第一章制造業(yè)與先進制造技術

第一章制造業(yè)與先進制造技術第一頁，共52頁。董雁教授先進制造技術第二頁，共52頁。

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23制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)先進制造技術的提出和進展先進制造技術的內涵和體系結構第一章制造業(yè)與先進制造技術第三頁，共52頁。制造與制造業(yè)制造按照市場需求；運用知識和技能，利用客觀物資工具；將原材料物化為最終物質產品并投放市場的全過程。定義狹義：機電產品的機械加工工藝過程；廣義：國際生產工程學會1990年：涉及制造工業(yè)中產品設計、物料選擇、生產計劃、生產過程、質量保證、經營管理、市場銷售和服務的一系列相關活動和工作的總稱。制造過程----產品生命周期產品從設計、生產、使用、維修、報廢、回收等的全過程。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第四頁，共52頁。制造與制造業(yè)制造系統(tǒng)制造業(yè)的基本組成實體。結構是制造過程所涉及的硬件（物料、設備、工具、能源等）、軟件（制造理論、工藝、信息等）、人員所組成的具有特定功能的有機整體；功能輸入制造系統(tǒng)的資源（原材料、能源、信息、人力...）通過制造過程輸出產品；第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第五頁，共52頁。制造與制造業(yè)制造業(yè)將制造資源，包括物料、設備、工具、資金、技術、信息和人力等，通過制造過程轉化為可供人們使用和消費的產品的行業(yè)；包括一般機械、食品工業(yè)、化工、建材、冶金、紡織、電子電器、運輸機械等；

我國制造業(yè)的分類和構成類別構成比例類別構成比例類別構成比例金屬制品3.395食品工業(yè)15.335油加工3.870一般機械8.625紡織7.193化工15.586運輸機械6.424其他制造1.681建材7.299電器設備5.125服裝5.018黑色冶金6.908電子設備4.588家具1.542有色冶金2.120儀器儀表0.998文教用品4.292第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第六頁，共52頁。制造的地位和作用國民經濟三大產業(yè)：農業(yè)、工業(yè)和服務業(yè)；工業(yè)包括制造業(yè)、建筑業(yè)、采掘業(yè)及電力、煤氣、水的生產供應業(yè)；我國工業(yè)在國民經濟中所占比例為52%，其中制造業(yè)產值又占工業(yè)總產值的45％左右；工業(yè)化國家中約1/4人口從事各種形式的制造活動；第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)第七頁，共52頁。制造的地位和作用第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第八頁，共52頁。制造的地位和作用社會對制造業(yè)提出了更高要求。據(jù)預測：到2020年制造業(yè)工業(yè)增加值增長率

將高于GDP的增長率；按當年價格計算，2020年制造業(yè)工業(yè)增加值占GDP比重為37.66%，比2003年略有增加；從產業(yè)結構看，輕紡工業(yè)所占比重將降低，機械電子制造業(yè)比重將增加到40%左右（美國1990年為42.35%）。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)2020年制造業(yè)發(fā)展目標第九頁，共52頁。制造技術的發(fā)展1）用機器代替手工，從作坊形成工廠19世紀機器在英國誕生，先后傳人法國、德國和美國。2）從單件生產方式發(fā)展成大量生產方式泰勒：以勞動分工和計件工資制為基礎的科學管理。福特：零件互換技術，1913年建立了具有劃時代意義的汽車裝配生產線3）柔性化、集成化、智能化和網絡化的現(xiàn)代制造技術柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、網絡化制造、智能制造系統(tǒng)、及時生產、精良生產、敏捷制造……第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)發(fā)展的歷程第十頁，共52頁。制造技術的發(fā)展一、美國的教訓1)上世紀70年代，美國不重視制造業(yè)，把制造業(yè)稱為“夕陽工業(yè)”，結果導致美國80年代的經濟衰退。2)1991年，布什政府期間，美國白宮科學技術政策辦公室發(fā)表了總數(shù)為22項的美國國家關鍵技術，其中制造技術占4項，標志著美國科技政策的轉變。3)克林頓上臺后，把先進制造技術列為六大國防關鍵技術之首。