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　　東南大學 孫慶鴻

　　【摘　要】　敘述了機械制造業在國民經濟中的支柱作用、敏捷制造、制造柔性、虛擬制造技術、軟件技術、管理、人因工程和我國機械制造工業的發展。

　　【關鍵詞】　敏捷制造　虛擬制造　人因工程

　　0　引　言

　　機械制造業是國民經濟的基礎產業，它的發展直接影響到國民經濟各部門的發展，也影響到國計民生和國防力量的加強，因此，各國都把機械制造業的發展放在首要位置。隨著機械產品國際市場競爭的日益加劇，各大公司都把高新技術注入機械產品的開發中，作為競爭取勝的重要手段。本文就目前機械制造業高新技術的發展與應用作一綜述，以引起各方面的關注。

　　1　機械制造業是國民經濟發展的支柱產業

　　國民經濟中的任何行業的發展，必須依靠機械制造業的支持并提供裝備;在國民經濟生產力構成中，制造技術的作用占60%以上。美國認為社會財富的來源機械制造業占68%;當今制造科學、信息科學、材料科學、生物科學等四大支柱科學相互依存，但后三種科學必須依靠制造科學才能形成產業和創造社會物質財富。而制造科學的發展也必須依靠信息、材料和生物科學的發展，機械制造業是任何其他高新技術實現工業價值的最佳集合點。例如，快速原型成型機、虛擬軸機床、智能結構與系統等，已經遠遠超出了純機械的范疇，而是集機械、電子、控制、計算機、材料等眾多技術于一體的現代機械設備，并且體現了人文科學和個性化發展的內涵。

　　從美國來看，自二次世界大戰以來，美國對機械制造業的發展十分重視。從50年代以來，在美國大學中設置工業工程專業，培養機械制造系統人才，著眼于世界市場競爭，企圖霸占國際制造業市場。50年代初，當第一臺數控機床在美國麻省理工學院誕生以后，美國在機械制造業中采取的主導政策是走數控和計算機群控，實現機械制造業中占主導地位的中小批量生產自動化的道路，以提高生產效率。但實踐證明這一策略未能秦效，在機械制造業的國際競爭中，德國和日本是勝利者。70年代轉向吸取德、日經驗，使中、小批量生產通過成組技術(GT)實現生產系統柔性化和自動化。1979年美國國會通過議案撥款發展柔性化制造系統，并于80年代末完成了高度柔性化的全自動化小型工廠(small work)標準化工作，并向中小型企業推廣。但由于忽略了市場的多變性和人因的作用，在與德、日的競爭中未能占上風，而使機械制造業每況愈下，一度認為機械制造業已成“夕陽工業”。通過10年論證，從概念上實現了從柔性制造到敏捷制造的轉化，把宏觀的國際市場需求與具體的公司生產密切結合，充分發揮人的因素，形成對市場的快速反映，提出了敏捷制造的新概念。

　　2　敏捷制造(Agile Manufacturing)——21世紀機械制造業的發展趨勢

　　機械制造業在國際市場的激烈競爭中，美國屢屢受挫。70年代后，機械制造業被看成是“夕陽工業”。產業衰退，巨額貿易赤字，經濟空前滑坡，有關工業競爭“關鍵問題”討論將近10年。1986年在美國科學技術基金會(NSF)支持下，麻省理工學院(MIT)深入研究衰退原因和振興對策，認為產品在上市的時間(T)、質量(Q)、成本?和服務(S)等產品競爭四大關鍵因素中，質量已不再是市場競爭的最大優勢。創新周期縮短和全球化市場的形成，企業面臨著不可預測和不斷變化的市場，只有快速響應市場需求，提供滿足用戶個性需求的產品，才能在競爭中取勝。1988年美國通用汽車公司(GM)與李海大學(Lehigh University)工業工程系共同提出一種新的制造企業戰略——敏捷制造(Agile Manufacturing)，并成立了國家制造科學中心(NCMS)和制造信息資源中心(MIRC)，得到國家自然科學基金會、國防部、商業部和眾多公司支持，經國會聽證后向聯邦政府提出建議。現在由政府部門主持、企業與大學共同參與研究、開發和應用，稱為21世紀制造企業的戰略。

