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1、现 代 制 造 系 统,主编 罗振璧,第一章 制造系统工程基础,第一节 制造 第二节 制造系统及其发展 第三节 制造系统的柔性自动化及自动化制造系统的技术分析 第四节 计算机集成制造CIM系统 第五节 集成制造系统分析和功能模型IDEFO,第一节 制 造,一、制造及其发展 二、我国制造业面对的挑战 三、应对未来挑战的战略与关键技术,一、制造及其发展,1.制造的内涵 2.制造是我国工业化与经济发展的核心支柱 3.制造是国家经济发动机的强大支柱,1.制造的内涵,1999年，美国麻省理工学院(MIT)定义现代制造包括：产品的设计与开发、产品规划、销售和服务，以及实现这些功能所应用的技术、流程过程以及
2、人与技术结合的途径等。 2002年，美国生产与库存控制学会(APICS)定义制造：包括设计、物料选择、规划、生产、质量保证、管理和对离散顾客与耐用货物营销的一系列相互关联的活动和运作作业。,1.制造的内涵,美国机械科学研究院（AMST）提出了一个由多层次技术群构成的体系如图11所示。,图11 现代制造技术的内涵、层次及其技术构成,2.制造是我国工业化与经济发展的核心支柱,(1)国家工业化的程度决定了社会发展的特征、国力、防务能力与人民物质文化生活的水平。 (2)制造是国家经济发动机运转的强大支柱。 (3)制造是增强国家综合实力、防务能力和提高人民物质文化生活水平的保证。 (4)在实现国家工业化
3、和现代化的过程中，制造业具有独特而不可替代的作用，必须重视与振兴它。 (5)制造业市场是世界最大的产品与服务市场，也是世界各国许多实业公司和跨国公司的最大竞争角斗场。 (6)制造业的改造、革新与创造都不应该也不可能“靠买进来”或“照搬照抄”。,3.制造是国家经济发动机的强大支柱,建立一个强大、先进、有竞争力的现代制造业是我国不容轻视的长期战略任务。历史经验和现实告诫我们，中国的防务能力、经济发展、国家防务与经济的安全、人民的幸福只能依赖不断发展的经济和国家防务能力，中国必须为此而发展中国制造，把中国建成世界制造大国与强国。,二、我国制造业面对的挑战,(一)企业成功的要素 (二)制造企业面对的形
4、势 (三)未来制造面对的挑战,(一)企业成功的要素,(1)企业的市场定位、目标和实现目标的战略与商务实践。 (2)能否形成相对于其他竞争对手的竞争优势。 (3)建成企业竞争的核心能力。 (4)建立成功的制造战略。 (5)建立诚信、合作、实干与创新的企业文化。 (6)对企业或核心公司建立加盟企业群集(Enterprises Cluster)联盟，形成有核心能力与竞争优势的制造企业群集中心或地域制造中心，以适应经济全球化与区域化和激烈的市场竞争。,(一)企业成功的要素,(7)熟悉WTO与市场相关的法规、议定书与惯例，在遵守法律与法规的条件下，发扬中华文明悠久的谋略传统，在战略、战术或策略及方法上进
5、行创新，“克敌制胜”。 (8)认清我们的竞争优势，研究改进规避风险的战略、策略与措施，从国情和企业的实际出发，不断创新和改进组织与管理，培育和发展自己的品牌、独有的核心能力、建立竞争优势。,(二)制造企业面对的形势,1.传统制造面对的困境 2.新兴工业化国家必须走可持续发展的道路 3.传统制造业的投资效益下滑 4.产品的寿命周期迅速缩短,1.传统制造面对的困境,(1)现有产品饱和，现存的制造生产能力大量闲置。 (2)产业与研究开发RD的转移迫使发达国家的低中技术产品、基础产业与部分研究开发向发展中国家与地区转移。 (3)制造企业的职业吸引力迅速下滑，一流的工程技术、管理人才和技术工人后继乏人。
