先进制造技术及其发展趋势

没有制造业，就没有工业；而没有机械制造业，就没有独立的工业，即使制造业再大再多再好，也受制于人。我国这么一个大国，如果没有强大的装备制造业，特别是同高科技相应的机床制造业，我国就不可能有独立自主的制造业与工业。

——杨叔子

“问渠哪得清如许？为有源头活水来！”一般认为，人类文明有三大物质支柱：材料、能源与信息。其实，应是四而非三，“制造”也应是一大支柱。可以说，没有“制造”，就没有人类。形象地讲，人是从制造第一把石刀开始的。

制造业是“永远不落的太阳”，是现代文明的支柱之一；它既占有基础地位，又处于前沿和关键，既古老，又年轻；它是工业的主体，是国民经济持续发展的基础；它是生产工具、生活资料、科技手段、国防装备等及其进步的依托，是现代化的动力源之一。

特别是机械制造业，尤其是装备制造业，应引起足够重视。马克思在《资本论》有一段名言，至今仍熠熠生辉：“大工业必须掌握这特有的生产资料，即机器的本身，必须用机器生产机器。这样，大工业才建立起与自己相应的技术基础，才得以自立。”生产机器的机器，我国称为机床；英文叫Machinetool，机器工具，有一定道理；德文叫Workzeugmaschine，工具机器，更有道理。机床制造业是装备制造业的心脏，可以说，没有制造业，就没有工业；而没有机械制造业，就没有独立的工业，即使制造业再大再多再好，也受制于人。也可以说，我国这么一个大国，如果没有强大的装备制造业，特别是同高科技相应的机床制造业，我国就不可能有独立自主的制造业与工业。如在信息化日益发展的今天，计算机、微电子产品在信息化中起着特别重大的作用，芯片的重要性不言而喻，而我国可说是一个无“芯”国家；预计2005年我国需要芯片365亿块，目前自给率小于20%，自主开发率约5%，关键就是我国制造不出生产芯片的装备。

制造业，特别是装备制造业，决不是“夕阳产业”，但是，制造技术中确有“夕阳技术”，这是同信息化大潮格格不入的技术，是同高科技发展不相应的技术，是缺乏市场竞争力的技术，甚至还可能是危害可持续发展的技术。我们所谓的“先进制造技术”，其实就是“制造技术”加“信息技术”加“管理科学”，再加上有关的科学技术交融而形成的制造技术。“先进制造技术”就是这么一个交融的技术，它生机勃勃地适应与占领现代制造业市场。

现代的制造业市场大致有五大特征。第一是买方市场。这是科学技术与生产力发展的必然结果。第二是多变性市场。由于科技发展快，技术更新快，产品换代快，从而产品非大量化、分散化、个性化的生产越来越强，竞争日趋激烈，不确定因素猛增，市场变化很快。第三是国际化市场。市场打破国界，走向区域化，走向国际化。第四是新兴产品市场。不仅涉及对传统产品用高新技术加以改造与发展而成的产品，而且更涉及前所未有的新类型的“产品”，从而导致如技术、软件、环保等产业的出现。第五是虚拟市场。信息化的进一步是网络化，网上的产品广告、商品展示、商品交易、客户关系、代理制等等均属于虚拟市场。

与此市场相应，制造业企业大致有六大特征。第一是满足“客户化”要求，这是“买方市场”必然导致的结果，“顾客就是上帝”。第二是对市场的快速响应，对生产的快速重组，从而要求生产模式必需有高度柔性，有足够敏捷性，这是“客户化”必然导致的结果。第三是既竞争、又合作地参与市场，走向“双赢”、“多赢”，这是“纳什方程”给出的结果，而不一定是或“鱼死”，或“网破”，或“两败俱伤”。第四是本土化与国际化交互，走向全球化，既竞争，又合作。第五是应用虚拟技术，以加快企业有关活动的节奏，提高产品质量，节约成本。第六，“以人为本”，加强企业人文文化建设，应该说，这是现代企业成败要害之所在。

