东南大学 孙庆鸿

　　【摘　要】　叙述了机械制造业在国民经济中的支柱作用、敏捷制造、制造柔性、虚拟制造技术、软件技术、管理、人因工程和我国机械制造工业的发展。

　　【关键词】　敏捷制造　虚拟制造　人因工程

　　0　引　言

　　机械制造业是国民经济的基础产业，它的发展直接影响到国民经济各部门的发展，也影响到国计民生和国防力量的加强，因此，各国都把机械制造业的发展放在首要位置。随着机械产品国际市场竞争的日益加剧，各大公司都把高新技术注入机械产品的开发中，作为竞争取胜的重要手段。本文就目前机械制造业高新技术的发展与应用作一综述，以引起各方面的关注。

　　1　机械制造业是国民经济发展的支柱产业

　　国民经济中的任何行业的发展，必须依靠机械制造业的支持并提供装备;在国民经济生产力构成中，制造技术的作用占60%以上。美国认为社会财富的来源机械制造业占68%;当今制造科学、信息科学、材料科学、生物科学等四大支柱科学相互依存，但后三种科学必须依靠制造科学才能形成产业和创造社会物质财富。而制造科学的发展也必须依靠信息、材料和生物科学的发展，机械制造业是任何其他高新技术实现工业价值的最佳集合点。例如，快速原型成型机、虚拟轴机床、智能结构与系统等，已经远远超出了纯机械的范畴，而是集机械、电子、控制、计算机、材料等众多技术于一体的现代机械设备，并且体现了人文科学和个性化发展的内涵。

　　从美国来看，自二次世界大战以来，美国对机械制造业的发展十分重视。从50年代以来，在美国大学中设置工业工程专业，培养机械制造系统人才，着眼于世界市场竞争，企图霸占国际制造业市场。50年代初，当第一台数控机床在美国麻省理工学院诞生以后，美国在机械制造业中采取的主导政策是走数控和计算机群控，实现机械制造业中占主导地位的中小批量生产自动化的道路，以提高生产效率。但实践证明这一策略未能秦效，在机械制造业的国际竞争中，德国和日本是胜利者。70年代转向吸取德、日经验，使中、小批量生产通过成组技术(GT)实现生产系统柔性化和自动化。1979年美国国会通过议案拨款发展柔性化制造系统，并于80年代末完成了高度柔性化的全自动化小型工厂(small work)标准化工作，并向中小型企业推广。但由于忽略了市场的多变性和人因的作用，在与德、日的竞争中未能占上风，而使机械制造业每况愈下，一度认为机械制造业已成“夕阳工业”。通过10年论证，从概念上实现了从柔性制造到敏捷制造的转化，把宏观的国际市场需求与具体的公司生产密切结合，充分发挥人的因素，形成对市场的快速反映，提出了敏捷制造的新概念。

　　2　敏捷制造(Agile Manufacturing)——21世纪机械制造业的发展趋势

　　机械制造业在国际市场的激烈竞争中，美国屡屡受挫。70年代后，机械制造业被看成是“夕阳工业”。产业衰退，巨额贸易赤字，经济空前滑坡，有关工业竞争“关键问题”讨论将近10年。1986年在美国科学技术基金会(NSF)支持下，麻省理工学院(MIT)深入研究衰退原因和振兴对策，认为产品在上市的时间(T)、质量(Q)、成本?和服务(S)等产品竞争四大关键因素中，质量已不再是市场竞争的最大优势。创新周期缩短和全球化市场的形成，企业面临着不可预测和不断变化的市场，只有快速响应市场需求，提供满足用户个性需求的产品，才能在竞争中取胜。1988年美国通用汽车公司(GM)与李海大学(Lehigh University)工业工程系共同提出一种新的制造企业战略——敏捷制造(Agile Manufacturing)，并成立了国家制造科学中心(NCMS)和制造信息资源中心(MIRC)，得到国家自然科学基金会、国防部、商业部和众多公司支持，经国会听证后向联邦政府提出建议。现在由政府部门主持、企业与大学共同参与研究、开发和应用，称为21世纪制造企业的战略。

