现代机械制造技术的现状和发展方向
邱俊贤
(闽西职业技术学院机械工程系，福建龙岩364021)
摘要：现代机械制遣技术已得到越来越广泛的应用，我国的机械制造技术水平与发达国家相比还有一定差距．21世纪机械制造技术的发展方向可用“三化”来概括，即全球化、虚拟化和绿色化。
关键词：机械制造；制造系统；并行工程；虚拟制造
现代制造技术的涵义相当广泛。一般认为，现代制造技术是以传统制造技术与计算机技术、信息技术、自动控制技术等现代高新技术交叉融合的结果，是一个集机械，电子、信息、料、能源与管理技术于一体的新型交叉学科，它使制造技术的内涵和水平发生了质的变化。因此，凡是那些能够融合当代科技进步的最新成果，最能发挥人和设备的潜力，最能体现现代制造水平并取得理想技术经济效果的制造技术均称为现代制造技术，它给传统的机械制造业带来了勃勃生机。
1现代机械制造技术的现状
1．1 国外情况
在产品设计方面，普遍采用计算机辅助产品设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)和计算机仿真技术；在加工技术方面，已实现了底层(车问层)的自动化，包括广泛地采用加工中心(或数控技术)、自动引导小车(AGV)等。近10余年来，发达国家主要从具有全新制造理念的制造系统自动化方面寻找出路，提出了一系列新的制造系统．如计算机集成制造系统、智能制造系统、并行工程、敏捷制造等。
1．1．1计算机集成制造系统(CIMS)
它是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来，是适合于多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的制造系统。首先在功能上，它包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工工艺、制造、管理至售后服务以及报废处理的全部活动。因此它比传统的工厂自动化的范围要大得多．是一个复杂的大系统，是工厂自动化的发展方向。其次，在集成上，它涉及的自动化不是工厂各个环节自动化的简单叠加．而是在计算机网络和分布式数据库支持下的有机集成。这种集成主要体现在以信息和功能为特征的技术集成，即信息集成和功能集成。
计算机集成制造系统的核心技术是CAD／CAM技术。
1．1．2 智能制造系统(IMS)
是指将专家系统、模糊逻辑、人工神经网络等人工智能技术应用到制造系统中，以解决复杂的决策问题．提高制造系统的水平和实用性。人工智能的作用是要代替熟练工人的技艺，学习工程技术人员的实践经验和知识，并用于解决生
产中的实际问题．从而将工人、工程技术人员多年来积累起来的丰富而又宝贵的实践经验保存下来，在实际的生产中长期发挥作用。
智能制造系统的核心技术是人工智能。
1．1．3并行工程(CE)
又称同步工程或同期工程，是针对传统的产品串行开发过程而提出的概念和方法。
并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关各种过程的系统方法。该方法要求开发人员从设计开始就考虑产品整个生命周期中的所有因索，包括产品制造工艺、质量、成本、进度计划和用户要求等。并行工程通过组成多学科的产品开发群组协同工作．利用各种计算机辅助工具等手段．使产品开发的各个阶段，既有一定的时序又能并行，同时采用上、下游的各种因素共同决策产品开发各阶段工作的方式，在产品开发的早期就能及时发现产品开发全过程中的问题。从而缩短产品开发周期，提高产品质量，降低成本。增加企业竞争能力。并行工程强调在集成环境下的并行工作，因此．它是CIMS进一步发展的方向［1］。
1．1．4 敏捷制造(AM)
又称灵捷制造、迅速制造和灵活制造等，它是将柔性生产技术、熟练掌握生产技能和知识的劳动力与促进企业内部和企业之间相互合作的灵活管理集成在一起，通过所建立的共同基础结构，对迅速改变或无法预见的消费者需求和市场时机作出快速响应。
敏捷制造的基本原理是采用标准化和专业化的计算机网络和信息集成基础结构，以分布式结构连接各类企业，构成虚拟制造环境，以竞争合作为原则，在虚拟制造环境内动态选择合作伙伴，并通过组成虚拟企业来适应持续多变、无法预料的市场变化。
