先进制造技术第1章.ppt

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1、先进制造技术先进制造技术（第3版）扬州大学扬州大学王隆太王隆太第第1 1章章 制造业与先进制造技术制造业与先进制造技术内容要点：内容要点：制造业地位和作用制造业地位和作用制造业发展与进步制造业发展与进步先进制造技术提出背景先进制造技术提出背景先进制造技术内涵、特征及其体系结构先进制造技术内涵、特征及其体系结构工业工业4.04.0、工业互联网、中国制造、工业互联网、中国制造202520251.1.1制造与制造业制造与制造业1.1.2制造业地位和作用制造业地位和作用1.1.3制造业的发展与进步制造业的发展与进步1.1 1.1 制造业的地位及其发展制造业的地位及其发展包括市场分析、产品设计、加工装配

2、、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1.1.1制造与制造业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，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是所有与制造有关的企业群体制造业制造业我我国国制制造造业业分分类类和和构构成成我国制造业（我国制造业（3030行业）行业）农副食品加工业农副食

3、品加工业家具制造业家具制造业石油化工业石油化工业医药制造业医药制造业金属制品业金属制品业通用设备制造业通用设备制造业交通运输设备制造业交通运输设备制造业仪器仪表仪器仪表.等等机械制造业（机械制造业（1313大类）大类）农业机械农业机械内燃机内燃机工程机械工程机械仪器仪表仪器仪表文化办公设备文化办公设备石油化工通用机械石油化工通用机械重型矿山机械重型矿山机械机床工具机床工具电工电器电工电器机械基础件机械基础件食品包装机械食品包装机械汽车汽车其他民用机械其他民用机械注：根据注：根据GB/T4754-2011标准分类标准分类国民经济三大产业国民经济三大产业制造业制造业、建筑业、采掘业以及电力、建筑业

4、、采掘业以及电力、煤气、水的生产供应业煤气、水的生产供应业工业工业农业、林业、蓄禽业、水产业农业、林业、蓄禽业、水产业农林牧业农林牧业商业、金融、房地产、经贸等商业、金融、房地产、经贸等服务业服务业我国制造业占工业产值我国制造业占工业产值85.79%，占整个国家占整个国家GDP的的36%。1.1.2 1.1.2 制造业地位和作用制造业地位和作用一个国家经济发展的一个国家经济发展的支柱支柱支柱支柱国民经济收入的国民经济收入的重要来源重要来源重要来源重要来源工业经济年代经济增长的工业经济年代经济增长的“发动机发动机发动机发动机”一个国家一个国家经济经济强强大、大、经济腾飞经济腾飞的的重要基重要基重

5、要基重要基础础础础制造业制造业地位地位1）制造业地位）制造业地位2）制造业作用）制造业作用提供提供人们衣、食、住、行人们衣、食、住、行物质消费物质消费决定决定全社会的长远全社会的长远效益效益和经济的持续和经济的持续增长增长国际商品贸易的国际商品贸易的保证保证(美国美国78%,日本日本96%,我国我国81%-95)农业基础地位的农业基础地位的物质保障物质保障，服务业发展的，服务业发展的重要条件重要条件信息产业发展的信息产业发展的物质基础物质基础农业劳动力转移和就业的农业劳动力转移和就业的重要途径重要途径为科技和教育发展提供为科技和教育发展提供经费支持经费支持和和实验装备实验装备实现实现军事现代化

6、和国家安全的军事现代化和国家安全的保障保障1.1.3 1.1.3 制造技术的发展与进步制造技术的发展与进步 人类历史上先后发生了三次工业革命人类历史上先后发生了三次工业革命，当前正酝酿制造当前正酝酿制造智能化智能化新一轮工业革命新一轮工业革命。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、生产方式单件单件/小批量生产小批量生产-20世纪前，以手动操作机器作坊式生产方式，生产效率低，劳动繁重。少品种大批量生产少品种大批量生产-20世纪初，以装配流水线为标志的大批量生产方式，极大提高生产率，大

7、幅度降低生产成本。多品种小批量生产多品种小批量生产-上世纪60年代，为满足日趋主体化、个性化、多样化市场需求，出现了多品种小批量生产方式，按订货组织生产。大批量定制生产大批量定制生产-进入21世纪，基于相似性原理将产品和生产过程重组，将多样化定制产品的生产转化为零部件的批量化生产，以提高生产 效率、降低生产成本。2、制造技术、制造技术机械化机械化-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。刚性自动化刚性自动化-20世纪初针对大批量生产模式，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。柔性自动化柔性自动化-二次大战后，随

