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第二章:先进制造技术研究与发展

 

 

 

  随着计算机技术、信息技术、自动化技术在

   制造业中的广泛应用,它们与传统制造技术相

   结合而形成的先进制造技术发展迅速,应用越

   来越广泛。近几年来,制造业(特别是机械制 

   造业)发生了一系列重大变化主要表现在10

   个方面:

企业生产方式面临重大变革;
绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征;

以提高对市场快速反应能力为目标的制造技术得到超速发展和应用;

全球化、网络化、虚拟化已成为制造业发展的重要特征
零部件制造业发展迅速,“中场产业”崛起;
企业间从竞争走向既有竞争、又有结盟之路,政府鼓励企业联合开发;
技术创新将成为21世纪企业竞争的焦点;
重视生产技术的开发和应用;
企业视质量为生命,质量管理持之以恒;
以人为本,高度重视激发员工的积极性。
 
 

 

   企业生产方式面临重大变革:

   绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征:

随着需求的个性化及制造的全球化、信息化,改变了制造业的传统观念和生产组织方式。精益生产、敏捷制造、智能制造、虚拟制造、虚拟企业等新概念相继出现。其特点是5个转变:

从以技术为中心向以人为中心转变;

从金字塔式的多层次生产管理结构向 

  扁平的网络结构转变;

从传统的顺序工作方式向并行工作方

  式转变;

从按功能划分部门的固定组织形式向

  动态的、自主管理的小组工作组织形

转变;

从质量第一的竞争策略向快速响应市

  场的竞争策略转变。

    

      日趋严格的环境与资源约束,使绿色制造越来越被重视,它将成为21世纪制造业的一个重要特征。

       日本从环境和商业的角度出发,已对加工的浪费和产品对环境的冲击加以严肃认真的考虑。通产省从1992年开始实施一项“生态工厂”的10年计划。此外通产省与日本家电制造商联合,决定投资50亿日元研究开发废旧家电处理集成系统,预计1998年将建成一座示范型小规模实验工厂。丰田公司正在实施汽车拆卸回收工艺和旧泵回收计划。

       香港生产力促进局则打出了“绿色生产力”的口号,正在积极推行ISO14000国际环保管理标准、绿色产品标志及绿色奖励计划,培训清洁生产人才。 

       

 

 

 

            

  以提高对市场快速反应能力为目标的制造技术得到超速发展和应用:

  瞬息万变的市场促使交货期成为竞争力诸因素中的首要因素。为此,许多

   新观念、新技术得到了迅速的发展和应用。其中有代表性的有二:

  并行工程 在产品设计阶段就同时进行工艺过程设计,考虑产品整个生产

   周期的所有因素,大大缩短产品投放市场的时间。这种方法在日、美企业中

   已比较广泛地应用。

  快速成型制造技术 利用三维CAD的数据,将一层层的材料堆积成实物模型    

    这种技术可大大缩短产品开发周期,给制造业带来根本性变化。虽然90年代它 

    才进入市场,至今已在全球销售1,500台快速成型机。

 

   全球化、网络化、虚拟化已成为制造业发展 

     的重要特征:

    虚拟技术是以计算机支持的仿真技术为前提,对设计、加工、装配等工序统一建模,形成虚拟的环境、虚拟

的过程、虚拟的产品、虚拟的企业。主要包括:

虚拟环境技术  

虚拟设计技术  

虚拟制造技术

虚拟研究开发中心,将异地的、各具优

  势的研究开发力量,通过网络和视像系

  统联系起来,进行异地开发、网上讨论;

虚拟企业为了快速响应某一市场需求,通过

  信息高速公路,将产品涉及的不同公司临时

 组建成一个没有围墙、超越空间的约束,靠计

 算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。

    面对新的格局、新的挑战,传统的封闭式的小而全、大而全的企业已越来越没有竞争力,各种开放方式的合作开发、生产与销售与日俱增。从用户订货、产品创意、设计、零部件生产、总成装配、销售以至售后服务全过程中各个环节都可以分别由处在不同地域的企业,按照某种契约进行互利合作。

     通过国际互联网、局域网和企业内部网,可以实现对世界上任何一地的用户订货,进行异地设计、异地制造,然后在最接近用户的生产基地制造成产品。

    零部件制造业发展迅速,“中场产业”崛起  

    由于经济不景气的长期化、传统产业趋向成熟和制造成本大幅度上升,日本一直保持竞争优势的装配产业已经衰退,以装配产业为龙头的产业体系已经开始出现问题。

      在装配产业停滞不前的同时,生产中间产品的部门却在持续发展,如汽车和家电行业,虽然装配性企业发展缓慢,出现衰退,但是汽车零部件制造企业却发展迅速,尤其是那些制造高功能零件和中间材料的企业发展惊人。

