先进制造的特征、发展趋势和方向

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先进制造的特征、发展趋势和方向
2008-10-21 09:42“先进制造技术”本质上就是“制造技术”加“信息技术”加“管理科学”，再加上有关的科学技术而交融形成的制造技术。本文针对我国先进制造技术的发展做了研究和探讨

$ J7 v5 U% Q& B. t1 B    制造业是是现代文明的支柱之一。它既占有基础地位，又处于前沿关键；它是工业的主体，是国民经济持续发展的基础；它是生产工具、生活资料、科技手段、国防装备等及其进步的依托，是现代化的动力源之一。

因为制造业，特别是装备制造业如此重要，所以在党的十六大报告中，数次强调了制造业的发展，特别是装备制造业的发展。

   “先进制造技术”本质上就是“制造技术”加“信息技术”加“管理科学”，再加上有关的科学技术而交融形成的制造技术。

: c! W* O: _- m# @一、先进制造业的特征
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    现代的制造业市场大致有如下五大特征：第一是买方市场，这是科学技术与生产力发展的必然结果；第二是多变性市场，由于科技发展快，技术更新快，产品换代快，市场越来越大，竞争日趋激烈，不确定因素猛增，市场变化很快；第三是国际化市场，市场打破国界，走向区域化，走向国际化。第四是新兴产品市场，这不仅涉及对传统产品用高新技术加以改造和发展而成的产品，而且更涉及前所未有的新类型的“产品”，从而导致如技术、软件、环保等产业的出现，特别在第三产业中更是如此。第五是虚拟市场，信息化的进一步是网络化，网上的产品广告、商品展示、商品交易、客户关系和代理制等等均属于虚拟市场。

    与此市场相应，制造业企业大致有如下六大特征：第一是满足“客户化”要求，这是最根本的，也是“买方市场”必然导致的结果；第二是对市场的快速响应，对生产的快速重组，从而要求生产模式必需有高度柔性，有足够敏捷性，这是“客户化”必然导致的结果，而信息技术和管理科学为此提供了主要的保证；第三是既竞争、又合作地参与市场，走向“双赢”、“多赢”。网络化为此提供了更有利的条件；第四是本土化与国际化交互，走向全球化，既竞争，又合作，自然导致朝这一方向发展；第五是应用虚拟技术，以加快企业有关活动的节奏，提高产品品质，节约成本，及时适应客观变化；第六是“以人为本”，加强企业人文文化建设；应该说，这是现代企业成败要害之所在。
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二、先进制造技术的发展趋势
; E; v0 F) d2 B! h+ a. N# o: ]1 t     与科学技术和市场经济的发展相应，先进制造技术，特别是先进机械制造技术有如下8方面的发展趋势和特色：

1.发展的核心——“数字化”
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    数字化制造是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融合、发展和应用的结果。它包含数字化设计、数字化制造和数字化控制等。对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号；对制造企业而言，各种信息(如图形、数据、知识、技能等)均以数字形式，通过网络在企业内传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真、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与对市场的快速响应，以满足客户化要求。

    应着重指出的是，制造知识(包括技能、经验)的获取、表达、存储、推理乃至系统化、公理化等，是使制造技术发展到制造科学的关键，而这又与数字化是密不可分的。

( o+ J! q8 n) n0 @) e2.发展的关键——“精密化”

    精密化一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高，另一方面是指对产品、零件的加工精度要求越来越高。加工精度及其发展可分为精密加工、细微加工、纳米加工等等。20世纪初，超精密加工的误差是10μm，至今达0.00lμm，即lnm。
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    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小于lμm，颗粒数＜0.1个／0.028m3；2)超纯，芯片材料有害杂质，其含量小于十亿分之一；3)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。
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3.发展的焦点——“极端化”
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    极端化是指在极端条件下工作的或有极端要求的产品，从而也是指这类产品的制造技术有“极”的要求。在高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等条件下工作的，或有高硬度、大弹性等要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的。如工业发达国家高度关注的一项前沿科技 “微机电系统(MEMS)”，其运用于信息领域中的分子存储器、芯片加工设备；生命领域中的克隆技术、基因操作系统；军事武器中的精确制导技术，精确打击技术；航空航天领域中的微型飞机，微型卫星，“纳米”卫星(0.1kg以内)；以及医用微型机器人等等。

. o" W2 E- X6 A! K4.发展的条件—— “自动化”
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     目前，“自动化”已从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平；而且今天自动控制的内涵与水平已今非昔比，控制理论(如多Agent系统的理论与方法、基于网络的控制理论、复杂系统的控制理论……)、控制技术(如智能化检测、多媒体信息检测……)、系统(如网络控制系统、复杂系统……)、控制元件(如具有生物特征的传感元件……)，都有着极大的发展。自动化是先进制造技术发展的前提条件。

5.发展的方法——“集成化”

' M! O* \! ~& W    集成化涉及以下几个主要方面：

    现代技术的集成，以机电一体化为例，其关键是检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、精密机械技术、系统总体技术。这些技术又同许多学科有关。
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! P' D$ |' B( z( T* Z. k, E1 V2 ?   加工技术的集成，这是现代技术集成的一个特殊部分。特种加工技术及其装备是个典型，如增材制造(即快速原型)、激光加工、高能束加工、电加工等。