8、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促进 了制造业向综合集成自动化发展，包括CIM、CE、LP、AM、IM、CM等。智能自动化智能自动化-近年来，随着云计算、大数据、物联网等新一代信息化技术发展，正推动着制造业向着智能自动化发展。3、资源配置、资源配置劳动密集型劳动密集型-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：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）设备密集型（资本

9、密集）-产品生产过程中设备成本所占比例较大。特点：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）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：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。1.21.2先进制造技术提出及主要工业国发展对策先进制造技术提出及主要工业国发展对策1.2.1 1.2.1 先进制造技术提出背景先进制造技术提出背景1.2.2 1.2.2 先进制造技术特征先进制造技术特征1.2.3 1.2.3 主要工业

10、国家发展对策主要工业国家发展对策1、社会经济背景、社会经济背景 消费者需求消费者需求-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。2、科学技术背景、科学技术背景制造技术进步制造技术进步-传统制造技术与材料、电子、信息、控制等技术融合。现代制造业发展现代制造业发展信息化与工业化融合使制造业成为技术密集与知识密集型产业。3、可持续发展战略背景、可持续发展战略背景资源匮泛，污染严重，可持续发展要求资源匮泛，污染严重，可持续发展要求。在在上上述述社社会会经经济济、科科学学技技

11、术术及及可可持持续续发发展展背背景景下下，由由美美国国率率先先提提出出了了先先进进制造技术，以获取全球范围的竞争优势。制造技术，以获取全球范围的竞争优势。1.2.11.2.1 先进制造技术提出背景先进制造技术提出背景 先进制造技术内涵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。先进制造技术特征先进制造技术特征1 1）实用性）实用性-不追求技术的高新程度，注重实际效果的实用技术。2 2）应用广泛性）应用广泛性-涉及产品设计、生产制造、销售服务等全生命周期所有 技术。3 3）发展动态性）发展动态性在不

12、断吸收各类高新技术，其内涵在不断的更新与变化。4 4）技术集成性）技术集成性是机械、电子、信息、材料和管理等技术的集成。5 5）系统性）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。6）强调优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产强调优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。7）最终目标是提高市场响应能力和竞争能力最终目标是提高市场响应能力和竞争能力。1.2.2 1.2.2 先进制造技术的内涵与特征先进制造技术的内涵与特征1、美国、美国从20世纪初，美国制造业就稳居世界霸主地位。但由于忽略制造业的发展，国家GDP曾多次严重下滑。1.2.3 1.2.3 主要工业国家发展策对策主要工业国家发展

13、策对策美国近美国近50年年GDP与制造业关系变化图与制造业关系变化图为了重振霸主雄风，美国政府推出一系列先进制造业发展计划，包括“先进技术计划”、“先进制造技术计划”和“下一代制造行动框架”。2008年次贷危机和泡沫经济破裂后，提出了“再工业化”策略，意在夺回美国制造业的优势。2009年奥巴马签署了美国制造业再振兴框架；2011年，推出了“先进制造伙伴计划（AMP）”，鼓励产官学研合作，计划建立十几个制造创新基地，重振美国的制造业；2012年提出建立制造创新研究网络（NNMII）建议；2013年美国国家预算对先进制造业的研究拨款增加了19；1、美国、美国2、德国、德国德国是全球制造业中最具竞争

14、力的国家之一：其装备制造业全球领先；2004年机械制造业产值达1360亿欧元，夺得当年世界机械产品市场分额第一和出口第一的宝座。2011年提出工业4.0概念，使德国制造业继续处于世界领先地位。2013年正式实施“工业工业4.0”计划计划。3、日本、日本二战后日本制造业迅猛发展：上世纪60年代工业年均增长率达13%；上世纪70年代基本实现工业现代化；到80年代超越欧洲工业国，成为世界第二大制造国。自90年代进入近20年停滞期，但仍鼓励先进制造业的发展：1980年颁布推进创造性科学技术规划；1985年制定促进基础技术开发税制，实行税金扶待政策；1995年提出“科技创新立国”战略，颁布科学技术基本法