結果美國在機械工業(yè)、汽車工業(yè)、航空工業(yè)及信息產業(yè)等方面取得了明顯的進展，使美國的經濟連續(xù)8年取得了2-3%的增長率，而且還同時保持低通脹率和低失業(yè)率。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)發(fā)展的教訓第十一頁，共52頁。制造技術的發(fā)展二、日本的經驗1）在上世紀70-80年代，日本非常重視制業(yè)，特別大抓了汽車制造和微電子制造，結果日本的汽車和家用電器占領了全世界的市場，特別是大舉進入了美國市場。2）日本的微電子芯片成為美國高技術產品的關鍵元件。海灣戰(zhàn)爭結束后，日本人說美國贏得這場戰(zhàn)爭是依靠的日本的芯片，是“日本的芯片打敗了伊拉克的鋼片”。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)發(fā)展的教訓第十二頁，共52頁。制造技術的發(fā)展三、經濟危機的啟示1）一個國家發(fā)展制造業(yè)的重要。一個國家，如果把經濟的基礎放在股票、旅游、金融、房地產、服務業(yè)上，而無自己的制造業(yè)，這個國家的經濟就容易形成泡沫經濟，一有風吹草動就會產生經濟危機。2）中國有自己的制造業(yè)，因此受經濟危機的影響小一些。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)發(fā)展的教訓第十三頁，共52頁。制造技術的發(fā)展四、瑞士依靠什么使人均產值居世界第一？1）瑞士是一個僅700萬人口的小國，但瑞士的制造業(yè)十分發(fā)達，瑞士的精密機械產品的出口量是我國的8倍，瑞士的手表世界第一，連小小的軍刀，也風靡全世界。2）現(xiàn)在瑞士年人均國民生產總值達到4.3萬美元以上，居世界第一。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)發(fā)展的教訓第十四頁，共52頁。制造技術的發(fā)展第一次產業(yè)革命：1733-18781）又稱為：蒸汽革命。2）產業(yè)革命的標志：瓦特發(fā)明的蒸汽機。3）英國的制造業(yè)孕育和實現(xiàn)了瓦特的發(fā)明。4）制造業(yè)和瓦特的發(fā)明推動了熱力學理論的誕生。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)是產業(yè)革命的主力軍第十五頁，共52頁。制造技術的發(fā)展第二次產業(yè)革命：1879-19451）又稱為：電氣革命。2）產業(yè)革命的標志：電燈（愛迪生）、電話（貝爾）、電機（西門子）等電氣化產品。3）制造業(yè)肇始了電的應用，而后才有麥克斯韋電動力學理論的誕生。4）麥克斯韋電動力學理論推動了20世紀初開始的無線電、微波、雷達、合成孔徑、微波成像、衛(wèi)星通信、宇宙微波探測等技術的發(fā)展。5）牛頓力學和電動力學又為量子力學的發(fā)展指引了道路，導致了量子場論的創(chuàng)立。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)是產業(yè)革命的主力軍第十六頁，共52頁。制造技術的發(fā)展第三次產業(yè)革命：1945-19721）又稱為：電子（原子）革命。2）產業(yè)革命的標志：原子彈（1945）、電子計算機（1946）、晶體管（1948）、集成電路、微電子技術等。3）微電子制造技術開創(chuàng)了全新的信息時代。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)是產業(yè)革命的主力軍第十七頁，共52頁。制造技術的發(fā)展第四次產業(yè)革命：1973-1）又稱為：高新技術產業(yè)革命。2）產業(yè)革命的標志：眾多高新技術產品，如微電子產品、電腦、新一代通信產品、新一代汽車、磁懸浮列車、新一代飛機、機器人、生物工程產品、新一代藥物、綠色食品、轉基因產品等等。3）微器件制造工藝，如拉單晶、摻雜、擴散、離子注入、外延、濺射、化學沉積（CVD）、光刻、表面貼裝、自動化組裝、進而到納米器件制造工藝將把高新技術產業(yè)革命推向頂峰。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)制造業(yè)是產業(yè)革命的主力軍第十八頁，共52頁。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)20世紀改變世界的重要機電產品序產品發(fā)明時間（年）發(fā)明者1汽車1885/1903德國奔馳/美國福特2飛機1903美國萊特兄弟3火箭1903俄國齊奧爾科夫斯基4電冰箱1917美國5電影機1919/36德國福格特6電視機1927/40美國貝爾7噴氣發(fā)動機1937英國惠特爾8原子彈1945美國日本9計算機1946美國莫切利?？