制造自动化的广义内涵和发展趋势

　　制造自动化技术是先进制造技术中的重要组成部分，也是当今制造工程领域中涉及面广、研究十分活跃的技术。　　我国对制造自动化技术的研究十分重视，近年来已在研究和应用上作了大量工作。例如，国家863计划CIMS主题专门设置了“制造自动化”技术专题，每年均设置了一定数量的研究课题；全国高校中建立了“全国高等学校制造自动化研究会”，每两年一次学术大会，围绕制造自动化主题作了大量研究。　　鉴于“制造自动化”这一名称在我国出现的时间还不很长，同时又因其内涵、研究现状和发展趋势均处于不断地发展和动态变化过程中，因此本文对制造自动化的内涵进行了探讨，对其研究现状和发展趋势作了分析和论述。　　1.制造自动化的广义内涵　　顾名思义，“制造自动化”首先应与“制造”有关。　　传统地理解，人们一般将“制造”理解为产品的机械工艺过程或机械加工过程。例如著名的Longman词典对“制造”(Manufacture)的解释为“通过机器进行(产品)制作或生产，特别是适用于大批量”。　　随着人类生产力的发展，“制造”的概念和内涵在“范围”和“过程”两个方面大大拓展。范围方面，制造涉及的工业领域远非局限于机械制造，包括了机械、电子、化工、轻工、食品和军工等国民经济的大量行业。制造业已被定义为将可用资源(包括物料、能源等)通过相应过程、转化为可供人们使用和利用的工业品或生活消费品的产业［1］。过程方面，制造不是仅指具体的工艺过程，而是包括市场分析、产品设计、生产工艺过程、装配检验和销售服务等产品整个生命周期过程，如国际生产工程学会1990年给“制造”下的定义是：制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称［2］。　　综上所述，目前对制造有两种理解，一是通常的制造概念，指产品的“制作过程”或称为“小制造概念”，如机械加工过程；另一个是广义制造概念，包括产品整个生命周期过程，又称为“大制造概念”。实际应用中，两者皆在使用，其概念范围视具体情况而定。　　“自动化(Automation)”是美国人D.S.Harder于1936年提出的［3］。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。这实质是早期制造自动化的概念。　　制造自动化(以下简称自动化)的概念是一个动态发展过程。过去，人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。后来随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。　　今天看来自动化的上述概念也还不完善。把自动化的功能目标看成是用机器代替人的体力劳动或脑力劳动是比较狭窄的理解。这种理解甚至在某种程度上阻碍了自动化技术的发展，例如，有人就认为，中国人多，搞自动化没有很大的必要。　　今天，制造自动化已远远突破了上述传统的概念，具有更加宽广和深刻的内涵。制造自动化的广义内涵至少包括以下几点：　　(1)在形式方面，制造自动化有三个方面的含义：　　.代替人的体力劳动。　　.代替或辅助人的脑力劳动。　　.制造系统中人、机及整个系统的协调、管理、控制和优化。　　(2)在功能方面，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化功能目标体系的一部分。制造自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。此体系可用如图1所示的功能目标模型描述。此功能目标模型简称TQCSE模型，其中T表示时间(Time)，Q表示质量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服务(Service)，E表示环境友善性(Environment)。　　TQCSE模型中的T有两方面的含义，一是指采用自动化技术，能缩短产品制造周期，产品上市快；二是提高生产率。Q的含义是采用自动化系统，能提高和保证产品质量。C的含义是采用自动化技术能有效地降低成本，提高经济效益。S也有两方面的含义，一是利用自动化技术，更好地做好市场服务工作；二是利用自动化技术，替代或减轻制造人员的体力和脑力劳动，直接为制造人员服务。E的含义是制造自动化应该有利于充分利用资源，减少废弃物和环境污染，有利于实现绿色制造。　　