顧新建 李 曉
（浙江大學機械系，浙江 杭州310027）
摘 要：對先進制造技術的特點、體系結構和發展趨勢進行了簡要分析，並對其中的計算機集成制造系統和大批量定制技術的發展現狀作了簡要介紹。
關鍵詞：先進制造技術；計算機集成制造系統；大批量定制
1 先進制造技術的發展趨勢
先進制造技術是傳統制造業不斷地吸收機械、信息、材料及現代管理技術等方面最新的成果，並將其綜合應用於產品開發與設計、制造、檢測、管理及售後服務的制造全過程，實現優質、高效、低耗、清潔、敏捷制造，並取得理想技術經濟效果的前沿制造技術的總稱。從本質上可以說，先進制造技術是傳統制造技術、信息技術、自動化技術和現代管理技術等的有機融合。
先進制造技術是制造業21世紀發展的方向。先進制造技術的特點如下：?
(1)先進制造技術貫穿了從產品設計、加工制造到產品銷售及使用維修等全過程, 成為“市場—產品設計—制造—市場”的大系統。而傳統制造工程壹般單指加工過程。?
(2)先進制造技術充分應用計算機技術、傳感技術、自動化技術、新材料技術、管理技術等的最新成果, 各專業、學科間不斷交叉、融合, 其界限逐漸淡化甚至消失。?
(3)先進制造技術是技術、組織與管理的有機集成，特別重視制造過程組織和管理體制的簡化及合理化。先進制造技術又可看作是硬件、軟件、人件和支持網絡（技術的與社會的）綜合與統壹。?
(4)先進制造技術並不追求高度自動化或計算機化，而是通過強調以人為中心，實現自主和自律的統壹，最大限度地發揮人的積極性、創造性和相互協調性。?
(5)先進制造技術是壹個高度開放、具有高度自組織能力的系統，通過大力協作，充分、合理地利用全球資源，不斷生產出最具競爭力的產品。?
(6)先進制造技術的目的在於能夠以最低的成本、最快的速度提供用戶所希望的產品，實現優質、高效、低耗、清潔、靈活生產，並取得理想的技術經濟效果。?
美國從90年代初相繼提出了先進制造技術計劃、TEAM計劃、下壹代制造(NGM)技術計劃、美國國家關鍵技術等，德國提出了“生產2000”計劃、“生產2000+”計劃、“微系統2000”計劃等、日本提出了智能制造系統計劃、韓國提出了高級先進技術國家計劃（G-7計劃）等〔1〕。
圖1為先進制造技術的體系結構。?
美國喬治·華盛頓大學於90年代初成立了由45位著名的未來學家和技術專家組成的新興技術預測委員會，在1996年的預測中，從可以預見到的最重要的技術進步中挑選85項將要出現的技術。***分為12個大類。其中在第八大類：制造業與機器人中有如下技術〔2〕：
(1)計算機集成制造系統。在2012年，80%的工廠生產將實現計算機集成化；?
(2)生產自動化。到2015年，由於實現了生產自動化，工廠的就業人數在勞動力總人數中所占的比例將下降到10%以下；?
(3)大批量定制。到2011年，汽車、電器等30%以上的產品將廣泛實現大批量定制生產；?
(4)先進的機器人。到2016年，帶有傳感輸入、具有決策和學習功能、可移動的機器人將投放市場；?
(5)納米技術。到2016年，微型機器和納米技術將投入商業應用。
可以認為，這五種技術是最重要的先進制造技術。限於篇幅，這裏僅對計算機集成制造系統和大批量定制作壹簡單的介紹。這兩種技術對企業的影響範圍較大，有較大的適用性。
先進制造技術的發展趨勢可以概括為：?
(1)數字化。在這方面，人們提出了CIMS、數字化工廠等概念。通過CAX(CAD,CAPP,CAE, CAM)系統和PDM系統，進行產品的數字化設計、仿真，並結合數字化制造設備，進行自動加工。並采用MRPII/ERP系統，對整個企業的物流、資金流、管理信息流和人力資源進行數字化管理。進壹步的發展是，通過數字化的供應鏈管理(SCM)系統和客戶關系管理(CRM)系統，支持企業與供應商和客戶的合作。網絡技術的發展使企業內部和外部的數字化運作更加方便。?
(2)知識化。知識將成為企業的最重要的生產要素，技術創新將是企業最重要的生存和競爭能力。知識管理技術、學習型組織等將受到越來越大的重視。?
(3)模塊化。產品的模塊化和企業的模塊化將使企業能快速地、低成本地生產出顧客所需要的個性化產品。?
