先进制造技术的现状和发展趋势

1、先进制造技术的现状和发展趋势摘要近年来，制造业出现了世界范围的研究并采用“先进制造技术”的浪潮，先进制造技术已成为当代国际间的科技竞争的重点。本文论述了先进制造技术的发展现状与发展趋势，指出：信息化、精密化、集成化、柔性化、动态化、虚拟化、智能化、绿色化将是未来制造技术的必然发展方向。1.先进制造技术简介1.1 先进制造技术的定义先进制造技术AMT(advancedmanufacturingtechnology)是制造业不断吸收机械、 电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等卜能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以

2、实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。它集成了现代科学技术和工业创新的成果，充分利用了信息技术，使制造技术提高到新的高度。先进制造技术是不断利用新技术逐步发展和完善的技术，因而它具有动态性和相对性。先进制造技术以提高企业竞争能力为目标，应用于产品的设计、加工制造、使用维修、甚至回收再生的整个制造过程，强调优质、高效、清洁、灵活生产，体现了环境保护与可持续发展和制造的柔性化。1.2 先进制造技术的内涵和技术构成先进制造技术的技术构成可以分为以提高生产效率和快速响应市场需求为目的的技术构成和以满足特种需求为目的的技术构成。以提高生产效率

3、和快速响应市场需求为目的的技术构成强调制造系统与制造过程的柔性化、集成化和智能化。包括：(1)系统理论与技术(着重制造系统组织优化与运行优化，以提高制造系统的整体柔性与效率)。(2)制造过程的单元技术(着重制造过程的优化，以提高单元的效率与精度)。系统理论与技术涉及范围包括：CIMS、敏捷制造、精益生产、智能制造等。制造过程单元技术涉及的范围包括：设计理论与方法、并行工程、系统优化、运行、控制、管理、决策与自组织技术、虚拟制造技术、制造过程智能检测、信息处理、状态检测、补偿与控制、制造设备的自诊断与自修复、智能机器人技术、智能数控技术、精密成型技术等。以满足特种需求为目的的技术构成使传统制造工

4、业与加工方法发生根本变化，其技术构成包括：(1)精密与超精密加工、细微与超细微加工技术等。(2)快速成型制造(RPM);激光加工；电子加工；离子加工；化学加工技术等。先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家所处的不同阶段，先进制造技术的内涵和技术构成是不同的。1.3 先进制造技术的分类(1)现代设计技术：现代设计技术是根据产品功能要求，应用现代技术和科学知识，制定方案并使方案付诸实施的技术。它是一门多学科、多专业相互交叉的综合性很强的基础技术。现代设计技术主要包括：现代设计方法，设计自动化技术，工业设计技术。(2)先进制造工艺： 现代制造工艺技术主要包括精密和超精密加工技术、 精密成型技术、

5、特种加工技术、表面改性、制模和涂层技术。(3)自动化技术：自动化技术包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技术、传感技术、自动检测及信号识别技术和过程设备工况监测与控制技术等。(4)系统管理技术：系统管理技术包括工程管理、质量管理、管理信息系统等，以及现代制造模式(如精益生产、CIMS、敏捷制造、智能制造等卜集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。2 .我国先进制造技术的发展状况(1)在设计方面，计算机助设计(CAD)技术普及化。计算机辅助设计(CAD)技术，是电子信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设

6、计自动化，增强企业及其产品在市场上竞争能力，加速国民经济发展和国防现代化的一项关键性高新技术，也是进一步向计算机集成制造(CIMS)发展的重要技术基础。CAD技术的广泛应用，提高了我国企业整体的设计水平和产品开发能力。以二维CAD和产品数据管理为重点，在软件市场和企业应用方面得到充分的发挥。(2)在应用方面，各种高新技术发展迅速，并取得了显著的成效。主要表现在以下几个方面：快速原型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模；精密成形与加工技术水平显著提高，在汽车零部件、重大装配制造中获得广泛应用；热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使材料热加工由“技艺”走向“科学”；激光加工在基础研究和技术开发方面

