《数字化网络化制造技术》

第第 1 章章 数字化网络化制造概述数字化网络化制造概述 我国现在已成为一个制造大国，世界各地到处可见“MADE IN CHINA”，这是不争的事 实。但我国还远不是制造强国，准确地说，我国目前还只是中低档商品的世界制造工厂。 为了尽快提高我国制造业的整体素质，特别是竞争力，必须大力推进制造业信息化。 制造业信息化离不开数字化和网络化制造技术，因为数字化网络化制造技术是制造业 信息化的基础。 1.1 制造业现状与展望制造业现状与展望 1.1.1 我国制造业基本情况我国制造业基本情况 2001 年我国制造业工业增加值为 37613 亿元，占国民生产总值（GDP）95933 亿元的 33%，制造业工业增加值（当年价）占工业总值的 88%，制造业上交税金占国家税收总额 的 30%，2001 年制造业全部从业人员 8043 万人，占全国全部从业人员的 11%，占全国工 业从业人员 90%。 2001 年，我国制成品出口约为 2398 亿美元，占全国外贸出口总额的 90%。我国 GDP1952-1980 年年均增长率为 6.2%， 1980-2001 年年均增长率为 9.97%， 制造业 1952-1980 年年均增长率为 14.4%，1980-1998 年年均增长率为 12.65%。由此看来，我国制造业特别是 装备制造业始终以高于 GDP 的速度增长。当前制造业已成为我国最大的产业和国民经济主 要组成部分，成为就业的重要市场和出口的主力军，目前制造业和装备制造业的工业增加 值已经居世界第 4 位（仅次于美国、日本和德国） 。 1.1.2 当前我国制造业存在的主要问题当前我国制造业存在的主要问题 当前我国制造业大而不强，主要问题是： （1）劳动生产率以及工业增加值率低 1999 年， 我国制造业的劳动生产率为 4258 美元/人年， 约为美国的 4.37%， 日本的 4.07%， 德国的 5.56%； 1999 年我国制造业工业增加值率为 26.32%， 而 1994 年美国为 49.31%、 1993 年日本为 38.01，而 1994 年德国为 48.44%，分别比美国、日本和德国低 22.99、11.69、22.12 个百分点。总体停留在劳动密集阶段，技术含量低，附加值也低。 表 1.1 所示中国制造业增加值率和劳动生产率与主要国家相比情况表。 表 1.1 中国制造业增加值率和劳动生产率与主要国家对比 中国 （1999） 美国 （1994） 日本 （1993） 德国 （1994） 英国 （1992） 法国 （1994） 韩国 （1994） 印度 （1992） 劳动生产率 （美元/人年） 4258 97300 104730 76550 45330 59520 55720 3350 工业增加值 率（%） 26.32 49.31 38.01 48.44 43.57 38.49 42.98 22.68 （2）制造业设备陈旧，技术落后 优质高效低耗工艺的普及率不足 10%，数控机床、精密设备不足 5%，90%以上高档数 控机床、100%的光纤制造装备、85%的集成电路（IC）制造装备、80%的石化装备、70% 的轿车工业装备依赖进口。 另外，全国大中型机械工业企业中具有国际水平的设备仅占 13.75%，具有国内先进水 平的也只有 17.33%，全国大中型机械工业企业产品中优等品率仅 9.36%。机械工业不但没 有起到带动和促进国民经济增长的作用，其自身在国民经济中的比重反而呈持续下降趋势。 （3）低水平生产能力严重过剩，高水平生产能力不足 据 1995 年第三次全国工业普查显示， 全国主要工业产品有 80%以上的生产能力利用不 足或严重不足，其中机械、电子、化工、建材、轻工、冶金等行业的生产能力利用率分别 为 51.86%、51.45%、54.9%、64.03%、46.09%、35.55%。大量的生产能力放空，职工待岗， 企业经济效益低，资产负债率高达 75%以上，有些甚至资不抵债。而高技术含量和高附加 价值的工业制品每年还在大量进口，有些已形成了依赖性进口。 （4）技术创新能力十分薄弱 装备工业技术进步与技术贡献率偏低。1998 年，我国机械工业技术进步对产值增长速 度的贡献率只有 34%，西方国家一般都在 60%以上；新产品产值率不到 30%，西方国家在 50%以上；机床产值数控化率，我国只有 25%左右，日本已达 70%；我国机械工业技术开 发经费占销售收入的比重为 1.78%，技术开发人员占职工比重也明显低于发达国家。 （5）军工制造业不适应现代化战争的需要 军工制造业难以实现均衡生产，工艺（生产技术）难以稳定和提高，技术储备不足， 难以适应现代化武器发展需要，不具备现代化战争需要的快速响应能力和批量生产能力。 军工制造业与民用产业的融合不够，从产业组织结构来看“大而全”的问题比较突出，没 有充分利用民用制造业提供零部件、元器件、中间材料及其他配套件的能力。 （6）能耗高、污染大 我国制造业的平均能耗是工业发达国家制造业平均能耗的一倍，我国制造业所产生的 平均污染是工业发达国家制造业平均污染的二倍。 （7）装备工业的市场竞争力不强 “八五”以来，机械工业中的电气机械及器材制造业、交通运输设备制造业的发展一 直保持着较高速度，普通机械制造业、专用设备制造业的发展速度低于制造业的平均水平， 进入“九五”时期以后的发展速度尚不及“八五”时期的一半，在机械工业中所占比重一 直呈下降态势。装备制造业发展滞后，使得我国重点建设项目主要设备依赖进口。1994 年 至 1998 年我国共进口各类设备 2121.7 亿美元。其中投资类机械产品进口 1972.7 亿美元， 年均近 400 亿美元。在国际市场上，我国出口的机电产品数量是大幅度增长的，但是多数 为中低档产品，不能弥补大量进口导致的巨额逆差（1995 年至 1998 年投资类机械产品年均 进出口逆差超过 100 亿美元） ，反映出国际竞争力仍然较弱。 （8）产业组织结构不合理 管理体制、管理技术落后。产业组织结构不合理。机械工业是竞争性产业，整体产业 集中度较高。我国机械工业在改革以来出现了分散化趋势，没有形成具有国际竞争力的大 型企业与大型企业集团，中小企业与大型企业进行专业化协作的产业组织结构还没有形成。 1.1.3 工业发达国家制造业的发展趋势工业发达国家制造业的发展趋势 在美国自 1992 年提出建设信息高速公路计划后，工业发达国家立即投入制造业的数字 化、网络化、信息化的研究和应用，以产生巨大的经济效应，提高综合国力。 随着新世纪的来临和科学技术的迅速发展，人类社会正开始走向知识经济的新时代， 制造业将进入一个崭新的发展阶段。以因特网为代表的信息技术的广泛应用，将导致制造 企业的管理体制和生产模式的根本性变革。 美国 60%的小企业、80%的中型企业、90%以上的大企业实现了电子商务；韩国 2000 年完成了钢铁、船舶、电子、汽车、机械、电力、纤维、生物工程和流通等 9 个重点行业 的电子商务；日本 B2B 交易规模为 1626 亿美元，B2C 交易达 81 亿美元。 1. 国际先进制造技术现状国际先进制造技术现状 企业成功的关键因素是：上市时间 T、质量 Q、产品成本 C、服务 S、环境 E、灵活性 F。所以，当今国际先进制造企业都是从企业利益驱动转向用户利益和社会利益驱动，即从 以企业利润为目标转向以用户的价格、质量、交货期、售后服务等为目标，甚至以用户的 个性化、 参与式需求为目标， 提升企业在市场的竞争力。 现在不是 “大” 吃 “小” ， 而是 “快” 吃“慢” ，产品研发时间每增加 10%，其年收入将损失 25%30%。 2. 现代制造系统的模式现代制造系统的模式 所有的制造系统模式均与生产管理模式相结合。许多系统已经是制造管理一体化的 系统，有的甚至是设计制造服务管理一体化的系统。提高制造系统的生产率已经从 注重设备自动化转向注重生产过程的科学管理。图 1.1 所示现代制造系统的模式，反映了现 代制造系统中出现的一些新哲理，例如：成组技术、CIM、并行工程、JIT 制造、智能制造 系统、敏捷制造、精益生产、CIPE、业务过程重组 BPR、电子商务 EC、网络化制造等都是 以上市时间 T、质量 Q、产品成本 C、服务 S、环境 E、灵活性 F 为目标形成的生产管理模 式。 T Q C S E F ? 成组技术 ? CIM（集成） ? 并行工程（同步） ? JIT（准确）制造 ? 智能制造系统（智能） ? 敏捷制造（灵活） ? 精益生产（简化） ? CIPE（重组、标准化） ? 业务过程重组 BPR（重组） ? 大批量定制生产 MC （简化、 灵活） ? 电子商务 EC ? 网络化制造 图 1.1 现代制造系统的模式 现代制造企业更多地注重网络合作，使分散的中、小企业组成大规模的生产联盟，达 到短周期、快响应、大规模、低成本生产的目的。在生产管理方面，注重从基于劳动与资 本的管理转向基于信息和知识的管理，更加注意发挥人在生产中的创新作用。制造系统从 面向技术为主转向面向发挥人的创新能力为主。表 1.2 所示企业战略的转变过程。 表 1.2 企业战略的转变 竞争核心 利润 市场份额 有竞争优势的产品市场 规模 产品发展战略 较低的成本 产品上市时间 产品创新 技术方面的重点 生产力 数据共享 知识管理 过程方面的重点 串行的设计过程 并行工程 企业间合作 组织方面的重点 面向部门 面向过程 虚拟企业 1980 1990 2000 3. 当前发达国家推行的先进制造理念当前发达国家推行的先进制造理念 （1）精益制造（LeanManufacturfing） 精益制造是丰田公司开创的一种先进制造理念，主要是为了降低生产成本、最大限度减 小浪费而推出的，它的主要内容是恰时生产（Just-in-time） 、零库存等制造模式，该模式 已经逐步成为世界先进制造的典范。 该模式主要思想是以人为中心，简化企业的组织结构（扁平化） ，简化产品开发过程， 简化零部件的制造过程，简化产品结构，通过全面质量管理（TQC）实现零质量问题控制、 通过准时制造（JIT）实现零库存控制，通过全员设备维护确保制造资源的充分利用和准时 交货，通过工厂自动化实现柔性和效率的统一。 （2）智能制造（Intelling Manufacturing） 现代制造系统使制造成为自学习、自适应、自组织的智能系统，与计算机科学与技术 的前沿研究相结合，形成了新一代智能计算机发展动力和应用对象。 