TQCSE模型还表明，T、Q、C、S、E是相互关联的，它们构成了一个制造自动化功能目标的有机体系。　　(3)在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而是涉及产品生命周期所有过程。　　2.制造自动化技术的研究现状　　正如本文前言所述，国内外对制造自动化技术的研究非常重视，已经进行了大量研究。综合而言，制造自动化技术的研究现状主要表现在以下几个方面。　　2.1制造系统中的集成技术和系统技术已成为制造自动化研究中热点问题 　 　　制造自动化技术研究过去主要集中在单元和专门技术的研究中，这些技术包括控制技术(如数控技术、过程控制和过程监控等)和计算机辅助技术(如CAD、CAPP、CAM和CAE等)等。近年来，在上述单元技术和专门技术继续发展的同时，制造系统中的集成技术和系统技术的研究发展迅速，已成为制造自动化研究中的热点。　　制造系统中的集成技术和系统技术涉及面很广。其中集成技术包括制造系统中的信息集成和功能集成技术(如CIMS)、过程集成技术(如并行工程CE)、企业间集成技术(如敏捷制造AM)等；系统技术包括制造系统分析技术、制造系统建模技术、制造系统运筹技术、制造系统管理技术和制造系统优化技术等等。　　2.2更加注重研究制造自动化系统中人的作用的发挥　　在过去一段时期，人们曾认为全盘自动化和无人化工厂或车间是制造自动化发展的目标。随着实践的深入和一些无人化工厂实施的失败，人们对无人制造自动化问题进行了反思，并对于人在制造自动化系统中有着机器不可替代的重要作用进行了重新认识。有鉴于此，国内外对于如何将人与制造系统有机结合，在理论与技术上展开了积极的探索。近年来，提出了“人机一体化制造系统”、“以人为中心的制造系统”等新思想，其内涵就是发挥人的核心作用，采用人—机一体的技术路线，将人作为系统结构中的有机组成部分，使人与机器处于优化合作的地位，实现制造系统中人与机器一体化的人机集成的决策机制，以取得制造系统的最佳效益。目前，围绕人机集成问题国内外正在进行大量研究。　　2.3单元系统的研究仍然占有重要的位置 　 　　单元系统是以一台或多台数控加工设备和物料储运系统为主体，在计算机统一控制管理下，可进行多品种、中小批量零件自动化加工生产的机械加工系统的总称。它是计算机集成制造系统(CIMS)的重要组成部分，是自动化工厂车间作业计划的分解决策层和具体执行机构。国内外制造行业在单元系统的理论和技术研究方面投入了大量的人力物力，因此单元技术无论是软件还是硬件均有迅速的发展。　　例如：美国《Manufacturing Engineering》高级编辑Robert B.Aronson最近专门发表综合评论文章“数控单元(系统)的最新进展”［5］，对数控单元系统的发展状况进行了综述，其中指出：“单元(系统)目前已经开始影响和支配着美国制造业。”《Manufaturing Engineering》的另一编辑也同时撰文［6］介绍了单元系统在美国波音公司中所发挥的巨大作用。近年来又提出了一种基于多主体(Multi-Agent)的单元化制造系统，其研究正在兴起。　　2.4制造过程的计划和调度研究十分活跃，但实用化的成果还不多见　　美国Ingersoll铣床公司曾分析了在传统的制造工厂中从原材料进厂到产品出厂的制造过程。结果表明，对一个机械零件来说，只有5%的时间是在机床上；95%的时间中，零件在不同的地方和不同的机床之间运输或等待。减少这95%的时间，是提高制造生产率的重要方向。优化制造过程的计划和调度是减少95%的时间的主要手段。有鉴于此，国内外对制造过程的计划和调度的研究非常活跃，已发表了大量研究论文和研究成果。仅以新加坡两年一度的国际CIM大会为例，最近几届的大会论文集中，计划和调度方面的研究均占相当一部分。　　制造过程的计划和调度的研究方面虽然已取得大量研究成果，但由于制造过程的复杂性和随机性，使得能进入实用化的特别是适用面较大的研究成果很少，大量研究还有待于进一步深化。　　2.5柔性制造技术的研究向着深度和广义发展　　一提到柔性制造技术，人们往往首先想到柔性制造系统FMS。最早的FMS是1967年由英国Molins公司研制的“System 24”［3］，至今已有30余年历史。目前FMS已在发达国家广泛应用。虽然FMS的研究已有较长历史，但由于其复杂性和不断地发展，至今仍有大量学者对此进行研究。目前的研究主要围绕FMS的系统结构、控制、管理和优化运行在进行。　　