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先进制造技术（第二版）扬州大学王隆太第1章制造业与先进制造技术重点提示：–论述制造业地位和作用；–讨论制造业发展现状和面临挑战；–分析先进制造技术提出背景；–阐述先进制造技术内涵、特征及其体系结构；–介绍先进制造技术发展及工业国家发展对策。1.1.1制造与制造业1.1.2制造业地位和作用1.1.3制造业的进步与发展1.1.4我国机械制造业的发展与面临的挑战1.1制造业的发展与挑战包括市场分析、产品设计、加工装配、质量保证、生产管理、市场营销等产品生产制造的全过程原材料产品工艺技能知识能源工具与物流有关的产品加工和装配过程制造广义制造狭义制造1、制造与制造业具有特定功能的有机整体制造过程软件硬件人员制造系统经营规划、开发研制、加工制造和控制管理等过程制造过程厂房、生产设备、工具和材料、能源以及各种辅助装置制造理论、制造工艺和方法、各种制造信息等硬件软件可供人们使用和消费的产品行业，是所有与制造有关的企业群体制造业我国制造业分类和构成我国制造业（30行业）农副食品加工业家具制造业石油化工业医药制造业金属制品业通用设备制造业交通运输设备制造业仪器仪表………….等机械制造业（13大类）农业机械内燃机工程机械仪器仪表文化办公设备石油化工通用机械重型矿山机械机床工具电工电器机械基础件食品包装机械汽车其他民用机械注：根据GB/T4754-2011标准分类国民经济三大产业制造业、建筑业、采掘业以及电力、煤气、水的生产供应业工业农业、林业、蓄禽业、水产业农林牧业商业、金融、房地产、经贸等服务业我国国民经济三大产业比例：1978年28.7:47.9:23.91990年27.1:41.3:31.62000年15.1:45.9:392012年10.1:45.3:44.6我国制造业占工业产值86.9%，占整个国家GDP的34.6%。2、制造业地位和作用一个国家经济发展的支柱国民经济收入的重要来源工业经济年代经济增长的“发动机”一个国家经济强大、经济腾飞的重要基础制造业地位1）制造业地位2）制造业作用•提供人们衣、食、住、行物质消费•决定全社会的长远效益和经济的持续增长•国际商品贸易的保证(美国78%,日本96%,我国81%-95)•农业基础地位的物质保障，服务业发展的重要条件•信息产业发展的物质基础•农业劳动力转移和就业的重要途径•为科技和教育发展提供经费支持和实验装备•实现军事现代化和国家安全的保障3、制造技术的进步和发展劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集单件生产→少品种大批量→多品种变批量生产方式资源配置制造技术手工→机械化→单机自动化→刚性自动化→柔性自动化→智能自动化1）生产方式•单件/小批量生产--20世纪前是以手动操作机器作坊式生产方式，生产效率低，劳动繁重,提高机械化水平是当时制造业的核心问题。•少品种大批量生产--20世纪初福特汽车装配流水线标志着大批量生产方式的诞生，极大提高生产率，生产成本大幅度降低，为社会提供了大量廉价产品，使人类物质文明取得突破性进步。•多品种小批量生产--上世纪60年代单一产品大批量专业化生产方式无法满足日趋主体化、个性化、多样化市场需求，为此出现了多品种小批量生产方式，按订货组织生产，目前已成为制造业主流的生产方式。2）制造技术•机械化--18世纪后半叶，加工机械的发明，用机器劳动代替了手工劳动，完成了从手工作坊式生产到工厂式生产的转变。•单机自动化--19世纪由电气技术与制造技术的融合，实现了单个加工机械自动化，实现了批量生产和工业化规范生产新局面。•刚性自动化--20世纪初大批量生产模式，以降低成本为目的刚性自动化，制造技术和科学管理方式得到发展，福特汽车公司刚性生产线使汽车价格降低到原价格1/8，奠定了美国经济发展的基础。•柔性自动化--二次大战后，随着计算机及自动化技术发展，推动了多品种小批量生产柔性自动化，包括NC、CNC、FMC、FMS、FM等。