(4)微小化。微機械及制造技術正在迅速發展，這將導致壹大類全新的產品，深刻改變人們的生活。?
(5)綠色化。強調產品和制造過程對環境的友好性。
2 計算機集成制造系統(CIMS)
自從美國的Harringtong博士在1973年提出CIMS概念以來，CIMS在世界上走過了曲折的道路，人們對CIMS的本質認識有了巨大的變化，主要是：現代制造業的方向並不只是計算機的集成，信息的集成，而是人、技術、組織的整體集成，包括功能集成、組織集成、信息集成、過程集成、知識集成和企業間的集成〔4〕。由於計算機集成制造系統這壹詞容易使人誤解，以為只要將計算機集成在壹起就能構造成壹個先進的制造系統。為此，我國的壹些學者提出了現代集成制造系統（CIMS，Contemporary Integrated Manufacturing Systems）的概念。當前，CIMS的發展有以下特點。
2.1 集成化
CIMS中有以下幾個關鍵的信息集成系統。CIMS在這些系統的基礎上進壹步實現企業的總體集成。?
（1）ERP（企業資源計劃）系統：國外有名的系統是SAP,Oracle,Baan,IBM等，國內有金蝶、用友、開思等。ERP 系統集成了企業中的生產管理、財務、人事、采購、銷售等子系統。系統涉及面廣，十分龐大，對人員素質、數據和流程規範性要求高，因此實施難度大，成功率不高。?
（2）CAD/CAPP/CAM壹體化：目前雖然有些CAD系統可以支持CAD/CAPP/CAM壹體化，但主要針對基本上都采用數控加工的零件，如PRO/E軟件。由於不同產品中的零件差別很大，每個企業的加工條件和水平也不相同，因此復雜零件的CAD/CAPP/CAM壹體化還沒有通用的系統。?
（3）PDM（產品數據管理）系統：被用於管理和控制由CAX(CAD、CAPP、CAE、CAM等的統稱)系統所形成的大量的信息，避免花費很多時間去尋找本應該垂手可得的信息。PDM是設計自動化技術系統的核心，在產品的整個生命周期內管理全部的產品知識和信息，並為產品開發過程中的各個應用系統提供所需的數據，為不同應用系統提供集成平臺。PDM系統以產品數據庫為底層支持，以BOM為組織核心，把定義最終產品的所有工程數據和文檔聯系起來，實現產品數據的組織、控制和管理。PDM系統壹般是由CAD軟件開發商所開發的。因此，同壹軟件公司的CAD系統和PDM系統能很好的無縫集成，而來自不同軟件公司的CAD系統和PDM系統間的集成性就差多了。PDM系統的實施難度比CAD系統要大，因為前者涉及管理、組織等問題。
（4）工作流管理系統：主要用於辦公自動化，是企業管理層的信息集成系統。目前工作流管理系統與知識管理系統緊密結合起來，使企業的知識得以***享和保存。?
2.2 網絡化
以因特網為代表的網絡技術正在制造業中產生越來越大的影響。人類正在進入壹個新的時代——網絡經濟時代，在制造業中，也正在出現壹種新的模式——網絡化制造模式。在網絡化制造中，新的網絡空間與傳統的物理空間緊密結合，產生出各種新思想、新觀點、新方法和新系統。制造企業將利用因特網進行產品的協同設計和制造；通過因特網，企業將與顧客直接聯系，顧客將參與產品設計，或直接下訂單給企業進行定制生產，企業將產品直接銷售給顧客；由於因特網無所不到，市場全球化和制造全球化將是企業發展戰略的重要組成部分；由於在因特網上信息傳遞的快捷性，並由於制造環境變化的激烈性，企業間的合作越來越頻繁，企業的資源將得到更加充分和合理的利用。企業內聯網(Intranet)/外聯網(Extranet)也將極大地改變企業內的組織和管理模式，將有效地促進企業員工的信息和知識的交流和***享〔5〕。
2.3 敏捷化
進入21世紀，企業將面對日益激烈的國際化競爭的挑戰，另壹方面，企業可以利用制造全球化的機遇，專註發展自己有優勢的核心能力及業務，而將其它任務外包和外協。企業將變得更加敏捷，對市場的變化將有更快的反應能力。但這些需要新的信息技術的支持，如供應鏈管理系統，促進企業供應鏈反應敏捷、運行高效，因為企業間的競爭將變成企業供應鏈間的競爭；又如客戶關系管理系統，使企業為客戶提供更好的服務，對客戶的需求作出更快的響應。
2.4 虛擬化
虛擬制造可以簡單地理解為“在計算機內制造”，通過應用集成的、用戶友好的軟件系統生成“軟樣機”，對產品、工藝和整個企業的性能進行仿真、建模和分析。虛擬制造包括：虛擬設計、虛擬裝配和虛擬加工過程。新產品的開發需要考慮很多因素。例如在開發壹種新車型時，其美學的創造性要受到安全性、人機工程學、可制造性及可維護性等多方面的制約。在虛擬設計中，利用虛擬原型在可視化方面的強大優勢以及可交互地探索虛擬物體的功能，對產品進行幾何、制造和功能等方面的交互建模與分析，快速評價不同的設計方案，可以從人機工程學角度檢查設計效果，設計師可直接參與操作模擬，移動部件和進行各種試驗，以確保設計的準確性。這種技術的特點是：①及早看到新產品的外形，以便從多方面觀察和評審所設計的產品；②及早發現產品結構空間布局中的幹涉和運動機構的碰撞等問題；③及早對產品的可制造性有清楚的了解。美國波音飛機公司在設計波音777飛機中采用了虛擬制造技術。采用飛行仿真器及虛擬原型技術在各種模擬的條件下，對飛機進行飛行試驗。?