敏捷制造的核心是虚拟公司，虚拟公司映射为虚拟制造系统，虚拟制造系统是敏捷制造的关键。敏捷制造是一种战略决策，它是能使各合作伙伴既保证各自的利|益，又能获得共同利益的一种全新的生产组织模式和制造模式。目前，敏捷制造仍在发展研究中。
1．2 国内情况
近十几年来，我国大力推广应用CIMS技术．20世纪90年代初期已建成研究环境．包括有CIMS实验工程中心和7个开放实验室。在全国范围内，部署了CIMS的若干研究项目，诸如CIMS软件工程与标准化、开放式系统结构与发展战略、CIMS总体与集成技术、产品设计自动化、工艺设计自动化、柔性制造技术、网络与数据库技术以及系统理论和方法等专题。各项研究均取得了丰硕成果，获得不同程度的进展。
近几年，已有一些大中型骨干企业实施了工厂CIMS工程。如成都飞机工业公司以国家CIMS实验工程为技术依托，和清华大学、南京航空航天大学、西北工业大学等单位合作开发了计算机集成制造系统工程．在公司的计算机网络和分布式数据库支持下，由管理信息系统、质量信息系统、工程信息系统和车问自动化系统有机集成，形成了一个计算机辅助经营、设计、管理、制造的初步集成系统，以满足航空产品研制和多品种小批量生产的需要。
但我国的机械制造技术水平与发达国家相比还有一定差距，大部分大型机械制造企业和绝大部分中小型机械制造企业主要限于CAD和管理信息系统。因底层(车间层)基础自动化还十分薄弱，数控机床由于编程复杂。还没有真正发挥作用．加工中心无论是数量还是利用率都还很低(我国的机床数控化率仅为
3.74％，而发达国家已达到70％以上；国外已做到15—19轴联动．分辨率达0.1~0.01 um，而我国只能做到5-6轴联动，分辨率为1um) 。可编程控制器的使用并不普及，工业机器人的应用还很有限。因此，做好基础自动化的工作仍是我国制造企业一项十分紧迫而艰巨的任务。
2 现代机械制造技术的发展方向
现代机械制造技术的发展主要表现在两个方向上：一是精密工程技术，以超精密加工的前沿部分——微细加工、纳米技术为代表，将进入微型机械电子技术和微型机器人的时代；二是机械制造的高度自动化。以CIMS和敏捷制造等的进一步发展为代表。
超精密加工的加工精度在2000年已达到0.001um(1nm)。在21世纪初开发的分子束生长技术、离子注入技术和材料合成、扫描隧道工程(STE)可使加工精度达到0.00013~0.00011vm (0.13—0.1lnm) 。现在。精密工程正向其终极目标一原子级精度的加工逼近。也就是说，可以做到移动原子级别的加工。加工设备正向着高精、高速、多能、复合、控制智能化，安全环保等方向发展，在结构布局上也已突破了传统机床原有的格式。
21世纪制造业的发展方向可用“三化”来概括。即全球化、虚拟化和绿色化。
2．1 全球化
制造的全球化，可以说是21世纪机械制造业自动化最重要的发展趋势。近年来，在各种工业领域中。国际化经营不仅成为大公司而且已是中小规模企业取得成功的重要因素。
全球化制造的第一个技术基础是网络化。由于网络通迅技术的迅速发展和普及，正在给企业的生产和经营活动带来革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售都可以异地或跨越国界进行，实现制造的全球化。第二个技术基础是集成化与标准化。异地制造实际上是实现产品信息集成、功能集成、过程集成和企业集成。实现集成的基础与关键是标准化，可以说，没有标准化就没有全球化。
2．2 虚拟化
虚拟化是指设计过程中的拟实技术和制造过程中的虚拟技术。虚拟化可以大大加快产品的开发速度和减少开发的风险。
产品设计中的拟实技术是指面向产品的结构和性能分析技术，以优化产品本身性能和成本为目标。包括产品的运动仿真和干涉检验、动力学分析、造型设计、人机工程学分析、强度和刚度的有限元计算等。制造过程中的虚拟技术是指面向产品生产过程的模拟和检验．检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性。以优化产品的制造工艺．保证产品质量、生产周期和最低成本为目标。进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计的建模和仿真。
