第一章制造业与先进制造技术

第一章制造业与先进制造技术第一页，共52页。董雁教授先进制造技术第二页，共52页。

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23制造业的发展与挑战先进制造技术的提出和进展先进制造技术的内涵和体系结构第一章制造业与先进制造技术第三页，共52页。制造与制造业制造按照市场需求；运用知识和技能，利用客观物资工具；将原材料物化为最终物质产品并投放市场的全过程。定义狭义：机电产品的机械加工工艺过程；广义：国际生产工程学会1990年：涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。制造过程----产品生命周期产品从设计、生产、使用、维修、报废、回收等的全过程。第一节制造业的发展与挑战第四页，共52页。制造与制造业制造系统制造业的基本组成实体。结构是制造过程所涉及的硬件（物料、设备、工具、能源等）、软件（制造理论、工艺、信息等）、人员所组成的具有特定功能的有机整体；功能输入制造系统的资源（原材料、能源、信息、人力...）通过制造过程输出产品；第一节制造业的发展与挑战第五页，共52页。制造与制造业制造业将制造资源，包括物料、设备、工具、资金、技术、信息和人力等，通过制造过程转化为可供人们使用和消费的产品的行业；包括一般机械、食品工业、化工、建材、冶金、纺织、电子电器、运输机械等；

我国制造业的分类和构成类别构成比例类别构成比例类别构成比例金属制品3.395食品工业15.335油加工3.870一般机械8.625纺织7.193化工15.586运输机械6.424其他制造1.681建材7.299电器设备5.125服装5.018黑色冶金6.908电子设备4.588家具1.542有色冶金2.120仪器仪表0.998文教用品4.292第一节制造业的发展与挑战第六页，共52页。制造的地位和作用国民经济三大产业：农业、工业和服务业；工业包括制造业、建筑业、采掘业及电力、煤气、水的生产供应业；我国工业在国民经济中所占比例为52%，其中制造业产值又占工业总产值的45％左右；工业化国家中约1/4人口从事各种形式的制造活动；第一节制造业的发展与挑战制造业第七页，共52页。制造的地位和作用第一节制造业的发展与挑战第八页，共52页。制造的地位和作用社会对制造业提出了更高要求。据预测：到2020年制造业工业增加值增长率