6、 (4)由于过去工业化过程中资源的滥用，已经引发了人类的生存危机。,2.新兴工业化国家必须走可持续发展的道路,所谓信息化，指的是加快信息高技术的发展与产业化，并利用它们提高信息技术在国民经济与社会各领域的应用水平和推动经济与社会发展的进程。企业信息化指的是，利用现代信息技术有效地开发与利用信息资源的过程。,3.传统制造业的投资效益下滑,造成传统制造业投资效益下滑的主要原因有三个： 一是现代制造业在战略性转变时期遇到了种种困难，传统制造业的管理不但不能即时发现和解决这些问题反而强调“更多地做更少地想”，使制造企业成为“苦、累、报酬低”的行业； 二是制造产品与服务所创造的利润中相当多的部分被商业贸
7、易和流通、证券、股市或期货等金融领域吸纳，留给制造企业的利润已经相当低； 三是传统的制造技术不能适应新的市场竞争要求，譬如由于长期很少研究与改进传统制造技术，使产品与制造系统不能利用快速实现重构(重组)技术而无法适应产品个性化与市场寿命周期迅速缩短的需求。,4.产品的寿命周期迅速缩短,表1-1 主要制造产品的市场寿命周期新产品开发周期(年),(三)未来制造面对的挑战,(1)充分利用信息技术提升制造企业对市场需求及其变化的快速反应能力。 (2)快速准确地捕捉与搜集竞争信息，并迅速地把它们转换成竞争情报与知识。 (3)快速配置与系统地集成人、技术和资源，建立基于互联网的沟通与通信，为发展网络制造或
8、群集制造建立良好的基础结构。 (4)消除或控制污染，提高企业对环境的适应性。 (5)发展可重构(可重组)企业(Reconfigurable Enterprise)。 (6)创新与改进了的流程过程。,三、应对未来挑战的战略与关键技术,1.应对挑战的制造战略 2.应对未来制造挑战的十个关键制造技术,1.应对挑战的制造战略,制造战略所作出的选择将长期影响企业的业绩与市场竞争力。为了获取最多的效益，制造战略应该在支持总体商务战略决策与提升竞争优势方面发挥作用。成功的制造战略使企业可以根据市场需求、市场环境与企业竞争优势提升的要求剪裁和重构企业的组织与管理，运作流程，产品、制造系统和商务活动，以及顾客服
9、务，以达到提升企业竞争优势的目标。所以，可以把制造战略理解为制造组织实现其目标的行为与实施程序，它的重点放在企业系统的外部，侧重解决企业全局、全过程与全寿命的重大和长远问题。,2.应对未来制造挑战的十个关键制造技术,(1)可重构制造系统(RMS，Reconfigurable Manufacturing Systems)。 (2)无损耗的处理(Waste-free Processing)。 (3)新的物料过程(New Material Process)。 (4)制造用的生物技术(Biotechnology for Manufacturing)。 (5)企业建模与仿真(Enterprise Mod
10、eling and Simulation)。 (6)信息技术(Information Technology)。 (7)产品与过程的设计方法(Product and Process Design Methods)。 (8)增强了的机器人的接口(Enhanced Machine-Human Interfaces)。 (9)教育与培训(Workforce Education and Training)。 (10)智能合作系统软件(Software for Intelligent Collaboration Systems)。,表1-2 未来的重大制造挑战与十项优先发展的重大关键技术间的相关关系,图1
11、-2 获取持久竞争优势的概念模型,第二节 制造系统及其发展,一、制造系统基础 二、制造模式与社会的变革深刻地影响着制造系统的规划、设计与运作结 果 三、现代制造系统存在的问题 四、设计制造系统的基本要求 五、制造系统的组成要素,一、制造系统基础,1.制造系统的概念 2.从系统工程观点定义制造系统 3.制造系统的发展 4.研究和开发先进的制造系统设计理论与方法,1.制造系统的概念,“制造系统(Manufacturing System)”一词最早出现于1815年，其原意是“工厂系统”。1911年F.W.Taylor用“科学管理”表达制造与管理中系统的概念。,2.从系统工程观点定义制造系统,(1)制
