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1现代制造理论主讲教师：教授2第一章概述一、现代制造的发展背景人类文明的发展可划分为四个时代：1．农业时代2．工业时代3．计算机时代4．纳米与生物科技时代31．农业时代时间：很长，自给自足是其目标。工具：简单的手工工具（石器、铜器、铁器等）加工对象和资源：地表层的天然物质资源（农作物）生产模式：个体、家庭式42．工业时代蒸汽机时代：机械化、物质开始丰富电力时代：电气化、产品更便利时间：约300年，发达国家已完成工具：复杂的机器加工对象和资料：地下石油、矿产企业成功的关键：效率制造模式：机械流水线制造、自动化制造53．计算机时代时间：近40年工具：计算机、网络加工对象和资源：深入到分子、原子、信息。企业成功的关键：优质、快速（高速）现代制造模式：柔性制造、集成制造、敏捷制造、智能制造、绿色制造、生物制造等。64．纳米与生物科技时代时间：近20年纳米技术最终目标：微型化多功能、便利生物技术目标：为人类提供大自然中不具有的产品，并改造现有物种。加工对象及资料：分子、原子、基因7纳米技术研究由尺寸在0.1~100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米与生物科技所引起的世界性技术革命对经济、政治、国防所产生的影响比以往技术革命时代带来的更巨大。8我国现状：主要处于工业时代；部分进入计算机时代；开始接触纳米生物科技时代。9二、现代制造的特点及基础1．特点（大、全、多）（1）大制造对象更广：光、机、电产品、工业流程、材料制备方法更多：传统的机械加工、高能束加工、微纳（硅微）加工、电化学加工、生物制造10（2）全过程不仅仅是毛坯→成品的加工过程（传统的制造）还包括：市场信息分析、产品决策、产品设计、加工和制造、销售和售后服务、报废和回收，以及产品全生命周期的设计、制造和管理。传统企业：橄榄型，两头小、中间大（设计、销售小、制造大）现代企业：哑铃型，两头大、中间小11（3）多学科它是以工程与制造学科为主体，微电子、计算机、自动化、网络通信等信息科学和管理科学、生命科学、材料科学等多学科交叉、渗透、融合和不断创新的产物。122．发展方向（1）宏观方向主要表现为：a.现代制造系统的规模越来越大；从单台设备的数控化到柔性生产线从车间到企业集成制造从敏捷供应链制造到全球化虚拟制造13b.资源开发利用范围越来越大从设备资源到技术资源从管理资源到市场资源从信息资源到生物资源从海洋资源到空间资源从知识资源到智慧资源14（2）微观或介观方向主要表现为向分子和原子领域进军介观：介于宏观和微观之间，凡是出现量子相干输运现象的体系称为介观体系，它具有许多奇异的物理性能。IBM公司的首席科学家阿姆斯特朗在1991年曾经预言：“我相信纳米科技将在信息时代的下一阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如(20世纪)70年代初以来微米科技已经起到的作用那样。”153．现代制造理论基础广义主要有下面5方面：（1）机械科技基础：主要有力学（含纳米力学），机械设计学，机械制造学（含纳米加工学）。（2）信息科技基础：主要有机械电子学、机械信息学、机械智能学等。16（3）纳米科技基础：主要有纳米体系物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米电子学等。（4）生物科技基础：主要有生物学、遗传工程、耗散结构理论。（5）系统科技基础：主要有数学、人文科学、机械系统学等。17狭义：制造信息学计算制造学制造智能学制造系统学制造动力学（传统制造科学）机械设计学（传统制造科学）制造工艺学（传统制造科学）18第二章现代制造系统的基本概念一、制造系统的基本概念1．制造的涵义一种将有关资源（如物料、能量、资金人力资源、信息等）按照社会的需求转换为新的有更高应用价值的资源（如有形的物质产品和无形的软件、服务等产品）的行为和过程。资源的转换是制造的核心任务。192．制造系统的定义包括组成和目标两方面：由制造过程中所涉及的硬件（人员、设备、物料流、信息基础设施、相关环境等）、相关软件（理论、技术、程序、标准、规范等）组成的，与外界进行物质、能量、和信息交互，实现资源转换以满足社会需求，完成包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造实施、检验、销售服务直至报废回收等各环节活动的制造全过程的系统。203．制造系统的特点（1）构形化的物理产品，产品研发是制造系统的核心能力。（2）增值服务，向客户提供全面的问题解决方案。（3）人力的因素和组织结构，以人为本，实现集成。（4）面向过程，立足全局，为生产经营全过程负责。（5）进出流（物流、信息流、资金流、能量流和价值流）管理。21二、制造系统的概念模型制造系统最核心的功能是资源转换，为社会创造财富。围绕着资源转换，该系统由五大要素决定：1．输入2．输出3．资源转换4．机制5．控制或约束221．输入资源输入是实现转换功能的必备和前提条件，包括：物质资源能量资源人力资源资金资源信息资源技术资源基因资源传统的制造系统资源现代制造系统资源23有形资源：土地、厂房、设备、能源动力、各种自然资源、人力资源等。无形资源：管理、市场、技术、信息知识、智力资源以及企业形象、产品品牌、客户关系、公众认可等。242．输出包括：（1）产品：包括硬件和软件产品、现代产品已扩大到无形产品，如决策资询、战略规划等。（2）服务：售前、售后服务、技术输出、人员培训、咨询服务等。（3）创造客户：企业的生存在于是否拥有客户，它是企业系统的重要业绩。（4）社会责任：环境保护、公共建设、人文环境（企业文化）。253．资源转换（1）资源转换方法：物理和化学原理，以及今后将有基于遗传工程的生物原理。(2)衡量转换优劣的指标：时间T→短质量Q→优成本C→低服务S→好环境E→洁26（3）措施：管理体制运行机制产品结构技术结构组织结构这就是当今世界上众多企业不断重组和变革的原因。不断的革新和创造274．机制它是支撑企业实现资源转换的各种平台，包括：（1）硬件平台：也叫物质平台，包括生产设施、设备和系统等，如生产线、设计系统、试验系统、信息网络等基础设施。