制造自動化的廣義內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
制造自動化技術(shù)是先進制造技術(shù)中的重要組成部分，也是當今制造工程領(lǐng)域中涉及面廣、研究十分活躍的技術(shù)。我國對制造自動化技術(shù)的研究十分重視，近年來已在研究和應用上作了大量工作。例如，國家863計劃cims主題專門設(shè)置了“制造自動化”技術(shù)專題，每年均設(shè)置了一定數(shù)量的研究課題;全國高校中建立了“全國高等學校制造自動化研究會”，每兩年一次學術(shù)大會，圍繞制造自動化主題作了大量研究。
鑒于“制造自動化”這一名稱在我國出現(xiàn)的時間還不很長，同時又因其內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢均處于不斷地發(fā)展和動態(tài)變化過程中，因此本文對制造自動化的內(nèi)涵進行了探討，對其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢作了分析和論述。
（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）
1制造自動化的廣義內(nèi)涵
顧名思義，“制造自動化”首先應與“制造”有關(guān)。
傳統(tǒng)地理解，人們一般將“制造”理解為產(chǎn)品的機械工藝過程或機械加工過程。例如著名的longman詞典對“制造”的解釋為“通過機器進行制作或生產(chǎn)，特別是適用于大批量”。
隨著人類生產(chǎn)力的發(fā)展，“制造”的概念和內(nèi)涵在“范圍”和“過程”兩個方面大大拓展。范圍方面，制造涉及的工業(yè)領(lǐng)域遠非局限于機械制造，包括了機械、電子、化工、輕工、食品和軍工等國民經(jīng)濟的大量行業(yè)。制造業(yè)已被定義為將可用資源通過相應過程、轉(zhuǎn)化為可供人們使用和利用的工業(yè)品或生活消費品的產(chǎn)業(yè)[1]。過程方面，制造不是僅指具體的工藝過程，而是包括市場分析、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝過程、裝配檢驗和銷售服務等產(chǎn)品整個生命周期過程，如國際生產(chǎn)工程學會1990年給“制造”下的定義是：制造是一個涉及制造工業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計、物料選擇、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)過程、質(zhì)量保證、經(jīng)營管理、市場銷售和服務的一系列相關(guān)活動和工作的總稱[2]。
綜上所述，目前對制造有兩種理解，一是通常的制造概念，指產(chǎn)品的“制作過程”或稱為“小制造概念”，如機械加工過程;另一個是廣義制造概念，包括產(chǎn)品整個生命周期過程，又稱為“大制造概念”。實際應用中，兩者皆在使用，其概念范圍視具體情況而定。
“自動化”是美國人d.s.harder于1936年提出的[3]。當時他在通用汽車公司工作，他認為在一個生產(chǎn)過程中，機器之間的零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運就是“自動化”。這實質(zhì)是早期制造自動化的概念。
制造自動化的概念是一個動態(tài)發(fā)展過程。過去，人們對自動化的理解或者說自動化的功能目標是以機械的動作代替人力操作，自動地完成特定的作業(yè)。這實質(zhì)上是自動化代替人的體力勞動的觀點。后來隨著電子和信息技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著計算機的出現(xiàn)和廣泛應用，自動化的概念已擴展為用機器不僅代替人的體力勞動而且還代替或輔助腦力勞動，以自動地完成特定的作業(yè)。
今天看來自動化的上述概念也還不完善。把自動化的功能目標看成是用機器代替人的體力勞動或腦力勞動是比較狹窄的理解。這種理解甚至在某種程度上阻礙了自動化技術(shù)的發(fā)展，例如，有人就認為，中國人多，搞自動化沒有很大的必要。
今天，制造自動化已遠遠突破了上述傳統(tǒng)的概念，具有更加寬廣和深刻的內(nèi)涵。制造自動化的廣義內(nèi)涵至少包括以下幾點：
在形式方面，制造自動化有三個方面的含義：
.代替或輔助人的腦力勞動。
