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先进制造技术概述清华大学制造工程研究所郁鼎文 先进制造技术 概述 制造业面临的竞争与挑战趋势 中国制造业成就及其重大意义 2 1 3 4 先进制造技术的现状和发展趋势 先进制造技术的基本内容 引言 5 知识环境下的先进制造技术 6 我国先进制造技术的对策 7 1 1回顾 20世纪是一个伟大的世纪发明和发展了汽车 机床 机器人 飞机 火箭 芯片 计算机 电视机 手机 原子弹等成千上万的机电产品 极大地改变了人类的生产方式和生活方式 1 引言 1 2展望 制造业在21世纪将出现奇迹汽车 会跑 会飞 飞机 更快 更安全 高速列车和磁悬浮列车 智能仪器装备和智能机器人 按照人们的要求高效率 高质量地制造产品 微型机器人 能进人血管清理垃圾 修补心脏 分子组装技术 组装出理想性能的微器件 1 引言 1 3未来机械工程科学发展的总趋势交叉 综合化 柔性 集成化 智能 数字化 精密 微型化 高效 清洁化 1 引言 2 1 1制造技术的演进制造技术定义是制造业为国民经济建设和人民生活生产各种必须物质 包括生产资料和消费品 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价值的成品 半成品和技术服务的技术群 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 2 先进制造技术的基本内容 2 1 1制造技术的演进制造技术的发展是由社会 政治 经济等多方面因素而决定的 影响其发展最主要的因素 技术推动和市场牵引 制造业的生产规模沿着 小批量 少品种大批量 多品种变批量 的方向发展 制造业的资源配置沿着 劳动密集 设备密集 信息密集 知识密集 的方向发展 制造技术的生产方式沿着 手工 机械 单机自动化 刚性流水自动化 柔性自动化 智能自动化 的方向发展 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 2 先进制造技术的基本内容 18世纪后半叶 蒸汽机和工具机的发明 19世纪 电气技术发展 电气技术与制造技术融合 20世纪初 内燃机发明 引发了制造业的革命 二战后 计算机 微电子 信息和自动化技术 形成了一批新型先进制造单元技术 如NC技术 CNC 柔性制造单元 FMC CAD CAM等 80年代 开拓了制造技术面向市场生产发展的新阶段 材料需求规划 MRP I 制造资源规划 MRP II 全面质量控制 TQC CAD CAM 20世纪末的最后10年 以信息为主要特征 信息技术 人工智能技术的发展提供了高效能的技术手段 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 2 先进制造技术的基本内容 2 1 2先进制造技术的提出制造技术自18世纪后半叶发生的产业革命后获得了飞速发展 先进制造技术作为一个专用名词却是在20世纪80年代末期 由美国根据本国制造业面临的挑战与机遇 从技术发展角度 以计算机为中心的新一代信息技术的发展 全面推进了制造技术的飞跃发展 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 美国是世界上头号工业强国 也是制造业头号强国 70年代开始美国科技优势和经济竞争力衰退 后工业化社会 夕阳工业 80年代后期 国会议员 政策咨询和研究机构纷纷要求政府支持和重视产业技术的发展 1991年 美国白宫发表了 美国国家关键技术 的报告 明确将柔性计算机集成制造 智能加工设备 微米级和毫米级制造以及系统管理技术等 作为制造技术领域 列入总数为22项的国家关键技术中 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 1993年2月 克林顿在硅谷提出了促进先进制造技术发展的六点行动加大资助 开发新一代汽车 新建筑技术 智能控制和传感器技术 快速原型设计及考虑环境的制造技术 支持灵活制造 建立全国制造技术推广中心网 促进本地区技术联盟的建立 促进制造工程教育的发展 促进考虑环境的制造技术的发展 美国是世界上头号工业强国 也是制造业头号强国 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 美国先进制造技术计划和制造技术中心计划先进制造技术计划 1994年度拨款14亿美元 三个重点领域 下一代 智能 制造系统 为产品 工艺过程和整个企业的设计提供集成的工具 基础设施工作 制造技术中心计划 MTC 又称合作伙伴计划 指政府和企业在发展制造技术上进行密切合作 在全国建立170家制造技术中心 帮助企业通过技术进步节约 先进制造技术得到重视 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 欧共体ERECA ESPRIT BRITE计划ERECA 尤里卡 计划 1988年拨款5亿美元资助16个欧洲国家600家企业的165个合作项目 ESPRIT 欧洲信息技术研究发展战略 计划 13个成员国向5500名研究人员提供资助 BRITE 欧洲工业基础研究 计划 重点资助材料 制造加工 设计以及工厂系统运作等方面的研究 