　　2.1　敏捷制造的思路

　　敏捷性体现在：持续变化性(产品、技术、管理模式)、快速反应性(以适应市场的变化)、质量高标准、低费用;

　　实现敏捷制造条件：设备高度柔性，可编程性和模式化;信息系统标准化和可维护性;人的因素和管理机构;

　　实施方式：虚拟公司、竞争—合作，用户参与设计与制造，兼顾经济效益和社会效益，增加信息服务和系统管理功能。

　　2.2　敏捷制造特色

　　革新制造企业的组织机构、管理策略与制度，建立社会化的虚拟公司;

　　提高从产品设计、制造、销售全过程的整体柔性;

　　在政府部门协调下，企业、高校和科研机构结合;

　　用户参与设计与制造;

　　发挥人因(知识、技艺和创造性)和信息的作用;

　　但归纳起来，敏捷制造的主要特色是制造柔性和成员间的合作。

　　2.3　敏捷制造在美国初见成效

　　美国Ingersoll-R公司空气压缩机敏捷制造工程，原新品设计需时8～12个月，样机制造和评定12～18个月，耗资50万美元。现只需原来1/3～1/2时间，花费12.5～25万美元;

　　美国计算机厂商康柏公司，1996年启动虚拟生产计划，与台商合作在深圳设厂，面向大陆，产品质量、技术、开发、运送、存货都符合康柏全球统一标准。员工技术水平和工作态度也达到要求，这样的虚拟公司组合使计算机平均价格下降57美元，市场竞争取得了巨大成功。现美苹果机、IBM、台宏基、神达亦已运用此种模式组织生产。

　　2.4　过程工业的敏捷制造策略

　　指定统一质量标准，如ISO-9000，经济效益与环境污染控制。

　　3　制造柔性性

　　柔性制造是相对于原有的硬件式刚性制造系统而言的，制造系统柔性化是适应多变市场需求的必要条件。

　　3.1　刚性制造

　　最早的机械自动化出现在美国通用汽车公司，称为Detroit-Type自动化，它的出现从根本上改变了手工工场式的制造，但它适应不了需求多变和多品种小批量生产的要求。这种硬件式的制造系统称为刚性制造。

　　3.2　柔性制造系统(FMS)

　　60年代英国Molins公司建成计算机控制的自动化加工系统，它标志着硬、软件结合，有高度应变能力的一种新型制造系统，与Detroit-Type相对，称为柔性制造系统(FMS)，并提出制造柔性这一概念。从70年代普及数控技术和全自动化技术至80年代，CAD、CAE、CAP、CAM、CAD/CAE、CAD/CAM、MRP、工艺数据库、物料传输等单项技术已经日臻完善;90年代的知识工程和AI应用、优质低成本制造、并行工程等均以柔性为其主要研究内容。

　　3.3　制造柔性定义

　　制造柔性定义为：制造系统对外部因素变化的顺应(响应)能力和对系统内部因素变化(干扰、涨落或故障)的适应能力。

　　敏捷制造要求制造柔性必须成为大系统的一部分，它包括：人员、设备仪器和软件三方面的柔性，这样才能保证敏捷制造系统的快捷响应能力。实现柔性制造说是容易做时难。目前统计表明90%以上的制造系统只能加工1类零件，65%的系统只能加工2～10个品种规格的零件。要生产满足柔性性，则就要大大增加系统的复杂性，这是个十分复杂的问题。

　　4　虚拟制造技术

　　虚拟制造技术是一种新的人机界面形式，它是利用计算机技术、强大的软硬件功能和其它交互设备，在计算机工作平台上，产生一个虚拟环境。应用人类的知识、技术与感知能力，与虚拟世界中的对象进行交互作用，对所要进行的产品设计和生产制造活动进行全面的建模和仿真(包括：产品设计、加工装配、物流、生产计划、组织管理等)。在产品未生产出来前就实际地模拟出产品的设计开发和制造全过程，并对产品性能进行全面模拟试验，预测产品的设计和制造合理性、产品性能和制造周期等，以达到最佳化。使产品的开发生产周期最短、成本最低、质量最佳。