将高于GDP的增长率；按当年价格计算，2020年制造业工业增加值占GDP比重为37.66%，比2003年略有增加；从产业结构看，轻纺工业所占比重将降低，机械电子制造业比重将增加到40%左右（美国1990年为42.35%）。第一节制造业的发展与挑战2020年制造业发展目标第九页，共52页。制造技术的发展1）用机器代替手工，从作坊形成工厂19世纪机器在英国诞生，先后传人法国、德国和美国。2）从单件生产方式发展成大量生产方式泰勒：以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理。福特：零件互换技术，1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术柔性制造系统、计算机集成制造系统、网络化制造、智能制造系统、及时生产、精良生产、敏捷制造……第一节制造业的发展与挑战制造业发展的历程第十页，共52页。制造技术的发展一、美国的教训1)上世纪70年代，美国不重视制造业，把制造业称为“夕阳工业”，结果导致美国80年代的经济衰退。2)1991年，布什政府期间，美国白宫科学技术政策办公室发表了总数为22项的美国国家关键技术，其中制造技术占4项，标志着美国科技政策的转变。3)克林顿上台后，把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展，使美国的经济连续8年取得了2-3%的增长率，而且还同时保持低通胀率和低失业率。第一节制造业的发展与挑战制造业发展的教训第十一页，共52页。制造技术的发展二、日本的经验1）在上世纪70-80年代，日本非常重视制业，特别大抓了汽车制造和微电子制造，结果日本的汽车和家用电器占领了全世界的市场，特别是大举进入了美国市场。2）日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件。海湾战争结束后，日本人说美国赢得这场战争是依靠的日本的芯片，是“日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。第一节制造业的发展与挑战制造业发展的教训第十二页，共52页。制造技术的发展三、经济危机的启示1）一个国家发展制造业的重要。一个国家，如果把经济的基础放在股票、旅游、金融、房地产、服务业上，而无自己的制造业，这个国家的经济就容易形成泡沫经济，一有风吹草动就会产生经济危机。2）中国有自己的制造业，因此受经济危机的影响小一些。第一节制造业的发展与挑战制造业发展的教训第十三页，共52页。制造技术的发展四、瑞士依靠什么使人均产值居世界第一？1）瑞士是一个仅700万人口的小国，但瑞士的制造业十分发达，瑞士的精密机械产品的出口量是我国的8倍，瑞士的手表世界第一，连小小的军刀，也风靡全世界。2）现在瑞士年人均国民生产总值达到4.3万美元以上，居世界第一。第一节制造业的发展与挑战制造业发展的教训第十四页，共52页。制造技术的发展第一次产业革命：1733-18781）又称为：蒸汽革命。2）产业革命的标志：瓦特发明的蒸汽机。3）英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明。4）制造业和瓦特的发明推动了热力学理论的诞生。第一节制造业的发展与挑战制造业是产业革命的主力军第十五页，共52页。制造技术的发展第二次产业革命：1879-19451）又称为：电气革命。2）产业革命的标志：电灯（爱迪生）、电话（贝尔）、电机（西门子）等电气化产品。3）制造业肇始了电的应用，而后才有麦克斯韦电动力学理论的诞生。4）麦克斯韦电动力学理论推动了20世纪初开始的无线电、微波、雷达、合成孔径、微波成像、卫星通信、宇宙微波探测等技术的发展。5）牛顿力学和电动力学又为量子力学的发展指引了道路，导致了量子场论的创立。第一节制造业的发展与挑战制造业是产业革命的主力军第十六页，共52页。制造技术的发展第三次产业革命：1945-19721）又称为：电子（原子）革命。2）产业革命的标志：原子弹（1945）、电子计算机（1946）、晶体管（1948）、集成电路、微电子技术等。3）微电子制造技术开创了全新的信息时代。第一节制造业的发展与挑战制造业是产业革命的主力军第十七页，共52页。制造技术的发展第四次产业革命：1973-1）又称为：高新技术产业革命。2）产业革命的标志：众多高新技术产品，如微电子产品、电脑、新一代通信产品、新一代汽车、磁悬浮列车、新一代飞机、机器人、生物工程产品、新一代药物、绿色食品、转基因产品等等。3）微器件制造工艺，如拉单晶、掺杂、扩散、离子注入、外延、溅射、化学沉积（CVD）、光刻、表面贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把高新技术产业革命推向顶峰。第一节制造业的发展与挑战制造业是产业革命的主力军第十八页，共52页。第一节制造业的发展与挑战20世纪改变世界的重要机电产品序产品发明时间（年）发明者1汽车1885/1903德国奔驰/美国福特2飞机1903美国莱特兄弟3火箭1903俄国齐奥尔科夫斯基4电冰箱1917美国5电影机1919/36德国福格特6电视机1927/40美国贝尔7喷气发动机1937英国惠特尔8原子弹1945美国日本9计算机1946美国莫切利埃克特10晶体管1948美国肖克利11核电站1951美国12数控机床1951美国MIT13氢弹1952美国特勒第十九页，共52页。第一节制造业的发展与挑战序产品发明时间（年）发明者14机器人1954美国戴沃尔15人造卫星1957苏联16宇宙飞船1961苏联加加林17飞船登月1969美国阿波罗18载人航天飞机1977美国19磁悬浮列车1965日本时速400～500公里/时20光纤通信设备1968美国21芯片1971/1999美国intel950万晶体管/片22扫描隧道显微镜1986日本工业技术院23掌上电脑1992美国APPLEnewton24手机90年代初美国25信息高速公路1993美国nationalinformationinfrastruture（Nii）20世纪改变世界的重要机电产品第二十页，共52页。1.信息科学技术目前是发展高峰期，预计其中心科学技术的地位还可持续四十年。2.生命科学技术现在已开始注重其发展与应用，预计21世纪30年代开始逐步转变为中心科学技术。3.认知科学技术智能化趋势现已显露，预计21世纪70年代开始将成为科学技术发展的中心。第一节制造业的发展与挑战21世纪科学技术发展总趋势第二十一页，共52页。21世纪制造业面临的挑战和特征(1)国际形势的变化90年代以来，世界出现了多级化的新格局；

政治冷战→经济热战国际竞争和对抗的焦点由军备竞赛转向全球范围内的以科技为先导，经济为基础、军事为后盾的综合国力的较量；产业技术和经济实力成为政治对抗的重要资本；不计生产成本和代价的军品生产模式不适于新形势下的生产；“战略伙伴”关系中经济色彩突出；提高制造业产品竞争能力，发展高技术，尤其是独具知识产权的产业技术成为未来抢占经济制高点、振兴国家经济的焦点；第一节制造业的发展与挑战第二十二页，共52页。21世纪制造业面临的挑战和特征(2)制造业市场竞争的新特点1)知识－技术－产品更新的周期更短7880828486889092

