卓越生产制体系管理

先进制造技术与系统前言
第一章先进制造技术概述
第一节制造技术的基本概念与发展概况
第二节面向知识经济的制造业
第三节 21世纪制造业的主要特点
第四节 21世纪对制造业的挑战
第五节先进制造技术的基本内容与体系结构
第六节先进制造技术的发展趋势
第三章先进制造系统工程设计技术
第一节并行工程
第二节面向“X”的设计（ Design for X ）
第三节反求工程技术(Revese Engineering)
第四章制造自动化技术
第一节计算机辅助制造(CAM)
第二节数控编程技术
第三节 CAPP技术——计算机辅助工艺过程设计
第四节 CAD/CAPP/CAM集成技术
第五节柔性制造系统
第六节计算机集成制造系统
第五章先进制造系统管理技术
第一节概述
第二节成组技术（Group Technology）
第三节准时生产(JIT)管理方式
第四节精益生产
第五节敏捷制造
前言
本课程将带领你到一个神奇的领域中去游览。

这个领域与你的关系是如此之密切，以致于你每时每刻都在与它打交道。

你目之所及、身之所用多是这一领域的劳动成果
可是，对于这一领域，你可能又知之甚少，感到十分陌生。

在新的
世纪即将来临的今天，对于这一领域的突飞猛进的发展，对它所创造的令人惊异的奇迹与辉煌，你应该有所了解。

这个领域就是制造领域。

本课程将向您讲述当代先进制造技术的各方面知识,这些内容，将会令你惊叹，让你着迷，鼓励你开拓新的知识疆界，帮助你提高适应新世纪的能力。

制造业创造了人类的物质文明，而今天的先进制造技术又是人类物质文明所创造的最伟大的奇迹之一。

第一章先进制造技术概述
先进制造技术(Advance Manufacturing Technology，AMT)定义:
是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与管理科学等多学科先进技术的综合，并应用于制造工程之中所形成的一个学科体系。

第一节制造技术的基本概念与发展概况
制造业的主要任务----制造人类社会在生产和生活中所需的一切产品。

即：
一方面创造价值，产生物质财富和新的知识。

另一方面为国民经济各个部门，包括国防和科学技术的进步和发展提供先进的手段和装备。

据估计，工业化国家约70％-80％的物质财富来自制造业，因此，很多国家特别是美国把制定制造业发展战略列为重中之重，原因是
①世界经济发展的趋势表明，制造业是一个国家经济发展的基石，也是增强国家竞争力的基础；
②制造业是解决就业矛盾的一个重要领域，也是21世纪提高一个国家整体就业水平的重要基础；
③制造业不仅是高新技术的载体，而且也是高新技术发展的动力。

一、制造系统与制造技术
“制造”定义：(Manufacturing is series of interrelated activities and
operations involving the design，materials selection，planning，production，quality assurance，management and marketing of the products of the manufacturing industries)。

制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。

——国际生产工程学会1990年
制造系统(Manufacturing Systern)定义：
制造系统是制造过程及其所涉及的硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置以及有关软件包括制造理论、制造技术(制造工艺和制造方法等)和制造信息等组成的一个具有特定功能的有机整体。

制造技术(Manufacturing Technology)定义：制造技术是按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物质工具，使原材料转变为产品的技术总称。

先进制造技术的提出和发展只是近20年间的事情。

二、传统制造业及其技术的发展
制造技术发展，从蒸汽机出现到今天，经历三个发展阶段：
1．用机器代替手工，从作坊形成工厂
•在19世纪及20世纪初，各种金属切削加工工艺方法陆续形成，近代制造技术已成体系。

•机器(包括汽车)的生产方式是作坊式的单件生产。

它产生于英国，先后传到法国、德国和美国，并在美国首先形成了小型的机械工厂，使这些国家的经济得到了发展，国力大大增强。

2．从单件生产方式发展成大量生产方式
推动这种根本变革的是两位美国人：
泰勒和福特。

泰勒首先提出以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理，成为制
造工程科学的奠基人。

福特首先推行所在零件都按照一定的公差要求来加工(零件互换技术)，1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线，实现了以刚性自动化为特征的大量生产方式，它对社会结构、劳动分工、教育制度和经济发展，都产生了重大的作用。

