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1第1章绪论1.1先进制造技术的背景1.1.1世界制造业及其格局的发展变化近年来，随着信息产业的高速发展，制造技术中的某些技术已经不再适应高科技的快速发展，不能很好地融入信息化产业的大潮，缺乏市场竞争力，甚至还可能危及生态环境。许多人认为制造业已成为“夕阳产业”。制造技术中确有“夕阳技术”,这些技术同信息化大潮格格不入，同高科技发展不相适应，缺乏市场竞争力，甚至还可能危害生态环境。面临剧烈的市场变化和技术竞争，许多工业国家迅速调整其技术政策，把提高市场竞争力和增强综合国力作为科技政策的核心。例如，历来重视产业技术的日本、澳大利亚和一些新兴工业化国家。美、英等国过去一贯主张，产业技术的发展主要靠市场竞争，由企业自由发展，政府不必介入。1.1.2先进制造技术为制造业注入活力随着科技进步特别是计算机技术的发展，世界范围内对制造业进行了重新的认识和定位，先进制造技术为制造业注入新的活力，使制造业又重新生机勃勃。制造业绝不是“夕阳产业”和“夕阳技术”，先进制造技术是高技术的载体，没有哪个工业发达国家不予以高度关注，先进制造技术已经成为全球制造业争夺的市场焦点。先进制造技术为制造业注入新鲜血液，是发展制造业的基础，它是传统制造业不断地吸收机械、信息、电子、材料、能源和现代管理等方面的最新技术成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理和售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁和敏捷制造，并取得理想经济效果的前沿制造技术的总称。从本质上看，信息技术＋传统制造技术的发展＋自动化技术＋现代管理技术就是先进制造技术。1.2国外先进制造技术的现状近些年来，世界经济发展的严峻事实使美国政府意识到，制造业是美国工业的基础，政府必须介入工业技术的发展。20世纪80年代末期，美国根据本国制造业面临的挑战和机遇，为增强制造业竞争力和促进国民经济增长，采取了一系列措施，进行了大规模的21世纪制造业的战略研究，并首先提出了先进制造技术的理念。其中，强调要促进先进制造技术的发展，成立各种层次的先进制造技术研究中心，并提出了一系列如并行工程、精益生产和敏捷制造等先进制造技术的新理论，收效良好。紧接着，许多工业国家如日本、澳大利亚、西欧各国以及一些新兴的工业化国家也都迅速调整其技术政策，开始重视研究和应用先进制造技术，将提高市场竞争力和增强综合国力作为科技决策的核心。自从美国提出先进制造技术这一概念以来，很快在日本、西欧各国以及亚洲新兴工业国家做出了2响应，纷纷将先进制造技术列为国家的高新技术和优先发展项目，世界各国都已重视研究、应用先进制造技术。1.2.1制造业在美国经济的重要性强大的制造基础对国家的经济和军事力量是至关重要的。一个国家只有生产得好,才能生活得好。如美国2100万就业者(占总劳动力的17%)从事20%～30%高报酬的工作;雇佣了75%的科学家和工程师进行90%的非军事性的ResearchandDevelopment—研制与开发；每100份工作支持着60个以上的非制造业职位；GNP的1/5(超过1兆美元)为其它经济部门提供基本产品。1.2.2发达国家先进制造技术发展战略工业发达国家都把先进制造技术作为国家级关键技术和优先发展领域。尽管决定国家综合竞争力的因素有多种,但制造业的基础地位不能忽视。20世纪90年代以来，各发达国家,如美国、日本、欧共体、德国等都针对先进制造技术的研发提出了国家级发展计划，旨在提高本国制造业的国际竞争能力。20世纪90年代初,美国政府提出“先进制技术”计划,将基于信息高速公路的敏捷制造作为美国21世纪的制造战略。1991年美国里海大学(LehighUniversity)提出“美国企业网”(FAN,FactoryAmericanNet)计划,该计划的目的是研究如何利用信息高速公路,把美国的制造企业联系在一起。2008年1月,欧洲联盟公布了“第五框架计划(2008～2012)”,将虚拟网络企业列入研究主题2012年,欧盟提出了“第六框架计划”,选定了需要重点攻关的7大领域,其中包括信息和网络技术。欧盟第六框架计划的目的是,通过各种方法刺激信息技术的快速发展,加强信息的产业化,使所有欧洲公民从以信息和网络为主体的知识社会和发展中获益。2012年,美国洛克希德-马丁公司提出了F-22飞机研制的虚拟工厂概念,打通了从设计、生产到管理的全数字化信息流。总之,工业化国家大都把先进制造技术作为本国的科技优先发展领域和高技术的实施重点；发展中国家也十分重视制造业信息化,都把信息技术作为改造传统企业和产业结构调整的主要战略；新兴工业化国家希望通过加快制造业信息化,跻身世界先进行列,众多发展中国家也希望以信息化推进工业化,以缩小与先进国家的差距。1.3我国先进制造技术的现状先进制造技术是制造技术的最新发展阶段，是由传统的制造技术发展起来的，既保持了过去制造技术中的有效要素，又要不断吸收各种高新技术成果，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。先进制造技术的应用特别注意产生最好的实际效果，其目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合实力的增长。目的是要提高制造业的综合经济效益和社会效益。在20世纪70年代以前，产品的技术相对比较简单，一个新产品上市，很快就会有相同功能的产品跟着上市。因3此，市场竞争的核心是如何提高生产率。到了20世纪80年代以后，制造业要赢得市场竞争的主要矛盾已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的矛盾。先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来，使三者达到了统一。1.3.1我国先进制造技术的特点先进制造技术是制造技术加信息技术和管理科学,再加上有关的科学技术交融而形成的制造技术。它不局限于制造工艺,而是覆盖了市场分析、产品设计、加工和装配、销售、维修、服务,以及回收再生的全过程。其具有如下特点：（1）全球化。