先进制造技术得到重视 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 日本的政策和智能制造技术 IMS 计划日本产业技术政策 从重视应用研究转向加强基础研究 以便彻底摆脱 美国出创新概念 日本出创新产品 的局面 日本模式 技术引进 自主开发 独创性的自主开发 个性化 创造性的自主开发 加强基础研究的技术发展道路 国际共同研究计划 目标 要全面展望21世纪制造技术的发展趋势 致力于全球制造信息 制造技术的体系化 标准化 1995年1月正式启动 为期10年 总投资40亿美元 先进制造技术得到重视 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 韩国的先进制造系统计划1991年底韩国提出了 高级先进技术国家计划 通常称为G 7计划 目标 到2000年把韩国的技术实力提高到世界第一流工业发达国家的水平 已达到 G 7计划包括七项先进技术及七项基础技术 投资62亿美元 共性基础技术 下一代加工系统 集成技术 智能技术 先进制造技术得到重视 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 我国对先进制造技术的发展给予充分重视1995年 九五 计划和2010年远景目标的建议中明确要大力采用先进制造技术 国家各类攻关计划国家计委重视 如数控系统及装备研究等 国家自然科学基金会 S 863 973计划 十五 规划中 先进制造技术是国家重点发展的第四关键领域 先进制造技术得到重视 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 国家中长期科技规划16个重大专项1 核心电子器件 高端适用芯片及基础软件产品2 极大规模集成电路制造装备及成套工艺3 新一代宽带无线移动通信网4 高档数控机床与基础制造装备5 大型油气田及煤层气开发6 大型先进压水堆及高温气冷堆核电站7 水体污染的控制与治理8 转基因生物新品种培育 先进制造技术得到重视 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 国家中长期科技规划16个重大专项9 重大新药创制10 艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治11 大型飞机12 中国第二代卫星导航系统13 高分辨率对地观测系统14 载人航天与探月工程15 高超声速飞行器科技工程16 惯性约束核聚变点火 先进制造技术得到重视 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 国家中长期科技规划5大战略抓住未来若干年内信息技术更新换代和新材料技术迅猛发展的难得机遇 把获取装备制造业和信息产业核心技术的自主知识产权 作为提高我国产业竞争力的突破口 先进制造技术得到重视 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 2 1 3先进制造技术内涵先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果 并将其综合应用于产品设计 加工 检测 管理 销售 使用 服务乃至回收的制造全过程 以实现优质 高效 低耗 清洁 灵活生产 提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称 2 1 4先进制造技术特点先进制造技术的实用性先进制造技术应用的广泛性先进制造技术的动态特征先进制造技术的集成性 制造工程先进制造技术的系统性 物质流 能量流和信息流的系统工程 实现优质 高效 低耗 清洁 灵活的生产提高对产品市场的适应能力和竞争能力 2 先进制造技术的基本内容 2 1先进制造技术的提出 内涵及特点 一 定义 在传统制造技术基础上不断吸收机械 电子 信息 材料 能源和现代管理等方面的成果 并将其综合应用于产品设计 制造 检测 管理 销售 使用 服务的制造全过程 以实现优质 高效 低耗 清洁 灵活的生产 提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术总称 也是取得理想技术经济效果的制造技术的总称 2 先进制造技术的基本内容 2 2先进制造技术的体系 面向制造的设计技术群产品 工艺设计计算机辅助设计工艺过程建模和仿真工艺规程设计系统工程基础快速成型技术并行工程 制造工艺技术群材料生产工艺加工工艺联接与装配测试和检测环保技术维修技术其他 信息技术接口技术集成技术人工智能 数据库软件工程决策支持 标准和框架数据标准工艺标准接口框架 产品定义和标准检验标准机床和工具技术传感器和控制技术 质量管理用户 供应商交互作用工作人员培训和教育 全国监督和基准评测技术获取和利用 主体技术群 支撑技术群 制造基础设施环境 二体系结构 1 2 先进制造技术的基本内容 2 2先进制造技术的体系 二体系结构 2 2 先进制造技术的基本内容 2 2先进制造技术的体系 三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 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 