1.3 先进制造技术的发展概况与趋势
1.3.1 各国先进制造技术的发展概况
先进制造技术在世界各国倍受关注，进行其相关技术的研究、开发和应用，已成为各国的高新技术和战略优先发展的领域。美国率先提出了先进制造技术这一概念，日本、西欧各国以及亚洲新兴工业国家纷纷做出响应，积极开展此类技术的研发、创新和应用推广工作。我国对先进制造技术的快速发展也非常重视，多次召开了先进制造技术学术会议并制定了相应的发展规划。
1.美国
20世纪80年代中后期，由于美国制造业国际竞争力大大下降，一向重视保持绝对领先优势的美国政府决定大力发展先进制造技术。1994年，美国国家最高科技决策机构——国家科学技术委员会指定其所属的民用工业技术委员会，制订国家级先进制造技术发展战略，其主旨有如下四点：①支持国家实验室、大学与工业界联合研究开发先进制造技术；②通过国家级工业服务网络帮助企业快速采用先进技术；③开发并推广有利于环境保护的制造技术；④积极实施与工程设计和制造相关的教育与培训计划。1996年，美国国家先进制造联合会发表了《面向21世纪的美国工业力量》白皮书，建议美国今后应重点发展如下先进制造技术：集成产品与过程开发、并行工程、虚拟产品开发、快速原型与过程仿真、可扩展的企业体系结构、综合资源规划、产品数据交换标准、高速网络、人工智能、传感器数据融合、专家系统、电子数据交换、纳米/微米制造技术、高级控制器及全能制造系统的制造单元技术等；同时建议国防承包商采用大批量定制技术，重点发展柔性制造技术与系统。
2012年2月，美国国家科学技术委员会又发布了《先进制造业国家战略计划》。该计划从投资、劳动力和创新等方面提出了促进美国先进制造业发展的五大目标及相应的对策措施，这是美国从国家战略层面提出的加快创新、促进美国先进制造业发展的具体建议和措施。该计划明确了三大原则：①完善先进制造业创新政策；②加强“产业公地”建设；③优化政府投资。该计划提出的五大目标：①加快中小企业投资；②提高劳动力技能；③建立健全伙伴关系；④调整优化政府投资；⑤加大研发投资力度。
2.日本
日本非常重视具有高附加值技术含量的先进加工制造业的发展，为保持其经济强国地位，他们不断发展高精尖技术，在现有技术基础上开发新产品、新工艺，提高竞争实力，创造新的市场和产业，而且全部由国家统一协调、规划，持续不断的出台重大计划，保证对于先进制造技术的持续研发和领先地位。日本通产省在1989年发起了“智能制造系统（intelligent manufacturing system，IMS）”，并邀请美国、加拿大、澳大利亚等国参加研究，形成了一个大型国际共同研究项目，由日本投资10亿美元保证计划的实施。其目标为：全面展望21世纪制造技术的发展趋势，先行开发未来的主导技术，促进科技成果转化，改善自然环境，并同时致力于全球信息、制造技术的体系化、标准化。
1995年，日本通产省发起了旨在推动工业基础研究的“新兴工业创新型技术研究开发促进计划”，该计划分为三个技术领域：①工业科学技术，旨在创造新工业，开发新技术；②能源与环境技术，旨在改善自然环境、保证能源供应稳定，加速创建新工业；③支持中小企业开发基础性和创造性技术，旨在促进中小企业的工业现代化进程。同年，日本文部省发起了“风险企业型实验室计划”，该计划旨在促进创新性研究活动，为新工业和风险企业培养年轻后备科技人才，主要进行著名大学实验室的资助，受资助的实验室大多从事微型机械制造、虚拟现实软硬件技术、微毫米加工技术等。2004年，日本又启动了“新产业创造战略”，为制造业寻找未来战略产业，这引起了美国、欧洲、日本在机械制造技术上新一轮的竞争。
3.德国
德国是世界工业强国，在与美国，欧洲和亚洲其他国家的竞争中，为继续保持传统制造业的经济增长，进行了积极的调整，将更多的精力和资源投入到先进制造技术上来，他们积极推动工业界采用信息技术改造传统制造技术与制造企业，并制定了相关的计划。德国政府于1995年提出了实施“2000年生产计划”，以推动信息技术促进制造业的现代化和提高制造领域的研究水平；2002年又分别推出了“IT2006研究计划”和“光学技术——德国制造”计划，投资30多亿欧元，研究电子制造技术和设备、新型电路和元件、芯片系统以及下一代光学系统。