15、。日本在发展先进制造业方面最为成功之处，是生产模式的创新，诸如日本在发展先进制造业方面最为成功之处，是生产模式的创新，诸如精益生产模式、作业站生产模式和以人为本的经营管理模式等。精益生产模式、作业站生产模式和以人为本的经营管理模式等。4、中国、中国目前我国制造业正面临“前有围堵后有追兵”的局面：劳动力红利即将结束，较多发展中国家接纳不少产业转移；欧美发达国家正引领新一轮产业革命；资源环境制约，持续发展面临诸多问题；技术创新能力薄弱；产业结构调整任务艰巨。中国政府促进先进制造技术发展中国政府促进先进制造技术发展对策：对策：1999年开展了“支持产品创新先进制造技术若干基础性研究”；2014年首次

16、提出中国制造2025概念2015年5月19日，国务院正式印发中国制造中国制造2025。1.3 1.3 先进制造技术体系结构与分类先进制造技术体系结构与分类1.3.1 1.3.1 先进制造技术的体系结构先进制造技术的体系结构1.3.2 1.3.2 先进制造技术分类先进制造技术分类1.3.1 1.3.1 先进制造技术体系结构先进制造技术体系结构1、FCCSET先进制造技术体系结构先进制造技术体系结构包括主体技术群、支撑技术群和基础技术群三大组成部分。2、AMST先进制造技术体系结构先进制造技术体系结构由里到外包含有基础制造技术、单元制造技术和系统集成技术三个不同的层次，反应了先进制造技术由基础到单

17、元，再到系统集成的发展过程。1.3.2 1.3.2 先进制造技术分类先进制造技术分类根据先进制造技术的功能特征，结合中国制造2025，以及便于组织教学需要，本书将先进制造技术归纳为如下几大类：现代设计技术：现代设计技术：现代设计方法、产品可信性设计、设计自动化技术等先进制造工艺：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、现代表面工程技术等。制造自动化技术：制造自动化技术：自动化加工设备、运储自动化、装配自动化、检测自动 化等技术企业信息化管理技术：企业信息化管理技术：包括企业经营管理、产品全生命周期管理、制造执行管理、供应链管理、客户关系管理等。先进制造生产模

18、式：先进制造生产模式：包括有计算机集成制造、并行工程、精益生产、敏捷制造、智能制造等。1.4.1工业工业4.01.4.2工业互联网工业互联网1.4.3中国制造中国制造20251.4 1.4 当前制造业主要发展战略与对策当前制造业主要发展战略与对策 1.4.1 1.4.1 工业工业4.04.0工业工业4.04.0由德国于由德国于20112011年提出，年提出，20132013年发布年发布“工业工业4.04.0实施建议实施建议”。主要内容主要内容可可概括为一个网络、双重策略、三项集成和八项重大举措。概括为一个网络、双重策略、三项集成和八项重大举措。1 1）一个网络）一个网络-信息物理系统信息物理系

19、统 CPS网络是工业4.0重要基础，可将生产过程的物理世界与虚拟世界建立交互关系。2）双重策略）双重策略-领先的市场和领先的市场和领先的领先的供应商供应商将工业4.0成为德国用于撬动市场潜力的杠杆，以增强德国装备制造业 3 3）三项集成）三项集成 横向集成横向集成-通过CPS价值链，实现企业间的资源整合。端到端集成端到端集成是将所有该连接的端点都予以互联集成起来。纵向集成纵向集成-是指企业内部管理流程的集成。4 4）八项举措）八项举措 在八大关键领域优先执行：标准化和参考框架；复杂系统的管理模型；一套综合的工业宽带网基础实施；安全和保障；工作的组织和设计；培训和持续的职业发展；制度与法规；资源

20、利用效率。1.4.2 1.4.2 工业互联网工业互联网工业互联网是由美国通用电气（工业互联网是由美国通用电气（GE）倡导的未来制造业发展新模式，）倡导的未来制造业发展新模式，强调通过智能机器间的连接，结合软件和大数据技术强调通过智能机器间的连接，结合软件和大数据技术以以重构全球制造业。重构全球制造业。工业互联网战略目标工业互联网战略目标：将互联网与工业融合，以重塑制造业竞争优势，推 动以工业互联网为代表的先进制造业的发展。2012年由美国GE公司提出；2014年以GE牵头的五家龙头企业联手组建了美国工业互联网联盟；目前致力制定一套工业互联网通用标准，借此可打破不同公司产品技 术壁垒，实现数据共