现代制造系统所依赖的基础制造技术是：各种快速制造技术、精密制造技术、特种加 工技术、传感与检测技术、数控技术、自动变成技术、成组技术、CAD/CAPP/CAM 技术、 机电自动化技术、机器人技术、信息传输、处理、集成、共享技术、各种精密成型技术、 自动、精密装配技术等等。其中绝大部分都是传统的制造技术，但都是以现代高新技术改 造了的传统制造技术。现代制造系统经过了以上传统制造技术的变革，形成了智能化的制 造系统，例如：全球制造集成技术、下一代制造（分形制造、分布式制造、仿生制造） 、全 能制造、基于知识的制造、自适应的物流系统、产品快速开发技术、人机共享系统的组织、 模具计算机设计系统、智能复合产品、全球分布式企业建模及其模拟环境、面向产品全生 命周期的传感器、高效可重构的制造系统、产品和过程的数据模型等系统。 （3）制造全球化 经济的全球化、 市场的国际化、 贸易和投资的自由化， 以及服务的世界化， 促进了竞争， 鼓励了革新，加快了经济增长速度。使得制造产业、制造技术和产品逐步走向国际化，导 致制造业在全球范围内重新分布和组合。世界制造业正面临着一个不确定性的、急剧变化 的、竞争日趋激烈的国际化市场，制造业所处环境已经发生了重大变化。正是这种国际化 的市场竞争促进了整个制造业的变革和发展。 “哪里有市场，就在哪里生产产品” ，降低产 品制造成本、贴近市场减少关税、分散汇率的风险，是现代制造业取得市场胜利的关键。 （4）绿色生产 现代制造系统对环境更加关注。制造过程的废物不得污染环境，环境保护是建立企业 的先决条件。现代制造系统组建推出了绿色工程、绿色加工等理念。所有的制造系统都充 分的考虑到对资源的有效利用，资源的回收、再生，有的还进一步考虑到资源的更新。 1.1.3 在我国实施制造业信息化工程在我国实施制造业信息化工程 制造业信息化工程（Manufacturing Information Engineering）是将信息技术、自动化技 术、现代管理技术与制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创新、企业管理模式的 创新、企业间协作关系的创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的 智能化、制造装备的数控化以及咨询服务的网络化，全面提升我国制造业的竞争力。 （1）指导思想 科技部在十五期间组织了制造业信息化工程专项，围绕“抓应用、促发展、见效益” ， 专项的指导思想可以概括为：一个中心，两个重点、四个转移。 一个中心：以信息化带动工业化，以工业化促进信息化为中心。 两个重点：研究开发制造业信息化关键技术与软硬件系统；用信息化改造、提升制造 业，提高制造业竞争力。 四个转移：从以制造业自动化为重点向先进制造与制造业信息化转移；从以企业 CIMS 工程为重点向发展集成系统及其支撑软件转移；从以机器人技术为重点向基础装备和成套 装备转移；从以跟踪仿制为为重点向创新跨越转移。 （2）主要内容及作用 实现设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化(五个 数字化)是制造业信息化技术的主要内容及作用，如图 1.2 所示。 设计数字化技术实现了产品设计手段与设计过程的数字化，缩短产品开发周期，提高 企业的产品创新能力； 制造装备数字化技术实现了加工和装配的自动化和精密化，提高产品的精度和加工装 配的效率； 生产过程数字化技术实现了生产过程控制的自动化和智能化，提高企业生产过程自动 化水平； 管理数字化技术实现了企业内外部管理的数字化和最优化，提高企业管理水平； 企业数字化技术实现了全球化环境下的企业内外部资源的集成和最佳利用，促进制造 企业的业务过程、组织结构与产品结构的调整，提高我国企业、区域和行业的竞争能力。 图 1.2 制造业信息化五个主要发展方向 （3）制造业信息化关键技术产品研发及应用 制造业信息化关键技术产品研发及应用是以国家行为为主导，建设制造业信息化技术 创新体系，开展制造业信息化关键技术研发及应用，为制造业信息化应用工程提供技术支 撑。关键技术产品研发及应用的主要任务包括：数字化设计、数字化管理、智能化控制、 企业集成化、制造网络系统、数字化装备、数据库管理系统等方面。 为了更好地支持省市制造业信息化工程建设，国家将在三维 CAD、ERP、MES、企业 集成、区域制造网络、数据库管理系统、数控装备等方面开展七大关键技术产品研发与应 用，为企业实现设计数字化、生产数字化、管理数字化、装备数字化和企业数字化提供技 术与软件产品。这七大关键技术产品研发与应用工作又包括关键技术产品研发、技术产品 应用示范、产品应用服务支持等三个方面，相互衔接配套，形成一个有机的整体。 ? 三维 CAD 系统产品研发：针对企业产品创新设计，对数字化设计与制造中的若干 关键技术进行创新性研究，开发具有自主知识产权的专业化三维 CAD 设计软件系 统，为企业设计数字化与生产数字化提供关键技术与软件产品。 ? ERP 系统产品研发：针对我国企业管理的集约化与现代化，研究符合中国现代管理 模式的先进企业管理技术、 基于 XML 的 ERP/SCM/CRM/eB 技术， 开发满足我国需 求的 ERP 管理软件系统，为企业管理数字化提供关键技术与软件产品。 ? MES 系统产品研发：针对生产过程的自动化，研究实时数据库、故障诊断、先进建 模等技术，研发基于 MES 的综合自动化系统，为企业实现数字化生产提供关键技 术与软件产品。 ? 企业集成系统产品研发：面向产品全生命周期管理和企业集成，研究企业建模与诊 断、知识管理、集成平台等技术，为企业信息化整体解决方案提供技术支撑与软件 平台，开发面向产品全生命周期管理的 PLM 平台、企业应用集成平台等，为形成 数字化企业提供关键技术与软件产品。 ? 区域制造网络系统产品研发：为形成数字化企业群体，研究商务协同、设计协同、 制造协同和供应链协同等关键技术，提出区域制造网络系统的制造网络协议及相关 应用管理规范、应用实施模式和组织机制，开发典型区域制造网络专业平台和制造 网络系统，建立若干有特色的典型区域性制造网络及其技术服务支撑体系，为省市 制造业信息化生产力促进中心的运行提供集成服务和工具系统支持。 ? 数据库管理系统产品研发：面向我国制造业信息化、电子政务、信息安全等需求， 研发具有自主知识产权的数据库管理系统， 包括 DBMS 核心技术、 数据库应用中间 件和数据库应用构件等；为制造业信息化、电子商务提供技术支撑，为国家信息安 全提供保障。 ? 数控装备产品研发：针对国家重点行业特别是国防工业需求，研制开发受国外引进 限制的大型高精尖数控加工装备和中档精切类数控机床装备，研究数控装备的开放 控制技术、网络化数控技术、智能控制与维护技术等，研发五坐标数控机床、高速 高精加工中心、大型车铣复合加工中心等数控装备产品，为企业实现数字化装备提 供关键技术与软件产品。 1.1.4 实施制造业信息化工程应重视的几个问题实施制造业信息化工程应重视的几个问题 （1）企业信息化，领导是关键 领导是关键，制造业信息化是一场革命，企业领导，特别是主要领导必须首先对此有 深刻的理解和认识，要有勇气和魄力去面对挑战。大凡信息化取得成功的企业，都有一条 共同的经验：企业主要领导特别是第一把手，必须首先对制造业信息化有深刻的理解和紧 迫感。从某种意义上说，推进制造业信息化的过程，就是一个从人治到法治，从暗箱操作 到在阳光下行使权力的转变过程。因此，强化管理和控制，必然会受到习惯势力的反抗， 受到某些人的抵制，在这种情况下，如果没有企业主要领导的支持和坚决推进，制造业信 息化工作就可能夭折。 （2）企业信息化，培训要先行 制造业信息化工作必须以人为本。培训工作不仅是针对技术人员进行技能培训，还要 对领导进行观念和技能的培训。要特别重视对一把手的培训，并且尽可能用一把手培训一 把手，清在制造业信息化方面取得成功的一把手进行现身说法。 （3）企业应用与国产软件开发推广相结合 现有许多国产软件在功能和界面操作上都和国外软件不相上下，并且更适合我们的国 情。所以，企业应用要与国产软件开发推广相结合，使得国产软件更适合我国企业的应用， 更好的开发使用我国自主产权的软件产品。 （4）以人为本 人的信息化不仅是会使用信息化的工具，更重要的是思想能够跟上信息化的发展，所 以要将信息化概念落实到全国人民的身上，消除人为障碍，在信息化集成的同时完成人的 集成。 （5）中介服务机构的深层次服务 企业的信息化、网络化会耗费企业的大量资金，对于中小型企业实施信息化可根据实 力进行资源托管，即采用中介服务机构进行资源管理。这就出现两个方面的问题：一是企 业对花钱买服务要有普遍的共识；二是国内的很多中介服务机构自身服务能力和水平有待 加强。 建议重视采用的几种网络化服务手段是：基于 ASP 的产品创新设计、制造资源优化配 置、电子商务、网络化培训等。 （6）正确处理几个关系 在注重竞争前技术的同时，更加注重竞争中技术的研究开发与应用；在注重企业顶层 信息化和底层自动化的同时，更加注重他们的集成创新；在注重技术创新的同时，更加注 重其与体制创新、管理创新的结合；在注重择优高校院所作为课题承担单位的同时，更加 注重以企业为主体的产学研结合；在注重自力更生研究开发的同时，更加注重引进、吸收 国外的先进技术与系统，加以创新；在注重做得出的同时，更加注重用的好、买得掉；在 注意“十五”制造业信息化工程发动的同时，更要注重树立制造业信息化是一个长期的战 略任务的思想。 1.2 数字化网络制造数字化网络制造 1.2.1 制造业分类制造业分类 数字化网络化制造是一项系统工程，既包含了产品全生命周期中从生至亡整个过程的 纵向信息化，又涵盖了制造业所有类别相互交织的横向信息化。 