现代制造概述

1、现 代 制 造,主讲教师： 赵 继 教 授 张 雷 教 授 曲 兴 田 副 教 授 学 时： 40 学 分： 2,目录,1,2,3,4,5,现代制造系统的基本概念,制造学科与社会发展的关联性,制造学科与经济发展的关联性,机械工程学科发展现状与前景展望,现代制造与科学发展的关联性,第一章 绪论,1.现代制造系统的基本概念,现代制造以社会、经济发展需求为目标，以资源和资源转换为对象，以现代制造科学与技术为基础，以制造系统为载体，以信息化、网络化、生态化和全球化为环境和背景，展现在我们面前。为此，我们从现代制造的载体现代制造系统入手，逐层展开对现代制造的基本理念、现代模式和典型技术的讨论。,1.1

2、制造系统的基本概念,制造 所谓制造，是一种将有关资源（如物料、能量、资金、人力资源、信息等）按照社会的需求转变为新的有更高应用价值的资源（如有形的物质产品和无形的软件、服务等产品）的行为和过程。,1.1 制造系统的基本概念,系统 概念 系统，是由若干相互联系和相互作用的要素组成的具有特定功能的统一整体 。 四大特性：,1.1 制造系统的基本概念,评价系统的五要素,1.1 制造系统的基本概念,制造系统,资源转换单位,国民经济细胞,开放的系统,制造系统的 内涵,1.1 制造系统的基本概念,制造系统的概念 所谓制造系统，是这样的一种系统：由制造过程所涉及的硬件（人员、设备、物料流、信息基础设施、相关

3、环境等）、相关软件（理论、技术、程序、标准、规范等）等组成，与外界进行物质、能量和信息交互的，实现资源转换以满足社会等环境需求的，完成包括市场分析、产品设计、工艺规划、制造实施、检验出厂、销售服务甚至报废回收等各个环节活动的制造全过程的系统。,1.2 制造系统的概念模型,制造系统的基本模型,制造系统的发展主要由五大要素决定，即资源输入、资源输出、资源转换、机制和控制。,1.2 制造系统的概念模型,案例1 制造型企业运行模型,1.2 制造系统的概念模型,案例2 供应链制造系统,1.2 制造系统的概念模型,设计集中化，制造分散化， 市场全球化，经济一体化。,案例3 网络化全球制造系统模型,1.2

4、制造系统的概念模型,企业是一个社会经济技术的开放系统,企业系统与环境的关系,1.3 制造系统的本质特征,五大特性：转换特性、过程特性、系统特性、开放特性、进化特性。 转换特性,企业的资源转换特征,1.3 制造系统的本质特征,过程特性,企业中的各种流,系统资源转换大过程中的五种要素流：物料流、资金流、价值流、信息流和工作流。,1.3 制造系统的本质特征,案例4 机械加工系统中的“三流”运行,1.3 制造系统的本质特征,系统特性 开放特性,开放特性表现为：企业间的共生关系；对社会资源的“无限利用”。,案例5 基于信息技术的企业动态联盟,1.3 制造系统的本质特征,进化特性,基于信息技术支撑的虚拟企

5、业,案例6 虚拟企业,1.3 制造系统的本质特征,企业间的关系,案例6 虚拟企业,1.4 大制造的内涵,制造科学的发展将不仅仅局限在传统的机械制造的狭义范围以内，而是面向包括汽车、电子、仪器仪表、航空航天设备、交通运输设备、工程设备、能源设备、机床、轻工设备、家电等制造过程中的基础理论和基础技术的“大制造”。 大制造应包括光机电产品的制造、工艺流程制造、材料制备等，它是一种广义制造概念。从制造方法来看，它不仅包括机械加工方法，还应包括高能束加工方法、硅微加工方法、电化学加工方法等。,2.制造学科与社会发展的关联性,社会历史发展走向,2.制造学科与社会发展的关联性,科技革命历程,3.制造学科与经

6、济发展的关联性,现代制造与经济发展密切相关，现代制造学科必须服从、服务于经济的发展。 制造业是我国经济增长的主导部门和经济转型的基础；作为经济社会发展的重要依托 , 制造业是我国城镇就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现。,“新经济”的变迁,3.1 经济发展的趋势,3.1 经济发展的趋势,新经济趋势,区域经济集团化进程加速,经济全球化向纵深发展,金融自由化发展趋势,知识经济发展趋势,3.1 经济发展的趋势,集成人力和技术资源以加强劳动力的业绩和满意程度,实现所有操作的并发性（concurrency）,根据变化的需要和机遇迅速重构制造类企业,开发创新型制造工艺和产品，重点放在缩小其尺寸上,新经济对