20世纪50年代发展到了顶峰，产生了工业技术的革命和创新，传统制造业及其大工业体系也随之建立和逐渐成熟。

近代传统制造工业技术体系的形成，其特点是以机械一电力技术为核心的各类技术相互联结和依存的制造工业技术体系。

3.柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术
20世纪80年代以来所产生的现代制造技术沿着4个方向发展;
传统制造技术的革新、拓展；
精密工程；
非传统加工方法；
制造系统的柔性化、集成化、智能化和网络化。

传统制造业的生产和技术的特点:
(1)单件小作坊式生产加高度的个人制造技巧，大量的机械化刚性规模生产加一体化的组织生产模式，再加细化的专业分工。

(2)制造技术的界限分明及其专业的相互独立。

(3)制造技术一般仅指加工制造的工艺方法，即制造全过程中某一段环节的技术方法。

(4)制造技术一般只能控制生产过程中的物质流和能量流(原材料到产品的物质流运过程，能量的投入、转换和消耗过程)。

(5)制造技术与制造生产管理的分离。

三、现代制造及其技术的发展
新技术的发展和传统技术的革新、发展及完善：
新兴材料技术(新冶炼技术、新合金材料、高分子材料、无机非金属材料、复合材料等)；
新切削加工技术(数控机床、新刀具、超高速和精密加工)；
大型发电和传输技术；
核能技术；
微电子技术(集成电路、计算机、电视、广播和雷达)；
自动化技术；
激光技术；
生物技术和系统工程技术。

传统制造业在20世纪开始的新的革命性的变化和进步，传统制造开始向现代制造发展。

现代制造及其技术的形成和发展特点是：
(1)生产规模：
•从少品种大批量，发展到单件小批量、多品种变批量。

(2)生产方式：
•从劳动密集型，发展到设备密集型、信息密集型、知识密集型。

(3)制造装备：
•从手工，发展到机械化、单机自动化、刚性自动线、柔性自动线+智能自动化。

(4)制造技术和工艺方法：
发展中现代制造特征表现为：
①重视必不可少的辅助工序，如加工前后处理；
②重视工艺装备，使制造技术成为集工艺方法、工艺装备和工艺材料为一体的成套技术；
③重视物流、检验、包装及储藏，使制造技术成为覆盖加工全过程的综合技术，
④发展优质高效低耗的工艺，取代落后¹
⑤吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果，形成CAD、CAM、CAPP、CAT、CAE、NC、CNC、MIS、FMS、CIMS、IMT、IMS等一系列现代制造技术。

•实现上述技术的局部或系统集成，形成从单机到自动生产线等不同档次的自动化制造系统；
(5)引人工业工程和并行工程概念：
强调系统化及其技术和管理的集成，将技术和管理有机地结合在一起；
引入先进的管理模式，使制造技术及制造过程成为覆盖整个产品生命周期，包含物质流、能量流和信息流的系统工程。

四、制造业发展过程中竞争的焦点和策略
市场竞争是制造业永恒的话题。

从100多年前福特(Ford)汽车的生产线开始，产生和应用不同的技术和管理模式(见表1—1)。

20世纪是制造业空前发展的重要时期；制造系统的集成活动异常活跃，制造模式不断更新。

制造技术广泛吸收高新技术的优秀成果，并相互渗透、融合和衍生，产生急剧的变化，其目的是使所制造的产品(Product)达到：功能(Function)、交货期(Time to Market)、质量(Quality)、价格(Cost)、服务(Service)均为优良。

五、先进制造技术与制造模式的发展历程
20世纪末，以微电子、信息、新材料、系统科学等为代表的新一代科学与技术的迅猛发展及其在控制领域中的广泛渗透、应用和衍生，极大地拓展了制造活动的深度和广度，急剧地改变了现代制造业的产品设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产生一大批新的制造技术和制造模式。

现代制造业已成为发展速度快、技术创新能力强、技术密集和知识密集的部门。

为适应这种情况的变化，美国、日本等国开展了大量的对策研究。

提出了许多新观点，新思想、新概念，先后诞生了许多先进制造技术、模式与系统，例如
柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)
计算机集成制造系统 CIMS
并行工程(Concurrent Engineering，CE)
精良生产(Lean Production，LP)
智能制造系统(Intelligent Manufacturing System，IMS)
敏捷制造系统(Agile Manufacturing System，AMS)
全能制造系统(Holonic manufacturing System，HMS)
虚拟制造系统(Virtual Manufacturing System，VMS)
全球制造(Globalization Manufacturing)系统等。

