先进制造技术及其发展趋势
发布于:2009-10-15 已被阅读: 次 

先进制造技术及其发展趋势
有制造业,就没有工业;而没有机械制造业,就没有独立的工业,即使制造业再大再多再好,也受制于人。我国这么一个大国,如果没有强大的装备制造业,特别是同高科技相应的机床制造业,我国就不可能有独立自主的制造业与工业。

  ——杨叔子

  “问渠哪得清如许?为有源头活水来!”一般认为,人类文明有三大物质支柱:材料、能源与信息。其实,应是四而非三,“制造”也应是一大支柱。可以说,没有“制造”,就没有人类。形象地讲,人是从制造第一把石刀开始的。

  制造业是“永远不落的太阳”,是现代文明的支柱之一;它既占有基础地位,又处于前沿和关键,既古老,又年轻;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。

  特别是机械制造业,尤其是装备制造业,应引起足够重视。马克思在《资本论》有一段名言,至今仍熠熠生辉:“大工业必须掌握这特有的生产资料,即机器的本身,必须用机器生产机器。这样,大工业才建立起与自己相应的技术基础,才得以自立。”生产机器的机器,我国称为机床;英文叫Machinetool,机器工具,有一定道理;德文叫Workzeugmaschine,工具机器,更有道理。机床制造业是装备制造业的心脏,可以说,没有制造业,就没有工业;而没有机械制造业,就没有独立的工业,即使制造业再大再多再好,也受制于人。也可以说,我国这么一个大国,如果没有强大的装备制造业,特别是同高科技相应的机床制造业,我国就不可能有独立自主的制造业与工业。如在信息化日益发展的今天,计算机、微电子产品在信息化中起着特别重大的作用,芯片的重要性不言而喻,而我国可说是一个无“芯”国家;预计2005年我国需要芯片365亿块,目前自给率小于20%,自主开发率约5%,关键就是我国制造不出生产芯片的装备。

  制造业,特别是装备制造业,决不是“夕阳产业”,但是,制造技术中确有“夕阳技术”,这是同信息化大潮格格不入的技术,是同高科技发展不相应的技术,是缺乏市场竞争力的技术,甚至还可能是危害可持续发展的技术。我们所谓的“先进制造技术”,其实就是“制造技术”加“信息技术”加“管理科学”,再加上有关的科学技术交融而形成的制造技术。“先进制造技术”就是这么一个交融的技术,它生机勃勃地适应与占领现代制造业市场。

  现代的制造业市场大致有五大特征。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,从而产品非大量化、分散化、个性化的生产越来越强,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。不仅涉及对传统产品用高新技术加以改造与发展而成的产品,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。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、代理制等等均属于虚拟市场。

  与此市场相应,制造业企业大致有六大特征。第一是满足“客户化”要求,这是“买方市场”必然导致的结果,“顾客就是上帝”。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。第三是既竞争、又合作地参与市场,走向“双赢”、“多赢”,这是“纳什方程”给出的结果,而不一定是或“鱼死”,或“网破”,或“两败俱伤”。第四是本土化与国际化交互,走向全球化,既竞争,又合作。第五是应用虚拟技术,以加快企业有关活动的节奏,提高产品质量,节约成本。第六,“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。

  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个方面的发展趋势与特色,现分述如下。

  “数”是发展的核心

  “数”就是“数字化”。“数字化”,数字地球,数字城市,数字工厂,数字制造,数字装备,……狂澜巨浪,势不可当。“数字化”不仅是“信息化”发展的核心,而且也是先进制造技术发展的核心。信息的“数字化”处理同“模拟化”处理相比,有着3个不可比拟的优点:信息精确,信息安全,信息容量大。

  数字化制造就是指制造领域的数字化,它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果,也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。它包含了三大部分:以设计为中心的数字制造,以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。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、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组,实现对产品设计和产品功能的仿真,对加工过程与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。对全球制造业而言,用户借助网络发布信息,各类企业通过网络,根据需求,应用电子商务,实现优势互补,形成动态联盟,迅速协同设计与制造出相应的产品。这样,在数字制造环境下,在广泛领域乃至跨地区、跨国界形成一个数字化组成的网,企业、车间、设备、员工、经销商乃至有关市场均可成为网上的一个“结点”,在研究、设计、制造、销售、服务的过程中,彼此交互,围绕产品所赋予的数字信息,成为驱动制造业活动的最活跃的因素。在此还应着重指出,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,这是使制造技术发展到制造科学的关键,而这又与数字化不可分开。

