第1章 先进制造技术绪论教材课件.ppt

《第1章 先进制造技术绪论教材课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 先进制造技术绪论教材课件.ppt（43页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、先进制造技术（第二版）,扬州大学 王隆太,第1章 制造业与先进制造技术,重点提示：论述制造业地位和作用；讨论制造业发展现状和面临挑战；分析先进制造技术提出背景；阐述先进制造技术内涵、特征及其体系结构；介绍先进制造技术发展及工业国家发展对策。,1.1.1 制造与制造业1.1.2 制造业地位和作用1.1.3 制造业的进步与发展1.1.4 我国机械制造业的发展与面临的挑战,1.1 制造业的发展与挑战,包括市场分析、产品设计、加工装配、质量保证、生产管理、市场营销等产品生产制造的全过程,与物流有关的产品加工和装配过程,1、制造与制造业,经营规划、开发研制、加工制造和控制管理等过程,厂房、生产设备、工具

2、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,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,我国制造业分类和构成,注：根据GB/T4754-2011标准分类,国民经济三大产业,制造业、建筑业、采掘业以及电力、煤气、水的生产供应业,农业、林业、蓄禽业、水产业,商业、金融、房地产、经贸等,2、制造业地位和作用,一个国家经济发展的支柱国民经济收入的重要来源工业经济年代经济增长的“发动机”一个国家经济强大、经济腾飞的重要基础,1）制造业地位,2）制造业作用,提供人们衣、食、住、行物质消费决定全社会的长远效益和经济的持续增长国际商品贸易的保证(美国78%,日本96%

3、,我国81%-95)农业基础地位的物质保障，服务业发展的重要条件 信息产业发展的物质基础农业劳动力转移和就业的重要途径为科技和教育发展提供经费支持和实验装备实现军事现代化和国家安全的保障,3、制造技术的进步和发展,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,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）生产方式单件/小批量生产-20世纪前是以手动操作机器作坊式生产方式，生 产效率低，劳动繁重,提高机械化水平是当时制造业的核心问题。少品种大批量生产-20世纪初福特汽车装配流水线标志着大批量生产方 式的诞生，极大提高生产率，生产成本大幅度降低，

4、为社会提供了大 量廉价产品，使人类物质文明取得突破性进步。多品种小批量生产-上世纪60年代单一产品大批量专业化生产方式无法 满足日趋主体化、个性化、多样化市场需求，为此出现了多品种小批 量生产方式，按订货组织生产，目前已成为制造业主流的生产方式。,2）制造技术机械化-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。单机自动化-19世纪由电气技术与制造技术的融合，实现了单个加工机 械自动化，实现了批量生产和工业化规范生产新局面。刚性自动化-20世纪初大批量生产模式，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，福特汽车公司刚性

5、生产线 使汽车价格降低到原价格1/8，奠定了美国经济发展的基础。柔性自动化-二次大战后，随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-自上世纪80年代，计算机、电子信息及网络技术有力 促进了制造业向综合集成自动化发展，包括：设计领域：CAD、CAM、CAPP、CAE、CAT等 经营管理领域：MRP、MRP、ERP、MES、TQM等 生产制造领域：CNC、DNC、FMC/FMS、ROBOT等 生产制造模式：CIM、CE、LP、AM、IM、CM等。,3）资源配置劳动密集型-借助简单机器和手工工具，通过人工劳动完成产品制造过

6、程。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）-产品生产过程中设备成本所占比例较大。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）-产品生产过程中对技术和智力要求较高。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。,4、我国机械制造业的发展与面临的挑战,1）机械制造业的发展-2012年机械工业总产值为18.5万亿元，成为全球第一机械制造大国；-机床产值自2009年以来一

7、直跃居世界首位；-发电设备产量占世界总产量的50%左右；-汽车工业2009年首次突破千万辆大关，连续第五年位居全球第一；-重大技术装备自主化取得了较大突破，如：100万kw级临界火力发电机组；1000kv特高压交流输变电设备；12000m石油钻机 5轴联动数控机床 1080T履带起重机等-当前我国制造业处于历史上最好的发展机遇期，具有良好的发展环境。,图1.2 2010 年世界主要国家制造业产出所占比重（来源：HIS Global Insight 数据库）,2）当前存在主要问题-自主创新能力薄弱，高端装备制造失守 自主品牌的技术和产品少，高端产品领域关键技术对外依存度高，如大型民用飞机、高端数

