第一章緒論1.1先進制造技術及其主要特點1.2先進制造技術的構成及分類1.3先進制造技術的現狀及發展趨勢復習思考題1.1先進制造技術及其主要特點

1.1.1制造、制造技術、制造業與現代制造業背景制造(Manufacturing)是利用制造資源(設計方法、工藝、設備和人力等)將材料“轉變”為有用的物品的過程。制造是一個很大的概念，按制造的連續性可分為連續制造(如化工產品的制造)和離散制造(如家電產品的制造)；按行業又可分為機械制造、食品制造、化工制造、IT產品制造，等等。當今，人們對制造的概念又加以擴充，將體系管理和服務等也納入其中。制造是人類所有經濟活動的基石，是人類歷史發展和文明進步的動力。

制造技術(ManufacturingTechnology)是制造活動所涉及到的一系列技術的總稱，是提高產品競爭力的關鍵，也是制造業賴以生存和發展的主體技術。傳統的制造技術僅強調工藝方法和加工設備。現代的制造技術不僅重視工藝方法和設備，還注重設計方法、生產組織模式、制造與環境和諧統一、制造的可持續性以及制造技術與其它科學技術的交叉和融合，甚至還涉及制造技術與制造全球化、貿易自由化、軍備競爭等內容。

制造業是以制造技術為主導技術進行產品制造的企業群體的總稱，是工業的主體。根據我國現行統計劃分，工業由制造業、采掘業以及電力、燃氣和水的生產供應業構成，制造系指第二產業中除采掘業、電力和燃氣及其生產供應業、建筑業以外的所有行業，包括30個大類、169個中類、482個小類。

1.1.2先進制造技術的定義先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnology，AMT)是一個相對的、動態的概念，是為了適應時代要求，提高競爭能力，對制造技術不斷優化所形成的。雖然目前對先進制造技術仍沒有一個明確的、一致的定義，但經過對其內涵和特征的分析研究，可以將其定義為：“先進制造技術是制造業不斷吸收機械、電子、信息(計算機與通信、控制理論、人工智能等)、能源及現代系統管理等方面的成果，并將其綜合應用于產品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務乃至回收的全過程，以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活生產，提高對動態多變的產品市場的適應能力和競爭能力并取得理想經濟效果的制造技術總稱。”1.1.3先進制造技術的特點1.系統性

2.集成性

3.廣泛性

4.高精度

5.實現優質、高效、低耗、清潔、靈活的生產

1.2先進制造技術的構成及分類

1.2.1先進制造技術的構成先進制造技術在不同發展水平的國家和同一國家的不同發展階段，有著不同的技術內涵。對我國而言，它是一個多層次的技術群。先進制造技術的內涵、層次及其技術構成如圖1-1所示。圖中從內層到外層分別為基礎技術、新型單元技術和集成技術，下面將分別論述。

圖1-1先進制造技術的內涵、層次及其技術構成

1.基礎技術圖1-1的最內層是優質、高效、低耗、少或無污染(清潔)的基礎制造技術。鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、表面保護、機械加工等基礎工藝至今仍是生產中大量采用、經濟適用的技術，這些基礎工藝經過優化而形成的基礎制造技術是先進制造技術的核心及重要組成部分。這些基礎技術主要有精密下料、精密成型、精密加工、精密測量、毛坯強韌化、無氧化熱處理、氣體保護焊及埋弧焊、功能性防護涂層等。

2.新型單元技術中間層是新型的先進制造單元技術。它是在市場需求及新興產業的帶動下，將制造技術與電子、信息、新材料、新能源、環境科學、系統工程、現代管理等高新技術結合而形成的嶄新的制造技術，如制造業自動化單元技術、極限加工技術、質量與可靠性技術、系統管理技術、先進技術基礎方法、清潔生產技術、新材料成型與加工技術、激光等特種加工技術、工藝模擬及工藝設計優化技術等。

3.集成技術最外層是先進制造集成技術。它是應用信息、計算機和系統管理技術對上述兩個層次的技術局部或系統集成而形成的先進制造技術的高級階段，如FMS、CIMS、IMS等。國際上，美國聯邦科學、工程和技術協調委員會(FCCSET)下屬的工業和技術委員會先進制造技術工作組在1994年提出將先進制造技術分為三個技術群：①主體技術群；②支撐技術群；③制造技術環境。這三個技術群相互聯系、相互促進，組成一個完整的體系。表1-1給出了先進制造技術的體系結構。