      日本学者借用足球比赛中的“中场”一词,把处于最终装配工业和基础材料工业之间的中间部分称为“中场产业”。“中场产业”以其独特的优势获得企业界的青睐,日本企业界纷纷致力于发展“中场产业”,有的学者还认为“中场产业”将成为制造业今后的核心和领导产业。

      日本和美国的各汽车生产厂家一般只控制整车、车身和发动机的设计和生产,而零部件的设计和生产则由专业化的汽车零部件企业承担。这些企业正向大型化、专业化、综合化和国际化的方向发展。

                                                        

  企业间从竞争走向既有竞争、又有结盟之路

    政府鼓励企业联合开发

      为了适应制造业国际化的发展趋势,不少企业已摆脱了那种“不是鱼死,就是网破”的一味竞争的思路,采取了“既有竞争,又有结盟”、“我赢你也赢”的策略。特别是同一国家的同行业企业,为了在国际上取得更大的竞争力和市场份额,在政府的支持下,围绕一些风险大、投入大的新产品开发或关键技术研究采取联合资助、联合行动,取得了良好的效果。

     日本9家企业与京都大学恒野研究室联合开发出世界上第一台采用直线电机的卧式加工中心

     美国三大汽车公司为了与日本丰田公司抗衡,夺回失去的优势,成立了美国汽车技术委员会,支持共同需要的研究课题。 

 

技术创新将成为21世纪企业竞争的焦点:

 市场的动态多变,迫使企业必须及时调整经营策略。

 美国制造业的经营策略由60年代的规模效益第一走向70年代的价格第一,再走向80年代的质量第一,而90年代已变为市场响应速度第一。预计21世纪将是技术创新第一,即企业竞争的焦点将是技术创新。

   重视生产技术的开发和应用

  国际上大公司的信条是关键工艺技术一定要掌握在自己手里,要具有特色和不可替代性。世界各大公司都有很强的生产技术开发力量,从事本公司需要的关键工艺、重要生产设备、自动线的开发。如美国通用汽车公司“北美制造中心”的机器人实验室正在从事机器人在车身焊接、喷涂、运输、机械加工、装配等生产过程中的应用研究。

 

        

  企业视质量为生命,质量管理持之以恒

     国外的不少企业对质量管理的重视及采取的一套严格的做法,多年一贯制。可以说,日本企业视质量为生命的观念已深入到了每个职工的心里,变成了像吃饭、穿衣服那样的自觉行动。

  以人为本,高度重视激发员工的积极性

    与汽车工业发展的初期不同,当今各大汽车公司的管理者,都树立了“以人为本”的观念。

    日本电装公司的西尾制作所提出要使职工“活性化”。丰田公司十分重视新技术的培训,重视培养员工的创新精神和参与意识。

   日本各企业长期以来坚持开展合理化活动,员工参与十分踊跃。他们认为人的技能与自动化设备相结合是最好的结合,不必追求全盘自动化。

  
   经济发达国家都把制造业作为本国的经济支柱,都十分重视制造业的发展,根据科技与经济的发

    展,不断摆正制造业在国民经济中的地位,不断调整制造业的发展战略和政策方针。

  

美国的制造业发展战略

     美国认为68%的财富来源于制造业,为保持在制造工程研究的世界一流水平和世界一流制造产业的地位,近几年,美国政府、大学研究所、公司企业等部门采取了各种战略措施。

    90年:制造领域国家关键技术:

柔性计算机集成制造                            

微米级和毫微米级制造                    

ATP(先进技术计划)                                

ERC(实施工程研究中心建设计划) 

实施有益于环境的制造计划               

在大学设立制造工程系、专业、研究中心等

   的敏捷制造研究中心。

智能加工设备

系统管理技术

SBTR(实施小企业革新研究计划)

STRATMAN (实施战略制造计划)

实施制造科学与技术计划

建立航空航天、电子、机床等领域  

在战略措施中,其中最重要的一条是鼓励和支持大学和科研单位的科学技术向工业界转化。建  

立“国家制造工程中心(ERC)”、“工业大学合作研究中心(IVCRC)”、“制造技术中心(MTC)”