近几年，德国先后发起了“质量保证计划”“工作和技术计划”“保护环境的生产计划”“微系统技术计划”及“工业基础技术研究计划”等，这些计划旨在研发可靠的质量管理系统、工业机器人编程、大规模流程作业中的柔性生产结构、计算机多媒体系统、工业生产的发展和保护环境之间的协调及微系统制造技术，利用工业基础研究成果开发新产品、新工艺和新技术等。经过这些计划的执行，德国制造业出现较好的复苏趋势，并加快了传统制造业向先进制造业转变。近年来，德国技术密集型产品出口持续增长，占世界总额的比值仅次于美国，稳居第二位。其中，2004年德国机械制造业产值达1360亿欧元，稳居世界机械市场份额第一（19.3%）和出口第一的宝座。
4.英国
英国政府支持工程和技术规划及制造系统工程方面的研究，开展了计算机集成制造系统（CIMS）、单元式制造系统、快速原型制造技术、人机工程学及并行工程等方面的研究。他们发布了2008制造战略（2008 Manufacturing Strategy）和新产业新工作战略（New Industry，New Jobs strategy，2009年4月发布），形成了支持发展新产业和新工作机会的主要框架。英国的商务、创新和技能部基于这些战略积极采取行动，制定了一揽子重要的新措施，为先进制造业发展扫清诸多障碍，并帮助业界开发市场的巨大潜力。这一揽子重要措施主要由以下四部分组成：①获得信息与投资，包括扩大制造业咨询机构、发展制造技术中心网络、低碳工业战略及创新基金等；②先进制造技术技能，包括学徒培训计划、成立制造和材料生产供应国家技能院校、与产业界一起设立基础学位，并在工作场所培训；③采取新技术，包括扩展软性电子中心、制造竞争力计划增加资金投入、发展设计创新网络、低碳工程研发计划、为SAMULET航空制造计划提供支持、产业化生物技术示范和中小企业基金、新的复合材料战略、新的软性电子战略；④解决特殊产业面临的挑战，包括通过向罗尔斯.罗伊斯（Rolls Royce）提供政府补助，提高英国航天航空和民用核工业领域的先进制造技术；提升先进复合材料航天器机翼的设计和开发能力，如通过新项目提供可偿还启动投资，包括Bomburdier Aerospace公司的Cseries飞机项目、GKN航空航天公司和空中客车公司的A350XWB项目等；发布空间创新与发展小组（Space IGT）报告等。
5.韩国
1991年，韩国提出了“先进技术国家计划”，目标是到2000年将韩国的制造技术实力提高到世界第一流工业发达国家的水平。该计划包括先进制造系统、新能源、电气车辆、人机接口技术等七项先进技术和七项基础技术，其中的“先进制造系统”是一个将市场需求、设计、车间制造和营销集成在一起的系统，旨在改善产品质量和提高生产率，最终建立起全球竞争能力。该项目由三部分组成：①共性的基础研究，包括集成的开放系统、标准化及性能评价；②下一代加工系统，包括加工设备、加工技术、操作过程技术；③电子产品的装配和检验系统，包括下一代印制电路板装配和检验系统、高性能装配机构和制造系统、先进装配基础技术、系统操作集成技术和智能技术。
6.中国
我国对先进制造技术的发展也给予了充分重视。1995年9月《中共中央关于制定国民经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标的建议》中明确提出，要大力采用先进制造技术，先进制造技术是一个国家、一个民族赖以昌盛的重要手段。《全国科技发展“九五”计划和到2010年长期规划》中明确将先进制造技术专项列入高技术研究与发展专题。在“九五”期间实施一批发展先进制造技术项目。2000年，中国科学院在沈阳成立国家先进制造技术基地；2002年，在沈阳浑南开发区建设“先进制造技术AMT产业园”，形成了电子信息、生物技术、新材料、机电一体化、激光5大领域的高新技术产业群，其中尤以电子信息产业的发展最为引人注目，已成为我国最重要的生产、研究开发基地之一。2011年，《我国国民经济和社会发展“十二五”规划纲要》明确提出，坚持走中国特色新型工业化道路，适应市场需求变化，根据科技进步新趋势，发挥我国产业在全球经济中的比较优势，发展结构优化、技术先进、清洁安全、附加值高、吸纳就业能力强的现代产业体系。
2011年8月，由中国机械工程学会组织百位专家编写的《中国机械工程技术路线图》正式出版。该书对未来20年机械工程技术的发展进行了预测和展望，为中国机械制造业描绘出了走向2030年的美好蓝图。据该路线图描述，先进制造技术共包括11个技术领域，其中产品设计、成形制造、智能制造、精密与微纳制造、再制造及仿生制造六个技术领域是机械工程技术中的基础共性技术领域，对机械制造业的发展至关重要。此外，机械工程技术还有大量的产品制造技术，也是机械工程技术的重要组成，包括带有基础性的有流体传动与控制、轴承、齿轮、模具和刀具五个领域。该书对这11个技术领域的发展路线和目标做了分析和描述。