•综合集成自动化--自上世纪80年代，计算机、电子信息及网络技术有力促进了制造业向综合集成自动化发展，包括：设计领域：CAD、CAM、CAPP、CAE、CAT等经营管理领域：MRP、MRPⅡ、ERP、MES、TQM等生产制造领域：CNC、DNC、FMC/FMS、ROBOT等生产制造模式：CIM、CE、LP、AM、IM、CM等。3）资源配置•劳动密集型--借助简单机器和手工工具，通过人工劳动完成产品制造过程。特点：工具手段原始，技术程度不高，劳动强度大，生产效率低下，与单件小批生产方式相适应。•设备密集型（资本密集）--产品生产过程中设备成本所占比例较大。特点：使用技术装备多，资本投入大，生产效率高，劳动力需求减少，与少品种大批量以及多品种小批量生产方式相适应。•技术密集型（知识密集）--产品生产过程中对技术和智力要求较高。特点：生产过程建立在先进科学技术基础上，劳动生产率高，资源消耗少，产品技术性能复杂，与按订单组织生产的生产方式向适应。4、我国机械制造业的发展与面临的挑战1）机械制造业的发展--2012年机械工业总产值为18.5万亿元，成为全球第一机械制造大国；--机床产值自2009年以来一直跃居世界首位；--发电设备产量占世界总产量的50%左右；--汽车工业2009年首次突破千万辆大关，连续第五年位居全球第一；--重大技术装备自主化取得了较大突破，如：100万kw级临界火力发电机组；1000kv特高压交流输变电设备；12000m石油钻机5轴联动数控机床1080T履带起重机等--当前我国制造业处于历史上最好的发展机遇期，具有良好的发展环境。图1.22010年世界主要国家制造业产出所占比重（来源：HISGlobalInsight数据库）2）当前存在主要问题--自主创新能力薄弱，高端装备制造失守自主品牌的技术和产品少，高端产品领域关键技术对外依存度高，如大型民用飞机、高端数控机床、高端数控系统及机器人80-90%以上还依赖进口。--关键零部件发展滞后，主机面临“空壳化”高端设备的关键零部件大量进口，航空工业所需的发动机、机载设备、原材料和配套件的配套能力差；高端数控机床配套的功能部件70%需要进口等。--现代服务业发展缓慢，价值链高端缺位我国机械工业的发展过度依赖单机、实物量的增长，为用户提供系统设计、系统成套、工程承包、远程诊断维护、产品回收再制造、租赁等服务业未能得到培育。3）面临的挑战--西方工业国家回归实体经济西方重塑制造业，重新实行实体经济。奥巴马提出，“中国等地经营成本越来越高，而美国的生产效率也越来越高，这是把制造业迁回来的大好机会。”--跨国集团公司技术优势跨国公司凭借在高技术领域的巨大优势及对核心技术的掌控，将拉大与我国的技术差距。--国内生产要素成本提高随着国内人工、能源等生产要素成本的不断上升，印度、越南及东南亚发展中国家更低的成本优势，给我国制造业造成巨大压力。4）我国机械制造业发展方向--技术创新靠创新驱动求发展，将技术创新作为制造业持续发展的不竭动力。--绿色制造由资源消耗型、环境污染型制造转向绿色制造，着力降低能源和材料的消耗，提高利用效率。--发展制造服务业由卖产品转向卖服务，实现由生产型制造向服务型制造的转变。--数字化、智能化制造由人工及机械化生产转向数字化、智能化制造，由人工加机械管控的生产模式转变为数字化、智能化制造的生产模式。1.2先进制造技术内涵与体系结构1.2.1先进制造技术提出背景1.2.2先进制造技术的内涵与特征1.2.3先进制造技术的体系结构1.2.4先进制造技术的分类1）社会经济发展背景消费者需求--主题化、个性化和多样化，产品寿命周期不断缩短全球化市场竞争--要求制造型企业在交货周期T、产品质量Q、产品成本C、客户服务S及环境友善性E等方面满足竞争需求，快速响应市场变化，赢得全球市场竞争。2）科学技术发展背景制造技术进步--向宏观(制造系统)和微观(超精密加工)两个方向发展；现代制造业发展--成为技术密集、知识密集型产业；信息及网络技术--成为制造业决定性因素，Intranet/Internet对制造业产生重大影响。3）可持续发展战略资源匮泛，污染严重，可持续发展要求。