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[摘 要]本文针对机械制造与自动化的发展状况，阐述了机械学科发展的主要前沿技术：机电一体化技术、CIMS系统和微机械技术，讨论了信息化与绿色是新世纪制造业的重要特征。
[关键词]機械工业；自动化；现状；前沿技术；信息化
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0299-02
1 前言
机械行业是最古老的技术行业.在各种高新技术层出不穷的今天，有人认为，现在电子技术、计算机技术是最先进的，是热门专业，而其他专业的前途和就业均有问题.到底机械行业有无出路，不管是机械行业技术人员，还是其他行业技术人员，了解机械工业的现状和发展趋势都是十分必要的。
机械制造实际上就是从事化工机械、动力机械、农业机械、工具、仪器以及相关设备生产的工业部门，能够为国家经济发展提供一定的技术条件，机械制造技术的发展水平标志着工业化程度，具有十分久远的歷史，是国家工业发展的基础，是经济发展的支柱，是国家科学技术和经济实力的体现。机械制造工业是我国工业发展的核心，是国家在竞争中的法宝，是增加社会文明和人均收入的基础。相比较于工业发达国家来说，我国还是存在一定的差距，因此，就需要相关部门不断提高研究力度，分析作用以及应用领域，为国家经济发展提供保障和支持。
2 机械制造发展的主要前沿技术
2.1 机电一体化技术
机电一体化作为高技术的一部分，是当今机械工业技术和产品发展的主要趋势。
我国的机电部门门类齐全，有着雄厚基础.但是机械工业要满足各行业生产发展的需要，就要源源不断地提供各类功能全、性能好、成本低、质量高的技术装备.同时不少产品要实现自动化、数字化、智能化，还要大幅度地节能、节材、创汇和节汇，要做到这些，需要发展微电子技术和计算机技术，以此装备机械工业.机电一体化是达到上述目标的有效途径.美国是机电一体化产品开发应用最早的国家之一.在研究机电一体化进程中，美国机械工程师协会的一个专家组，在给美国国家科学基金会的报告中，明确提出现代机械系统定义为“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统”。
这一含义实质上是指机电一体化机械系统.欧美一些院校把机电一体化作为博士论文的研究课题.美国则把它作为哲学问题来讨论.机电一体化系统主要由6个大部分组成：机械本体部分；动力部分；传感部分；驱动部分；执行部分；控制及信息处理部分.作为机械工程技术人员，应当深刻认识机电一体化技术的发展。
（1）机电一体化是机械工业的战略性变革，传统的设计方法和设计概念正在发生着革命性的变化，新的方法等待我们去创造。
（2）机械设计和研究者不仅应熟悉机械理论，也要掌握计算机、网络等信息技术.不认识到这一点，在21世纪将有被“淘汰”的危险。
（3）机电一体化技术是渗透到所有的机械产品中的普遍技术，几乎不受行业的限制。
（4）应当指出，机电一体化是机械理论与计算机和网络等信息理论的结合，是机械设计理论的发展，而不是取代.机械工程师不精通机械设计理论和方法，是要走入歧途的。
2.2 CIMS系统
整个制造生产过程实质上是对信息的采集、传递和加工处理的过程.在功能上CIMS系统包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、管理到售后服务的全部活动，CIMS是一个复杂的大系统.计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来，是适合多品种、中小批量生产的总体高效益、高柔性的智能化制造系统.组织、管理生产的一种哲理、思想和方法是通过CIMS来具体实现的。
CIMS是高水平技术的代表，目前在我国全面推广还有困难.但它的单元完全可以大力推广，即柔性自动化系统FMS.所谓柔性制造系统是一种正在发展中的高级自动化制造系统.由一个工件材料自动传送系统及多台数控机床和加工中心共同与计算机工作站联网，对不同零件进行加工.工件安装在托盘上，在传送线上随机传送，由机床视觉系统自行识别、抓取，并根据计算机指令连续加工.工序结束后送往下一个加工中心或仓库.该系统简称为FMS系统，由三个基本系统组成：自动加工系统（数控中心和数控加工中心）；物流系统（数台机器人）；控制网络。
2.3 微机械技术
