制造自動(dòng)化的廣義內涵、研究現狀和發(fā)展趨勢
制造自動(dòng)化技術(shù)是先進(jìn)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(dòng)化技術(shù)的研究十分重視，近年來(lái)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(zhuān)門(mén)設置了“制造自動(dòng)化”技術(shù)專(zhuān)題，每年均設置了一定數量的研究課題;全國高校中建立了“全國高等學(xué)校制造自動(dòng)化研究會(huì )”，每?jì)赡暌淮螌W(xué)術(shù)大會(huì )，圍繞制造自動(dòng)化主題作了大量研究。
鑒于“制造自動(dòng)化”這一名稱(chēng)在我國出現的時(shí)間還不很長(cháng)，同時(shí)又因其內涵、研究現狀和發(fā)展趨勢均處于不斷地發(fā)展和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，因此本文對制造自動(dòng)化的內涵進(jìn)行了探討，對其研究現狀和發(fā)展趨勢作了分析和論述。
（圖源網(wǎng)絡(luò )，侵刪）
1制造自動(dòng)化的廣義內涵
顧名思義，“制造自動(dòng)化”首先應與“制造”有關(guān)。
傳統地理解，人們一般將“制造”理解為產(chǎn)品的機械工藝過(guò)程或機械加工過(guò)程。例如著(zhù)名的longman詞典對“制造”的解釋為“通過(guò)機器進(jìn)行制作或生產(chǎn)，特別是適用于大批量”。
隨著(zhù)人類(lèi)生產(chǎn)力的發(fā)展，“制造”的概念和內涵在“范圍”和“過(guò)程”兩個(gè)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(guò)相應過(guò)程、轉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(guò)程方面，制造不是僅指具體的工藝過(guò)程，而是包括市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)工藝過(guò)程、裝配檢驗和銷(xiāo)售服務(wù)等產(chǎn)品整個(gè)生命周期過(guò)程，如國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì )1990年給“制造”下的定義是：制造是一個(gè)涉及制造工業(yè)中產(chǎn)品設計、物料選擇、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量保證、經(jīng)營(yíng)管理、市場(chǎng)銷(xiāo)售和服務(wù)的一系列相關(guān)活動(dòng)和工作的總稱(chēng)[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(guò)程”或稱(chēng)為“小制造概念”，如機械加工過(guò)程;另一個(gè)是廣義制造概念，包括產(chǎn)品整個(gè)生命周期過(guò)程，又稱(chēng)為“大制造概念”。實(shí)際應用中，兩者皆在使用，其概念范圍視具體情況而定。
“自動(dòng)化”是美國人d.s.harder于1936年提出的[3]。當時(shí)他在通用汽車(chē)公司工作，他認為在一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，機器之間的零件轉移不用人去搬運就是“自動(dòng)化”。這實(shí)質(zhì)是早期制造自動(dòng)化的概念。
制造自動(dòng)化的概念是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。過(guò)去，人們對自動(dòng)化的理解或者說(shuō)自動(dòng)化的功能目標是以機械的動(dòng)作代替人力操作，自動(dòng)地完成特定的作業(yè)。這實(shí)質(zhì)上是自動(dòng)化代替人的體力勞動(dòng)的觀(guān)點(diǎn)。后來(lái)隨著(zhù)電子和信息技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著(zhù)計算機的出現和廣泛應用，自動(dòng)化的概念已擴展為用機器不僅代替人的體力勞動(dòng)而且還代替或輔助腦力勞動(dòng)，以自動(dòng)地完成特定的作業(yè)。
今天看來(lái)自動(dòng)化的上述概念也還不完善。把自動(dòng)化的功能目標看成是用機器代替人的體力勞動(dòng)或腦力勞動(dòng)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(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，例如，有人就認為，中國人多，搞自動(dòng)化沒(méi)有很大的必要。
今天，制造自動(dòng)化已遠遠突破了上述傳統的概念，具有更加寬廣和深刻的內涵。制造自動(dòng)化的廣義內涵至少包括以下幾點(diǎn)：
在形式方面，制造自動(dòng)化有三個(gè)方面的含義：
.代替或輔助人的腦力勞動(dòng)。
.制造系統中人、機及整個(gè)系統的協(xié)調、管理、控制和優(yōu)化。