　　现在虚拟技术的范围已经从新产品开发设计、制造扩展到虚拟公司组合、市场开拓和营销活动、产品技术经济评价等。而所有这一切均在计算机平台上完成。

　　由于虚拟制造技术在面对激烈市场竞争中显示出了巨大的技术优势。因此，目前已为各先进工业国家和公司所极度重视。我国在机械工业部门主持下，已于1998年9月在北京召开了第一次“虚拟制造技术研讨会”，以推进虚拟制造技术在我国的研究和应用。

　　5　软件技术

　　计算机技术应包括：计算机硬件和软件两大部分。其中软件技术又是充分发挥计算机功能的必要基础条件。可以说只有通过计算机技术(硬件和软件)的应用，一切先进技术才能发挥作用。现在软件功能已经十分强大，几乎在涉及工程的一切领域中都可找到优秀的软件作为技术支持。对某种技术来说，在一定程度上也可说软件功能就决定了它的技术水平。

　　6　管理技术

　　管理是随着资本主义的商品生产发展起来的，至今已进入了一个全新时代，它的历程可归纳如下。

　　6.1　传统管理

　　从18世纪后期至20世纪初，在手工业工场中凭管理者经验办事，管理者就是资本所有者，工人凭经验干活，师傅带徒弟。

　　6.2　科学管理

　　20世纪初至40年代，这时由自由资本主义向垄断资本主义过渡 ，资本所有者与管理者分离，并从经验管理中总结，使之系统化、科学化、理论化，进而指导管理实践，形成科学管理理论。代表人物有泰勒(美)、法约尔(法)、梅奥(美)等。

　　泰勒主张科学制定工时定额，作业环境标准化、计件工资、编制工艺规程、管理人员职能制等。

　　法约尔提出了管理的5种职能：计划、组织、指挥、协调、控制等。14条管理原则：分工、权力和责任统一、纪律、命令的统一性、指挥的统一性、个人利益服从整体利益、报酬、集权、等级系列、秩序、公平、保持人员稳定、首创精神、集体精神等。

　　梅奥的“行为科学”理论，研究工人在生产中的行为和产生行为的原因。内容包括：人的本性和需要、行为的动机、生产中的人际关系等。他在哲学、医学和心理学方面研究认为：工人是“社会人”，不同意泰勒认为工人是“经济人”的看法;科学管理只注重“正式组织”，而在企业中还存在着“非正式组织”;提出促进生产率的第一因素是士气和干劲，而工作条件和工资报酬是第二因素。

　　总之，泰勒等人研究管理的重点放在工作方法和工作条件上，以此来实现管理科学化。而梅奥等人则是以人为中心来研究管理问题。

　　6.3　现代管理

　　二次世界大战至今，资本主义企业管理进入现代管理阶段。科学技术迅速发展，大型复杂重大工程出现，跨国公司出现，环境和市场多变，市场竞争加剧反映了现时代的特点。为适应社会发展，在管理理论上发展为两派：一是以泰勒为代表的科学管理理论和法约尔为代表的组织管理理论的延伸、演变，吸取了自然科学、技术科学的新成就，如：系统工程、计算机等;另一是以梅奥为代表的行为科学派。两派结合形成了现代管理，也就是科学管理和人际关系相结合的管理。但敏捷制造的出现又把过去仅局限于企业内部的管理扩展到了整个社会和市场。

　　7　人因工程(Human Factor)

　　在现代管理中，已把人的因素在生产和科技进步中的作用放到了中心位置上，这一转变是有一过程的。起初的考虑只在体能上，以研究如何最大限度的发挥人在生产过程中体能的潜力，从而逐步发展到人的主观能动性的发挥，以实现面向市场的快速响应。

　　8　我国机械制造业的现状所面临的严峻现实

　　目前机械制造业进入了建国以来最困难的时期，这已为各个方面所关注。例如，机床工具行业，已经连续几年负增长。机械工业部在“机械工业振兴纲要”中指出我国制造业存在的五大问题：质量不稳定、产品水平低、达世界先进水平的产品仅占5%;生产集中度低、分散重复严重;科技基础薄弱，自主开发能力差;设备陈旧，工艺落后;管理薄弱，没有现代管理概念。