   IVCRC主要用于推进工业界与大学之间的合作与交流,促进科技成果向工业界转化。

    MTC则主要吸收中小企业参加,促进他们尽快采用先进技术。为了帮助美国中小企业提高国际市场竞争能力,专门制定面向中小企业的综合自动化计划。通过MTC推广这一计划,实现对中小企业的现状进行诊断和评估,找出症结所在,对企业人员进行培训,以提高雇员的素质,更新观念,切实提高约占美国企业总数85%的中小企业的市场竞争能力,进而确立美国在制造业的优越地位。

 

     日本的制造业发展战略       德国的制造业发展战略

    

在过去的几十年里,日本已成为制造业的世界领袖。就金属切削机床而言,其几乎产值占全球产值的30%,连续10多年保持了它从1982年超过美国而成为世界头号机床生产国的地位。

    日本制造业一直以来特别重视数控机床和数控技术的推广。近几年,日本数控机床占总机床产量的70%以上,这对日本工业提高生产率和国际竞争力作出了重大贡献。另一个突出原因是日本政府和工业界不断地主动采用新制造技术,使日本公司在许多先进领域是公认的技术领袖。

    日本为了能维持其在制造业的领先地位,又提出了“精简、消肿”和面向市场的“敏捷制造”的概念,即所谓精简化生产。其主要特征是,以用户为“上帝”,以“人”为中心,以“精简”为手段,以“零缺陷”为最终目标,这种不断改进产品方法学的思路,不断提出企业的新功能和产品的高性能的策略,使制造业永远保持一种生气,始终立于不败之地。

    1992年提出智能制造计划 1995启动。

     德国制造业的特长是革新与质量,德国企业能够根据用户的特殊需求,以市场能够接受的价格在最短的时间内向市场提供高质量的产品,这是通过生产过程各个阶段的合理化而实现的。

    他们认为,产品的竞争能力不是单纯通过降低成本,而更主要的是通过在今天和未来始终保持技术领先来实现的。为了进一步扩大技术优势,要在产品设计和工艺过程两个方面采取措施。而这种技术优势只有当企业具有良好的组织结构时才能带来企业的利润。

    企业的技术改造,不仅是物流和加工过程的自动化、信息流的集成化和能源的合理利用,还应考虑生产组织如何才能适应市场的激烈竞争,技术的进步和人的效能怎样充分发挥,以及企业结构如何具有市场应变能力等。

为了振兴制造业,保持一个国家在制造业的优越地位,依靠科技进步促进科技成果的转化是根本方针,提高生产技术水平和人员素质是振兴之本,而良好的组织结构和精简的管理是有力的组织保证。

    近两年来,我国制造业,特别是机床工具行业进入建国以来最困难的时期。80%的企业,特别是国有大中型企业步履艰难。机床工具行业在连续3年负增长之后,1997年仍处在负增长时期。原机械工业部在“机械工业振兴纲要”中指出:

我国制造业目前存在的五大问题:

1.质量不稳定、产品水平低,主要机械产品

  中达到当代世界先进水平的不到5%;

2.生产集中度低、分散重复严重;

3.科技基础薄弱,自主开发能力差;

4.企业装备陈旧,生产工艺落后,精密、高效、数控设备不足5%;

5.基础管理薄弱,由于企业没有现代化管理的概念,从而在市场经济

新形势下步步被动。

   由于上述原因,导致了我国大多数国有大中型制造企业陷于所谓三分

天下的困境,即三分之一明亏,三分之一潜亏,三分之一微利。

象:

    市场紧俏适销产品,因无资金投入,放弃了一部分市场。由于

流动资金短缺,贷款拖欠严重,很多企业产品虽有销路,但无资金

组织生产不得不忍痛放弃可以到手的合同和订单。

      由于企业和产品竞争力不强,失去了一部分国内市场。近几年来,

机床行业企业失去了不少原应占有的市场,在引进设备时,只注重

引进,而不注重消化吸收,只注重硬件引进,而忽视技术软件的引

进,致使我国现已消化吸收的项目总体上只占引进技术的10%左右,

而制造业引进消化的比例比这还要低,从而大量出现低水平引进和

重复引进的现象。

   进口冲击,挤占了一部分市场,致使不少企业处境十分窘迫。

1990年我国进口机床的外汇总额为5.44亿美元,1996年则猛增到25

亿美元,6年时间增长了近5倍。大量进口的机床中,有一半是国

内完全可以制造的普通机床。产品质量和水平与国内比较,并没

有多大的差别,而价格却高出国内同类机床价格的几倍,而且在

这些普通机床中有相当数量是价格便宜的二手设备。进口机床的

质量问题越来越严重。   

 

  根本原因:

