標語：制造業新技術

　　□記者 曾娜

　　目前，全球以計算機集成制造系統(CIMS)為主導方向的制造業已經進入了集成化、網絡化、智能化的時代，作為制造大國，中國提升制造業技術水平和競爭能力的關鍵是新技術、新工藝的推廣和應用。特別是，先進制造技術是傳統制造業不斷吸收機械、信息、材料的現代管理技術等方面的最新成果，并將其綜合應用于產品開發與設計、制造、檢測、管理及售后服務的制造全過程。

　　在此，本刊選取了5項先進制造領域涉及面廣、應用研究十分活躍的關鍵技術——柔性制造、虛擬制造、敏捷制造、工業機器人和綠色制造，分析介紹其最新的研究成果與應用實例。

　　柔性制造

　　有關柔性制造的定義一直未形成統一的認識。不過無論如何，其主要特征是依靠有高度柔性的以計算機數控機床為主的制造設備，來實現多品種、小批量的生產。其總趨勢是：生產線越來越短，越來越簡潔，設備投資越來越少；中間庫存越來越少，場地利用率越來越高；生產周期越來越短，交貨速度越來越快；各類損耗越來越少，效率越來越高。

　　實現柔性制造可以大大降低生產成本，強化企業的競爭力。為了在殘酷的競爭中生存和發展，企業就必須研究一些低成本并且能夠快速反應的制造方法，柔性制造就是這些方法的總稱。因此，與其說柔性制造是一種生產方式，不如說柔性制造是一種制造理念。

　　20世紀60年代末至70年代初，美國、日本、前蘇聯、德國等發達國家先后開展了柔性制造技術以及裝備的研制工作。1976年，日本法納科公司展出的柔性制造單元為發展柔性制造提供了設備基礎。1980年代，隨著柔性制造技術的成熟，柔性制造得到了迅速發展，并主要應用于飛機、汽車制造等。

　　以汽車制造業為例，依靠計算機、加工中心和數控機床組成的柔性自動加工系統，使從前的單一品種大批量的生產方式，轉向中小批量、多品種、適應市場要求的精益生產方式，使汽車生產企業的經濟效益和管理水平有了較大提高。

　　國外汽車工業中，主要汽車廠商如通用、福特、

寶馬、奔馳等公司都采用了柔性制造系統。例如，日本汽車業在1970年代開始大力發展柔性制造，到1987年已經形成較大規模，擁有數控機床2萬余臺，柔性制造生產線21條。柔性制造為日本汽車工業生產率追上并超過美國創造了條件。

　　中國國內汽車制造業也較早在一些工藝流程和產品制造中嘗試了柔性制造。如第一汽車集團在焊裝車間等使用多種機器人，在生產工序上機械手以及其他自動化設備不斷增多，一定程度上可實現多品種的混線生產;上海通用汽車公司的柔性化生產線涵蓋了各大總成及整車等制造環節，提高了產品換代速度。

　　隨著各類先進加工技術的相繼問世，柔性制造技術本身也在不斷完善和提高。如瑞士的一家公司采用由激光加工中心及CNC自動車床和自動磨床組成的柔性制造單元，該單元由于改用激光加工中心來代替原來的銑床，生產率提高了很多倍，而且產品精度高、質量好。各種相關技術的不斷進步，促使柔性制造規模不斷擴大，將給制造業帶來深刻的影響。

　　但需要指出的是，近30年的實踐證明，盡管柔性制造生產模式大大推動了制造業的發展, 但由于受到各方因素的制約，它的實際效果距人們的期望值還相差甚遠。

　　虛擬制造

　　虛擬制造又稱擬實制造，是1980年代后期美國首先提出來的一種新思想，它是利用信息技術、仿真技術、計算機技術等對現實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發現制造中可能出現的問題，在產品實際生產前就采取預防措施，使得產品一次性制造成功，以達到降低成本、縮短產品開發周期、增強企業競爭力的目的。

　　在虛擬制造中，產品從初始外形設計、生產過程的建模、模型裝配到檢驗，整個生產周期都是在計算機上進行模擬和仿真的，不需要實際生產出產品來檢驗模具設計的合理性，因而可以減少前期設計給后期加工制造帶來的麻煩，更可以避免模具報廢的情況出現，從而達到提高產品開發的一次成品率、縮短產品開發周期、降低企業制造成本的目的。

　　虛擬制造從提出到現在已歷經了20多年，技術上得到了很大發展，應用方面也得到了廣泛的擴展。許多學校、研究所、科研單位、大型企業等都在不斷研究和應用虛擬制造技術。近年來，虛擬現實技術已較多應用到汽車開發工作中，并初步形成一種集專業理論、工程設計、科學試驗等為一身的較為完整的應用體系。例如，美國福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發中已經應用了虛擬制造技術，大大縮短了產品的發布時間;日本幾家大型汽車公司如三菱、豐田、本田，都在應用虛擬制造方面取得了較大的成果；法國雷諾汽車公司應用的全息技術的虛擬現實系統，具有很好的可視化水平，把虛擬技術在汽車模具中的應用推向了一個新的臺階。此外，波音公司設計的777大型客機是世界上首架以三維無紙化方式設計出的飛機.它的設計成功已經成為虛擬制造從理論研究轉向實用化的一個里程碑。

