21世纪制造业的特点及其关键技术

21世纪制造业的特点及其关键技术

张峥嵘 袁清珂

摘要 论述了在21世纪工业生产中制造业的地位、作用，讨论了21世纪制造业的特点及关键技术。

关键词 制造业 21世纪

关键技术

我们正面临着制造业新时代的到来，作为一个国家国民经济支柱产业的制造业如何抓往机遇，适应市场错综复杂的巨大变化和迎接21世纪的挑战，是国内外制造业极为关注的问题

1 制造业在21世纪工业生产中的地位与作用

制造业是所有与制造有关的企业机构的总体，是国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。在工业化国家，约有1/4的人口从事各种形式的制造活动，在非制造业部门，约有半数人的工作性质与制造业密切相关。大多数国家和地区的经济腾飞，制造业功不可没。

据估计，工业化国家约70%～80%的物质财富来自制造业，因此，很多国家特别是美国把制定制造业发展战略列为重中之重。美国认为制造业不仅是一个国家国民经济的支柱，

而且对其经济和政治的领导地位也有着决定性影响。美国国防部的一份报告指出，要重振美国经济雄风，要在下一个世纪全球经济中继续保持美国经济霸主地位，必须大力重振制造业。可见，制造业对一个国家的经济地位和政治地位具有至关重要的影响，在21世纪的工业生产中具有决定性的地位与作用。

2 现代制造技术与系统的研究及发展

由于国内外市场竞争加剧，科学技术发展迅速，产品更新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加，使得机械制造业向多品种小批量生产方式发展。为适应这种情况的变化，美国、日本等国开展了大量的对策研究。提出了许多新观点、新思想、新概念，先后诞生了许多先进制造技术与系统，例如柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS、并行工程CE、独立制造岛、精良生产LP、智能制造系统IMS、敏捷制造系统AMS、生物制造系统BMS、全能制造系统、全球制造系统、虚拟制造系统VMS等。

80年代，计算机集成制造系统CIMS引起了国内外的广泛关注。我国也很重视CIMS的研究与应用，将CIMS列为国家“863”高技术发展计划自动化领域中的专题之一，在四个国家CIMS实验工程的基础上，目前正在全国推广应用CIMS。然而，国内外的CIMS实践并非一帆风顺，因为：①企业经常面临技术、投资和人员素质问题；②在规划工作中，缺少对企业结构、功能和车间组织的深入研究；③片面强调高技术，偏离企业目标，没有获得所期望的柔性和经济效益；④在建立CIMS的过程中，实现全面集成还有很大困难，而且花费代价太大；⑤过分强调信息集成与自动化，忽略了“人”在系统中的作用。因此，CIMS应在实践的基础上，认真总结经验，不断吸收新思想、新观点、新技术，从而产生新一代CIMS。同时，各主要工业发达国家都在谋求对策，调整科技政策，各自制定了适合本国国情的制造业自动化发展计划，如美国的SON计划。SON是由美国国家标准与技术研究所（NIST）提出的一个面向中小企业的综合自动化计划，其主要内容是：

（1）对企业的现状进行诊断和评估找出症结所在。对生产设备逐台进行分析，建立档案，作出可继续使用、需要改装或应予以报废的结论。主张仅在关键工序上采用数控机床，不盲目追求物流自动化；

（2）建立一个由微机组成的计算机网络。主要包括CAD/CAPP/CAM/DNC、计划调度、工具管理、定货管理和成本核算。

（3）大力提高人员素质。对所有人员进行轮流为期6个月的培训。实践表明，随着人员素质的提高，特别是观念的更新，劳动生产率和工作效率有了明显提高。

在对CIMS探索和实践中，人们逐渐认识到必须在信息集成的基础上，从全局优化的观点出发，在CIMS的各功能子系统之间实现双向的信息交换和共享，以达到各功能间的相互直辖市与优化，实现产品开发过程的功能集成。并行工程CE正是基于这一认识而提出的一种哲理和系统方法论。

美国为夺回其制造业的世界霸主地位，加大投资力度，促进制造业策略的研究，使美国制造技术不断翻新，新思想层出不究。80年代认为CIMS将不可逆转地成为21世纪占主导地位的新型生产方式，CIMS是美国夺回工业已失去的市场并取得竞争成功的关键，时隔几年，又提出了并行工程CE,使并行工程CE在90年代初成为工厂自动化方面的一个热点，接着又掀起了精良生产LP和敏捷制造AM的热潮。认为：精良生产LP会真正改变世界的生产和经济形式，对人类社会产生深远的影响；敏捷制造将使美国在2006年以前重新恢复其在制造业的领导地位，还将在21世纪的竞争中占主导地位。