21世纪是国际化的大市场，世界各国市场竞相向国外开放，促成制造业竞争的国际化，主要反映在使制造业的资源配置由一国范围扩大到世界范围，致使制造业在全球范围重新分布、组合和洗牌。（2）多样化。由于每个用户群的看法和观点不同，其提出的产品结构和形状也不尽相同，中小批量的产品越来越多，产品的多样化特征也越来越明显。（3）虚拟化。虚拟制造是指利用计算机模拟与仿真技术、人工智能技术、并行工程以CAD/CAPP/CAM/CAE等多种技术，模拟现实制造环境或现实制造过程,呈现现实制造系统的运行状态或者现实产品性能的一种制造技术。（4）生产过程的高速化和柔性化。由于产品设计和制造周期的不断缩短，顾客要求的交货期也相应的越来越短；因此，高速生产技术得到了普遍应用，即要求实现生产过程的高速化。（5）集群化。为了提高自身抵抗风险的能力，各个小型制造企业开始纷纷联合组成集团公司，制造企业呈现越来越多的集中和并购，制造业的市场集中度也得到了进一步提高。（6）服务化。随着当前绿色制造和循环制造概念的提出，制造业应不仅考虑产品的设计和生产，还应考虑从市场调研开始到售后服务，再到产品报废回收，以及循环使用的产品整个生命周期或多个生命周期。1.3.2我国的先进制造技术与工业发达国家对比（1）管理方面：工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产（JIT）、敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）等新的管理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数小型企业仍处于经验管理阶段。（2）设计方面：工业发达国家不断更新设计数据和准则，采用新的设计方法，广泛采用计算机辅助设计技术（CAD/CAM），大型企业开始无图纸的设计和生产。我国采用CAD/CAM技术的比例较低。（3）制造工艺方面：工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术等新型加工方法。我国普及率不高，尚在开发、掌握之4中。（4）自动化技术方面：工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业使用。1.3.3我国对先进制造的重视随着美国政府采取一系列措施进行大规模的21世纪制造业战略的研究。我国政府和企业界投入巨资，组织大量专家进行研究和分析，得出的结论是振兴中国经济的出路在于振兴美国的制造业，经济竞争归根到底是制造技术和制造能力的竞争。因而，我国提出要促进先进制造技术的发展，成立国家级、地区级、大学、企业等各种层次的先进制造技术协调、推广、应用研究中心。这些措施收到了良好的效果，使制造水平大幅度提高。通过先进制造技术，让企业适应多变的市场需求我国制造业市场具有很大的潜力，使得我国的制造技术水平和工业发达国家的差距进一步缩小。1.4先进制造技术的发展趋势1.4.1数字化制造技术数字化制造技术是支持信息化和知识化制造业的技术，是先进制造技术发展的核心，包括以设计为中心、以控制为中心和以管理为中心的数字制造。应用数字化制造技术，将会使全球制造网络环境下的产品异地设计与制造成为21世纪的重要制造模式，促使制造技术和制造产业发生革命性的变革。对全球制造业而言，在数字制造环境下，用户借助网络发布信息，各类企业通过电子商务实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计并制造出相应的产品。1.4.2精密化是发展的关键现代超精密机械对精度要求极高，如借助于扫描隧道显微镜与原子力显微镜，加工精度可达0.1μｍ；而基于操作机械的移动距离为纳米级，移动精度可达0.1ｎｍ。显然，没有先进制造技术就没有先进电子技术装备。先进制造技术与先进信息技术是相互渗透、相互促进和紧密结合的，精密化是当前先进制造技术发展的关键所在。1.4.3网络化是发展的道路随着网络化的进一步普及，各种网上销售和网上购物正在悄然进入人们的生活当中，网络化已经成为先进制造技术发展的必由之路，这必将导致新的制造模式，即虚拟制造组织，形成动态的虚拟企业或企业联盟。此时，各企业致力于其核心业务，实现优势互补和资源优化动态组合与共享，如美国的“日不落计划”正是基于这一点。51.4.4绿色化是发展的方向绿色制造是一个综合考虑环境影响因素和资源效率的现代化制造模式，当前日趋严格的环境与资源的约束使绿色制造业显得越来越重要，绿色制造技术也将获得快速的发展。其要求产品、制造、使用、维修及回收全部绿色化，主要体现在：１）绿色产品设计技术；２）绿色制造技术；３）产品的回收和循环再制造。1.4.5智能化是发展的前景以智能机器人和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，使制造系统具有自适应能力、自学习能力和自组织能力，能极大地提高系统的响应速度和决策水平。与传统制造相比，智能制造系统的突出之处在于制造诸环节中以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动；同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。在不久的将来，为应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈的市场竞争，智能制造会越来越受到重视。1.4.6集成化是发展的方法集成化主要指现代技术、加工技术和企业等的集成，其使专业和学科间的界限逐渐淡化和消失。先进制造技术的不断发展，使得冷、热加工之间，加工、检测、物流和装配过程之间，设计、材料应用和加工制造之间的界限也逐渐淡化，逐步走向一体化。例如，CAD/CAPP和CAM的出现、精密成形技术的发展、快速原型件制造技术的产生、机器人加工工作站及FMS的出现。很多新材料的配制和成型是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。1.5对我国先进制造技术的思考我国制造业市场的巨大潜力，为先进制造技术发展提供了广阔的市场空间。但是与制造业发达国家和地区相比，国内的先进制造技术的研发与市场拓展还不均衡。纵观国际制造业的竞争与发展，面对国际、国内２个制造业市场的日渐融合，如何立足国内制造业的市场需求，整合分散的科研与企业资源，尽快形成自身在先进制