在功能方面，制造自動(dòng)化代替人的體力勞動(dòng)或腦力勞動(dòng)僅僅是制造自動(dòng)化功能目標體系的一部分。制造自動(dòng)化的功能目標是多方面的，已形成一個(gè)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(jiǎn)稱(chēng)tqcse模型，其中t表示時(shí)間，q表示質(zhì)量，c表示成本，s表示服務(wù)，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(dòng)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(dòng)化系統，能提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量。c的含義是采用自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)，更好地做好市場(chǎng)服務(wù)工作;二是利用自動(dòng)化技術(shù)，替代或減輕制造人員的體力和腦力勞動(dòng)，直接為制造人員服務(wù)。e的含義是制造自動(dòng)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(shí)現綠色制造。
tqcse模型還表明，t、q、c、s、e是相互關(guān)聯(lián)的，它們構成了一個(gè)制造自動(dòng)化功能目標的有機體系。
在范圍方面，制造自動(dòng)化不僅涉及到具體生產(chǎn)制造過(guò)程，而是涉及產(chǎn)品生命周期所有過(guò)程。
2制造自動(dòng)化技術(shù)的研究現狀
正如本文前言所述，國內外對制造自動(dòng)化技術(shù)的研究非常重視，已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。綜合而言，制造自動(dòng)化技術(shù)的研究現狀主要表現在以下幾個(gè)方面。
制造系統中的集成技術(shù)和系統技術(shù)已成為制造自動(dòng)化研究中熱點(diǎn)問(wèn)題
制造自動(dòng)化技術(shù)研究過(guò)去主要集中在單元和專(zhuān)門(mén)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(lái)，在上述單元技術(shù)和專(zhuān)門(mén)技術(shù)繼續發(fā)展的同時(shí)，制造系統中的集成技術(shù)和系統技術(shù)的研究發(fā)展迅速，已成為制造自動(dòng)化研究中的熱點(diǎn)。
制造系統中的集成技術(shù)和系統技術(shù)涉及面很廣。其中集成技術(shù)包括制造系統中的信息集成和功能集成技術(shù)、過(guò)程集成技術(shù)、企業(yè)間集成技術(shù)等;系統技術(shù)包括制造系統分析技術(shù)、制造系統建模技術(shù)、制造系統運籌技術(shù)、制造系統管理技術(shù)和制造系統優(yōu)化技術(shù)等等。
更加注重研究制造自動(dòng)化系統中人的作用的發(fā)揮
在過(guò)去一段時(shí)期，人們曾認為全盤(pán)自動(dòng)化和無(wú)人化工廠(chǎng)或車(chē)間是制造自動(dòng)化發(fā)展的目標。隨著(zhù)實(shí)踐的深入和一些無(wú)人化工廠(chǎng)實(shí)施的失敗，人們對無(wú)人制造自動(dòng)化問(wèn)題進(jìn)行了反思，并對于人在制造自動(dòng)化系統中有著(zhù)機器不可替代的重要作用進(jìn)行了重新認識。有鑒于此，國內外對于如何將人與制造系統有機結合，在理論與技術(shù)上展開(kāi)了積極的探索。近年來(lái)，提出了“人機一體化制造系統”、“以人為中心的制造系統”等新思想，其內涵就是發(fā)揮人的核心作用，采用人—機一體的技術(shù)路線(xiàn)，將人作為系統結構中的有機組成部分，使人與機器處于優(yōu)化合作的地位，實(shí)現制造系統中人與機器一體化的人機集成的決策機制，以取得制造系統的最佳效益。目前，圍繞人機集成問(wèn)題國內外正在進(jìn)行大量研究。
單元系統的研究仍然占有重要的位置
單元系統是以一臺或多臺數控加工設備和物料儲運系統為主體，在計算機統一控制管理下，可進(jìn)行多品種、中小批量零件自動(dòng)化加工生產(chǎn)的機械加工系統的總稱(chēng)。它是計算機集成制造系統的重要組成部分，是自動(dòng)化工廠(chǎng)車(chē)間作業(yè)計劃的分解決策層和具體執行機構。國內外制造行業(yè)在單元系統的理論和技術(shù)研究方面投入了大量的人力物力，因此單元技術(shù)無(wú)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(zhuān)門(mén)發(fā)表綜合評論文章“數控單元的最新進(jìn)展”[5]，對數控單元系統的發(fā)展狀況進(jìn)行了綜述，其中指出：“單元目前已經(jīng)開(kāi)始影響和支配著(zhù)美國制造業(yè)?！薄秏anufaturingengineering》的另一編輯也同時(shí)撰文[6]介紹了單元系統在美國波音公司中所發(fā)揮的巨大作用。近年來(lái)又提出了一種基于多主體的單元化制造系統，其研究正在興起。
制造過(guò)程的計劃和調度研究十分活躍，但實(shí)用化的成果還不多見(jiàn)
美國ingersoll銑床公司曾分析了在傳統的制造工廠(chǎng)中從原材料進(jìn)廠(chǎng)到產(chǎn)品出廠(chǎng)的制造過(guò)程。結果表明，對一個(gè)機械零件來(lái)說(shuō)，只有5%的時(shí)間是在機床上;95%的時(shí)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(shí)間，是提高制造生產(chǎn)率的重要方向。優(yōu)化制造過(guò)程的計劃和調度是減少95%的時(shí)間的主要手段。有鑒于此，國內外對制造過(guò)程的計劃和調度的研究非?；钴S，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(huì )為例，最近幾屆的大會(huì )論文集中，計劃和調度方面的研究均占相當一部分。