2 先进制造技术的基本内容 2 2先进制造技术的体系 四 先进制造工艺技术精密 超精密加工技术精密加工 精度为3 0 3 mRa0 3 0 03 m超精密加工 精度为0 3 0 03 mRa0 3 0 005 m纳米加工 精度高于0 03 mRa小于0 3 0 005 m 精密成型制造技术从制造工件的毛坯 从接近零件形状向直接制成工件的方向发展特种加工技术高能束流加工 电子束 离子束 激光束 双光子 电加工 电解和电火花 超声波加工高压水加工多种能源的组合加工 2 先进制造技术的基本内容 2 2先进制造技术的体系 五 制造自动化技术数控技术数控装置进给系统主轴系统NC程序编制工业机器人机器人操作机控制系统传感器生产线总线控制 柔性制造系统加工系统物流系统调度与控制故障诊断自动检测与信号识别技术信号识别数据获取数据处理特征提取与识别过程设备工况监测与控制过程监视系统在线反馈质量控制 2 先进制造技术的基本内容 2 2先进制造技术的体系 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 3 制造业面临的竞争与挑战 3 1国际形势的变化 3 制造业面临的竞争与挑战 3 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 3 制造业面临的竞争与挑战 3 2制造业市场竞争的新特点 3 制造业面临的竞争与挑战 3 2制造业市场竞争的新特点 0 25 50 75 100 低 高 扰动程度 80年代 90年代 54 50 30 27 25 22 36 54 60 45 38 28 36 55 46 51 41 53 63 53 52 51 63 64 41 54 62 76 40 55 56 74 市场影响因素的变化 Pine和B JosephII MassCustomization TheNewFrontierinBusinessCompetition Boston HarvardBusinessSchoolPress 3 制造业面临的竞争与挑战 3 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 3 制造业面临的竞争与挑战 3 2制造业市场竞争的新特点 消费观念的变化消费者的行为更具选择性顾客化产品 批量生产的产品逐步被个性化 多样化产品所代替制造业 服务 产品生产与产品服务的界限越来越模糊不满足感增加 新三年 旧三年 缝缝补补又三年 的观念逐步消失对生产及产品的影响产品订货批量下降 单件 小批产品寿命周期减短 5 10年 3 5年甚至更短产品生产周期缩短 3 制造业面临的竞争与挑战 3 2制造业市场竞争的新特点 企业的竞争优势 3 制造业面临的竞争与挑战 3 2制造业市场竞争的新特点 3 制造业面临的竞争与挑战 3 321世纪制造业面临的挑战 美国国家科学研究委员会组建 制造业挑战展望委员会 对2020年制造业所面临的形势提出6项挑战 1 快速响应市场的挑战2 打破传统经营所面临的组织 地域和时间壁垒的挑战3 信息时代的挑战4 有限资源和日益增长的环保压力的挑战5 技术创新的挑战6 制造全球化和贸易自由化的挑战 快速响应市场能力的挑战 3 制造业面临的竞争与挑战 3 321世纪制造业面临的挑战 并行制造将显著缩短产品从概念到实现的时间 打破传统经营所面临的组织 地域和时间壁垒的挑战 3 制造业面临的竞争与挑战 3 321世纪制造业面临的挑战 技术资源的集成 信息时代的挑战 3 制造业面临的竞争与挑战 3 321世纪制造业面临的挑战 信息向知识的转变 有限的资源和日益增长的环保压力的挑战 3 制造业面临的竞争与挑战 3 321世纪制造业面临的挑战 可持续发展 技术创新的挑战 3 制造业面临的竞争与挑战 3 321世纪制造业面临的挑战 全新制造工艺和产品开发 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国际经济合作与交往日益紧密导致 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 不同时间 地区 国家 市场需求有波动对于同一用户 同一产品 可供选择的市场和竞争国际化 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 3 制造业面临的竞争与挑战 3 321世纪制造业面临的挑战 制造全球化和贸易自由化的挑战 3 制造业面临的竞争与挑战 3 321世纪制造业面临的挑战 制造全球化和贸易自由化的挑战 4 中国制造业的成就及其重大意义 先进工业化国家 国民经济总收入60 就业人口的25 中国2002年的调查结论 中国制造业占国民生产总值的1 3占整个工业生产的4 5为国家财政提供1 3以上的收入贡献出口总额的90 就业人员8043万 改革开放20多年来中国制造业的进步 1 引进国外先进技术2500多项 占全国的1 3以上 近几年发展的新产品 50 达到80年代中后期的世界水平 2 一些重要产品的年生产能力已跃居世界前列 如汽车280万辆以上 其中轿车120万辆以上 大中型发电设备1200万千瓦以上 火电1000万千瓦 水电200万千瓦 大中型拖拉机11万台以上 金切机床10万台以上 