先进制造技术与装备发展动态

方 杰

（中机生产力促进中心，北京 100044）

0 引言

进入后金融危机时代，发达国家 “再工业化”趋势明显，纷纷调整经济和科技发展战略，不断优化制造业的发展环境，拟重归以先进制造为代表的实体经济。奥巴马总统指出 “为美国的制造业而奋斗就是为美国的未来而奋斗”。2012年2月美国国家科学技术委员会发布了 《先进制造业国家战略计划》，联邦预算大幅度地增加了对先进制造的支持，启动了先进制造技术突破性竞争力研发、技术创新和先进制造伙伴关系计划等一揽子高端装备制造支持政策。欧盟公布 《欧洲2020 战略》将改变欧洲工业化未来的关键使能技术作为重点领域之一，以保持欧洲制造业的竞争力、先进制造技术的领先地位，环保产品开发与制造以及产品与加工的领先地位。日本政府加快发展协同式机器人、无人化工厂来提升制造业的国际竞争力，并计划耗资1万亿日元向国内制造商购买机械设备和工厂，通过向企业新投资提供资金的方式来增强日本工业竞争力。不难看出，发达国家“再工业化”的着眼点是先进制造技术，瞄准的是高端制造装备，谋求的是产业结构高级化。

1 先进制造技术与装备发展趋势

先进制造技术是装备制造业升级和技术进步的重要保障。在第三次工业革命浪潮下，信息技术与制造业深度融合，加上纳米科技、生物技术（包括生物制药和基因工程）、信息技术（包括计算机和通讯）、认知科学（包括认知神经科学）等会聚技术的革命性推动，以及工业无线网、微传感器网、新传感器、RIFID的应用性拉动，将对制造业的发展产生深远的影响。

1.1 设计技术向更高级阶段发展

目前，机电产品的设计理论和方法体系已经形成，随着以参数化建模为核心的三维设计技术的普及应用，机电产品的设计方法和工具将向更高级阶段发展。一方面，设计的理念更加丰富，从产品的性能拓展到全寿命周期的工艺流程设计，以及不断丰富的文化内涵和对情感的表达；另一方面，设计方法和工具不断创新，基于产品生命周期的多方法综合设计优化技术、网络化协同技术、计算材料方法等将有机地嵌入产品设计和制造流程中去，跨学科的系统建模新方法将得到推广。

1.2 成形技术向精密、低耗、少无污染方向发展

未来的成形技术向直接制成零件的净成形方向发展。自20 世纪70年代以来，工业发达国家积极投入成形工艺与装备研究，各种成形工艺技术取得长足发展，质量得到更严格的控制并节能环保。轻质合金精密铸造技术不断创新，无余量精锻件批量新型高效焊接技术快速发展，新的涂镀层、薄膜、表面改性技术得到成功应用。如，新型低成本钛合金制造方法、高能效的大型薄壁镁合金压铸工艺将在汽车领域得到应用；搅拌摩擦焊将在航空航天、船舶等领域获广泛应用；离子辅助镀膜技术等将受到更多的关注，其中离子注入技术已在航天零件的抗高温腐蚀方面取得成效。

1.3 加工技术向更高精度、更高效率方向发展

据统计，自20 世纪80年代以来数控机床的工作精度平均每十年提高8%。目前，日本安田（YASDA）的YBM640V verⅢ数控坐标加工中心和YBMJ 高精度卧式坐标加工中心，定位精度分别达到2.0μm 和3.0μm，日本牧野的F8 大型精密立式加工中心的定位精度0.15μm， 重复定位精度 1.0μm；瑞士 Rollomatic 公司的GrindSmart Nano6 数控微型刀具磨床磨削直径Φ0.03mm～2mm。同时，高效加工技术向全面高速化、低能耗、多工序复合方向发展。欧洲提出的目标是：使每一领域都能有所突破，实现超高性能的制造过程，既提高数控轴的加速度3～5 倍；提高速度3～5 倍；提高数控机床的生产率5 倍。

1.4 模拟仿真技术和虚拟现实技术得到推广应用

模拟仿真技术成为工艺开发的重要手段，不仅应用于金属切削加工过程、产品设计过程，而且已经基本掌握常规的铸造、锻压工艺的宏观模拟技术并开发出多种商业化软件。

虚拟现实技术迅速发展。虚拟制造技术从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，在虚拟制造环境中生成软产品原型代替传统的硬样品进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。

1.5 绿色制造从理念走向应用

在产品层面，欧洲提出绿色机床的愿景是环境友好，并明确了绿色机床的具体指标：①机床零部件由再生材料制造；②机床的重量和体积减少50%以上；③通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少30%～40%；④使用过程的各种废弃物减少50%～60%，保证基本没有污染的工作环境；⑤报废后机床的材料100%可回收。

在工艺方面，美国热处理行业的远景目标是：减少能源消耗80%；缩短工业周期50%；降低生产成本75%；实现热处理件零畸变；实现热处理件质量零分散度（相对于标准）；提高热处理炉寿命10 倍；降低热处理炉价格50%；实现热处理生产零排放。