根据最新的国民经济行业分类国家标准（GB/T 4754-2002）之规定，制造业分为如 下 31 个大类： 1、农副食品加工业（原名食品加工业） 2、食品制造业 3、饮料制造业 4、烟草制造业（原名烟草加工业） 5、纺织业 6、纺织服装、鞋、帽制造业（原名服装以及其他纤维制品制造业） 7、皮革、毛皮、羽毛（绒）及其制品业（原名皮革、毛皮、羽绒及其制品业） 8、木材加工及木、竹、藤、棕、草制品业（原名木材加工及竹、藤、棕、草制品业） 9、家具制造业 10、造纸及纸制品业 11、印刷业和记录媒介的复制 12、文教体育用品制造业 13、石油加工、炼焦及核燃料加工业（原名石油加工及炼焦业） 14、化学原料及化学制品制造业 15、医药制造业 16、化学纤维制造业 17、橡胶制品业 18、塑料制品业 19、非金属矿物制品业 20、黑色金属冶炼及压延加工业 21、有色金属冶炼及压延加工业 22、金属制品业 23、通用设备制造业（原名普通机械制造业） 24、专用设备制造业 25、交通运输设备制造业 26、武器弹药制造业 27、电气机械及器材制造业 28、通信设备、计算机及其他电子设备制造业（原名电子及通信设备制造业） 29、仪器仪表及文化、办公用机械制造业 30、工艺品及其他制造业（原名其他制造业） 31、废弃资源和废旧材料回收加工业（新增） 以上制造业类别中各分类项独自或者联合几项与信息技术、自动化技术、现代管理技 术相结合，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装备的 数控化以及咨询服务的网络化，就形成了数字化网络化制造系统。 1.2.2 数字化网络化制造概念及特征数字化网络化制造概念及特征 数字化制造在前面已经讲述了制造业信息化中五个方面的数字化内容，这里介绍网络 化制造。 1、网络化制造、网络化制造 网络化制造（networked-manufacturing, NM）的含义是指：面对市场需求与机遇，针对 某一特定产品， 利用以因特网为标志的信息高速公路， 灵活而快速地组织社会制造资源 （人 力、设备、技术、市场等） ，按资源优势互补的原则，迅速地组成一种跨地域的、靠电子网 络联系的、统一指挥的运营实体网络联盟。 网络联盟的组建是由市场牵引力触发的，针对市场机遇，以最短的时间、最低的成本、 最少的投资向市场推出高附加值的产品。而当市场机遇不存在时，联盟解散，根据新的市 场机遇重新组建新的联盟，因而该联盟是动态的。当然，动态网络联盟不排除合作过程中 建立相互信任的良好关系，形成相对稳定的合作伙伴关系。网络化制造概念如图 1.3 所示。 电子销售经理 电子用户支持 电子采购经理 产品研究开发 电子财务经理 $ ? ? ? ? ? ? ? 电子生产经理 ? ? ? 图 1.3 网络制造的概念图 2、网络化制造特征、网络化制造特征 网络化制造以敏捷化、分散化、动态化、协作化、集成化、数字化和网络化为基本特 征。 （1）敏捷化 敏捷化是网络化制造的核心思想之一。生产制造系统在现今发展阶段，面临的最大挑 战是：市场环境的快速变化带来的不确定性；技术的迅速发展带来的设备和知识的更新速 度加快；市场由卖方转为买方，市场正逐步走向全球化；产品特征由单一、标准化转变为 顾客化个性化，产品的寿命周期明显缩短；制造企业之间尽管不再是单纯的你死我活的竞 争，但竞争的激烈程度有增无减。所有这一切都要求制造业具有快速反应外部环境变化的 能力，即敏捷化的能力。 （2）分散化 网络化制造的分散化具体体现在两个方面： 其一是资源分散性， 包括制造硬件资源 （如 设备、物料、人力和知识等）分散在不同的组织内、不同的地域内、不同的文化条件下等； 另一是指制造系统中生产经营管理决策的分散化。 （3）动态化 网络化制造联盟是针对市场需求和机遇，面向特定产品而组建的。市场和产品是网络 化制造联盟存在的先决条件，根据市场和产品的动态变化，网络化制造联盟随之发生动态 变化，市场和产品机遇不存在时，网络化制造联盟解散，根据新的市场和产品机遇重新组 建新的联盟。 （4）协作化 资源地充分利用体现在形成产品的价值链中的每一环节。产品从设计、零部件制造、 总装，直到产品销售、售后服务，都需要网络联盟合作伙伴之间的紧密配合。这种协作化 是一个快速响应市场，完成共同战略目标的优化过程。 （5）集成化 由于资源和决策的分散性特征，要充分发挥资源的效率，就必须将制造系统中各种分 散的资源能够实现实时集成，分散资源的高效集成是网络化制造的目标之一。 （6）数字化 借助信息技术，网络化制造能够实现真正完全无图纸的虚拟设计、数字化和虚拟化制 造，帮助企业形成信息化的组织构架，实现企业内部、企业与外界的信息流、物流和资金 流的顺畅传递，从而保证了产品设计与制造周期的缩短，降低成本，提高工作效率。 （7）网络化 现代通讯技术的发展促进了网络联盟的形成。由于制造资源和市场的分散，实现快速 重组必须建立在网络化的基础之上。因此，组建高效的网络联盟需要将电子网络作为支撑 环境，并充分应用现代化通讯技术与信息技术。 1.3 数字化网络制造模式数字化网络制造模式 目前，网络化制造系统的基本模式有：基于 Agent 分布式网络化制造模式和动态联盟。 网络制造环境下，制造企业的组织形态、经营模式和管理机制需要有全方位的创新， 使之适应网络化制造的要求。传统的组织结构相对固定、制造资源相对集中、以区域经济 环境为主导、以面向产品特征的制造模式已与之不相适应，需要建立一种市场需求驱动的、 具有快速响应机制的网络化制造模式，这将是当前乃至今后若干长的时期内制造业所面临 的最紧迫的任务之一，是制造业企业摆脱困境，赢得市场，掌握主动权的关键。 