日本也提出了智能制造系统IMS的概念与智能制造计划，目前该计划已成为制造领域最大的国际合作研究计划。

目前，制造业正在向全球制造方向发展，虚拟制造技术与系统也成为又一研究热点

3 21世纪制造业的特点

21世纪制造业将具有以下主要特点：

（1）产品开发周期显著缩短，上市时间更快，这是21世纪市场环境和用户消费观所要求的，也是赢得竞争的关键所在。这一点从美国制造业策略的变化可以看出。美国制造业的策略从50年代的“规模效益第一”，经过70年代和80年代的“价格竞争第一”和“质量竞争第一”，发展到90年代的“市场速度第一”，时间因素被提到了首要位置。 （2）具备赢得竞争，提高市场占有率的四种基本能力：①时间竞争能力，产品上市快、生产周期短、交货及时；②质量竞争能力，产品不仅可靠性高，而且使用户在各方面都满意；③价格竞争能力，产品生成成本低，销售价格适中；④创新竞争能力，产品有特色、生产有柔性、竞争有策略。

这四种能力中最重要的能力是创新能力，企业的创新不仅指产品设计和生产工艺上的创新，还要包括制造观念的更新、组织的重构、经营的重组。历史证明，综合创新能力是推动企业发展的动力和最强大的竞争武器。

（3）柔性更加提高，以响应“瞬息万变、无法预测”的市场。企业不仅要具备技术上的柔性，还要具备管理上的柔性，以及人员和组织上的柔性。

（4）全生命周期内的质量保证。产品质量的完整概念是顾客的满意度，可靠性仅是质量的一个指标，但它不再能赋予产品以足够的竞争优势。在用户看来，产品可靠、具有一定的使用寿命是理所当然的。对产品质量更全面的理解是：用户占有、使用产品的一种综

合主观反映，包括可用、实用、耐用、好用。

（5）企业的组织形式将是跨地区、跨国家的虚拟公司或动态联盟。Internet国际网为虚拟公司或动态联盟的实现提供了一定的基础。

（6）生产过程更加精良。产品开发、生产、销售、维护过程更加简化，生产工序更加简单，从而降低成本、提高劳动生产率、缩短上市时间。

（7）人员素质更加提高。21世纪制造业要求全体职员具有更高的技术、管理和协作素质，每个人都应掌握多种技术、胜任多种工作。

（8）智能化程度更高。在产品设计和制造过程中广泛应用人工智能技术，各种设备的智能化程度大大提高。

（9）更加注重环境问题。因为环境问题是关系到人类自下而上的大问题，也是社会能否持续发展的重要问题。

（10）分布、并行、集成并存。分布性更强、分布范围更广，是全球范围的分布；并行化程度更高，许多作业可以跨地区、跨部门分布式并行实施；集成化程度更高，不仅包括信息、技术的集成，而且包括管理、人员和环境的集成。21世纪制造业的四个关键因素是技术、管理、人员和环境。

4 21世纪制造业的关键技术

21世纪制造业的关键技术主要有：

（1）集成化技术

在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的。现在更强调技术、人和管理的集成。在开发制造系统时强调“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成，这更适合未来制造系统的需求。

（2）智能化技术应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、发货、支持、用户到产品报废等）各个环节的智能化，以及生产设备的智能化，也要实现人与制造系统的融合及人在其中智能的充分发挥。

（3）网络技术

网络技术包括硬件与软件的实现，各种通讯协议及制造自动化协议，信息通讯接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。

（4）分布式并行处理智能协同求解技术

该技术实现制造系统中各种问题的协同求解，获得系统的全面最优解，实现系统的最优决策

（5）多学科多功能综合产品设计技术

机电产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识（力学、材料、工艺等），而且还用到电磁学、光学、控制理论等；不仅要考虑技术因素，还必须考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电产品的动静态热特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。

研究重点是：并行工程及CAD/CAPP/CAM/CAE一体化设计技术。面向制造/装配/市场销售的并行设计技术。产品效益及风险的并行评估技术等。

（6）虚拟现实与多媒体技术

虚拟现实VB(Virtual Reality)是人造的计算机环境，使人处在这种环境中有身临其境的感觉，并强调人的介入与操作。VR技术在21世纪制造业中将有广泛的应用，可以用于培训、制造系统仿真、实现基于制造仿真的设计与制造、集成设计与制造、实现集成人的设计等，美国已于1992年借助于VR技术成功地修复了哈勃太空望远镜。多媒体技术采用多种介质来储存、表达、处理多种信息，融文字、语音、图像、动画于一体，给人一种真实感。

（7）人-机-环境系统技术

将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研究的重点是：人机环境的体系结构及集成技术，人在系统中的作用及发挥，人机柔性交互技术，人机智能接口技术，清洁制造等