颂?0晶體管1948美國肖克利11核電站1951美國12數(shù)控機床1951美國MIT13氫彈1952美國特勒第十九頁，共52頁。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)序產品發(fā)明時間（年）發(fā)明者14機器人1954美國戴沃爾15人造衛(wèi)星1957蘇聯(lián)16宇宙飛船1961蘇聯(lián)加加林17飛船登月1969美國阿波羅18載人航天飛機1977美國19磁懸浮列車1965日本時速400～500公里/時20光纖通信設備1968美國21芯片1971/1999美國intel950萬晶體管/片22掃描隧道顯微鏡1986日本工業(yè)技術院23掌上電腦1992美國APPLEnewton24手機90年代初美國25信息高速公路1993美國nationalinformationinfrastruture（Nii）20世紀改變世界的重要機電產品第二十頁，共52頁。1.信息科學技術目前是發(fā)展高峰期，預計其中心科學技術的地位還可持續(xù)四十年。2.生命科學技術現(xiàn)在已開始注重其發(fā)展與應用，預計21世紀30年代開始逐步轉變?yōu)橹行目茖W技術。3.認知科學技術智能化趨勢現(xiàn)已顯露，預計21世紀70年代開始將成為科學技術發(fā)展的中心。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)21世紀科學技術發(fā)展總趨勢第二十一頁，共52頁。21世紀制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和特征(1)國際形勢的變化90年代以來，世界出現(xiàn)了多級化的新格局；

政治冷戰(zhàn)→經濟熱戰(zhàn)國際競爭和對抗的焦點由軍備競賽轉向全球范圍內的以科技為先導，經濟為基礎、軍事為后盾的綜合國力的較量；產業(yè)技術和經濟實力成為政治對抗的重要資本；不計生產成本和代價的軍品生產模式不適于新形勢下的生產；“戰(zhàn)略伙伴”關系中經濟色彩突出；提高制造業(yè)產品競爭能力，發(fā)展高技術，尤其是獨具知識產權的產業(yè)技術成為未來搶占經濟制高點、振興國家經濟的焦點；第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第二十二頁，共52頁。21世紀制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和特征(2)制造業(yè)市場競爭的新特點1)知識－技術－產品更新的周期更短7880828486889092

94962時間46810平均產品壽命TL平均開發(fā)時間TDTD>TL年數(shù)第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第二十三頁，共52頁。波音777的設計和制造全數(shù)字化定義——無紙生產數(shù)字化預裝配——無金屬樣機的生產(虛擬制造的一部分)

廣域網上的異地設計、異地制造基于STEP的數(shù)據(jù)交換協(xié)同工作小組Teamwork238個設計制造周期大大縮短：4年（而波音757、767約9-10年）更大的利潤，每架777，$1.4億基于分布式CAD/CAM系統(tǒng)在8臺IBM大型計算機ES/9000和IBM5080～5086圖形終端，發(fā)現(xiàn)零件干涉2500處，減少工程更改50％以上設計、工藝、制造、供應商、潛在用戶的工作小組，7000人參加，采用并行工程的模式。Internet將發(fā)動機供應商GE、HP和諾依斯羅斯聯(lián)在一起。63M長的波音777，裝配準誤差僅0.58mm.第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)20世紀90年代制造業(yè)的標志性進展第二十四頁，共52頁。研制周期交付周期研制周期01234567891070772773774775776777751596263727290年57646871828194.5(年)波音各種機型研制交付周期比較第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第二十五頁，共52頁。21世紀制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和特征(2)制造業(yè)市場競爭的新特點2)產品批量更小； 汽車生產：大批量生產→大批量定制生產；3)顧客對產品功能、性能、質量的要求更高；4)能參與全球競爭的企業(yè) 更多；5)跨國公司的壟斷性 更明顯；6)企業(yè)的兼并重組 更激烈、更動蕩；7)一般水平的產品及制造能力嚴重過剩；8)人口老齡化 更嚴重；9)環(huán)保意識、綠色制造呼聲 更強。第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第二十六頁，共52頁。