第五节　机械制造自动化的现状及发展

一、机械制造自动化的发展里程及现状

自从18世纪中叶瓦特发明蒸汽机而引发工业革命以来，制造自动化技术就伴随着机械化开始得到迅速发展。从其发展历程看，制造自动化技术大约经历了5个发展阶段，如图1-4所示。

第1阶段：1870～1952年，采用纯机械控制和电液控制的刚性自动化单机和生产线得到长足发展。如1870年美国发明了自动制造螺钉的机器，继而于1895年发明了多轴自动车床，它们都属于典型的单机自动化系统，都是采用纯机械方式控制的。1924年第一条采用流水作业的机械加工自动线在英国的Morris汽车公司出现，1935年苏联研制成功第一条汽车发动机气缸体加工自动线。这两条自动线的出现使得制造自动化技术由单机自动化转向更高级形式的自动化系统。在第二次世界大战前后，位于美国底特律的福特汽车公司大量采用自动化生产线，使汽车生产的生产率成倍提高，汽车的成本大幅度降低，汽车的质量也得到明显改善。随后，西方其他工业化国家、苏联以及日本都开始广泛采用制造自动化技术和系统，使这种形式的制造自动化系统得到迅速普及，其技术也日趋完善，它在生产实践中的应用也达到高峰。尽管这种形式的制造自动化系统仅适合于像汽车这样的大批生产，但它对于人类社会的发展却起到了巨大的推动作用。值得注意的是，在此期间，苏联于1946年提出的成组生产工艺的思想，对制造自动化系统的发展具有极其重要的意义。直到目前，成组技术仍然是制造自动化系统赖以生存和发展的主要技术基础之一。

第2阶段：1952～1967年，数控（NumericalControl，NC）技术和工业机器人技术，特别是单机数控得到飞速发展。数控技术的出现是制造自动化技术发展史上的一个里程碑。它对多品种、小批量生产的自动化意义重大，几乎是目前经济性实现小批量生产自动化的唯一实用技术。第一台数控机床于1952年在美国的麻省理工学院研制成功，它一出现，立即得到人们的普遍重视，从1956年开始就逐渐在中、小批量生产中得到使用。1953年，麻省理工学院又成功开发出了著名的数控加工自动编程语言，为数控加工技术的发展奠定了基础。1958年，第一台具有自动换刀装置和刀库的数控机床即加工中心（MachiningCenter，MC）在美国研制成功，进一步提高了数控机床的自动化程度。第一台工业机器人于1959年出现于美国。最早的工业机器人是极坐标式的，它的出现对制造自动化技术具有很大的意义。工业机器人不但是制造自动化系统中不可缺少的自动化设备，它本身也可单独工作，自动进行装配、焊接、喷漆、热处理等工作。1960年，美国成功研制出了自适应控制机床，使机床具有了一定的智能色彩，可以有效提高加工质量。1961年在美国出现的计算机控制的碳电阻制造自动化系统，可以称为计算机辅助制造（CAM）的雏形。1962年和1963年在美国又相继出现了圆柱坐标式工业机器人和计算机辅助设计（CAD）及绘图系统，后者为自动化设计以及设计与制造之间的集成奠定了基础。1965年出现的计算机数控（CNC）机床具有很重要的意义，因为它的出现为实现更高级别的制造自动化系统扫清了技术障碍。

第3阶段：1967～1983年，是以数控机床和工业机器人组成的柔性制造自动化系统得到飞速发展的时期。1967年英国的Molins公司成功研制出了计算机控制6台数控机床的可变制造系统，这个系统被称为最早的柔性制造系统，它的出现成功地解决了多品种、小批量复杂零件生产的自动化及降低成本和提高效率的问题。同一年，美国的Sundstand公司和日本国铁大宫工厂也相继成功研制出了计算机控制的数控系统。1969年日本研制出按成组加工原则的IKEGAI可变加工系统，1969年美国又研制出工业机器人操作的焊接自动线。随着工业机器人技术和数控技术的发展和成熟，20世纪70年代初出现了小型制造自动化系统即柔性制造单元。柔性制造单元和柔性制造系统到目前仍是制造自动化的最高级形式，即自动化程度最高并且实用的系统。1980年日本建成面向多品种、小批量生产的无人化机械制造厂——富士工厂。从原材料到外购件入库、搬运、加工、成品入库等，除装配以外的其他工序均完全实现自动化。20世纪80年代初期还建成了一个由机器人进行装配的全自动化电机制造厂和一个规模庞大的利用激光加工的综合柔性制造系统。需要指出的是，这种无人自动化工厂的努力却是不成功的，原因并不在于技术，而主要在于它的经济性太差，并忽略了人在制造系统中的核心作用。