微机械是指尺寸不超过1 mm的微型机械.它不能采用传统的金属材料和金属加工工艺制造，须采用微电子加工用材料和技术.微机械制造技术是基于半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的平面加工技术和体加工技术.微机械在工业中有巨大实用潜力，如可用大量一次性微机器人去清除锈蚀，检查和维修各种机械的焊缝，在超大规模集成电路制造中可用于微型汽体精控器、微真实操作器和微定位器来提高兆级VISI的加工精度和水平.此外，微机械还应用于军事、航天和核工业等部门.其发展及应用动向如下：
（1）微机械的微传感器在一个相当长时期内仍将是微机械开发研究最活跃、应用最广的领域，基本以微压力、微温度、微加速度、微流量、微气敏等传感器的研究应用居多；
（2）微执行器包括微马达和微型泵等.微型泵起步较晚，但发展较快，目前已有应用；
（3）微机器人是微机械发展的主要方向，但只有微传感器、微执行器、微机械元件和微控制器等微机械技术成熟后才能取得突破.目前国外微机器人的研究还处于小型（体积1 cm3以内）移动式阶段，国内则处于起步阶段；
（4）微机械技术的另一个重要动向是力求将微机械与其相关的微电子集成在同一芯片或基底上，构成机械电子紧密结合的微系统.美、日、德等国对此极为重视.德国近年来已投入数亿马克，资助大学和科研机构.目前已有精密机械，光学、钟表、仪器、仪表、汽车等行业大量采用微机械技术.微机械技术已列为大学必修课程。 3 信息化与绿色是新世纪制造业的重要特征
20 世纪有许多重大科技成果，但任何一项技术对整个社会的影响都没有信息技术那么大。有许多重大科技成果对机械制造业产生重要影响，但没有一项像信息技术那样显著。这些年来机械制造技术的最大变化是信息流的作用和运动方式的变化，信息流指挥着整个生产过程的运动，信息流的变化带动着整个生产方式和面貌的变化。柔性制造、建模、虚拟制造、快速成形、机器人、CAX（用计算机辅助实现目标）、集成制造、智能制造、全球制造都离不开信息技术。
国际生产工程学会每年都有一些主题报告和大量的学术论文从不同侧面论述信息化制造业的发展。“高柔性装配———范畴与必要性”和“开放式控制器结构”从装配和信息共享两个方面反映了信息化制造技术的发展动向。
一方面是产品的个性化特征越来越突出，由于市场竞争的原因使不同厂商竞相开发有可能独占市场的产品；另一方面是市场和生产的全球化迫切要求上下游、各種互相关联的产品和系统间能互相传输、交换信息。开放式控制系统就是为了解决这一对矛盾而发展起来的一项关键技术，它也是实现模块化和可重组生产系统的关键技术。正因为它的至关重要性，世界上许多国家和一些国际组织都投入了大量人力、资金从事这一研究。欧洲共同体的OSACA计划（自动系统中开放系统控制结构）、美国的OMAC（开放式模块结构控制器）用户合作组织和日本的JOP 小组（日本促进开放课题组）、OSEC（制造中的开放系统环境）协会是其中最有代表性和最有影响的组织和项目。开放式控制结构是在厂商提供的中性标准环境下，利用开放的接口和结构重组的方法，使得具有不同用户特征的系统相匹配和集成。它将不同系统的硬件特征隐藏在各自内部，而利用标准化的软件平台进行通信、实现信息交换。开放式控制器要求具有以下特性：（1）可移动性，即应用模块无需任何改变，就能在不同的平台上使用，并不影响其性能；（2）可扩展性，在同一平台上可以使用不同应用模块，而不发生冲突；（3）可协调操作性，即不同应用模块可在一致的方式下工作，以一定方式交换数据； （4）可伸缩性，即根据用户的要求，应用模块的功能、性能和硬件的规模可以适应。由于产品个性化的多样性，生产厂商的各异性和用户要求的多变性，要完全实现上述要求是十分困难的。
一种技术创新是否被认可要由市场来确定。主題报告“高柔性装配———范畴与必要性”十分明确地指出，采用什么样的柔性装配系统完全由实际情况来确定。在不少情况下可重组的模块化装配系统是最具有柔性的；在另一些情况下，有操作人员加入、以操作人员为中心的装配系统是最符合柔性要求的。美国密执安大学Y.Koren教授宣读了题为“可重组机床”的论文，这是他1999年在第49届年会上所做的主题报告“可重组制造系统”的继续。两个报告观点鲜明、内容翔实。所谓柔性，不是要对任何可能发生的需求都在硬件上准备好，重要的是有应变能力。在许多情况下，可重组机床、可重组制造系统是最经济的。