.制造系統(tǒng)中人、機及整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化。
在功能方面，制造自動化代替人的體力勞動或腦力勞動僅僅是制造自動化功能目標體系的一部分。制造自動化的功能目標是多方面的，已形成一個有機體系。此體系可用如圖1所示的功能目標模型描述。此功能目標模型簡稱tqcse模型，其中t表示時間，q表示質(zhì)量，c表示成本，s表示服務，e表示環(huán)境友善性。
tqcse模型中的t有兩方面的含義，一是指采用自動化技術(shù)，能縮短產(chǎn)品制造周期，產(chǎn)品上市快;二是提高生產(chǎn)率。q的含義是采用自動化系統(tǒng)，能提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量。c的含義是采用自動化技術(shù)能有效地降低成本，提高經(jīng)濟效益。s也有兩方面的含義，一是利用自動化技術(shù)，更好地做好市場服務工作;二是利用自動化技術(shù)，替代或減輕制造人員的體力和腦力勞動，直接為制造人員服務。e的含義是制造自動化應該有利于充分利用資源，減少廢棄物和環(huán)境污染，有利于實現(xiàn)綠色制造。
tqcse模型還表明，t、q、c、s、e是相互關(guān)聯(lián)的，它們構(gòu)成了一個制造自動化功能目標的有機體系。
在范圍方面，制造自動化不僅涉及到具體生產(chǎn)制造過程，而是涉及產(chǎn)品生命周期所有過程。
2制造自動化技術(shù)的研究現(xiàn)狀
正如本文前言所述，國內(nèi)外對制造自動化技術(shù)的研究非常重視，已經(jīng)進行了大量研究。綜合而言，制造自動化技術(shù)的研究現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)已成為制造自動化研究中熱點問題
制造自動化技術(shù)研究過去主要集中在單元和專門技術(shù)的研究中，這些技術(shù)包括控制技術(shù)和計算機輔助技術(shù)等。近年來，在上述單元技術(shù)和專門技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的同時，制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)的研究發(fā)展迅速，已成為制造自動化研究中的熱點。
制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)涉及面很廣。其中集成技術(shù)包括制造系統(tǒng)中的信息集成和功能集成技術(shù)、過程集成技術(shù)、企業(yè)間集成技術(shù)等;系統(tǒng)技術(shù)包括制造系統(tǒng)分析技術(shù)、制造系統(tǒng)建模技術(shù)、制造系統(tǒng)運籌技術(shù)、制造系統(tǒng)管理技術(shù)和制造系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)等等。
更加注重研究制造自動化系統(tǒng)中人的作用的發(fā)揮
在過去一段時期，人們曾認為全盤自動化和無人化工廠或車間是制造自動化發(fā)展的目標。隨著實踐的深入和一些無人化工廠實施的失敗，人們對無人制造自動化問題進行了反思，并對于人在制造自動化系統(tǒng)中有著機器不可替代的重要作用進行了重新認識。有鑒于此，國內(nèi)外對于如何將人與制造系統(tǒng)有機結(jié)合，在理論與技術(shù)上展開了積極的探索。近年來，提出了“人機一體化制造系統(tǒng)”、“以人為中心的制造系統(tǒng)”等新思想，其內(nèi)涵就是發(fā)揮人的核心作用，采用人—機一體的技術(shù)路線，將人作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的有機組成部分，使人與機器處于優(yōu)化合作的地位，實現(xiàn)制造系統(tǒng)中人與機器一體化的人機集成的決策機制，以取得制造系統(tǒng)的最佳效益。目前，圍繞人機集成問題國內(nèi)外正在進行大量研究。
單元系統(tǒng)的研究仍然占有重要的位置
單元系統(tǒng)是以一臺或多臺數(shù)控加工設(shè)備和物料儲運系統(tǒng)為主體，在計算機統(tǒng)一控制管理下，可進行多品種、中小批量零件自動化加工生產(chǎn)的機械加工系統(tǒng)的總稱。它是計算機集成制造系統(tǒng)的重要組成部分，是自動化工廠車間作業(yè)計劃的分解決策層和具體執(zhí)行機構(gòu)。國內(nèi)外制造行業(yè)在單元系統(tǒng)的理論和技術(shù)研究方面投入了大量的人力物力，因此單元技術(shù)無論是軟件還是硬件均有迅速的發(fā)展。