见下图
第二节面向知识经济的制造业
信息技术和计算机网络技术的发展各国的经济离不开与国际市场的信息、技术、资源和产品的交换。

由此，一方面开阔了企业的市场，另一方面也给企业带来了全球范围的竞争压力。

新经济也是全球性经济，生产过程不再局限于一国范围，而是形成“无国界的经济实体”。

企业间竞争与合作、开放与限制并存的局面，必将引起世界经济结构与组织结构的重大变化，从而带来制造业的一场革命。

一、知识经济的特征与对制造业的影响
知识经济对制造工业的影响：
对产品和消费观念的改变
产品设计和制造过程的数字化和智能化
经营和制造活动的全球化等。

制造技术质的飞跃：
制造技术已成为一个涵盖整个生产过程、跨多个学科、高度
集成的高新技术。

支撑制造技术的电子、光学、信息科学、材料科学、生物科
学、激光及管理科学等逐步成为制造业的新兴技术与新兴工
业的综合体。

问题：在知识经济条件下，制造业的地位是否降低了
在知识经济条件下，制造业是参与市场竞争的主体。

世界经济发展
规律告诉人们：
——一个没有工业基础和制造业的城市是没有根基的城市。

——制造业能极大地推动金融、贸易、保险、房地产和服务业的发展。

——没有制造业作为基础，无论哪一个产业都将失去存在和发展的条件。

案例说明
制造技术的水平和制造工业的发达程度突出地反映了一个国家、一个地区的经济实力，人民的生活质量、国防能力和社会的发展程度。

一个国家如果不重视发展先进制造技术和制造工业，必然要吃亏、上当、挨打。

以下仅举两个比较突出的事例来说明。

美国在二战以前一直是制造大国•轿车工业为支柱，在全球制造业中居于执牛耳的地位。

• 20世纪50年代以后，因军备需要，偏重高新技术和军用技术发展，放松一般制造业。

•进入70年代后期，“第三次浪潮’’论在美国流传开来，认为美国进入“后工业社会”。

劳动力将从工业转移到信息行业和服务行业。

•认为制造业已成为正在走向没落的“夕阳工业”，制造技术的发展受到冷遇。

•大学里不再开设制造技术和制造科学课程，也少有相关研究课题。

放弃了关于制造工程和制造科学方面的教育和研究工作。

所谓“第三次浪潮’’即信息革命，“后工业社会”就是知识经济社会。

这些都是正确的论断。

劳动力的第二次大转移也是正在发生的事实。

问题出在将制造业视为正在走向没落的“夕阳工业”，过于简单和轻率，不符合其后经济发展的事实。

事实证明，知识经济的发展，不是要放弃制造业，而是要按照知识
经济的特点和要求来改造制造业，使传统的制造业发展成为先进制造业，为现代社会经济的发展发挥不可替代的作用。

“夕阳工业’’论对于美国制造业和美国经济的负面影响
20世纪的70-80年代
在微电子工业、汽车工业的国际市场竞争日本的高质量和高技术含量的产品，如汽车、摩托车、机床、录相机、照相机、电视机等产品以及亚洲和拉美国家的一些廉价产品夺走了相当一部分原属美国产品的国际市场，乃至于部分美国的国内市场。

美国机床工业放弃了原已占领的53％的市场，其年产值在12年间从57亿美元跌落到38亿美元。

1986年，该国仍有一半机床需要进口。

1973年石油危机，日本的节能型轿车大举进入美国，占领了相当一部分美国国内市场。

直到90年代初，美国仍有1／4以上的国内汽车市场被日本汽车占领。

在那一段时期，美国的制造业在国际市场竞争中节节败退，物资生产基础遭到严重的削弱，第二、第三产业的比例严重失调，国际贸易逆差剧增，经济空前滑坡，美国公众和舆论界惊呼这种情况“危及美国国家的安全!”
“帝国反击战”——美国的补救行动
美国政府和企业界重新审视其科学技术政策和产业政策，重新认识和评价制造技术和制造业在国民经济中的重要地位和作用。