前者兼有专用机床和柔性加工中心的某些优点，后者兼有专用生产线和柔性制造系统的某些长处。他指出了实现可重组机床的一些技术难点和他们的经验。其中包括尽可能地将硬件软件化与结构模块化。可以说，信息化已深入到机械制造领域的每一个角落。“模具的制造”是一篇论述模具设计、加工技术及其对机床、刀具等的要求的主题报告。但是鉴于科技的飞快发展和市场激烈竞争，缩短生产准备时间和快速响应成了头等重要问题。主题报告首先阐述了模具设计和制造中的三维CAD、有限元仿真、虚拟成形、快速成形、反向工程、并行工程等。这些技术对快速响应和保证模具质量具有至关重要的作用。仿生和拟人技术是智能技术的重要发展。生命科学、生物技术的突破必将给机械制造业带来革命性的变化。大会主题报告“制造中的对新呈现事物的综合方法”多次谈到，要使机器能适应部分的要求和在环境条件未知或变化情况下工作，必须研究仿生功能，使机器具有人和一些生物的某些自适应、自生长、自组织功能。应当说仿生和拟人机械的发展，特别将人脑所代表的最高级智慧用到生产控制中，还是很不够的。国际生产工程学会对这方面论文优先录用。本届大会上发表的“利用自组织的无线生产系统———生物组织系统的一例”和“在分散式制造系统中以约束逻辑编程为基础的自组织”二文谈到了生产与运输机械的自组织、进化和自学习等，具有较高水平。
绿色制造与可持续发展一直是国际生产工程学会十分关注的课题，几乎每届年会都有相关的主题报告。“产品的工业创新”和“高柔性装配———范畴与必要性”都以相当大的篇幅谈了生态学设计、装配与拆卸。当前对人类生存的最大威胁是：（1）自然资源和能源过量的消耗；（2）人口的急剧增长；（3）环境的污染与生态平衡的破坏。任何一项创新、一项设计必须充分考虑绿色和生态问题。机械工业作为装备工业不仅要保证它的生产过程是绿色的，而且要保证它的产品是绿色的。
4 结语
机械制造业的发展方向是将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术是企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。
参考文献
[1] 王隆太，现代制造技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2] 孙建，姚芳萍.先进制造技术的发展趋势及其应用[J].林业机械与木工设备，2010.
[3] 卢日时，郭民.我国机械自动化若干发展技术浅析[J].黑龙江科技信息，2007.
[4] 靳玉芳.试论我国先进机械制造技术的特点及发展趋势[J].民营科技，2010.
作者简介
成艳（1985.06.25），陕西省神木市，2008年毕业于天津工程师范学院专业机械制造与自动化，现供职于神华神东设备维修中心。
[关键词]機械工业；自动化；现状；前沿技术；信息化
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0299-02
1 前言
机械行业是最古老的技术行业.在各种高新技术层出不穷的今天，有人认为，现在电子技术、计算机技术是最先进的，是热门专业，而其他专业的前途和就业均有问题.到底机械行业有无出路，不管是机械行业技术人员，还是其他行业技术人员，了解机械工业的现状和发展趋势都是十分必要的。
机械制造实际上就是从事化工机械、动力机械、农业机械、工具、仪器以及相关设备生产的工业部门，能够为国家经济发展提供一定的技术条件，机械制造技术的发展水平标志着工业化程度，具有十分久远的歷史，是国家工业发展的基础，是经济发展的支柱，是国家科学技术和经济实力的体现。机械制造工业是我国工业发展的核心，是国家在竞争中的法宝，是增加社会文明和人均收入的基础。相比较于工业发达国家来说，我国还是存在一定的差距，因此，就需要相关部门不断提高研究力度，分析作用以及应用领域，为国家经济发展提供保障和支持。
2 机械制造发展的主要前沿技术
2.1 机电一体化技术
机电一体化作为高技术的一部分，是当今机械工业技术和产品发展的主要趋势。
我国的机电部门门类齐全，有着雄厚基础.但是机械工业要满足各行业生产发展的需要，就要源源不断地提供各类功能全、性能好、成本低、质量高的技术装备.同时不少产品要实现自动化、数字化、智能化，还要大幅度地节能、节材、创汇和节汇，要做到这些，需要发展微电子技术和计算机技术，以此装备机械工业.机电一体化是达到上述目标的有效途径.美国是机电一体化产品开发应用最早的国家之一.在研究机电一体化进程中，美国机械工程师协会的一个专家组，在给美国国家科学基金会的报告中，明确提出现代机械系统定义为“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统”。