在生产系统节能方面，美国麻省理工学院的研究结果表明：一台自动加工线的利用率只有14.8%；一台机床运行一年产生的CO2相当于61 辆SUV 产生的排放。为此，美国能源部依托佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）、 密歇根大学（University of Michigan）等 26所知名高校成立了以提高制造企业生产过程能量效率为目标的 “工业评估中心（Industrial Assessment Centers）”，对工业企业生产现场的能量消耗状况进行评估和研究。

1.6 制造装备向智能化方向发展

美国以 “首件产品合格（First Product Correct，FPC）”为主旨研究开发了智能且具有适应能力的制造工艺设备。在多计划项目的支持下，美国智能机床在改进过程效率、过程健康状况监测、减少过程变异、开发自动维护管理系统和快速预测功能等方面研究成果颇为丰富。日本马扎克机床所具有的7 项智能化功能分别是智能化的主轴监控功能、热位移补偿功能、维护监控功能、振动防止功能、防止干涉功能、平衡失调检测功能以及语音导航功能。欧洲提出智能机床的目标是用户友好。“用户友好”的含义不仅在于大幅度提高工作效率，而且工作更加舒适和安全；要求机床能够实现自主管理，能够自动识别加工任务和加工状态，无需或很少需要人工干预，而且能够与操作者及时沟通，变得 “聪明”起来。

1.7 制造模式不断创新

制造模式正在从以成本为中心向以技术为中心转变，从质量第一的竞争策略向为客户提供满意及高附加值的产品与服务并满足环境和社会持续发展需求的竞争策略转变，从以往的线性模式向复合型模式转变，更加强调基于网络的合作与协同，建立最终用户和设备制造商之间的全面合作关系，精确及时地交付定制产品，从而获得更高的价值。

1.8 新的制造装备不断涌现

基于新原理的技术创新速度加快，将推动制造装备的创新。如快速原型／零件制造RPM（Rapid Prototyping/Parts Manufacturing）技术可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，淡化了设计、制造的界限。很多新材料的配制与成型是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。冷热加工、加工/检测/装配/物流、设计/材料应用/加工制造之间的集成、融合日趋紧密。据国际机械加工技术协会预测，不远的将来塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。

2 我国数控机床与基础制造装备发展面临的机遇

国家高度重视数控机床与基础制造装备的发展。2009年国家启动了 “高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项，旨在到2020年，形成高档数控机床与基础制造装备主要产品的自主开发能力，总体技术水平进入国际先进行列，部分产品国际领先；建立起完整的功能部件研发和配套能力；形成以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系；培养和建立一支高素质的研究开发队伍；航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备80%立足国内；研究开发出若干具有原创性的技术和产品，形成这一领域内自主创新在一些点上的突破。国家863 计划先进制造技术领域安排了 “箱体类精密工作母机设计制造关键技术”重大项目，旨在突破箱体类精密工作母机的设计技术、工艺技术和制造技术，瞄准现阶段国际先进水平，开发出满足生产应用精密工作母机。

在国家科技计划的支持下，我国高档数控机床与基础制造装备行业取得长足进展。据中国机械工业联合会统计，2012年中国机床工具行业实现工业总产值7985.15 亿元，同比增长12.73%；完成销售产值7754.96亿元，同比增长12.25%；产销率为97.11%。但与国际先进水平相比，国内产品在设计、精度保持性、可靠性和交钥匙能力等方面还存在明显差距。

当前，正值我国数控机床与基础制造装备由大变强的重要战略期。由于劳动力价格上升，要求更加经济的生产方式、更短的制造周期、更低的制造成本，增加了对自动化装备、智能制造设备、复合加工设备等高效、专用设备需求；用户要求更高的产品精度和表面质量，导致高精度和精密级设备需求增加；为了更强的市场适应性，柔性生产线需求增加；新兴产业的技术交叉与融合拉动的对新型制造装备的需求；对产品更加严格的环境特性要求，对轻型材料的加工与成形装备需求快速增加。

3 结束语

先进制造技术是传统制造技术与信息技术和现代管理技术的有机结合。先进制造装备位于产业价值链的高端和核心环节，具有技术密集、附加价值高、带动作用强等特点，是现代产业体系的脊梁，是推动工业转型升级的引擎，是衡量一个国家综合竞争力的重要标志。把握先进制造技术与装备发展趋势，结合航空航天、船舶、汽车、发电设备四大用户需要，加强基础共性技术研究，提高我国中档数控机床与基础制造装备的总体水平；结合战略新兴产业发展需求，开展专用档数控机床与基础制造装备技术研究，提高我国高档数控机床与基础制造装备的自主研发能力，为实现由制造大国向制造强国转变提供支撑和保障。

[1]部分国家/地区高端装备制造政策计划概览[J].先进制造与新材料科技专辑，科学研究动态监测快报，2011，12.

[2]孕育新一代生产系统的欧洲机电一体化研究路线图（上）.先进制造与新材料科技专辑，科学研究动态监测快报，2007，15.

[3]孕育新一代生产系统的欧洲机电一体化研究路线图（下）.先进制造与新材料科技专辑，科学研究动态监测快报，2007，16.

[4]日本拟启动万亿日元收购设备扶持制造业，http://cn.nikkei.com/politicsaeconomy/economic-policy/4498-12-121231.html，2012，12，31.

[5]先进制造技术研究.国防科技情报研究报告，BQB2009，06，10.

[6]谭惠民，田也壮，张曙.欧盟制造未来战略及其启示[J].中国制造业信息化，2008，21.