7、有实质性进展，产业应用获得经济效益；数控技术取得重要进展，国内市场占有率有所提高；现场总线智能仪表研究开发获重要进展，应用已有一定的基础；现代集成制造系统研究和应用取得突破，在国际上已占有一席之地。(3)在管理方面，新生产模式的研究和实践具有特色，推动了我国制造业的技术进步和管理现代化。通过学习和引进工业发达国家的先进管理经验，采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产(JIT),敏捷制造(AM),精益生产(LP)、并行工程(CE)等新的管理思想和技术，通过精简机构、减少管理层次和消除各种浪费现象，显著提高了企业的经营效益。3 .先进制造技术的前沿3.1 无余量精密

8、成形技术目前，某些中小零件经过精密成形制成的，可以做到不经切削加工或极少余量加工即可装配，因此国外某些学者提出成形的工件应该由“接近零件形状(NearNetShapeProducts)”向“完全成零件形状(NetShapeProducts)”发展，即所谓的“净成形技术(NetShapeTechnique)”。3.2 毫微米技术与微型机械“毫微米技术”又称之为“超精密工程”， 是高精度加工的技术前沿， 据预测到2000年，普通加工、精密加工和超精密加工的精度可分别达到1um,0.01um和0.001um(毫微来纳米)，而且“超精密工程”正在向原子级加工精度逼近。毫微米技术的发展还引发了微型机械的

9、出现。微型机械是机械技术与电子技术在毫微米水平上相融合的产物。国外有人将毫微米技术与微型机械称为“21世纪的核心技术”。3.3 自由造型制造与快速零件制造技术近年来国外正在发展一种崭新的称为快速零件制造一的新技术，它是将与各种自由造型制造等新的制造技术直接结合起来，从而使直接生产出零件的实体物理模型、样件、铸模或冲模。的出现将是制造技术的一场新的变革，它将使传统的金属切削加工技术面临被部分或逐步替代的挑战。3.4 新型材料的成型、加工技术随着材料使用结构的不断变化，新型材料的成形、加工技术的重要性越来越突出，未来的重点是超硬材料、功能梯度材料、复合材料、工程陶瓷、非晶微晶合金及各种功能材料的某

10、些崭新的成形，加工技术将不断出现并得到应用，如未来的超导材料成形加工技术等。3.5 极限条件下的成形加工技术下个世纪人类的活动区间将从陆地扩展到空间和海洋。宇航工程及海洋工程提出了极限条件下真空、失空、水下高压等的成形加工技术要求，其中最重要的是空间焊接及水下切割、焊接技术。4 .先进制造技术的发展趋势4.1 信息化信息化是制造技术发展的生长点，信息技术正在以人们难以想象的速度高速发展。网络技术特别是Internet/Intranet/Extranet技术的迅速发展，正在给制造业带来新的变化和重大影响，制造网络化是现代制造业发展的主要趋势之一。基于网络的制造技术（NMT）是指网络技术和制造技术

11、相结合的有关技术和研究领域。NMT的技术内容框架由计算机网络技术和数据技术及其支撑下的基于网络的制造系统管理和营销技术群、基于网络的产品设计与开发技术群、基于网络的制造过程技术群、基于网络的系统集成技术群构成。NMT具有一系列的创新功能特点，如时域特点、空间特点、生产方式特点、组织模式特点等。4.2 精密化现代高新技术产品需要高精度制造，社会的发展对机械产品的质量提出了越来越高的要求。这决定了发展精密加工、超精密加工技术是机械制造未来的一个重点。目前，加工制造技术向着超精密、超高速、创新装备的方向发展。4.3 集成化计算机集成制造（CIM）是信息技术和生产技术的综合应用，旨在提高制造企业的生产

12、效率和响应能力。因此，企业的所有功能信息和组织管理都是一个集成起来的整体的各个部分。其通俗含义就是用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，求的企业的总体效益。SIM的实现方法就是CIMSo理想的CIMS能够实现5个R:在正确的时间（Righttime）将正确的信息（Rightinformation）送到正确的地点（Rightplace）的正确的人（Rightperson）,从而帮助他做出正确的决策（Rightdecision）他通过管理、生产控制、工程设计等子系统的集成，使企业具有快速响应市场的能力（T）、较好的产品质量（Q）、较低的生产成本（C）和较好的服务（S）。现代制造业的方向并不只是

