制造技术的发展有哪几个阶段？信息时代制造的特点是什么？

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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、机器制造业取得革命性的变化——引发了一场工业革命.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年爱迪生发明白炽灯,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,引起了制造业新的革命,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革命,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,按发达国家的状态可比较清晰地分辨出转换期,但对不同国家和地区而言,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中国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,为医疗、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国家的生产力水平、国防能力,决定着国家的经济竞争力和综合国力的强弱.决定一个国家的产品质量、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. 在发达国家第一、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、仿真,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,而且使工艺发生了革命,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）,韩国高级先进技术国家计划（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计划是美国联邦政府科学、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,以满足国家的需要. AMT计划1994年度财政预算为13.85亿美元,有商业部、国防部、能源部、内务部、农业部、环保局、宇航局及国家科学基金会等8个联邦政府机构介入,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“高级先进技术国家计划”,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,其中政府资助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、美等国家在东京建立了一个世界级的制造中心,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国家综合实力为目标,既注重技术的超前性、创新性但更注重来自产业界的实际需求,尤其是汽车工业、电子工业等支柱产业的发展需求；在技术选择上注重系统集成技术与工艺装备研究开发并重,通过信息技术和自动化技术的引入使传统工艺装备升级,并将现代化管理放在应有的位置上；同时,也可看到各国在发展先进制造技术的过程中,政府通过若干计划的实施起到了关键的引导和调控作用,并形成了一套有效的研究开发及推广应用的管理机制. 三、我国先进制造技术发展之管见 *市场经济发展为先进制造技术的发展提供了广阔的市场,提出了前所未有的需求.市场竞争对产品质量、成本、款式和交货期提出了越来越高的要求.经济的发展使中国经济迅速增长,人民生活水平不断提高,社会需求和人民消费呈前所未有的多样化并迅速发展的趋势.至本世纪末,下世纪初,中国将成为世界上最大的经济实体之一.12亿人口的巨大国内市场呼唤中国的先进制造技术,也为其发展提供了前所未有的环境和条件. *我国对外贸易不断增长,中国复关已势在必行,我国经济已逐步融入世界经济合作与竞争环境之中.至下世纪中叶,中国将完成小平同志为我国设计的第三步目标——达到中等国家的水平,并在此基础上继续前进.剧烈的国际竞争,更要求我国制造业迅速地接近和达到国际上先进制造技术的水平.否则,中国的产品很难在国际市场上竞争,甚至我国的国内市场也可能在国际竞争中被挤占和瓜分. 面对剧烈的国际竞争,我国先进制造技术的发展已刻不容缓. *现代科学技术为先进制造技术的发展提供了技术基础. 70年代以后由于微电子、计算机技术的发展,为设计、制造、行销过程的信息管理与计算机辅助设计制造创造了前所未有的条件；近代制造技术及其自动化的发展,为先进制造技术积累了现代工艺和管理文明；运筹学、专家系统、仿真技术、人工智能等发展为制造技术走向智能化创造了技术前提；先进的工艺如精密成型、超精密加工、精细焊接、表面技术、在线检测等技术的发展为制造技术提供了新的工艺基础.至80年代世界先进制造技术,已走过了起步、发展与成熟期,进入了以人机一体智能化为特征的后发展时期. *我国虽然是一个发展中国家,但经过四十多年的发展,制造技术有相当基础.