【正文】 先進(jìn)制造技術(shù)與系統(tǒng)前 言 1第一章 先進(jìn)制造技術(shù)概述 1第一節(jié) 制造技術(shù)的基本概念與發(fā)展概況 2第二節(jié) 面向知識經(jīng)濟(jì)的制造業(yè) 5第三節(jié) 21世紀(jì)制造業(yè)的主要特點(diǎn) 8第四節(jié) 21世紀(jì)對制造業(yè)的挑戰(zhàn) 10第五節(jié) 先進(jìn)制造技術(shù)的基本內(nèi)容與體系結(jié)構(gòu) 11第六節(jié) 先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢 15第三章 先進(jìn)制造系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù) 48第一節(jié) 并行工程 48第二節(jié) 面向“X”的設(shè)計(jì)（ Design for X ） 57第三節(jié) 反求工程技術(shù)(Revese Engineering) 62第四章 制造自動化技術(shù) 64第一節(jié) 計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM) 64第二節(jié) 數(shù)控編程技術(shù) 66第三節(jié) CAPP技術(shù)——計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì) 70第四節(jié) CAD/CAPP/CAM集成技術(shù) 76第五節(jié) 柔 性 制 造 系 統(tǒng) 85第六節(jié) 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 91第五章 先進(jìn)制造系統(tǒng)管理技術(shù) 99第一節(jié) 概 述 100第二節(jié) 成組技術(shù)（Group Technology） 101第三節(jié) 準(zhǔn)時生產(chǎn)(JIT)管理方式 106第四節(jié) 精益生產(chǎn) 112第五節(jié) 敏捷制造 118前 言本課程將帶領(lǐng)你到一個神奇的領(lǐng)域中去游覽。這個領(lǐng)域與你的關(guān)系是如此之密切，以致于你每時每刻都在與它打交道。你目之所及、身之所用多是這一領(lǐng)域的勞動成果可是，對于這一領(lǐng)域，你可能又知之甚少，感到十分陌生。在新的世紀(jì)即將來臨的今天，對于這一領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對它所創(chuàng)造的令人驚異的奇跡與輝煌，你應(yīng)該有所了解。這個領(lǐng)域就是制造領(lǐng)域。本課程將向您講述當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的各方面知識,這些內(nèi)容，將會令你驚嘆，讓你著迷，鼓勵你開拓新的知識疆界，幫助你提高適應(yīng)新世紀(jì)的能力。制造業(yè)創(chuàng)造了人類的物質(zhì)文明，而今天的先進(jìn)制造技術(shù)又是人類物質(zhì)文明所創(chuàng)造的最偉大的奇跡之一。第一章 先進(jìn)制造技術(shù)概述先進(jìn)制造技術(shù)(Advance Manufacturing Technology，AMT)定義:是傳統(tǒng)制造技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)與管理科學(xué)等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)的綜合，并應(yīng)用于制造工程之中所形成的一個學(xué)科體系。第一節(jié) 制造技術(shù)的基本概念與發(fā)展概況 制造業(yè)的主要任務(wù)制造人類社會在生產(chǎn)和生活中所需的一切產(chǎn)品。即：一方面創(chuàng)造價值，產(chǎn)生物質(zhì)財(cái)富和新的知識。 另一方面為國民經(jīng)濟(jì)各個部門，包括國防和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展提供先進(jìn)的手段和裝備。據(jù)估計(jì)，工業(yè)化國家約70％80％的物質(zhì)財(cái)富來自制造業(yè)，因此，很多國家特別是美國把制定制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略列為重中之重，原因是①世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢表明，制造業(yè)是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，也是增強(qiáng)國家競爭力的基礎(chǔ)；②制造業(yè)是解決就業(yè)矛盾的一個重要領(lǐng)域，也是21世紀(jì)提高一個國家整體就業(yè)水平的重要基礎(chǔ)；③制造業(yè)不僅是高新技術(shù)的載體，而且也是高新技術(shù)發(fā)展的動力。一、制造系統(tǒng)與制造技術(shù) “制造”定義：(Manufacturing is series of interrelated activities and operations involving the design，materials selection，planning，production，quality assurance，management and marketing of the products of the manufacturing industries)。