8、控机床、高端数控系统及机器人80-90%以上还依赖进口。-关键零部件发展滞后，主机面临“空壳化”高端设备的关键零部件大量进口，航空工业所需的发动机、机载设备、原材料和配套件的配套能力差；高端数控机床配套的功能部件70%需要进口等。-现代服务业发展缓慢，价值链高端缺位 我国机械工业的发展过度依赖单机、实物量的增长，为用户提供系统设计、系统成套、工程承包、远程诊断维护、产品回收再制造、租赁等服务业未能得到培育。,3）面临的挑战-西方工业国家回归实体经济 西方重塑制造业，重新实行实体经济。奥巴马提出，“中国等地经营成本越来越高，而美国的生产效率也越来越高，这是把制造业迁回来的大好机会。”-跨国集团公

9、司技术优势 跨国公司凭借在高技术领域的巨大优势及对核心技术的掌控，将拉大与我国的技术差距。-国内生产要素成本提高 随着国内人工、能源等生产要素成本的不断上升，印度、越南及东南亚发展中国家更低的成本优势，给我国制造业造成巨大压力。,4）我国机械制造业发展方向-技术创新 靠创新驱动求发展，将技术创新作为制造业持续发展 的不竭动力。-绿色制造 由资源消耗型、环境污染型制造转向绿色制造，着 力降低能源和材料的消耗，提高利用效率。-发展制造服务业 由卖产品转向卖服务，实现由生产型制造向 服务型制造的转变。-数字化、智能化制造 由人工及机械化生产转向数字化、智能 化制造，由人工加机械管控的生产模式转变为数

10、字化、智能 化制造的生产模式。,1.2 先进制造技术内涵与体系结构,1.2.1 先进制造技术提出背景1.2.2 先进制造技术的内涵与特征1.2.3 先进制造技术的体系结构1.2.4 先进制造技术的分类,1）社会经济发展背景 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-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，快速响应 市场变化，赢得全球市场竞争。2）科学技术发展背景 制造技术进步-向宏观(制造系统)和微观(超精密加工)两个方向发展；现代制造业发展-成为技术密集、知识密集型产业；信息及网络技术-成为制造业决定

11、性因素，Intranet/Internet对制造业产 生重大影响。3）可持续发展战略 资源匮泛，污染严重，可持续发展要求。在上述社会、经济、技术及可持续发展背景下，由美国率先提出了先进制造技术，以获取全球范围的竞争优势,1、先进制造技术产生背景,1）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。2）先进制造技术特征实用性-不追求技术的高新程度，注重实际效果，提高企业综合实力和市场竞争力为目标实用技术。应用广泛性-涉及产品设计、生产准备、加工装配、销售服务甚至回收再生的全生命周期所有技术。发展动态性

12、-先进制造技术是不断吸收各类高新技术，在不断发展中的新技术，其内涵不是绝对的和一成不变的。技术集成性-集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型综合集成技术。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。先进制造技术强调优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，最终目标是提高市场响应能力和竞争能力。,2、先进制造技术的内涵与特征,3、先进制造技术的体系结构,FCCSET先进制造技术体系结构,AMST先进制造技术体系结构,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。加工自动化技术

13、:数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术现代生产管理技术:MRPIIERPPDMJIM先进制造生产模式:CIM、CE、AM、IM、LP,4、先进制造技术分类,1.3.1 云制造系统1.3.2 信息物理融合系统1.3.3 先进制造业及各工业国发展对策1.3.4 先进制造技术发展趋势,1.3 当前先进制造技术的发展与趋势,1、云制造系统,1）云制造概念-云计算（cloud computing）是基于互联网的一种计算方式，通过共享 的软硬件资源和信息，用户可通过电脑、笔记本、手机等方式接入 数据中心，按自己的需求进行运算。特点：可提供可用的、便捷的、按需的网络访问。-云制造：基于云计算技术，按用户需

14、求组织优化网上制造资源，为用 户提供各类制造服务的一种网络化制造新模式。-云制造系统：包括云提供端、云请求端和云制造服务平台组成部分。云提供端-提供相应的制造资源和制造能力服务；云请求端-提出服务请求；云制造服务平台-根据用户提交的任务请求，在云制造业务管理模式 支持下寻找符合云请求端用户需求的服务。,云制造系统组成结构,2）云制造运行原理 资源提供者：以服务的形式向制造云运营者提供各种制造资源。制造云运营者：根据资源使用者的应用请求，动态、灵活地提供各种制造服务，进行云制造服务的高效管理和运营。资源使用者：能够在制造云运营平台的支持下，动态按需地使用各类应用服务，并能实现多主体的协同交互。,