例如：美國《manufacturingengineering》高級編輯robertb.aronson最近專門發(fā)表綜合評論文章“數(shù)控單元的最新進展”[5]，對數(shù)控單元系統(tǒng)的發(fā)展狀況進行了綜述，其中指出：“單元目前已經(jīng)開始影響和支配著美國制造業(yè)?！薄秏anufaturingengineering》的另一編輯也同時撰文[6]介紹了單元系統(tǒng)在美國波音公司中所發(fā)揮的巨大作用。近年來又提出了一種基于多主體的單元化制造系統(tǒng)，其研究正在興起。
制造過程的計劃和調(diào)度研究十分活躍，但實用化的成果還不多見
美國ingersoll銑床公司曾分析了在傳統(tǒng)的制造工廠中從原材料進廠到產(chǎn)品出廠的制造過程。結(jié)果表明，對一個機械零件來說，只有5%的時間是在機床上;95%的時間中，零件在不同的地方和不同的機床之間運輸或等待。減少這95%的時間，是提高制造生產(chǎn)率的重要方向。優(yōu)化制造過程的計劃和調(diào)度是減少95%的時間的主要手段。有鑒于此，國內(nèi)外對制造過程的計劃和調(diào)度的研究非常活躍，已發(fā)表了大量研究論文和研究成果。僅以新加坡兩年一度的國際cim大會為例，最近幾屆的大會論文集中，計劃和調(diào)度方面的研究均占相當一部分。
制造過程的計劃和調(diào)度的研究方面雖然已取得大量研究成果，但由于制造過程的復雜性和隨機性，使得能進入實用化的特別是適用面較大的研究成果很少，大量研究還有待于進一步深化。
柔性制造技術(shù)的研究向著深度和廣義發(fā)展
一提到柔性制造技術(shù)，人們往往首先想到柔性制造系統(tǒng)fms。最早的fms是1967年由英國molins公司研制的“system24”[3]，至今已有30余年歷史。目前fms已在發(fā)達國家廣泛應用。雖然fms的研究已有較長歷史，但由于其復雜性和不斷地發(fā)展，至今仍有大量學者對此進行研究。目前的研究主要圍繞fms的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制、管理和優(yōu)化運行在進行。
柔性制造系統(tǒng)fms雖然具有自動化程度高和運行效率高等優(yōu)點，但由于其不僅注重信息流的集成，也特別強調(diào)物料流的集成與自動化，物流自動化設(shè)備投資在整個fms的投資中占有相當大的比重，且fms的運行可靠性在很大程度上依賴于物流自動化設(shè)備的正常運行，因此fms也具有投資大、見效慢和可靠性相對較差等不足。
dnc技術(shù)近年來得到了很大發(fā)展。早期的dnc是指distributednumericalcontrol，即計算機直接數(shù)控。目前我們說的dnc包括兩種情況：一是為計算機直接數(shù)控，另一指是directnumericalcontrol，即分布式數(shù)控。本文所說的dnc主要指后者。dnc強調(diào)信息的集成與信息流的自動化，物料流的控制與執(zhí)行可大量介入人機交互。相對fms來說，dnc具有投資小、見效快、柔性好和可靠性高等特點，因而近年來的研究非常活躍[7]。
柔性制造技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)控。數(shù)控技術(shù)雖然已有40多年歷史，但至今仍在不斷完善和發(fā)展。一些新的數(shù)控系統(tǒng)在不斷涌現(xiàn)。
適應現(xiàn)代生產(chǎn)模式的制造環(huán)境的研究正在興起
當前，及時制生產(chǎn)、并行工程(concurrentengineering)、精良生產(chǎn)、敏捷制造等現(xiàn)代制造模式的提出和研究推動了制造自動化技術(shù)研究和應用的發(fā)展，以適應現(xiàn)代制造模式應用的需要。
例如：圍繞敏捷制造這一21世紀占主導地位的制造模式的研究，對制造自動化系統(tǒng)中的敏捷制造問題的研究越來越受到重視。主要問題包括敏捷制造模式下的制造自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、高效柔性制造系統(tǒng)的建模與重構(gòu)、制造能力測量、評價與控制和制造加工過程的擬實制造等等。