2.5 智能化
例如，隨著CAD系統中知識的積累，CAD系統的智能化程度將大幅度提高。這種智能化具體表現為：①智能地支持設計者的工作，而且人機接口也是智能的。系統能領會設計人員的意圖，能夠檢測失誤，回答問題，提出建議方案等；②具有推理能力，使不熟練的設計者也能做出好的設計來。?
2.6 綠色化
包括綠色產品和綠色制造。要求產品的零部件易回收、可重復使用、盡量少用汙染材料、在整個產品的制造和使用過程中排廢少、對環境的汙染要盡可能的小、所消耗的能量也盡可能的少。要求制造和使用具有潔凈性。產品和制造過程的綠色化，不僅要求企業把環境保護當作自己的重要使命，同時也是企業未來生存和發展的戰略。因為不註意環境保護的企業將被市場所淘汰。?
3 大批量定制
當前我國已進入買方市場，壹般產品和壹般的制造能力嚴重過剩；隨著市場競爭的國際化，用戶可以在更廣泛的範圍內選擇自己需要的產品，用戶對產品的質量、價格和新穎性的要求越來越高。許多企業都在探索如何在這種新環境中生存和發展。大批量定制(MC, Mass Customization)就是壹種很有前途的生產模式。大批量定制又稱大規模定制、大規模客戶化生產、批量定制、批量客戶化等〔6〕。
從理論上講，大批量定制要實現以大批量的低成本和短交貨期生產用戶定制的單件產品，但實際上，大批量定制可以看作是壹種低成本、快速滿足用戶個性化需求的產品設計、制造和營銷的新概念、新模式和新實踐。大批量生產和單件產品的定制生產壹直是兩種水火不相容的生產方式。實現大批量定制不僅僅是技術問題，還涉及到組織、管理和技術的全面變革。真正實現大批量定制也並非是壹個企業的事情，需要全行業、全社會的***同努力。因此，大批量定制是壹個大系統工程。?
大批量定制從產品和過程兩個方面對制造系統及產品進行了優化，或者說產品維（空間維）和過程維（時間維）的優化。其中，產品維優化的主要內容是：?
(1)正確區分用戶的***性和個性需求；?
(2)正確區分產品結構中的***性和個性部分；?
(3)將產品維的***性部分歸並處理；?
(4)減少產品中的定制部分。?
過程維優化的主要內容是：?
(1)正確區分生產過程中的大批量生產過程環節和定制過程環節；?
(2)減少定制過程環節，增加大批量生產過程環節。?
圖2描述了大批量定制中的產品維和過程維優化的基本原理。這裏將企業產品中的各種零部件分為兩大類，壹類是通用零部件，另壹類是定制零部件。產品維優化方向是減少定制零部件數。這裏還將產品的生產環節分成兩部分，壹部分是大批量生產環節，另壹部分是定制環節，過程維優化方向是減少定制環節數。大批量定制的實質是要減少圖2中的小矩形面積，理想的情況是該面積為零，但這實際上是不可能的。?
大批量定制的典型案例有：?
(1)美國萊維·斯特勞斯(Levi Strauss)服裝公司：該公司可以向用戶提供多達近千種不同的款式、花色，加上量體裁衣的服務，以保證用戶獲得稱心如意的牛仔褲。用戶只需多付10美元即可根據腰圍等個人尺寸在流水線上定制。公司的營業額上升了三成，庫存急劇減少，經營成本大幅降低。?