　　2.1　敏捷制造的思路

　　敏捷性體現在：持續變化性(產品、技術、管理模式)、快速反應性(以適應市場的變化)、質量高標準、低費用;

　　實現敏捷制造條件：設備高度柔性，可編程性和模式化;信息系統標準化和可維護性;人的因素和管理機構;

　　實施方式：虛擬公司、競爭—合作，用戶參與設計與制造，兼顧經濟效益和社會效益，增加信息服務和系統管理功能。

　　2.2　敏捷制造特色

　　革新制造企業的組織機構、管理策略與制度，建立社會化的虛擬公司;

　　提高從產品設計、制造、銷售全過程的整體柔性;

　　在政府部門協調下，企業、高校和科研機構結合;

　　用戶參與設計與制造;

　　發揮人因(知識、技藝和創造性)和信息的作用;

　　但歸納起來，敏捷制造的主要特色是制造柔性和成員間的合作。

　　2.3　敏捷制造在美國初見成效

　　美國Ingersoll-R公司空氣壓縮機敏捷制造工程，原新品設計需時8～12個月，樣機制造和評定12～18個月，耗資50萬美元。現只需原來1/3～1/2時間，花費12.5～25萬美元;

　　美國計算機廠商康柏公司，1996年啟動虛擬生產計劃，與臺商合作在深圳設廠，面向大陸，產品質量、技術、開發、運送、存貨都符合康柏全球統一標準。員工技術水平和工作態度也達到要求，這樣的虛擬公司組合使計算機平均價格下降57美元，市場競爭取得了巨大成功。現美蘋果機、IBM、臺宏基、神達亦已運用此種模式組織生產。

　　2.4　過程工業的敏捷制造策略

　　指定統一質量標準，如ISO-9000，經濟效益與環境污染控制。

　　3　制造柔性性

　　柔性制造是相對于原有的硬件式剛性制造系統而言的，制造系統柔性化是適應多變市場需求的必要條件。

　　3.1　剛性制造

　　最早的機械自動化出現在美國通用汽車公司，稱為Detroit-Type自動化，它的出現從根本上改變了手工工場式的制造，但它適應不了需求多變和多品種小批量生產的要求。這種硬件式的制造系統稱為剛性制造。

　　3.2　柔性制造系統(FMS)

　　60年代英國Molins公司建成計算機控制的自動化加工系統，它標志著硬、軟件結合，有高度應變能力的一種新型制造系統，與Detroit-Type相對，稱為柔性制造系統(FMS)，并提出制造柔性這一概念。從70年代普及數控技術和全自動化技術至80年代，CAD、CAE、CAP、CAM、CAD/CAE、CAD/CAM、MRP、工藝數據庫、物料傳輸等單項技術已經日臻完善;90年代的知識工程和AI應用、優質低成本制造、并行工程等均以柔性為其主要研究內容。

　　3.3　制造柔性定義

　　制造柔性定義為：制造系統對外部因素變化的順應(響應)能力和對系統內部因素變化(干擾、漲落或故障)的適應能力。

　　敏捷制造要求制造柔性必須成為大系統的一部分，它包括：人員、設備儀器和軟件三方面的柔性，這樣才能保證敏捷制造系統的快捷響應能力。實現柔性制造說是容易做時難。目前統計表明90%以上的制造系統只能加工1類零件，65%的系統只能加工2～10個品種規格的零件。要生產滿足柔性性，則就要大大增加系統的復雜性，這是個十分復雜的問題。

　　4　虛擬制造技術

　　虛擬制造技術是一種新的人機界面形式，它是利用計算機技術、強大的軟硬件功能和其它交互設備，在計算機工作平臺上，產生一個虛擬環境。應用人類的知識、技術與感知能力，與虛擬世界中的對象進行交互作用，對所要進行的產品設計和生產制造活動進行全面的建模和仿真(包括：產品設計、加工裝配、物流、生產計劃、組織管理等)。在產品未生產出來前就實際地模擬出產品的設計開發和制造全過程，并對產品性能進行全面模擬試驗，預測產品的設計和制造合理性、產品性能和制造周期等，以達到最佳化。使產品的開發生產周期最短、成本最低、質量最佳。