虚拟化的核心是计算机仿真。通过仿真软件来模拟真实系统，以保证产品设计和产品工艺的合理性，保证产品制造的成功和生产周期，发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误。
2．3 绿色化
已经颁布实施的ISO9000系列国际质量标准和ISO14000国际环保标准为制造业提出了一个新的课题。就是快速实现制造的绿色化。绿色制造则通过绿色生产过程(绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理)生产出绿色产品．产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响，同时原材料和能源的利用效率能达到最高。
如何最有效地利用资源和最底限度地降低环境污染，是摆在制造企业面前的一个重大课题。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式．它实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业的体现。也是未来制造业自动化系统必须考虑的重要问题。
3 结论
我们应充分认识现代机械制造技术的现状．把握现代机械制造技术的发展趋势。科学高效地进行现代机械制造技术的研究，大力发展先进制造技术，尽早地实现我国由制造业大国向制造业强国的过渡。
参考文献：
【1】武书彦，江道节．现代集成制造系统技术及发展探讨［J］．中国科技信息，2006(6)：129—133．
【2】孔凡新．模具虚拟制造系统及其关键技术应用研究［J］．机械制造与自动化。2005(6)：67—71．
【3】华茂发，谢骐．机械制造技术［M］．北京：机械T~II,出版社，2004．
【4】宁汝新，赵汝嘉．CAD／CAM技术［M］．北京：机械工业出版社．2004．
现代机械制造技术的现状和发展方向
邱俊贤
(闽西职业技术学院机械工程系，福建龙岩364021)
摘要：现代机械制遣技术已得到越来越广泛的应用，我国的机械制造技术水平与发达国家相比还有一定差距．21世纪机械制造技术的发展方向可用“三化”来概括，即全球化、虚拟化和绿色化。
关键词：机械制造；制造系统；并行工程；虚拟制造
现代制造技术的涵义相当广泛。一般认为，现代制造技术是以传统制造技术与计算机技术、信息技术、自动控制技术等现代高新技术交叉融合的结果，是一个集机械，电子、信息、料、能源与管理技术于一体的新型交叉学科，它使制造技术的内涵和水平发生了质的变化。因此，凡是那些能够融合当代科技进步的最新成果，最能发挥人和设备的潜力，最能体现现代制造水平并取得理想技术经济效果的制造技术均称为现代制造技术，它给传统的机械制造业带来了勃勃生机。
1现代机械制造技术的现状
1．1 国外情况
在产品设计方面，普遍采用计算机辅助产品设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)和计算机仿真技术；在加工技术方面，已实现了底层(车问层)的自动化，包括广泛地采用加工中心(或数控技术)、自动引导小车(AGV)等。近10余年来，发达国家主要从具有全新制造理念的制造系统自动化方面寻找出路，提出了一系列新的制造系统．如计算机集成制造系统、智能制造系统、并行工程、敏捷制造等。
1．1．1计算机集成制造系统(CIMS)
它是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来，是适合于多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的制造系统。首先在功能上，它包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工工艺、制造、管理至售后服务以及报废处理的全部活动。因此它比传统的工厂自动化的范围要大得多．是一个复杂的大系统，是工厂自动化的发展方向。其次，在集成上，它涉及的自动化不是工厂各个环节自动化的简单叠加．而是在计算机网络和分布式数据库支持下的有机集成。这种集成主要体现在以信息和功能为特征的技术集成，即信息集成和功能集成。
