先進制造技術與裝備發展動態

方 杰

（中機生產力促進中心，北京 100044）

0 引言

進入后金融危機時代，發達國家 “再工業化”趨勢明顯，紛紛調整經濟和科技發展戰略，不斷優化制造業的發展環境，擬重歸以先進制造為代表的實體經濟。奧巴馬總統指出 “為美國的制造業而奮斗就是為美國的未來而奮斗”。2012年2月美國國家科學技術委員會發布了 《先進制造業國家戰略計劃》，聯邦預算大幅度地增加了對先進制造的支持，啟動了先進制造技術突破性競爭力研發、技術創新和先進制造伙伴關系計劃等一攬子高端裝備制造支持政策。歐盟公布 《歐洲2020 戰略》將改變歐洲工業化未來的關鍵使能技術作為重點領域之一，以保持歐洲制造業的競爭力、先進制造技術的領先地位，環保產品開發與制造以及產品與加工的領先地位。日本政府加快發展協同式機器人、無人化工廠來提升制造業的國際競爭力，并計劃耗資1萬億日元向國內制造商購買機械設備和工廠，通過向企業新投資提供資金的方式來增強日本工業競爭力。不難看出，發達國家“再工業化”的著眼點是先進制造技術，瞄準的是高端制造裝備，謀求的是產業結構高級化。

1 先進制造技術與裝備發展趨勢

先進制造技術是裝備制造業升級和技術進步的重要保障。在第三次工業革命浪潮下，信息技術與制造業深度融合，加上納米科技、生物技術（包括生物制藥和基因工程）、信息技術（包括計算機和通訊）、認知科學（包括認知神經科學）等會聚技術的革命性推動，以及工業無線網、微傳感器網、新傳感器、RIFID的應用性拉動，將對制造業的發展產生深遠的影響。

1.1 設計技術向更高級階段發展

目前，機電產品的設計理論和方法體系已經形成，隨著以參數化建模為核心的三維設計技術的普及應用，機電產品的設計方法和工具將向更高級階段發展。一方面，設計的理念更加豐富，從產品的性能拓展到全壽命周期的工藝流程設計，以及不斷豐富的文化內涵和對情感的表達；另一方面，設計方法和工具不斷創新，基于產品生命周期的多方法綜合設計優化技術、網絡化協同技術、計算材料方法等將有機地嵌入產品設計和制造流程中去，跨學科的系統建模新方法將得到推廣。

1.2 成形技術向精密、低耗、少無污染方向發展

未來的成形技術向直接制成零件的凈成形方向發展。自20 世紀70年代以來，工業發達國家積極投入成形工藝與裝備研究，各種成形工藝技術取得長足發展，質量得到更嚴格的控制并節能環保。輕質合金精密鑄造技術不斷創新，無余量精鍛件批量新型高效焊接技術快速發展，新的涂鍍層、薄膜、表面改性技術得到成功應用。如，新型低成本鈦合金制造方法、高能效的大型薄壁鎂合金壓鑄工藝將在汽車領域得到應用；攪拌摩擦焊將在航空航天、船舶等領域獲廣泛應用；離子輔助鍍膜技術等將受到更多的關注，其中離子注入技術已在航天零件的抗高溫腐蝕方面取得成效。

1.3 加工技術向更高精度、更高效率方向發展

據統計，自20 世紀80年代以來數控機床的工作精度平均每十年提高8%。目前，日本安田（YASDA）的YBM640V verⅢ數控坐標加工中心和YBMJ 高精度臥式坐標加工中心，定位精度分別達到2.0μm 和3.0μm，日本牧野的F8 大型精密立式加工中心的定位精度0.15μm， 重復定位精度 1.0μm；瑞士 Rollomatic 公司的GrindSmart Nano6 數控微型刀具磨床磨削直徑Φ0.03mm～2mm。同時，高效加工技術向全面高速化、低能耗、多工序復合方向發展。歐洲提出的目標是：使每一領域都能有所突破，實現超高性能的制造過程，既提高數控軸的加速度3～5 倍；提高速度3～5 倍；提高數控機床的生產率5 倍。

