第1章制造装备及其自动化技术概述
本章知识要点
(1)掌握制造、制造业、制造技术、制造系统的基本概念。
(2)掌握机械化与自动化的区别与联系。
(3)掌握自动化制造系统的原理与组成。
(4)掌握制造业及制造技术发展的四个阶段及其重要标志。
(5)了解制造业及装备制造业在国民经济中的地位。
(6)了解制造自动化技术的发展。
探索思考
目前，互联网技术与制造技术高度融合，催生了“工业4.0”与“云制造”等制造业新概念，那么“工业4.0”与“云制造”的基本概念是什么？其具有怎样的深刻内涵？
预备知识
(1)查阅《国民经济行业分类(GB/T4754—2011)》国家标准，详细了解我国国民经济的行业分类。
(2)查阅资料，分析和了解我国近两年数控机床、工业机器人的发展规模(具体数字)及发展趋势。
1.1基本概念
1.1.1制造
制造是人类经济活动的基石，制造(Manufacturing)一词*早出现在1567年，其来源于拉丁语词根Manus(Hand)和Factus(Make)，所以制造的*初含义就是手工制作(MadebyHand)。当时，产品都相对比较简单，人们在小作坊里通过手工劳动就可以制作完成。但是，随着时间的推移，产品越来越复杂，工厂的规模不断扩大，劳动分工更加精细，工人的专业化水平不断提高，手工劳动已经逐步被机器生产所代替，且产品制造的自动化水平越来越高，因此制造的概念也已经发生了质的变化。目前对制造比较完整的理解是：制造是人们按照市场需求，运用主观掌握的知识和技能，借助于手工或可以利用的客观物质工具，采用有效的工艺方法和必要的能源，将原材料物化为*终物质产品并投放市场的全过程。通常制造又有狭义和广义之分，狭义的制造是指生产车间内与物流有关的加工和装配过程，也就是将原材料转变为产品的工艺过程，而广义的制造不仅包括将原材料转变为产品的工艺过程，还包括市场分析、产品设计、质量保证、生产过程管理、市场营销、售前售后服务，以及产品报废后的回收处理等在内的整个产品生命周期的一系列相互关联的活动。
至今，制造的确切含义在国际上都没有一个权威的定义，不同机构从不同的角度出发按照自己的理解给出了不同的定义。国际生产工程研究会(International Institution for Production Engineering Research，CIRP)1990年对制造的定义是：制造是企业中涉及产品设计、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作业的总称。1999年麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，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、人与技术结合的途径等。2002年美国生产与库存控制学会(American Production and Inventory Control Society，APICS)将制造定义为：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。尽管人们的出发点不同，理解也有所差异，但从这些定义可以看出，广义制造的概念已经普遍为人们所接受。
1.1.2制造业
制造业是利用制造技术，将制造资源(物料、能源、设备、工具、资金、信息、人力等)，通过制造过程，转化为供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业。制造业是所有与制造企业有关的企业群体的总称。制造业一方面创造价值、生产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与发展提供先进的手段和装备。
制造业涉及国民经济的许多部门，包括机械、食品、纺织、医疗、家用电器、通信、航空航天、国防、农业、冶金、化工、建筑、交通、环保、出版印刷、网络媒体、文化娱乐等各个领域，是国民经济的支柱产业，直接体现一个国家的生产力水平，是国民经济收入的主要来源，是区别发展中国家和发达国家的重要因素。
1.1.3制造技术
制造技术是按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物资工具，将原材料物化为人类所需产品的工程技术。也就是，制造技术是使原材料成为产品而使用的一系列技术的总称。制造技术是人们应用自己掌握的科学技术知识和专业技能，操作可以利用的物质工具，采取各种有效的策略、方法和手段，对自然资源进行采集、加工、改造，将其经济合理地转化为可直接使用的具有高附加值的产品，以满足人类生存和发展需要。
制造技术与制造业是相辅相成、密不可分的：一方面，制造技术的发展与进步源源不断地为制造业的蓬勃发展提供动力；另一方面，制造业也为制造技术提出新的需求与挑战，从而不断推动制造技术和制造业发展到更高的阶段。
1.1.4制造系统
制造系统(Manufacturing Systems)是按一定制造模式将制造过程所涉及的各种相互关联、相互依赖、相互作用的有关要素组成的具有将制造资源转变为有用产品这一特定功能的有机整体。组成制造系统的要素不仅包括人员、生产设备及用于生产制造的过程等“硬件”，还包括与市场、产品设计、制造过程规划、制造过程控制等有关的“软件”。其中，“硬件”是指制造系统的“制造装备(Facilities)”，而“软件”是指制造系统的“制造支持系统(Manufacturing Support Systems)”。
具体来说，制造装备不仅包括机床、刀具、物料储运设备、质量检测设备以及控制制造过程的计算机系统，还包括这些设备的组织使用方式。按照设备的组织使用方式，制造系统大致可以分为三类：①手动制造系统；②人-机器制造系统；③自动化制造系统。
手动制造系统是指产品的制造过程都是由工人使用手工工具来完成的，工人和手工工具是制造系统的主要组成要素。人-机器制造系统，是指产品的制造过程是由工人操作由动力驱动的机床来完成的，工人和动力驱动机床构成了制造系统的主要组成要素。而自动化制造系统是指产品的制造过程是在没有工人直接参与的情况下，由计算机控制系统通过执行程序指令来驱动相应的制造装备来自动完成的，而工人只是完成一些周期性的监视等辅助工作。
