先进制造技术发展趋势探讨论文

先进制造技术的发展趋势顾新建 李 晓（浙江大学机械系，浙江 杭州310027）摘 要：对先进制造技术的特点、体系结构和发展趋势进行了简要分析，并对其中的计算机集成制造系统和大批量定制技术的发展现状作了简要介绍。关键词：先进制造技术；计算机集成制造系统；大批量定制1 先进制造技术的发展趋势先进制造技术是传统制造业不断地吸收机械、信息、材料及现代管理技术等方面最新的成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想技术经济效果的前沿制造技术的总称。从本质上可以说，先进制造技术是传统制造技术、信息技术、自动化技术和现代管理技术等的有机融合。先进制造技术是制造业21世纪发展的方向。先进制造技术的特点如下：�(1)先进制造技术贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维修等全过程, 成为“市场—产品设计—制造—市场”的大系统。而传统制造工程一般单指加工过程。�(2)先进制造技术充分应用计算机技术、传感技术、自动化技术、新材料技术、管理技术等的最新成果, 各专业、学科间不断交叉、融合, 其界限逐渐淡化甚至消失。�(3)先进制造技术是技术、组织与管理的有机集成，特别重视制造过程组织和管理体制的简化及合理化。先进制造技术又可看作是硬件、软件、人件和支持网络（技术的与社会的）综合与统一。�(4)先进制造技术并不追求高度自动化或计算机化，而是通过强调以人为中心，实现自主和自律的统一，最大限度地发挥人的积极性、创造性和相互协调性。�(5)先进制造技术是一个高度开放、具有高度自组织能力的系统，通过大力协作，充分、合理地利用全球资源，不断生产出最具竞争力的产品。�(6)先进制造技术的目的在于能够以最低的成本、最快的速度提供用户所希望的产品，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，并取得理想的技术经济效果。�美国从90年代初相继提出了先进制造技术计划、TEAM计划、下一代制造(NGM)技术计划、美国国家关键技术等，德国提出了“生产2000”计划、“生产2000+”计划、“微系统2000”计划等、日本提出了智能制造系统计划、韩国提出了高级先进技术国家计划（G-7计划）等〔1〕。图1为先进制造技术的体系结构。�美国乔治·华盛顿大学于90年代初成立了由45位著名的未来学家和技术专家组成的新兴技术预测委员会，在1996年的预测中，从可以预见到的最重要的技术进步中挑选85项将要出现的技术。共分为12个大类。其中在第八大类：制造业与机器人中有如下技术〔2〕：(1)计算机集成制造系统。在2012年，80%的工厂生产将实现计算机集成化；�(2)生产自动化。到2015年，由于实现了生产自动化，工厂的就业人数在劳动力总人数中所占的比例将下降到10%以下；�(3)大批量定制。到2011年，汽车、电器等30%以上的产品将广泛实现大批量定制生产；�(4)先进的机器人。到2016年，带有传感输入、具有决策和学习功能、可移动的机器人将投放市场；�(5)纳米技术。到2016年，微型机器和纳米技术将投入商业应用。可以认为，这五种技术是最重要的先进制造技术。限于篇幅，这里仅对计算机集成制造系统和大批量定制作一简单的介绍。这两种技术对企业的影响范围较大，有较大的适用性。先进制造技术的发展趋势可以概括为：�(1)数字化。在这方面，人们提出了CIMS、数字化工厂等概念。通过CAX(CAD,CAPP,CAE, CAM)系统和PDM系统，进行产品的数字化设计、仿真，并结合数字化制造设备，进行自动加工。并采用MRPII/ERP系统，对整个企业的物流、资金流、管理信息流和人力资源进行数字化管理。进一步的发展是，通过数字化的供应链管理(SCM)系统和客户关系管理(CRM)系统，支持企业与供应商和客户的合作。网络技术的发展使企业内部和外部的数字化运作更加方便。�(2)知识化。知识将成为企业的最重要的生产要素，技术创新将是企业最重要的生存和竞争能力。知识管理技术、学习型组织等将受到越来越大的重视。�(3)模块化。产品的模块化和企业的模块化将使企业能快速地、低成本地生产出顾客所需要的个性化产品。