表1-1先進制造技術體系結構

1.2.2先進制造技術的分類

1.現代設計技術現代設計技術是根據產品功能要求，應用現代技術和科學知識，制定方案并使方案付諸實施的技術。它是一門多學科、多專業相互交叉的綜合性很強的基礎技術。現代設計技術所包含的內容有：

(1)現代設計方法。現代設計方法包括產品動態分析和設計、摩擦學設計、防蝕設計、可靠性和可維護性及安全設計、優化設計及智能設計等。

(2)設計自動化技術。設計自動化技術指應用計算機技術進行產品造型和工藝設計、工程分析計算與模擬仿真、多變量動態優化，從而達到整體最優功能目標，實現設計自動化。

(3)工業設計技術。工業設計技術指開展機械產品色彩設計和中國民族特色與世界流派相結合的造型設計，增強產品的國際競爭力。

2.先進制造工藝現代制造工藝技術包括精密和超精密加工技術、精密成型技術以及特種加工技術等。

(1)精密和超精密加工技術。精密、超精密加工技術采用去除加工(精密切削、磨削、研磨等)、結合加工(離子鍍、晶體生長、激光焊接、快速成型等)、變形加工(精鍛、精鑄等)等加工方法，使工件的尺寸、表面性能達到極高的精度。現在的精密、超精密加工已經向納米技術發展。

(2)精密成型技術。精密成型技術是生產局部或全部、無余量或少余量半成品的工藝方法的統稱，包括精密凝聚成型技術、精密塑性加工技術、粉末材料構件精密成型技術、精密焊接技術及復合成型技術等。其目的在于使成型的制品達到或接近成品形狀的尺寸，并達到提高質量、縮短制造周期和降低成本的效果；其發展方向是精密化、高效化、強韌化和輕量化。

(3)特種加工技術。特種加工技術是指那些不屬于常規加工范疇的加工，如高能束流(電子束、離子束、激光束)加工、電加工(電解和電火花加工)、超聲波加工、高壓水加工以及多種能源的組合加工等。特種加工技術因其各自的獨特性能而在機械、電子、化工、輕工、航空、建筑、國防等行業以及材料、能源和信息等領域得到了廣泛的應用。

(4)表面改性、制膜和涂層技術。表面改性、制膜和涂層技術是采用物理、化學、金屬學、高分子化學、電學、光學和機械學等技術及其組合技術對產品表面進行改性、制膜和涂層，賦予產品耐磨、耐蝕、耐(隔)熱、抗疲勞、耐輻射以及光、熱、磁、電等特殊功能，從而提高產品質量、延長使用壽命和賦予新性能的新技術的統稱，是表面工程的重要組成部分。

3.自動化技術制造自動化是指用機電設備取代或放大人的體力，甚至取代和延伸人的部分智力，自動完成特定的作業，包括物料的存儲、運輸、加工、裝配和檢驗等各個生產環節的自動化。其目的在于減輕勞動強度，提高生產效率，減少在制品數量，節省能源消耗以及降低生產成本。自動化技術主要包括數控技術、工業機器人技術、柔性制造技術、計算機集成制造技術、傳感技術、自動檢測及信號識別技術和過程設備工況監測與控制技術等。

4.系統管理技術系統管理技術是指企業在市場開發、產品設計、生產制造、質量控制到銷售服務等一系列的生產經營活動中，為了使制造資源(材料、設備、能源、技術、信息以及人力)得到總體配置優化和充分利用，使企業的綜合效益(質量、成本、交貨期)得到提高而采取的各種計劃、組織、控制及協調的方法和技術的總稱。它是現代制造技術體系中的重要組成部分，對企業的最終效益提高起著重要的作用。系統管理技術包括工程管理、質量管理、管理信息系統等，以及現代制造模式(如精益生產、CIMS、敏捷制造、智能制造等)、集成化的管理技術、企業組織結構與虛擬公司等生產組織方法。