第4阶段：1983～2013年，制造自动化系统的主要发展是计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS），并在较长的一段时间内与智能制造的发展并存。CIMS是由美国人约瑟夫·哈林顿博士于1973年首次提出的概念，其基本思想是借助于计算机技术、现代系统管理技术、现代制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术，将制造过程中有关的人、技术和经营管理三要素有机集成，通过信息共享以及信息流与物流的有机集成实现系统的优化运行。所以说，CIMS技术是集管理、技术、质量保证和制造自动化为一体的广义制造自动化系统。CIMS的概念刚开始提出时，并没有受到人们的重视，直到20世纪80年代初，人们才意识到CIMS的重要性，于是世界各国纷纷开始研究并实施CIMS。1983年11月ProductionEngineering刊登了一篇关于计算机集成制造的文章，介绍了美国通用汽车公司GM的一个汽车车体制造的CIMS技术。可以说，20世纪80年代是CIMS技术发展的黄金时代。早期人们对CIMS的认识是全盘自动化的无人工厂，忽视了人的主导作用，国外也确实有些CIMS工程是按照无人化工厂来设计和实施的。但是随着对CIMS认识的不断深入，更多的人对CIMS技术作了重新思考，认为实施CIMS应充分发挥人的主观能动性，将人集成进整个系统，这才是CIMS的正确发展道路。于是，从20世纪90年代以来，CIMS的概念发生了巨大变化，开始提出以人为中心的CIMS的思想，并将并行工程、精益生产、敏捷制造、智能制造和企业重组等新思想、新模式引入CIMS，进一步提出了第二代CIMS的观念。可以认为，CIMS的哲理还会不断发展和完善。

第5阶段：从2013年至今，制造自动化系统的主要发展趋势是智能制造（IntelligentManufacturing，IM）和智能化制造系统（IntelligentManufacturingSystem，IMS），并被认为是信息时代制造业发展的必然趋势。智能制造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。以智能制造技术（IntelligentManufacturingTechnology，IMT）为基础组成的系统叫作智能制造系统。自20世纪80年代智能制造提出以来，世界各国都对智能制造系统进行了各种研究，首先是对智能制造技术的研究，然后为了满足经济全球化和社会产品需求的变化，智能制造技术集成应用的环境——智能制造系统被提出。智能制造系统是1989年由日本提出的，随后还于1994年启动了先进制造国际合作项目，并联合美国、加拿大、澳大利亚等国一起意图解决当时柔性制造系统和计算机集成制造系统存在的局限。随后各主要国家都相继展开了智能制造的研究，其中具有代表性的主要有2013年4月德国推出的以智能制造为主导的“工业4.0”计划和2014年4月美国提出的“工业互联网”。中国政府在2015年推出了“中国制造2025”战略，同时又提出“互联网+”行动计划，大力发展工业“互联网+”，紧接着在2016年年底又出台了《智能制造发展规划（2016—2020年）》。目前世界各国对智能制造的认识与研究还处于初级起步阶段，许多构思与设想还只是停留在理论阶段，但智能制造在某些领域已经得到了初步的应用。德国在提出“工业4.0”后开展了很多相关技术的研究工作，并取得了一定的成效。

我国第一条机械加工自动线于1956年投入使用，是用来加工汽车发动机气缸体端面孔的组合机床自动线。第一条加工环套类零件的自动线是1959年建成的加工轴承内外环的自动线。第一条加工轴类零件的自动线是1969年建成的加工电机转子轴的自动线。1964年以后不到10年的时间，我国机床行业就为第二汽车制造厂（即现在的东风汽车集团公司）提供了57条自动线和8000多台自动化设备，表明我国提供制造自动化系统的能力有了很大的发展。到1985年年底，我国生产的数控机床的品种已达50余种，并远销国外。我国生产的数控机床虽然有了长足的发展，但存在着技术水平低、性能不稳定等问题，远远不能满足国内用户的需求。因此，国家每年还要花大量的宝贵外汇进口数控系统和数控机床。我国于1984年成功研制出了两个制造单元，第一个柔性制造系统于1986年投入运行，用于加工伺服电机零件。1987年以后，我国陆续从国外引进10余套柔性制造系统，也自行研制了我们自己的柔性制造系统。在这些柔性制造系统中，有些应用得很好，充分发挥了它的效益，而有些系统却利用率不高，造成资源的极大浪费。我国工业机器人的研究始于20世纪70年代初，自从1986年国家执行“863”高科技发展计划将机器人列为自动化领域的一个主题后，我国机器人技术得到很快的发展，已成功研制出了喷漆、焊接、搬运、能前后左右步行、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型的机器人。自从1986年“863”计划起，作为自动化领域的主题之一，CIMS在我国的研究和推广应用得到了迅速的发展。单元应用技术也取得了一批研究和应用成果，有些实施CIMS的企业也取得了一些经济和社会效益。到目前，我国已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心，在一些著名大学和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心，在国家立项实施CIMS的企业已达数百家。1994年清华大学荣获美国制造工程师协会SME颁布的CIMS研究“大学领先奖”，1995年北京第一机床厂荣获SME颁发的“工业领先奖”。上述成果的取得，使我国在CIMS等高水平的制造自动化系统与技术的研究和应用方面积累了经验，并为其发展奠定了基础。

二、机械制造自动化的发展趋势

随着科学技术的飞速发展和社会的不断进步，先进的生产模式对自动化系统及技术提出了多种不同的要求，这些要求也同时代表了机械制造自动化技术将向柔性化、智能化、网络化、虚拟化、微型化、光机电一体化、绿色化方向的发展趋势。