      我国制造行业长期在计划经济体制下运行,在体制转换过程中,尚未适应社会主义市场经济的要求,产品结构调整缓慢,企业竞争力提高不快。

  结 论

由于这三方面的夹击,致使机械制造业,1996年至1997年全行业企业的资产负债率平均为66.92%,流动资产负债率为93.04%,国产机床在国内市场的占有率近几年急剧下降,从1990年的67%降到1994年、1995年、1996年的38%、34%和30%。

                                          

    近年来,大力推进先进制造技术在我国的发展和应用,已得到社会的共识,先进制造技术已被列为1996 — 2000年国家重点科技发展领域,给予优先支持。目前,一大批研究人员正在致力于先进制造技术研究开发和推广应用工作。

        

计算机辅助设计技术

精密成形技术
快速原型/零件制造(RPM)技术
金属材料热成形过程动态模拟技术
超精密加工技术
数控技术
工业机器人
计算机集成制造(CIMS)
分散网络化制造(DNM)

   计算机辅助设计技术

  1986-1990年是祖国大陆CAD技术蓬勃发展的时期。有2,500名科技人员参加了国家科技计划项目《重点机械产品计算机辅助设计(CAD)系统开发》的实施,对24种重要机械产品的CAD技术和数据库技术进行了研究并在工业中推广应用,取得了一大批重要的成果。

    进入90年代之后,CAD技术走向了商品化、产业化、全面推广应用的新阶段。目前,大陆已有近百家CAD软件开发公司,开发出了一批具有自主版权的二维支撑软件,国产CAD软件的年产值已超过了1亿元人民币,机械行业的大型企业CAD的普及率达到了30%。应用CAD技术已成为企业提高市场应变能力和技术创新能力的重要手段。

 

 

    精密成形技术                                       

(1)精密铸造技术 重点发展了熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、金属型铸造、消失模铸造等技术。采用消失模铸造生产的铸件质量好,铸件壁厚公差达到了±0.15 mm,表面粗糙度Ra为25 μm。

(2)精密塑性成形技术 重点发展了精冲技术、超塑成形技术、冷挤压技术、成形轧制等项技术。如700 mm汽轮机叶片精密辊锻和精整复合工艺已成功用于生产;楔横轧技术已用于汽车、拖拉机精密轴类锻件的生产,显示出极佳的经济性。

    (3)精密焊接与切割技术 重点发展了电子束焊接技术、激光焊接技术和切割技术、脉冲电阻焊接技术、感应钎焊技术。

 

  快速成型/零件制造(RPM)技术

  90年代初,清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆源公司相继进行了成形理论、工艺方法、设备、软件、材料等配套技术的研究。

  (1)工艺研究 主要对立体印刷(SLA)、分层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔化沉积制造(FDM)4种工艺进行应用开发。

  (2)设备研制 已能提供适用于上述4种工艺的成形设备和多功能成形机及整体电极成形机。

  (3)材料研究 主要有SLA用料棗光固化树脂,LOM用料棗纸,SLS用料棗树脂腊、工程塑料、陶瓷材料、铸造覆膜砂,FDM用料棗腊、尼龙、ABS。其中部分材料可作为商品供应。

  同时还进行了前端数据转换处理及后端应用技术开发。

这些技术已在工业造型设计、新产品样件制造、单件小批量金属零件制造、快速注塑模具制造中应用。目前,由政府资助正在深圳、天津等地建立一批向企业提供快速成型技术的服务机构。

   金属材料热成形过程动态模拟技术

  大陆在70年代末,从铸造行业开始,进行热成形过程的计算机模拟技术的研究。目前,已扩展到热成形的各个领域,这项研究被列入国家科技计划,给予重点资助。

  (1)铸造 对大型铸件充型、凝固过程进行了三维数据模拟;对铝合金、镍合金的微观组织形式过程进行二维、三维模拟。这些研究成果已在一些企业应用,取得了较好的效果。

  (2)锻压 初步建立了成形过程微观组织的演化方程和热塑性本构关系,已通过了部分实施验证,并在大锻件生产中得到初步应用。

  (3)热处理 将进行淬火和回火过程温度场、组织转变和应力场的数值模拟。

  (4)焊接 将进行焊接凝固热裂纹的模拟仿真、开裂机制研究,焊接氢致裂纹评价技术及数值模拟研究。

  (5)模具 在复杂模具设计中,采用有限元法、边界元法进行了流动、冷却和传热过程动态模拟,并已运用于数十套精密复杂模具的设计。

    热成形过程的数值模拟已是大陆研究的一个热点,但要实用化还有相当一段距离。

  超精密加工技术

    我国超精密加工技术起步较早,但直到80年代才取得较大的进展。如北京机床研究所先后研制出回转精度达0.02 μm的精密轴系;单点金刚石切削的超精车床、超精铣床、最高分辨0.02 μm的数控超精车床,可加工球面和非球面体,表面粗糙度达0.025 μm。目前,像计算机磁盘、录像机磁头、激光打印机的多面棱镜、复印机的感光筒等零件,我国研制的超精机床都能保证精度要求。

