世界工业先进制造技术发展简介:迄今为止，人类所拥有的物质和精神文明都是人类创新成果的历史沉淀和发展。在世界范围内，永不止息的创新活动正创造着人类现代文明和更加灿烂的明天。本文着重讨论与当代经济发展关系最为直接，影响也最为广泛和深远的现代技术与工业创新之典范—先进制造技术。先进制造技术（advanced manufacturing technology）这一概念是美国于80年代后期首先提出的。然而其概念的进化和创新技术要素的形成、集成和发展是渐进的。对历史作一简要回顾将有助于我们对先进制造技术本质和特点的理解，有助于对其发展趋势和基本要素的把握，有助于制订和实施符合实际的发展战略和策略。一、历史的回顾 制造技术为满足社会需求服务，而又依赖于社会需求和生产力发展的水平，依赖于科学技术发展的整体水平。在石器时代，人类利用天然石料和动植物骨骼、纤维、枝杆制作简单工具，生产方式以采集和利用自然为主。到了青铜器和铁器时代，人们开始采矿、冶金、铸锻工具、纺织成衣，打造工具与车船，采取作坊式手工生产方式，满足以农业为主的自然经济。1765年瓦特发明蒸汽机，为机器大生产提供了动力，纺织业、机器制造业取得**性的变化—引发了一场工业**。由于航海业的发展，市场也扩大了，需求刺激了工业创新的浪潮。英国成了当时世界纺织、造纸和印刷、煤炭和钢铁生产的中心。制造业也得到了发展，焦煤炼铁、蒸汽锻锯、切削机床相继问世。近代制造业初步形成。19世纪电磁效应的发现，法拉第电磁感应定律和麦克斯韦尔电磁场理论的建立，为电机的发明奠定了科学基础。1866年德国的维尔纳-西门子发明了自激发电机，1878年**生发明白炽灯，1882年在纽约建立了世界上第一座商业性发电站，电气化的时代来到了。电力与电机改变了机器结构，开拓了机电制造业的新时代。19世纪末，20世纪初内燃机发明（1876年德国工程师奥托发明四冲程煤气内燃机，1883年戴姆勒发明了汽油机），汽车开始进入欧美家庭，引起了制造业新的**，自动机床、自动线相继问世，工业制造泰勒制管理理论应运而生，并为二次大战期间的大规模军工生产制造准备了技术条件和管理经验。二战后人类很快迎来了电子和信息时代。通讯的普及，电子技术的发展，计算机的发展和应用，半导体集成电路的出现，市场需求的多元化和商业竞争的激烈，引起了产品结构和产品制造的一场**，机电一体化（mechatronics），nc，cad/cam的时代到来了。适应多品种生产的柔性制造系统（fms）出现了。日本汽车制造业就是依靠小型化、省油设计及能灵活满足用户多样化需求的fms制造技术超越了汽车大国美国。借助计算机为核心实现信息、物流、工艺集成为特点的计算机辅助集成制造系统（cims）技术出现了，进而又出现了平行工程（concurrent engineering）、敏捷制造系统（agile manufac－turing）、清洁生产（clean production）等概念。如果我们将制造技术发展阶段和社会经济发展阶段互相对照，便可发现：在资源经济时代，社会需求主流为温饱型，产品粗放，品质单一，生产技术相对落后，手工生产辅以简单机械化设备，以机械替代繁重体力的近代工业制造方式。在能源经济时代，社会需求主流转为小康型，产品质量要求提高，数量激增，但在款式、造型等方面的要求尚处次要，采取电气机械自动化，刚性生产线为特征，机器不但替代繁重体力劳动，提高生产效率，而且在保证质量一致性方面发挥着重要作用。制造业进入现代工业生产方式。市场仍是卖方主导方式。社会进入信息时代，社会需求主流转向富裕型，商品需求多样化要求上升，质量、款式、交货期、品质价格比成为市场竞争的决定性因素，产品和制造过程的环保、物耗、能耗要求更加严苛。制造技术进入后现代化方式。生产过程要求以灵捷、清洁、高效、优质、廉价以赢得市场。社会已转为买方市场。对应三个经济时代的制造技术，对于全世界而言，按发达**的状态可比较清晰地分辨出转换期，但对不同**和地区而言，其过渡和重叠期可延续相当长的历史时期。我国从整体上看，尚处在相应能源时代的制造水平，但在某些行业和先进企业恰已采用了适应信息时代的先进制造技术。