15、3）云制造系统的特征-面向服务和需求的制造 在云制造模式下，包括制造资源、制造能力、制造知识等均可封装为云服务。-用户参与的制造 用户参与度不仅是提出需求和评价，而是渗透到产品制造的每一个环节。-透明和集成的制造 云制造可提供各类制造活动的位置透明、注册透明和使用透明性等。-主动制造 根据第三方构建的云制造服务平台，用户可主动寻找制造方，体现一种智能化的主动制造模式。-支持按需使用和付费的制造 用户可根据自身需要调用或组合调用已有的云服务并支付相应的费用。-低门槛、众包式制造 制造商通过调用或租用云制造系统中的资源、能力、云服务来完成本企业的生产任务，降低了企业入门门槛。-敏捷化制造 企业仅需

16、关注自身的核心服务，其它业务服务可通过调用云制造中的云服务来完成，体现了敏捷化的制造思想。-专业化制造 云制造将所有制造资源、能力和知识虚拟化成云滴，最后聚合成不同类型的专业制造云，体现规模化、专业化制造特点。-基于知识的制造 包括：制造资源和能力虚拟化封装和接入；云服务描述与制造云构建；云服务搜索、匹配、组合；智能云服务调度与优化配置；容错管理、任务迁移；云制造企业业务流程管理等。,CPS是一种大规模、分布式、异构、复杂的嵌入式实时系统，是当今最前沿的交叉研究领域之一，设计计算科学、网络技术、控制理论等多个学科，被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命，Internet改变了人与人之间

17、的交互方式，CPS将会改变人与现实物理世界的交互方式。,2、信息物理融合系统,CPS由传感执行系统、计算系统和控制系统组成。传感执行系统：分布在物理世界，实现对物理世界的直接感知，并通过操作物理世界的对象准确地控制物理世界；计算系统：完成CPS要求的各种计算任务，提供各种服务，确定对物理世界的控制策略，协调各个执行器对物理世界的对象执行正确操作，实现对物理世界的协同控制；CPS通信网络：可以逻辑地视为由传感器网络、执行器网络、计算机网络构成的组合通信网络。,CPS逻辑结构,CPS 运行方式 CPS物理层实体经感知信息化处理，通过网络发送到信息层；信息层组件在获取感知信息后，针对物理环境和网络用

18、户的需求，自动调整内部关联与模型，通过人机界面将指令传送给物理层各执行器和驱动设备组件，从而实现物理世界和虚拟世界互联(Cyber-Physical)的思想。,CPS特征实时性CPS系统的精确控制需要根据当时的采样数据进行，这就对系统实时性提出了较高要求。分布式-CPS通过分布/订阅模式，将分布式的信息进行汇总分析，协调各个单元的任务分配，实现复杂的计算处理功能。高可靠性-CPS系统必须具有一定的容错性，才能保证采集信息和反馈信息的真实可靠，实现系统的正常稳定工作。强安全性-CPS系统的控制工程将对物理环境产生直接作用，系统的破坏将产生不可估量的后果，该系统的安全性必须得到保证。多样性-CPS

19、系统所连接设备多种多样，可为一个专有系统，也可为全球互联的庞大系统，具有多类型、多尺度的特点。自治性-在CPS系统中，人处于辅助地位，整个系统可以自动进行对物理环境的感知、信息传递、计算处理的反馈控制工程。,先进制造业概念：先进制造业是为适应社会发展和产业升级的需要，在整个产业价值链中综合运用信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术以及现代管理等先进技术，实现高精化、网络化、智能化、集成化和集约化生产的一种产业形态。先进制造业特点：产业高端性 在产业层次上其附加值和技术含量高；在产业职工素质方面，知识型、技术型员工所占比例高；产业资本的投入规模要求高。技术先进性 在价值创造过程中，通过技术创

20、新和应用，驱动企业和产业发展，使企业综合技术水平得到大大提高。管理现代性 应用先进的现代管理理念和管理信息系统进行企业价值链的管理。模式创新性 采用精益生产 LP、计算机集成制造 CIM、敏捷制造AM、云制造等先进制造模式组织企业的经营生产。,3、先进制造业及各工业国发展对策,1）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。,主要工业国家对先进制造业的发展策略,美国近50年GDP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

