术将贯穿于制造业各环节，主要表现在以下3个方面：一是绿色产品设计技术。在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小；二是绿色制造技术。它从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，在整个制造过程中综合考虑环境影响和资源效率，在保证产品的功能、质量、成本的前提下，使产品制造过程对生态环境无害或危害极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低；三是产品的回收和循环再制造。它是“资源―产品―废弃物―再生资源或再生产品”的反馈式循环模式。“再制造”是一种先进的制造逻辑与工业理念，它要求工业设计不仅要面向材料与功能，更要面向可回收再制造。再制造是通过新材料、新技术、新工艺、新装备与新方法等一系列高新技术与手段的集成运用，因此可以保证再制造产品的性能和质量不低于新产品，甚至在某种情形下可以使其质量高于新产品。

3.8 制造过程中将贯彻以人为本的理念

发展先进制造技术的根本目的在于造福人类，这就要求在制造业中树立“以人为本”的理念，逐步走向“制造—服务”一体化。倡导“以人为本”，就是要充分调动人在构思与设计、创新与改进、制造与加工、检验与管理、使用与维护、营销与服务乃至在制造业产业链各个环节的主动性与创造性，大力开发人性化的制造技术，合理使用人性化的制造技术，正确、全局地、长远地处理好其各有关方面的关系，使之真正服务于人类，谋求社会的可持续发展。深化教育改革是走向“以人为本”的先进制造技术的根本途径，教育理念和教学方法必须顺应世界先进制造技术发展趋势并结合我国国情，培养造就新一代高素质先进制造技术专业人才。

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［3］宾鸿赞，王润孝.先进制造技术［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］朱政红，时晓蕾.21世纪先进制造技术的发展概况［J］.工具技术，2009（3）：3－6.

2012－05－11）