94962时间46810平均产品寿命TL平均开发时间TDTD>TL年数第一节制造业的发展与挑战第二十三页，共52页。波音777的设计和制造全数字化定义——无纸生产数字化预装配——无金属样机的生产(虚拟制造的一部分)

广域网上的异地设计、异地制造基于STEP的数据交换协同工作小组Teamwork238个设计制造周期大大缩短：4年（而波音757、767约9-10年）更大的利润，每架777，$1.4亿基于分布式CAD/CAM系统在8台IBM大型计算机ES/9000和IBM5080～5086图形终端，发现零件干涉2500处，减少工程更改50％以上设计、工艺、制造、供应商、潜在用户的工作小组，7000人参加，采用并行工程的模式。Internet将发动机供应商GE、HP和诺依斯罗斯联在一起。63M长的波音777，装配准误差仅0.58mm.第一节制造业的发展与挑战20世纪90年代制造业的标志性进展第二十四页，共52页。研制周期交付周期研制周期01234567891070772773774775776777751596263727290年57646871828194.5(年)波音各种机型研制交付周期比较第一节制造业的发展与挑战第二十五页，共52页。21世纪制造业面临的挑战和特征(2)制造业市场竞争的新特点2)产品批量更小； 汽车生产：大批量生产→大批量定制生产；3)顾客对产品功能、性能、质量的要求更高；4)能参与全球竞争的企业 更多；5)跨国公司的垄断性 更明显；6)企业的兼并重组 更激烈、更动荡；7)一般水平的产品及制造能力严重过剩；8)人口老龄化 更严重；9)环保意识、绿色制造呼声 更强。第一节制造业的发展与挑战第二十六页，共52页。21世纪制造业面临的挑战和特征(2)制造业市场竞争的新特点第一节制造业的发展与挑战第二十七页，共52页。21世纪制造业面临的挑战和特征(2)制造业市场竞争的新特点“中心”的变化以产品为中心以顾客为中心以市场为中心第一节制造业的发展与挑战第二十八页，共52页。21世纪制造业面临的挑战和特征(3)制造全球化和贸易自由化原因：世界自由贸易体制进一步完善全球交通运输进一步完善全球通讯网络建立导致：全球产业界结构大调整世界逐步形成一个统一的大市场使得：供应与需求国家化、国际化；对于同一用户、同一产品，可供选择的市场国际化、竞争国际化；