底層加工系統(tǒng)的智能化和集成化研究越來越活躍
如目前世界上ims計劃中，提出了智能完備制造系統(tǒng)hms(holonicmanufacturingsystem)，hms是由智能完備單元復合而成;其底層設(shè)備具有開放、自律、合作、適應柔性、可靠、易集成和魯棒性好等特性。另外，目前世界上剛剛出現(xiàn)的虛擬軸機床，變革了傳統(tǒng)機床的工作原理，其性能上有許多獨特優(yōu)勢，特別是有利于實現(xiàn)車間內(nèi)各虛擬軸機床的控制和集成。又如快速原型制造是一種有利于實現(xiàn)集成制造的新技術(shù)，近年來的研究非?；钴S。
3制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來，制造自動化技術(shù)的研究發(fā)展迅速，其發(fā)展趨勢可用“六化”簡要描述。即制造全球化、制造敏捷化、制造網(wǎng)絡(luò)化、制造虛擬化、制造智能化和制造綠色化。
制造全球化的概念出于美日歐等發(fā)達國家的智能系統(tǒng)計劃。近年來隨著internet技術(shù)的發(fā)展，制造全球化的研究和應用發(fā)展迅速。制造全球化包括的內(nèi)容非常廣泛，主要的有：
.市場的國際化，產(chǎn)品銷售的全球網(wǎng)絡(luò)正在形成。
.產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的國際合作。
.制造企業(yè)在世界范圍內(nèi)的重組與集成，如動態(tài)聯(lián)盟公司。
.制造資源的跨地區(qū)、跨國家的協(xié)調(diào)、共享和優(yōu)化利用。
.全球制造的體系結(jié)構(gòu)將要形成。
快速制造是一種面向21世紀的制造戰(zhàn)略和現(xiàn)代制造模式，當前全球范圍內(nèi)敏捷制造的研究十分活躍。快速制造是對廣義制造系統(tǒng)而言。制造環(huán)境和制造過程的敏捷性問題是快速制造的重要組成部分。快速化是制造環(huán)境和制造過程面向21世紀制造活動的必然趨勢。制造環(huán)境和制造過程的敏捷化包括的內(nèi)容很廣，如：
.柔性：包括機器柔性、工藝柔性、運行柔性和擴展柔性等。
.重構(gòu)能力：能實現(xiàn)快速重組重構(gòu)，增強對新產(chǎn)品開發(fā)的快速響應能力。
.快速化的集成制造工藝：如快速原型制造rpm，是一種cad/cam的集成工藝。
當前由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別是internet/intranet技術(shù)的迅速發(fā)展，正在給企業(yè)制造活動帶來新的變革，其影響的深度、廣度和發(fā)展速度往往遠超過人們的預測。正如1997年10月在新加坡召開的第四屆國際cim大會上，大會主席robertgay博士指出：“自1995年的第三屆國際cim大會以來，基于internet的生產(chǎn)經(jīng)營活動是出人意料地迅猛增長[7]”。又如美國《manufacturingengineering》雜志高級編輯jeanv.owin最近專門撰文論述了基于internet的制造的重大意義和應用情況[8]。
基于網(wǎng)絡(luò)的制造，包括以下幾個方面：
制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)制造過程的集成。
制造環(huán)境與整個制造企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)中工程設(shè)計、管理信息系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的集成。
企業(yè)與企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)企業(yè)間的資源共享、組合與優(yōu)化利用。
通過網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)異地制造。
總之，制造的網(wǎng)絡(luò)化，特別是基于internet/intranet的制造已成為重要的發(fā)展趨勢。
制造虛擬化主要指虛擬制造，又稱擬實制造。