（2）软件平台：除计算机软件外，还包括管理思想、模式、规范、政策、法规等。（3）战略平台：指采用的竞争战略、制造战略。（4）知识平台：知识供应链和知识管理系统。（5）文化平台：企业文化285．控制或约束主要指企业系统的外部约束。国家方针、政策法律法规规范标准环境保护29例30三、制造系统的发展趋势和方向31第三章现代制造的战略、理念一、战略的演变90年代，资源、能源大消耗，环境污染导致了三大问题：人口、资源、环境。提出了环保战略、绿色制造、可持续发展战略32二、制造理念和模式的演变趋势：（1）运作空间不断扩大设备→车间企业内部→企业外部从本地域→全球（2）资源开发利用越来越广设备→技术→管理→市场由组织到人员（以人为本）资源开发利用的广度和深度不断增加，制造系统的柔性范围越来越宽。333435三、现代制造模式（也含制造理念）（1）柔性制造（FlexibleManufacturing）（2）计算机集成制造（ComputerintegratedManufacturing）（3）并行工程（Concurrentengineering）（4）敏捷制造（AgileManufacturing）（5）虚拟制造（VirtualManufacturing）（6）智能制造（intelligentManufacturing）（7）网络化制造（NetManufacturing）（中国特色，我国学者构想）（8）绿色制造（GreenManufacturing）（9）生物制造（BiologicManufacturing）（10）可重构制造（ReconfigurableManufacturing）（中国特色）361.柔性制造（FlexibleManufacturing）（1）背景市场要求：用户需求多样化、个性化。传统技术的不足：传统的自动化流水线“刚性”十足，产品转变成换型后调整困难。技术发展：计算机控制技术，数控机床世界第一个柔性制造系统：1967年英国莫林公司的“MolinSystem-24”柔性制造系统。我国第一条柔性制造系统：80年代中期由国防科工委组织，南京理工大学、长春55研究所、绵阳58研究所联合承研的BQ-FMS柔性制造系统。37（2）概念所谓柔性制造，是指：用可编程、多功能的数字控制设备更换刚性自动化设备；用易编程、易修改、易扩展、易更换的软件控制代替刚性联结的工序过程；使刚性生产线实现柔性化，能够快速响应市场的需求，多快好省地完成多品种、小批量的生产任务。38（2）基本组成：若干台数控加工设备物流运储装置计算机控制系统39（3）柔性种类：加工柔性设备柔性产品柔性流程柔性批量柔性扩展柔性工序柔性生产柔性40工艺柔性(processflexibility)：指系统能够以多种方法加工某一零件组的能力，也称为“加工柔性(jobflexibility)”或“混流加工柔性(mixflexibility)”衡量指标：系统不采用成批方式而能同时加工零件的品种数。41设备柔性(machineflexibility)：指系统易于实现加工不同类型零件所需转换的能力。衡量指标：更换磨损刀具的时间；为加工同一类而不同组的零件所需的换刀时间；组装新夹具所需的时间；机床实现加工不同类型零件所需的调整时间，包括刀具准备时间、零件安装定位和拆卸时间以及更换数控(NC)程序的时间。42产品柔性(productflexibility)：指系统能经济而迅速地转向生产新产品的能力，即转产能力，也称为“反应柔性”(actionflexibility)。衡量指标：系统从生产一种零件转向生产另一种零件所需的时间。43流程柔性(routineflexibility)：系统处理其故障并维持其生产持续进行的能力。包含两个方面，一是零件能采用不同的工艺路线进行加工，二是能够用来完成加工某工序的机床不只配备一台。衡量指标：FMS在发生故障时的生存能力，即生产率不致显著下降或零件加工能继续进行。44批量柔性(volumeflexibility)：指系统在不同批量下运转有利可图的能力。衡量指标：保证系统运转有利可图的最小批量。该批量愈小，系统的柔性就愈高。45扩展柔性(expansionflexibility)：指系统能根据需要通过模块进行重组和扩展的能力。衡量指标：系统能扩展的规模大小。46工序柔性(operationflexibility)指系统变换零件加工工序顺序的能力。生产柔性(productionflexibility)指系统能够生产各种类零件的总和。衡量指标是现有的技术水平。472.计算机集成制造(1)背景计算机集成制造(computerintegratedmanufacturing，CIM)是1974年美国的约瑟夫·哈林顿博士(Dr.JosephHarrington)针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理。48制造业发展出现了几个新的特点：生产能力在世界范围内迅速提高和扩散，形成全球性的激烈竞争格局；先进的生产技术正在急剧地改变着制造业的产品结构和生产过程；传统的管理、劳动方式、组织结构和决策准则都在经历新的变化；稳定的市场已变成动态的多变的市场49（2）概念CIM是一种组织、管理和运行企业的哲理。CIM哲理有两个基本要点：企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一考虑；整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递、加工和处理的过程。所谓CIM，是用计算机通过信息集成、过程集成、企业集成实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益的一种先进制造理念。50例：扬州有机化工厂CIMS应用示范系统由5个分系统组成：•OA分系统•MRP-II分系统•质量管理分系统•集散控制分系统•支撑环境分系统。513.并行工程（Concurrentengineering）（1）背景据统计，1870--1980年，制造加工过程效率提高了20倍，管理效率提高了1.8-2.2倍，而产品设计开发效率只提高了1.2倍，基本上是传统的设计开发方式：设计—制