　　現在虛擬技術的范圍已經從新產品開發設計、制造擴展到虛擬公司組合、市場開拓和營銷活動、產品技術經濟評價等。而所有這一切均在計算機平臺上完成。

　　由于虛擬制造技術在面對激烈市場競爭中顯示出了巨大的技術優勢。因此，目前已為各先進工業國家和公司所極度重視。我國在機械工業部門主持下，已于1998年9月在北京召開了第一次“虛擬制造技術研討會”，以推進虛擬制造技術在我國的研究和應用。

　　5　軟件技術

　　計算機技術應包括：計算機硬件和軟件兩大部分。其中軟件技術又是充分發揮計算機功能的必要基礎條件。可以說只有通過計算機技術(硬件和軟件)的應用，一切先進技術才能發揮作用。現在軟件功能已經十分強大，幾乎在涉及工程的一切領域中都可找到優秀的軟件作為技術支持。對某種技術來說，在一定程度上也可說軟件功能就決定了它的技術水平。

　　6　管理技術

　　管理是隨著資本主義的商品生產發展起來的，至今已進入了一個全新時代，它的歷程可歸納如下。

　　6.1　傳統管理

　　從18世紀后期至20世紀初，在手工業工場中憑管理者經驗辦事，管理者就是資本所有者，工人憑經驗干活，師傅帶徒弟。

　　6.2　科學管理

　　20世紀初至40年代，這時由自由資本主義向壟斷資本主義過渡 ，資本所有者與管理者分離，并從經驗管理中總結，使之系統化、科學化、理論化，進而指導管理實踐，形成科學管理理論。代表人物有泰勒(美)、法約爾(法)、梅奧(美)等。

　　泰勒主張科學制定工時定額，作業環境標準化、計件工資、編制工藝規程、管理人員職能制等。

　　法約爾提出了管理的5種職能：計劃、組織、指揮、協調、控制等。14條管理原則：分工、權力和責任統一、紀律、命令的統一性、指揮的統一性、個人利益服從整體利益、報酬、集權、等級系列、秩序、公平、保持人員穩定、首創精神、集體精神等。

　　梅奧的“行為科學”理論，研究工人在生產中的行為和產生行為的原因。內容包括：人的本性和需要、行為的動機、生產中的人際關系等。他在哲學、醫學和心理學方面研究認為：工人是“社會人”，不同意泰勒認為工人是“經濟人”的看法;科學管理只注重“正式組織”，而在企業中還存在著“非正式組織”;提出促進生產率的第一因素是士氣和干勁，而工作條件和工資報酬是第二因素。

　　總之，泰勒等人研究管理的重點放在工作方法和工作條件上，以此來實現管理科學化。而梅奧等人則是以人為中心來研究管理問題。

　　6.3　現代管理

　　二次世界大戰至今，資本主義企業管理進入現代管理階段。科學技術迅速發展，大型復雜重大工程出現，跨國公司出現，環境和市場多變，市場競爭加劇反映了現時代的特點。為適應社會發展，在管理理論上發展為兩派：一是以泰勒為代表的科學管理理論和法約爾為代表的組織管理理論的延伸、演變，吸取了自然科學、技術科學的新成就，如：系統工程、計算機等;另一是以梅奧為代表的行為科學派。兩派結合形成了現代管理，也就是科學管理和人際關系相結合的管理。但敏捷制造的出現又把過去僅局限于企業內部的管理擴展到了整個社會和市場。

　　7　人因工程(Human Factor)

　　在現代管理中，已把人的因素在生產和科技進步中的作用放到了中心位置上，這一轉變是有一過程的。起初的考慮只在體能上，以研究如何最大限度的發揮人在生產過程中體能的潛力，從而逐步發展到人的主觀能動性的發揮，以實現面向市場的快速響應。

　　8　我國機械制造業的現狀所面臨的嚴峻現實

　　目前機械制造業進入了建國以來最困難的時期，這已為各個方面所關注。例如，機床工具行業，已經連續幾年負增長。機械工業部在“機械工業振興綱要”中指出我國制造業存在的五大問題：質量不穩定、產品水平低、達世界先進水平的產品僅占5%;生產集中度低、分散重復嚴重;科技基礎薄弱，自主開發能力差;設備陳舊，工藝落后;管理薄弱，沒有現代管理概念。