21世紀制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和特征(2)制造業(yè)市場競爭的新特點第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第二十七頁，共52頁。21世紀制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和特征(2)制造業(yè)市場競爭的新特點“中心”的變化以產品為中心以顧客為中心以市場為中心第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第二十八頁，共52頁。21世紀制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和特征(3)制造全球化和貿易自由化原因：世界自由貿易體制進一步完善全球交通運輸進一步完善全球通訊網絡建立導致：全球產業(yè)界結構大調整世界逐步形成一個統(tǒng)一的大市場使得：供應與需求國家化、國際化；對于同一用戶、同一產品，可供選擇的市場國際化、競爭國際化；

任何國家、地區(qū)，不論實行怎樣的社會制度，不可能離開世界市場而獨立謀求發(fā)展；制造業(yè)發(fā)展應該進入國家目標層次，才能促進經濟增長第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第二十九頁，共52頁。21世紀制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和特征(3)制造全球化和貿易自由化跨國公司的生產總值占工業(yè)化國家生產總值的40%跨國公司的貿易占世界貿易總值的50%跨國公司的工業(yè)研制費占世界總值的80%跨國公司操縱了世界技術轉讓的75%跨國公司操縱了對發(fā)展中國家技術貿易的90%第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第三十頁，共52頁。21世紀制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和特征(4)科技進步與信息社會科技進步精密、超精密、微納米加工檢測、新材料等新一代工程科學與技術；信息社會企業(yè)信息化技術；第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第三十一頁，共52頁。21世紀制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和特征(5)環(huán)境保護意識的增強與可持續(xù)發(fā)展環(huán)境問題：大量消耗資源和破壞環(huán)境的傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展模式與工藝技術系統(tǒng)引起了嚴重的環(huán)境問題；可持續(xù)發(fā)展思想：重視環(huán)境方面對制造業(yè)及其產品的制約的社會壓力，國家政策與立法經濟手段；結論：面向可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)安全型和資源節(jié)約型的制造技術將是制造領域中需解決的一個重要問題；第一節(jié)制造業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)第三十二頁，共52頁。制造技術的進步和發(fā)展制造技術制造業(yè)所使用的一切生產技術的總稱，是將原材料和其他生產要素經濟合理地轉化為可直接使用的具有較高附加值的成品/半成品和技術服務的技術群；制造技術的發(fā)展歷程制造業(yè)的生產規(guī)模小批量→少品種大批量→多品種變批量；制造業(yè)的資源配置勞動密集→設備密集→信息密集→知識密集；生產方式手工→機械化→單機自動化→剛性流水自動化→柔性自動化→智能自動化；第二節(jié)先進制造技術的提出和進展第三十三頁，共52頁。先進制造技術產生背景先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnology－AMT)是制造業(yè)為了適應現(xiàn)代生產環(huán)境及市場的動態(tài)變化，在傳統(tǒng)制造技術基礎上通過不斷吸收科學技術的最新成果而逐漸發(fā)展起來的一個新興技術群；先進制造技術的產生和發(fā)展有其自身的社會經濟、科學技術以及可持續(xù)發(fā)展的根源和背景；社會經濟發(fā)展背景買方市場；個性化需求------多品種變批量成為主導生產方式；快速響應------產品生命周期縮短；市場全球化------全球化競爭和合作；第二節(jié)先進制造技術的提出和進展第三十四頁，共52頁。