21、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；美国政府发展先进制造业采取的政策措施有：科技研究和开发经费比重逐渐上升；政府科研投资重心由军事技术转向民用技术；把全国大学与企业计算机联网，促进科技成果尽走向市场；重视教育和职业培训，为高技术工业提供更多的科技人才。,2）德国 德国是全球制造业中最具竞争力的国家

22、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。为了在新一轮工业革命中占领先机，保持德国全球制造业的优势，2013 年德国政府正式推出了“工业 4.0”计划。工业4.0计划：以智能制造为主导的第四次工业革命，旨在通过充分利用信息物理融合系统CPS，将先进制造业向智能型转化，建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。,工业革命的四个阶段,工业4.0将物联网和服务网广泛应用于制造领域 可通过网络整合整个制造过程，将工厂转变为智能化的生产环境，可更加灵活地配置生产，提供更加差异化的管理和控制。工业4.0可应对当今世界所面临的资源、能源、城市及人口结构等方面的挑战，

23、将资源生产率和效率增益贯穿于整个价值网络。工业4.0 优势 一次性生产且产量很低时也能获利，可满足用户个性化需求；基于CPS自组织网络的动态配置可使生产在最后时刻也可以变化；可对外部干扰和系统失灵做出灵活反应；提供端对端的实时透明，便于生产决策全局优化；是一种创造价值的新方式和新的商业模式，特别为初创企业和小企业提供发展良机。工业4.0实施是一个渐进的过程 工业4.0需要投入大量的研发力量和经费，需要研究制造系统的纵向集成、横向集成以及制造工程中的端到端的集成，需要继续发展和完善CPS技术。,3）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%，到70年代基本实现工业现代化，

24、到80年代超越欧洲工业国，汽车、半导体等产业超过美国，成为世界第二大制造国。90年代以来日本进入近20年的衰退停滞期，但日本政府通过政府干预、用产业政策来引导和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。通产省在选择鼓励发展高新技术产业时，采取务实和有针对性的产业政策，即先从相对简单的高新技术产品开始，设法比其他国家做的更好更有效，然后才试图转向更加尖端的领域。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

25、式等。,4）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。国家十二五规划提出发展高端装备制造业与新一代信息技术全球技术领导地位的目标，投入10多万亿资金激励制造业转型发展。中国机械工程学会面向2030中国机械工程技术路线图提出了我国机械工程技术总体发展目标：-我国机械工业将实现由制造大国向制造强国的转变；-机械产品国际市场占有率处于世界第一位；-超过一半产业国际竞争力处于世界前三位；-拥有一批具有国际影响力500强旗舰级国际化大

26、企业集团；-拥有一批具有国际竞争力和市场占有率的世界级装备制造基地。,绿色 使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，资源消耗和有害排放物、废弃物最少，实现经济、社会和生态效益协调优化。智能 智能制造涵盖产品全生命周期中的整个制造活动，包括制造智能、智能制造装备、智能制造系统、智能制造服务等。超常 向极大极小的极端尺度、超常制造工艺发起新挑战，如：超大尺度构件制造、微纳制造，超常凝聚态物理和材料科学推动超常性能材料与瞬态制造技术等。融合 各种知识和技术交叉融合，将使先进制造技术发生革命性的变化，如：不同工艺融合、传统制造技术与信息技术融合、新材料融合、生物技术融合、纳米技

27、术融合、术与人文艺术融合等。服务 由生产型制造向服务型制造转变，服务型制造呈现知识性、集成性和战略性三大特点。,4、先进制造技术发展趋势,制造业：是通过制造过程将制造资源转化为可供人们使用和消费产品 的行业，是国民经济支柱性产业，是国家综合国力的体现。先进制造技术：是在激烈市场竞争、科学技术进步、可持续发展背景下 于20世纪80年代末由美国提出，得到众多工业国家积极响应。先进制造技术发展：先进制造技术在各领域得到了快速的发展，显示出 先进制造技术的明确技术特征和体系结构。云制造系统：基于云计算技术，为用户提供各类制造服务的一种网络化 制造系统。信息物理融合系统CPS：由传感执行系统、计算系统和控制系统组成，是实现物理世界和虚拟世界互联的制造思想。工业4.0：是以智能制造为主导的第四次工业革命，通过充分利用信息 物理融合系统CPS，将先进制造业向智能型转化。发展趋势：中国机械工程学会提出的“绿色、智能、超常、融合、服 务”10字发展趋势。,本章小结,