在上述社会、经济、技术及可持续发展背景下，由美国率先提出了先进制造技术，以获取全球范围的竞争优势1、先进制造技术产生背景1）先进制造技术内涵在传统制造技术基础上不断吸收现代技术成果，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对市场快速响应和竞争能力的制造技术总称。2）先进制造技术特征实用性--不追求技术的高新程度，注重实际效果，提高企业综合实力和市场竞争力为目标实用技术。应用广泛性--涉及产品设计、生产准备、加工装配、销售服务甚至回收再生的全生命周期所有技术。发展动态性--先进制造技术是不断吸收各类高新技术，在不断发展中的新技术，其内涵不是绝对的和一成不变的。技术集成性--集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型综合集成技术。系统性--能够驾驭生产过程中的物质流、信息流和能量流的系统工程。先进制造技术强调优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，最终目标是提高市场响应能力和竞争能力。2、先进制造技术的内涵与特征3、先进制造技术的体系结构FCCSET先进制造技术体系结构AMST先进制造技术体系结构•现代设计技术:现代设计方法、产品可信性设计、设计自动化技术•先进制造工艺:高效精密成形技术、高效高精度切削加工工艺、现代特种加工工艺、现代表面工程技术。•加工自动化技术:数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术•现代生产管理技术:MRPII\ERP\PDM\JIM•先进制造生产模式:CIM、CE、AM、IM、LP4、先进制造技术分类1.3.1云制造系统1.3.2信息物理融合系统1.3.3先进制造业及各工业国发展对策1.3.4先进制造技术发展趋势1.3当前先进制造技术的发展与趋势1、云制造系统1）云制造概念--云计算（cloudcomputing）是基于互联网的一种计算方式，通过共享的软硬件资源和信息，用户可通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，按自己的需求进行运算。特点：可提供可用的、便捷的、按需的网络访问。--云制造：基于云计算技术，按用户需求组织优化网上制造资源，为用户提供各类制造服务的一种网络化制造新模式。--云制造系统：包括云提供端、云请求端和云制造服务平台组成部分。云提供端--提供相应的制造资源和制造能力服务；云请求端--提出服务请求；云制造服务平台--根据用户提交的任务请求，在云制造业务管理模式支持下寻找符合云请求端用户需求的服务。云制造系统组成结构2）云制造运行原理资源提供者：以服务的形式向制造云运营者提供各种制造资源。制造云运营者：根据资源使用者的应用请求，动态、灵活地提供各种制造服务，进行云制造服务的高效管理和运营。资源使用者：能够在制造云运营平台的支持下，动态按需地使用各类应用服务，并能实现多主体的协同交互。3）云制造系统的特征--面向服务和需求的制造在云制造模式下，包括制造资源、制造能力、制造知识等均可封装为云服务。--用户参与的制造用户参与度不仅是提出需求和评价，而是渗透到产品制造的每一个环节。--透明和集成的制造云制造可提供各类制造活动的位置透明、注册透明和使用透明性等。--主动制造根据第三方构建的云制造服务平台，用户可主动寻找制造方，体现一种智能化的主动制造模式。--支持按需使用和付费的制造用户可根据自身需要调用或组合调用已有的云服务并支付相应的费用。--低门槛、众包式制造制造商通过调用或租用云制造系统中的资源、能力、云服务来完成本企业的生产任务，降低了企业入门门槛。--敏捷化制造企业仅需关注自身的核心服务，其它业务服务可通过调用云制造中的云服务来完成，体现了敏捷化的制造思想。--专业化制造云制造将所有制造资源、能力和知识虚拟化成云滴，最后聚合成不同类型的专业制造云，体现规模化、专业化制造特点。--基于知识的制造包括：制造资源和能力虚拟化封装和接入；云服务描述与制造云构建；云服务搜索、匹配、组合；智能云服务调度与优化配置；容错管理、任务迁移；云制造企业业务流程管理等。CPS是一种大规模、分布式、