国际化的剧烈经济竞争，要求我们尽早采用具有**特点和行业特点的先进制造技术。二、先进制造技术的特征和技术要素 制造业是国民经济的基础产业，凡是制造物质产品的行业均可称为制造业。制造业不仅生产消费类产品满足市场需求，为产业部门提供生产设备，为农业与公共工程提供工程设施，为第三产业提供技术装备与服务设施，为交通运输部门提供汽车、船舶和飞机及相关的道路、机场、港口设备，为科学研究部门提供科研设备和仪器，为**疗、环保部门提供诊断、治疗、检查和治理设备，为国防提供武器和装备。制造技术的水平和制造业的实力反映一个**的生产力水平、国防能力，决定着**的经济竞争力和综合国力的强弱。决定一个**的产品质量、竞争能力，决定人民的生活水平、质量。先进制造技术是制造技术的最新发展，其概念超越了传统的制造技术和工厂和车间的边界。包容了从市场需求、创新设计、工艺技术、生产过程组织与监控、市场信息反馈在内的工程系统。是以先进制造工艺技术、计算机应用技术为核心的信息、设计方法、工艺技术、物流工程及相应的管理工程集成的现代制造工程，是不断更新发展的高技术体系。先进制造技术依托迄今为止的材料、器件、设计理论与方法、制造工艺、企业管理、市场行销、计算机技术、讯息技术等技术进展，是先进技术的工程集成。先进制造技术通过技术和管理的优化组合，期望通过产品品质、成本、交货期、性能价格比的优化，取得最佳市场竞争力。先进制造技术既面向市场，又面向产品和行业的生产特点。如对于汽车工业、电子工业、纺织工业、食品工业等显然既有共性又各有特点的产业。先进制造技术是不断吸取机械设计、工艺技术、电子、信息、材料、能源及现代化管理等方面的科技成果，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，实现优质、高效、低耗、清洁、灵捷生产，取得具有市场竞争能力的经济技术综合效果的现代制造技术。其本质是：信息＋制造工艺技术＋物流技术＋现代管理技术之集合。近30年来先进制造技术大体经历了4个发展阶段：1）以数控机床、加工中心和工业机器人为代表的柔性制造单元阶段（cam）（60—70年代）。2）以柔性制造单元加自动或半自动物流输送组合而成的柔性制造系统（fms），仍以分布式生产过程控制为特点。（70-80年代）。3）信息、工艺、物流、计算机集成控制为特点的集成阶段（cims）（80—90年代）。4）以设计智能化、单元加工过程智能化和系统整体管理智能化为特征的智能集成制造系统阶段。在发达**第一、第二阶段，技术已经成熟并实现了产业化，第三阶段也尚在开发完善阶段，智能化集成制造技术尚在研究探索中。有人将计算机智能集成制造技术称为21世纪的先进制造技术。先进制造技术要素与前沿：—现代设计理论与方法 先进的设计是决定产品品质、环境相容性、经济性、适应需求的基础，设计的水平、质量和效率是决定产品自主开发能力和市场竞争能力的首要环节。现代设计理论与方法表现为功能结构和价格、安全性、环境相容性、工业造型等的综合优化设计；表现为设计过程、开发过程与生产过程的紧密结合趋势；表现为计算机辅助设计工具和包容丰富的数据库支持体系在内的cad技术。出现了：*并行工程（ce）概念 即将产品的市场分析、设计、工艺设计、生产计划与加工、质量保证和检测等同步规划，实现产品设计开发过程的并行实施，缩短产品开发周期。虚拟制造技术（virtual manufacturing）以计算机三维虚拟现实和多媒体技术实现建模、**，虚拟产品造型、结构、功能及工艺过程，从而压缩或甚至取消制作原型机的过程或原型机的制造系统，从而缩短设计-制造周期，降低投资和开发成本。先进制造工艺 先进制造工艺与设备是先进制造系统的装备与工艺基础，是实现优质、高效、低耗、清洁生产的基础，是保证产品质量和市场竞争的基础。因此，先进的制造工艺和设备是计算机集成制造技术的另一根支柱。少无余量精密成型技术 金属超塑性的发现，金属精密铸锻冲压工艺的进步，已可实现不经切削加工或极少加工余量即可成形装配，这是实现高效清洁生产的关键技术。涉及合金材料、模具、成型工艺及设备等技术。