1.3先進制造技術的現狀及發展趨勢

1.3.1世界制造業現狀

1.美國制造業的競爭策略制造業是美國經濟的主要支柱，美國財富的68%來源于制造業。1991年9月，在由美國總統辦公廳指定的國家關鍵技術委員會向總統提出的雙年度報告中，認定制造領域的國家關鍵技術包括：(1)柔性計算機集成制造；(2)智能加工設備；(3)微米級和毫微米級制造；(4)系統管理技術。

1992年國家關鍵技術委員會又提出將先進制造技術作為國家關鍵技術。近幾年來，美國政府所采取的主要措施有：

(1)1994年從財政年度預算中撥款14億美元支持先進制造技術研究開發；

(2)先進技術計劃(ATP)1992年已有60個項目獲得資助；

(3)實施小企業革新研究計劃(SBTR)；

(4)實施工程研究中心建設計劃(ERC)；

(5)實施戰略制造計劃(STRATMAN)；

(6)實施有益于環境的制造計劃；

(7)實施制造科學與技術計劃；

(8)建立航空航天、電子、機床等領域的敏捷制造研究中心；

(9)在一些大學設置制造工程系、專業、研究中心或實驗室；

(10)在美國科學基金會中，制造工程與科學在工程領域列為獨立學科，以強化對其的支持。

分析美國在先進制造技術基礎領域的研究現狀，其發展趨勢大致如下：

(1)面對大制造業，用戶需求啟動研究。

(2)在制造業和制造技術較為發達的基礎上，注重制造模式的研究。

(3)CAD普及率達60%以上。

(4)在傳統冷、熱成型工藝基礎上，發展精度較高的成型工藝技術。

(5)發展特種與復合加工工藝，如高能束加工工藝等。

(6)利用應用軟件、傳感器和控制系統建造新一代智能化機床和智能化加工單元，通過建模、仿真來優化車、鉆、銑、磨、模和注塑成型工藝過程。

(7)生產準備工作柔性化和柔性工裝卡具，近幾年成為制造領域的研究熱點。

(8)發展少或無污染和可拆卸回收的產品及其制造技術。

(9)不少大學工學院多年來設置有技術與管理相結合的工業工程科系。近些年，在大學工學院設置制造工程學科、中心、實驗室的數目不斷增加。

(10)國家科學基金資助指南中，制造工程與科學在工程領域列為獨立學科，與機械和結構學科分立，強化對制造技術基礎與應用基礎研究的支持。

2.日本制造業的發展對策美國曾以福特方法贏得全世界制造技術的優勢。而日本人卻在福特方法的基礎上，不斷更新技術以適應市場需求。在20世紀70年代，日本汽車大舉進入美國市場，以其價廉質優和多品種將美國三大汽車公司推向倒閉的邊緣。在1990年，僅日本FANUC公司生產的數控系統裝置數量就占世界市場的一半。

總體來講，IMS的研究包括三個方面：

(1)將目前各國、各企業掌握的制造技術系統化，包括產品設計技術和產品加工、裝配技術等。

(2)將現有技術及將要開發的技術標準化，包括制造數據的壓縮、傳遞與儲存的標準化以及物流管理技術的標準化。

(3)面向21世紀的先進制造系統的研究開發，包括系統管理技術，設計、加工和裝配技術以及制造系統體系結構。

3.前歐共體ESPRIT計劃和BRITE-EURAM計劃前歐共體支持先進制造技術開發的主要有關計劃是ESPRIT計劃和BRITE-EURAM計劃。ESPRIT計劃主要資助微電子、軟件工程和信息處理系統、計算機集成制造等方面的研究。BRITE-EURAM計劃主要資助材料、制造加工和設計以及復雜工廠系統等方面的研究。上述前歐共體的這種大型國家級研究項目參加者除大企業外還有小企業和大學，參加單位多，研究工作顯得分散。

4.韓國G7計劃韓國于1991年提出實施“高級先進技術國家計劃”，即G7計劃。G7計劃中的“先進制造系統”項目是一個將市場需求、設計、制造和分銷集成在一起的系統，旨在改進產品質量，提高生產率，增加國際競爭力，使韓國制造技術達到世界先進水平。該項目由韓國國家機構科技部負責，總投資額為5.95億美元，其中政府資助2.77億美元。