(2)寶潔公司（P＆G）：把洗發劑的配方增加到5萬多種，只要顧客能拿出頭發的油性酸性指標，就可以按通常價格給顧客定制專用洗發劑。?
(3)日本松下自行車工業公司：每輛車都是根據用戶的身體重量和愛好特制的，價格僅比現成的型號高10%，兩星期內交貨。不同定制的自行車中，大量零部件則是采用標準化戰略進行設計和制造的。?
(4)福特公司：發動機的模塊化設計，即對6缸、8缸、10缸和12缸等不同規格的發動機結構進行調整，使其絕大部分組件都能通用，以盡可能少的規格部件實現最大的靈活組合。不同規格的發動機可在壹條生產線上加工。每年節約數億美元〔7〕。?
(5)海爾集團：以58大門類9200個規格品種為素材，再加上提供的上千種“佐料”——2萬多個基本功能模塊，經銷商和消費者可自由地將這些“素材”和“佐料”組合，形成獨具個性的產品。目前可以提供適合B2B2C的模塊化網絡家電9萬種以上。?
(6)波音公司：面對結構復雜、品種繁多、零件數以百萬計的大型民用客機，將飛機中的零部件分為三類：第壹類是基本的、穩定的無個性特性件、第二類是用戶的可選件、第三類是用戶特定的零部件。由於前兩類的數量占了壹架飛機的工作量90%左右，這樣接到訂單90%的工作量已經完成或接近完成，這就大大縮短了生產周期，庫存量也不高，生產成本也降低了。並且波音公司在飛機模塊化設計的基礎上，開發了壹個飛機配置設計及制造資源管理系統。波音的銷售代表在與用戶談判時，可以利用便攜式計算機上的這個軟件系統與用戶協同配置飛機。這壹軟件能直接從構型庫中存取數據。銷售人員能向用戶展示各種選項將如何影響飛機的價格和重量。這些信息有助於用戶作出考慮周全的經營決策。
參考文獻
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2 曉科. 美國專家預測2001年至2030年間將出現的新興技術. 中國專利報, 1998-02-18(1)
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8 宜君. 海爾洗衣機：從專為您設計到個性化按需定制. 人民日報網絡版，2001-09-05
中國航天沖壓發動機技術研討瞄準世界前沿
當前，各國研制的以導彈武器為代表的飛行器，都在向著更快、更遠、更準、更高的目標進發，而實現這壹目標的關鍵技術之壹，就在於發動機技術水平的不斷提高。8月4日，由航天科工集團公司主辦、三院31所承辦的我國沖壓發動機領域的盛會——2005年沖壓發動機技術交流會，吸引了國內數十家科研院所、企業高校的約140名專家、學者到會。航天科工集團公司科技委主任夏國洪、副主任花祿森、黃瑞松參加了會議。
航天產品，動力先行。我國壹直非常重視沖壓發動機技術的發展，上世紀50年代末，三院31所率先開展了沖壓發動機技術的研究，被業界稱為“亞非拉，頭壹家”。經過40多年的發展，現已建立了比較完備的研發體系，研制出多種沖壓發動機裝備用於型號產品，多項研究成果獲得國家科技進步獎。
“目前，各國研制的導彈武器都向著速度更快、射程更遠的方向發展，同時，未來的航天運輸系統也需要先進的動力系統來支撐。因此，沖壓發動機以其特有的先進技術，將成為21世紀航空航天動力的寵兒。”31所所長薛亮對沖壓發動機的發展前景做了前瞻式的預測。
其實，沖壓發動機技術的“熱度”從本次會議收到的100多篇論文中也可見壹斑。許多專家學者都把目光瞄準了世界前沿水平。其中，劉興洲院士所作的《沖壓發動機技術研究進展》，從未來戰爭的壹體化、信息化、中遠程精確打擊等特點出發，引申出沖壓發動機的發展需求，並對沖壓發動機的壹體化設計、燃燒、燃料、材料、控制、試驗等技術前沿領域進行了介紹和展望，向與會代表描繪了未來沖壓發動機的發展藍圖。
本次會議交流研討的學術氣氛濃厚，許多論文水平較高，是對我國近年來沖壓發動機的前沿研究、產品設計和工程實踐的經驗總結；同時，本次會議使各單位增進了了解，對今後加強合作，促進信息、資源、技術和市場的***享將起到積極作用。