作为一个系统，制造系统具有一般系统所具有的一切特征。图1-1用黑箱模型表示了制造系统及其与外部环境的关系。其中，信息、原材料、能量和资金作为系统的输入，成品作为系统的主动输出，废料以及其他排放物(包括对环境的污染)作为系统的被动输出。
在研究制造系统时，除了要搞清楚系统与外部环境的关系外，我们更感兴趣的是它的内部组织和结构。在系统内部包括很多与制造活动有关的要素：人员、设备、组织机构、管理方式、技术系统、资金等，简单地将这些因素相加，无法取得整体*佳的效果，也不称其为系统。只有从系统的观点出发，运用系统工程的原理和技术去统筹规划各个要素，才能实现各要素之间的有机集成，使系统运行在*佳状态，以*经济有效的方式达到制造活动的目的。
图1-1制造系统的黑箱模型
1.2制造业、装备制造业及其发展
1.2.1制造业及制造技术的发展历程
人类*早的制造活动可以追溯到新石器时代，人们利用石器作为劳动工具，制造生活和生产用品，制造处于一种萌芽阶段；到了青铜器和铁器时代，为了满足以农业为主的自然经济的需要，出现了纺织、冶金和锻造等较为原始的制造活动。直到18世纪中叶，随着蒸汽机的发明，掀起了人类历史上的第一次产业革命(蒸汽革命)，制造业的发展也发生了历史性的转折，出现了以动力驱动为特征的制造方式。
19世纪70年代，随着发电机和电动机的发明，以电力的大规模应用为代表、以电灯的发明为标志的第二次产业革命(电气化革命)随之到来，电作为新的动力源大大改变了机器的结构和生产效率。20世纪初，制造业进入了以汽车制造为代表的批量生产时代，出现了流水生产线和自动机床，同时在制造管理思想方面，泰勒(Taylor)提出了以劳动分工和计件工资为基础的科学管理思想，福特(Ford)率先推出了零件可互换的标准化技术，并于1931年建立了划时代意义的世界上第一条汽车装配生产线，实现了以刚性自动化为特征的大批量生产方式。
20世纪40年代，受第二次世界大战的推动，出现了以原子能、电子计算机、晶体管、集成电路和微电子技术为代表的人类历史上的第三次产业革命(电子、原子革命)，这是继蒸汽技术革命和电气化技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃。第三次产业革命，大力加速了航空、船舶和电子制造业的迅猛发展，使以大规模生产方式为主要特征的制造技术，在50年代逐渐进入鼎盛时期，制造业可以降低生产成本和提高生产效率，形成了“规模效益”的工业化生产理念。大规模生产作为现代工业生产的一个重要特征，对人类社会的经济发展、社会结构、文化教育以及社会方式等产生了深刻的影响。
20世纪七八十年代，随着微电子产品、电脑、新一代通信产品、新一代汽车、磁悬浮列车、新一代飞机、机器人、生物工程产品、新一代药物、绿色食品、转基因产品等的出现，人类掀起了以高新技术为特征的第四次产业革命(高新技术革命)，市场的竞争随之加剧，大规模生产方式面临新的挑战，制造企业的生产方式开始向多品种、小批量生产方式转变，出现了制造资源规划、计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)、并行工程(Concurrent Engineering，CE)、精益生产(Lean Production，LP)、敏捷制造、虚拟制造、智能制造及绿色制造等许多先进制造模式和理念，出现了计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程、计算机数控机床、柔性制造系统、工业机器人等先进的设计制造技术手段与装备。
20世纪90年代以来，以Internet为代表的信息技术革命给世界带来了巨大的变化，经济全球化进程也打破了传统的地域经济模式，制造业开始向全球化、网络化、虚拟化、集成化、清洁化、柔性化、智能化、精密化的方向发展。21世纪开始的十年，制造技术已经呈现出多学科融合发展的趋势，制造业在适应经济全球化需要、适应高新技术发展需求、适应激烈市场竞争需要方面发挥着越来越重要的作用。
1.2.2制造业在国民经济中的地位
世界各国通常将国民经济产业结构划分为三大类：第一产业、第二产业和第三产业。第一产业是指提供生产资料的产业，包括种植业、林业、畜牧业、水产养殖业等直接以自然物为对象的生产部门。第二产业是指加工产业，利用基本的生产资料进行加工并出售。第三产业是指第一、第二产业以外的其他行业。根据我国国民经济行业分类方法，将第一产业统称为农业，第二产业统称为工业，第三产业统称为服务业，其具体划分如表1-1所示。
表1-1我国国民经济三大产业划分
从表1-1可以看出，我国将三大产业划分为A～T的20个门类，其中每个门类又包含若干个大类。制造业作为第二产业的C门类，包括13～43的31个大类，在国民经济产业结构中占有非常重要的位置。典型的制造业大类包括：食品、烟草、纺织、木材、印刷、文体用品、石油、化工、医药、橡胶、设备制造、交通、通信、仪器仪表等与产品制造相关的行业。
2010年我国三大产业所占的比重分别为10.17%、46.87%和42.96%。其中，我国装备制造业增加值占规模以上工业增加值的29.6%，占全部规模以上工业企业出口交货值的64.5%。制造业在国民经济结构中占有非常重要的地位，其发展对国家经济、社会、文化等各方面都具有巨大而深远的意义，制造业在国民经济中的地位和作用具体表现如下。
(1)制造业是国民经济的支柱产业和经济增长的发动机，是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体现。在发达国家中，制造业创造了约60%的社会财富、约45%的国民经济收入。据麦肯锡(McKinsey)2010年统计数据，在全球范围内，制造业产值占GDP的比重平均值为17%，英
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