机电一体化技术与先进制造业发展趋势

机电一体化技术是工业三要素，即物质、能量、信息的高度融合，它代表了现代工业的发展水平和方向。机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势，而制造产业是整个科学技术和国家经济发展的基础工业，因而机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中起着举足轻重的作用，受到各工业国家的极大重视。

（1）国外的发展现状

日本“科技振兴政策大纲”将智能传感器，计算机芯片制造技术，具有视频、触觉和人机对话能力的人工智能工业机器人，柔性制造系统等，列为高技术领域的重大研究课题。

西欧高技术发展规划“尤里卡”计划，提出将五大关键技术领域、24个重点攻关项目作为欧洲高技术发展战略目标，其中包括研制可自由行动、决策并易于人机对话的欧洲第三代安全民用机器人，广泛合作研究计算机辅助设计、制造、生产、管理的柔性系统，实现工厂全面自动化等机电一体化研究方向。

1991年3月，美国国家关键技术委员会在向总统提交的首份双年度报告“国家关键技术”中，列举了22项对于美国国家经济繁荣和国防安全至为关键的技术，并对各项入选技术的内容范围，选择依据和国际发展趋势进行了评述，着重强调了技术的有效利用。其中包括机器人、传感器、控制技术和CIMS及与CIMS相关的其他工具和技术，如仿真系统、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、成组技术（GT）、计算机辅助工艺规程编制（CAPP）、工厂调度工具等。报告指出：在制造业方面，目前的发展趋势是加速产品推广，缩短产品生产周期，增加柔性以及实现设计—生产—质量控制一体化技术，那些未朝这一方向努力的公司将变得越加缺乏竞争力。要实现合理的生产经营活动，制造厂家必须在整个生产经营中实施先进的制造技术及管理策略。

鉴于资金、技术密集型的高技术在发展初期投资大、回收少的特点，多数国家政府给予资金支持和必要的政策优惠。

如前西德1984～1988年的五年计划确定，提供5.3亿马克用于资助计算机辅助设计和制造的应用，扩大工业机器人、软件操作系统和外围设备的工业基础等先进生产技术的应用。

日本政府早在1971年制定的《特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法》中，已把数控机床作为重点扶植对象。1978年颁布的《特定的机械信息产业振兴临时措施法》又提出促进高精度、高性能机器人的工业化和实用化，开展特殊环境作业用的机器人研究。为此，日本政府于1978～1984年间拨款90亿日元开发数控技术；1983年组织了机器人、计算机、机械等行业10家制造厂参加极限作业环境机器人的开发研制，总投资300亿日元，其中1/2由政府资助。号称“数控王国”的日本，2000年金属切削机床的产值数控化率为88.5%，产量数控化率为59.4%。

美国1983年制定的“星球大战（SDI）”计划投资1000亿美元以发展高技术，其中也包括发展空间机器人、核能机器人、军事机器人及工业机器人等相关技术。美国国家科学基金会（NST）每年投资100万美元，国家标准局（NBS）每年投资150万美元用于发展相关技术。1985～1995年间，美国用于研制军用机器人和智能机器人的经费从1.86亿美元增至9.75亿美元。国家规划和支持对美国机器人技术的发展起了很大的推动作用。

近年来，随着人工智能技术、数字化制造技术与移动互联网之间创新融合的步伐不断加快，发达国家纷纷做出战略部署，抢占机器人产业制高点。

美国2011年开始推行的“先进制造业伙伴计划”中明确要求，通过发展工业机器人重振美国制造业，并凭借信息网络技术的优势，投资28亿美元开发基于移动互联技术的新一代智能机器人。日本制定了机器人技术长期发展战略，将机器人产业作为“新产业发展战略”中7个重点扶持的产业之一，仅在类人机器人领域，就计划10年共投资3.5亿美元。韩国制定了“智能机器人基本计划”，2012年10月发布了“机器人未来战略展望2022”，将政策焦点放在了扩大韩国机器人产业并支持国内机器人企业进军海外市场等方面。2014年自动化与机电一体化国际贸易博览会在德国慕尼黑举行。欧盟委员会副主席、数字与电信政策专员內莉·克勒斯在博览会开幕式上宣布，将启动“火花”计划，计划投入28亿欧元用于研发民用机器人，这是目前全球最大的民用机器人研发计划。

总体来说，机电一体化的产品在制造领域中分布广泛，在工业发达的国家，机床的数控化程度十分惊人。工业机器人也越来越向着智能化和智能系统的方向发展，其数量的增速也是惊人的。计算机集成制造系统在全球制造业范围内也表现出它的优势，它是全局动态实现的最优综合，是未来制造业发展的趋势。自激光技术进入机电一体化体系以来，大大促进了机械、电子和激光技术的结合，更加促进了信息业和制造业的巧妙结合。此外微电子技术的日益精密化和设备的迅猛发展，使得电子产业发展向微机械的过程加速发展。(www.xing528.com)

（2）国内发展现状

我国是发展中国家，与发达国家相比工业技术水平存在一定差距，但有广阔的机电一体化应用开拓空间和技术产品潜在市场。改革开放以来，面对国际市场激烈竞争的形势，国家和企业充分认识到机电一体化技术对我国经济发展具有战略意义，因此十分重视机电一体化技术的研究、应用和产业化。我国“高技术研究发展计划纲要（863计划）”，项目主旨思想由陈芳允、王大珩、王淦昌、杨嘉墀四位中科院院士最早提出，即将自动化技术，重点是CIMS（computer integrated manufacturing system）和智能机器人等机电一体化前沿技术确定为国家高技术重点研究发展领域。经过多年的发展，我国在利用机电一体化技术开发新产品和改造传统产业结构及装备方面都有明显进展，取得了较大的社会和经济效益。