先進制造技術產生背景科學技術發(fā)展背景制造技術從20世紀初逐步地由技藝發(fā)展為集機械、材料、電子及信息等多門學科的交叉科學－制造工程學；計算機技術：數(shù)控機床的出現(xiàn)；信息技術：企業(yè)信息化；其他技術：新材料、新型加工工藝等；可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略世界環(huán)境與發(fā)展委員會于1987年向聯(lián)合國42屆大會遞交的報告《我們共同的未來》正式提出可持續(xù)發(fā)展的概念；既滿足當代人的需求，又不對子孫后代滿足其需求之生存環(huán)境構成危害的發(fā)展；建立極少產生廢料和污染物的工藝或技術系統(tǒng)；第二節(jié)先進制造技術的提出和進展第三十五頁，共52頁。先進制造技術進展以微見著——精密化是機械制造發(fā)展的核心以綜見著——自動化是機械制造發(fā)展的途徑以網見著——信息化是機械制造發(fā)展的急需以智見著——智能化是機械制造發(fā)展的方向第二節(jié)先進制造技術的提出和進展p第三十六頁，共52頁。先進制造技術進展超精密加工的重要性關系到導彈命中率的慣導儀器的精密陀螺儀，陀螺轉子質量中心偏離對稱軸0.5nm，會引起100m的射程誤差；n=10-9傳動齒輪的齒形及齒距誤差若能從目前的3～6μm降低到1μm，則單位齒輪箱重量所能傳遞的扭矩將提高近一倍；磁盤的存儲量很大程度上取決于磁頭與磁盤之間的距離(飛行距離)，目前已達0.3μm。第二節(jié)先進制造技術的提出和進展以微見著——精密化是機械制造發(fā)展的核心第三十七頁，共52頁。先進制造技術進展硅片制造工藝流程硅片趨于大直徑化，達400mm；硅片厚度薄型化，小于50μm；表面平整度<0.1μm；第二節(jié)先進制造技術的提出和進展以微見著——精密化是機械制造發(fā)展的核心第三十八頁，共52頁。先進制造技術進展采用硅微工藝刻蝕制造的微機械手以微見著——精密化是機械制造發(fā)展的核心第二節(jié)先進制造技術的提出和進展第三十九頁，共52頁。先進制造技術進展數(shù)控機床第二節(jié)先進制造技術的提出和進展以綜見著——自動化是機械制造發(fā)展的途徑第四十頁，共52頁。先進制造技術進展工業(yè)機器人第二節(jié)先進制造技術的提出和進展以綜見著——自動化是機械制造發(fā)展的途徑第四十一頁，共52頁。先進制造技術進展虛擬公司第二節(jié)先進制造技術的提出和進展以網見著——信息化是機械制造發(fā)展的急需采購制造銷售/分銷需求產品PMS供應商PMS客戶合同需求產品InternetInternet公司資產合同銀行產品需求Intranet合同第四十二頁，共52頁。先進制造技術進展從傻瓜相機到傻瓜機床第二節(jié)先進制造技術的提出和進展以智見著——智能化是機械工程發(fā)展的方向“傻瓜”照相機的信息流照相機光強信號圖像信號光圈電機控制信號調焦電機控制信號第四十三頁，共52頁。先進制造技術的內涵第三節(jié)先進制造技術的內涵和體系結構制造業(yè)不斷吸收機械、電子、信息、能源及現(xiàn)代系統(tǒng)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(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活的生產，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱。第四十四頁，共52頁。主體技術相關技術數(shù)控技術計算機技術信息技術人機工程人工智能技術成組技術微電子技術激光技術傳感技術其他基礎技術機械科學系統(tǒng)工程管理科學市場/經濟學其他材料科學控制工程優(yōu)化理論人文/社會科學(1)現(xiàn)代設計技術計算機輔助設計優(yōu)化設計反求工程可靠性設計價值工程綠色產品設計(2)先進制造工藝技術高速加工技術超精密加工技術快速原型制造技術微細加工技術(3)制造系統(tǒng)綜合自動化技術分布式數(shù)控系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)集成制造系統(tǒng)智能制造系統(tǒng)(4)現(xiàn)代管理技術物料需求計劃制造資源計劃企業(yè)資源計劃準時生產精益生產敏捷制造先進制造技術的體系結構第三節(jié)先進制造技術的內涵和體系結構第四十五頁，共52頁。1、先進設計技術設計方法現(xiàn)代化產品動態(tài)分析和設計產品可靠性可維護性及安全設計產品優(yōu)化設計快速響應設計創(chuàng)新設計智能設計仿真與虛擬設計價值工程設計模塊化設計先進制造技術的學科內容設計手段計算機化有限元法優(yōu)化設計計算機輔助設計反求工程技術CAD/CAM一體化技術工程數(shù)據(jù)庫向全壽命周期設計發(fā)展由單純考慮技術因素轉向綜合考慮技術、經濟和社會因素綠色設計第三節(jié)先進制造技術的內涵和體系結構