13、计算机的集成，信息的集成，而是人、技术、组织的整体集成，包括功能集成、组织集成、信息集成、过程集成、知识集成和企业间的集成。4.4 柔性化柔性制造系统（FMS）集高效、高质量、高柔性三者于一体，它既是CIMS的重要组成部分，也是当前和未来制造业的一个主要生产系统，故发达国家都把FMS当作是制造业自动化的一个重点发展领域。目前，FMS在发达国家已发展成熟，并正向规模大型化、功能复杂化（柔性制造车间）及小型化、简单化（FMC）这两极方向发展。80年代中期以来，国外的柔性制造设备开始与CAD/CAPP/CAM等自动化技术和生产管理中的MIS等进行集成，借助计算机和网络技术，将企业所有的技术、信息、管

14、理功能和人员、财务、设备等资源与制造活动有机结合在一起，向CIMS发展，构成一个覆盖企业制造全过程（产品订货、设计、制造、管理营销），能对全厂物质流、能量流、信息流进行有效控制和集成管理的完整系统，实现全局动态综合优化、协调运作和整体高柔性、高质量、高效率，从而创造出巨大生产力。现在柔性化不仅是指企业的制造技术柔性化，还包括生产方式柔性化，管理模式柔性化。4.5 动态化由于先进制造技术本身是针对一定的应用目标、不断吸收各种高薪技术逐渐形成、不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。4.6 虚拟化虚拟制造系统（VMS）是指在虚拟环境下，以图形虚拟和仿真技术为前提，通过不消耗实际资源和能

15、量的生产活动，生产可视的虚拟产品，并具有现实制造系统所具有的一切特征、功能及运行机制从而做出可制造性和可装配性评价及产品性能预测，做出收益和风险评价，并发现潜在的问题。VMS是集CAD/CAM技术、计算机技术、可视技术、并行工程、快速原型虚拟逼真设计等多学科先进技术的综合应用。具关键技术中最核心的是：虚拟环境下服务于产品全生命周期的建模、分布式并行协同求解技术、全局最优化决策理论与技术，实现虚拟制造系统对实际制造系统映射的虚拟设备、虚拟传感器、虚拟车间和工厂的建立基于真实动画感的产品制造、装配、生产调度过程仿真等。VMS的应用可以缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高对市场变化的响

16、应能力。4.7 智能化智能制造是指综合利用各个学科、各种先进技术和方法，解决和处理制造系统中的各种问题。系统能领会设计人员的意图，能够检测失误，回答问题，提出建议方案等。智能制造技术旨在将人工智能融进制造过程的各个环节，通过模拟专家的智能活动，取代或延伸制造环境中的部分脑力劳动，从而在制造过程中，系统能自动监测其运行状态，在受到外界或内部激励时能够自动调整其参数，以期达到最佳状态，具有自组织能力。4.8 绿色化绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源利用的一种现代制造模式。其主要技术是：(1)绿色设计技术。在产品设计阶段就考虑在其生命周期全过程的无污染、资源

17、低耗和回收。(2)清洁生产技术。清洁生产(CleanProduction)或称清洁工艺(CleanTechnology)技术，是近年来，根据社会、环境要求而发展的一种新型生产技术。它与一般的环保技术的区别在于要求将加工过程产生的废物减量化、资源化、无害化，使污染尽量消灭在生产过程之中，以达到末端排放最小的目的。(3)拆卸回收技术。(4)生态工厂的循环制造技术。(5)ISO140000环保管理标准。4.9 快速化快速化是指对市场的快速响应，对生产的快速重组。它要求生产模式有高度的柔性与高度敏捷性。快速化能强有力地推动着制造技术的进步与发展，它是先进制造技术发展的“动力”。4.10 全球化新世纪制

18、造业将从单一企业或企业集团为主的竞争模式发展成为完全调和、多企业共同合作的全球化生产体系的竞争，全球化的制造系统将成为21世纪的主要制造模式。面向全球制造环境(GME)的制造技术主要有：面GME企业动态联盟；面向GME的并行产品设计技术；面向GME的异地设计与制造技术；面向GME的产品信息集成技术；面向GME的并行产品集成开发系统等。先进制造技术的竞争正在导致制造业在全球范围内的重组，新的制造模式不断出现，更加强调实现优质、高效、清洁、灵活的生产。5 .结束语近几十年来，以微电子、信息、新材料、控制论、系统科学等为代表的科学与技术的迅猛发展及其在制造领域的广泛渗透、应用、融合与衍生，极大地拓展了制造活动的深度和广度，急剧地改变了现代制造业的设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产生了一大批新的先进的制造技术和制造模式。新世纪的制造业将成为发展速度快、技术创新能力强的技术密集