制造是一個涉及制造工業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)過程、質(zhì)量保證、經(jīng)營管理、市場銷售和服務(wù)的一系列相關(guān)活動和工作的總稱。 ——國際生產(chǎn)工程學(xué)會1990年 制造系統(tǒng)(Manufacturing Systern)定義： 制造系統(tǒng)是制造過程及其所涉及的硬件包括人員、生產(chǎn)設(shè)備、材料、能源和各種輔助裝置以及有關(guān)軟件包括制造理論、制造技術(shù)(制造工藝和制造方法等)和制造信息等組成的一個具有特定功能的有機(jī)整體。制造技術(shù)(Manufacturing Technology)定義：制造技術(shù)是按照人們所需的目的，運(yùn)用知識和技能，利用客觀物質(zhì)工具，使原材料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的技術(shù)總稱。先進(jìn)制造技術(shù)的提出和發(fā)展只是近20年間的事情。二、傳統(tǒng)制造業(yè)及其技術(shù)的發(fā)展 制造技術(shù)發(fā)展，從蒸汽機(jī)出現(xiàn)到今天，經(jīng)歷三個發(fā)展階段：1．用機(jī)器代替手工，從作坊形成工廠?在19世紀(jì)及20世紀(jì)初，各種金屬切削加工工藝方法陸續(xù)形成，近代制造技術(shù)已成體系。?機(jī)器(包括汽車)的生產(chǎn)方式是作坊式的單件生產(chǎn)。它產(chǎn)生于英國，先后傳到法國、德國和美國，并在美國首先形成了小型的機(jī)械工廠，使這些國家的經(jīng)濟(jì)得到了發(fā)展，國力大大增強(qiáng)。2．從單件生產(chǎn)方式發(fā)展成大量生產(chǎn)方式 推動這種根本變革的是兩位美國人：泰勒和福特。泰勒首先提出以勞動分工和計(jì)件工資制為基礎(chǔ)的科學(xué)管理，成為制造工程科學(xué)的奠基人。福特首先推行所在零件都按照一定的公差要求來加工(零件互換技術(shù))，1913年建立了具有劃時代意義的汽車裝配生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了以剛性自動化為特征的大量生產(chǎn)方式，它對社會結(jié)構(gòu)、勞動分工、教育制度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，都產(chǎn)生了重大的作用。20世紀(jì)50年代發(fā)展到了頂峰，產(chǎn)生了工業(yè)技術(shù)的革命和創(chuàng)新，傳統(tǒng)制造業(yè)及其大工業(yè)體系也隨之建立和逐漸成熟。近代傳統(tǒng)制造工業(yè)技術(shù)體系的形成，其特點(diǎn)是以機(jī)械一電力技術(shù)為核心的各類技術(shù)相互聯(lián)結(jié)和依存的制造工業(yè)技術(shù)體系。、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代制造技術(shù) 20世紀(jì)80年代以來所產(chǎn)生的現(xiàn)代制造技術(shù)沿著4個方向發(fā)展。傳統(tǒng)制造技術(shù)的革新、拓展；精密工程；非傳統(tǒng)加工方法；制造系統(tǒng)的柔性化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。 傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)和技術(shù)的特點(diǎn):(1)單件小作坊式生產(chǎn)加高度的個人制造技巧，大量的機(jī)械化剛性規(guī)模生產(chǎn)加一體化的組織生產(chǎn)模式，再加細(xì)化的專業(yè)分工。(2)制造技術(shù)的界限分明及其專業(yè)的相互獨(dú)立。(3)制造技術(shù)一般僅指加工制造的工藝方法，即制造全過程中某一段環(huán)節(jié)的技術(shù)方法。(4)制造技術(shù)一般只能控制生產(chǎn)過程中的物質(zhì)流和能量流(原材料到產(chǎn)品的物質(zhì)流運(yùn)過程，能量的投入、轉(zhuǎn)換和消耗過程)。(5)制造技術(shù)與制造生產(chǎn)管理的分離。三、現(xiàn)代制造及其技術(shù)的發(fā)展新技術(shù)的發(fā)展和傳統(tǒng)技術(shù)的革新、發(fā)展及完善：新興材料技術(shù)(新冶煉技術(shù)、新合金材料、高分子材料、無機(jī)非金屬材料、復(fù)合材料等)；新切削加工技術(shù)(數(shù)控機(jī)床、新刀具、超高速和精密加工)；大型發(fā)電和傳輸技術(shù)；核能技術(shù)；微電子技術(shù)(集成電路、計(jì)算機(jī)、電視、廣播和雷達(dá))；自動化技術(shù)；激光技術(shù)；生物技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)。傳統(tǒng)制造業(yè)在20世紀(jì)開始的新的革命性的變化和進(jìn)步，傳統(tǒng)制造開始向現(xiàn)代制造發(fā)展?，F(xiàn)代制造及其技術(shù)的形成和發(fā)展特點(diǎn)是：(1)生產(chǎn)規(guī)模：?從少品種大批量，發(fā)展到單件小批量、多品種變批量。(2)生產(chǎn)方式：?