　　與國外研究相比，中國在虛擬制造方面的研究多數還停留在系統框架和總體技術上，實質性的面向應用的關鍵技術還有待提高。一些高校聯合研究所和企業在虛擬制造理論方面進行了大量的研究，也開發出許多適合中國企業的技術。如同濟大學與香港理工大學聯合機械科學研究院研究的分散網絡化制造、異地設計與制造等技術已經取得了不少進展；武漢理工大學智能設計與制造研究所與上海振華港機股份有限公司合作，開發出“集裝箱裝卸橋計算機輔助設計和仿真系統”；清華大學在虛擬設計環境軟件、虛擬現實、虛擬機床、虛擬汽車訓練系統等方面的研究也取得很大的進展。但是，由于受到CAD/CAM/CAE/CAPP等基礎軟件、仿真軟件、建模技術的制約，中國虛擬制造技術的研究多為虛擬制造的一些單元技術，研究的內容基本上為虛擬產品的裝配、機床總體方案設計、虛擬測試以及虛擬企業等。

　　當前中國企業的虛擬制造主要是應用于生成可信度高的產品虛擬樣機，在產品設計階段能夠以較高的置信度預測所設計產品的最終性能和可制造性。在對產品性能具有高科技含量要求的行業中，如航空航天、軍事、精密機床、微電子等領域，隨著研究的不斷深入和相關技術的發展，虛擬制造必將得到日益廣泛的應用。

　　敏捷制造

　　1991年，美國里海大學的幾位教授在美國國會和國防部的支持下，會同美國眾多工業界的主要決策人在向美國國會提交的《美國21世紀制造戰略報告》中，第一次提出推行敏捷制造。這是一種面向21世紀的新型制造模式，是為了提高企業的競爭能力，在“競爭—合作/協同”機制作用下，實現對市場需求做出靈活快速反應的新制造生產模式。

　　企業要在激烈的市場競爭中求得生存和發展，必須具有敏捷性，即具有在瞬息萬變中把握各種機遇，并通過不斷技術創新、產品創新來領導市場潮流的能力。敏捷制造作為現代生產管理模式之一，是一種以柔性生產技術和動態組織為特點，以高素質與協同良好的工作人員為核心，采用企業間網絡技術，從而形成快速適應市場的社會化制造體系。與傳統的生產管理模式相比，它是高度柔性化、無庫存的生產組織方式，是以動態聯盟為基礎的生產組織模式，具有對市場需求反應敏捷、產品服務可以全程面向用戶、達到充分的資源共享、充分調動和發揮“人”的作用的優勢。

　　敏捷制造的戰略著眼點是基于對產品和市場的綜合分析，快速響應市場和用戶的需求。因此，一方面要求企業在實施敏捷制造時必須不斷提高企業應變能力，實現技術、管理和人員的全面、協調地集成，使產品設計、開發、生產等各項工作并行地進行；另一方面，要求企業必須不斷提高新產品的研制開發能力，從而達到不斷改進老產品，迅速設計和制造出高質量的新產品，以滿足市場和用戶不斷提高的要求。

　　企業的敏捷制造實施方案主要包括市場分析與評估、敏捷化設計、敏捷化銷售與服務合作等功能。方案實施是復雜的過程，需要領導推動，統一協調，完成相應的轉變，選擇適當的技術支持；需要對實施方案進行空間上、時間上、邏輯上的細化；需要經過方案設計、方案實施、運行與評價、方案改進、再實施的循環提高過程，逐步實施，不斷改進。

　　1998年，時任長安汽車公司總裁尹家緒決定在長安實施“以實現敏捷管理為目標的信息化建設”，全面提升管理水平。長安汽車公司通過業務流程再造，計算機網絡化管理、柔性制造技術等先進的管理技術或方法，在公司的財務、計劃、生產、營銷、產品研發等方面實現了以信息集成為核心的敏捷管理，從而提高了企業的競爭能力。

　　此外，寶鋼集團研發的“客戶驅動的寶鋼敏捷制造系統”，獲得了2004年度上海市科技進步一等獎。馬鋼、漣鋼、攀鋼等鋼鐵企業推廣應用這一技術成果后，不僅實現了網上訂貨作業，還利用電子商務平臺降低了上下游企業之間的過程管理成本，利用集成制造系統共享管理信息和設備數據提高了管理水平。該成果自推廣應用以來，共創造直接經濟效益約15 億元。