随着制造业从以生产为中心转向以市场需求为中心，从以企业为主导转向以客户为中 心，要求网络化制造必须有柔性化和敏捷化的特征。这意味着网络化制造系统必须具有动 态易变性，能通过快速重组，以实现快速响应市场需求的变化。有利于制造资源与市场的 全球分布性，因此，这种快速重组必须建立在全球性的分布式网络化的基础上。 1.3.1 基于基于 Agent 分布式网络化制造模式分布式网络化制造模式 Agent 概念最初源于分布式人工智能领域， 用以表示具有推理决策与问题求解能力的智 能逻辑单元。Agent 之间通过计算机网络连接，Agent 作为网络上的智能结点，构成分布式 多 Agent 系统，其特点是具有开放性、分布式合作和适应环境变化的自组织能力。而任何 规模、任一层次的制造系统都是由若干个完成不同任务的环节组成。各环节在独立完成自 身任务的同时，又相互协作，共同完成制造任务，因此，制造系统实现制造资源向产品转 化的整个过程是一个典型的多 Agent 协同求解过程。在基于 Agent 的制造环境中，同样可 以引入市场竞争机制，以经济利益为纽带，通过市场竞争中的招标-投标-中标方式，驱动各 Agent 之间的动态组合，达到制造系统的动态重组。一般而言，每个 Agent 都是自律的和彼 此独立的组件，但也可以拥有若干 Agent 作为自己的“友元”，建立一种相对紧密的关系。基 于 Agent 分布式网络化制造系统的模式见图 1.4。 计算机网络 + 智能制造协议 Agent AgentAgentAgentAgentAgent MRP CAD CAPPEXPERTFMC1FMC2 Internet 网络 AgentAgent 功能实体功能实体 功能实体 功能实体 Agent Agent Agent 图 1.4 基于 Agent 分布式网络化制造系统结构框图 其中 Agent 的基本结构如图 1.5 所示， 每个 Agent 都拥有自己的局部数据库 （Access） 。 各 Agent 之间通过网络相互传递消息，通过对各种类型消息的不同处理来进行合作与协调。 从本质上讲，任何规模、任一层次的制造系统都是由若干个完成不同任务的环节组成。各 环节在独立完成自身任务的同时，又相互协作，共同完成制造任务，因此，可以说制造系 统实现制造资源向产品转化的整个制造过程是一个典型的多 Agent 协同求解过程。制造环 境中，一个 Agent 所代表的功能实体可以是制造组织、生产单元和软件系统等。一个工厂、 一个制造企业就是一个典型的功能实体，一个功能独立的车间、制造子系统、职能部门， 一台或若干台制造设备均可以作为一个功能实体，这取决于 Agent 的粒度的选择。Agent 的粒度反映其功能实体的规模。功能实体的规模越小，制造环境中 Agent 的数目就越多， 制造系统重组的灵活性增加，适应性增强，但系统的组织与控制的复杂程度也随之增加,并 使系统的运行效率降低。 功能实体 实体接口 局部任务规划 协作管理 网络接口 通信管理 数据库 知识库 计算机网络 图 1.5 Agent 的基本结构 1.3.2 动态网络联盟动态网络联盟 1991 年，美国政府为了在世界经济中重振雄风，并在未来全球市场竞争中取得优势地 位，由国防部、企业界和学术界联合研究未来制造技术，并完成了21 世纪制造企业发展 战略报告。该报告明确提出了敏态灵活的虚拟组织机构（Virtual Organization ）或动态联 盟、先进的柔性生产技术和高素质的人员进行全面的集成，从而使企业能够从容应付快速 变化和不可预测的市场需求，获得企业的长期经济效益。其中的动态联盟与虚拟组织结构 或虚拟公司（Virtual Company）是相同的概念，其含义是指企业群体为了赢得某一机遇性 市场竞争，把一复杂产品迅速开发出来，并推向市场，他们从各自公司中选出开发新产品 的优势部分，然后综合成一个单一的经营实体。该动态联盟或虚拟企业的生命周期取决于 产品市场机遇，机遇一旦消失，它即行解体。 动态联盟的基础是企业联盟网络，联盟网络可以直接建立在 Internet 上，也可以建立在 专用网上。常用的网络联盟的结构见图 1.6，网络联盟企业与传统公司的根本差别见表 1.3。 图 1.6 网络联盟的结构 ? 内 地 客 户 ? 港澳台客户 ? 海 外 客 INTERNET 合 同 客户 关系 咨询与客户管理 产品 CAE 与设计 3D CAD 造型 门户网站 快速原型 虚拟制造公司虚拟制造公司 INTERNET 作 业 跟 踪 控制 产 品 任 务 分解 A 工厂 B 工厂 C 工厂 D 工厂 X 工厂 。 。 。 随着经营机遇、经营过程、合作伙伴、经营项目、核心资源、产品供应链以及风险和 利益等关系的变化，网络盟主的主导企业可能发生变化， “盟主”地位是动态的、轮换的。 谁能最先抓住市场机遇，并对整个产品的概念和关键技术有所创新，谁就有可能优先获得 领导权，成为盟主。 表 1.3 网络联盟企业与传统制造企业的区别 传统的制造企业 网络联盟企业 传统制造企业是一系列业务过程活动和策略 实施的总和。 网络联盟企业是产品生命周期所有过程和 相关组织的集成。 传统制造企业按照一个线性的、稳定的、可 以预测和控制的路线发展。 