21、享，更好实现CPS的物理世界和数字世界融合。工业互联网核心内容工业互联网核心内容：充分发挥互联网、大数据和云计算的作用，打造一 个稳定、可靠、安全、实时、高效的全球工业互联网络，推动整个工业 产业链的工作效率全面提升。工业互联网与工业工业互联网与工业4.04.0相似相似 1 1）需求升级是共同的诱因）需求升级是共同的诱因 工业4.0是针对市场个性化需求产生的智能制造模式；工业互联网是针对高投入、高消耗、高排放传统模式升级提出的。2 2）CPSCPS是相同的内核是相同的内核，即，即CPSCPS CPS是工业 4.0的基础和核心；工业互联网其内涵和功能即为CPS。GE将工业互联网界定为“大数据+物

22、联网”。3 3）融合发展与产业升级是共同的发展方向）融合发展与产业升级是共同的发展方向。工业4.0和工业互联网概念 均反映工业和互联网的融合是推动现有生产体系转型的主要途径。4 4）均将走向智能化制造模式）均将走向智能化制造模式 工业4.0重点是发展智能生产与智能工厂，力图打造智能制造领先者；工业互联网通过互联网与工业技术的融合打造万物互联的智能世界。5 5）标准和安全是共同突出强调的基础）标准和安全是共同突出强调的基础 两者都认为建立一套通用统一的标准体系是决定新模式能否被市场广泛接受的关键因素。6 6）企业是推广应用的关键主体）企业是推广应用的关键主体。两者都认为先导企业和领头科研院所 将

23、起着核心作用，而国家政府仅起着某种协调作用。工业互联网与工业工业互联网与工业4.04.0异同点异同点 1 1）工业互联网概念和内涵比工业）工业互联网概念和内涵比工业4.04.0更为宽阔更为宽阔 工业4.0作用于制造业，是将德国制造商打造为智能制造领先者；工业互联网是将人、数据和机器连接，推动整个产业生态体系变革。2 2）实现路径侧重点不同）实现路径侧重点不同 工业4.0突出提升“硬”制造的实力；工业互联网侧重软件、网络和大数据技术，强化“软”实力 3 3）强调重点有所差异）强调重点有所差异 工业4.0强调智能改造，使生产过程从自动化向智能化演进；工业互联网强调利用大数据挖掘技术，降低成本、提高

24、效率。4 4）推进效果已呈现差异化趋势）推进效果已呈现差异化趋势 工业4.0实际推动效果不及完全由企业自主推动的工业互联网，全球 各领域龙头企业正在工业互联网联盟下逐渐形成聚集态势。1.4.3 1.4.3 中国制造中国制造20252025发展背景发展背景 1 1）全球制造业格局面临重大调整）全球制造业格局面临重大调整欧美工业国家纷纷推出“再工业化”，力图抢占竞争制高点；印度、越南等新兴经济体利用后发与低成本优势实现强国目标；我国制造业需找准定位，将制造大国建设为制造强国。2 2）我国经济发展环境发生重大变化）我国经济发展环境发生重大变化2010年成为全球制造业第一大国，但大而不强；重要矿产资源

25、对外依存度高，资源环境成为制造业发展关键因素；劳动年龄人口连续六年下降。3 3）建设制造强国任务艰巨而紧迫）建设制造强国任务艰巨而紧迫虽以具备建设工业强国的基础和条件，但仍差距较大，自主创新能力弱、产业结构不合理、高端装备对外依存度高。德国工业4.0是在工业1.0、2.0，基本完成工业3.0基础上提出的发 展战略，是一种自然串联式发展。我国必须走工业2.0补课、工业 3.0普及、工业4.0”示范的“并联式”发展道路。战略目标战略目标-实现由制造大国迈向制造强国的宏伟目标。1 1）制造强国的特征）制造强国的特征雄厚的产业规模、成熟健全的产业体系雄厚的产业规模、成熟健全的产业体系，在全球制造业占有

26、相当比重；优化的产业结构优化的产业结构，拥有众多较强竞争力的跨国企业；良好的质量效益良好的质量效益，制造业生产技术水平世界领先；持续的发展能力持续的发展能力，体现高端化发展能力和长期发展潜力。2 2）三步走战略。）三步走战略。第一步：2025年基本实现工业化，使中国制造业迈入制造强国行列。第二步：2035年成为工业强国，综合指数达到世界制造强国中等水平。第三步：到新中国成立一百年时进入世界强国第一方阵。核心内容核心内容 1 1）研究制定智能制造发展战略）研究制定智能制造发展战略 编制智能制造发展规划，加快制定智能制造技术标准，强化应用牵引，促进工业互联网、云计算、大数据的综合集成应用。2 2）