  “精”是发展的关键

  “精”是“精密化”。它一方面是指对产品、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。有了前者,才要求有后者;有了后者,才促使前者得以发展。“精”是指加工精度及其发展,精密加工,细微加工,纳米加工,如此等等。20世纪初,超精密加工的误差是10微米,30年代达1微米,50年代达0.1微米,70至80年代达0.01微米,至今达0.001微米,即1纳米。从海湾战争,到科索沃战争,到阿富汗战争,到伊拉克战争,武器的命中率越来越高,就是武器越来越“精”,可以说,关键就是打“精度”战争。再由以下一组数据可以看到微电子产品对加工精度的依赖程度,电子元件制造误差为,一般晶体管50微米,一般磁盘5微米,一般磁头磁鼓0.5微米,集成电路0.05微米,超大型集成电路达0.005微米,而合成半导体为1纳米。

  在现代超精密机械中,对精度要求极高,如人造卫星的仪表轴承,其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级;基因操作机械,其移动距离为纳米级,移动精度为0.1纳米。细微加工、纳米加工技术可达纳米以下的要求,如离子束加工可达纳米级,借助于扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜的加工,则可达0.1纳米。

  至于微电子芯片的制造,有所谓的“三超”:1、超净,加工车间尘埃颗粒直径小于1微米,颗粒数少于每立方英尺0.1个;2、超纯,芯片材料有害杂质,其含量小于1ppb,即十亿分之一;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;而没有先进电子技术与信息技术,也就没有先进制造装备。

  “极”是发展的焦点

  “极”就是极端条件,就是指在极端条件下工作的或者有极端要求的产品,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、强腐蚀等等条件下工作的,或有高硬度、大弹性等等要求的,或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的。显然,这些产品都是科技前沿的产品。其中之一就是“微机电系统(MEMS)”。可以说,“极”是前沿科技或前沿科技产品发展的一个焦点。例如,在信息领域中,分子存储器、原子存储器、量子阱光电子器件、芯片加工设备;生命领域中,克隆技术、基因操作系统、蛋白质追踪系统,小生理器官处理技术、分子组件装配技术;军事武器中,精确制导技术,精确打击技术,微型惯性平台,微光学设备;航空航天领域中,微型飞机,微型卫星,“纳米”卫星(0.1公斤以内);微型机器人领域中,脑科手术,清除脑血栓,管道内操作,窃听与收集情报,发现并杀死癌细胞;微型测试仪器,微传感器,微显微镜,微温度计,微仪器等等。MEMS可以完成特种动作与实现特种功能,乃至可以沟通微观世界与宏观世界,其深远意义难于估量。2002年,美国伯克利大学不仅制造了直径为300微米的镜头,配以微米级探针的微米级显微镜,可深入植物细胞内观察,而且正在开发直径为500纳米的镜头的纳米级显微镜。2002年美国康纳尔大学还宣布研制出原子级纳米“晶体管”,可以说,由单个原子输送电流的“晶体管”这还是首次,被我国科技专家评为2002年世界十大科技新闻之一。

  “自”是发展的条件

  “自”就是自动化。就是减轻人的劳动,强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段。自动化总是伴随有关机械或工具来实现的。可以说,机械是一切技术的载体,也是自动化技术的载体。第一次工业革命,以机械化这种形式的自动化来减轻、延伸或取代人的有关体力劳动,第二次工业革命,电气化进一步促进了自动化的发展。据统计,从1870年至1980年,加工过程的效率提高为20倍,即体力劳动得到了有效的解放;但管理效率只提高为1.8至2.2倍,设计效率只提高1.2倍,这表明脑力劳动远没有得到有效的解放。即使在美国,1984年,CAD在福特公司只占40%,通用公司34%,Chrysler也不过67%;此后,CAD发展极为迅速。今天在我国大量设计单位已“甩图板”了,CAD已十分普及了。信息化、计算机化与网络化,不但极大地解放了人的体力劳动,而且更为关键的是有效地提高了脑力劳动自动化的水平,解放了人的部分的脑力劳动。

  “自动化”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远非昔比,从控制理论、控制技术、控制系统、控制元件,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。

  “集”是发展的方法

  “集”就是集成化。它一是技术的集成,二是管理的集成,三是技术与管理的集成;其本质是知识的集成,亦即知识表现形式的集成。已如前所述,先进制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。“集成”就是“交叉”,就是“杂交”,就是取人之长,补己之短,这是发展的一大方法。目前,“集”主要指:1、现代技术的集成。机电一体化是个典型,它是高技术装备的基础,如微电子制造装备,信息化、网络化产品及配套设备,仪器、仪表、医疗、生物、环保等高技术设备。显然,在机电一体化技术中,关键往往是: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。而这些技术又同许多学科有关,又是一个“集”。2、加工技术的集成、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、电加工等等;当然,加工技术的集成只是现代技术集成的一个特殊部分。3、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等等都是“集”的典型表现。当然,管理的集成不可能不包含管理与技术的集成。

  从长远看,还有一点很值得注意,即由生物技术与制造技术集成的“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”,而非同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,作用难以估量。