7、 制造业的挑战,把生产的废弃物和产品对环境的影响降低到接近零的程度,将从大范围不同来源收集到的信息瞬时转化为能作出有效决策的有用知识,3.2 制造产业发展的特征,新的资源观 资源是制造业发展的中心问题和重要基础，制造业的发展首先表现在对资源的开发水平和利用程度。,资源,自然资源,技术资源,市场资源,管理资源,信息资源,教育资源,知识资源,3.2 制造产业发展的特征,生产力的新概念,知识生产力的内涵,劳动者的脑力（智力）将占据主要地位，生产工具和劳动对象主要表现为科技含量的增加，并由此出现软化特征。,新的经济资源如信息、教育、知识等新的促进生产力发展的因素被广泛应用，使生产力发展又将进入一个新的

8、阶段。,3.2 制造产业发展的特征,劳动价值论的新发展,3.2 制造产业发展的特征,资本范畴的新拓展 运行环境的新创设 消费方式的新变化,研究消费方式的发展与变化，是制定制造企业发展战略的前提和基础，也是确定企业产品开发策略的根本依据。,3.2 制造产业发展的特征,分配方式的变革 企业制度的再创新,大幅度增加企业无形资产的比重,提高企业文化内涵和知识含量,提高企业吸纳知识、运用知识、 知我更新知识的能力,建立知识 型的企业 制度,4.现代制造与科学发展的关联性,科学进步和技术革命从来都是推动人类历史前进的火车头。持续不断的技术革命和技术创新，是人类文明进步的原动力。科学的发展没有终点，只有里程

9、碑。现代，科学与技术的发展有着新的趋势和特点：科学技术化和技术科学化。科学与技术的整体化趋势，自然科学与社会科学在更深层次上的广泛交叉，工程科学与技术的伟大作用，都为现代制造科学与技术的发展提供了框架。,4.1 科学发展的里程碑,第一种科学,第二种科学,第三种科学,有序性 可逆性 可积性 周期性 同因同果性 必然性 非此即彼性,内外随机性 无序性 不可逆性 不可积性 非周期性 偶然性 因果亦此亦彼性,第三种序 第三种时间 第三种空间 第三种周期 第三种因果关系 第三种系统 第三种现象 第三种运动,4.2 科学技术化与技术科学化,宏观层次,微观层次,技术活动始于特定的问题，符合人类利益的价值观的

10、运筹决策，再利用各种手段作用于客体，创造出人工自然界或人造物。,科学系统的发现是不断地始于问题和终于问题的过程，同时也是科学概念、科学定律和科学理论不断地形成和增长的过程。,微观层次,4.2 科学技术化与技术科学化,4.3 现代制造的科学基础,现代制造已不仅仅是机械制造,4.3 现代制造的科学基础,现代制造科学是支撑和产生先进制造理论、方法和技术的基础,制造系统和制造过程的理论和建模,制造信息和知识的获取、处理、传递和应用,C,制造模式和生产管理理论与方法,D,制造产品的现代设计理论和方法,E,制造过程及系统的测量、监控理论和方法,F,制造自动化理论,4.3 现代制造的科学基础,现代科学创新往

11、往产生在学科交叉之中,制造科学 生物科学,信息科学 制造科学,现代管理科学 制造科学,计算机 制造科学,生物制造或仿生制造科学,现代工业工程科学,制造信息科学,虚拟制造科学,微型机电系统、快速原型制造、敏捷制造模式、机器人学等的发展都是学科交叉的结果。,4.3 现代制造的科学基础,现代制造的科学基础,应用领域,4.3 现代制造的科学基础,制造信息学 制造信息学是研究与制造活动有关的信息、信息驱动、人类应用制造信息的机制以及制造信息体系结构的一门基础科学。,制造信息学的研究内容,4.3 现代制造的科学基础,计算制造学 计算制造是指利用计算机对制造过程和制造系统的表示、计算、推理和形式处理，包括制