1.3.2 先进制造技术的发展趋势
随着信息技术的出现以及蓬勃发展，制造技术的面貌焕然一新。先进制造技术必须适应当今世界需求多样化、技术集成化、效益最优化、环境生态化及网络智能化的必然要求，未来先进制造技术将朝着精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化及全球化的方向发展。2011年出版的《中国机械工程技术路线图》，将机械工程技术的发展趋势精练地概括为绿色、智能、超常、融合、服务。这10个字也是中国机械工程领域顶尖专家群体对未来机械制造业发展趋势的判读。先进制造技术的发展主要体现在以下几个方面。
1.绿色制造是先进制造技术未来发展的必然选择
科学技术的迅速发展，也使人类社会在经济发展的同时面临着环境污染、资源匮乏等问题，各国开始重视人类活动对于自然环境的影响，如何在保持经济发展的同时有效利用自然资源，使人类社会的发展与自然界和谐统一，是先进制造技术以及未来制造业必须解决的问题。为此，美、日及欧洲各国大力发展“低碳经济”“循环经济”“绿色制造”和“清洁生产”，致力于研究开发生态安全型、资源节约型制造技术。
绿色制造，是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。绿色制造这种现代化制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。绿色制造正在成为未来制造业的发展方向，并将贯穿于制造业各环节，主要表现在以下三个方面：
1）绿色产品设计技术。在设计阶段就考虑到环境因素和预防污染的问题，并采取应对措施将之纳入产品设计中，把环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响最小。
2）绿色制造技术。它使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中，不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，在整个制造过程中综合考虑环境影响和资源效率，在保证产品的功能、质量、成本的前提下，使产品制造过程对生态环境无害或危害极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低。
3）再制造技术和产品的回收。再制造是一种先进的制造逻辑与工业理念，它要求工业设计不仅要面向材料与功能，更要面向可回收再制造。它是“资源—产品—废弃物—再生资源或再生产品”的反馈式循环模式。再制造是新材料、新技术、新工艺、新装备与新方法等一系列高新技术与手段的集成运用，因此可以保证再制造产品的性能和质量不低于新产品，甚至在某种情形下可以使其质量高于新产品。
2.智能化、网络化是先进制造技术未来发展的前景趋势
现代制造系统的运行过程是对大量物流、能量流和信息流的处理过程，尤其是对于信息流的处理能力是传统制造技术所不具备的。大量有关物料、机床参数、加工参数、产品性能的复杂信息需要不断更新，实时处理，以应对瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，这就要求制造系统要具有某种智能，能够处理纷繁复杂的有关数据和信息，因而智能制造应运而生。
智能制造系统综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，实现了高速、高精、高效控制，可以自动修正、调节与补偿加工过程中的各项参数，具有在线诊断和智能化故障处理功能；未来的先进制造系统将具有更高级的智能功能，集数字化、自动化、集成化、网络化和智能化于一身，成为具有专家知识和人工智能的人机一体化系统。智能制造系统可以在制造的过程中，以柔性化、集成化、模块化、网络化有机结合的方式，建立高度智能化的闭环控制结构，借助计算机模拟人类专家的智能活动，进行信息的读取、分析、判断、推理、构思和决策，延伸或替代制造过程中人的智能劳动，同时收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展类似人类专家的智能水平。该技术目前尚处在起步阶段，但它的前景却非常广阔。