网络联盟企业是根据市场机遇和竞争能力 动态组合成。 传统制造企业组织结构是多层的金字塔式结 构。 网络联盟企业的组织结构是非常规的扁平 网络。 传统制造企业的经营策略是“我赢你输” 。 网络联盟企业的经营策略是“合作伙伴大家 赢。 在企业内部的各部门之间以及合作伙伴之间 都有明显的界限。 界限是模糊的、信息是透明的，以过程功能 链和产品功能链为特征。 信息是以分工为基础，在必要时按照优先级 进行处理。 信息按照其是否有用独立处理，有关人员都 可分享。 生产计划规定详细的内容，计划部门才有权 加以修改，利用库存进行调整。 生产计划并不规定很细，只有目标和任务。 自主管理的制造单元对每个他们执行的中 间结果负责。 1.3.3 网络联盟中的组样企业网络联盟中的组样企业 1、组样企业的概念、组样企业的概念 组样企业是为网络联盟组成单位相互合作而提供的一种标准规范。它包含网络联盟在 全球制造环境下的合作内容，并规范其内容的合作方式。 组样企业是网络联盟盟主、合作伙伴、用户三者合作的一种模板方式。它定义了有关 企业制造信息的一切可利用资源，其内容包括有关产品设计、加工、检测、销售、技术支 持、财务分流管理、材料采购、回收、网间联络等多方面功能模块，并形成统一规范的网 络定义及传输格式，生成标准的网络站点网络联盟的组样企业站点。网络联盟中的组 成个体以该组样企业站点为模板，建立自己的网站，并按照标准模式填充其中内容，各单 位的站点还应有相互点击链接功能。组样企业为网络联盟组成单位提供标准样板，并为个 体合作提供可能。 组样企业的工作是分层进行的，其分层结构如图 1.7 所示。首先是全球网与局域网的分 层，然后是局域网内部企业级与部门级的分层，最后是部门级与车间级的分层。这种分层 结构便于网络联盟各组成单位的管理和维护，也促进组样企业的模块化。 组样企业网组样企业网 全球网络（World Internet） 企业级局域网络（Enterprise class Intranet） 部门级局域网络 （Department class Intranet） 车间级局域网络（Workshop class Intranet） 图 1.7 组样企业分层结构 2、组样企业的特征、组样企业的特征 组样企业作为网络联盟盟主、合作伙伴、用户三者合作的模板，应具有以下特点： （1）组样企业需要具有统一的网络协议平台。开发任何系统都需要统一在某一协议平 台下，网络化制造同样如此。选用或开发规范统一的协议平台软件，以保证网络联盟个体 间通信的正常化，最终实现数控加工的网际互连。 （2）由于网络联盟中各组成单位不但要实现外联网间的合作，还需要与企业内部某些 局域网络相连接（例如需要异地观看车间加工现场、或者调用对方技术人才资料、或者登 陆对方的虚拟培训系统等） ，这就要求组样企业拥有一个统一的界面，供网络联盟中的个体 方便快捷的连接。 （3）组样企业应具有统一的数据交换标准。CIMS 概念中的统一数据交换标准，在这里 也同样适用。因为，网络化制造不但要实现先进制造的全球化，还要实现先进制造的自动 化与智能化。组样企业各功能模块间发生参数数据传送与交换时，就需要使用通用的数据 交换标准。 （4）组样企业需要将先进制造技术全面地考虑进去。先进制造技术随着科技迅猛发展 也在不断更新，计算机辅助设计、计算机辅助工艺、计算机辅助制造、人工智能技术、虚 拟现实、反求工程、快速原型、并行设计、敏捷制造、数控加工技术、信号识别技术、传 感技术等现代设计技术及先进制造工艺在先进制造业中发挥着各自独特的作用，所以，需 要将上述先进制造技术与网络相结合，并入组样企业中，将更进一步提高先进制造的智能 化程度。 组样企业 1 组样企业 2 组样企业 n 产品设计 产品工艺编制 物料管理 材料采购 产品加工 产品装配 产品检测 产品销售 售后服务 财务管理 材料回收 CAD CAPP CAM 虚拟现实 快速原型 人工智能 反求工程 并行设计 数控加工 自动控制 传感技术 信号识别 FMC 特种加工 信息通讯 数据管理 工业机器人 成形技术 热处理技术 高精技术 信息管理 异地图形传输 异地参数传输 异地过程监控 异地参数优化 远程故障诊断 电子商务 密文系统 外网级 企业级 部门级 车间级 图 1.8 组样企业模块化结构 异地加工 网上交流 （5）由于组样企业的分层式工作以及先进制造技术的综合应用，组样企业必须实现结 构模块化。外联网与内联网各自分块，企业级、部门级、车间级各自分块，先进制造技术 各自分块。结构模块化可以使组样企业更易定义、分类、管理与维护。 （6）组样企业的结构模块化及技术更新性，决定组样企业的定义应具有可扩展性，并 需要开发相应接口。 3、组样企业模块化结构、组样企业模块化结构 在产品的整个生命周期内，作为先进制造基础装备的数控机床与现代设计技术及先进 制造工艺密不可分。所以在研究数控加工网络化制造组样企业的模式时，一定首先研究先 进制造技术的网络化组样企业，然后再从宏观到微观层层地分析各组成模块。 依据上述组样企业特点及其在先进制造业中作用，将组样企业进行结构模块化，如图 1.8 所示。该模型分为外网级、企业级、部门级、车间级四级体连结构。