3 我国已成为世界最大的服装纺织品出口国 与日本 马来西亚和韩国并称世界消费类电子产品四大生产国 4 成功开发生产了运七 运八 新舟60等支线飞机 5 一些新产品的技术水平已达世界领先或先进水平 如沈阳机床集团的电主轴高速卧式加工中心 激光切割机床 沈阳变压器厂的50万伏超高压变压器 黎明航发集团的中国第一台拥有完全知识产权的航空发动机 燃气轮机 沈阳新松机器人自动化有限公司的6000米水下机器人等产品 清华大学制造工程研究所研制开发的并联构型机床 4 中国制造业的成就及其重大意义 存在差距与国际先进水平比较 总体上差距20年 1 产品档次低 高水平产品所占比例小当代国际先进水平小于5 90年代25 80年代40 2 创新开发能力差 新产品贡献率低产品平均生命周期 我国10年 美国3 4年新产品贡献率 我国6 97年 美国52 95年 3 专业化生产水平低基础零部件 产品配套 基础工艺专业化4 生产管理技术水平落后计划经济 手工管理 4 中国制造业的成就及其重大意义 世界上70 80 以上的产品是制造出来的 如美国 瑞士 高科技的发展需要先进制造技术 特别是精密制造技术 火箭 导弹等 信息技术的发展 给机械制造技术带来了新的活力 柔性制造技术 集成制造系统 并行工程等 必须将基础科学研究与工程研究更紧密结合起来 必须从实际出发 如CIMS的经验 5 先进制造技术的现状与发展趋势 5 1国际现状 5 2国内现状传统机械仍占主导位置 先进制造系统与技术的研究 总体上看尚处在跟踪阶段 创新不多 5 先进制造技术的现状与发展趋势 5 2国内现状 信息技术与制造技术的融合 科学技术的综合是当前技术发展的一个重要特点 如 仿生学研究 绿色制造是近年来发展最快的重点研究领域之一 加强对机械制造学科的基础规律 机理的研究 测量在现代制造技术中占有极重要的地位 如 虚拟测量技术 可重组的制造系统 提出了一个值得注意的问题 5 先进制造技术的现状与发展趋势 5 3国际发展趋势 微加工技术 绿色制造技术网络制造技术 E manufacturing 制造技术与信息技术的集成大批量定制生产纳米技术 机器人数字化 工厂 CAX PDM 知识化 技术创新 产品及企业模块化微小化 绿色化 智能化 5 先进制造技术的现状与发展趋势 5 3国际发展趋势 21世纪的企业面临 管理革命 1 分散网络化制造 以订单为纽带进行资源重组 企业间动态联盟 如 香港 2 中场产业 的兴起 3 企业间从单纯竞争走向既有竞争 又有结盟之路绿色制造将成为21世纪制造技术重要特征 以提高对市场快速反应能力为目标的制造技术得到超速发展和应用 并行工程 快速原型制造技术 虚拟制造技术将广泛应用 5 先进制造技术的现状与发展趋势 5 4国内发展趋势 制造业信息化 制造技术和制造业是一切技术的载体和 物化 手段 当然包括信息技术 但现代制造业的发展离不开信息技术 含义 生产过程的自动化和信息化 制造业的企业管理信息化 包括数字化设计 数字化加工 数字化装备 数字化管理 形成数字化企业 5 先进制造技术的现状与发展趋势 5 4国内发展趋势 60年代全世界的各种刊物 书籍或各种媒体所发布的知识 信息为72万亿字符 80年代猛增加到500万亿字符 1995年发布的知识 信息总量则为1985年的2400倍 即1995年平均每天产生的信息量就等于十年前全年产生信息量的6 57倍 2005年我国网页总数约为24 0亿个 同期相比增幅为269 网页字节总数约为67 300GB 一年内增长46 763GB 同期相比增长率达到227 7 6 知识经济下的先进制造技术 6 1知识爆炸 1996年全球信息产业的总投资额为6100亿美元 知识经济的产业基础正在形成 全美有4万多家软件公司与300多家芯片公司 1996年美国新增产值中 估计有1 3是由信息产业创造的 86 96年间 美国上市公司投资回报率最高的17家公司几乎全是计算机软件开发 芯片制造和生物 医药方面的公司 1986 1997的12年期间 生产CPU的英特尔公司的股价上升了2950 2001年 在美国约1 4的人口从事制造业 70 80 的物质财富来自制造业 而我国制造业仅占工业总产值的42 75 6 知识经济下的先进制造技术 6 2高新技术产业发展迅速 从科学发现到技术发明 6 知识经济下的先进制造技术 6 3从科学到技术的距离缩短 创造 发达国家用于研究和开发的经费已占其GDP的2 8 传输 信息高速公路 利用 现代生产设备 如数控机床 柔性制造系统等处理信息与知识的能力很强 6 知识经济下的先进制造技术 6 4创造 传输和处理知识能力空前增强 世界富豪的交椅逐渐由石油大王 汽车皇帝向电脑奇才或芯片专家转移 靠知识致富的比尔 盖茨已经连续五年荣登世界富豪的榜首 世界人才市场所青睐的是具有与高新技术相关的专门技能和知识 受过良好教育的人员 而对于非技术人员或仅能从事一般重复性操作的人员的需求量则明显减小 在泰勒时代 10名工人中有9名是干体力活的 到90年代则只有两名在干体力活 预计到2010年将只有一名干体力活 世界各发达国家都在认真地发展教育 尤其是高等教育和职业教育 6 知识经济下的先进制造技术 6 5知识正在成为最主要的社会财富 知识经济的发展主要依赖于知识 或信息 的创造 传输与应用 自然资源的投入只起次要的作用 创新和发明是知识经济的灵魂 创