�(4)微小化。微机械及制造技术正在迅速发展，这将导致一大类全新的产品，深刻改变人们的生活。�(5)绿色化。强调产品和制造过程对环境的友好性。2 计算机集成制造系统(CIMS)自从美国的Harringtong博士在1973年提出CIMS概念以来，CIMS在世界上走过了曲折的道路，人们对CIMS的本质认识有了巨大的变化，主要是：现代制造业的方向并不只是计算机的集成，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〕。由于计算机集成制造系统这一词容易使人误解，以为只要将计算机集成在一起就能构造成一个先进的制造系统。为此，我国的一些学者提出了现代集成制造系统（CIMS，Contemporary Integrated Manufacturing Systems）的概念。当前，CIMS的发展有以下特点。 集成化CIMS中有以下几个关键的信息集成系统。CIMS在这些系统的基础上进一步实现企业的总体集成。�（1）ERP（企业资源计划）系统：国外有名的系统是SAP,Oracle,Baan,IBM等，国内有金蝶、用友、开思等。ERP 系统集成了企业中的生产管理、财务、人事、采购、销售等子系统。系统涉及面广，十分庞大，对人员素质、数据和流程规范性要求高，因此实施难度大，成功率不高。�（2）CAD/CAPP/CAM一体化：目前虽然有些CAD系统可以支持CAD/CAPP/CAM一体化，但主要针对基本上都采用数控加工的零件，如PRO/E软件。由于不同产品中的零件差别很大，每个企业的加工条件和水平也不相同，因此复杂零件的CAD/CAPP/CAM一体化还没有通用的系统。�（3）PDM（产品数据管理）系统：被用于管理和控制由CAX(CAD、CAPP、CAE、CAM等的统称)系统所形成的大量的信息，避免花费很多时间去寻找本应该垂手可得的信息。PDM是设计自动化技术系统的核心，在产品的整个生命周期内管理全部的产品知识和信息，并为产品开发过程中的各个应用系统提供所需的数据，为不同应用系统提供集成平台。PDM系统以产品数据库为底层支持，以BOM为组织核心，把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来，实现产品数据的组织、控制和管理。PDM系统一般是由CAD软件开发商所开发的。因此，同一软件公司的CAD系统和PDM系统能很好的无缝集成，而来自不同软件公司的CAD系统和PDM系统间的集成性就差多了。PDM系统的实施难度比CAD系统要大，因为前者涉及管理、组织等问题。（4）工作流管理系统：主要用于办公自动化，是企业管理层的信息集成系统。目前工作流管理系统与知识管理系统紧密结合起来，使企业的知识得以共享和保存。� 网络化以因特网为代表的网络技术正在制造业中产生越来越大的影响。人类正在进入一个新的时代——网络经济时代，在制造业中，也正在出现一种新的模式——网络化制造模式。在网络化制造中，新的网络空间与传统的物理空间紧密结合，产生出各种新思想、新观点、新方法和新系统。制造企业将利用因特网进行产品的协同设计和制造；通过因特网，企业将与顾客直接联系，顾客将参与产品设计，或直接下订单给企业进行定制生产，企业将产品直接销售给顾客；由于因特网无所不到，市场全球化和制造全球化将是企业发展战略的重要组成部分；由于在因特网上信息传递的快捷性，并由于制造环境变化的激烈性，企业间的合作越来越频繁，企业的资源将得到更加充分和合理的利用。企业内联网(Intranet)/外联网(Extranet)也将极大地改变企业内的组织和管理模式，将有效地促进企业员工的信息和知识的交流和共享〔5〕。 敏捷化进入21世纪，企业将面对日益激烈的国际化竞争的挑战，另一方面，企业可以利用制造全球化的机遇，专注发展自己有优势的核心能力及业务，而将其它任务外包和外协。企业将变得更加敏捷，对市场的变化将有更快的反应能力。但这些需要新的信息技术的支持，如供应链管理系统，促进企业供应链反应敏捷、运行高效，因为企业间的竞争将变成企业供应链间的竞争；又如客户关系管理系统，使企业为客户提供更好的服务，对客户的需求作出更快的响应。 虚拟化虚拟制造可以简单地理解为“在计算机内制造”，通过应用集成的、用户友好的软件系统生成“软样机”，对产品、工艺和整个企业的性能进行仿真、建模和分析。