從勞動密集型，發(fā)展到設(shè)備密集型、信息密集型、知識密集型。(3)制造裝備：?從手工，發(fā)展到機(jī)械化、單機(jī)自動化、剛性自動線、柔性自動線+智能自動化。(4)制造技術(shù)和工藝方法：發(fā)展中現(xiàn)代制造特征表現(xiàn)為：① 重視必不可少的輔助工序，如加工前后處理；② 重視工藝裝備，使制造技術(shù)成為集工藝方法、工藝裝備和工藝材料為一體的成套技術(shù)；③ 重視物流、檢驗(yàn)、包裝及儲藏，使制造技術(shù)成為覆蓋加工全過程的綜合技術(shù)，④ 發(fā)展優(yōu)質(zhì)高效低耗的工藝，取代落后185。⑤ 吸收微電子、計(jì)算機(jī)和自動化等高新技術(shù)成果，形成CAD、CAM、CAPP、CAT、CAE、NC、CNC、MIS、FMS、CIMS、IMT、IMS等一系列現(xiàn)代制造技術(shù)。?實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的局部或系統(tǒng)集成，形成從單機(jī)到自動生產(chǎn)線等不同檔次的自動化制造系統(tǒng)；(5)引人工業(yè)工程和并行工程概念：強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)化及其技術(shù)和管理的集成，將技術(shù)和管理有機(jī)地結(jié)合在一起；引入先進(jìn)的管理模式，使制造技術(shù)及制造過程成為覆蓋整個產(chǎn)品生命周期，包含物質(zhì)流、能量流和信息流的系統(tǒng)工程。四、制造業(yè)發(fā)展過程中競爭的焦點(diǎn)和策略 市場競爭是制造業(yè)永恒的話題。從100多年前福特(Ford)汽車的生產(chǎn)線開始，產(chǎn)生和應(yīng)用不同的技術(shù)和管理模式(見表1—1)。20世紀(jì)是制造業(yè)空前發(fā)展的重要時期；制造系統(tǒng)的集成活動異常活躍，制造模式不斷更新。制造技術(shù)廣泛吸收高新技術(shù)的優(yōu)秀成果，并相互滲透、融合和衍生，產(chǎn)生急劇的變化，其目的是使所制造的產(chǎn)品(Product)達(dá)到： 功能(Function)、交貨期(Time to Market)、質(zhì)量(Quality)、價格(Cost)、服務(wù)(Service)均為優(yōu)良。五、先進(jìn)制造技術(shù)與制造模式的發(fā)展歷程20世紀(jì)末，以微電子、信息、新材料、系統(tǒng)科學(xué)等為代表的新一代科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在控制領(lǐng)域中的廣泛滲透、應(yīng)用和衍生，極大地拓展了制造活動的深度和廣度，急劇地改變了現(xiàn)代制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)工藝和設(shè)備以及生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一大批新的制造技術(shù)和制造模式?，F(xiàn)代制造業(yè)已成為發(fā)展速度快、技術(shù)創(chuàng)新能力強(qiáng)、技術(shù)密集和知識密集的部門。為適應(yīng)這種情況的變化，美國、日本等國開展了大量的對策研究。提出了許多新觀點(diǎn)，新思想、新概念，先后誕生了許多先進(jìn)制造技術(shù)、模式與系統(tǒng)，例如l 柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS)l 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMSl 并行工程(Concurrent Engineering，CE)l 精良生產(chǎn)(Lean Production，LP)l 智能制造系統(tǒng)(Intelligent Manufacturing System，IMS)l 敏捷制造系統(tǒng)(Agile Manufacturing System，AMS)l 全能制造系統(tǒng)(Holonic manufacturing System，HMS)l 虛擬制造系統(tǒng)(Virtual Manufacturing System，VMS)l 全球制造(Globalization Manufacturing)系統(tǒng)等。見下圖 第二節(jié) 面向知識經(jīng)濟(jì)的制造業(yè) 信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展各國的經(jīng)濟(jì)離不開與國際市場的信息、技術(shù)、資源和產(chǎn)品的交換。由此，一方面開闊了企業(yè)的市場，另一方面也給企業(yè)帶來了全球范圍的競爭壓力。新經(jīng)濟(jì)也是全球性經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)過程不再局限于一國范圍，而是形成“無國界的經(jīng)濟(jì)實(shí)體”。企業(yè)間競爭與合作、開放與限制并存的局面，必將引起世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)與組織結(jié)構(gòu)的重大變化，從而帶來制造業(yè)的一場革命。一、知識經(jīng)濟(jì)的特征與對制造業(yè)的影響知識經(jīng)濟(jì)對制造工業(yè)的影響：l 對產(chǎn)品和消費(fèi)觀念的改變l 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的數(shù)字化和智能化l 經(jīng)營和制造活動的全球化等。