    企业集成，即管理的集成，包括生产信息、功能、过程的集成；包括生产过程的集成、全寿命周期过程的集成；也包括企业内部的集成，企业外部的集成。如并行工程、敏捷制造、精益生产、CIMS等，管理的集成也是管理与技术的集成。

2 j9 Q% p1 |7 L( x9 a    从长远看，有一点值得注意，即由生物技术与制造技术集成而成的“微制造的生物方法”，或所谓的“生物制造”；即依据生物是由内部生长而成“器件”，而非一般制造技术那样由外加作用以增减材料而成“器件”。可以预期，这是一个崭新的充满着活力的领域，其作用难以估量。

6.“网络化”是发展的道路

0 Y& \3 d+ m! Z- K    制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路。在制造技术网络化中，值得关注的是电子商务的应用。电子商务是将业务数据数字化，并将数字信息的使用和计算机的业务处理同Internet进行集成，成为一种全新的业务操作模式。在电子商务的网络化制造中，供应链管理、客户关系管理和产品生命周期管理共同构成了制造的增值链，对降低成本、加快流通、提高效率和增加商业机会大有益处，
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# a' u$ Z/ h; @    制造技术网络化的发展会导致一种新的制造模式，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，在谈判协商的基础上，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与共享。

/ ~8 l* _- A8 {7 F$ V5 _7.“智能化”是发展的前景

2 H0 v: s$ L) d, a  Y. u    近20年来，制造系统正在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，而且还要表现出某种智能，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高度的重视。

5 J; }$ ?$ e% J/ `6 [( x  p1 e    智能化制造模式的基础是智能制造系统，智能制造系统既是智能和技术的集成而形成的应用环境，也是智能制造模式的载体。与传统的制造相比，智能制造系统具有以下特点：1)人机一体化；2)自律能力；3)自组织和超柔性；4)学习能力和自我维护能力；5)在未来，具有更高级的类人思维的能力。由此出发，可以说智能制造作为一种模式，是集自动化、集成化和智能化于一身，并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，也是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。它突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，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。

$ \1 U, {9 A( }/ N7 X; g8 ~! L0 F    知识经济时代，知识将作为发展生产力主要的源泉，并导致以知识生产率取代劳动生产率，从而提高智能化制造的价值。

* y* A# `$ O5 t% @% a6 X( f三、先进制造技术的优先发展方向
9 ^+ g1 W; m& R- N+ A: u2 _    根据对现代制造科学和技术发展趋势的分析，从战略思想和战略目标出发，未来制造科学和技术的优先发展方向表现为如下10个方面：
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    1.机电产品的创新设计和系统优化设计理论与方法：包括全生命周期的产品数字化建模、仿真评估理论及设计规范；产品快速创新开发的设计、优化、规划和管理技术；复杂机电系统创新设计、整体优化设计的理论、技术和方法。
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    2.网络协同制造策略理论和关键技术：包括制造系统的信息模型和约束描述；网络环境下制造系统、制造装备的协同策略；支持并行及网络协同制造的理论和技术；网络环境下制造系统优化运行理论和控制策略。
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    3.新型成形制造原理和技术：包括基于新材料、新工艺的成形原理和技术；精捷成形制造原理和技术；高能束精密成形制造原理和技术；
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    4.数字制造理论和数字制造装备技术：包括产品制造过程的数字化模型和多领域物理作用规律；高速高效数字制造理论和技术；基于新原理、新工艺的新型数字化装备；数字制造中多智能体协调和实时自律控制理论和技术；
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    5.制造中的量值溯源和测量的理论和技术：包括在多尺度空间上精密测量问题；机械表面微观计量理论和技术；超精密测量、量值溯源原理和新传感器技术等；
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3 m% Q& w. s$ c5 v% `) M, r    6.纳米制造科学和技术：包括纳米材料制备及其性能测量；纳米尺度加工、制造、测量和装配；纳电子制造与分子原子制造的原理和技术；
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4 j  Z9 m/ m. F8 v5 j    7.生物制造与仿生机械的科学和技术：包括结构、功能、能源与运动机械仿生和仿生制造；生物自生长成形制造；机械超前反馈仿生与制造的科学和技术；生物工程制造原理和技术、新一代生物芯片制造原理和技术；
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; p: K( ], @* A: \6 j    8.微系统与新一代电子制造科学和关键技术：包括微机械、微传感、微光器件制造机理和技术；纳米级光学光刻与非光学光刻、浅沟槽刻蚀、铜互连等机理和技术；集成电路新型封装工艺原理和技术；

    9.绿色制造的科学和技术：包括产品与人类和自然的协调理论；产品绿色制造工艺(如NW—zeroWaste)；产品的再制造和维修科学；产品绿色使用以及废旧产品资源再利用的理论和方法；

1 T" q. ]0 }# C3 j+ D    10.面向国家安全与国家重大工程的制造科学和技术。针对未来国家将实施的重大工程(宇宙探索、航天、航空、海洋、能源、交通和国防装备等)中的制造技术和科学问题，提前进行研究，以保证国家重大工程和国家安全有相应的技术储备。