12、造系统的结构定义。 (2)制造系统的转换定义。 (3)制造系统的程序定义。,(1)制造系统的结构定义。,根据系统结构静态的定义，制造系统是由硬件(生产设施、机床、夹具等)、物料传送装置、工人和其他附属装置组成的统一集合体，由生产信息知识、技术、方法和软件支持它。,(2)制造系统的转换定义。,按照系统转换的定义，可以把它定义为，把生产资源，特别是原材料转换成最终产品的变换转换过程。,(3)制造系统的程序定义。,从系统的程序(流程)角度可以把制造系统定义为，制造生产的运作程序，即制造的管理系统。它由规划、实施和控制组成的“管理循环”构成。,3.制造系统的发展,传统制造系统的不足 (1)由通用机床组
13、成的单件生产线主要特征是机群式组态，工序分散，要求公认的技艺高。 (2)专用机床或组合机床组成的自动化流水线其主要不足是设备的平均利用率低。 (3)现有柔性制造系统的主要不足是冗余功能与生产线投资高昂。,为了克服上述传统制造系统的不足，期望新一代的制造系统能够实现以下五个目标： (1)能根据商务运作和顾客需求的变化快速响应顾客需求期望的产品品种与产量。 (2)能降低因产品生产寿命期缩短和产品订货批量变化造成的制造系统建造与运行的高投资风险，保证企业获得合理的投资回报率ROI。 (3)可以重复利用和便于技术改进、技术革新和升级的。 (4)可诊断的，能保证系统组态快速变更的系统试运行时间最短、质量
14、缺陷最少。 (5)系统及其组元有高的可靠性、鲁棒性(容错能力)与确定性。,3.制造系统的发展,3.制造系统的发展,达到这些目标后可以满足以下制造业市场的要求： (1)可按顾客的订单与生产组织要求快速组成新产品或变换产品的批量生产能力。 (2)能够实现无缝地“缩放”的制造系统生产规模和布局(组态)。 (3)允许方便快捷地组织多品种产品的混流生产或并流生产。 (4)能够达到低的系统重构与技术升级费用、高的生产效率，从根本上改变在现代市场环境下传统制造系统高投资、高风险与低的投资回报率的现况。 (5)短的制造系统试生产周期和稳定可靠的加工质量与产量。,3.制造系统的发展,图1-3 制造系统的市场环境
15、与技术特点,图1-4,1. 超高速加工方面 仍处于低级阶段，还没有形成完整、系统的研究体系和方法。国内磨削砂轮的线速度一般在4560m/s，尚未超过80 m/s。 超高速切削/磨削技术和其机床装备，与国际先进水平相比，还有较大差距。 2. 超精密加工方面 国内研发的超精密切削机床，无论性能稳定性和可靠性，还是精度指标，与国外产品相比，还有较大差距；而且国外的商品化机床都配有精度补偿软件。,我国现代制造技术的发展现状,3. 特种加工方面 国内在电加工、激光加工、超声加工、聚焦离子束和电子束加工等方面，与国际先进水平相比，还有较大差距。 4. 微纳加工方面 与国外相比，基础研究还很落后，高水平的装
16、备和仪器大都依赖进口。 5. 自动化技术方面 我国目前尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业中使用。,我国现代制造技术的发展现状,6. 现代生产管理方面 国内只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数中、小型企业仍处于经验管理阶段。与国际先进水平相比，还有较大差距。 7. 创新能力方面 我国在经费投入强度、技术水平、技术引进、生产能力等体现企业核心竟争力和持续发展能力方面，远低于工业发达国家。 8. 完整的体系方面 目前我国绝大多数企业技术开发能力薄弱，尚末成为技术创新的主体；还缺乏一支精干、相对稳定的力量从事产业共性技术的研究与开发。,我国现代制造技术的发展现状,4.研究和开发先进的制造系统设计理论与方法,近几年，由于制造企业信息管理的改进和计算机技术的应用，取得了一系列提高制造效率与效益的可喜成果。如：为制造系统集成决策及其运作活动建模而开发的IDEFO方法，成为描述制造系统的工具。准时生产JIT/精益制造等新的生产方式对制造系统的设计和实际运行产生了重要的影响。约束理论的应用使制造系统的设计直接为