精密、超精密加工技术 大致可分3个层次，一是用于汽车、飞机、精密机械的微米级（μm）精密加工；二是用于磁盘磁鼓制造的亚微米级（0.01μm）精密加工；三是用于超精密光电子器件的毫微米级（0.001μm）精密加工。新型材料的成型与加工技术 如高分子材料、复合材料、工程陶瓷、超硬材料的成型和加工。新型材料的采用，不仅改变产品结构和性能，而且使工艺发生了**，成本显著下降。构件或材料之间的联接技术 在复合材料式精密零件之间的粘接、精密焊接、铆接等联接技术。表面新技术 表面的改性、修饰、涂层技术（外延、溅射、原子沉积、离子注入、光刻等）。自动控制技术*传感及控制技术 工业用传感器、反馈执行单元，无损、非接触在线检测技术。测量及检验技术 数字化接触及非接触式精密尺寸、轮廓测量仪、检验软件。焊接、搬运、装配机器人 有视觉或传感功能的焊接装配机器人，及快速、准确定位的气动、液动、电动搬运系统。环保技术 清洁生产，废弃物控制与回收。信息技术和综合自动化 在数据库技术，接口与通讯，集成框架软件工程，人工智能专家系统和神经网络，决策支持系统，系统监督与诊断等基础信息技术的基础上，实现将企业内外市场、技术、生产、经营有机集成，实行统一控制与协调的cims。并在此基础上引入智能技术，使cims具有自动监测、补偿、优化、保护等功能，进一步提高系统的质量、效率和可靠性，即智能制造系统（ims）。管理技术 包括数据标准、工艺标准、质量标准、生产计划与控制、质量管理、市场分析、用户与员工培训等先进管理基础要素。最终形成*精益生产或敏捷制造技术 前者以准时生产（jit）、成组技术（gt）和全面质量管理（tqm）为支柱，并引入并行工程和整体优化概念。在空间上和时间上合理配置和利用生产要素，发挥以人为核心的整体制造系统效益。后者以柔性生产技术和动态组织结构为特点以高素质协同良好的工作人员为核心，实行企业间网络集成，形成快速响应市场的社会化制造体系。表2、3分别列出美国的先进制造技术计划（amt），韩国高级先进技术**计划（g—7）和日本的智能制造技术计划（ims）。（1）美国的先进制造技术（amt）计划 amt计划是美国联邦**科学、工程和技术协调委员会（sccset）的六大科研和开发计划之一，于1992年6月获批准实施。其目的是加速先进制造技术的发展与应用，提高制造业的能力，以满足**的需要。amt计划1994年度财政预算为13.85亿美元，有商业部、**、能源部、内务部、**、环保局、宇航局及**科学基金会等8个联邦**机构介入，各机构结合本部门的情况制定了具体的专项计划。1995年教育部、劳动部、运输部等5个机构加入了该计划。（2）韩国g7计划中的先讲制造系统专项计划 韩国于1991年8月正式提出实施“高级先进技术**计划”，即著名的g7计划。g7制成品技术开发计划中的“先进制造系统”项目是一个将市场需求、设计、车间制造和分销集成在一起的系统，旨在改进产品质量，提高生产率，增强国际竞争力，使韩国的制造技术达到世界一流水平。该项目由韩国工商部主管，投资总额为5.95亿美元，其中**资助2.77亿美元，企业筹集3.18亿美元。（3）日本的智能制造系统（ims）计划 日本在优先发展先进制造技术的三个“振兴法”的基础上，于1990年提出了智能制造系统（ims）计划，其目的是要把日本的制造技术同美国软件技术和西欧的精密仪表等特长结合起来，创造出先进的智能制造系统，1993年3月，日、美等**在东京建立了一个**的制造中心，并对全功能通用控制系统、加工过程的无污染制造、全球集成制造、全局并行工程、设计制造知识库、快速成型技术等6个项目开发研究，投资10亿美元。这6个项目共有来自各参加国的73个企业和67个大学、研究机构参加，经过近两年的实施，均获得了成功。该计划经过5年调研和可行性试验，决定于1995年1月正式启动，为期10年，总投资为40亿美元。综观各国先进制造技术计划的制定和实施情况，可以看到，先进制造技术发展有其深刻的国际经济竞争的背景，与其它技术计划不同之处在于，它提出时即以提高国际竞争力、促进经济增长和提高**综合实力为目标，...