1.柔性化

目前机械制造业对机械自动化的加工设备有很高的要求，设备的柔性越好对加工产品的转换越灵活。这项技术是由软件来操控的，操作时只需调整相应的程序和极少数的器具。它的特点是既方便又快捷、加工精度高、加工质量稳定，符合当下产品的需求量、产品种类增多、更新换代加快、产品质量提高、使用寿命周期缩短的发展要求。高速度的加工程序可以提高加工效率，降低能源的消耗，降低生产成本。

2.智能化

所谓“智能化”，是指机械自动化技术在相关技术的革新和推动下，将进一步向着模拟人脑思维和人类生产的方向，实现经济效益和社会效益相统一。智能化是机械制造以及自动化发展的主要趋势，机械制造企业的需求和客观条件是现代自动化技术在机械制造中发展的主要依据，而自动化技术也是机械制造企业实现经济效益的主要技术手段。所以，随着技术的不断更新和进步，智能化理念越来越受到重视，而且智能化技术可以通过人工智能模拟，使机械制造控制系统和控制中心操作通过生理学、心理学和运筹学知识进行智能化改造。这些自动化控制系统可以根据生产信息和程序，自主地进行编程，甚至实现对话功能，并且通过智能化系统对信息进行分析判断，最终实现生产过程。这个过程取代了人脑判断和操作，而且决策速度更快，精准性更高，对于机械制造来说不仅提高了工作效率，而且对于产品的质量稳定性也非常有利。

3.网络化

随着互联网技术的普及应用，社会各个领域均依托互联网技术进行了技术革新，作为机械制造类企业而言，同样应当把握互联网技术这一契机，将之应用到自动化技术之中，以此实现对设备运行工作情况的即时监视，同时能够依托远程操作的方式，实现对产品制造流程的实时管理，对于设备在工作运行中出现的故障或者问题，能够第一时间发现并组织技术人员进行介入。还有就是，通过互联网技术搭建设备监视系统，能够实现对人工生产造成的误差的最大程度控制，进而确保产品的制造处于最优状态。除此之外，依托互联网技术的应用，将使后台操作人员能够通过音频、视频等现代信息技术实现对产品制造过程中相关技术参数变动情况的即时掌握，进而确保产品制造的质量达到相关质量标准。

4.虚拟化

机械制造企业开发新产品时，从设计到实验再到最终的生产销售，需要经过复杂烦琐的过程，且在这一过程中，往往需要耗费大量的人力、物力及财力，若是产品经过实验无法投入生产，则前面所做的努力都白白耗费，导致资源大量浪费，并延缓企业的发展速度。机械制造自动化技术与计算机技术的结合，使虚拟实验成为现实，工作人员可以通过虚拟实验，对新产品的实验过程等进行模拟，以模拟操作代替人们大量的工作，从而节省时间及资源，提升机械设计效率及创新能力。同时，计算机技术的运用，也为工作人员提供了信息快速传递、共享的重要途径，工作人员也完全可以通过网络，对机械制造过程进行远程控制监控，分割出不同空间且双方还能够无障碍地沟通、交流、合作，从而大大提升工作效率。这也使机械制造自动化技术迈向了虚拟化的发展方向。

5.微型化

机械自动化中的微型化，一方面是机械设备的微型化，另一方面是产品的微型化。其中，现代社会对于机械制造的要求逐渐提高，机械制造行业的机械也呈缩小趋势，这就要求机械的内部结构要进行更新和改良，使机械内部结构部件更加精密，功能性更强，从而使小体积的部件替代传统的大体积机械部件，进而实现机械整体体积的缩小。这就使得机械能够更加灵活地运转，而小体积机械对于降低能源消耗也有着明显的促进作用；另外，微米技术和纳米技术日趋成熟，其应用到机械制造中，减小了产品的体积，很大程度上节省了原料成本。而且，这些技术使产品的结构更复杂，针对一些安装难度很高的生产工程非常有效。

6.光机电一体化

所谓光机电一体化，就是光学、计算机、微电子三方面技术的有效结合。通过在机械制造自动化技术中，融入传感检测、激光、光能驱动等几项技术，能够有效提升所生产产品的附加值，并提升机械制造效率，且现代化的机械化设备，已经基本无法离开这项一体化技术。因而，光机电一体化也是机械制造自动化技术的重要发展方向之一。

7.绿色化

随着我国“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念的提出，未来我国机械自动化同样需要走“绿色发展”的道路，即在实现机械自动化技术革新的同时兼顾环境保护，将环境保护与机械自动化发展有机结合起来，这将成为未来我国机械自动化发展的鲜明特征之一。为此，未来我国机械自动化的发展要积极以相关技术革新为基础，无论是制造材料、产品设计、产品销售等，都应遵循绿色环保原则，保证产品能够回收再利用，提升资源的利用率及回收率，尽可能地减少机械制造对环境的不利影响，在环保的前提下，获取更多经济利益。