尤其是近16年来,实行开放政策,经引进技术、攻关、“863”等科技计划研究开发,在现代制造技术的核心技术（NC、CAD、CAM、CAT、MIS）等已有相当基础,并建立了CIMS工程技术研究中心、机器人国家研究中心,建立了一批CIMS工厂示范工程.大学已普遍改进机器制造教育课程,引入了现代制造技术的有关内容,为现代制造技术人才培养作了一定准备. 我国是一个后发展国家,我们应该正视机遇和挑战,制定正确战略,走自主、开放、吸收、创新,迎头赶上之路. 我国是一个人口众多,而人均资源相对短缺的国家.实现第三阶段战略目标达到中等发达国家水平,必须建设起优质高效、低消耗、清洁的能灵活适应和满足社会需求和国际竞争需要的先进制造业.但我国,技改投入相对不足,原有技术基础和研究开发能力还比较薄弱,技术设备和生产管理和市场经营还相对落后.我们应该在自力更生的基础上,广泛吸收世界各国的经验,走一条具有自身特色,适合我国国情的道路： *扎扎实实发展机械制造共性基础技术,提高整个机器制造工业的素质与水平.不断更新和提高机械设计理论和方法,推广普及CAD技术,更新设计规范和准则,建立和完善现代机械设计数据库和设计工作平台和开发工具.提高制造工艺技术水平,尤其是高效、节能、精细、清洁的加工工艺,如金刚石切削精密加工、激光加工、精密切削刀具、精密模具、精密铸锻、自动保护焊接技术、在线测量技术、伺服传动、工业控制等. *踏踏实实提高制造业现代化管理水平. 现代制造技术是建筑在制造业现代化管理基础之上,又接受其保证的.因此必须踏踏实实地提高我国制造业管理水平.现代管理的核心是信息管理和物流管理、质量管理、生产过程和市场信息管理,其宗旨在于保证生产和流通过程和品质、效率.应踏踏实实建立符合现代要求,与国际接轨的科学管理模式和计算机辅助管理体系,不但是提高制造业水平和效益的有效措施,也是实施现代先进制造技术的基础.为此,应着力抓好生产模式和生产组织体制的改革和管理软件的研究开发,加强企业管理人才的教育培养与训练.全面提高我国制造业的现代文明水平,实现优质、高效、低耗、清洁、柔性生产.为先进制造技术的发展奠定良好与坚实的基础. *政府、企业与社会积极鼓励创新精神,促进设计、制造工艺管理经营、市场行销等方面的创新意识和工业创新行为. *集中力量有计划、有重点、有选择地组织引进、消化、吸收、开发和创新,建立发展起自主的现代制造自动化单元技术,发展符合我国国情特点的以人为核心的人机一体化制造自动化系统技术. 应集中力量增加投入,建立与发展我国自主的CAD、NC、CAM、CAT、MIS、加工中心、工业机器人、数字测量仪等制造自动化单元技术.引进平行工程、敏捷制造、精益（LP）生产等概念,发展经济有效的以人为核心的人机一体型FMS、CIMS系统技术.不盲目地追求所谓“全盘自动化”,重视人的智慧劳动,致力发展以人为核心,人机协调,优势互补,智能高效的现代制造系统. *选择部署若干制造业的基础、共性技术和关键技术的研究发展中心,选择建设若干具有行业制造特点的先进制造技术示范型工厂.采用国家扶持,面向市场,自主开发,滚动发展模式. 当前特别需要打破行业界线,择优选择研究开发基地、示范工厂,选一批产品市场大、效益好、管理水平较高又具有行业特点的厂家试点,例如：汽车、轻工、家电、建筑机械、电子、纺织、通讯行业等,并适当考虑地区布局以求带动一片. *完善并实施有效政策 政府应在促进制造业现代化方面起主导作用,引导扶持激励技术进步的主体——企业的自觉行为.在市场经济条件下,国家仍应制订科学的制造产业发展规划和制造技术进步总体规划和相应政策. 对于基础共性技术和关键性技术的引进消化创新,国家要增加支持强度,实行择优支持政策；对技术转移和推广应尊重和保护知识产权,实行激励技术进步、鼓励技术创新政策.即使在市场经济条件下,一些先进技术推广和技术改造仍需国家扶持,日本、德国、韩国都有过成功的先例.应采取税收优惠、快速折旧、信贷、融资、风险投资等有效经济和法规手段推动和鼓励.当前正值发达国家制造业加速向第三世界转移的时期,我们应抓住机遇,在开放中求发展,但对引进外资,建立合资企业和国际合作,应进行有利于我国制造技术进步,有利行业整体布局,有利于提高我国制造业在国际市场的竞争能力为目标的政策引导,提高我国制造业国际合作的水平、层次和整体效益. *建立和完善国内和国际市场及技术信息网与数据库. 先进制造技术是以市场为面向,又以社会为生产依托的,它是一开放的生产体系.我们应建立国内和国际市场的技术信息网和数据库.为先进制造技术的产品设计创意、生产组织经营、技术选优集成、行销服务、反馈提供必要的信息环境和发展平台.建议在北京、上海等中心城市,或选机械、电子、轻工等典型行业建立信息中心,并实行信息共享. *强化教育与培训 发展和推广先进制造技术关键在人才,不仅需要设计研究开发人才,需要工艺和设备工程师、经营管理人才,还需要大批高素质的技师和技工. 应在全国依托若干高校或制造技术工程技术研究与发展中心,更新教育内容与方法,加强高级人才的培养和继续工程教育,培养一支高素质的了解和掌握制造技术发展前沿的工程技术、经营管理和研究开发骨干队伍,提高我国制造技术创新能力和加速制造新技术推广传播的速率.同时应通过职业教育培训一大批有较高职业素养的技师和技工,使先进制造技术的发展建筑在人才保证之上.

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