数控机床方面，经过“六五”“七五”“八五”和“九五”计划这20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了多处数控开发和生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“八五”计划攻关开发的华中1号、中华1号、航天1号和蓝天1号4种基本系统建立了具有中国自主版权的数控技术平台。1990年，我国数控金属切削机床产量仅2634台，而到2001年产量和消费量已分别上升至17521台和28535台，在1990～2001年的11年中，数控金属切削机床产量和消费量的年均增幅分别达到18.8%和25.3%。现在我国数控技术行业已经具有年生产数控系统3000多套，主轴与进给装置5000多套的能力，成为促进国民经济增长的重要产品。掌握关键数控技术并形成自我开发和生产能力，对于发展民用工业和国防工业都有不可替代的作用，同时增强了我国的综合国力。

目前，中国是世界上最大的数控机床进口国和消费国，2010年，中国机床消费同比增长43%，达到284.8亿美元，其中进口约为94亿美元，成为世界第一大机床消费国。

面对巨大的消费市场，尽管“十一五”期间我国机床行业实现了较快发展，但高档数控机床产值仅约占金属加工机床行业产值的10%～15%，多数高档数控机床产品仍需大量从国外进口，以数控系统来说，我们的数控系统80%以上是进口的。我国机床行业仍面临着：中高档数控机床产业化程度不高、市场竞争力不强；高档机床生产和制造能力偏弱，数控系统和功能部件发展速度较慢；产业结构仍然有待优化等亟待解决的问题。

2010年10月，国务院审议并通过的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》也明确指出要积极发展以数字化、柔性化及系统集成技术为核心的智能制造装备，其中高档数控机床成为了发展的重中之重。整个“十二五”期间，高端装备制造业的发展将在很大程度上推动机床行业快速增长。根据“高档数控机床与基础制造装备的”专项规划，到2020年，航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备的80%左右将立足国内；除了已经启动的重大专项对高档数控机床生产提出明确目标以外，高档数控机床也被纳入高端装备制造业“十二五”规划的重点工程范围内，未来我国机床行业的发展空间十分广阔。

汽车方面，1988年我国每辆汽车的电子产品费用为300元人民币，平均占整车成本的1.5%，而且能改善汽车性能的电子产品极少。我国在20世纪90年代已形成很大的汽车电子化产品市场，如1995年高能触点点火装置的需求量为50万部，电压调节器需150万部，微机控制点火装置需10万部，汽车专用集成电路需3000万块，汽车用各种传感器需200万只。市场化的经济体制带来了高效的资源配置，我国汽车电子产业在这10年间有了飞速的发展。在汽车产业高速发展的直接推动下，2012年我国汽车电子市场规模已逾2500亿元，连续7年增长率超过30%。其原因除市场需求迅猛发展外，还有国家政策带动、国际产业转移和地区竞争的促进。但由于基础研发工作薄弱，掌握的自主知识产权匮乏，产品在技术上还依附于国外，核心技术仍受制于人，我国至今没有世界知名的汽车电子产品品牌和供应商。

机器人方面，经过不断的努力，我国已经掌握有关机器人操作的设计制造技术、控制技术和软件编程等关键技术，已研制成功了用于喷漆、焊接、搬运以及能前后行走的、能爬墙、能上下台阶、能在水下作业的多种类型机器人，并广泛应用于工业、水下作业、危险作业和国防中去。特别值得一提的是，目前我国许多高校都在研究各种各样的机器人。比如，国防科技大学研发出了类人机器人、北京航空航天大学和海军总医院联合研发了医用机器人、哈尔滨工业大学研发出了足球机器人、哈尔滨工程大学研发出了水下机器人并在抚仙湖水下遗址探测上取得了成功应用等。

在2014年中国国际机器人展览会的同期论坛——中国国际机器人产业发展高峰论坛上，中国机器人产业联盟称，2013年，我国工业机器人销售量达到了36560台，同比增长60%，已经超过日本成为全球第一机器人大国。但从目前中国市场的销售情况来看，跨国公司的品牌尚占有绝对优势。中国机器人产业联盟数据表示，2013年外资品牌的机器人销售量为2.7万台，占总销售量的74%。号称国际机器人“四大家族”的发那科、ABB、库卡、安川，这四大集团已全部进驻中国，在中国市场覆盖率很高。虽然机器人总数很多，但我国机器人数量使用密度较发达国家而言依旧很低，在每千人机器人拥有量这个指标来看，我国仅有23台/千人，不到日本的十分之一，与世界平均水平也有较大差距。

在计算机集成制造系统方面，我国已取得了巨大的进步，已经掌握了一些关键技术，目前我国已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心（ERC），在一些著名大学和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心，在国家立项实施CIMS的企业已达70余家。1994年清华大学荣获美国制造工程师协会（SME）颁发的CIMS研究“大学领先奖”。1995年北京第一机床厂荣获SME颁发的“工业领先奖”。上述成果的取得使我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了一定的经验，它必将推动机电一体化技术向更高更深的层次发展。但是，我们在看到上述成就的同时还应看到关于计算机集成制造系统的核心技术我们还没有取得突破，许多产品还需要国外的技术支持才能正常生产。