　　由于长期在计划体制下运行，企业缺乏竞争力，资金短缺，对市场的应变能力差，再加上进口的冲击，已使不少机械制造企业处于困境。如何振兴、摆脱困境，可以先借鉴一下先进国家和地区的做法。

　　(1)美国认为社会财富68%来源于制造业，所以始终把目标放在要使制造工程研究和制造产业保持世界一流水平上。主要措施：

　　鼓励和支持大学和科研单位的研究成果向工业转化，建立“国家制造工程中心(ERC)”、“工业大学合作研究中心(IUCRC)”、“制造技术中心(MTC)”等。通过IVCRC推进工业界与大学之间的合作交流，促进科技成果转化。

　　制定面向中小企业的综合自动化计划，通过MTC推广这一计划，并对其进行诊断、评估、培训，提高雇员素质，更新观念，切实提高占全美企业总数85%的中小企业的市场竞争能力。

　　(2)日本在近10年来已成为世界制造业界的领袖，就机床制造来说，在国际上已是三分天下有其一，占30%。自1982年以来保持世界头号机床生产大国的地位。主要措施：

　　特别重视数控机床和数控技术的推广，数控机床占机床总产量70%以上，这对提高日本工业生产率和国际竞争能力作出了重大贡献。

　　政府和工业界不断主动采用新技术以维持其在制造业的领先地位，如提出“精简、消肿”和面向市场的“敏捷制造”新概念(精简化生产)，以用户为“上帝”，以“人”为中心，以精简为手段，以“零缺陷”为最终目标，实现所谓“精良生产”。这种不断改进产品生产模式的思路是增加企业新功能和提高产品性能的一种策略。

　　高质量批量生产。

　　(3)德国制造业的特长是革新与高质量、高价格，面向对象特殊需求，最短时间内供货。产品竞争主要通过技术领先来实现，而不是降低成本。技术优势通过企业的良好组织结构带动实现利润目标。企业技术改造反映在：物流和加工过程自动化、信息流集成化、能源合理利用、企业结构适应多变市场、人的积极性与技术进步。

　　(4)台湾采用的是一般性能与低价格。1967年机床首次外销，利用台湾廉价劳动力，配合先进国家的资本、技术、进口零部件、半成品进行简单加工组装，打外国厂牌。通过外商销往美国等工业发达国家，赚取一点工资差额与外汇。80年代开始国际化，由于大陆开放，廉价劳动力由大陆代替，台湾开始着眼于高新技术产业，正式起步数控机床，经过10年发展现有机床生产企业1150家，近90%是30人以下的小厂。1996年机床产值达18亿美元，出口392亿新台币，外销占67%。1997年受东南亚金融危机影响，机床生产下降4%，为375亿新台币。

　　从以上国家和台湾地区的成功经验可知，其制造业的发展都结合自身的特点，形成特色而求得生存。而我们只要看准方向，从政府到企业制定切实可行的战略策略，切切实实从各方面加以扶持和落实。而最关键的一条是各级组织机构的改革，使之能协调发挥、调动各方面的优势和积极性，适应当今市场的形势。

　　9　结束语

　　本文内容仅涉及了机械制造业中部分高新技术的发展情况，如何将高新技术注入我国的机械制造业中，以产生良好的社会经济效益，观念的改变和体制改革是关键，而应用高新技术改造和开发具有市场竞争能力的新产品，这又是当前改变我国机械制造业面貌的头等大事，离开了新品开发，则其它的一切努力将成为无水之源和无本之木。克服保守和墨守成规，在政府有关部门主持下，走产学研相结合的道路，这将会使机械制造业走向健康和发展。

　　作者简介：孙庆鸿　男，1938年2月生，东南大学“机械制造及其自动化”博士点学科带头人，教授、博士生导师，研究领域为基于可视化虚拟设计CAD/CAE技术与信息集成、机械动态分析与控制、智能结构与技术。