这一含义实质上是指机电一体化机械系统.欧美一些院校把机电一体化作为博士论文的研究课题.美国则把它作为哲学问题来讨论.机电一体化系统主要由6个大部分组成：机械本体部分；动力部分；传感部分；驱动部分；执行部分；控制及信息处理部分.作为机械工程技术人员，应当深刻认识机电一体化技术的发展。
（1）机电一体化是机械工业的战略性变革，传统的设计方法和设计概念正在发生着革命性的变化，新的方法等待我们去创造。
（2）机械设计和研究者不仅应熟悉机械理论，也要掌握计算机、网络等信息技术.不认识到这一点，在21世纪将有被“淘汰”的危险。
（3）机电一体化技术是渗透到所有的机械产品中的普遍技术，几乎不受行业的限制。
（4）应当指出，机电一体化是机械理论与计算机和网络等信息理论的结合，是机械设计理论的发展，而不是取代.机械工程师不精通机械设计理论和方法，是要走入歧途的。
2.2 CIMS系统
整个制造生产过程实质上是对信息的采集、传递和加工处理的过程.在功能上CIMS系统包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、管理到售后服务的全部活动，CIMS是一个复杂的大系统.计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来，是适合多品种、中小批量生产的总体高效益、高柔性的智能化制造系统.组织、管理生产的一种哲理、思想和方法是通过CIMS来具体实现的。
CIMS是高水平技术的代表，目前在我国全面推广还有困难.但它的单元完全可以大力推广，即柔性自动化系统FMS.所谓柔性制造系统是一种正在发展中的高级自动化制造系统.由一个工件材料自动传送系统及多台数控机床和加工中心共同与计算机工作站联网，对不同零件进行加工.工件安装在托盘上，在传送线上随机传送，由机床视觉系统自行识别、抓取，并根据计算机指令连续加工.工序结束后送往下一个加工中心或仓库.该系统简称为FMS系统，由三个基本系统组成：自动加工系统（数控中心和数控加工中心）；物流系统（数台机器人）；控制网络。
2.3 微机械技术
微机械是指尺寸不超过1 mm的微型机械.它不能采用传统的金属材料和金属加工工艺制造，须采用微电子加工用材料和技术.微机械制造技术是基于半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的平面加工技术和体加工技术.微机械在工业中有巨大实用潜力，如可用大量一次性微机器人去清除锈蚀，检查和维修各种机械的焊缝，在超大规模集成电路制造中可用于微型汽体精控器、微真实操作器和微定位器来提高兆级VISI的加工精度和水平.此外，微机械还应用于军事、航天和核工业等部门.其发展及应用动向如下：
（1）微机械的微传感器在一个相当长时期内仍将是微机械开发研究最活跃、应用最广的领域，基本以微压力、微温度、微加速度、微流量、微气敏等传感器的研究应用居多；
（2）微执行器包括微马达和微型泵等.微型泵起步较晚，但发展较快，目前已有应用；
（3）微机器人是微机械发展的主要方向，但只有微传感器、微执行器、微机械元件和微控制器等微机械技术成熟后才能取得突破.目前国外微机器人的研究还处于小型（体积1 cm3以内）移动式阶段，国内则处于起步阶段；
（4）微机械技术的另一个重要动向是力求将微机械与其相关的微电子集成在同一芯片或基底上，构成机械电子紧密结合的微系统.美、日、德等国对此极为重视.德国近年来已投入数亿马克，资助大学和科研机构.目前已有精密机械，光学、钟表、仪器、仪表、汽车等行业大量采用微机械技术.微机械技术已列为大学必修课程。 3 信息化与绿色是新世纪制造业的重要特征
20 世纪有许多重大科技成果，但任何一项技术对整个社会的影响都没有信息技术那么大。有许多重大科技成果对机械制造业产生重要影响，但没有一项像信息技术那样显著。这些年来机械制造技术的最大变化是信息流的作用和运动方式的变化，信息流指挥着整个生产过程的运动，信息流的变化带动着整个生产方式和面貌的变化。柔性制造、建模、虚拟制造、快速成形、机器人、CAX（用计算机辅助实现目标）、集成制造、智能制造、全球制造都离不开信息技术。
国际生产工程学会每年都有一些主题报告和大量的学术论文从不同侧面论述信息化制造业的发展。“高柔性装配———范畴与必要性”和“开放式控制器结构”从装配和信息共享两个方面反映了信息化制造技术的发展动向。