虚拟制造包括：虚拟设计、虚拟装配和虚拟加工过程。新产品的开发需要考虑很多因素。例如在开发一种新车型时，其美学的创造性要受到安全性、人机工程学、可制造性及可维护性等多方面的制约。在虚拟设计中，利用虚拟原型在可视化方面的强大优势以及可交互地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、制造和功能等方面的交互建模与分析，快速评价不同的设计方案，可以从人机工程学角度检查设计效果，设计师可直接参与操作模拟，移动部件和进行各种试验，以确保设计的准确性。这种技术的特点是：①及早看到新产品的外形，以便从多方面观察和评审所设计的产品；②及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题；③及早对产品的可制造性有清楚的了解。美国波音飞机公司在设计波音777飞机中采用了虚拟制造技术。采用飞行仿真器及虚拟原型技术在各种模拟的条件下，对飞机进行飞行试验。� 智能化例如，随着CAD系统中知识的积累，CAD系统的智能化程度将大幅度提高。这种智能化具体表现为：①智能地支持设计者的工作，而且人机接口也是智能的。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；②具有推理能力，使不熟练的设计者也能做出好的设计来。� 绿色化包括绿色产品和绿色制造。要求产品的零部件易回收、可重复使用、尽量少用污染材料、在整个产品的制造和使用过程中排废少、对环境的污染要尽可能的小、所消耗的能量也尽可能的少。要求制造和使用具有洁净性。产品和制造过程的绿色化，不仅要求企业把环境保护当作自己的重要使命，同时也是企业未来生存和发展的战略。因为不注意环境保护的企业将被市场所淘汰。�3 大批量定制当前我国已进入买方市场，一般产品和一般的制造能力严重过剩；随着市场竞争的国际化，用户可以在更广泛的范围内选择自己需要的产品，用户对产品的质量、价格和新颖性的要求越来越高。许多企业都在探索如何在这种新环境中生存和发展。大批量定制(MC, Mass Customization)就是一种很有前途的生产模式。大批量定制又称大规模定制、大规模客户化生产、批量定制、批量客户化等〔6〕。从理论上讲，大批量定制要实现以大批量的低成本和短交货期生产用户定制的单件产品，但实际上，大批量定制可以看作是一种低成本、快速满足用户个性化需求的产品设计、制造和营销的新概念、新模式和新实践。大批量生产和单件产品的定制生产一直是两种水火不相容的生产方式。实现大批量定制不仅仅是技术问题，还涉及到组织、管理和技术的全面变革。真正实现大批量定制也并非是一个企业的事情，需要全行业、全社会的共同努力。因此，大批量定制是一个大系统工程。�大批量定制从产品和过程两个方面对制造系统及产品进行了优化，或者说产品维（空间维）和过程维（时间维）的优化。其中，产品维优化的主要内容是：�(1)正确区分用户的共性和个性需求；�(2)正确区分产品结构中的共性和个性部分；�(3)将产品维的共性部分归并处理；�(4)减少产品中的定制部分。�过程维优化的主要内容是：�(1)正确区分生产过程中的大批量生产过程环节和定制过程环节；�(2)减少定制过程环节，增加大批量生产过程环节。�图2描述了大批量定制中的产品维和过程维优化的基本原理。这里将企业产品中的各种零部件分为两大类，一类是通用零部件，另一类是定制零部件。产品维优化方向是减少定制零部件数。这里还将产品的生产环节分成两部分，一部分是大批量生产环节，另一部分是定制环节，过程维优化方向是减少定制环节数。大批量定制的实质是要减少图2中的小矩形面积，理想的情况是该面积为零，但这实际上是不可能的。�大批量定制的典型案例有：�(1)美国莱维·斯特劳斯(Levi Strauss)服装公司：该公司可以向用户提供多达近千种不同的款式、花色，加上量体裁衣的服务，以保证用户获得称心如意的牛仔裤。用户只需多付10美元即可根据腰围等个人尺寸在流水线上定制。公司的营业额上升了三成，库存急剧减少，经营成本大幅降低。�(2)宝洁公司（P＆G）：把洗发剂的配方增加到5万多种，只要顾客能拿出头发的油性酸性指标，就可以按通常价格给顾客定制专用洗发剂。