  “网”是发展的道路

  “网”就是网络化。应该讲,制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路,制造业走向整体化、有序化,这同人类社会发展是同步的。制造技术的网络化是由两个因素决定的:一是生产组织变革的需要,二是生产技术发展的可能。这是因为制造业在市场竞争中,面临多方的压力:采购成本不断提高,产品更新速度加快,市场需求不断变化,客户定单生产方式迅速发展,全球制造所带来的冲击日益加强等等;企业要避免传统生产组织所带来的一系列问题,必须在生产组织上实行某种深刻的变革。这个变革体现在两方面:一方面利用网络,在产品设计、制造与生产管理等活动乃至企业整个业务流程中充分享用有关资源,即快速调集、有机整合与高效利用有关制造资源;与此同时,这必然导致制造过程与组织的分散化网络化,企业要抛弃传统的“小而全”与“大而全”这类“夕阳技术”,而集中力量在自己最有竞争力的核心业务上。一个企业有无自己最有竞争力的核心业务,这是关键,“山不在高,有仙则名;水不在深,有龙则灵。”科学技术特别是计算机技术、网络技术的发展,使得生产技术发展到可以使这种变革的需要成为可能。

  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、产品生命周期管理共同构成了制造的增殖链。它具有两大优点:商务的直接化与透明化,这对降低成本、加快流通、提高效率、增加商业机会大有好处,从而对企业内部重组、经营战略与竞争模式有着深刻影响。但是,我国在电子商务的应用上,还存在一系列问题,使其没有得到应有的应用;这些问题大致是:在宏观层面上,不够统一;在企业层面上,“用”“体”分离;在社会服务体系上,服务滞后;在软环境上,商务活动缺法又乏诚;在商业模式上,电子商务规模大于其效益,形成泡沫;而在基础设施上,又十分缺乏,形成瓶颈。

  制造技术的网络化不可阻挡,它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。正因为如此,对我国而言,大力发展“中场产业”,使之具有精湛的最强有力的核心业务,不失为发展机械制造业的重要战略之一。

  “智”是发展的前景

  “智”就是智能化。制造技术的智能化是制造技术发展的前景。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。

  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、自组织与超柔性;4、学习能力与自我维护能力;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;当然,目前还只能算初步。但潜力极大,前景广阔。

  随着知识经济时代的初露端倪,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,从而智能化制造的价值日益攀升。目前,特别是分布式数据库技术、智能代理技术和网络技术等发展,将突出知识在制造活动中的价值地位。知识经济是继工业经济后的主体经济形式。尽管智能化制造道路还很漫长,但是必将成为未来制造业的主要生产模式之一。

  “绿”是发展的必然

  “绿”就是“绿色”,“绿色”是从环境保护领域中引用来的。人类社会的发展必将走向人类社会与自然界的和谐。人与人类社会本质上也是自然世界的一个部分,部分不能脱离整体,更不能对抗与破环整体。《老子》讲的“无为”就是这个意思,即不去“为”违背客观规律之“为”。人类必须从各方面促使人与人类社会同自然界和谐一致,制造技术也不能例外。

  制造业的产品从构思开始,到设计阶段、制造阶段、销售阶段、使用与维修阶段,直到回收阶段、再制造各阶段,都必须充分计及环境保护。所谓环境保护是广义的,不仅要保护自然环境,还要保护社会环境、生产环境,还要保护生产者的身心健康。在此前提与内涵下,还必须制造出价廉、物美、供货期短、售后服务好的产品。作为“绿色”制造,产品还必须在一定程度上是艺术品,以与用户的生产、工作、生活环境相适应,给人以高尚的精神享受,体现着物质文明、精神文明与环境文明的高度交融。每发展与采用一项新技术时,应站在哲学高度,慎思“塞翁得马,安知非祸”,即必须充分考虑可持续发展,计及环境文明。制造必然要走向“绿色”制造。

  上面所讲的数、精、极、自、集、网、智、绿这8个方面彼此渗透,相互依赖,相互促进,形成一个整体;而且,它们是服务于制造技术的,此即,“机械”是基,“制造”是础,这8个方面是一定要扎根在“机械”和“制造”这个基础上;这就是说,要研究与发展“机械”本身与“制造”本身的理论与机理,而且这8个方面的技术要以此理论与机理为基础来研究、来开发、来发展,要与此基础相辅相成,最终是要服务于制造业的发展。离开“机械”与“制造”的本身去研究、去开发、去发展这8个方面的技术,都是迷失了方向的。

  讲演者小传

  杨叔子1933年出生。教授,中国科学院院士。1956年毕业于华中工学院机械系。1981年赴美国Wisconsin大学(Madison)作访问学者。1991

  年获政府特殊津贴。1993年至1997年任华中理工大学校长。现任华中科技大学学术委员会主任委员。出版论著5部,教材5种。发表论文400余篇。曾获国家自然科学奖、国家发明奖、国家图书奖和省部级科技进步奖共18项。

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