•总统委员会的报告指出：“美国在重要的、高速增长的技术市场上失利的—个重要原因是美国没有把自已的技术应用到制造业上。

”
•美国开始加强对制造技术的研究与开发，相继实施了一系列振兴制造业的计划，力图夺回昔日的优势，重建新的辉煌。

政府、公司与大学联手开展关于制造科学和制造技术的研究、开发与教育工作，建立了一系列工业／大学联合研究中心。

1991年美国总统布什公布了“国家关键技术计划”，将“制造技术”列入六项关键技术(材料、制造、电子信息、生物工程与生命科学、能源
与环境以及航空、航天与地面交通)之中。

1994年被定为美国的“制造技术年”，年初，美国商务部提出：制造是工业的基础。

•美国政府一反过去不介入制造业的惯例，积极支持与推动制造业的发展。

将制造技术列为美国财政重点扶植的唯一的领域。

•美国的“三大汽车公司”(通用、福特和克莱斯勒)以日本汽车公司为对手，研究赶超的主要措施和对策。

•例如，在20世纪90年代初，三大汽车公司与密西根大学合作，在政府的支持下，开展了一项提高轿车车身点焊总成的精度、降低车门门缝的平均宽度的研究，即所谓“两毫米工程”。

对这一项研究所投入的经费达1300多万美元。

克林顿总统上台后，对制造工业给予了实质性的支持。

提出并实施了振兴美国制造业的六点措施：
第一，对先进制造技术的研究和开发提供更多资助，特别是新汽车技术、智能控制和传感器、快速原型设计等制造技术的研究开发计划将得到赞助；
第二，支持敏捷制造技术；
第三，建立全国制造技术推广中心网；
第四，建立各地区的技术促进联盟；
第五，促进制造工程教育的发展；
第六，促进考虑环境的制造技术的发展。

经过了一段时期的努力奋斗，收到良好的效果，在制造技术基础研究、技术创新、企业重组与协作等方面有了重大改观。

一些欧洲报纸称：“由于采用了先进的设计技术手段，美国新设计的汽车在技术上已超过日本和欧洲。

”美国的汽车产量于1994年重新超过日本，夺回了部分失去的市场。

美国机床的设计和制造水平得到了很大的提高。

1994年美国电子行业重新占据领先地位，并总结出有关制造技术的一系列先进的理论、技
术和方法，如并行工程、精益生产、敏捷制造和虚拟制造等。

故事思考、结论
•从美国这个超级大国在制造技术和制造工业的发展中所走过的弯路和所经历的波折中，我们可以看到：
•一个现代国家如果忽视了制造技术和制造工业，放松了对于制造技术的研究、开发和对于制造工业的促进，其后果将是何等严重!
•像美国这样的实力雄厚的经济大国尚且不能承受由此而引起的严重后果，更何况像我国这样的发展中国家。

另一个事例(微观层面)
日本东芝公司买给前苏联巨型数控加工机床，该机床加工出来的螺旋桨提高了前苏联航空母舰的速度，大幅度地降低了前苏联潜艇的螺旋桨推进器在水下发出的噪声，大大提高了苏方潜艇的隐密性，增加近距离对美方舰艇发动突然袭击的可能性。