上述“先進制造系統”項目的內涵為

(1)共性基礎技術：開放式集成系統(包括設計自動化、并行工程等）；標準和性能評估。

(2)下一代加工系統：加工設備開發(包括5軸加工中心、超精非球面加工中心等）；機械技術(包括高性能主軸、高精度加工和測量等)；運營技術；集成技術。

(3)電子產品的裝配和檢驗系統：下一代印刷線路裝配和檢驗系統；用于裝配和制造系統的高性能機械機構；先進裝配用基礎技術(包括精密裝配、無焊料結合等）。

1.3.2先進制造技術在我國的發展

1.我國制造業相對優勢與先進制造技術的發展

(1)我國制造技術經建國以來50余年的發展已形成較完整的技術體系，為國民經濟發展所需各類機械產品的制造提供基本的工藝技術，已能生產機床、汽車、輪船、飛機、大型發電機組等工業裝備及民用消費類制造產品。

(2)通過對引進技術的消化吸收和對企業現有技術的深化改造，不少企業已經掌握了一批相對先進的制造技術和管理方法，不少產品已成功地打入國際市場。

(3)在制造技術基礎研究的許多方面我國已具有很高水平，制造學科已發展成為一個重要的支柱學科。近百所高等工科院校設有機械制造、機電一體化等相關專業；國家有關部委也設有制造工藝與技術研究所；20世紀80年代中期，國家設立了國家自然科學基金委員會，建立了機械強度與振動、摩擦學、流體傳動與控制、激光、模具、焊接、測試與精密儀器、精密成型、汽車、超精密加工等國家重點實驗室或工程中心。

(4)在“九五”計劃的實施中，國家科學技術部的“國家科技攻關計劃”、“國家高新技術研究發展計劃”、“國家基礎研究重大項目計劃(攀登計劃預選項目)”都列入有關項目并付諸實施，其中“精密成型與加工研究開發和應用示范”、“金屬材料熱成型過程動態模擬及組織性能質量優化控制”、“CIMS”

以及“智能機器人”等項目已全面實施。

(5)國家計委也十分重視先進制造技術的發展，在“九五”期間實施了一批發展先進制造技術的項目，如數控系統及裝備研究、自動測試系統及設備技術研究、現場總線研究、智能化儀表研究、傳感器技術研究、30萬輛轎車規模生產關鍵技術及裝備研究等。

(6)先進制造技術應用情況。①1993年國家科委組織實施“CAD應用工程”，原機械部又將1997年定為CAD推廣年，現在機械工業系統的骨干企業中CAD應用的普及率達到35％，但絕大多數只是“甩圖板”。②

1958年開始研制數控機床，到20世紀80年代通過引進、消化、吸收國外成熟技術開發出具有自主知識產權的數控系統；到80年代中期，已開始引進和自行研制柔性制造系統，數控機床的生產也實現了產業化。但在金屬切削機床總產量中，數控化率只有5%左右。

③

我國在20世紀70年代中期研制成功了直接數控(群控)系統并應用于生產，現在已擁有柔性制造系統和柔性制造單元等自動化制造系統。北京第一機床廠的CIMS工程于1994年初步建成，并于1995年獲得美國制造工程師學會和計算機與自動化系統專業學會(CASA/SME)的CIMS應用工業的稱號。在此之前，1994年清華大學獲得CASA/SME的CIMS大學領先獎。

④

我國在20世紀80年代末就注意引進先進管理模式。沈陽鼓風機廠很早就采用了國際商用機器公司(IBM)的“面向通信的生產信息和控制系統”(CommunicationOrientedProductionInformationandControlSystem，COPICS)，第一汽車集團公司在生產管理中引進了日本的“準時生產”(JIT)模式。據有關資料報導，我國企業已先后投入大約80億元購買了MRPⅡ軟件來建立現代生產管理系統或MIS系統。

2.我國機械制造業的差距與發展目標我國機械制造業的差距(1)產品品種少、檔次低。(2)制造工藝落后，裝備陳舊。

(3)生產專業化水平低。

(4)