制造過(guò)程的計劃和調度的研究方面雖然已取得大量研究成果，但由于制造過(guò)程的復雜性和隨機性，使得能進(jìn)入實(shí)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(jìn)一步深化。
柔性制造技術(shù)的研究向著(zhù)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(cháng)歷史，但由于其復雜性和不斷地發(fā)展，至今仍有大量學(xué)者對此進(jìn)行研究。目前的研究主要圍繞fms的系統結構、控制、管理和優(yōu)化運行在進(jìn)行。
柔性制造系統fms雖然具有自動(dòng)化程度高和運行效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其不僅注重信息流的集成，也特別強調物料流的集成與自動(dòng)化，物流自動(dòng)化設備投資在整個(gè)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(lài)于物流自動(dòng)化設備的正常運行，因此fms也具有投資大、見(jiàn)效慢和可靠性相對較差等不足。
dnc技術(shù)近年來(lái)得到了很大發(fā)展。早期的dnc是指distributednumericalcontrol，即計算機直接數控。目前我們說(shuō)的dnc包括兩種情況：一是為計算機直接數控，另一指是directnumericalcontrol，即分布式數控。本文所說(shuō)的dnc主要指后者。dnc強調信息的集成與信息流的自動(dòng)化，物料流的控制與執行可大量介入人機交互。相對fms來(lái)說(shuō)，dnc具有投資小、見(jiàn)效快、柔性好和可靠性高等特點(diǎn)，因而近年來(lái)的研究非?；钴S[7]。
柔性制造技術(shù)的基礎是數控。數控技術(shù)雖然已有40多年歷史，但至今仍在不斷完善和發(fā)展。一些新的數控系統在不斷涌現。
適應現代生產(chǎn)模式的制造環(huán)境的研究正在興起
當前，及時(shí)制生產(chǎn)、并行工程(concurrentengineering)、精良生產(chǎn)、敏捷制造等現代制造模式的提出和研究推動(dòng)了制造自動(dòng)化技術(shù)研究和應用的發(fā)展，以適應現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(dòng)化系統中的敏捷制造問(wèn)題的研究越來(lái)越受到重視。主要問(wèn)題包括敏捷制造模式下的制造自動(dòng)化系統體系結構、高效柔性制造系統的建模與重構、制造能力測量、評價(jià)與控制和制造加工過(guò)程的擬實(shí)制造等等。
底層加工系統的智能化和集成化研究越來(lái)越活躍
如目前世界上ims計劃中，提出了智能完備制造系統hms(holonicmanufacturingsystem)，hms是由智能完備單元復合而成;其底層設備具有開(kāi)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的虛擬軸機床，變革了傳統機床的工作原理，其性能上有許多獨特優(yōu)勢，特別是有利于實(shí)現車(chē)間內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(shí)現集成制造的新技術(shù)，近年來(lái)的研究非?；钴S。
3制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來(lái)，制造自動(dòng)化技術(shù)的研究發(fā)展迅速，其發(fā)展趨勢可用“六化”簡(jiǎn)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)達國家的智能系統計劃。近年來(lái)隨著(zhù)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容非常廣泛，主要的有：
.市場(chǎng)的國際化，產(chǎn)品銷(xiāo)售的全球網(wǎng)絡(luò )正在形成。
.產(chǎn)品設計和開(kāi)發(fā)的國際合作。
.制造企業(yè)在世界范圍內的重組與集成，如動(dòng)態(tài)聯(lián)盟公司。
.制造資源的跨地區、跨國家的協(xié)調、共享和優(yōu)化利用。
.全球制造的體系結構將要形成。
快速制造是一種面向21世紀的制造戰略和現代制造模式，當前全球范圍內敏捷制造的研究十分活躍。快速制造是對廣義制造系統而言。制造環(huán)境和制造過(guò)程的敏捷性問(wèn)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(guò)程面向21世紀制造活動(dòng)的必然趨勢。制造環(huán)境和制造過(guò)程的敏捷化包括的內容很廣，如：
.柔性：包括機器柔性、工藝柔性、運行柔性和擴展柔性等。
.重構能力：能實(shí)現快速重組重構，增強對新產(chǎn)品開(kāi)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(dòng)帶來(lái)新的變革，其影響的深度、廣度和發(fā)展速度往往遠超過(guò)人們的預測。正如1997年10月在新加坡召開(kāi)的第四屆國際cim大會(huì )上，大會(huì )主席robertgay博士指出：“自1995年的第三屆國際cim大會(huì )以來(lái)，基于internet的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)是出人意料地迅猛增長(cháng)[7]”。又如美國《manufacturingengineering》雜志高級編輯jeanv.owin最近專(zhuān)門(mén)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(gè)方面：
制造環(huán)境內部的網(wǎng)絡(luò )化，實(shí)現制造過(guò)程的集成。