任何国家、地区，不论实行怎样的社会制度，不可能离开世界市场而独立谋求发展；制造业发展应该进入国家目标层次，才能促进经济增长第一节制造业的发展与挑战第二十九页，共52页。21世纪制造业面临的挑战和特征(3)制造全球化和贸易自由化跨国公司的生产总值占工业化国家生产总值的40%跨国公司的贸易占世界贸易总值的50%跨国公司的工业研制费占世界总值的80%跨国公司操纵了世界技术转让的75%跨国公司操纵了对发展中国家技术贸易的90%第一节制造业的发展与挑战第三十页，共52页。21世纪制造业面临的挑战和特征(4)科技进步与信息社会科技进步精密、超精密、微纳米加工检测、新材料等新一代工程科学与技术；信息社会企业信息化技术；第一节制造业的发展与挑战第三十一页，共52页。21世纪制造业面临的挑战和特征(5)环境保护意识的增强与可持续发展环境问题：大量消耗资源和破坏环境的传统工业发展模式与工艺技术系统引起了严重的环境问题；可持续发展思想：重视环境方面对制造业及其产品的制约的社会压力，国家政策与立法经济手段；结论：面向可持续发展的生态安全型和资源节约型的制造技术将是制造领域中需解决的一个重要问题；第一节制造业的发展与挑战第三十二页，共52页。制造技术的进步和发展制造技术制造业所使用的一切生产技术的总称，是将原材料和其他生产要素经济合理地转化为可直接使用的具有较高附加值的成品/半成品和技术服务的技术群；制造技术的发展历程制造业的生产规模小批量→少品种大批量→多品种变批量；制造业的资源配置劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集；生产方式手工→机械化→单机自动化→刚性流水自动化→柔性自动化→智能自动化；第二节先进制造技术的提出和进展第三十三页，共52页。先进制造技术产生背景先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology－AMT)是制造业为了适应现代生产环境及市场的动态变化，在传统制造技术基础上通过不断吸收科学技术的最新成果而逐渐发展起来的一个新兴技术群；先进制造技术的产生和发展有其自身的社会经济、科学技术以及可持续发展的根源和背景；社会经济发展背景买方市场；个性化需求------多品种变批量成为主导生产方式；快速响应------产品生命周期缩短；市场全球化------全球化竞争和合作；第二节先进制造技术的提出和进展第三十四页，共52页。先进制造技术产生背景科学技术发展背景制造技术从20世纪初逐步地由技艺发展为集机械、材料、电子及信息等多门学科的交叉科学－制造工程学；计算机技术：数控机床的出现；信息技术：企业信息化；其他技术：新材料、新型加工工艺等；可持续发展战略世界环境与发展委员会于1987年向联合国42届大会递交的报告《我们共同的未来》正式提出可持续发展的概念；既满足当代人的需求，又不对子孙后代满足其需求之生存环境构成危害的发展；建立极少产生废料和污染物的工艺或技术系统；第二节先进制造技术的提出和进展第三十五页，共52页。先进制造技术进展以微见著——精密化是机械制造发展的核心以综见著——自动化是机械制造发展的途径以网见著——信息化是机械制造发展的急需以智见著——智能化是机械制造发展的方向第二节先进制造技术的提出和进展p第三十六页，共52页。先进制造技术进展超精密加工的重要性关系到导弹命中率的惯导仪器的精密陀螺仪，陀螺转子质量中心偏离对称轴0.5nm，会引起100m的射程误差；n=10-9传动齿轮的齿形及齿距误差若能从目前的3～6μm降低到1μm，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩将提高近一倍；磁盘的存储量很大程度上取决于磁头与磁盘之间的距离(飞行距离)，目前已达0.3μm。第二节先进制造技术的提出和进展以微见著——精密化是机械制造发展的核心第三十七页，共52页。先进制造技术进展硅片制造工艺流程硅片趋于大直径化，达400mm；硅片厚度薄型化，小于50μm；表面平整度<0.1μm；第二节先进制造技术的提出和进展以微见著——精密化是机械制造发展的核心第三十八页，共52页。先进制造技术进展采用硅微工艺刻蚀制造的微机械手以微见著——精密化是机械制造发展的核心第二节先进制造技术的提出和进展第三十九页，共52页。先进制造技术进展数控机床第二节先进制造技术的提出和进展以综见著——自动化是机械制造发展的途径第四十页，共52页。先进制造技术进展工业机器人第二节先进制造技术的提出和进展以综见著——自动化是机械制造发展的途径第四十一页，共52页。先进制造技术进展虚拟公司第二节先进制造技术的提出和进展以网见著——信息化是机械制造发展的急需采购制造销售/分销需求产品PMS供应商PMS客户合同需求产品InternetInternet公司资产合同银行产品需求Intranet合同第四十二页，共52页。先进制造技术进展从傻瓜相机到傻瓜机床第二节先进制造技术的提出和进展以智见著——智能化是机械工程发展的方向“傻瓜”照相机的信息流照相机光强信号图像信号光圈电机控制信号调焦电机控制信号第四十三页，共52页。先进制造技术的内涵第三节先进制造技术的内涵和体系结构制造业不断吸收机械、电子、信息、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。第四十四页，共52页。主体技术相关技术数控技术计算机技术信息技术人机工程人工智能技术成组技术微电子技术激光技术传感技术其他基础技术机械科学系统工程管理科学市场/经济学其他材料科学控制工程优化理论人文/社会科学(1)现代设计技术计算机辅助设计优化设计反求工程可靠性设计价值工程绿色产品设计(2)先进制造工艺技术高速加工技术超精密加工技术快速原型制造技术微细加工技术(3)制造系统综合自动化技术分布式数控系统柔性制造系统集成制造系统智能制造系统(4)现代管理技术物料需求计划制造资源计划企业资源计划准时生产精益生产敏捷制造先进制造技术的体系结构第三节先进制造技术的内涵和体系结构第四十五页，共52页。1、先进设计技术设计方法现代化产品动态分析和设计产品可靠性可维护性及安全设计产品优化设计快速响应设计创新设计智能设计仿真与虚拟设计价值工程设计模块化设计先进制造技术的学科内容设计手段计算机化有限元法优化设计计算机辅助设计反求工程技术CAD/CAM一体化技术工程数据库向全寿命周期设计发展由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素绿色设计第三节先进制造技术的内涵和体系结构