美国对日本东芝公司十分恼火。

1987年6月30日美国参议院通过一项“制裁东芝机械公司的法案”，禁止这家公司在五年内向美国出口任何产品。

在美国的压力下，东芝公司董事长和总经理被迫辞职。

当时的日本首相及防卫厅厅长还向美国政府道歉，表明日本将加强对各公司出口的检查，保证不再发生类似事件。

这就是曾经轰动一时的所谓“东芝事件”。

这个事例从微观上突出地表明了制造技术的具体的成果所具有的重大意义和举足轻重的影响。

二、知识经济条件下制造业面临的机遇和挑战
1.传统制造业特点
（1）建立在规模经济基础上，靠企业规模、生产批量、产品结构和重复性来获得竞争优势。

（2）强调资源的有效利用，以低成本获得高质量和高效率。

（3）生产赢利是靠机器取代人力、复杂的专业加工取代人的技能
来获取。

（4）机器的非柔性、要求标准的产品设计以获得高产出。

（5）难以满足市场对产品花色品种和交货期的要求。

2.制造业面临的发展机遇和严峻挑战：
(1)产品生命周期缩短
现代科技以日新月异的速度发展，新产品层出不穷。

产品的生命周期(一个产品从开发设计到被市场淘汰所经历的时间)大大缩短。

(2)用户需求多样化
用户追求多样化和个性化已逐渐成为世界的潮流。

(3)大市场和大竞争
世界市场的开放程度越来越大。

计算机通信技术和信息高速公路，使全球集成制造有可能实现。

使资源更充分地利用，原料和产品的运输距离显著地缩短，交货期进一步缩短，产业分工的国际化已成为发展潮流。

(4)交货期成为竞争的第一要素
根据客户对产品需求的变化，要求迅速作出反应，已经成为压倒一切的竞争要素。

(5)信息化和智能化
随着计算机技术广泛的应用，企业的控制进一步信息化和智能化，企业的工作内容、对象和方法发生根本的改变。

(6)人的知识、素质和需求的变化
企业职工的知识、素质有较大提高，对工作内容和环境有更高要求。

(7)环境保护意识的增强与可持续发展
人类发展与环境的矛盾日益加深和尖锐。

人类经济活动反思重大成果: 1992年确立了《21世纪议程》，一致提出要遵循可持续发展模式。

第三节 21世纪制造业的主要特点
一、背景
市场竞争是推动制造业不断采用先进制造技术和制造模式的因素二十多年来，世界制造业已进入了一个巨大变革时期，这一变革主要特点是：
1、生产能力(包括资本、信息)在世界范围内迅速提高和扩散，已形成全球市场激烈竞争格局。

2、先进生产技术的出现正在急剧地改变着现代制造业的产品结构和生产过程。

3、传统的管理、劳动方式、组织结构和决策准则都在经历新的变化。

这些既为制造业带来了市场竞争的压力，同时也带来了机遇。

二、21世纪制造业的主要特点是
1、产品生命周期缩短，产品更新加快
美国制造业的经营策略变革示意图
2、具备赢得竞争，提高市场占有率的四种基本能力：
（1）时间竞争能力，产品上市快、生产周期短、交货及时；
（2）质量竞争能力，产品不仅可靠性高，而且使用户在各方面都满意；
（3）价格竞争能力，产品生成成本低，销售价格适中；
（4）创新竞争能力。

四种能力中最重要的是创新竞争能力
3、制造全球化和贸易自由化
随着世界自由贸易体制的完善、全球交通运输体系和通信网络建立，国际经济合作和交往日趋紧密，世界正在成为一个统一的大市场。

制造产业、制造产品和制造技术走向国际化，导致制造业格局在全球的重新分布和组合，并使得经济竞争在国际范围内愈演愈烈。

4、人类正迈向信息社会
迅猛发展微电子、信息、新材料、为代表的新一代科学与技术，在
制造领域中广泛渗透、应用和衍生，拓展制造活动的深度和广度。

现代制造业的设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构已经改变。

产生了一大批新的制造技术和制造模式。

现代制造业已成为发展速度快、技术创新能力强、技术密集甚至是知识密集的部门。

许多产品的技术含量和附加值增大，进入了高技术产品的行列。

5、环境保护意识的增强与可持续发展。

可持续发展(Sustainable Development)思想在深入
制造业及其产品受到的环境方面制约：
社会压力(整个社会和每一个公民都不会容忍浪费资源和污染环境的行为)。

国家政策或立法以及经济手段：
如安全标准、对废弃物的排放标准、能源使用、劳动者和公共健康保护、“绿色”产品标志许可制度、废物污染记帐制度等等。

企业的环境适应性决定其竞争能力、应变能力、生存能力。

生态安全型和资源节约型制造技术是制造领域亟待解决的一个重要课题。

第四节 21世纪对制造业的挑战
人类进入21世纪，社会与政治环境、市场需求、技术创新预示着制造业将发生巨大变化。

美国国家科学研究委员会工程技术委员会、制造与工程设计院"制造业挑战展望委员会”，对2020年制造业所面临的形势提出了如下六大挑战或基本目标：
一、快速响应市场竞争的挑战——实现制造环节并行
效果1：并行制造将显著缩短产品从概念到实现的时间。

效果2：在合作企业中，各外围企业不同区段的核心能力和知识将动态组合，通过精确估算、优化以及对产品成本利润的跟踪，将大大减小投资风险。

挑战性：在通信和数据处理方面需要重要的新技术，需要制造企业。