1.4 模擬仿真技術和虛擬現實技術得到推廣應用

模擬仿真技術成為工藝開發的重要手段，不僅應用于金屬切削加工過程、產品設計過程，而且已經基本掌握常規的鑄造、鍛壓工藝的宏觀模擬技術并開發出多種商業化軟件。

虛擬現實技術迅速發展。虛擬制造技術從根本上改變了設計、試制、修改設計、規模生產的傳統制造模式。在產品真正制出之前，在虛擬制造環境中生成軟產品原型代替傳統的硬樣品進行試驗，對其性能和可制造性進行預測和評價，從而縮短產品的設計與制造周期，降低產品的開發成本，提高系統快速響應市場變化的能力。

1.5 綠色制造從理念走向應用

在產品層面，歐洲提出綠色機床的愿景是環境友好，并明確了綠色機床的具體指標：①機床零部件由再生材料制造；②機床的重量和體積減少50%以上；③通過減輕移動質量、降低空運轉功率等措施使功率消耗減少30%～40%；④使用過程的各種廢棄物減少50%～60%，保證基本沒有污染的工作環境；⑤報廢后機床的材料100%可回收。

在工藝方面，美國熱處理行業的遠景目標是：減少能源消耗80%；縮短工業周期50%；降低生產成本75%；實現熱處理件零畸變；實現熱處理件質量零分散度（相對于標準）；提高熱處理爐壽命10 倍；降低熱處理爐價格50%；實現熱處理生產零排放。

在生產系統節能方面，美國麻省理工學院的研究結果表明：一臺自動加工線的利用率只有14.8%；一臺機床運行一年產生的CO2相當于61 輛SUV 產生的排放。為此，美國能源部依托佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）、 密歇根大學（University of Michigan）等 26所知名高校成立了以提高制造企業生產過程能量效率為目標的 “工業評估中心（Industrial Assessment Centers）”，對工業企業生產現場的能量消耗狀況進行評估和研究。

1.6 制造裝備向智能化方向發展

美國以 “首件產品合格（First Product Correct，FPC）”為主旨研究開發了智能且具有適應能力的制造工藝設備。在多計劃項目的支持下，美國智能機床在改進過程效率、過程健康狀況監測、減少過程變異、開發自動維護管理系統和快速預測功能等方面研究成果頗為豐富。日本馬扎克機床所具有的7 項智能化功能分別是智能化的主軸監控功能、熱位移補償功能、維護監控功能、振動防止功能、防止干涉功能、平衡失調檢測功能以及語音導航功能。歐洲提出智能機床的目標是用戶友好。“用戶友好”的含義不僅在于大幅度提高工作效率，而且工作更加舒適和安全；要求機床能夠實現自主管理，能夠自動識別加工任務和加工狀態，無需或很少需要人工干預，而且能夠與操作者及時溝通，變得 “聰明”起來。

1.7 制造模式不斷創新

制造模式正在從以成本為中心向以技術為中心轉變，從質量第一的競爭策略向為客戶提供滿意及高附加值的產品與服務并滿足環境和社會持續發展需求的競爭策略轉變，從以往的線性模式向復合型模式轉變，更加強調基于網絡的合作與協同，建立最終用戶和設備制造商之間的全面合作關系，精確及時地交付定制產品，從而獲得更高的價值。

1.8 新的制造裝備不斷涌現

基于新原理的技術創新速度加快，將推動制造裝備的創新。如快速原型／零件制造RPM（Rapid Prototyping/Parts Manufacturing）技術可以自動而迅速地將設計思想物化為具有一定結構和功能的原型或直接制造零件，淡化了設計、制造的界限。很多新材料的配制與成型是同時完成的，很難劃清材料應用與制造技術的界限。冷熱加工、加工/檢測/裝配/物流、設計/材料應用/加工制造之間的集成、融合日趨緊密。據國際機械加工技術協會預測，不遠的將來塑性成形與磨削加工相結合，將取代大部分中小零件的切削加工。