柔性制造系统FMS虽然具有自动化程度高和运行效率高等优点，但由于其不仅注重信息流的集成，也特别强调物料流的集成与自动化，物流自动化设备投资在整个FMS的投资中占有相当大的比重，且FMS的运行可靠性在很大程度上依赖于物流自动化设备的正常运行，因此FMS也具有投资大、见效慢和可靠性相对较差等不足。　　DNC技术近年来得到了很大发展。早期的DNC是指Distributed numerical control，即计算机直接数控。目前我们说的DNC包括两种情况：一是为计算机直接数控，另一指是Direct numerical control，即分布式数控。本文所说的DNC主要指后者。DNC(分布式数控)强调信息的集成与信息流的自动化，物料流的控制与执行可大量介入人机交互。相对FMS来说，DNC具有投资小、见效快、柔性好和可靠性高等特点，因而近年来的研究非常活跃［7］。　　柔性制造技术的基础是数控。数控技术虽然已有40多年历史，但至今仍在不断完善和发展。一些新的数控系统在不断涌现。　　2.6适应现代生产模式的制造环境的研究正在兴起　　当前，及时制生产(Just in time)、并行工程(Concurrent engineering)、精良生产(Lean production)、敏捷制造(Agile manufacturing)等现代制造模式的提出和研究推动了制造自动化技术研究和应用的发展，以适应现代制造模式应用的需要。　　例如：围绕敏捷制造这一21世纪占主导地位的制造模式的研究，对制造自动化系统中的敏捷制造问题的研究越来越受到重视。主要问题包括敏捷制造模式下的制造自动化系统体系结构、高效柔性制造系统的建模与重构、制造能力测量、评价与控制和制造加工过程的拟实制造等等。　　2.7底层加工系统的智能化和集成化研究越来越活跃　　如目前世界上IMS计划中，提出了智能完备制造系统HMS(Holonic manufacturing system)，HMS是由智能完备单元复合而成；其底层设备具有开放、自律、合作、适应柔性、可靠、易集成和鲁棒性好等特性。另外，目前世界上刚刚出现的虚拟轴机床，变革了传统机床的工作原理，其性能上有许多独特优势，特别是有利于实现车间内各虚拟轴机床的控制和集成。又如快速原型制造(Rapid prototyping)是一种有利于实现集成制造的新技术，近年来的研究非常活跃。　　3.制造自动化技术的发展趋势　　近年来，制造自动化技术的研究发展迅速，其发展趋势可用“六化”简要描述。即制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造智能化和制造绿色化。　　3.1制造全球化　　制造全球化的概念出于美日欧等发达国家的智能系统计划。近年来随着Internet技术的发展，制造全球化的研究和应用发展迅速。制造全球化包括的内容非常广泛，主要的有：　　.市场的国际化，产品销售的全球网络正在形成。　　.产品设计和开发的国际合作。　　.产品制造的跨国化。　　.制造企业在世界范围内的重组与集成，如动态联盟公司。　　.制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利用。　　.全球制造的体系结构将要形成。　　3.2制造敏捷化　　敏捷制造是一种面向21世纪的制造战略和现代制造模式，当前全球范围内敏捷制造的研究十分活跃。敏捷制造是对广义制造系统而言。制造环境和制造过程的敏捷性问题是敏捷制造的重要组成部分。敏捷化是制造环境和制造过程面向21世纪制造活动的必然趋势。制造环境和制造过程的敏捷化包括的内容很广，如：　　.柔性：包括机器柔性、工艺柔性、运行柔性和扩展柔性等。　　.重构能力：能实现快速重组重构，增强对新产品开发的快速响应能力。　　.快速化的集成制造工艺：如快速原型制造RPM，是一种CAD/CAM的集成工艺。　　.……　　3.3制造网络化　　当前由于网络技术特别是Internet/Intranet技术的迅速发展，正在给企业制造活动带来新的变革，其影响的深度、广度和发展速度往往远超过人们的预测。正如1997年10月在新加坡召开的第四届国际CIM大会上，大会主席Robert Gay博士指出：“自1995年的第三届国际CIM大会以来，基于Internet的生产经营活动是出人意料地迅猛增长［7］”。又如美国《Manufacturing Engineering》杂志高级编辑Jean V.Owin最近专门撰文论述了基于Internet的制造的重大意义和应用情况［8］。　　