12、造中的几何表示、计算、优化和推理，研究制造过程中与建模、控制、规划和管理有关的计算问题及其复杂性问题分析。,计算制造的有关研究内容,4.3 现代制造的科学基础,反求工程是以现代设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计的设计。,产品反求工程系统组成,案例7 反求工程,4.3 现代制造的科学基础,制造智能学 人工智能特别是计算智能在制造系统及其各环节的广泛应用以及制造知识的获取、表示、存储和推理成为可能，导致出现了制造智能和制造技术的智能化。制造智能主要表现在智能调度、智能设计、智能加工、智能

13、操作、机器人、智能控制、智能工艺规划、智能测量和诊断等多方面。基于制造智能的智能化制造系统是制造系统的发展方向，被成为21世纪的制造系统。,4.4 现代制造的科学前沿,现代制造科学主要研究的科学问题至少有如下这些问题： 现代制造过程和制造系统的基础理论； 制造过程和系统数学描述、建模、仿真及优化，制造中的计算几何； 设计及制造过程信息的获取、表达及传递，非全信息状态下的决策，非符号信息表达，制造信息保真及传递，海量制造信息的管理； 网络/虚拟制造基础理论，网络及虚拟制造环境下制造系统的体系结构及全局最优决策理论； 支持产品设计和制造过程创新的理论及方法； 现代制造过程和系统的多学科模拟/仿真研

14、究； 现代制造过程和系统中的人-机-环境界面交互、协调和统一理论；,4.4 现代制造的科学前沿,先进制造生产模式及管理理论与方法，研究适合我国国情及文化背景的高效、快速、可重组先进制造生产理论及其模式； 适应社会主义市场经济和制造生产模式的经营管理及虚拟企业的基础理论和运作方法; 计算机、微电子和光学关键零件的制造工艺基础； 微型机电系统的设计、制造理论和方法； 新材料制备、微纳米制造和仿生制造的理论基础； 现代制造过程和系统的控制理论和方法； 基于资源节约和环境保护的制造理论和方法。,5.制造工程学科发展现状与前景展望,作为最古老的学科之一，机械工程走过了漫长的岁月。在面向经济建设的过程中，

15、市场驱动为机械工程学科的发展增添了巨大的活力；而在科学技术与经济、社会以及自然界的协调发展中，机械工程学科的发展才渐入佳境。,5.1 机械工程学科发展概述,机械制造技术的突破性创新 在传统的机械工程领域（宏观环境下），20世纪机械制造技术的标志性创新有二：数控加工技术和快速成型制造技术。,数控机床,快速原型机,5.1 机械工程学科发展概述,机械制造理论的突破性创新 1959年美国物理学家、诺贝尔物理学奖得主R.Frynmam提出微型机械的设想，发展为微型机电系统MEMS。,5.1 机械工程学科发展概述,机械制造系统的突破性创新 20世纪60年代美国开始计算机网络技术的研究；20世纪80年代进入

16、商业应用；20世纪90年代初，在经济全球化巨大需求的驱动下，在成熟的管理技术（如日本的TQC、JIT、LP；苏联的GT；美国的MIS、PDM、MRP 、BPR、ERP、SCM和process science等）和网络技术的强大支撑下，美国提出动态联盟、虚拟企业的新战略。,5.1 机械工程学科发展概述,机械制造哲理的突破性创新 随着世界经济的不断发展，经济总量（与对环境的危害程度正相关）和知识总量（对保护环境知识的成熟程度正相关）达到一定的程度后，人们必然会关注科技、经济、社会与环境的均衡发展可持续发展。 中共十六届四中全会提出“构建社会主义和谐社会” 。对和谐发展环境下的机械制造的研究在我国随

17、之兴起。将制造系统还原为一个复杂的社会、经济、科技、人文系统，并实现其与自然界的和谐相处、和谐发展，是实现机械制造哲理突破性创新的关键。,5.2 近年我国机械工程学科的发展,三大视角：机械工程学科发展的动力机制,科学技术自身的发展规律,社会需求,与自然界和谐,三大视角,5.2 近年我国机械工程学科的发展,综合集成面向科学技术 综合专业分化再综合的反复循环，是知识积聚合理和必经的过程。当今，综合集成创新是技术创新的重要方式。 机械工程技术与计算机技术的、网络技术的综合，是当今处理机械工程信息流的主体性综合技术； 与力学、数学、材料学、管理学、信息论、系统论、控制论、人工智能的进一步综合出现了数字