一方面是产品的个性化特征越来越突出，由于市场竞争的原因使不同厂商竞相开发有可能独占市场的产品；另一方面是市场和生产的全球化迫切要求上下游、各種互相关联的产品和系统间能互相传输、交换信息。开放式控制系统就是为了解决这一对矛盾而发展起来的一项关键技术，它也是实现模块化和可重组生产系统的关键技术。正因为它的至关重要性，世界上许多国家和一些国际组织都投入了大量人力、资金从事这一研究。欧洲共同体的OSACA计划（自动系统中开放系统控制结构）、美国的OMAC（开放式模块结构控制器）用户合作组织和日本的JOP 小组（日本促进开放课题组）、OSEC（制造中的开放系统环境）协会是其中最有代表性和最有影响的组织和项目。开放式控制结构是在厂商提供的中性标准环境下，利用开放的接口和结构重组的方法，使得具有不同用户特征的系统相匹配和集成。它将不同系统的硬件特征隐藏在各自内部，而利用标准化的软件平台进行通信、实现信息交换。开放式控制器要求具有以下特性：（1）可移动性，即应用模块无需任何改变，就能在不同的平台上使用，并不影响其性能；（2）可扩展性，在同一平台上可以使用不同应用模块，而不发生冲突；（3）可协调操作性，即不同应用模块可在一致的方式下工作，以一定方式交换数据； （4）可伸缩性，即根据用户的要求，应用模块的功能、性能和硬件的规模可以适应。由于产品个性化的多样性，生产厂商的各异性和用户要求的多变性，要完全实现上述要求是十分困难的。
一种技术创新是否被认可要由市场来确定。主題报告“高柔性装配———范畴与必要性”十分明确地指出，采用什么样的柔性装配系统完全由实际情况来确定。在不少情况下可重组的模块化装配系统是最具有柔性的；在另一些情况下，有操作人员加入、以操作人员为中心的装配系统是最符合柔性要求的。美国密执安大学Y.Koren教授宣读了题为“可重组机床”的论文，这是他1999年在第49届年会上所做的主题报告“可重组制造系统”的继续。两个报告观点鲜明、内容翔实。所谓柔性，不是要对任何可能发生的需求都在硬件上准备好，重要的是有应变能力。在许多情况下，可重组机床、可重组制造系统是最经济的。
前者兼有专用机床和柔性加工中心的某些优点，后者兼有专用生产线和柔性制造系统的某些长处。他指出了实现可重组机床的一些技术难点和他们的经验。其中包括尽可能地将硬件软件化与结构模块化。可以说，信息化已深入到机械制造领域的每一个角落。“模具的制造”是一篇论述模具设计、加工技术及其对机床、刀具等的要求的主题报告。但是鉴于科技的飞快发展和市场激烈竞争，缩短生产准备时间和快速响应成了头等重要问题。主题报告首先阐述了模具设计和制造中的三维CAD、有限元仿真、虚拟成形、快速成形、反向工程、并行工程等。这些技术对快速响应和保证模具质量具有至关重要的作用。仿生和拟人技术是智能技术的重要发展。生命科学、生物技术的突破必将给机械制造业带来革命性的变化。大会主题报告“制造中的对新呈现事物的综合方法”多次谈到，要使机器能适应部分的要求和在环境条件未知或变化情况下工作，必须研究仿生功能，使机器具有人和一些生物的某些自适应、自生长、自组织功能。应当说仿生和拟人机械的发展，特别将人脑所代表的最高级智慧用到生产控制中，还是很不够的。国际生产工程学会对这方面论文优先录用。本届大会上发表的“利用自组织的无线生产系统———生物组织系统的一例”和“在分散式制造系统中以约束逻辑编程为基础的自组织”二文谈到了生产与运输机械的自组织、进化和自学习等，具有较高水平。
绿色制造与可持续发展一直是国际生产工程学会十分关注的课题，几乎每届年会都有相关的主题报告。“产品的工业创新”和“高柔性装配———范畴与必要性”都以相当大的篇幅谈了生态学设计、装配与拆卸。当前对人类生存的最大威胁是：（1）自然资源和能源过量的消耗；（2）人口的急剧增长；（3）环境的污染与生态平衡的破坏。任何一项创新、一项设计必须充分考虑绿色和生态问题。机械工业作为装备工业不仅要保证它的生产过程是绿色的，而且要保证它的产品是绿色的。
4 结语
机械制造业的发展方向是将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术是企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。
参考文献
[1] 王隆太，现代制造技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2] 孙建，姚芳萍.先进制造技术的发展趋势及其应用[J].林业机械与木工设备，2010.
[3] 卢日时，郭民.我国机械自动化若干发展技术浅析[J].黑龙江科技信息，2007.
[4] 靳玉芳.试论我国先进机械制造技术的特点及发展趋势[J].民营科技，2010.
作者简介
成艳（1985.06.25），陕西省神木市，2008年毕业于天津工程师范学院专业机械制造与自动化，现供职于神华神东设备维修中心。