制造環(huán)境與整個(gè)制造企業(yè)的網(wǎng)絡(luò )化，實(shí)現制造環(huán)境與企業(yè)中工程設計、管理信息系統等各子系統的集成。
企業(yè)與企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò )化，實(shí)現企業(yè)間的資源共享、組合與優(yōu)化利用。
通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現異地制造。
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(chēng)擬實(shí)制造。
虛擬制造(virtualmanufacturing)是以制造技術(shù)和計算機技術(shù)支持的系統建模技術(shù)和仿真技術(shù)為基礎，集現代制造工藝、計算機圖形學(xué)、并行工程、人工智能、人工現實(shí)技術(shù)和多媒體技術(shù)等多種高新技術(shù)為一體，由多學(xué)科知識形成的一種綜合系統技術(shù)。它將現實(shí)制造環(huán)境及其制造過(guò)程通過(guò)建立系統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)境下模擬現實(shí)制造環(huán)境及其制造過(guò)程的一切活動(dòng)和產(chǎn)品制造全過(guò)程，并對產(chǎn)品制造及制造系統的行為進(jìn)行預測和評價(jià)。
虛擬制造的研究正越來(lái)越受到重視。如：美國政府制定的team包括5個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域，虛擬制造是其中之一。虛擬制造是實(shí)現敏捷制造的重要關(guān)鍵技術(shù)，對未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要;同時(shí)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(gè)發(fā)展趨勢。
智能制造將是未來(lái)制造自動(dòng)化發(fā)展的重要方向。
所謂智能制造系統是一種由智能機器和人類(lèi)專(zhuān)家共同組成的人機一體化智能系統，它在制造過(guò)程中能進(jìn)行智能活動(dòng)，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。智能制造技術(shù)的宗旨在于通過(guò)人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類(lèi)專(zhuān)家在制造過(guò)程中的腦力勞動(dòng)，以實(shí)現制造過(guò)程的優(yōu)化。
有人預言下一世紀的制造工業(yè)將由兩個(gè)“i”來(lái)標識，即integration和intelligence。
環(huán)境、資源、人口是當今人類(lèi)社會(huì )面臨的三大主要問(wèn)題。特別是環(huán)境問(wèn)題，其惡化程度與日劇增，正在對人類(lèi)社會(huì )的生存與發(fā)展造成嚴重威脅。近年來(lái)的研究和實(shí)踐使人們認識到環(huán)境問(wèn)題決非是孤立存在的，它和資源、人口兩問(wèn)題有著(zhù)根本性的內在聯(lián)系。特別是資源問(wèn)題，它不僅涉及人類(lèi)世界有限的資源如何利用，而且它又是產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題的主要根源。于時(shí)，近年來(lái)，一個(gè)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(wèn)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(shuō)，制造業(yè)一方面是創(chuàng )造人類(lèi)財富的支柱產(chǎn)業(yè)，但同時(shí)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(wèn)題研究的一個(gè)重要方面。于是一個(gè)新概念——綠色制造[10]由此產(chǎn)生。
綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現代制造模式，其目標是使得產(chǎn)品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響最小，資源效率最高。綠色制造是可持續發(fā)展戰略在制造業(yè)中的體現，或者說(shuō)綠色制造是現代制造業(yè)的可持續發(fā)展模式。
綠色制造涉及的面很廣[11]，涉及到產(chǎn)品的整個(gè)生命周期和多生命周期。對制造環(huán)境和制造過(guò)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(lái)制造自動(dòng)化系統應該予以充分考慮的一個(gè)重大問(wèn)題。
制造自動(dòng)化是一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，有著(zhù)十分廣泛和深刻的內涵。目前制造自動(dòng)化技術(shù)的研究非?；钴S，主要表現在制造系統中的集成技術(shù)和系統技術(shù)、人機一體化制造系統、制造單元技術(shù)、制造過(guò)程的計劃和調度、柔性制造技術(shù)和適應現代生產(chǎn)模式的制造環(huán)境的研究方面。制造自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢可用“六化”簡(jiǎn)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。