计算机集成制造系统的核心技术是CAD／CAM技术。
1．1．2 智能制造系统(IMS)
是指将专家系统、模糊逻辑、人工神经网络等人工智能技术应用到制造系统中，以解决复杂的决策问题．提高制造系统的水平和实用性。人工智能的作用是要代替熟练工人的技艺，学习工程技术人员的实践经验和知识，并用于解决生
产中的实际问题．从而将工人、工程技术人员多年来积累起来的丰富而又宝贵的实践经验保存下来，在实际的生产中长期发挥作用。
智能制造系统的核心技术是人工智能。
1．1．3并行工程(CE)
又称同步工程或同期工程，是针对传统的产品串行开发过程而提出的概念和方法。
并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关各种过程的系统方法。该方法要求开发人员从设计开始就考虑产品整个生命周期中的所有因索，包括产品制造工艺、质量、成本、进度计划和用户要求等。并行工程通过组成多学科的产品开发群组协同工作．利用各种计算机辅助工具等手段．使产品开发的各个阶段，既有一定的时序又能并行，同时采用上、下游的各种因素共同决策产品开发各阶段工作的方式，在产品开发的早期就能及时发现产品开发全过程中的问题。从而缩短产品开发周期，提高产品质量，降低成本。增加企业竞争能力。并行工程强调在集成环境下的并行工作，因此．它是CIMS进一步发展的方向［1］。
1．1．4 敏捷制造(AM)
又称灵捷制造、迅速制造和灵活制造等，它是将柔性生产技术、熟练掌握生产技能和知识的劳动力与促进企业内部和企业之间相互合作的灵活管理集成在一起，通过所建立的共同基础结构，对迅速改变或无法预见的消费者需求和市场时机作出快速响应。
敏捷制造的基本原理是采用标准化和专业化的计算机网络和信息集成基础结构，以分布式结构连接各类企业，构成虚拟制造环境，以竞争合作为原则，在虚拟制造环境内动态选择合作伙伴，并通过组成虚拟企业来适应持续多变、无法预料的市场变化。
敏捷制造的核心是虚拟公司，虚拟公司映射为虚拟制造系统，虚拟制造系统是敏捷制造的关键。敏捷制造是一种战略决策，它是能使各合作伙伴既保证各自的利|益，又能获得共同利益的一种全新的生产组织模式和制造模式。目前，敏捷制造仍在发展研究中。
1．2 国内情况
近十几年来，我国大力推广应用CIMS技术．20世纪90年代初期已建成研究环境．包括有CIMS实验工程中心和7个开放实验室。在全国范围内，部署了CIMS的若干研究项目，诸如CIMS软件工程与标准化、开放式系统结构与发展战略、CIMS总体与集成技术、产品设计自动化、工艺设计自动化、柔性制造技术、网络与数据库技术以及系统理论和方法等专题。各项研究均取得了丰硕成果，获得不同程度的进展。
近几年，已有一些大中型骨干企业实施了工厂CIMS工程。如成都飞机工业公司以国家CIMS实验工程为技术依托，和清华大学、南京航空航天大学、西北工业大学等单位合作开发了计算机集成制造系统工程．在公司的计算机网络和分布式数据库支持下，由管理信息系统、质量信息系统、工程信息系统和车问自动化系统有机集成，形成了一个计算机辅助经营、设计、管理、制造的初步集成系统，以满足航空产品研制和多品种小批量生产的需要。
但我国的机械制造技术水平与发达国家相比还有一定差距，大部分大型机械制造企业和绝大部分中小型机械制造企业主要限于CAD和管理信息系统。因底层(车间层)基础自动化还十分薄弱，数控机床由于编程复杂。还没有真正发挥作用．加工中心无论是数量还是利用率都还很低(我国的机床数控化率仅为
3.74％，而发达国家已达到70％以上；国外已做到15—19轴联动．分辨率达0.1~0.01 um，而我国只能做到5-6轴联动，分辨率为1um) 。可编程控制器的使用并不普及，工业机器人的应用还很有限。因此，做好基础自动化的工作仍是我国制造企业一项十分紧迫而艰巨的任务。
2 现代机械制造技术的发展方向