与科学技术和市场经济的发展相应，先进制造技术，特别是先进机械制造技术有如下8个方面的发展趋势与特色，现分述如下。

“数”是发展的核心

“数”就是“数字化”。“数字化”，数字地球，数字城市，数字工厂，数字制造，数字装备，……狂澜巨浪，势不可当。“数字化”不仅是“信息化”发展的核心，而且也是先进制造技术发展的核心。信息的“数字化”处理同“模拟化”处理相比，有着3个不可比拟的优点：信息精确，信息安全，信息容量大。

数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。它包含了三大部分：以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。对制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式，通过网络，在企业内传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真，或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户化要求。对全球制造业而言，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络，根据需求，应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计与制造出相应的产品。这样，在数字制造环境下，在广泛领域乃至跨地区、跨国界形成一个数字化组成的网，企业、车间、设备、员工、经销商乃至有关市场均可成为网上的一个“结点”，在研究、设计、制造、销售、服务的过程中，彼此交互，围绕产品所赋予的数字信息，成为驱动制造业活动的最活跃的因素。在此还应着重指出，制造知识（包括技能、经验）的获取、表达、存储、推理乃至系统化、公理化等，这是使制造技术发展到制造科学的关键，而这又与数字化不可分开。

“精”是发展的关键

“精”是“精密化”。它一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高，另一方面是指对产品、零件的加工精度要求越来越高。有了前者，才要求有后者；有了后者，才促使前者得以发展。“精”是指加工精度及其发展，精密加工，细微加工，纳米加工，如此等等。20世纪初，超精密加工的误差是10微米，30年代达1微米，50年代达0.1微米，70至80年代达0.01微米，至今达0.001微米，即1纳米。从海湾战争，到科索沃战争，到阿富汗战争，到伊拉克战争，武器的命中率越来越高，就是武器越来越“精”，可以说，关键就是打“精度”战争。再由以下一组数据可以看到微电子产品对加工精度的依赖程度，电子元件制造误差为，一般晶体管50微米，一般磁盘5微米，一般磁头磁鼓0.5微米，集成电路0.05微米，超大型集成电路达0.005微米，而合成半导体为1纳米。

在现代超精密机械中，对精度要求极高，如人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级；基因操作机械，其移动距离为纳米级，移动精度为0.1纳米。细微加工、纳米加工技术可达纳米以下的要求，如离子束加工可达纳米级，借助于扫描隧道显微镜（STM）与原子力显微镜的加工，则可达0.1纳米。

至于微电子芯片的制造，有所谓的“三超”：1、超净，加工车间尘埃颗粒直径小于1微米，颗粒数少于每立方英尺0.1个；2、超纯，芯片材料有害杂质，其含量小于1ppb，即十亿分之一；3、超精，加工精度达纳米级。显然，没有先进制造技术，就没有先进电子技术装备；而没有先进电子技术与信息技术，也就没有先进制造装备。

“极”是发展的焦点

“极”就是极端条件，就是指在极端条件下工作的或者有极端要求的产品，从而也是指这类产品的制造技术有“极”的要求。在高温、高压、高湿、强磁场、强腐蚀等等条件下工作的，或有高硬度、大弹性等等要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的。显然，这些产品都是科技前沿的产品。其中之一就是“微机电系统（MEMS）”。可以说，“极”是前沿科技或前沿科技产品发展的一个焦点。例如，在信息领域中，分子存储器、原子存储器、量子阱光电子器件、芯片加工设备；生命领域中，克隆技术、基因操作系统、蛋白质追踪系统，小生理器官处理技术、分子组件装配技术；军事武器中，精确制导技术，精确打击技术，微型惯性平台，微光学设备；航空航天领域中，微型飞机，微型卫星，“纳米”卫星（0.1