所谓制造业网络化，就是指在产品设计、加工与生产管理等活动，甚至企业整个业务流程中全面采用网络技术，实现对整个制造业的结构调整、资源合理配置、优化组合及共用。这是由于当代制造业在激烈的市场竞争中，面临市场需求不断变化、采购成本不断提高、产品更新速度加快等多方面的压力，企业必须在生产组织上实行深刻的变革，从而促使网络化制造模式的兴起。制造技术网络化将并行工程、虚拟制造、虚拟企业等先进制造理念、方法和技术引入制造业，为制造系统和制造过程提供了快速方便的信息交互手段和环境，促使了“虚拟制造组织”的兴起，它通过网络化制造服务平台将地理上异地分布、组织上平等独立的多个企业联为一体，建立起密切合作的“虚拟企业”或“企业联盟”，实现资源集成、优势互补、资源共享，以提高制造业的竞争力，提升制造企业的快速反应能力和市场竞争力。
3.集成化、融合性是先进制造技术未来发展的方向
目前，集成化主要表现在以下几个方面。
1）设计集成。产品设计是先进制造技术的灵魂和先导，未来设计技术集成化的趋势主要表现为：设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济、社会和环境因素等；设计向产品全生命周期设计发展，设计思想与方法更新，采用如并行设计、面向X的设计、健壮设计、优化设计和反求工程技术等进行设计。
2）信息集成。其主要目的是通过网络和数据库把各自动化系统和设备及异种设备相连起来，实现执政系统中数据的交换和信息的共享，帮助人做出正确的决策。
3）功能集成。主要实现企业要素，即人、技术、管理组织的集成，进而实现企业生产经营各功能部分的整体集成。
4）过程集成。主要通过产品开发过程的并行和以多功能项目组为核心的企业扁平化组织，实现产品开发过程、企业经营过程的集成。
5）企业的集成。通过采用敏捷化企业组织形式、并行工程环境、全球计算机网络或国家信息基础设施，实现跨地区甚至跨国家的企业间的动态联系，即动态集成，由此能迅速集结和运筹该产品所需的知识、技术和资源，从而迅速开发出新产品，响应市场需求，赢得竞争。
4.自动化和虚拟化是先进制造技术研究的重点领域
所谓自动化是指机械装备在无人干预的情况下，按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。自动化技术的发展是一个与时俱进的过程，起初的自动化是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。20世纪40年代中期以来，随着电子和信息技术的发展，特别是计算机的广泛应用，自动化进一步拓展为采用机器代替人的体力劳动和代替或辅助人的脑力劳动，以自动地完成特定的作业。制造自动化技术研究已经突破了以往只是研究数控技术、过程控制、过程监控和计算机辅助技术等单元和专门技术的范围，目前关于制造系统中的集成技术和系统技术的研究正方兴未艾，逐渐成为制造自动化研究的重点领域。
随着计算机网络和虚拟现实等先进技术的出现，20世纪90年代产生了“虚拟制造”这一全新的制造概念及其理论，它已成为先进制造技术研究的重点领域。虚拟制造是使用计算机模型对制造过程的仿真，以辅助被制造产品的设计与生产，包括从产品设计开始就实时地、并行地对产品结构、工作性能、工艺流程、装备调试、作业计划、物流管理资源调配及成本核算等一切生产活动进行仿真，检查产品的可加工性和设计的合理性，预测其制造周期和使用性能，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产。虚拟制造可以缩短产品的研制周期，获得最佳的产品质量、最低的成本、最短的开发周期。虚拟制造已能对加工制造过程进行物理仿真，如切屑的形成，力、热和几何因素对制造误差的影响等仿真。虚拟制造技术的广泛应用从根本上改变了现行的设计、试制、修改设计和规模生产的传统制造模式。虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。
5.服务的理念将贯穿未来先进制造过程的始终
制造的终极目标是更好地为人服务。以人为本、加强服务是先进制造技术的根本目标，这就需要在制造过程中加强服务的理念。倡导“以人为本”，就是要充分调动人在构思与设计、创新与改进、制造与加工、检验与管理、使用与维护、营销与服务乃至在制造业产业链各个环节的主动性与创造性，大力开发人性化的制造技术。合理使用人性化的制造技术，正确地、全局地、长远地处理好其各有关方面的关系，使之真正服务于人类，谋求社会的可持续发展。深化教育改革是走向“以人为本”的先进制造技术的根本途径，教育理念和教学方法必须顺应世界先进制造技术发展趋势，并结合我国国情，培养造就出新一代高素质先进制造技术专业人才。