18、化、智能化、敏捷化的发展趋势； 与微观理论的综合出现了微型化； 与生物学、医学的综合出现了生命化； 与环境科学与资源科学的综合出现了生态化。,5.2 近年我国机械工程学科的发展,市场驱动面向经济建设 1985年3月3日中共中央颁布的关于科学技术体制改革的决定确定了“经济建设必须依靠科学技术，科学技术工作必须面向经济建设”的战略方针，以解决科技工作中存在的科技与经济脱节的问题，进而加快了经济的发展。 个性化需求推动了柔性化的发展； 高质量、高功能、低消耗、低成本需求推动了精密化的发展； 快速响应市场变化的需求带动了敏捷化的发展； 全球资源优化配置的需求促进了网络化的发展。,5.2 近年我国机械工

19、程学科的发展,和谐发展面向自然环境 1994年3月25日国务院讨论通过了中国21世纪人口、环境与发展白皮书。绿色制造的研究在我国启动，以“环境友好性”为内核对机械制造业进行了全方位的技术提升。 在构建社会主义和谐社会大背景下，我国机械工程界积极探索，认真思考和谐发展下的机械制造，力求将环境友好性提升至在探索自然界奥秘的基础上融入自然界。,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,六大趋势,数字化,生命化,智能化,精密化,生态化,微型化,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,数字化 在构成制造系统的物质、能量和信息三大要素中，信息这一要素正在成为制约现代制造系统的主导因素。数字化就是指以数字计算

20、机为工具科学地处理机械制造信息的一种行为状态。 数字化的本质是将先进的计算模型、计算方法和计算工具应用于制造工程，使得制造装备的行为规律、制造过程的物理作用机理、制造工艺优化、产品质量控制等研究建立在科学计算基础上。,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,数字化 数字化技术和高新化的制造技术不断融合，形成了数字制造使能技术群：,面向产品开发、仿真为主的数字制造技术群,面向加工控制和物流控制的数字制造技术群,面向生产管理的数字制造技术群,面向企业间协作和联盟为主的数字制造技术群,1,2,3,4,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,智能化 智能制造（IM）的特征是：在制造工业的各个环节以高度

21、柔性与高度集成的方式，通过计算机和模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展。 智能制造的目的是：通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制来对制造工人的技能与人类专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人干预的情况下进行小批量生产。,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,智能化 智能制造技术的主要研究内容如下：,智能制造理论及系统设计技术,1,智能设计理论、方法及系统,2,智能机器人及智能机械,3,智能调度,4,智能加工、智能检测与控制,5,5.3 我国机械工程

22、学科发展的六大趋势,精密化 机械工程的精密化是沿着2个方向展开的，即从加工源头（毛坯）着力的精密成形技术和针对毛坯的精密、超精密加工技术。 我国已拥有的具有自主知识产权的成果：,轻金属精密成形制造技术 优质、高效精密成形制造技术 激光加工成形制造技术 高效精密加工制造技术 超精密加工技术,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,微型化 微纳制造（micro/nano-manufacturing）主要指微米纳米尺度的制造和宏观尺度构件的纳米或亚纳米精度的制造。 我国在MEMS方面取得以下的重要进展： 微构件机械性能研究 微纳摩擦磨损及粘附行为研究 典型微流体器件输运特性研究 拓扑优化技术在微纳结

23、构设计中的应用研究 微传热学的研究 数字化微细成形技术研究,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,生态化 目前，生态化主要体现于绿色制造。 绿色制造是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，借助各种先进技术对制造模式、制造资源、制造工艺、制造组织等进行不断的创新，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废及回收处理的整个生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，资源利用率最高，能源消耗最低，最终实现企业经济效益与社会效益的协调优化。,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,生态化 绿色制造涉及的问题领域： 制造和回收过程的清洁化问题，包括产品生命周期中正向与逆向的全过程； 使用中的环境影响问题； 资源和能源问题。,我国绿色制造领域进展 绿色设计理论与方法 节能、环保及清洁化生产 再制造，以产品全寿命周期理论为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，对废旧产品进行修复与改造 产品资源化理论方法与工艺,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,生命化 当前，生命化主要体现于生物制造。 广义的生物制造： 工程设计中仿生结构的应用； 生物作用过程进行零件成形和装配； “设计型”蛋白质、酶和组织体素，生物催化剂； 新食品生物装配； 计算机记忆功能的生物型装置等。,5.3 我国机械工程学科发展的六大趋势,生