虛擬制造(virtualmanufacturing)是以制造技術(shù)和計算機技術(shù)支持的系統(tǒng)建模技術(shù)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，集現(xiàn)代制造工藝、計算機圖形學、并行工程、人工智能、人工現(xiàn)實技術(shù)和多媒體技術(shù)等多種高新技術(shù)為一體，由多學科知識形成的一種綜合系統(tǒng)技術(shù)。它將現(xiàn)實制造環(huán)境及其制造過程通過建立系統(tǒng)模型映射到計算機及其相關(guān)技術(shù)所支撐的虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境下模擬現(xiàn)實制造環(huán)境及其制造過程的一切活動和產(chǎn)品制造全過程，并對產(chǎn)品制造及制造系統(tǒng)的行為進行預測和評價。
虛擬制造的研究正越來越受到重視。如：美國政府制定的team包括5個重點研究領(lǐng)域，虛擬制造是其中之一。虛擬制造是實現(xiàn)敏捷制造的重要關(guān)鍵技術(shù)，對未來制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要;同時虛擬制造將在今后發(fā)展成為很大的軟件產(chǎn)業(yè)，我們應充分注意到這個發(fā)展趨勢。
智能制造將是未來制造自動化發(fā)展的重要方向。
所謂智能制造系統(tǒng)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。智能制造技術(shù)的宗旨在于通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，以實現(xiàn)制造過程的優(yōu)化。
有人預言下一世紀的制造工業(yè)將由兩個“i”來標識，即integration和intelligence。
環(huán)境、資源、人口是當今人類社會面臨的三大主要問題。特別是環(huán)境問題，其惡化程度與日劇增，正在對人類社會的生存與發(fā)展造成嚴重威脅。近年來的研究和實踐使人們認識到環(huán)境問題決非是孤立存在的，它和資源、人口兩問題有著根本性的內(nèi)在聯(lián)系。特別是資源問題，它不僅涉及人類世界有限的資源如何利用，而且它又是產(chǎn)生環(huán)境問題的主要根源。于時，近年來，一個新的概念已經(jīng)提出：最有效地利用資源和最低限度地產(chǎn)生廢棄物，是當前世界上環(huán)境問題的治本之道。
制造業(yè)量大面廣，對環(huán)境的總體影響很大?？梢哉f，制造業(yè)一方面是創(chuàng)造人類財富的支柱產(chǎn)業(yè)，但同時又是當前環(huán)境污染的主要源頭。有鑒于此，如何使制造業(yè)盡可能少地產(chǎn)生環(huán)境污染是當前環(huán)境問題研究的一個重要方面。于是一個新概念——綠色制造[10]由此產(chǎn)生。
綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標是使得產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響最小，資源效率最高。綠色制造是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的體現(xiàn)，或者說綠色制造是現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。
綠色制造涉及的面很廣[11]，涉及到產(chǎn)品的整個生命周期和多生命周期。對制造環(huán)境和制造過程而言，綠色制造主要涉及到資源的優(yōu)化利用、清潔生產(chǎn)和廢棄物的最少化及綜合利用。綠色制造是目前和將來制造自動化系統(tǒng)應該予以充分考慮的一個重大問題。
制造自動化是一個動態(tài)概念，有著十分廣泛和深刻的內(nèi)涵。目前制造自動化技術(shù)的研究非常活躍，主要表現(xiàn)在制造系統(tǒng)中的集成技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)、人機一體化制造系統(tǒng)、制造單元技術(shù)、制造過程的計劃和調(diào)度、柔性制造技術(shù)和適應現(xiàn)代生產(chǎn)模式的制造環(huán)境的研究方面。制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢可用“六化”簡要描述，即制造全球化、制造敏捷化、制造網(wǎng)絡(luò)化、制造虛擬化、制造智能化和制造綠色化。