基于网络的制造，包括以下几个方面：　　(1)制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。　　(2)制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成。　　(3)企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用。　　(4)通过网络，实现异地制造。　　总之，制造的网络化，特别是基于Internet/Intranet的制造已成为重要的发展趋势。　　3.4制造虚拟化　　制造虚拟化主要指虚拟制造，又称拟实制造。　　虚拟制造(Virtual manufacturing)是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工现实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。它将现实制造环境及其制造过程通过建立系统模型映射到计算机及其相关技术所支撑的虚拟环境中，在虚拟环境下模拟现实制造环境及其制造过程的一切活动和产品制造全过程，并对产品制造及制造系统的行为进行预测和评价。　　虚拟制造的研究正越来越受到重视。如：美国政府制定的TEAM(敏捷制造使能计划)包括5个重点研究领域，虚拟制造是其中之一。虚拟制造是实现敏捷制造的重要关键技术，对未来制造业的发展至关重要；同时虚拟制造将在今后发展成为很大的软件产业，我们应充分注意到这个发展趋势。　　3.5制造智能化　　智能制造将是未来制造自动化发展的重要方向。　　所谓智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。智能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现制造过程的优化。　　有人预言下一世纪的制造工业将由两个“I”来标识，即Integration(集成)和Intelligence(智能)。　　3.6制造绿色化　　环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大主要问题。特别是环境问题，其恶化程度与日剧增，正在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。近年来的研究和实践使人们认识到环境问题决非是孤立存在的，它和资源、人口两问题有着根本性的内在联系。特别是资源问题，它不仅涉及人类世界有限的资源如何利用，而且它又是产生环境问题的主要根源。于时，近年来，一个新的概念已经提出：最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物，是当前世界上环境问题的治本之道。　　制造业量大面广，对环境的总体影响很大。可以说，制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是当前环境污染的主要源头。有鉴于此，如何使制造业尽可能少地产生环境污染是当前环境问题研究的一个重要方面。于是一个新概念——绿色制造(Green manufacturing)［10］由此产生。　　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，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响(负作用)最小，资源效率最高。绿色制造是可持续发展战略在制造业中的体现，或者说绿色制造是现代制造业的可持续发展模式。　　绿色制造涉及的面很广［11］，涉及到产品的整个生命周期和多生命周期。对制造环境和制造过程而言，绿色制造主要涉及到资源的优化利用、清洁生产和废弃物的最少化及综合利用。绿色制造是目前和将来制造自动化系统应该予以充分考虑的一个重大问题。　　4.结论　　制造自动化是一个动态概念，有着十分广泛和深刻的内涵。目前制造自动化技术的研究非常活跃，主要表现在制造系统中的集成技术和系统技术、人机一体化制造系统、制造单元技术、制造过程的计划和调度、柔性制造技术和适应现代生产模式的制造环境的研究方面。制造自动化技术的发展趋势可用“六化”简要描述，即制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造智能化和制造绿色化。