　　雖然中國對敏捷制造研究的時間很短，完整的理論體系尚未形成，具體的實施方法、手段和途徑有待于進一步深入探索，但敏捷制造的基本思想和方法可以應用于絕大多數類型的企業，特別是制造加工企業，實現國內企業間的優勢互補，強強聯合應該是完全可行的。

　　工業機器人

　　工業機器人誕生于1960年代，在1990年代得到迅速發展，是最先產業化的機器人技術。它是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍、應用日益廣泛的領域。

　　機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，是工業界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。

　　在中國，工業機器人的真正使用到現在已經20年了，從1980年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人，其中一些已實現了規模應用。

　　在眾多制造業領域中，應用工業機器人最廣泛的領域同樣是汽車及汽車零部件制造業。2005年美洲地區汽車及汽車零部件制造業對工業機器人的需求，占該地區所有行業對工業機器人需求的61%；亞洲地區的該比例也達到33%，位于各行業之首。

　　盡管工業機器人在中國汽車制造領域也是應用最廣，但受勞動力成本因素的影響，與國外同行對工業機器人的使用率相比仍存在差距。但也有一些應用例子，如北京奔馳-戴姆勒·克萊斯勒汽車工廠，在生產國產克萊斯勒300C中，就應用了大量的機器人技術。

　　除了汽車制造業，我國在IT和信息家電方面對機器人的應用也較多。上廣電NEC、北京京東方等都使用了上百臺MOTOMAN的機器人，用于大尺寸液晶玻璃的無塵搬運。

　　近年來，為了保證產品在市場上有較強的競爭力，中國制造業中的大中型國有企業一直在不斷加大采購工業機器人用于技術改造。而部分民營企業也逐漸認識到利用工業機器人來幫助生產價格合理的優質產品的種種優勢，對工業機器人的采用量逐步增加。

　　目前而言，中國的工業機器人技術及其工程應用水平與國外相比還有一定距離，如可靠性低于國外產品，機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前中國的機器人生產都是針對用戶的要求，“一個客戶，一次重新設計”，品種規格多，批量小，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本也不低，而且質量和可靠性不穩定。因此，迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、模化設計，積極推進產業化進程。

　　綠色制造

　　1990年代，國際上提出了綠色制造概念，又稱清潔生產和面向環境的制造。它是在保證產品的功能、質量和成本的前提下，綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式，使產品從設計、制造、使用到報廢整個產品生命周期中，不產生環境污染或環境污染最小化，符合環境保護要求，對生態環境無害或危害極少，使資源利用率最高，能源消耗最低。

　　綠色制造實質上是人類社會可持續發展戰略在現代制造業中的體現。在綠色制造中，其目標已不再局限于僅實現產品的功能和滿足用戶的需求，而必須在生產和消費等方面滿足環保和節約能源的需求。

　　綠色制造對未來制造業的可持續發展至關重要，因而備受全球制造業的關注，已成為先進制造技術的主要內容和各國優先發展并支持的研究項目。目前，世界各國在綠色產品設計、綠色潔凈生產、廢舊產品的回收利用和再制造等方面，都開展了大量研究和開發工作，并取得了初步成果。美國于1990年代初建立了國家再制造與資源回收中心，以及再制造研究所、再制造工業協會。歐洲也通過了支持再制造的相關法律法規。日本富士施樂、佳能等公司都建立有廢棄復印機回收點。

　　具體以汽車工業為例，當前全球汽車市場競爭激烈，為搶占市場，各大汽車公司都十分熱衷于開發“綠色汽車”。所謂“綠色汽車”是指“對環境友好”、“零排放”和“幾乎無聲”的新型車，如通用汽車公司的“零排放”電動車輛的開發。就中國而言，現已形成了一支從事綠色制造技術研究的專業隊伍。如上海交通大學針對汽車開展可回收性綠色設計技術的研究，與福特公司合作，研究中國轎車的回收工程問題；上海交大與法國柏林工業大學IWF研究所也建立了合作關系，在廢棄工業品回收方面展開工作。合肥工業大學則開展了機械產品可回收設計理論和關鍵技術及回收指標評價體系的研究。華中理工大學、浙江大學、北京航空航天大學等高等院校也同樣開展綠色制造技術研究。

　　2007年3月1日，中國《電子信息產品污染控制管理辦法》將正式實施。近日，創維、中興等50多家電子信息產業巨頭齊聚深圳，率先發布了“倡導綠色制造促進產業健康發展”的“綠色產業宣言”，倡導產業與環境和諧發展，共同推動綠色制造。

　　未來的制造業將是清潔化的制造業，推行綠色制造不僅為中國制造業創造了機遇，同時也帶來了挑戰。誰掌握了綠色生產技術，誰就掌握了主動權，就會在競爭中取得成功。長期堅持“環保、節能”理念的

豐田汽車，銷量超越福特汽車并行將超越通用的事實，就是很好的例證。