外网级是组样企业 之间互连网所需的各功能模块，需要实现合作双方的异地图形传输、异地参数传输、异地 参数优化、异地过程监控、远程故障诊断、异地加工、电子商务、网上交流及密文系统等 工作环节。企业级是组样企业的总体构建。部门级是构建组样企业的各功能单位，它包括 研发、生产、装配、质检、销售、采购、财务、技术支持、信息管理等部门的模块内容。 车间级是具体到某一部门内部的特定技术使用，包括 CAD、CAPP、CAM、虚拟现实、快 速原型、人工智能、反求工程、并行设计、FMC、数控加工、信号识别、自动控制、传感 技术、成形技术、热处理技术、高精技术、数据管理、信息通讯等先进制造工艺与方法的 运用。 1.4 数控加工网络化制造技术数控加工网络化制造技术 网络制造模式反映了未来制造业联盟企业的盟主、合作伙伴与用户之间的合作趋势与 方式。其研究内容的涉及面很广泛，包括计算机的信息传递技术、产品的设计与先进制造 技术、企业管理技术、自动控制技术几大领域的知识。具体需要解决的相关技术包括：异 地三维可视环境的建立；产品图形及仿真结果的网络发布与浏览；数控代码的网络传输； 工艺参数网络优化与传输；异地过程监控模型；产品模型数据的异地修改；异地设计与制 造的产品模型数据管理系统；网上交流机制；安全防范机制；产品信息交换；工艺设计和 定义；工艺计划和调度；车间管理与控制；人力资源管理；财务管理与控制；资产与材料 管理；供应链管理、网络和计算机系统；公共信息服务；制造知识库；成本/支付能力；可 生产性；解决用户使用的产品维修信息等技术。 本书主要是研究装备制造业数字化网络化制造技术。 1.4.1 数控机床使用现状数控机床使用现状 数控加工作为先进制造的典型技术，是网络化制造的重要手段，应随市场的全球化、 竞争的激烈化、需求的个性化、生产的人性化而体现出制造技术的信息化、科学化和服务 化，但是在我国数控加工中却出现了不尽如人意的现状。 80 年代实行改革开放后，我国的制造企业通过不同形式，包括国家投资、中外合资、 国内外贷款等，进行了大规模的技术引进和技术改造。我国第一个进行整体行业技术引进 和改造的是上海机床工业，国家通过世界银行贷款 1 亿美元、国内配套约 3 亿人民币（当 时 1 美元=2.8 元人民币）对上海机床工业进行了大规模的全面技术改造，主要引进了： （1） 三台加工中心组成的箱体零件柔性制造单元； （2）152 台高档名牌数控机床； （3）102 台高 精密机床和测量机器； （5）15 套 MRP-II 系统。从技术进步的角度来看，上海机床厂和上 海机床公司所属的 16 家主要企业和研究所确实上了一个很大的台阶，与国外机床工业的差 距大大缩小。随后，长春第一汽车厂、洛阳第一拖拉机厂、沈阳第一机床厂、哈尔滨三大 动力厂等也相继引进了先进的制造装备。 但是，从 1993 年到 1998 年，中国的机床工业在激烈的市场竞争中连连败北。在我国 机床消费额有所增长的情况下，国内市场的占有率从 80%下降到 35%左右。上海机床厂制 造的高精度、高效率机床同样也卖不出去。与此同时，进口机床额从 1990 年的 5 亿美元增 加到 1996 年的 25 亿美元左右，民族工业受到很大打击。1998 年，当国内机床销售竞争加 剧、市场低迷之际，美国著名的吉丁斯路易斯公司却看好时机，在上海成立了上海法道 机床公司，年设计生产能力为 500 台立式加工中心，将以低价位、高技术以及现代化的管 理营销理念进军中国市场。法道公司一家的年产量将等于全国机床行业加工中心产量的总 和，我国机床企业在国内市场上又遭遇新的强劲竞争对手。 数控机床是组成先进制造业自动化系统的重要设备。我国数控机床的拥有量在机床中 占 25%，数控机床的研究和普及与工业发达国家相比，有很大的差距。在我国已经应用自 动化技术的企业所使用的数控系统大多数是从国外进口的，国产数控机床所用的数控系统 和伺服装置，大部分是 FANUC、AB、三菱、西门子等产品，严重制约了我国先进制造业 生产效率的提高，阻碍了整体进行的效益和素质以及企业竞争力的增强。 在我国的数控机床使用中，有些应用的很好，充分发挥了效益，而大多数却存在开动 率和利用率不高、经济效益不理想等问题，造成资源的极大浪费，阻碍了企业竞争力的增 强。在使用数控机床设备中又普遍存在 5 个“不用”的实际问题： （1）不会用操作、编程复杂，会操作、编程的人员少； （2）不愿用即使会操作、编程，对于单件小批量生产，由于编程繁琐，技术人员 宁愿安排使用普通机床加工； （3）不敢用编程和控制稍有失误，即造成设备和质量事故，即便采用空车运转和 软材料试切，仍不能避免上述问题，特别是复杂或重要零件的加工，往往不敢用数控机床； （4）不能用复杂工件的编程量较大，受控制系统容量限制而不能使用； （5）不好用某些商品化编程软件，只提供加工理想形状的几何仿真，不考虑工件 实际成形的物理仿真和切削过程仿真，不提供切削参数优化功能，遇到大型复杂工件，即 使计算机能够自动生成数控代码，操作者仍感程序调整困难。 技术引进的先进制造设备，有的出现软、硬件不是同一厂家产品现象，造成软件部分 功能与硬件不配套，甚至某些动作无法执行，或者系统软件又缺乏硬件的一