  

 数控技术

    我国数控技术经1981 — 1985年的技术引进、1986 — 1990年的消化吸收和1991 — 1995年开发自主版权的数控系统3个阶段的发展,已建立起了2个具有自主版权的数控平台:以PC机为基础的总线式、模块化、开放型单处理器平台和多处理器平台。开发出了4个具有自主版权的基本系统:中华Ⅰ型、航天Ⅰ型、蓝天Ⅰ型、华中Ⅰ型。并在此基础上开发出了数控车床和加工中心6个典型系统及针对数控磨齿机、齿轮机床、电加工机床、锻压机床、仿形机床、三坐标测量机特定功能要求的16种派生系列,为我国实现数控机床的产业化奠定了基础。目前,已形成了年产数控系统3,000台、主轴与进给装置5,000套的生产能力。今后,将以市场需求量最大的两大类普及型数控系统为重点,促进我国数控产业的形成。

  工业机器人                                         

    从1986年开始,大陆将机器人的研究开发列入国家科技计划。通过10年的努力,目前已掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统设计和软件编程技术,可以生产部分机器人的关键元器件,开发出了喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运、水下作业等机器人。其中喷涂机器人已在20余家企业的喷漆工作站或自动喷漆生产线上获得应用;弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊接线上;水下机器人则走出国门,出口到国外。目前,大陆已安装的机器人大约有近500台。今后,将开发新一代的工业机器人,建立一批应用生产线或工作站,来研究智能机器人。 

  计算机集成制造(CIMS)

  近10年间,在祖国大陆每年都有3,000多名科学工作者涉及CIMS工程的研究、开发和实施。迄今为止,已经开展500多个应用研究项目,研究范围覆盖了系统集成技术、CAD/CAM、管理决策信息系统、质量系统工程和数据库等,开展了一系列关键技术的研究,包括复杂工业系统的模拟设计、异构环境的信息集成、基于STEP的CAD/CAM集成系统、并行工程构架和应用集成平台,某些研究达到了世界先进水平。

  CIMS研究应用的另一个重点是帮助企业实施CIMS工程,迄今已有60个实施CIMS工程的应用示范企业,本世纪末,将扩展到2,000家企业。

   我国CIMS研究推广应用工程已得到了国际认同,1994年清华大学的国家CIMS工程研究中心获得美国制造协会颁发的“大学领先奖”,1995年北京第一机床厂获得“工业领先奖”。 

  

  分散网络化制造(DNM)

    在过去10年中,香港制造业中大约有80%-90%的厂家把劳动密集型及附加值较低的工序转移到珠江三角洲,独资或与内地合资开办了4万多个企业,从业人员达到400万人。香港利用内地廉价的劳动力和土地资源,从来料加工装配中每年获取数百至一千亿港元的利润;对珠江三角洲地区而言,也极大地促进了当地的经济繁荣,解决了部分劳动力的就业问题。

    但是随着国际和大陆经济环境的变化,必须重新认识香港和内地的这种低层次的合作和优势互补。例如,如何利用国内的智力资源、专业人才及企业大量剩余的生产能力?如何发挥香港对市场需求反应迅速和制造企业规模较小这两大特点?如何减少投资风险和提高竞争力?回答只有一个,就是使香港和内地联合起来,共同迎接全球制造的挑战。而建立“分散网络化制造系统”就是一条重要的途径。为了推出高质量、低成本的新产品,最快的办法是综合利用不同华人地区的现有设计能力和制造资源,把它们迅速组合成为一种没有围墙的、超越时空约束的、靠信息传输手段联系的、统一指挥的经营实体棗分散制造网络。

  目前,中国机械科学研究院、同济大学、香港理工大学的研究人员正在开展合作研究,旨在2年内在大陆和香港的2,000家企业之间利用国际互联网建立制造资源信息网络;在模具行业和中小柴油机行业建立两个“分散网络化制造”的示范系统。如果取得成功,我们期望在祖国大陆、台湾、香港之间建立更多的分散网络化制造系统。