l 制造技術(shù)質(zhì)的飛躍：l 制造技術(shù)已成為一個涵蓋整個生產(chǎn)過程、跨多個學(xué)科、高度集成的高新技術(shù)。l 支撐制造技術(shù)的電子、光學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)、激光及管理科學(xué)等逐步成為制造業(yè)的新興技術(shù)與新興工業(yè)的綜合體。問題：在知識經(jīng)濟(jì)條件下，制造業(yè)的地位是否降低了在知識經(jīng)濟(jì)條件下，制造業(yè)是參與市場競爭的主體。世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律告訴人們：——一個沒有工業(yè)基礎(chǔ)和制造業(yè)的城市是沒有根基的城市。——制造業(yè)能極大地推動金融、貿(mào)易、保險、房地產(chǎn)和服務(wù)業(yè)的發(fā)展?！獩]有制造業(yè)作為基礎(chǔ)，無論哪一個產(chǎn)業(yè)都將失去存在和發(fā)展的條件。案例說明制造技術(shù)的水平和制造工業(yè)的發(fā)達(dá)程度突出地反映了一個國家、一個地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，人民的生活質(zhì)量、國防能力和社會的發(fā)展程度。一個國家如果不重視發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)和制造工業(yè)，必然要吃虧、上當(dāng)、挨打。以下僅舉兩個比較突出的事例來說明。美國在二戰(zhàn)以前一直是制造大國?轎車工業(yè)為支柱，在全球制造業(yè)中居于執(zhí)牛耳的地位。 ? 20世紀(jì)50年 代以后，因軍備需要，偏重高新技術(shù)和軍用技術(shù)發(fā)展，放松一般制造業(yè)。?進(jìn)入70年代后期，“第三次浪潮’’論在美國流傳開來，認(rèn)為美國進(jìn)入“后工業(yè)社會”。勞動力將從工業(yè)轉(zhuǎn)移到信息行業(yè)和服務(wù)行業(yè)。?認(rèn)為制造業(yè)已成為正在走向沒落的“夕陽工業(yè)”，制造技術(shù)的發(fā)展受到冷遇。 ?大學(xué)里不再開設(shè)制造技術(shù)和制造科學(xué)課程，也少有相關(guān)研究課題。放棄了關(guān)于制造工程和制造科學(xué)方面的教育和研究工作。所謂“第三次浪潮’’即信息革命，“后工業(yè)社會”就是知識經(jīng)濟(jì)社會。這些都是正確的論斷。勞動力的第二次大轉(zhuǎn)移也是正在發(fā)生的事實(shí)。問題出在將制造業(yè)視為正在走向沒落的“夕陽工業(yè)”，過于簡單和輕率，不符合其后經(jīng)濟(jì)發(fā)展的事實(shí)。事實(shí)證明，知識經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不是要放棄制造業(yè)，而是要按照知識經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)和要求來改造制造業(yè)，使傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)展成為先進(jìn)制造業(yè)，為現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮不可替代的作用。 “夕陽工業(yè)’’論對于美國制造業(yè)和美國經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響 20世紀(jì)的7080年代在微電子工業(yè)、汽車工業(yè)的國際市場競爭日本的高質(zhì)量和高技術(shù)含量的產(chǎn)品，如汽車、摩托車、機(jī)床、錄相機(jī)、照相機(jī)、電視機(jī)等產(chǎn)品以及亞洲和拉美國家的一些廉價產(chǎn)品奪走了相當(dāng)一部分原屬美國產(chǎn)品的國際市場，乃至于部分美國的國內(nèi)市場。美國機(jī)床工業(yè)放棄了原已占領(lǐng)的53％ 的市場，其年產(chǎn)值在12年間從57億美元跌落到38億美元。1986年，該國仍有一半機(jī)床需要進(jìn)口。1973年石油危機(jī)，日本的節(jié)能型轎車大舉進(jìn)入美國，占領(lǐng)了相當(dāng)一部分美國國內(nèi)市場。直到90年代初，美國仍有1／4以上的國內(nèi)汽車市場被日本汽車占領(lǐng)。在那一段時期，美國的制造業(yè)在國際市場競爭中節(jié)節(jié)敗退，物資生產(chǎn)基礎(chǔ)遭到嚴(yán)重的削弱，第二、第三產(chǎn)業(yè)的比例嚴(yán)重失調(diào)，國際貿(mào)易逆差劇增，經(jīng)濟(jì)空前滑坡，美國公眾和輿論界驚呼這種情況“危及美國國家的安全!”“帝國反擊戰(zhàn)”——美國的補(bǔ)救行動美國政府和企業(yè)界重新審視其科學(xué)技術(shù)政策和產(chǎn)業(yè)政策，重新認(rèn)識和評價制造技術(shù)和制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位和作用。?總統(tǒng)委員會的報(bào)告指出：“美國在重要的、高速增長的技術(shù)市場上失利的—個重要原因是美國沒有把自已的技術(shù)應(yīng)用到制造業(yè)上?！?美國開始加強(qiáng)對制造技術(shù)的研究與開