现代机械制造技术的发展主要表现在两个方向上：一是精密工程技术，以超精密加工的前沿部分——微细加工、纳米技术为代表，将进入微型机械电子技术和微型机器人的时代；二是机械制造的高度自动化。以CIMS和敏捷制造等的进一步发展为代表。
超精密加工的加工精度在2000年已达到0.001um(1nm)。在21世纪初开发的分子束生长技术、离子注入技术和材料合成、扫描隧道工程(STE)可使加工精度达到0.00013~0.00011vm (0.13—0.1lnm) 。现在。精密工程正向其终极目标一原子级精度的加工逼近。也就是说，可以做到移动原子级别的加工。加工设备正向着高精、高速、多能、复合、控制智能化，安全环保等方向发展，在结构布局上也已突破了传统机床原有的格式。
21世纪制造业的发展方向可用“三化”来概括。即全球化、虚拟化和绿色化。
2．1 全球化
制造的全球化，可以说是21世纪机械制造业自动化最重要的发展趋势。近年来，在各种工业领域中。国际化经营不仅成为大公司而且已是中小规模企业取得成功的重要因素。
全球化制造的第一个技术基础是网络化。由于网络通迅技术的迅速发展和普及，正在给企业的生产和经营活动带来革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售都可以异地或跨越国界进行，实现制造的全球化。第二个技术基础是集成化与标准化。异地制造实际上是实现产品信息集成、功能集成、过程集成和企业集成。实现集成的基础与关键是标准化，可以说，没有标准化就没有全球化。
2．2 虚拟化
虚拟化是指设计过程中的拟实技术和制造过程中的虚拟技术。虚拟化可以大大加快产品的开发速度和减少开发的风险。
产品设计中的拟实技术是指面向产品的结构和性能分析技术，以优化产品本身性能和成本为目标。包括产品的运动仿真和干涉检验、动力学分析、造型设计、人机工程学分析、强度和刚度的有限元计算等。制造过程中的虚拟技术是指面向产品生产过程的模拟和检验．检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性。以优化产品的制造工艺．保证产品质量、生产周期和最低成本为目标。进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计的建模和仿真。
虚拟化的核心是计算机仿真。通过仿真软件来模拟真实系统，以保证产品设计和产品工艺的合理性，保证产品制造的成功和生产周期，发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误。
2．3 绿色化
已经颁布实施的ISO9000系列国际质量标准和ISO14000国际环保标准为制造业提出了一个新的课题。就是快速实现制造的绿色化。绿色制造则通过绿色生产过程(绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理)生产出绿色产品．产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响，同时原材料和能源的利用效率能达到最高。
如何最有效地利用资源和最底限度地降低环境污染，是摆在制造企业面前的一个重大课题。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式．它实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业的体现。也是未来制造业自动化系统必须考虑的重要问题。
3 结论
我们应充分认识现代机械制造技术的现状．把握现代机械制造技术的发展趋势。科学高效地进行现代机械制造技术的研究，大力发展先进制造技术，尽早地实现我国由制造业大国向制造业强国的过渡。
参考文献：
【1】武书彦，江道节．现代集成制造系统技术及发展探讨［J］．中国科技信息，2006(6)：129—133．
【2】孔凡新．模具虚拟制造系统及其关键技术应用研究［J］．机械制造与自动化。2005(6)：67—71．
【3】华茂发，谢骐．机械制造技术［M］．北京：机械T~II,出版社，2004．
【4】宁汝新，赵汝嘉．CAD／CAM技术［M］．北京：机械工业出版社．2004．