2 我國數控機床與基礎制造裝備發展面臨的機遇

國家高度重視數控機床與基礎制造裝備的發展。2009年國家啟動了 “高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項，旨在到2020年，形成高檔數控機床與基礎制造裝備主要產品的自主開發能力，總體技術水平進入國際先進行列，部分產品國際領先；建立起完整的功能部件研發和配套能力；形成以企業為主體、產學研相結合的技術創新體系；培養和建立一支高素質的研究開發隊伍；航空航天、船舶、汽車、發電設備制造所需要的高檔數控機床與基礎制造裝備80%立足國內；研究開發出若干具有原創性的技術和產品，形成這一領域內自主創新在一些點上的突破。國家863 計劃先進制造技術領域安排了 “箱體類精密工作母機設計制造關鍵技術”重大項目，旨在突破箱體類精密工作母機的設計技術、工藝技術和制造技術，瞄準現階段國際先進水平，開發出滿足生產應用精密工作母機。

在國家科技計劃的支持下，我國高檔數控機床與基礎制造裝備行業取得長足進展。據中國機械工業聯合會統計，2012年中國機床工具行業實現工業總產值7985.15 億元，同比增長12.73%；完成銷售產值7754.96億元，同比增長12.25%；產銷率為97.11%。但與國際先進水平相比，國內產品在設計、精度保持性、可靠性和交鑰匙能力等方面還存在明顯差距。

當前，正值我國數控機床與基礎制造裝備由大變強的重要戰略期。由于勞動力價格上升，要求更加經濟的生產方式、更短的制造周期、更低的制造成本，增加了對自動化裝備、智能制造設備、復合加工設備等高效、專用設備需求；用戶要求更高的產品精度和表面質量，導致高精度和精密級設備需求增加；為了更強的市場適應性，柔性生產線需求增加；新興產業的技術交叉與融合拉動的對新型制造裝備的需求；對產品更加嚴格的環境特性要求，對輕型材料的加工與成形裝備需求快速增加。

3 結束語

先進制造技術是傳統制造技術與信息技術和現代管理技術的有機結合。先進制造裝備位于產業價值鏈的高端和核心環節，具有技術密集、附加價值高、帶動作用強等特點，是現代產業體系的脊梁，是推動工業轉型升級的引擎，是衡量一個國家綜合競爭力的重要標志。把握先進制造技術與裝備發展趨勢，結合航空航天、船舶、汽車、發電設備四大用戶需要，加強基礎共性技術研究，提高我國中檔數控機床與基礎制造裝備的總體水平；結合戰略新興產業發展需求，開展專用檔數控機床與基礎制造裝備技術研究，提高我國高檔數控機床與基礎制造裝備的自主研發能力，為實現由制造大國向制造強國轉變提供支撐和保障。

[1]部分國家/地區高端裝備制造政策計劃概覽[J].先進制造與新材料科技專輯，科學研究動態監測快報，2011，12.

[2]孕育新一代生產系統的歐洲機電一體化研究路線圖（上）.先進制造與新材料科技專輯，科學研究動態監測快報，2007，15.

[3]孕育新一代生產系統的歐洲機電一體化研究路線圖（下）.先進制造與新材料科技專輯，科學研究動態監測快報，2007，16.

[4]日本擬啟動萬億日元收購設備扶持制造業，http://cn.nikkei.com/politicsaeconomy/economic-policy/4498-12-121231.html，2012，12，31.

[5]先進制造技術研究.國防科技情報研究報告，BQB2009，06，10.

[6]譚惠民，田也壯，張曙.歐盟制造未來戰略及其啟示[J].中國制造業信息化，2008，21.