　　由于長期在計劃體制下運行，企業缺乏競爭力，資金短缺，對市場的應變能力差，再加上進口的沖擊，已使不少機械制造企業處于困境。如何振興、擺脫困境，可以先借鑒一下先進國家和地區的做法。

　　(1)美國認為社會財富68%來源于制造業，所以始終把目標放在要使制造工程研究和制造產業保持世界一流水平上。主要措施：

　　鼓勵和支持大學和科研單位的研究成果向工業轉化，建立“國家制造工程中心(ERC)”、“工業大學合作研究中心(IUCRC)”、“制造技術中心(MTC)”等。通過IVCRC推進工業界與大學之間的合作交流，促進科技成果轉化。

　　制定面向中小企業的綜合自動化計劃，通過MTC推廣這一計劃，并對其進行診斷、評估、培訓，提高雇員素質，更新觀念，切實提高占全美企業總數85%的中小企業的市場競爭能力。

　　(2)日本在近10年來已成為世界制造業界的領袖，就機床制造來說，在國際上已是三分天下有其一，占30%。自1982年以來保持世界頭號機床生產大國的地位。主要措施：

　　特別重視數控機床和數控技術的推廣，數控機床占機床總產量70%以上，這對提高日本工業生產率和國際競爭能力作出了重大貢獻。

　　政府和工業界不斷主動采用新技術以維持其在制造業的領先地位，如提出“精簡、消腫”和面向市場的“敏捷制造”新概念(精簡化生產)，以用戶為“上帝”，以“人”為中心，以精簡為手段，以“零缺陷”為最終目標，實現所謂“精良生產”。這種不斷改進產品生產模式的思路是增加企業新功能和提高產品性能的一種策略。

　　高質量批量生產。

　　(3)德國制造業的特長是革新與高質量、高價格，面向對象特殊需求，最短時間內供貨。產品競爭主要通過技術領先來實現，而不是降低成本。技術優勢通過企業的良好組織結構帶動實現利潤目標。企業技術改造反映在：物流和加工過程自動化、信息流集成化、能源合理利用、企業結構適應多變市場、人的積極性與技術進步。

　　(4)臺灣采用的是一般性能與低價格。1967年機床首次外銷，利用臺灣廉價勞動力，配合先進國家的資本、技術、進口零部件、半成品進行簡單加工組裝，打外國廠牌。通過外商銷往美國等工業發達國家，賺取一點工資差額與外匯。80年代開始國際化，由于大陸開放，廉價勞動力由大陸代替，臺灣開始著眼于高新技術產業，正式起步數控機床，經過10年發展現有機床生產企業1150家，近90%是30人以下的小廠。1996年機床產值達18億美元，出口392億新臺幣，外銷占67%。1997年受東南亞金融危機影響，機床生產下降4%，為375億新臺幣。

　　從以上國家和臺灣地區的成功經驗可知，其制造業的發展都結合自身的特點，形成特色而求得生存。而我們只要看準方向，從政府到企業制定切實可行的戰略策略，切切實實從各方面加以扶持和落實。而最關鍵的一條是各級組織機構的改革，使之能協調發揮、調動各方面的優勢和積極性，適應當今市場的形勢。

　　9　結束語

　　本文內容僅涉及了機械制造業中部分高新技術的發展情況，如何將高新技術注入我國的機械制造業中，以產生良好的社會經濟效益，觀念的改變和體制改革是關鍵，而應用高新技術改造和開發具有市場競爭能力的新產品，這又是當前改變我國機械制造業面貌的頭等大事，離開了新品開發，則其它的一切努力將成為無水之源和無本之木。克服保守和墨守成規，在政府有關部門主持下，走產學研相結合的道路，這將會使機械制造業走向健康和發展。

　　作者簡介：孫慶鴻　男，1938年2月生，東南大學“機械制造及其自動化”博士點學科帶頭人，教授、博士生導師，研究領域為基于可視化虛擬設計CAD/CAE技術與信息集成、機械動態分析與控制、智能結構與技術。