�(3)日本松下自行车工业公司：每辆车都是根据用户的身体重量和爱好特制的，价格仅比现成的型号高10%，两星期内交货。不同定制的自行车中，大量零部件则是采用标准化战略进行设计和制造的。�(4)福特公司：发动机的模块化设计，即对6缸、8缸、10缸和12缸等不同规格的发动机结构进行调整，使其绝大部分组件都能通用，以尽可能少的规格部件实现最大的灵活组合。不同规格的发动机可在一条生产线上加工。每年节约数亿美元〔7〕。�(5)海尔集团：以58大门类9200个规格品种为素材，再加上提供的上千种“佐料”——2万多个基本功能模块，经销商和消费者可自由地将这些“素材”和“佐料”组合，形成独具个性的产品。目前可以提供适合B2B2C的模块化网络家电9万种以上。�(6)波音公司：面对结构复杂、品种繁多、零件数以百万计的大型民用客机，将飞机中的零部件分为三类：第一类是基本的、稳定的无个性特性件、第二类是用户的可选件、第三类是用户特定的零部件。由于前两类的数量占了一架飞机的工作量90%左右，这样接到订单90%的工作量已经完成或接近完成，这就大大缩短了生产周期，库存量也不高，生产成本也降低了。并且波音公司在飞机模块化设计的基础上，开发了一个飞机配置设计及制造资源管理系统。波音的销售代表在与用户谈判时，可以利用便携式计算机上的这个软件系统与用户协同配置飞机。这一软件能直接从构型库中存取数据。销售人员能向用户展示各种选项将如何影响飞机的价格和重量。这些信息有助于用户作出考虑周全的经营决策。参考文献1 顾新建，祁国宁.知识型制造企业. 北京:国防工业出版社，20002 晓科. 美国专家预测2001年至2030年间将出现的新兴技术. 中国专利报, 1998-02-18(1)3 顾新建，祁国宁，等. 机械制造系统工程学.杭州：浙江大学出版社，19964 祁国宁，顾新建.计算机集成制造系统方法论. 上海：上海科学技术出版社，19965 顾新建，祁国宁，陈子辰. 网络化制造战略和方法. 北京：高等教育出版社，20016 〔美〕大卫 M. 安德森, B.约瑟夫.派恩.21世纪企业竞争前沿：大规模定制模式下的敏捷产品开发. 北京：机械工业出版社， 20007 薛福康. 登上世界汽车工业的金字塔—记著名美籍华人汽车专家顾永平.光明日报，1999-05-02(1)8 宜君. 海尔洗衣机：从专为您设计到个性化按需定制. 人民日报网络版，2001-09-05中国航天冲压发动机技术研讨瞄准世界前沿当前，各国研制的以导弹武器为代表的飞行器，都在向着更快、更远、更准、更高的目标进发，而实现这一目标的关键技术之一，就在于发动机技术水平的不断提高。8月4日，由航天科工集团公司主办、三院31所承办的我国冲压发动机领域的盛会——2005年冲压发动机技术交流会，吸引了国内数十家科研院所、企业高校的约140名专家、学者到会。航天科工集团公司科技委主任夏国洪、副主任花禄森、黄瑞松参加了会议。航天产品，动力先行。我国一直非常重视冲压发动机技术的发展，上世纪50年代末，三院31所率先开展了冲压发动机技术的研究，被业界称为“亚非拉，头一家”。经过40多年的发展，现已建立了比较完备的研发体系，研制出多种冲压发动机装备用于型号产品，多项研究成果获得国家科技进步奖。“目前，各国研制的导弹武器都向着速度更快、射程更远的方向发展，同时，未来的航天运输系统也需要先进的动力系统来支撑。因此，冲压发动机以其特有的先进技术，将成为21世纪航空航天动力的宠儿。”31所所长薛亮对冲压发动机的发展前景做了前瞻式的预测。其实，冲压发动机技术的“热度”从本次会议收到的100多篇论文中也可见一斑。许多专家学者都把目光瞄准了世界前沿水平。其中，刘兴洲院士所作的《冲压发动机技术研究进展》，从未来战争的一体化、信息化、中远程精确打击等特点出发，引申出冲压发动机的发展需求，并对冲压发动机的一体化设计、燃烧、燃料、材料、控制、试验等技术前沿领域进行了介绍和展望，向与会代表描绘了未来冲压发动机的发展蓝图。本次会议交流研讨的学术气氛浓厚，许多论文水平较高，是对我国近年来冲压发动机的前沿研究、产品设计和工程实践的经验总结；同时，本次会议使各单位增进了了解，对今后加强合作，促进信息、资源、技术和市场的共享将起到积极作用。