27、加快发展智能制造装备和产品）加快发展智能制造装备和产品 组织研发高档数控机床、工业机器人和增材制造装备等智能制造装备 突破智能核心装置，推进工程化和产业化。3 3）推进制造过程智能化）推进制造过程智能化 在重点领域试点建设智能工厂、数字化车间，促进智能工艺的仿真优 化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制。4 4）深化互联网在制造领域的应用）深化互联网在制造领域的应用 制定互联网与制造业融合发展的路线图，发展基于互联网新型制造模 式，推动形成基于消费需求动态感知的研发、制造和产业组织方式。5 5）加强互联网基础实施建设）加强互联网基础实施建设 加强工业互联网基础设施建设规划与布局，加快制造

28、业集聚区光纤网、移动通信网和无限局域网的部署和建设。十大重点发展领域十大重点发展领域 1 1）新一代信息技术产业）新一代信息技术产业 2 2）高档数控机床和机器人）高档数控机床和机器人 3 3）航空航天装备。）航空航天装备。4 4）海洋工程装备及高技术船舶。）海洋工程装备及高技术船舶。5 5）先进轨道交通装备。）先进轨道交通装备。6 6）节能与新能源汽车。）节能与新能源汽车。7 7）电力装备。）电力装备。8 8）农机装备。）农机装备。9 9）新材料。）新材料。10 10）生物医药及高性能医疗器械。）生物医药及高性能医疗器械。中国制造中国制造20252025与工业与工业4.04.0、工业互联网三

29、者比较、工业互联网三者比较表表1.3中国制造中国制造2025与工业与工业4.0、工业互联网比较、工业互联网比较指标指标工业互联网工业4.0中国制造2025相相同同点点目标均针对各自国家产业发展所提出的先进制造业发展战略。技术均将CPS作为未来制造业发展核心，注重信息化、网络化、智能化等方面的创新研究。不不同同点点特点倡导人、数据和机器间的连接。制造业与信息化融合。信息化与工业化深度融合。愿景保持制造技术领先地位，解决全球所面临的资源短缺、能源利用效率及人口变化等问题。保持未来制造业领导地位，实现先进制造业创新，开拓新产业，引领全球制造业走向。跻身世界制造强国，提升信息化水平、优化产业结构、提高

30、产品质量，增多著名世界品牌。技术领域注重生产模式、生产管理、生产安全等高层面的制造理念，达到以网络化、智能化为特征的新工业革命生产模式。注重制造业中的先进传感、先进控制和平台系统，注重虚拟化、信息化和数字化制造，致力于CPS具体化实施。关注制造技术、制造业结构、制造水平提升，注重航空航天、船舶、轨道交通、电力、农机、医疗器械等领域的高端制造装备。行动路径以“软”服务为主，应用软件、网络、大数据等信息技术重塑工业格局。通过CPS价值网络实现横向集成、端到端集成以及企业内部纵向集成改造制造业。通过智能制造，带动产业数字化和智能化水平的提高。国情国情工业发展进程信息产业与先进制造业独占鳌头，完成“工

31、业2.0”、“工业3.0”。装备制造业全球领先，信息技术地位显著，完成“工业2.0”，基本完成“工业3.0”。创新能力不强，核心技术缺乏，产业结构不合理，处于“工业2.0”和“工业3.0”并行发展阶段。制造制造：是将原材料转变为社会产品的生产过程。制造业制造业：是所有与制造相关的生产和服务型企业群体的总称，是国民经济的支柱性产业，是一个国家综合国力的重要体现。先进制造技术先进制造技术：是在激烈市场竞争、科学技术进步及可持续发展背景下于20世纪80年代末由美国提出，并得到工业国家的积极响应。先进制造技术体系结构先进制造技术体系结构：是由基础制造技术、单元制造技术和系统集成三个不同层次的技术组成。世界工业大国发展战略世界工业大国发展战略：工业工业4.0：概括为一个网络、双重策略、三项集成和八项重大举措。工业互联网工业互联网：通过智能机器间连接，结合云计算和大数据挖掘技术重构全球制造业。中国制造中国制造2025：实现由制造大国转变为制造强国的宏伟目标。第一步：2025年基本实现工业化；第二步：2035年成为工业强国；第三步：到新中国成立一百年进入世界强国第一方阵。本章小结本章小结